DE4332163A1 - Method and device for pollutant analysis in water samples - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zur Schadstoffanalyse von Gewässerproben mit Algen als Indika tormittel.The invention relates to a method and an apparatus for pollutant analysis of water samples with algae as an indicator goal means.
Algen haben sich als kostengünstige Indikatormittel für die Schadstoffanalyse von Gewässerproben bewährt. Zudem kann durch geeignete Temperierung und Nährstoff- bzw. CO₂-Zugabe zu der Algensuspension eine beliebige Lebens- bzw. Haltbarkeitsdauer des Indikatoransatzes erzielt werden. Bei den bekannten Verfah ren zur Schadstoffanalyse mit Hilfe von Algen als Indikatormit tel wurden die mit Algensuspension versetzten Gewässerproben bisher mit Dauerlicht bestrahlt. Die Intensität des von dem Ge misch emittierten Fluoreszenzlichtes stellt ein Maß für die Schadstoffbelastung der Gewässerproben dar. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß auch Streulicht und sowohl von fluoreszierenden Stoffen in Gewässern als auch von abgestorbe nen chlorophyllhaltigen Organismen emittiertes Licht mit dem Fluoreszenzlicht erfaßt wird. Eine genaue Bestimmung der "reinen Fluoreszenzausbeute" der Indikatororganismen ist nicht oder nur schwer möglich. Das Verfahren ist deshalb relativ un genau und störanfällig gegenüber äußerem Lichteinfall.Algae have proven to be cost effective indicators for the Proven pollutant analysis of water samples. In addition, by suitable temperature control and nutrient or CO₂ addition to the Algae suspension any life or shelf life of the indicator approach can be achieved. In the well-known process for the analysis of pollutants using algae as an indicator The water samples spiked with algae suspension previously irradiated with continuous light. The intensity of the Ge mixed emitted fluorescent light represents a measure of that Pollution of the water samples. The disadvantage of this The method consists in that stray light and both fluorescent substances in water as well as from dead Chlorophyll-containing organisms emit light with the Fluorescent light is detected. An exact determination of the "Pure fluorescence yield" of the indicator organisms is not or only possible with difficulty. The procedure is therefore relatively un accurate and prone to interference from outside light.
Hier schafft die Erfindung Abhilfe. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die Bestimmung der Schadstoffbelastung von Gewässern bei begrenztem Aufwand zuverlässiger zu machen.The invention provides a remedy here. You have the task based on the determination of the pollution of water bodies to make it more reliable with limited effort.
Verfahrensmäßig liegt die Lösung dieser Aufgabe erfindungs
gemäß darin,
daß eine Algensuspension gebildet wird;
daß eine Gewässerprobe mit der Algensuspension vermischt
und über eine vorgegebene Reaktionszeit auf die Algenprobe zur
Einwirkung gebracht wird;
daß das Gemisch mit einem schwachen und modulierten ersten
Lichtsignal (Meßlicht) und mit einem photosynthetisch aktiven,
stärkeren, aber unmodulierten zweiten Lichtsignal (Dauerlicht)
bestrahlt wird;
daß in Abhängigkeit vom Dauerlicht der Verlauf der Sauer
stoffentwicklung und der von dem Gemisch emittierten Fluores
zenzsignale erfaßt wird; und
daß die Meßwerte der Fluoreszenz und der Sauerstoffentwick
lung als Basis der Schadstoffanalyse miteinander verglichen
werden.In terms of the method, the solution to this problem according to the invention is
that an algae suspension is formed;
that a water sample is mixed with the algae suspension and is brought into contact with the algae sample over a predetermined reaction time;
that the mixture is irradiated with a weak and modulated first light signal (measurement light) and with a photosynthetically active, stronger but unmodulated second light signal (continuous light);
that, depending on the continuous light, the course of the oxygen development and the fluorescence signals emitted by the mixture is detected; and
that the measured values of fluorescence and oxygen development are compared as the basis of the pollutant analysis.
Das Gerät zur Schadstoffanalyse von Gewässerproben mit Al gen als Indikatormittel zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß eine Gewässerprobenleitung und eine Algensuspensions zuleitung mit einem Mischgefäß koppelbar sind; daß eine Pro benentnahmevorrichtung zur Entnahme von Gemischproben aus dem Mischgefäß mit einer Meßküvette verbindbar ist; und daß der Meßküvette wenigstens eine Lichtquelle, ein Sauerstoffdetekti onsmittel und ein Lichtdetektor zugeordnet sind.The device for pollutant analysis of water samples with Al According to the invention, gene as an indicator agent is characterized by this from that a water sample line and an algae suspension supply line can be coupled to a mixing vessel; that a pro benentnahmevvorrichtung for taking mixture samples from the Mixing vessel can be connected to a measuring cell; and that the Measuring cuvette at least one light source, an oxygen detector onsmittel and a light detector are assigned.
Durch die Erfassung zweier der Photosynthese zugrundelie genden Meßgrößen - die Fluoreszenz und die Sauerstoffentwick lung - ist es möglich, den physiologischen Zustand des Gemischs genauer zu erfassen. Da der physiologische Vorgang der Photo synthese der Algen sehr empfindlich auf im Wasser vorhandene Schadstoffe reagiert, wird somit auch eine genaue Schadstoff analyse ermöglicht.By capturing two of the photosynthesis relevant parameters - the fluorescence and the oxygen development lung - it is possible to check the physiological state of the mixture to grasp more precisely. Since the physiological process of Photo Synthesis of algae very sensitive to water Reacts pollutants, thus becomes an accurate pollutant analysis enables.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren basiert auf der Trennung von Fluoreszenzmeß- und Photosyntheseanregungslicht. Erst diese Trennung ermöglicht die kombinierte Messung von Fluoreszenz- und Sauerstoffsignalen. Die kombinierte Erfassung dieser Photo syntheseparameter erhöht die Aussagesicherheit der Meßergeb nisse.The measuring method according to the invention is based on the separation of fluorescence measurement and photosynthesis excitation light. First this Separation enables the combined measurement of fluorescence and oxygen signals. The combined capture of this photo The synthesis parameter increases the reliability of the measurement results nits.
