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1
Möglichkeiten und Grenzen der Online-
Überwachungsmethoden
Inhalt
1. Einleitung
2. Betriebstechnische Online-Überwachungsmethoden
3. Chemisch-Physikalische Online-Überwachungsmethoden
a) Temperatur
b) Trübung
c) Leitfähigkeit
d) Ölspuren
4. Biologische Online-Überwachungsmethoden
a) Biomonitoring
b) direkter Nachweis von Bakterien
5. Durchflusszytometrie
6. Zusammenfassung und Ausblick
Hans Peter Füchslin
2009- Bachema AG, Laborleiter Mikrobiologie
2007-2008 Eawag Spin-off Aquality GmbH
2003-2007 Postdoc finanziert durch LABOR SPIEZ
1997-2002 Doktorat bei Prof. Zehnder/Egli (Eawag)
1996 Studium Umweltnaturwissenschaften
ETHZ
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2
Einführung
• Trinkwasser muss
jederzeit hohen
hygienischen
Ansprüchen
genügen.
Zeitintervalle Qualitätskontrolle
a) Inspektion und Probenahme durch Kantonale Labors
(1x jährlich)
b) Periodische Selbstkontrollen durch externes Labor
(mindestens 1-2 Jährlich)
c) Periodische Selbstkontrollen durch Eigenmessungen
(wöchentlich bis täglich)
d) Kontinuierliche Kontrolle (Online-Messungen)
(im Minuten- / Sekundenbereich)
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3
Online-Messung
Direkte Messung eines Messparameters in
kurzen Zeitabständen mit einer Sonde, die
direkt im Durchflussystem im Trinkwasser
installiert ist, mit Resultatübertragung über ein
elektronisches Netzwerk (Bsp. Internet).
Im Gegensatz dazu steht die Offline-Messung,
bei der Stichproben genommen werden und im
Labor analysiert werden.
Messungs-Netz
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4
Vorteile der Online-Messungen
1. Frühwarnsystem
2. Prozessoptimierung
a) Verbesserung Wasserqualität
b) Reduktion Chemikalien/Energie
c) Automatisierung (↓ Arbeitskosten)
d) Erfüllen von gesetzlichen Standards
3. Datenarchivierung
Gesetzliche Vorschriften
Land Bereich
USA - Keine generellen Vorschriften
- Online-Messung der Trübung nach Filtra-
tion
EU - Nicht vorgeschrieben
- Für Zukunft Schwerpunktforschungsthema
CH - Nicht vorgeschrieben
- Empfehlung in W1 (SVGW-Richtlinie)
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5
Empfehlung für Online-Messungen
Gemäss SVGW-Regelwerk (W1) / Codex
Alimentarius
a) Wenn sich Wasserqualität schnell ändert
(Karstquellen, Oberflächenwasser)
b) Rohwasseraufbereitung/Trinkwasser-desinfektion
Standorte für Online-Messungen
Rohwasser
- Niederschläge
- Kontaminationen
Nach Aufbereitung
- Kontrolle des Aufbereitungsprozesses (pH, Chlor)
Netz
- Kontaminationen im Netz
- Kontrolle von Bautätigkeiten
- Sabotage
- Stagnationen
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6
Betriebstechnische Online-
Kontrollen
Betriebsparameter
Was Wo Zweck
Wasser-
stand
Reservoir,
Grundwasser
- Wasserreserven
Druck Netz - Unversehrtheit
Netz
Fluss Netz - Kontrolle Wasser-
fluss
- Kontrolle Ver-
brauch
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7
Chemisch-Physikalische
Parameter
Übliche Onlineparameter
Referenz: SVGW-Richtlinie W1 für die Qualitätsüberwachung
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8
Technik für Online-Messung:
- Temperaturabhängiger Stromwiderstand
- Thermoelement (Wärme Strom)
Temperatur
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9
- Erfahrungswerte: 8-15 °C
- Grundwasser:
tiefe, konstante Temperaturen
- Quellwasser:
unterliegt grösseren Schwankungen
a) Niederschläge
b) Einfluss Oberflächenwasser
Temperatur
Trübung
Trübung ist Mass für die Klarheit des Wassers
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10
Trübung/Partikel
In der Regel unterscheidet man zwischen zwei Messverfahren:
a) Durchlicht
b) Streulicht
Generell lassen sich kleine Trübungen im Streulicht am besten
detektieren und größere Trübungen im Durchlicht.
