Biologische Analytik

In unserer modernen Gesellschaft kommen die unterschiedlichsten Chemikalien in diversen Zusammensetzungen, Mengen und Anwendungen zum Einsatz. Viele dieser Chemikalien gelangen irgendwann in die Umwelt. Deren Auswirkungen hängen von den Eigenschaften, der Lebensweise der ihnen ausgesetzten Organismen, dem jeweiligen Umweltsystem, der Dosis und dem Gemisch der Verbindungen ab. In der biologischen Analytik werden diese Auswirkungen auf ganz unterschiedliche Weisen untersucht.
So bilden Biotests auf Zellebene verschiedene Wirkweisen ab, um damit das hormonelle oder erbgutschädigende Potential einer Umweltprobe abzuleiten und so mögliche Effekte in der Umwelt frühzeitig zu erkennen. Biotests auf organismischer Ebene werden in der Abwasserüberwachung eingesetzt, um die Reinigungsleistung der Kläranlagen zu kontrollieren und zu verhindern, dass die Abwassereinleitung sich negativ auf die aquatische Lebensgemeinschaft auswirkt. Photometrische Untersuchungen, wie die Bestimmung des Chlorophyllgehaltes, werden im Rahmen der WRRL angewandt, um die Eutrophierung der Standgewässer zu überwachen und fließen in die Bewertung des biologischen Zustands der Gewässer ein. Ein weiteres Werkzeug sind mikroskopische Untersuchungen, mit dessen Hilfe diverse Umweltmatrices untersucht werden und ein erster schneller Überblick über die Probenzusammensetzung gewonnen werden kann.

Im Bereich "Biologische Analytik" des Referats 23 werden folgende Untersuchungen durchgeführt:

  • Mit der Einleitung von Abwasser aus Kläranlagen gelangen zahlreiche Mikroschadstoffe in die aquatische Umwelt. Neben der chemischen Analytik ausgewählter Einzelsubstanzen und Summenparametern bieten ökotoxikologischen Biotests die Möglichkeit Effekte komplexer Schadstoffmischungen auf verschiedene biologische Organisationsebenen zu untersuchen. Dafür werden lebende Zellen, Gewebe, Organismen oder Artgemeinschaften eingesetzt, um die Reaktion auf eine Schadstoffexposition zu untersuchen. Um die Komplexität eines Ökosystems mit Hilfe von Biotests abbilden zu können, werden Stellvertreterorganismen verwendet, die die verschieden trophischen Ebene repräsentieren (z. B. Leuchtbakterien, Algen, Daphnien und Fische). Neben relativ unspezifischen toxischen Endpunkten bieten Biotests zusätzlich die Möglichkeit, bestimmte wirkbezogene Effekte wie z. B. Gentoxizität oder hormonelle Wirkungen zu untersuchen.

    Seit 1996 werden Biotests in der Abwasserüberwachung eingesetzt. Als Grenzwert für die einzelnen Tests wird diejenige Verdünnung festgelegt (der sogenannte G-Wert), ab der im Biotest kein Effekt mehr auftritt.

    In der Biologischen Analytik werden folgende Biotests zur Abwasserüberwachung durchgeführt:

    Fischeitest

    Lichtmikroskopische Aufnahme eines vollentwickelten Fischembryos.
    Vollentwickeltes Fischembryo.

    Norm: DIN 38415-6 (T6)

    Matrix: Abwasser, Sonderproben

    Testprinzip: Die Eier des Zebrafisches (Danio rerio) werden gegenüber verschieden Abwasserverdünnungen exponiert. Nach 48 Stunden erfolgt die mikroskopische Auswertung und Bewertung der Lebensfähigkeit der Zebrafisch-Embryonen. Ein Embryo gilt nach 48 Stunden als tot, wenn das Ei koaguliert, der Schwanz nicht abgelöst oder kein Herzschlag sichtbar ist.

    Mikroskopische Aufnahmen dieser Zustände:

    Lichtmikroskopische Aufnahme eines koagulierten Fischeis
    Koaguliertes Fischei.
    Lichtmikroskopische Aufnahme eines Fischembryo mit fehlender Schwanzablösung
    Fischembryo mit fehlender Schwanzablösung.
    Lichtmikroskopische Aufnahme eines Fischembryo (fehlender Herzschlag bei live-Beobachtung)
    Fischembryo (fehlender Herzschlag bei live-Beobachtung).

    Ergebnis: GEi-Wert (geringste Verdünnungsstufe, bei der mindestens 90 % der Embryonen überleben)

    Daphnientest

    Lichtmikroskopische Aufnahme eines Wasserflohs (Daphnia magna).
    Großer Wasserfloh (Daphnia magna).

    Norm: DIN 38412-30 (L30)

    Matrix: Abwasser, Sonderproben

    Testprinzip: Bewertung der Schwimmfähigkeit von juvenilen Daphnien (max. 26 h alt) nach 24 h Exposition gegenüber verschiedenen Verdünnungen der Probe.

    Ergebnis: GD-Wert (geringste Verdünnungsstufe, bei der mindestens 90 % der Daphnien schwimmfähig sind)

    Leuchtbakterientest

    Durchführung eines Leuchtbakterientests mittels Fluoreszenzmessung.
    Durchführung eines Leuchtbakterientests (Fluoreszenzmessung).

    Norm: DIN 11348-2 (L52)

    Matrix: Abwasser, Sonderproben

    Testprinzip: Zunächst wird das Anfangsleuchten der Bakterien gemessen. Danach folgt eine 30-minütige Exposition der Bakterien mit der Probe. Daraufhin wird erneut die Lichtintensität gemessen. Das Ergebnis einer toxischen Reaktion ist die Hemmung der relativen Lichtintensität in Bezug auf das Anfangsleuchten.

    Ergebnis: GLb-Wert (geringste Verdünnungsstufe, bei der die Abnahme der Leuchtintensität unter 20 % liegt)

  • Eutrophierung spielt bei der Gewässerüberwachung eine wesentliche Rolle. Sie ist als erhöhte Primärproduktion definiert, die u.a. durch eine übermäßige Nährstoffzufuhr verursacht wird. Für die Trophiebewertung in Gewässern wird deshalb der Parameter Gesamtphosphor (Nährstoff) und Chlorophyll-a überwacht. Der Chlorophyll a- und der Phaeophytingehalt dienen dabei als Hilfsgröße um die Phytoplanktonbiomasse zu bestimmen, da alle Arten diese Pigmente zur Photosynthese nutzen.

    Sichttiefenmessung bei Algenblüte.
    Sichttiefenmessung bei Algenblüte.

    Norm: DIN 38412-16 (L16)

    Matrix: Standgewässerproben, Sonderproben

    Testprinzip: Spektrophotometrische Messung eines ethanolischen Extrakts aus dem Filterrückstand einer Wasserprobe

    Ergebnis: Wert in µg/L

  • Mit Hilfe mikroskopischer Untersuchungen können zahlreiche Umweltproben, wie  Luftstaub, Wasser, Schwebstoffe, Sediment, Boden hinsichtlich ihrer Bestandteile charakterisiert werden.

    Anwendungsbeispiele:

    Phytoplankton – Bestimmung des Cyanobakterienanteils in Badegewässern (Hausmethode in Anlehnung an DIN EN 15204-41)

    Charakterisierung von Luftstaubpartikeln (Hausmethode in Anlehnung an VDI 2119)

     

    Sonderproben - mikroskopische Untersuchung zur Aufklärung von Gewässerverunreinigungen

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