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Projektkennblatt
der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt
11229
Az
Referat
32/0
528.060,00 DM
Fördersumme
Antragstitel
Entwicklung eines Biosensors auf der Basis immobilisierter Proteinpartikel
zur hochsensitiven Schnellanalytik von Herbiziden
Stichworte
Umweltchemikalien, Analytik, Wasser, Gewässer, Abwasser, Verfahren, Ökotoxikologie
Laufzeit
Projektbeginn
Projektende
Projektphase(n)
3 Jahre und 2 Monate
01.07.1997
31.08.2000
1
II.4.-
Umweltforschung
Förderbereich 1991 – 1998
Umweltvorsorge, angewandte Umweltforschung
Umweltvorsorge, angewandte Umweltforschung
Bewilligungsempfänger bbe Moldaenke
Schauenburgerstraße 116
Kooperationspartner
Tel
0431/5606606
Fax
0431/5606609
Projektleitung
Hr. Moldaenke
Bearbeiter
24118 Kiel
Philipps-Universität Marburg Fachbereich Biologie/Botanik
35032 Marburg
Zielsetzung und Anlaß des Vorhabens
Der Herbizideinsatz in der Landwirtschaft führt zu einer Kontamination von Böden, Gewässern und
Trinkwasservorräten. Nur wenn eine übermäßige Herbizidbelastung rechtzeitig erkannt wird, können geeignete Gegen- oder Schutzmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden.
Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Biosensor-Systems, das es sowohl im Labor als auch vor Ort
(z.B. direkt an einem Gewässer) ermöglichen soll, innerhalb von 5 Minuten festzustellen, ob eine Kontamination mit Herbiziden vom Diuron-/Atrazin-Typ vorliegt. Dieses Biosensor-System wird es Wasserwerken, Umweltbehörden, Feuerwehren, Landwirten und Wissenschaftlern erlauben, schnelle, in der Handhabung einfache und preiswerte Screening-Tests durchzuführen.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Das Biosensor-System besteht aus zwei Komponenten: I. Das Einweg-Sensormaterial (stabilisierte Photosystem II-Protein-Partikel) und II. einem transportablen, Mikroprozessor-gesteuerten Gerät zur Messung und Analyse der Chlorophyll-a-Fluoreszenz.
I. Es wurden Entwicklungsarbeiten und umfangreiche Tests (ca. 3000 Messungen) zur Sensitivität und
Spezifität des Sensormaterials durchgeführt. Lager- und Meßpuffersystem wurden in Hinblick auf Lagerstabilität und Matrixeffekte (speziell pH- und Salzgehalt des Testwassers) getestet (ca. 2500 Messungen). Entwicklungsarbeiten wurden durchgeführt, um den Herstellungsprozeß zu optimieren (und
zu standardisieren) und die Verpackung derart zu gestalten, dass eine "Fehlbedienung" ausgeschlossen werden kann. Ferner wurden Praxistests durchgeführt, um zu überprüfen, ob Sensitivität,
Spezifität und insbesondere die Handhabung den Anforderungen potentieller Anwender entsprechen.
II. Ein äußerst sensitives, transportables und Mikroprozessor-gesteuertes Messgerät, welches zu einem
akzeptablen Preis hergestellt werden kann, wurde entwickelt. Neben der Anwenderfreundlichkeit der
Elektronik stand der Komfort der Applikationsmechanik im Zentrum der Entwicklungsarbeiten.
Die Arbeiten zu I. wurden in erster Linie am Fachbereich Biologie der Universität Marburg durchgeführt,
während die Arbeiten zu II. schwerpunktmäßig in den Elektroniklaboren der Firma bbe Moldaenke in Kiel
ausgeführt wurden.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt } An der Bornau 2 } 49090 Osnabrück } Tel 0541/9633-0 } Fax 0541/9633-190 } http://www.dbu.de
Ergebnisse und Diskussion
Im Rahmen dieser Arbeiten konnten (auf der Basis von mehr als 6000 Einzelmessungen) die Möglichkeiten und prinzipiellen Grenzen des gewählten Ansatzes zur schnellen Detektion von Herbiziden ermittelt werden.
