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SPECIAL MESSTECHNIK Messverfahren
Wolfgang Vogl; Markus Epp; Ines Daubek; Juri Koschelnik
Automatische Messung der
Bakterienbelastung
Worum geht es bei der Bestimmung der Bakterienbelastung von Wasser?
Warum macht man diese Untersuchungen und was wird untersucht?
D
ie bakterielle Belastung von Wasser
spielt in verschiedenen Bereichen
eine entscheidende Rolle. In Trinkwasser oder anderen Lebensmitteln kann
eine bakterielle Kontamination unter Umständen binnen Stunden gesundheitliche
Auswirkungen haben. Ist ein Trinkwassernetzwerk oder eine Charge Frischgemüse
durch kontaminiertes Waschwasser verunreinigt, können sehr viele Konsumenten binnen kurzer Zeit betroffen sein (Bild 2). Auch
im Prozesswasser oder in Kühlkreisläufen
ist die mikrobiologische Wasserqualität von
Bedeutung, u. a. bezüglich Bildung von Biofilm und Biokorrosion.
Verschiedenste physikalische und chemische
Qualitätsparameter des Wassers können über
Sensoren und Messgeräte online bestimmt
und überwacht werden. Derartige Onlinemessungen werden zur Qualitätsüberwachung aber auch zur Steuerung von Prozessen herangezogen. Gerade jener Parameter
der, wenn erhöht, am schnellsten zu einer gesundheitlichen Beeinträchtigung des Verbrauchers führt, kann bisher nur über ein
24-stündiges Laborverfahren ermittelt werden und steht daher nicht zu Onlineüberwachung oder Prozessteuerung zur Verfügung.
Als Weltneuheit steht nun seit kurzem das
Messgerät ColiMinder der Firma Vienna Water Monitoring Solutions (VWM GmbH) zur
Verfügung (Bild 1). Dieses misst die bakterielle Belastung von Wasser, nach einem neuen
Verfahren, vollautomatisch und binnen 15
Minuten. Dieses Verfahren ist ein Meilenstein der Wassertechnologie und schließt die
zeitliche Lücke der Überwachung.
Nach mehrjähriger Entwicklung, einer
2-jährigen Phase von Feldtests sowie einer
Reihe wissenschaftlicher Untersuchungen
hat das österreichische Unternehmen VWM
GmbH dieses Messgerät im Januar 2016 auf
dem International Water Summit 2016
(IWS) in Abu Dhabi der breiten Öffentlichkeit präsentiert. Die VWM GmbH war bereits im Vorfeld unter die Finalisten des Innovations-Wettbewerbes Innovate@IWS gereiht und wurde nach Präsentation der ColiMinder Messgeräte/Technologie von der
hochkarätigen Jury zum „First Place Innovator in Industrial Water Sektor“ gekürt.
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Was ist unter der mikrobiologischen
Wasserqualität zu verstehen?
Das deutsche Umweltbundesamt /1/ schreibt
dazu:
„In den letzten Jahren kam zu einer Vielzahl
bekannter Krankheitserreger, die mit dem
Trinkwasser in den menschlichen Körper
gelangen können wie Salmonellen und Shigellen eine Reihe „neuer“ Erreger hinzu,
zum Beispiel Campylobacter, EHEC-Escherichia coli und Noroviren. Sie gelangen vor
allem aus menschlichen oder tierischen Fäkalien in die aquatische Umwelt. Diese Fäkalien enthalten neben Krankheitserregern
zudem in der Regel eine größere Menge von
Escherichia coli und anderen harmlosen
Bakterien. Bei der routinemäßigen Überwachung der Trinkwasserqualität genügt es
deshalb, nach diesen typisch fäkalen Organismen, also Escherichia coli oder Enterokokken in den Wasserproben zu suchen.
Diese Bakterien nennt man deshalb „Anzeige- oder Indikatororganismen“. Falls
z. B. in 100 Milliliter einer Wasserprobe das
Bakterium Escherichia coli nicht nachweisbar wäre, so zeigte dies an, dass potenziell
gefährliche Mikroorganismen nicht in Konzentrationen vorhanden sind, die eine Erkrankung auslösen könnten.“
Bild 2 Die bakterielle Kontamination von Trinkwasser kann gesundheitliche Auswirkungen haben.
Die mikrobiologische Qualität des Wassers
wird also mit Hilfe von Indikatororganismen bestimmt. In Europa wird dazu das
E.coli Bakterium herangezogen, in den USA
Coliforme Bakterien.
Nachweis von Indikatorbakterien
Bild 1 Das Messgerät ColiMinder misst die bakterielle Belastung von Wasser.
