„Moderne Trinkwasserüberwachung – Teil 2“

Dr. Frank Sacher berichtet in der Aktuellen Wochenschau in zwei Teilen (Woche 4 und Woche 5) über moderne Trinkwasserüberwachung.

Dabei greift er auf seinen Beitrag „Wie wird Trinkwasser überwacht?“ zurück, den er in der Ausgabe 3/2013 der Zeitschrift Chemie in unserer Zeit veröffentlicht hatte. Wir danken dem Verlag Wiley-VCH und der Redaktion der Chemie in unserer Zeit für die Möglichkeit einer erneuten Veröffentlichung wesentlicher Inhalte in der Aktuellen Wochenschau.

Mikrobiologische Parameter

Zur routinemäßigen Überwachung des Trinkwassers auf mikrobiologische (hygienische) Verunreinigungen wird in Deutschland seit mehr als 100 Jahren das Indikatorprinzip angewendet, das auch in der EU-Trinkwasserrichtlinie und der deutschen Trinkwasserverordnung verankert ist. Dabei erfolgt die Analyse auf die potentielle Anwesenheit von fäkalen Krankheitserregern über den Nachweis von Indikatororganismen. Der bekannteste und am häufigsten verwendete Indikatororganismus ist das Darmbakterium Escherichia coli (E. coli). Der Nachweis von E. coli im Trinkwasser zeigt eine mögliche Kontamination durch Fäkalien und fäkal ausgeschiedene Krankheitserreger an und löst daher unverzüglich Maßnahmen bei dem betroffenen Wasserversorger aus.

Im Gegensatz zu der Untersuchung auf chemische Parameter müssen für die mikrobiologische Überwachung des Trinkwassers nach Trinkwasserverordnung vorgegebene, meist genormte Analyseverfahren eingesetzt werden. Der Nachweis der Indikatororganismen erfolgt dabei über Kulturverfahren, bei denen sich die Zielorganismen auf entsprechenden Nährmedien (selektiv) vermehren und durch entsprechende Stoffwechselreaktionen quantitativ bestimmen lassen. Die Nachweisempfindlichkeit der Kulturverfahren ist i. d. R. mit einem Organismus in 100 mL Trinkwasser sehr hoch. Ihre Nachteile liegen in der vergleichsweise langen Zeit bis zum Vorliegen der Ergebnisse, die mehrere Tage betragen kann, und ihrer eingeschränkten Anwendbarkeit auf Mikroorganismen, die sich nicht oder nur sehr langsam kultivieren lassen. In den letzten Jahren wurden daher als Alternative zu den zeitaufwändigen Kulturverfahren molekularbiologische Methoden entwickelt [5]. Einige dieser Verfahren machen sich die Polymerasekettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) zu Nutze, bei der charakteristische Bruchstücke der DNA vervielfältigt und nachgewiesen werden. PCR-Verfahren können auch quantitative Aussagen liefern (qPCR) und sind, da die Zahl der Vervielfältigungsschritte nicht begrenzt ist, sehr empfindlich. Allerdings ist der labortechnische Aufwand für ihre Durchführung recht hoch. Andere molekularbiologische Verfahren zur Bestimmung von mikrobiellen Verunreinigungen in Trinkwasser beruhen auf dem Prinzip der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), bei dem der Nachweis der Mikroorganismen über die Einführung fluoreszierender Gensonden, die beispielsweise an bakterieneigene Nukleinsäuren binden, erfolgt [6]. Diese Verfahren sind schnell, aber wenig empfindlich und erfordern deshalb häufig eine Voranreicherung der nachzuweisenden Mikroorganismen. Allerdings gibt es bereits heute Ansätze, auf die Voranreicherung komplett zu verzichten oder aber nur eine sehr kurze Kultivierungsphase von wenigen Stunden zu verwenden, so dass Ergebnisse innerhalb eines Arbeitstages vorliegen können [7].

