Verhalten und Identifizierung von Spurenstoffen und Mikroorganismen

Erkenntnisse zum Verhalten von „neuen“ bzw. bislang unbekannten Spurenstoffen in aquatischen Systemen und insbesondere bei der Trinkwasseraufbereitung sind in der Regel nicht verfügbar, können aber durch spezifische und praxisnahe Laborversuche mit nachfolgender Analytik erhalten werden. Hierbei werden insbesondere Fragestellungen zur Entfernbarkeit von Stoffen bei bestimmten Verfahren der Wasseraufbereitung adressiert. Da Spurenstoffe durch natürliche Abbauprozesse und bei der technischen Wasseraufbereitung aber auch umgewandelt werden können, ist die Aufklärung ihrer Transformationsprodukte ein wichtiger Baustein für die Bewertung eines Aufbereitungsverfahrens. Ebenso verfügen wir über modernste Methoden, um mikrobiologische Eintragspfade aufzuklären und den Befund „neuer“ Mikroorganismen zu bewerten. Wir bieten unseren Kunden durch analytisch-verfahrenstechnische Laboruntersuchungen unter praxisnahen Bedingungen Lösungsansätze und Konzepte, um bei aktuellen Fragestellungen zu Spurenstoffen und Mikroorganismen sowie möglichen Krankheitserregern gezielt zu prüfen und zu unterstützen.

Simulation der aeroben Uferfiltration

Zur Simulation biologischer Abbauprozesse bei der aeroben Uferfiltration wird Oberflächenwasser mit einem organischen Spurenstoff in umweltnahen Gehalten dotiert. Ein Test läuft über 30 Tage, wobei das Wasser ständig belüftet und vor Tageslicht geschützt über ein poröses Material (Sinterglasperlen) im Kreislauf gepumpt wird. Dieses poröse Material ist nicht adsorptiv und bietet Mikroorganismen optimale Bedingungen, um einen Biofilm ähnlich dem einer Infiltrationszone auszubilden. Die Interpretation der erhaltenen Abbaukurven mit der bereits breiten Datenbasis zuvor untersuchter Spurenstoffe führt zu einer guten Abschätzung der biologischen Abbaubarkeit.

Transformation bei oxidativen Verfahren (Ozon, Chlor, UV, AOP)

Über Versuche im Labormaßstab lässt sich die oxidative Umsetzung von Spurenstoffen bei der großtechnischen Aufbereitung gut simulieren. Dabei können je nach Fragestellung Behandlungen im Batch-Versuch oder Verfahren mit direktem Eintrag des Oxidationsmittels angewendet werden. Über diverse nachgeschaltete analytische Methoden, z. B. hochauflösende massenspektrometrische Verfahren, können auch dabei entstehende Transformationsprodukte charakterisiert werden.

Ozonung gekoppelt mit biologisch aktiven oder sorptiven Behandlungsstufen

Untersuchungen zu Transformationsprodukten nach der Ozonung ohne Einbeziehung einer nachfolgenden biologisch aktiven Stufe bleiben in ihrer Aussagekraft unvollständig. Deshalb steht zur Realisierung kombinierter Versuche im Labormaßstab eine kontinuierlich betriebene Ozonung zur Verfügung, die bspw. mit einer biologisch aktiven Langsamsand- oder Aktivkohlefiltration gekoppelt werden kann. Hierüber können die oxidative Umsetzung und der biologische Abbau in Kombination simuliert werden.

Adsorptive Entfernung mittels Aktivkohle

Zur Charakterisierung des Stoffverhaltens in adsorptiven Prozessen können als Ergänzung zu Adsorptions-Isothermen auch Filtrationsversuche mit granulierter Aktivkohle in einem Kleinfiltertest durchgeführt werden, der auch kinetische Effekte der Adsorption berücksichtigt. Unter standardisierten Bedingungen werden innerhalb weniger Tage praxisnahe Aussagen zur wirtschaftlichen Entfernbarkeit von Spurenstoffen mittels Aktivkohle erhalten.