Die Verwendung von moduliertem Fluoreszenzmeßlicht erhöht die Meßgenauigkeit, da ausschließlich die Fluoreszenzausbeute von photosynthetisch aktiven Organismen gemessen wird. Des wei teren kann das vom Meßverstärker empfangene modulierte Fluores zenzsignal der Testalgen ohne Einfluß von einfallendem Streu licht und Störfluoreszenz erfaßt werden. The use of modulated fluorescence measurement light increased the measuring accuracy, since only the fluorescence yield is measured by photosynthetically active organisms. The white The modulated fluores received by the measuring amplifier can test signal of the test algae without the influence of incident stray light and interference fluorescence can be detected.
Ein wesentlicher Vorteil des Meßsystems ist die Tatsache, daß komplexe Signalmuster aufgezeichnet werden, und daß diese Signalmuster durch unterschiedliche Schadstoffe charakteri stisch verschieden verändert werden. Damit kann anders als bei üblichen biologischen Wirkungstests neben der einfachen Regi strierung eines Wirkeffektes zusätzlich ein Hinweis auf denje nigen Schadstoff gegeben werden, der den Wirkeffekt verursacht hat.A major advantage of the measuring system is the fact that complex signal patterns are recorded and that these Character pattern characterized by different pollutants be changed in different ways. This can be different from usual biological effects tests in addition to the simple regi effect of an effect also a reference to the few pollutants are given that cause the effect Has.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird nicht nur der physiologische Vorgang der Photosynthese, sondern auch die Dis similation (Atmung) der Algen überwacht. Dazu wird der Verlauf der Sauerstoffentwicklung in Abwesenheit von photosynthetisch aktivem Licht erfaßt. Verschiedene Schadstoffarten hemmen diese beiden unterschiedlichen physiologischen Vorgänge unterschied lich stark. Bei manchen Schadstoffen wird in erster Linie der Elektronentransport in den Zellen gestört, d. h. die Photosyn these gehemmt. Andere Toxide schädigen hauptsächlich die Mitro chondrien und können besser anhand der gehemmten Dissimilation erkannt werden. Eine kombinierte Überwachung der Dissimilation und der Assimilation kann die Meßgenauigkeit und die Analyse der Schadstoffart weiter verbessern.In a further development of the invention, not only the physiological process of photosynthesis, but also the dis Similation (breathing) of the algae is monitored. This is the course oxygen evolution in the absence of photosynthetic active light detected. Different types of pollutants inhibit this difference between two different physiological processes strong. For some pollutants, primarily the Electron transport in the cells disrupted, d. H. the photosyn these inhibited. Other toxides mainly damage the mitro chondria and can do better with inhibited dissimilation be recognized. Combined monitoring of dissimilation and assimilation can increase accuracy and analysis further improve the type of pollutant.
Vorteilhaft ist außerdem eine kurze Meßdauer von nur 6 Mi nuten. In einer speziellen Ausführungsform der Meßküvette, bei der die Messung der Fluoreszenzintensität und der Sauerstof fentwicklung in zwei räumlich getrennten Meßkammern gleichzei tig durchgeführt wird, genügt bereits eine Meßdauer von nur 4 Minuten. Mit einer einzigen Meßanordnung können in kurzen zeit lichen Abständen Gewässerproben auf Schadstoffbelastungen un tersucht werden. Die vorgeschaltete Einwirkungszeit der Schadstoffe auf die der Gewässerprobe zugesetzte Algensuspen sion beträgt nur ca. 30 Minuten. Somit gelingt es, Schadstoff analysen quasi kontinuierlich (alle 6 bzw. 4 Minuten) und bei nur geringer zeitlicher Verzögerung mit einer einzigen Meßan ordnung durchzuführen. A short measuring time of only 6 Mi is also advantageous grooves. In a special embodiment of the measuring cell, at which is the measurement of fluorescence intensity and oxygen Development in two spatially separated measuring chambers at the same time tig, a measurement time of only 4 is sufficient Minutes. With a single measuring arrangement you can in a short time intervals of water samples for pollutant loads be searched. The upstream exposure time of Pollutants on the algae species added to the water sample sion is only about 30 minutes. So it succeeds in pollutant Analyze quasi continuously (every 6 or 4 minutes) and at only a small time delay with a single measurement to carry out order.
Das erfindungsgemäße Gerät zur Schadstoffanalyse ist beson ders standfest und robust und deshalb für den mobilen Einsatz auch an unbefestigten Gewässerufern geeignet.The device for pollutant analysis according to the invention is special stable and robust and therefore for mobile use also suitable on unpaved waterways.
In Weiterbildung der Erfindung wird eine Automatisierung des Meßverfahrens dadurch erreicht, daß Meßwerte periodisch aufgenommen, von einem Rechner erfaßt, gespeichert und an eine Zentrale übertragen werden. In dieser Zentrale können beliebig viele Meßstellen von einer einzigen Bedienungsperson überwacht werden. So kann die Schadstoffanalyse von Gewässern nicht nur genauer, sondern auch schneller und wirtschaftlicher durchge führt werden.Automation is a further development of the invention of the measuring method in that measured values are periodic recorded, recorded by a computer, stored and sent to a Headquarters are transferred. Anything can be done in this central many measuring points monitored by a single operator become. So the pollutant analysis of water can not only more precisely, but also faster and more economically leads.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments and refinements of the Erfin are marked in the subclaims.
Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier in der Zeich nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher er läutert. In der Zeichnung zeigen:In the following the invention based on two in the drawing tion schematically illustrated embodiments he purifies. The drawing shows:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Geräts zur Schadstoffanalyse in einer ersten Aus führungsform; Figure 1 shows the basic structure of a device for pollutant analysis according to the invention in a first embodiment.
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Meßzelle mit zwei getrennten Meßkammern eines erfindungsgemäßen Geräts zur Schadstoffanalyse in einer zweiten Aus führungsform Fig. 2 is a schematic representation of a measuring cell with two separate measuring chambers of an inventive device for pollutant analysis in a second imple mentation form
Fig. 3 ein Diagramm mit Darstellung des zeitlichen Ver laufs der Fluoreszenzintensität und der Sauerstof fentwicklung während eines Meßzyklus in Abhängig keit von verschiedenen auf das Gemisch einwirkenden Lichtsignalen; und Fig. 3 is a diagram showing the temporal course of the fluorescence intensity and the development of oxygen during a measuring cycle depending on the speed of various light signals acting on the mixture; and
Fig. 4 ein Diagramm mit Darstellung des Verlaufs der Grundfluoreszenzintensität bei regelmäßig wieder holten Messungen an Rheinwasser und Änderung der Grundfluoreszenz bei Schadstoffbelastung. Fig. 4 is a diagram showing the course of the basic fluorescence intensity with regularly repeated measurements on Rhine water and change in the basic fluorescence when polluted.
Fig. 1 zeigt die wesentlichen Komponenten eines ersten Aus führungsbeispiels des Schadstoffanalysengeräts. Ein temperatur geregeltes Algensuspensions-Vorratsgefäß 1 ist mit einer Ein richtung zur Bestimmung der optischen Dichte (Refraktometer) und einer CO₂-Zuleitung versehen. Ein Drehtisch 3 dient als Träger mehrerer Mischgefäße 5. Jedem Mischgefäß 5 wird mit Hilfe einer als Pumpenblock ausgebildeten Fördereinrichtung 7 eine vorgegebene Menge eines Gemisches aus Algensuspension 9 und einer Gewässerprobe zugeführt. Die Teilmenge der Algensus pension 9 wird über eine Saugleitung 11 aus dem Algensuspensi ons-Vorratsgefäß 1 und Testwasser wird der Fördereinrichtung 7 über eine Leitung 13 aus einem Ventil 15 zugeführt. Das Ventil 15 hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Einlässe 17 und 19, die je nach Ventilstellung mit dem in die Leitung 13 mündenden Ventilauslaß verbunden werden. In jeder dieser beiden Stellungen ist der jeweils andere Einlaß geschlossen. Fig. 1 shows the essential components of a first exemplary embodiment from the pollutant analyzer. A temperature-controlled algae suspension storage vessel 1 is provided with a device for determining the optical density (refractometer) and a CO₂ feed line. A turntable 3 serves as a carrier for several mixing vessels 5 . A predetermined amount of a mixture of algae suspension 9 and a water sample is fed to each mixing vessel 5 with the aid of a conveyor device 7 designed as a pump block. The aliquot of the Algensus pension 9 is supplied via a suction line 11 from the Algenspensi ons storage vessel 1 and test water to the conveyor 7 via a line 13 from a valve 15 . In the exemplary embodiment shown, the valve 15 has two inlets 17 and 19 which, depending on the valve position, are connected to the valve outlet opening into the line 13 . In each of these two positions, the other inlet is closed.
Jedem Mischgefäß 5 ist eine z. B. als Magnetrührer ausgebil dete Rührvorrichtung 21 zugeordnet, mit deren Hilfe das von der Fördereinrichtung 13 in das Mischgefäß 5 eingeführte Gemisch innig vermischt wird. In einer Position A wird das Mischgefäß gefüllt. In einer gegenüber Position A um 180° winkelversetzten Position B des Mischgefäßes kann eine Mischungsprobe für die eigentliche Schadstoffanalysenmessung entnommen werden. An der Stelle B ist eine höhenverstellbare Saugleitung 23 angeordnet, die in das Mischgefäß eingetaucht werden kann. Bei geöffnetem Ventil 25 kann die Mischungsprobe von einer Schlauchpumpe 27 aus dem Mischgefäß angesaugt und in eine Meßküvette 29 geleitet werden. Die Meßküvette 29 ist mit einem Überlauf 31 versehen. Der Meßküvette sind wenigstens eine Lichtquelle, ein Sauer stoffdetektionsmittel und ein Lichtdetektor zugeordnet. Bei Einstrahlung von Lichtsignalen in die mit der Mischungsprobe gefüllte Meßküvette werden einerseits die Fluoreszenzintensität durch den Lichtdetektor und andererseits die Sauerstoffentwick lung durch das Sauerstoffdetektionsmittel gemessen.Each mixing vessel 5 is a z. B. ausgebil Dete stirring device 21 assigned as a magnetic stirrer, by means of which the mixture introduced from the conveyor 13 into the mixing vessel 5 is intimately mixed. In a position A the mixing vessel is filled. A mixture sample for the actual pollutant analysis measurement can be taken in a position B of the mixing vessel that is 180 ° offset from position A. A height-adjustable suction line 23 is arranged at point B and can be immersed in the mixing vessel. When the valve 25 is open, the mixture sample can be sucked out of the mixing vessel by a peristaltic pump 27 and passed into a measuring cell 29 . The measuring cell 29 is provided with an overflow 31 . The measuring cell is assigned at least one light source, an oxygen detection means and a light detector. When light signals are irradiated into the measuring cuvette filled with the mixture sample, the fluorescence intensity is measured on the one hand by the light detector and on the other hand the oxygen development is measured by the oxygen detection means.
