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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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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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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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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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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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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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Chemisch-Physikalische

Parameter

Übliche Onlineparameter

Referenz: SVGW-Richtlinie W1 für die Qualitätsüberwachung

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Technik für Online-Messung:

- Temperaturabhängiger Stromwiderstand

- Thermoelement (Wärme Strom)

Temperatur

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- 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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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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Beispiel Karstquelle

Beispiel Karstquelle

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Beispiel Karstquelle

Beispiel Karstquelle

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Beispiel Karstquelle

Leitfähigkeit

Leitfähigkeit ist ein Mass für die Fähigkeit Strom zu leiten

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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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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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Fluoreszenzspektroskopie (Ölspuren)

Absorptionsspektrum

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Absorptionsspektrum

Substanznachweis durch

Absorptionsspektrum

(200-750 nm)

Absorptionsspektrum

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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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Einsatz von Fischen

Einsatz von Daphnien

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Einsatz von Muscheln

Nachweis von Mikroorganismen

- Momentan keine Online-Methoden

verfügbar

Gewisse Schnellnachweismethoden

verfügbar

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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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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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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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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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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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- 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

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Fluss / Seewasser

Leitungswasser

Mineralwasser

Grundwasser

Bakterienkonzentration (Zellen/mL)

106105104103102101100

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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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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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Was geschieht, wenn nicht stabil….

Von wo kommen die Nährstoffe?

a) Rohrmaterial

b) Wasserphase

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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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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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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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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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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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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.