Quelle: VWM GmbH
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Es gilt also festzustellen, ob in der Probe Indikatoren (Anzeichen) für fäkale Verunreinigungen zu finden sind, da eine Kontamination mit Fäkalien das Risiko mit sich
bringt das neben den Indikatorbakterien, die
selbst nicht schädlich sind, auch pathogene
Keime in der Probe vorhanden sind.
Traditionell wird dazu die Anzuchtmethode,
d. h. die Kultivierung von Bakterien auf
Nährmedien, verwendet. Grundsätzlich
wird bei diesem Verfahren die Probe in einer Petrischale mit Nährlösung versetzt, und
in einem Inkubator (einem Gerät, das die
Umgebungstemperatur auf der für das Bakterienwachstum idealen Temperatur konstant hält) bebrütet. Nach 24 Stunden wird
die Petrischale aus dem Inkubator genommen und nachgesehen, wie viele Bakterienkolonien entstanden sind. Die Anzahl der
entstandenen Kolonien wird dann in Koloniebildenden Einheiten pro Probevolumen,
üblicherweise 100 ml, (KBE/100 ml) angegeben.
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Die mikrobiologische Standardmethode
verwendet also das Wachstum der Bakterien
als Mittel zu deren Nachweis und die entstandenen Bakterienkolonien sind mit
freiem Auge sichtbar und zählbar. Diese
Methode existiert seit ca. 150 Jahren und
bildet die Basis für die entsprechenden Gesetzte und Vorschriften.
Ende des 20 Jahrhunderts erschienen erstmals wissenschaftliche Publikationen /2/,
die sich mit der Möglichkeit befassten, die
bakterielle Belastung von Wasser auch direkt, also ohne die Kultivierung der Bakterien und der damit verbundenen Wartezeit,
zu bestimmen. Als Messgröße wurde dabei
die Stoffwechselaktivität, also die für die jeweiligen Mikroorganismen spezifische enzymatische Aktivität vorgeschlagen. Die
Stoffwechselaktivität oder spezifische enzymatische Aktivität ist direkt mit dem Vorhandensein der jeweiligen Bakterien verknüpft, ist also eine Eigenschaft der Mikroorganismen selbst. Die in der Probe vorhandene bakterienspezifische enzymatische
Aktivität stellt also eine ideale Messgröße
dar, um die Belastung mit Indikatorbakterien zu bestimmen und hat gegenüber den
klassischen Methoden den gravierenden
Vorteil, dass nicht auf das Wachstum der
Bakterien gewartet werden muss. Der Grad
der bakteriellen Belastung des Wassers
Quelle: wwt-Archiv
kann damit erstmals quasi in Echtzeit bestimmt und auf eine eventuelle Verkeimung
sofort reagiert werden. Auch die WHO erwähnte bereits im Jahr 2001 in ihrer Publikation: „Water quality: Guidelines, standards and health“ den Ansatz der enzymatischen Bestimmung der bakteriellen Belastung /3/.
Bakterienkulturen zum Nachweis der Indikatorbakterien sind seit langem üblich und
in Gesetzen und Richtlinien vorgeschrieben.
Das Verfahren ist relativ aufwändig und arbeitsintensiv und wird daher in Zeitintervallen durchgeführt, die dem Risiko gerecht
werden, aber Aufwand und Kosten in vertretbarem Rahmen halten.
Der ColiMinder kann zwei Messungen pro
Stunde durchführen und die Messdaten werden online übertragen und der zeitliche Ver-
RECHERCHE
in wwt-Fachartikeln
mit
mehr unter wwt-online.de
SPECIAL MESSTECHNIK
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SPECIAL MESSTECHNIK Messverfahren
Bild 3 IDEXX-Quantitray-Tests zur Untersuchung von Wasser hinsichtlich der Belastung mit
Indikatorbakterien. 48 Tests werden hier gezeigt – das entspricht der Anzahl der Messungen, die das Gerät je Tag ausführen kann.
Bild 4 Gegenüberstellung der Methoden zur Beurteilung der bakteriellen Kontamination
Bild 5 Onlinevisualisierung des Kontaminationsverlaufs eines Oberflächengewässers
lauf der bakteriellen Belastung visualisiert
(siehe Bild 5). Dies ermöglicht erstmals eine
Prozesssteuerung auf Basis einer automatischen Messung was bisher wegen der langen
Inkubationszeit der klassischen Methoden
nicht möglich war.
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Es gibt moderne Prozesse und Verfahren deren Performance mit der klassischen mikrobiologischen Methode gar nicht ausreichend
überprüft werden können. z. B. Filtrationsverfahren mit mehreren Filtermodulen, deren Module aus verschiedenen Gründen
(Lastausgleich, Regeneration, Rückspülvorgänge) mit hoher Taktrate – mehrmals pro
Tag – zu und weg geschaltet werden. Um sicherzustellen, dass die jeweiligen Module in
Ordnung sind und auch der Umschaltvorgang zu keiner bakteriellen Belastung führt,
müsste eigentlich nach jedem derartigen
Vorgang eine klassische mikrobiologische
Untersuchung gemacht werden. Derartig
häufige Messungen sind allerdings mit der
klassischen Methode nicht mit vertretbarem
Aufwand durchführbar.