An den Leitungsweg zwischen der Meßküvette 29 und dem Ven til 25 ist eine Spülvorrichtung angeschaltet. Zu der Spülvor richtung gehören ein Wasser-Vorratsgefäß 35, zwei Ventile 37, 39 und ein Abwassergefäß 41. Die Verbindung zwischen Vorratsge fäß 35 und Meßküvette 29 wird durch Öffnen des Ventils 37 her gestellt. Das Spülwasser wird aus der Meßküvette 29 über das Ventil 39 in das Abwassergefäß 41 abgeführt.On the line between the measuring cell 29 and the Ven til 25 , a flushing device is switched on. To the Spülvor direction include a water reservoir 35 , two valves 37 , 39 and a wastewater vessel 41st The connection between Vorratsge vessel 35 and measuring cell 29 is made by opening the valve 37 ago. The rinsing water is discharged from the measuring cell 29 via the valve 39 into the waste water container 41 .
Der grundsätzliche Verfahrensablauf der Schadstoffanalyse wird im folgenden anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 erläutert. Der Verfahrensablauf bedingt mindestens zwei Meßzy klen, von denen ein erster (Referenzmeßzyklus) der Eichung des Analysengeräts unter Verwendung von praktisch schadstofffreiem Referenzwasser (Leitung 19) dient und ein daran anschließender Meßzyklus (Analysenmeßzyklus) mit einer über die Leitung 17 dem Ventil 15 zugeführten schadstoffbelasteten Gewässerprobe durch geführt wird.The basic process flow of the pollutant analysis is explained below using the exemplary embodiment according to FIG. 1. The process sequence requires at least two measuring cycles, of which a first (reference measuring cycle) serves to calibrate the analytical device using practically pollutant-free reference water (line 19 ) and a subsequent measuring cycle (analytical measuring cycle) with a polluted water sample supplied via line 17 to valve 15 is carried out.
Während des Referenzmeßzyklus wird die Algensuspension über die Saugleitung 11 und Referenzwasser von dem Ventileinlaß 19 über den Ventilauslaß und die Leitung 13 dem Mischgefäß 5 zuge führt. Es wurde gefunden, daß ein Mischungsverhältnis von 6 : 2 zwischen Referenz- bzw. Probenwasser und Algensuspension für die angestrebte Schadstoffanalyse besonders geeignet ist. Eine Algensuspensions-Referenz-Gemischmenge von 8 ml sorgt für eine ausreichende Meßgenauigkeit bei der Schadstoffanalyse. Nach der Befüllung des Mischgefäßes an Stelle A läßt man das Referenz wasser auf die Algensuspension über eine Reaktionszeit von bei spielsweise 30 Minuten einwirken. Während dieser Reaktionszeit wird das Mischgefäß 5 auf einer Kreisbahn um 180° zur Stelle B transportiert. Dort wird über die höhenverstellbare, flexible Leitung 23 bei geöffnetem Ventil 25 mit Hilfe der Schlauchpumpe 27 das Gemisch in die Meßküvette 29 gepumpt. Die Ventile 37 und 39 sind dabei geschlossen. Da das Volumen der Meßküvette, in diesem Fall beispielsweise 6-7 ml, das Volumen der Mischgefäße (8 ml) unterschreitet, wird die Meßküvette vollständig und zu sätzlich ein Teil des Überlaufs 31 gefüllt. Dann wird in Abhän gigkeit von auf die Probe gestrahlten Lichtsignalen über eine Zeitdauer von beispielsweise 3 Minuten die Fluoreszenzintensi tät und die Sauerstoffentwicklung gemessen und in einem Daten verarbeitungsgerät 33 ausgewertet.During the reference measurement cycle, the algae suspension is fed via the suction line 11 and reference water from the valve inlet 19 via the valve outlet and the line 13 to the mixing vessel 5 . It was found that a mixing ratio of 6: 2 between reference or sample water and algae suspension is particularly suitable for the desired pollutant analysis. An algae suspension reference mixture amount of 8 ml ensures sufficient measuring accuracy for the pollutant analysis. After filling the mixing vessel at point A, the reference water is allowed to act on the algae suspension over a reaction time of, for example, 30 minutes. During this reaction time, the mixing vessel 5 is transported on a circular path through 180 ° to point B. There, the mixture is pumped into the measuring cell 29 via the height-adjustable, flexible line 23 with the valve 25 open using the hose pump 27 . The valves 37 and 39 are closed. Since the volume of the measuring cuvette, in this case for example 6-7 ml, falls below the volume of the mixing vessels (8 ml), the measuring cuvette is completely and additionally filled with part of the overflow 31 . Then, depending on the light signals radiated onto the sample, the fluorescence intensity and the oxygen development are measured over a period of, for example, 3 minutes and evaluated in a data processing device 33 .