Dynamic Surface Leaching Test (DSLT) nach CEN/TS 16637-2

Zur Bewertung der Freisetzung gefährlicher Stoffe wurde ein Prüfverfahren für monolithische oder flache Bauprodukte (z.B. Dachfolien) entwickelt. Dabei wird die Oberfläche des Prüfstücks nach vorgegebenem Protokoll ausgewaschen. Die Eluate können im Anschluss analysiert oder ökotoxikologischen Prüfverfahren unterzogen werden. Die Vorgehensweise richtet sich an die in den Vergabekriterien des Umweltzeichens Blauer Engel für „Dach- und Dichtungsbahnen“ (DE-UZ 224, Juli 2022) angegebenen Anforderungen.

Non-Target-Screening (NTS)

Zur Detektion bislang unbekannter oder nicht beachteter Spurenstoffe hat die Non-Target-Analytik in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Messung wird durch die Kombination von Flüssigchromatographie (HPLC) mit einem hochauflösenden Massenspektrometer (TOF- oder Orbitrap-Technologie) vorgenommen. Der Screening-Ansatz hat dabei den Vorteil, dass mit einer einzigen Messung sehr viele Substanzen nebeneinander erfasst werden können, ohne dass für jede Substanz eine separate Methode angewendet werden muss. Auf diese Weise ist es möglich Aussagen über den Belastungszustand von Gewässern zu treffen und unentdeckte Schadstoffe zu identifizieren. Darüber hinaus kann durch Priorisierung der gemessenen Daten gezielt auf spezielle Substanzklassen wie z.B. per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) untersucht werden.

Mikroplastik

Die Untersuchung von Wasserproben auf Mikroplastik (≤ 5 mm) erfolgt nach den Vorgaben des delegierten Beschlusses 2024/1441 der EU-Kommission vom 11.03.2024 mittels fraktionierender Filtration und nachfolgender Analyse mittels mikrospektroskopischer Analyseverfahren (µ-Raman, µ-FTIR und LDIR). Oberflächen- und Trinkwasserproben werden dabei mithilfe von - mit Edelstahlfiltern bestückten - Filtrationskaskaden entnommen. Im Labor wird die Proben extrahiert, entsprechend aufbereitet (z.B. Ozonung, Fenton, Dichtetrennung) und auf Analysenfilter überführt. Die Polymere (Mikroplastik) in der Probe werden mittels mikrospektroskopischer Verfahren (Raman, µ-FTIR und LDIR) ≥5 µm identifiziert. Zur Qualitätssicherung werden alle Arbeitsschritte unter Reinraumbedingungen in Laminar-Flow-Boxen durchgeführt. Zudem werden bei jeder Untersuchung Prozessblindwerte mitgeführt. Die Analysenmethode wurde über den gesamten Arbeitsablauf mittels Wiederfindungsexperimente validiert. 

Bewertung mikrobiologischer Befunde (E. coli, coliforme Bakterien, Enterokokken, Clostridium perfringens, somatische Coliphagen) im Trinkwasser

Bei mikrobiologischen Befunden im Trinkwasser ist schnelles Handeln gefragt. Die Identifizierung von Bakterien spielt im Trinkwasserbereich eine immer wichtigere Rolle und kann ein wichtiges Werkzeug bei der Ursachenanalyse und Befundbewertung sein. Wir bieten moderne Methoden zur Identifizierung (MALDI-TOF-MS, Sequenzierung) und Anreicherung (MikroSens-Ultrafiltrationssystem) von Mikroorganismen und helfen bei der Bewertung und Ursachenforschung von Kontaminationen im Trinkwasser.

Bewertung mikrobiologischer Befunde (Pseudomonas aeruginosa, Legionellen) in Trinkwasserinstallationen 

Bei mikrobiologischen Problemen in Trinkwasserinstallationen geht es vor allem um Legionellen oder Pseudomonas aeruginosa. Wir beraten unsere Kunden bei Problemen in der Praxis, z. B. in Kliniken, und helfen bei der Bewertung und Einordnung der Befunde und der Ableitung von Gegenmaßnahmen.