Durch automatisierte Messung und die
kurze Messzeit ermöglicht das enzymatische Verfahren auch dynamische Prozesse
zu überprüfen, kurze Kontaminationsspitzen zu identifizieren und eventuell auftretende Fehler zu erkennen (siehe Bild 6).
Neben der Möglichkeit die mikrobiologische Belastung auch in dynamischen Prozessen zu überwachen und zu visualisieren
bringt die Beobachtung des zeitlichen Verlaufs mikrobiologischer Kontamination
noch einen weiteren Vorteil. Durch Beobachtung des zeitlichen Verlaufs kann extrapoliert, also eine Prognose abgegeben werden. Dies ermöglicht rechtzeitig präventive
Maßnahmen einzusetzen und erhöht zusätzlich die Sicherheit des Gesamtsystems.
Bisher sind Prozesse und Anlagen zur Eliminierung der mikrobiologischen Belastung
so konstruiert und gesteuert, dass die Behandlungsprozesse den empirischen Vorgaben entsprechen, egal, wie hoch die effektive Belastung am Eingang des Prozesses
ist. Die derzeitigen Prozesse z. B. zur Wasserbehandlung sind hinsichtlich der mikrobiologischen Belastung notwendigerweise
relativ starr, da eine kontinuierliche Überwachungsmöglichkeit bis jetzt nicht zur
Verfügung stand. Hier eröffnet das neue
Messverfahren also Entwicklungs- und Einsparungspotenzial.
Auch bei der Optimierung von Prozessen
oder bei der Entwicklung neuer Wasserbehandlungsmethoden stellt die rasche Messung der bakteriellen Belastung ein wichtiges neues Werkzeug dar. Durch das abwechselnde Messen vor und nach einem Prozess
oder in unterschiedlichen Stufen des Prozesses, kann dessen Wirkung sowie der Effekt
von Veränderungen der Prozessparameter
quasi in Echtzeit mit verfolgt werden. In
Bild 7 ist dies anhand eines Flockungsprozesses dargestellt. Die neue Technologie
kann also nicht nur bei der Optimierung bestehender Prozesse, sondern auch in der Entwicklung neuer nachhaltiger und sicherer
Prozesse zur Wasseraufbereitung einen entscheidenden Beitrag leisten.
Gegenüberstellung der Methoden
Vergleicht man die klassische Anzuchtmethode mit der enzymatischen Methode, ist
es wichtig das Ziel im Auge zu behalten,
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SPECIAL MESSTECHNIK
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SPECIAL MESSTECHNIK Bild 6 Verlauf der bakteriellen Kontamination vor und nach Beseitigung fehlerhafter
Membranmodule
Bild 7 Überwachung der bakteriellen Kontamination vor und nach dem Flockungsprozess
Messverfahren
welches darin besteht den Grad der fäkalen
Verunreinigung der Probe mittels Indikatorkeimen zu bestimmen. Beide Methoden verfolgen dieses Ziel mit unterschiedlichen
Mitteln, woraus sich eine unterschiedliche
Perspektive ergeben kann.
Bei der enzymatischen Methode tragen alle
lebenden Zielorganismen, also alle die über
einen Stoffwechsel verfügen, zur gemessenen Aktivität bei. Im Gegensatz dazu kann
die klassische Methode nur eine Teilmenge,
nämlich die der kultivierbaren Mikroorganismen erfassen. Das Verhältnis kultivierbarer Bakterien zu der Gesamtheit derer die
über einen Stoffwechsel verfügen ist also
verständlicherweise nicht konstant.
Bakterien können unter bestimmten Umwelteinflüssen ihre Kultivierbarkeit verlieren, wobei sie dabei nicht sofort ihren Stoffwechsel einstellen und „sterben“, sondern in
einen so genannten VBNC Zustand (Viable
But Not Culturable) übergehen. Es wird darüber diskutiert, ob dieser Vorgang reversibel ist, jedenfalls ist klar, dass das Verhältnis zwischen kultivierbaren und Bakterien
im VBNC-Zustand keine Konstante ist. Aus
dieser Tatsache folgt, dass es keine allgemein gültige Korrelation zwischen der klassischen und der enzymatischen Untersuchungsmethode geben kann, was ja grundsätzlich kein Problem darstellen sollte, da
das Ziel der Nachweis von Indikatorbakterien ist und dies mit beiden Methoden erreicht wird.
Bild 7 zeigt die Ergebnisse einer Versuchsreihe bei der eine stark kontaminierte Probe
über 3 Wochen parallel mit unterschiedlichen Methoden untersucht wurde.