Nach dem Meßzyklus wird das Ventil 25 geschlossen und das Ventil 39 geöffnet, so daß der Inhalt der Meßküvette 29 über die Schlauchpumpe 27 in das Abwassergefäß 41 gepumpt werden kann. Danach wird das Ventil 39 geschlossen, und die beiden Ventile 25 und 37 werden geöffnet. In dieser Ventilstellung wird die Meßküvette 29 und das Mischgefäß an der Stelle B mit Wasser aus dem Wasser-Vorratsgefäß 35 zum Spülen befüllt. Nach dem Schließen des Ventils 37 und erneutem Öffnen des Ventils 39 wird das Spülwasser aus der Meßküvette 29 und dem Mischgefäß an der Stelle B ebenfalls in das Abwassergefäß 41 gepumpt.After the measuring cycle the valve 25 is closed and valve 39 opened so that the contents of the cuvette 29 can be pumped via the hose pump 27 into the waste water vessel 41st Thereafter, the valve 39 is closed and the two valves 25 and 37 are opened. In this valve position, the measuring cuvette 29 and the mixing vessel at point B are filled with water from the water storage vessel 35 for rinsing. After the valve 37 has been closed and the valve 39 has been opened again , the rinsing water from the measuring cell 29 and the mixing vessel is also pumped into the waste water vessel 41 at point B.
Danach wird das nächste Mischgefäß an die Stelle B trans portiert und eine neue Gemischprobe zur anschließenden Messung in der Meßküvette 29 entnommen usw.The next mixing vessel is then transported to position B and a new mixture sample is taken for subsequent measurement in the measuring cell 29 , etc.
Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird der Referenzzyklus beispielsweise fünfmal mit unbelastetem Referenzwasser wieder holt. Die einzelnen Meßgrößen werden gemittelt und als gemit teltes Referenzmuster gespeichert. Signalmuster aus anschlie ßenden Schadstoffanalysen werden wenigstens mit diesem einen Referenzmuster verglichen.The reference cycle is used to increase the measuring accuracy for example five times with unpolluted reference water again get. The individual measured variables are averaged and as with ted reference pattern saved. Signal pattern from eating pollutant analyzes are at least with this one Reference patterns compared.
Um eine genauere Aussage über die Schadstoffmengen und die Belastungsart treffen zu können, werden im Anschluß an die Re ferenzmessungen an unbelastetem Referenzwasser Messungen an be lastetem Referenzwasser durchgeführt. Die Meßgrößen, die bei den Messungen an den mit unterschiedlichen Schadstoffen und un terschiedlichen Schadstoffmengen belasteten Referenzwasserpro ben gemessen wurden, werden ebenfalls von dem Datenverarbei tungsgerät 33 gespeichert und als weitere Referenzmuster zum Vergleich mit Signalmustern aus nachfolgenden Schadstoffanaly sen von Gewässerproben verwendet. Nach einer an die jeweiligen Meßumstände (d. h. an die erwartenden Schadstoffarten) und an die erwünschte Meßgenauigkeit angepaßten Anzahl von Referenzzy klen mit verschiedenen belasteten Referenzproben beginnt die Gewässerprobenanalyse.In order to be able to make a more precise statement about the amounts of pollutants and the type of load, measurements are carried out on loaded reference water after the reference measurements on unloaded reference water. The measured quantities which were measured during the measurements on the reference water samples loaded with different pollutants and different amounts of pollutants are also stored by the data processing device 33 and used as further reference patterns for comparison with signal patterns from subsequent pollutant analyzes of water samples. After a number of reference cycles with different loaded reference samples adapted to the respective measuring circumstances (ie to the expected types of pollutants) and to the desired measuring accuracy, the water sample analysis begins.
Die nachfolgenden Meßabläufe unter Analysenbedingungen ent sprechen denjenigen der zuvor beschriebenen Messung unter Refe renzbedingungen, einzig mit der Ausnahme, daß das Ventil 15 auf den Gewässerprobeneinlaß 17 umgeschaltet ist. Anstelle des Re ferenzwassers wird die zu untersuchende schadstoffbelastete Ge wässerprobe in ein Mischgefäß 5 eingeleitet, das sich dabei an der Stelle A befindet. In einer Reaktionszeit von ca. 30 Minu ten wird das Mischgefäß an Stelle B transportiert, dort wird - wie oben beschrieben - die Meßküvette befüllt und die Fluores zenzintensitäts- und Sauerstoffmessung durchgeführt. Die gemes senen Signale werden an das Datenverarbeitungsgerät 33 übertra gen und dort durch Vergleich mit den gespeicherten Referenzmu stern ausgewertet.The subsequent measurement procedures under analysis conditions correspond to those of the previously described measurement under reference conditions, with the only exception that the valve 15 is switched to the water sample inlet 17 . Instead of the reference water to be examined, the contaminated Ge water sample is introduced into a mixing vessel 5 , which is located at point A. In a reaction time of approx. 30 minutes, the mixing vessel is transported to point B, where - as described above - the measuring cell is filled and the fluorescence intensity and oxygen measurement is carried out. The measured signals are transmitted to the data processing device 33 and evaluated there by comparison with the stored reference patterns.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Meßküvette in einer Ausführungsform, in der der Meßraum in zwei über eine Kapillare 53 verbundene Meßkammern 51 und 52 unterteilt ist. Die Befüllung der Meßküvette 29 erfolgt mit Hilfe der Zuleitung 28 über die untere Meßkammer 52. In dieser Ausführungsform sind nur zwei Mischgefäße 5 vorgesehen, die fest angebracht sind und über Ventile alternativ befüllt oder zur Füllung der Meßküvette entleert werden können. Auch in dieser Ausführungsform ist ein Überlauf 31 oberhalb der oberen Meßkammer 51 vorgesehen. FIG. 2 shows a schematic illustration of a measuring cell in an embodiment in which the measuring space is divided into two measuring chambers 51 and 52 connected via a capillary 53 . The measuring cell 29 is filled with the aid of the feed line 28 via the lower measuring chamber 52 . In this embodiment, only two mixing vessels 5 are provided, which are firmly attached and can alternatively be filled via valves or emptied to fill the measuring cell. In this embodiment too, an overflow 31 is provided above the upper measuring chamber 51 .