Es ist gelungen, den Herbizidschnelltest zu einem vermarktungsfähigen Produkt zu entwickeln, welches
in bezug auf Handhabungskomfort und Kosten (pro Test) den Zielvorgaben entspricht. Probleme im Zusammenhang mit der Lichtsensitivität des Sensormaterials und der anorganischen Matrixeffekte (pH und
Salzgehalt der Wasserprobe) konnten weitgehend gelöst werden, indem in der zweiten Hälfte des Förderzeitraums der Übergang von Sensorfolien zu Sensorsuspensionen vollzogen wurde.
Andererseits jedoch haben die Arbeiten zur Sensitivität des Testsystems eindeutig ergeben, dass für eine
Reihe von Herbiziden die in der Praxis erreichbare Nachweisschwelle deutlich oberhalb der EGGrenzwerte liegt. Für Anwender, die unmittelbar Überschreitungen der EG-Grenzwerte im Trinkwasser
nachweisen wollen (z. B. Test von Leitungswasser, kleineren Trinkwasserbrunnen und im Handel erhältlichen Mineralwassers), ist das Testsystem somit kaum noch von Interesse. Hieraus folgt leider, dass der
potentielle Kundenkreis kleiner ist, als noch vor kurzem von uns erwartet worden war. Nur für Anwender,
die mit Herbizidkonzentrationen oberhalb der EG-Grenzwerte konfrontiert werden, ist der Herbizidschnelltest von Interesse. Herbizidkonzentrationen deutlich oberhalb der EG-Grenzwerte können in Oberflächengewässern eine Rolle spielen, die gar nicht oder erst nach Verdünnung und Aufreinigung als
Trinkwasser dienen. Der potentielle Kundenkreis reduziert sich somit (in erster Linie) auf einzelne Wasserversorger, die Oberflächengewässer zur Trinkwasserentnahme nutzen, sowie die Behörden, die aktiv
die Gewässerqualität überwachen. Durch Öffentlichkeitsarbeit und erste Marketingmaßnahmen konnte
Interesse bei verschiedenen potentiellen Käufern geweckt werden. Entsprechende Anstrengungen sollen
fortgesetzt werden.
Die Untersuchungen zur Sensitivität und Spezifität des Tests haben ergeben, dass in höheren Konzentrationen zahlreiche organische Substanzen detektierbar werden. Hieraus können sich zusätzliche Anwendungen im Bereich der Gewässerüberwachung und somit ein deutlich vergrößerter Kundenkreis ergeben. Wir beabsichtigen, in dieser Richtung weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchzuführen.
Wegen des (gegenüber unseren ursprünglichen Erwartungen) verringerten Kreises potentieller Kunden
und des relativ hohen Marketing- und Betreuungsaufwands ist es zum jetzigen Zeitpunkt noch unklar, ob
sich der Herbizidschnelltest zu einem ökonomisch wirklich erfolgreichen Produkt der Firma bbe Moldaenke entwickeln kann.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Biotechnica 1997 und 1999 (in Zusammenarbeit mit der Bundesstiftung Umwelt), diverse Messen und
Fachtagungen, Artikel im "Geospektrum" und in den "VDI-Nachrichten", Vorträge und Informationsgespräche mit potentiellen Anwendern, Internetseiten und Informationsbroschüre
Fazit
Die gewählte Form der Zusammenarbeit zwischen einem universitären Forschungslabors, der Firma bbe
Moldaenke und der Bundesstiftung Umwelt hat sich bewährt. Praktisch alle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konnten wie geplant durchgeführt werden.
Es konnte ermittelt werden, wo die Möglichkeiten und Grenzen des gewählten biotechnologischen Ansatzes zur Detektion von Herbizidkontaminationen liegen.
Der Herbizidschnelltest wurde bis zur Marktreife entwickelt.
Da die Nachweisgrenze für eine Reihe von Herbiziden oberhalb der EG-Grenzwerte liegt (leider), ist es
zum jetzigen Zeitpunkt noch unklar, ob sich das Testsystem zu einem wirklich erfolgreichen Produkt der
Firma bbe Moldaenke entwickeln wird.
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