Trübung
Definition: Trübung ist ein Mass für die Klarheit des Wassers
Messtechnik: Die Trübung wird mittels Streuung von Licht an Partikeln
gemessen.
Indikator: Streuung ist proportional zu suspendiertem Material
Erfahrungs- < 0.5 TE/F (Schweizerisches Lebensmittelbuch)
bereich: 1.0 TE/F (Fremd- und Inhaltsstoffverordnung)
Einheit: Die Einheit ist die Nephelometrischen Trübungs-Einheiten
(NTE, NTU, TE/F), welche auf einer standardisierten
Formazin-Polymerlösung beruht.
- Trübung ist der meist gemessene Parameter im Trinkwasserbereich.
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11
Beispiel Karstquelle
Beispiel Karstquelle
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12
Beispiel Karstquelle
Beispiel Karstquelle
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13
Beispiel Karstquelle
Leitfähigkeit
Leitfähigkeit ist ein Mass für die Fähigkeit Strom zu leiten
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14
Leitfähigkeit
Definition: Die elektrische Leitfähigkeit gibt die Fähigkeit der
Wasserprobe an, Strom zu leiten.
Messtechnik: Die elektrische Leitfähigkeit wird mittels Widerstands-
messung in der Wasserprobe gemessen.
Indikator: Leitfähigkeit ist proportional zu gelösten Substanzen
Erfahrungs- 200-800 µS/cm (Schweizerisches Lebensmittelbuch)
bereich: normalerweise stabil
Leitfähigkeit
a) Standard Mess-Sonden b) Membranlose Mess-Sonden
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15
Organische Substanzen
(Summenparameter)
UV-Licht Probe transmittiertes Licht
Allgemein gilt:
UV-Absorption (254 nm)
ist proportional
zum Gehalt an organischen Substanzen
Fluoreszenzspektroskopie (Ölspuren)
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16
Fluoreszenzspektroskopie (Ölspuren)
Absorptionsspektrum
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17
Absorptionsspektrum
Substanznachweis durch
Absorptionsspektrum
(200-750 nm)
Absorptionsspektrum
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18
Biologische Online-Parameter
a) Biomonitoring
b) Nachweis von Mikroorganismen
Biomonitoring
Überwachung von Trinkwasser mit
lebenden Organismen:
a) Fische
b) Wasserflöhe
c) Muscheln
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19
Einsatz von Fischen
Einsatz von Daphnien
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20
Einsatz von Muscheln
Nachweis von Mikroorganismen
- Momentan keine Online-Methoden
verfügbar
Gewisse Schnellnachweismethoden
verfügbar
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21
Nachweis von Mikroorganismen
Alle Bakterien / Gesamtverkeimung
• Durchflusszytometrie
• Nachweis von Adenosintriphosphat (ATP)
Spezifischer Schnellnachweis von Mikroorganismen
Polymerase chain reaction
(PCR)
DNA Oberflächenstruktur
Immonoassay
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22
Colilert® Colilert®-18 Enterolert™ P/A -
Test
100ml
Steriles Gefäss
evtl. mit Natrium-Thiosulfat zur Neutralisation von Chlor
Colilert® Colilert®-18 Enterolert™ P/A -
Test
--
Reagenz zu 100 ml Wasserprobe hinzufügen
für 24h bei 35°C bzw. 18h bei 41°C +/- 0.5°C inkubieren
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23
Colilert® und Colilert®-18 P/A Resultat
Positiv für E.coli :
Probe fluoresziert
Vergleich mit Comparator
Positiv für Coliforme: Probe färbt sich gelb
Vergleich mit Comparator
Farblos bei negativ Ergebnis
Enterolert™ P/A Resultat
Positiv für Enterokokken: Probe fluoresziert
Negative Proben bleiben farblos
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24
Durchflusszytometrie
1. Messmethode Durchflusszytometer
a) Bakterienzellkonzentration
b) Bestimmung des physiologischen Zustandes
c) Biologische Stabilität
Messkammer
Glaskapillare
Mikroskoplinsen
Wasserprobe
Ausfluss Probe
Laserstrahl
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25
Filter 1
Argon Laser488nm
Messkammer
Glasskapillare
Zellen
Filter 2
Detektor 3:
Fluoreszenzsignal 520 nm
Detektor 1:
Vorwärtsstreulicht
488 nm
520nm
Detektor 2:
Seitwärtsstreulicht 488 nm
Prinzip der Durchflusszytometrie
Abfall
Anfärbung (DNA-Farbstoff,
Oberflächenantikörper, etc.)