Die Sauerstoffentwicklung in Abhängigkeit von auf die Probe eingestrahlten Photosyntheselicht wird in der unteren Meßkammer gemessen. Dazu wird Licht über einen Lichtwellenleiter 55 senk recht zur Küvettenachse auf die Gemischprobe in der unteren Meßkammer gestrahlt. Eine Sauerstoffelektrode 57 ist auf der gegenüberliegenden Seite in die Meßkammer eingetaucht und er faßt die photosynthetisch freigesetzte Sauerstoffmenge. Über eine Kapillare 53 ist die untere Meßkammer 52 mit der oberen Meßkammer 51 so verbunden, daß ein Flüssigkeitsaustausch zwi schen beiden Meßkammern möglich ist, die Lichtsignale in den beiden Kammern jedoch entkoppelt sind. In der oberen Meßkammer 51 wird die Fluoreszenz des Gemischs in Abhängigkeit von ver schiedenen, auf die Probe gestrahlten Lichtsignalen gemessen. Dazu wird schwaches, moduliertes Meßlicht über eine Emitter-De tektor-Einheit 59, die einen Lichtwellenleiter aufweisen kann, auf den Inhalt der oberen Meßkammer gestrahlt. Das Licht wird vom Gemisch absorbiert und ein ebenfalls moduliertes Fluores zenzlicht emittiert. Das Fluoreszenzlicht wird von der Emitter- Detektor-Einheit 59 zu einem geeigneten Meßumformer (nicht dar gestellt) übertragen. Zur Messung der Fluoreszenz in Abhängig keit von Lichtsignalen wird/werden zusätzlich zu dem Meßlicht nach einer bestimmten Zeitdauer Dauerlicht und/oder Lichtblitze hoher Intensität über die Emitter-Detektor-Einheit auf das Ge misch in der oberen Meßkammer gestrahlt.The development of oxygen as a function of photosynthetic light radiated onto the sample is measured in the lower measuring chamber. For this purpose, light is irradiated 55 perpendicular to the right Küvettenachse to the sample mixture in the lower measuring chamber via an optical waveguide. An oxygen electrode 57 is immersed in the measuring chamber on the opposite side and it detects the photosynthetically released amount of oxygen. Via a capillary 53 , the lower measuring chamber 52 is connected to the upper measuring chamber 51 so that a liquid exchange between the two measuring chambers is possible, but the light signals in the two chambers are decoupled. In the upper measuring chamber 51 , the fluorescence of the mixture is measured as a function of different light signals radiated onto the sample. For this purpose, weak, modulated measuring light is emitted onto the contents of the upper measuring chamber via an emitter-detector unit 59 , which may have an optical waveguide. The light is absorbed by the mixture and an equally modulated fluorescent light is emitted. The fluorescent light is transmitted from the emitter detector unit 59 to a suitable transmitter (not shown). To measure the fluorescence as a function of light signals, continuous light and / or high-intensity light flashes are / are radiated in addition to the measuring light after a certain period of time via the emitter-detector unit to the mixture in the upper measuring chamber.
Die räumliche Trennung der Sauerstoff- und Fluoreszenzmes sung hat den Vorteil, daß die Messung auf 4 anstatt üblicher weise 6 Meßminuten beschränkt werden kann. Zu diesem Zwecke wird in der unteren Meßkammer ein Dauerlicht hoher Intensität auf das Gemisch gestrahlt, so daß ein höheres Sauerstoffsignal mit einem günstigeren Rauschabstand erzeugt wird. Bei der Fluo reszenzmessung in der oberen Meßkammer hat es sich als günsti ger erwiesen, ein Dauerlicht geringerer Intensität zu verwen den, damit der relative Intensitätsunterschied, bezogen auf die zusätzlich aufgestrahlten Lichtblitze, genügend groß bleibt.The spatial separation of the oxygen and fluorescence measurements solution has the advantage that the measurement is 4 instead of more usual wise 6 minutes of measurement can be limited. For this purpose a high intensity steady light will appear in the lower measuring chamber blasted onto the mixture so that a higher oxygen signal is generated with a more favorable signal-to-noise ratio. With the Fluo Resence measurement in the upper measuring chamber has proven to be favorable proven to use a permanent light of lower intensity so that the relative difference in intensity, based on the additionally flashes of light, remains sufficiently large.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenzintensi tät 101 und der Sauerstoffentwicklung 103 während eines bei spielhaften sechsminütigen Meßzyklus in einem Ausführungsbei spiel mit ungeteiltem Meßraum gemäß Fig. 1. Zu Beginn der Mes sung zur Zeit t = 0 wird nur schwaches moduliertes Meßlicht auf die Probe eingestrahlt. Es wird die Grundfluoreszenz 104 gemes sen, die ein Maß für den Dunkelzustand der Algen ist. Zur Zeit t1 wird ein nicht sättigender Lichtblitz auf das Gemisch ge strahlt. Die Fluoreszenzintensität 101 zeigt eine scharfe un symmetrische Spitze 105 mit einer wesentlich steiler ansteigen den Flanke. Das Kurvenmaximum, das Flächenintegral der Kurve und die maximale Steilheit in der Anstiegsphase werden erfaßt und zusammen mit der Grundfluoreszenz bei der Schadstoffanalyse als Parameter berücksichtigt. Zur Zeit t2 wird ein sättigender Starklichtblitz auf das Gemisch gestrahlt und ein nicht sätti gendes Photosynthese-Dauerlicht eingeschaltet. Die Fluoreszen zintensität erreicht eine maximale Spitze 107, die bezogen auf die Grundfluoreszenz einen weiteren (fünften) Parameter für die