Nachweis somatischer Coliphagen

Als spezieller Indikatorparameter für das Auftreten bestimmter mikrobieller Gefährdungen ist der Parameter somatische Coliphagen in der Trinkwasserverordnung mit einem Referenzwert belegt und muss im Rohwasser, das aus einem Oberflächenwasser stammt, gemessen werden. Wir sind für den Nachweis von somatischen Coliphagen akkreditiert.

Nachweis und Bewertung von Krankheitserregern (z.B. Campylobacter, Pseudomonas aeruginosa, Legionellen)

In der Regel wird das Trinkwasser auf Indikatorbakterien untersucht. In verschiedenen Fällen, kann aber auch die Untersuchung auf Krankheitserreger sinnvoll sein oder von Behörden gefordert werden (z. B. Untersuchung auf Pseudomonas aeruginosa nach Baumaßnahmen). Wir bieten kulturelle und molekularbiologische Untersuchungen verschiedener Krankheitserreger an und beraten bei der Bewertung von Nachweisen.

Identifizierung und Bewertung fäkaler Eintragsquellen (Microbial Source Tracking)

Die Implementierung effizienter und kostengünstiger Maßnahmen zur Verbesserung der mikrobiologischen Wasserqualität in einem Einzugsgebiet erfordert eine möglichst genaue Bestimmung der Herkunft der fäkalen Verunreinigung. Die derzeit zur Qualitätskontrolle eingesetzten mikrobiologischen Methoden geben jedoch keinen Aufschluss über die Herkunft der Kontamination. Wir bieten neue molekularbiologische Methoden an, die es ermöglichen, fäkalen Eintragsquellen zu identifizieren.

Nachweis und Bewertung antibiotikaresistenten Bakterien und Antibiotikaresistenzgene

Der langjährige und breite Einsatz von Antibiotika hat die Bildung und Verbreitung von antibiotikaresistenten Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen nicht nur im klinischen Bereich, sondern auch in der aquatischen Umwelt begünstigt. Antibiotikaresistente Bakterien und Antibiotikaresistenzgene werden daher zunehmend als neue Parameter zur Beurteilung der hygienischen Wasserqualität diskutiert. Aus einer Reihe von Forschungsprojekten liegen langjährige Erfahrungen zum Nachweis von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt vor. Entsprechenden Untersuchungen sowie die Bewertung der Ergebnisse stehen auch für Auftragsarbeiten zur Verfügung.

Nachweis und Bewertung von Viren

Humanpathogene Viren können aufgrund ihrer niedrige Infektionsdosis bereits in sehr geringen Konzentrationen gesundheitlich bedenklich sein. Die WHO empfiehlt daher, bei der Risikobewertungen von Rohwässern auch das Vorkommen humanpathogener Viren zu berücksichtigen. Der schnelle Nachweis dieser hygienisch relevanten, geringen Virenkonzentrationen stellt die Nachweistechnik vor eine große Herausforderung. Das TZW konnte in laufenden und abgeschlossenen Forschungsvorhaben bereits umfangreiche Erfahrung mit dem Nachweis von Viren in der Umwelt sammeln. Gleichermaßen engagiert sich das TZW in der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Validierung molekularbiologischer Methoden zum schnellen Nachweis von Viren – beispielsweise auch für den Einsatz bei Desinfektionsverfahren.

Durchflusszytometrie

Die Durchflusszytometrie hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen diagnostischen Werkzeug entwickelt. In Kombination mit Fluoreszenzfarbstoffen ermöglicht die Methode eine schnelle Erfassung von Bakterienzahlen und charakteristischen Populationsmustern im Wasser. Obwohl die Methodik keine Aussagen über hygienisch relevante Bakterien zulässt, können Veränderungen der Bakterienkonzentrationen, mikrobiologische Fingerabdrücke und Aufkeimungspotentiale wichtige Hinweise auf Veränderungen und technische Einflussfaktoren liefern und einer schnellen Prozesskontrolle dienen.