Der Nachweis von Indikatororganismen
dient dazu, den Grad der fäkalen Verunreinigung zu ermitteln, da diese mit dem Risiko verbunden ist, dass auch pathogene
Keime in der Probe vorhanden sind. Die eigentliche Frage lautet also: „Wie korreliert
das Ergebnis der jeweiligen Nachweismethode mit dem tatsächlichen Risiko zu dessen Überwachung bzw. Vermeidung sie eingesetzt wird“? Diesbezüglich führt die
VWM gemeinsam mit Universitäten gezielte Studien durch, um diese Korrelationen
wissenschaftlich zu erarbeiten.
Weitere Zielorganismen
Mit dem Messgerät (ColiMinder) können, je
nach verwendeten Reagenzien, die Aktivität
der Fäkalindikatoren E.coli oder Coliforme
Keime gemessen werden. VWM bietet zusätzlich auch Reagenzien zur Messung der
Gesamtkeimzahl (ALP-Aktivität) an. Dieser
Parameter gibt Auskunft über die enzymaBild 8 Vergleichsmessung dreier ColiMinder
(Golf, Juliett, Kilo) mit Indexx und Petrifilm
Quellen (7): VWM GmbH
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tische Aktivität aller lebenden Organismen
in der Probe. Diese Messung ist sehr sensitiv
und liefert sehr schnell, auch bei geringsten
Belastungen einen eindeutigen Messwert.
Gerade bei diesem Parameter wird deutlich,
dass es nicht nur um den Absolutwert der
mikrobiologischen Aktivität in der Probe
geht, sondern dass die Information über den
Verlauf der Belastung mindestens ebenso
bedeutsam ist.
Man stelle sich ein System vor, beispielsweise einen Kühlkreislauf, oder das Prozesswasser in der Lebensmittelverarbeitung.
Man misst also die ALP Aktivität und erhält
einen bestimmten Wert, liefert die detaillierte Laboruntersuchung das Ergebnis, dass
m i k robiologisch a lles in O rd nung
ist, kann davon ausgegangen werden, dass
dies auch so bleibt solange der zeitliche Verlauf der enzymatisch gemessenen Aktivität
im System konstant bleibt. Steigt die Aktivität in der Probe jedoch an, so ist dies ein
Indiz dafür, dass im System etwas „wächst“,
sinkt die mikrobiologische Aktivität dagegen über die Zeit oder auch abrupt ab, so ist
davon auszugehen, dass die Lebensbedingungen für Mikroorganismen schlechter geworden sind, beispielsweise wenn Desinfektionsmaßnahmen ergriffen wurden.
Bei dieser Art der Anwendung ist es unerheblich auf welchem Niveau sich diese Kontaminations-Timeline bewegt, im Kühlwasserkreislauf einer Raffinerie ist es mit Sicherheit höher als in einer Getränkeabfüllanlage, es geht primär um die Möglichkeit
Veränderungen im System in „Echtzeit“ zu
erkennen, um rechtzeitig und adäquat reagieren zu können.
In folgenden Anwendungen wird der ColiMinder bereits erfolgreich eingesetzt:
❙❙ Oberflächengewässer – Monitoring
(E.coli, ALP)
❙❙ Prozessmonitoring in Flockungsanlagen
(E.coli)
❙❙ K läranlagenemission (E.coli)
❙❙ Überwachung der Desinfektion
(Ozonierung) von Kläranlagenemissionen (E.coli)
❙❙ Überwachung von Aktivkohlefiltern
(E.coli, ALP)
❙❙ Überwachung von Bewässerungswasser
(E.coli)
❙❙ Waschwasser Überwachung in Erdbeerwaschanlage (E.coli, ALP)
❙❙ Qualitätsüberwachung Badewasser
(E.coli, ALP)
❙❙ Belastungsverlauf Trinkwasserquelle
(E.coli)
❙❙ Überwachung einer Ultrafiltrationsanlage (E.coli, ALP)
❙❙ Studie zur Verkeimung von Luftbefeuchtern (ALP).
Weitere Literatur kann bei den Autoren angefordert werden. Die Autoren freuen sich
auf Ihre Kontaktaufnahme.
LITERATUR
/1/http://www.umweltbundesamt.de/themen/
wasser/trinkwasser/trinkwasserqualitaet/
mikrobiologie
/2/ Farnleitner et al., 2002; Fiksdal et al., 1994a;
Fiksdal and Tryland, 2008; George et al., 2001
/3/ Water quality: Guidelines, standards and health
– Chapter 13.4 Emerging Microbiological
Methods – 13.4.1 Fast detections using
chromomeric substances
KONTAKT
VWM GmbH
Wolfgang Vogl
Dorfstraße 17 · 2295 Zwerndorf, Österreich
E-Mail: [email protected]
www.v-w-m.at