Schadstoffanalyse darstellt. Nach dem Lichtblitz t2 wird über eine Periode von etwa 3 Minuten nur das nicht sättigende Dauer licht auf das Gemisch gestrahlt. Der langsame Abfall der Fluo reszenzintensität während dieser Photosynthesebelichtungszeit stellt einen sechsten und der Grenzwert, dem sich die Fluores zenzintensität bei Photosyntheselichteinstrahlung annähert, einen siebten Parameter für die Schadstoffanalyse dar. Der Grenzwert 109 wird auch als "Steady-State-Wert" bezeichnet. Vor dem Erreichen des Steady-State-Zustandes werden zu den Zeiten t3, t4, t5 weitere Starklichtblitze auf das Gemisch gestrahlt. Das Verhältnis zwischen Kurvenmaximum und Grundfluoreszenz wird als achter Parameter bei der Schadstoffanalyse berücksichtigt. Fig. 3 shows the temporal course of the fluorescence intensity 101 and the oxygen evolution 103 during a playful six-minute measuring cycle in an exemplary embodiment with undivided measuring space according to FIG Irradiated sample. The basic fluorescence 104 is measured, which is a measure of the dark state of the algae. At time t1, a non-saturating flash of light is radiated onto the mixture. The fluorescence intensity 101 shows a sharp and symmetrical tip 105 with a substantially steeper rise on the flank. The curve maximum, the area integral of the curve and the maximum slope in the ascent phase are recorded and taken into account as parameters together with the basic fluorescence in the pollutant analysis. At time t2, a saturating high-intensity flash is emitted onto the mixture and a non-saturating photosynthetic continuous light is switched on. The fluorescence intensity reaches a maximum peak 107 which, based on the basic fluorescence, represents a further (fifth) parameter for the pollutant analysis. After the flash of light t2, only the non-saturating continuous light is radiated onto the mixture over a period of about 3 minutes. The slow decrease in the fluorescence intensity during this photosynthesis exposure time represents a sixth parameter and the limit value, which the fluorescence intensity approaches in the case of photosynthesis light irradiation, represents a seventh parameter for the pollutant analysis. The limit value 109 is also referred to as “steady state value”. Before the steady state is reached, further strong light flashes are emitted onto the mixture at times t3, t4, t5. The relationship between curve maximum and basic fluorescence is taken into account as the eighth parameter in the pollutant analysis.
Die Sauerstoffentwicklung 103 wird von den Lichtblitzen zu den Zeiten t1 bis t5 nicht beeinflußt, da die Energiemengen zu gering sind und der Photosyntheseprozeß außerdem zu träge rea giert. Die Sauerstoffentwicklung ist eine besonders wichtige Meßgröße bei der Überwachung des Einflusses von Schadstoffen auf die physiologischen Vorgänge, da nicht nur die Photosysn these, sondern auch die Dissimilation (Atmung) der Algen über wacht werden kann. Dies geschieht bis zum Zeitpunkt t2, an dem das Photosyntheselicht eingeschaltet wird. Vor t2 fällt die Sauerstoffentwicklung langsam ab, da die Dissimilation Sauer stoff verbraucht und nicht genügend (im Falle eines vollständig abgedunktelten Meßraumes kein) Sauerstoff im Rahmen der Photo synthese entwickelt wird. Der Abfall der Sauerstoffentwicklung ist ein neunter Parameter für die nachfolgende Schadstoffana lyse. Die Abnahme der Sauerstoffentwicklung ist ein Maß für die Hemmung der Atmung durch Schadstoffe. Da verschiedene Schadstoffarten die Atmung und die Photosynthese unterschied lich stark hemmen, kann mit diesem, auf einem anderen physiolo gischen Vorgang basierenden Parameter ein wichtiger Beitrag zur Schadstoffanalyse geliefert werden.The development of oxygen 103 is not influenced by the flashes of light at times t1 to t5, since the amounts of energy are too small and the photosynthesis process also reacts too slowly. The development of oxygen is a particularly important measurement when monitoring the influence of pollutants on the physiological processes, since not only the photosysn thesis, but also the dissimilation (breathing) of the algae can be monitored. This happens until time t2 at which the photosynthesis light is switched on. Before t2 the oxygen development slowly drops, since the dissimilation consumes oxygen and not enough (in the case of a completely darkened measuring room) oxygen is not developed as part of the photosynthesis. The drop in oxygen development is a ninth parameter for the subsequent pollutant analysis. The decrease in oxygen generation is a measure of the inhibition of breathing by pollutants. Since different types of pollutants inhibit respiration and photosynthesis to different extents, this parameter, which is based on a different physiological process, can make an important contribution to pollutant analysis.
Nach t2, dem Einschalten des Photosyntheselichtes, nimmt die Sauerstoffentwicklung aufgrund der induzierten Photosyn these zu. Der Anstieg der Sauerstoffentwicklung wird gemessen und ebenfalls bei der Schadstoffanalyse mitberücksichtigt (zehnter Parameter).After t2, switching on the photosynthesis light, takes the oxygen development due to the induced photosyn these too. The increase in oxygen evolution is measured and also taken into account in the pollutant analysis (tenth parameter).