Bestimmung der Bakterienzellkonzentration
(mit SYBRGreen angefärbt)
Bakterien-
zellen
Hintergrund
Analyse von Mineralwasser
Rotf
luo
resze
nz d
urc
h S
YB
RG
ree
n
Grünfluoreszenz durch SYBRGreen
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26
- Alle Zellen werden detektiert
- Messzeit inklusive Inkubation ca. 20 Min.
1000 Zellen / Sekunde
- Standardabweichung ca. 4%
- Nachweisgrenze 200 Zellen / ml
Keimzahl versus Zellzahl
- Nur 0.1 – 1% kultivierbar
• 3 Tage
- Standardabweichung (20-30%)
Nachweisgrenze
Durchflusszytometer
Zellkonzentation in verschiedenen Wässern
107
Fluss / Seewasser
Leitungswasser
Mineralwasser
Grundwasser
Bakterienkonzentration (Zellen/mL)
106105104103102101100
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27
Bakterien zwischen Leben und Tod
Kultivierbar (1-0.1%)
Intakte Membrane
(96-68 %)
Nachweisbar
(100 %)
Durchflusszytometrie kann physiologischen
Zustand bestimmen ( z.B. Live/Dead® - Anfärbung ).
- Membranintegrität
- Membranpotential
- Metabolische Aktivität
DNA
Propidiumiodid (PI)
Indikator für intakte/beschädigte Membranen
durch Farbstoff-Rückhalt
Intakte Membranen Beschädigte Membranen
SYTO9
Vitalitätsbestimmung der Bakterien durch
Live/Dead® - Anfärbung
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28
Grünintensität
Ro
tin
ten
sit
ät
SYTO9 geht in alle Zellen
Propidiumiodid geht nur in
beschädigte Zellen
Vitalitätsbestimmung (Live/Dead® - Anfärbung)
Intakte Zellen Abgetötete Zellen
Biologische Stabilität
Biologisch stabile Wässer verkeimen nicht.
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29
Was geschieht, wenn nicht stabil….
Von wo kommen die Nährstoffe?
a) Rohrmaterial
b) Wasserphase
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30
Biologische Stabilität
-Stark DOC-haltige Grundwässer
- Anaerobe Grundwässer
-Teichwasser
- Ozoniertes Seewasser
- Seewasser
- Flusswasser
- Aktivkohlefiltrat
-Aerobes Grundwasser
-Langsamsandfiltrat
- Plastifizierter PVC
- Natürliche Gummi
- Fiberglass
- Polyeter, Polyethylen
- Silikon
-Fiberglas verstärktes Epoxy
- PVC
- PTFE
- Rostfreier Stahl
- Glas
Wässer ( AOC [µg/L C]) Material (Zellen / cm2)
Biologische Stabilität
-Stark DOC-haltige Grundwässer
- Anaerobe Grundwässer
-Teichwasser
- Seewasser
- Flusswasser
- Aktivkohlefiltrat
-Aerobes Grundwasser
-Langsamsandfiltrat
- Plastifizierter PVC
- Natürliche Gummi
- Fiberglass
- Polyeter, Polyethylen
- Silikon
-Fiberglas verstärktes Epoxy
- PVC
- PTFE
- Rostfreier Stahl
- Glas
Wässer ( AOC [µg/L C]) Material (Zellen / cm2)
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31
Assimilierbarer organischer
Kohlenstoff
(AOC)
Korrelation zwischen Wiederverkeimung und
AOC-Konzentration im Trinkwasser
•van der Kooij et al.