Es ist anzumerken, dass Kulturverfahren und molekularbiologische Methoden sich in ihrem Ansatz unterscheiden und daher die Ergebnisse nur eingeschränkt vergleichbar sind. Während mit Kulturverfahren die Vermehrung von Mikroorganismen verfolgt und quantifiziert wird, basieren die meisten molekularbiologischen Methoden auf dem Nachweis von Nukleinsäuren (oder Bruchstücken davon). So stellt beispielsweise der Nachweis toter Zellen, welche keine Bedeutung für das Trinkwasser haben, bei vielen molekularbiologischen Nachweisverfahren ein großes Problem dar. Da sich tote Zellen nicht mehr vermehren, werden sie bei Kulturverfahren (richtigerweise) nicht erfasst. Da sie aber noch Nukleinsäuren enthalten, führen viele molekularbiologische Methoden zu einem positiven Nachweis.

Bei der Bestimmung von Organismen oder Zellen, die in höheren Konzentrationen in Wässern vorliegen, sind bereits in den nächsten Jahren weitere Verbesserungen zu erwarten. So wird die Durchflusszytometrie, bei der die Zellen in einer Wasserprobe direkt oder nach Anfärben über einen Laserstrahl und die Emission optischer Signale nachgewiesen werden können, zu einer deutlichen Beschleunigung des Analysevorgangs führen. Das Verfahren lässt sich heute schon anwenden, um Gesamtzellzahlen in einer Wasserprobe zu bestimmen, um spezifische Zelleigenschaften sichtbar zu machen oder um Zielorganismen nach Anfärben mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern oder Oligonukleotiden  quantitativ zu erfassen [8].

<b>Abbildung 4:</b> Zusammenwirken von biologischen<br />Testverfahren und chemischer Einzelstoffanalytik am Beispiel<br />des Nachweises estrogen wirkender Substanzen

Wirkungsbezogene Analytik

Durch die kontinuierliche Verbesserung der konventionellen chemisch-analytischen Nachweisverfahren können immer mehr Stoffe in Roh- und Trinkwässern detektiert werden. Allerdings lässt sich auch durch die Überwachung einer sehr großen Anzahl an Einzelstoffen nicht völlig ausschließen, dass ein Wasser eine nachteilige Wirkung auf Mensch oder Tier haben kann. Hier setzen biologische Wirkungstests an, durch die schädliche Wirkungen eines Wassers (oder besser seiner Inhaltsstoffe) untersucht werden können, auch wenn seine chemische Zusammensetzung nicht in allen Einzelheiten bekannt ist. Biologische Testverfahren, insbesondere solche, die nicht an lebenden Organismen durchgeführt werden, sondern biologisch aktive Substanzen aufgrund von Effekten auf molekularer oder zellulärer Ebene nachweisen (sog. in-vitro-Tests), werden vor allem in der Umweltüberwachung immer populärer, weil sie Informationen liefern, die durch eine chemische Einzelstoffanalytik allein nicht zugänglich sind (Abbildung 4).

Eine Schwierigkeit bei der praktischen Anwendung einer wirkungsbezogenen Analytik ist, dass es eine große Anzahl an unterschiedlichen Tests für eine Vielzahl verschiedener biologischer Wirkungen gibt. So kann eine Untersuchung auf die akute Toxizität einer Wasserprobe mittels Bakterien, Algen, Daphnien, Muscheln, Fischeiern oder sogar ganzen Fischen erfolgen, wobei für jede Spezies verschiedene Tests und Testsysteme existieren, die sich sowohl in ihren grundlegenden Ansätzen als auch in den experimentellen Details unterscheiden. Hinzu kommt, dass die unterschiedlichen Spezies gegenüber verschiedenen chemischen Schadstoffen deutlich unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen. Welche Tests und welche Testsysteme für eine zuverlässige und aussagekräftige Roh- und Trinkwasserüberwachung eingesetzt werden sollen, ist derzeit Inhalt der wissenschaftlichen Diskussion im Wasserfach.