In Fig. 4 ist der Verlauf der Grundfluoreszenzintensität des von Rheinwasser emittierten Fluoreszenzlichtes in Abhängig keit von der Meßnummer der regelmäßig wiederholten Messungen dargestellt. Im normalen Zustand liegen die Meßwerte innerhalb eines Schwankungsbereiches 111. Der zur Zeit ts in das Rhein wasser mit einer Konzentration von 1[µg/l] eingeleitete Schadstoff Atrazin führte zu einem sprunghaften Anstieg der Grundfluoreszenzintensitätsmeßwerte. Die Meßwerte bei der Mes sung des schadstoffbelasteten Rheinwassers liegen außerhalb des Schwankungsbereiches 111 des Normalzustandes. Bei dieser Schadstoffbelastung genügt allein die Messung der Grundfluores zenz zur Detektion des Schadstoffs. Um eine höhere Genauigkeit in der Schadstoffanalyse zu erzielen, ist es jedoch sinnvoll, gleichzeitig die Sauerstoffentwicklung zu überwachen und unter Berücksichtigung mehrerer der anhand von Fig. 3 beschriebenen möglichen zehn Parametern die Schadstoffanalyse durchzuführen.In Fig. 4, the course of the basic fluorescence intensity of the fluorescent light emitted by Rheinwasser is shown as a function of the measurement number of the regularly repeated measurements. In the normal state, the measured values lie within a fluctuation range 111 . The pollutant atrazine introduced at a time of t s into the Rhine water with a concentration of 1 [µg / l] led to a sudden increase in the basic fluorescence intensity measurements. The measured values in the measurement of the polluted Rhine water lie outside the fluctuation range 111 of the normal state. At this pollutant level, the measurement of the basic fluorescence is sufficient to detect the pollutant. In order to achieve a higher accuracy in the pollutant analysis, however, it makes sense to monitor the oxygen development at the same time and to carry out the pollutant analysis taking into account several of the ten parameters described with reference to FIG. 3.
Die Qualität der Algensuspension wird anhand der in dem Al gen-Vorratsgefäß 1 regelmäßig durchgeführten optischen Dichte messung überwacht. Durch Zugabe von Nährmedium, Temperaturrege lung auf etwa 20 °C und gasförmige Kohlendioxidzugabe zur Er niedrigung des pH-Wertes wird die Suspension auf einen bestimm ten Brechungsindex geregelt. Unter diesen Bedingungen verdop pelt sich die Algenmenge etwa alle 24h. Das Algenvorratsgefäß ist so dimensioniert, daß die regelmäßig entnommenen Algensus pensionsmengen gerade durch das natürliche Wachstum kompensiert werden. Eine Algensuspension kann auf diese Weise sehr lange verwendet werden. Nur im Störfall, wenn die Regelung versagt, muß die Algensuspension durch eine neue Suspension ausgetauscht werden.The quality of the algae suspension is monitored on the basis of the optical density measurement carried out regularly in the algal storage vessel 1 . The suspension is regulated to a certain refractive index by adding nutrient medium, regulating the temperature to about 20 ° C. and adding gaseous carbon dioxide to lower the pH. Under these conditions, the amount of algae doubles approximately every 24 hours. The algae storage vessel is dimensioned so that the regularly removed algae suspension amounts are compensated for by natural growth. An algae suspension can be used for a very long time in this way. Only in the event of a malfunction, if the regulation fails, must the algae suspension be replaced by a new suspension.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwand lungen gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich. Die Mischgefäße können von einer anderen Transportvor richtung auf einer ggf. unterbrochenen Bahn transportiert wer den; sie können von der Transportvorrichtung zu einer separaten Spülstation transportiert und danach zur Aufnahme eines neuen Gemisches an die Stelle A zurückgeführt werden. Auch können be liebig viele Mischgefäße drehbar oder stationär vorgesehen wer den. Das Verhältnis zwischen Algensuspensionsmenge und der je weils verwendeten Referenz-Gewässerprobe kann den Analysenbe dingungen ohne weiteres angepaßt werden. Zur Auswertung kann jeder beliebige Parameter, beispielsweise auch der die Atmung überwachende Parameter der Sauerstoffabnahme vor Einschaltung des Photosyntheselichtes, bzw. jede beliebige Parameterkombina tion verwendet werden.There are numerous variations within the scope of the inventive concept lungs compared to the previously described embodiments possible. The mixing vessels can be transported from another who is transported on a possibly interrupted path the; they can be moved from the transport device to a separate one Rinsing station transported and then to take a new one Mixtures are returned to position A. Also can be Any number of mixing vessels rotatable or stationary provided who the. The ratio between the amount of algae suspension and each because the reference water sample used can be the analytical conditions can be easily adapted. For evaluation can any parameter, such as breathing Monitoring parameters of the oxygen consumption before switching on of the photosynthetic light, or any combination of parameters tion can be used.
Claims (21)
- a) daß eine Algensuspension (9) gebildet wird;
- b) daß eine Gewässerprobe mit der Algensuspension vermischt und über eine vorgegebene Reaktionszeit auf die Algenprobe zur Einwirkung gebracht wird;
- c) daß das Gemisch mit einem schwachen und modulierten er sten Lichtsignal (Meßlicht) und mit einem photosynthetisch ak tiven, stärkeren, aber unmodulierten zweiten Lichtsignal (Dauerlicht) bestrahlt wird;
- d) daß in Abhängigkeit vom Dauerlicht der Verlauf der Sau erstoffentwicklung und der von dem Gemisch emittierten Fluores zenzsignale erfaßt wird; und
- e) daß die Meßwerte der Fluoreszenz (101) und der Sauer stoffentwicklung (103) als Basis der Schadstoffanalyse mitein ander verglichen werden.
- a) that an algae suspension ( 9 ) is formed;
- b) that a water sample is mixed with the algae suspension and is brought into contact with the algae sample over a predetermined reaction time;
- c) that the mixture is irradiated with a weak and modulated light signal (measuring light) and with a photosynthetically active, stronger but unmodulated second light signal (continuous light);
- d) that, depending on the continuous light, the course of the oxygen development and the fluorescence signals emitted by the mixture are detected; and
- e) that the measured values of fluorescence ( 101 ) and the oxygen development ( 103 ) as the basis of the pollutant analysis are compared with each other.
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