Mikrobiologische Online-Analytik

Mikrobiologische Online-Analyseverfahren bieten die Möglichkeit einer kontinuierlichen Überwachung der Wasserqualität. Dabei kommen verschiedene Messprinzipien in Frage: Die Online-Durchflusszytometrie erlaubt die Quantifizierung der Gesamtzellzahl. Andere Methoden erfassen die mikrobielle Aktivität über die Messung der Enzymaktivität oder die Messung von ATP, dem universellen Energieträger aller biologischen Zellen. Alle drei Messverfahren können ergänzend zu den periodisch durchzuführenden Kulturverfahren eingesetzt werden, um Veränderungen der mikrobiologischen Wasserbeschaffenheit schnell zu erkennen.

Erfassung der mikrobiellen Gemeinschaft / Mikrobiom-Analyse

Durch den Einsatz von Next Generation Sequencing (NGS)-basierten Hochdurchsatzverfahren kann das Mikrobiom, d.h. die mikrobielle Gemeinschaft von Wasserproben entschlüsselt werden. Dies erleichtert die Bewertung der mikrobiellen Wasserqualität und die Identifizierung der wichtigsten anthropogenen oder umweltbedingten Faktoren, die für Schwankungen im Ökosystem verantwortlich sind. Auch Bakterien die für Biofilme verantwortlich sind können mit dieser Methode sicher identifiziert werden.

Identifizierung und Bewertung von fäkalen Eintragsquellen (Microbial Source Tracking)

Die Implementierung von effizienten und kostengünstigen Maßnahmen zur Verbesserung der mikrobiologischen Wasserqualität in einem Einzugsgebiet erfordert die möglichst exakte Bestimmung der Herkunft der fäkalen Verunreinigung. Die derzeit zur Qualitätskontrolle angewendeten mikrobiologischen Methoden geben jedoch keinen Aufschluss über die Herkunft der Kontamination. Wir bieten neue molekularbiologische Methoden an, die die Identifizierung von fäkalen Eintragsquellen ermöglichen.

Nachweis und Bewertung von Antibiotikaresistenten Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen

Die langjährige und umfangreiche Verwendung von Antibiotika hat die Bildung und Verbreitung von antibiotikaresistenten Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen nicht nur im klinischen Bereich sondern auch in der aquatischen Umwelt begünstigt. Aus diesem Grund werden antibiotikaresistente Bakterien und Antibiotikaresistenzgene als neue Parameter zur Beurteilung der hygienischen Wasserqualität zunehmend diskutiert. Wir verfügeb durch eine Reihe von Forschungsvorhaben über langjährige Erfahrungen zum Nachweis von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt. Die entsprechende Untersuchungen sowie eine Bewertung der Ergebnisse stehen auch für Auftragsarbeiten zur Verfügung.

Nachweis und Bewertung von Viren

Humanpathogene Viren können durch ihre niedrige Infektionsdosis auch in sehr geringen Konzentrationen gesundheitlich bedenklich sein. Die WHO empfiehlt deswegen bei Risikobewertungen von Rohwässern das Vorkommen von humanpathogenen Viren ebenfalls zu berücksichtigen. Der schnelle Nachweis dieser hygienisch relevanten, geringen Virenkonzentrationen stellt die Nachweistechnik vor eine große Herausforderung. Das TZW konnte in laufenden und abgeschlossenen Forschungsvorhaben bereits umfangreiche Erfahrung in der Detektion von Viren in der Umwelt sammeln. Gleichermaßen setzt sich das TZW für eine ständige Weiterentwicklung und Validierung molekularbiologischer Methoden zum schnellen Nachweis von Viren – beispielsweise auch für den Einsatz bei Desinfektionsverfahren - ein.