Online-Überwachung

Als Ergänzung zu den beschriebenen analytischen Verfahren und Technologien, die häufig reine Laborverfahren darstellen und daher die gewünschte Information erst nach einer gewissen Zeit des Probentransports, der eigentlichen Analytik und der Datenauswertung liefern können, erhält man durch eine Online-Überwachung sehr rasch Auskunft über die aktuelle Wasserbeschaffenheit. Dies ist insbesondere hilfreich bei der frühzeitigen Erkennung von Änderungen in der Rohwasserbeschaffenheit (etwa im Falle von Unfällen) oder um bei Fehlfunktionen innerhalb des Aufbereitungsprozesses schnell reagieren zu können. Die Online-Überwachung einzelner Aufbereitungsstufen steht auch in Einklang mit den aktuellen Ansätzen der Weltgesundheitsorganisation WHO zur Sicherung der Trinkwasserqualität, bei denen im Rahmen eines sog. prozessorientierten Risikomanagements die kontinuierliche Überwachung der Aufbereitungsprozesse im Wasserwerk als Ergänzung zu einer Qualitätsüberwachung des aufbereiteten Trinkwassers gesehen wird [9].

<b>Abbildung 5</b>

In den letzten Jahren wurden verschiedene Ansätze für Online-Systeme zur Gewässer- oder Trinkwasserüberwachung realisiert und als technische Produkte auf den Markt gebracht. Die meisten dieser Systeme erfassen einfache Wasserqualitätsparameter wie pH-Wert, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit oder die UV-Absorption bei einer spezifischen Wellenlänge (meist 254 nm). Auch für die Restgehalte an Oxidations- und Desinfektionsmitteln (Ozon, Chlor, Chlordioxid) werden in Wasserwerken schon seit einigen Jahren kommerzielle Online-Messgeräte eingesetzt. Durch intelligente Auswertung der Messdaten lassen sich auch aus vergleichsweise einfachen Parametern weitergehende Aussagen über die Wasserbeschaffenheit ableiten [10]. Ein großer Vorteil solcher Online-Sensoren ist, dass die Ergebnisse zeitnah zur Verfügung stehen und so für eine Steuerung der Betriebsabläufe im Wasserwerk – beispielsweise für die Einstellung der Ozondosierung – genutzt werden können.

Die Möglichkeiten für den Nachweis von organischen Einzelstoffen mittels Online-Analysesystemen sind noch immer begrenzt, obwohl in den letzten Jahren auch verschiedene Forschungsaktivitäten in diese Richtung unternommen wurden. So wurden Online-Analysengeräte entwickelt und im praktischen Einsatz getestet, mit denen sich organische Stoffe wie hormonell wirksame Verbindungen oder Pestizidwirkstoffe empfindlich und zuverlässig nachweisen lassen [11]. Die im Rahmen von Forschungsvorhaben durchgeführten Tests zeigten, dass die Prototypen der entwickelten Analysesysteme auch beim Einsatz vor Ort hinsichtlich ihrer Nachweisempfindlichkeit und ihrer Zuverlässigkeit mit konventionellen Analysensystemen vergleichbar sind. Der erforderliche Wartungsaufwand ist relativ gering und die Analysenergebnisse sind i. d. R. bereits nach wenigen Minuten verfügbar. Allerdings wurden die Prototypen bislang noch nicht in kommerzielle Systeme umgesetzt, so dass ein Einsatz für die routinemäßige Roh- oder Trinkwasserüberwachung im Wasserwerk derzeit nicht möglich ist.