•Escobar et al.
Assimilierbarer organischer Kohlenstoff
(Engl. Assimilable organic carbon (AOC))
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32
Wasser-
Probe
Inkubation:
Bei 30 °C
Für drei Tage
Inokulum:
1 x 104 Zellen/mL
eines natürlichen
mikrobiologischen
Konsortiums
Durchflusszytometrische Auszählung
Neue “Eawag”- Methode zur AOC-Bestimmung
AOC-freie
Membranfilter
1
2
3
4
Assimilierbarer organischer Kohlenstoff (AOC)
AOC-Assay misst das Zellwachstum von
Bakterien (Evian Mineralwasser) in einer
Wasserprobe unter standardisierten
Bedingungen ( 30oC, C-limitiert,
Batchkultur).
Zeit
Ze
llen
/ m
l
AOC
AOC
- AOC kann nicht mit chemischen Methoden bestimmt werden
- AOC zeigt das Verkeimungspotential
1.0 x 107 Zellen →1 μg AOC
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33
Richtwerte AOC
•
- biologisch nicht stabil - biologisch stabil
( > 100 µg AOC pro L) ( < 50 µg AOC pro L)
Biologische Stabilität
-Stark DOC-haltige Grundwässer
- Anaerobe Grundwässer
-Teichwasser
- Seewasser
- Flusswasser
- Aktivkohlefiltrat
-Aerobes Grundwasser
-Langsamsandfiltrat
- Plastifizierter PVC
- Natürliche Gummi
- Fiberglass
- Polyeter, Polyethylen
- Silikon
-Fiberglas verstärktes Epoxy
- PVC
- PTFE
- Rostfreier Stahl
- Glas
Wässer ( AOC [µg/L C]) Material (Zellen / cm2)
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34
Biologische Stabilität
-Stark DOC-haltige Grundwässer
- Anaerobe Grundwässer
-Teichwasser
- Seewasser
- Flusswasser
- Aktivkohlefiltrat
-Aerobes Grundwasser
-Langsamsandfiltrat
- Plastifizierter PVC
- Natürliche Gummi
- Fiberglass
- Polyeter, Polyethylen
- Silikon
-Fiberglas verstärktes Epoxy
- PVC
- PTFE
- Rostfreier Stahl
- Glas
Wässer ( AOC [µg/L C]) Material (Zellen / cm2)
Biomassebildungs-
potentialtest
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35
Material führt zu Biofilmbildung und Verkeimung
Schlussfolgerung
Einsatz von Kontrollmethoden wird durch verschiedene
Faktoren beeinflusst:
Entwick-
lung
Konsu-
ment
Wasser-
versorger
Gefähr-
dung
Behörden
Hersteller
Technik
Kontroll-
methoden
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Schlussfolgerung
- Online-Methoden werden von Wasserversorgern
angewendet, obwohl es gesetzlich nicht vorgeschrie-
ben ist.
- Sicherheitsbedürfnis des Kunden im Lebensmittel-
bereich ist ansteigend
- Anforderung durch Gesetze und Standards werden
immer grösser
- Fortschritt und Entwicklung führt zu neuen und
besseren Methoden
- Nutzungsdruck auf Ressource Wasser steigt
- Prozessoptimierung wird von den Wasserversorgern
angestrebt.
Schlussfolgerung
→ In Zukunft werden Online-Methoden
vermehrt im Trinkwasserbereich ange-
wendet werden.
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Danke für die Aufmerksamkeit!
Referenzen
• Auckenthaler, A., Raso, G. & Huggenberger, P. (2002). Particle transport in a karst aquifer: natural and artificial tracer experiments with bacteria, bacteriophages and microspheres. Water Sci Technol 46, 131-8.
• Egli, T. & Hammes, F. (2010). Neue Methoden für die Wasseranalytik. Gas, Wasser, Abwasser (GWA) 90, 315-324.
• Hargensheimer, E., Conio, O. & Popovicova, J. (2002). Online monitoring for drinking water utilities AWWA.