Wie bereits zuvor ausgeführt, stellen in Hinblick auf die Überwachung von Roh- und Trinkwässern auf toxische Substanzen biologische Testsysteme eine wertvolle Ergänzung zu chemischen Analysen dar. Dies gilt nicht nur im Bereich der Laboranalysen, sondern auch für die kontinuierliche Online-Überwachung der Wasserqualität. Sogenannte Biomonitore können eine Vielzahl von toxischen Substanzen anhand ihrer Wirkung erfassen und ermöglichen so die zeitnahe Erkennung von Veränderungen in der Wasserbeschaffenheit, wie sie beispielsweise bei Unfällen oder bei Anschlägen auftreten können. Derzeit werden für die Gewässerüberwachung insbesondere Testsysteme eingesetzt, die Bakterien, Algen, Daphnien, Muscheln oder Fische nutzen. Bei den einzelnen Testsystemen werden entweder Parameter, welche die biologische Aktivität der jeweiligen Testorganismen charakterisieren, wie Sauerstoffverbrauch, Produktion von Kohlendioxid oder Biolumineszenz, beobachtet oder aber das Verhalten des gesamten Organismus verfolgt. Beim Einsatz der Systeme zur Überwachung der Trinkwasserqualität muss allerdings beachtet werden, dass im Gegensatz zur Anwendung der Biomonitore für die Abwasser- oder Gewässerüberwachung sich dort die Randbedingungen unterscheiden und dass biologische Systeme sehr empfindlich auf diese Unterschiede reagieren können. So kann das begrenzte Angebot an verwertbarem Substrat in einem Trinkwasser die Funktionstüchtigkeit eines biologischen Testsystems merklich beeinflussen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die biologischen Systeme unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber verschiedenen Chemikalien aufweisen, so dass in einzelnen Fällen der Einsatz einer ganzen Batterie unterschiedlicher biologischer Testsysteme sinnvoll sein kann.

Zusammenfassung

Die Überwachung unseres Trinkwassers wird immer auch durch neue wissenschaftliche Erkenntnisse und Fortschritte bei dem verfügbaren analytischen Instrumentarium beeinflusst. Die moderne Trinkwasserüberwachung macht sich diese Entwicklungen zu Nutze, um jederzeit eine hohe Wasserqualität sicherstellen zu können. Trends in modernen Wasserlaboratorien sind eine zunehmende Automatisierung, die Einführung hochwertiger Messgeräte und neuer Analyseverfahren für chemische und biologische Parameter, das Auftreten immer neuer potentieller Verunreinigungen, der Einzug von effekt-bezogenen Analyseverfahren (Biotests) sowie von Analysesystemen zur Online-Überwachung der Trinkwasserqualität und zur frühzeitigen Erkennung von Kontaminationen und Störungen im Aufbereitungsprozess.

 

<b>Abbildung 6:</b> Prinzip eines on-line Biotest-Systems.

Literatur

 

[1] F. Sacher und B. Hambsch, in: TECHNEAU: Safe drinking water from source to tap (Hrsg.: T. v. d. Hoven und C. Kazner), IWA Publishing, London, New York, 2009, S. 135.

[2] F. Sacher: Chem. Unserer Zeit 2013, 47, 148

[3] C. K. Schmidt und H.-J. Brauch, Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 6340.

[4] W. Seitz, W. Schulz und W. H. Weber, Rapid Comm. Mass Spectrom. 2006, 20, 2281.

[5] B. Bendinger, K. Botzenhart, I. Feuerpfeil, W. Kohnen, J. Meyer, U. Obst, G. Preuss, T. Schwarz, U. Szewzyk, H, Volkmann, J. Wingender und N. Zullei-Seibert, gwf Wasser Abwasser 2005, 146, 466.

[6] R. Amann und B. M. Fuchs, Nature Reviews Microbiology 2008, 6, 339.

[7] M. Hügler, K. Böckle, I. Eberhagen, K. Thelen, C. Beimfohr und B. Hambsch, Water Sci. Technol. 2011, 64, 1435.

[8] F. Hammes, M. Berney, W. Yingying, M. Vital, O. Köster und T. Egli, Water Res. 2008, 42, 269.

[9] Weltgesundheitsorganisation (WHO), Guidelines for Drinking-water Quality, 4. Aufl. IWA Publishing, 2011.

[10] J. van den Broeke, P. S. Ross, A. W. C. van der Helm, E. T. Baars und L. C. Rietveld, Water Sci. Technol. 2008, 57, 1169.

[11] G. Proll, J. Tschmelak und G. Gauglitz, Anal. Bioanal. Chem. 2005, 381, 61.