FlowDetect: Weiterentwicklung und Validierung der Durchflusszytometrie als schnelle Detektionsmethode für Bakterien in Roh- und Trinkwasser

 

Finanzierung:DVGW, Bonn
Laufzeit:01.10.2017 - 31.03.2020
Projektpartner:TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser, Karlsruhe   
IWW Zentrum Wasser, Mülheim/Ruhr   
Berliner Wasserbetriebe     
Landeswasserversorgung Stuttgart   
Hamburg Wasser   
Trinkwasserversorgung Magdeburg   
Harzwasserwerke

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Andreas Tiehm (TZW), Dr. Bernd Bendinger / Anne-Madeleine Trimbach, Dorota Bruniecka-Sulewski

Problemstellung:

Die Durchflusszytometrie (DFZ) ist eine leistungsfähige Methode zur Quantifizierung aller in einer Wasserprobe enthaltenen Bakterien (Gesamtzellzahl, GZZ). Nach Färbung mit einem an DNA bindenden, fluoreszierenden Farbstoff werden die Zellen einzeln von einem Laserstrahl angeregt und deren Lichtstreuung und Fluoreszenzintensitäten über optische Sensoren detektiert. Aus der Kombination verschiedener Signale ergibt sich ein charakteristischer Fingerabdruck einer Wasserprobe, der u.a. das Verhältnis von kleinen Zellen mit wenig DNA (low nucleic acid, LNA) und großen Zellen mit viel DNA (high nucleic acid, HNA) widerspiegelt.

Eine Messung der GZZ dauert nur wenige Minuten. Demgegenüber erfassen klassische Kultivierungsmethoden nur 0,01 bis 0,1 % der GZZ und die Ergebnisse einer Koloniezahlbestimmung nach TrinkwV liegen frühestens nach 48 Stunden vor. Der Zeitvorteil und die Verfügbarkeit von mobilen sowie neuerdings auch Online-Geräten sind wesentliche Faktoren für einen erfolgversprechenden Einsatz der DFZ in der Wasseranalytik.

Zusätzlich kann mit der DFZ zwischen lebenden (membranintakten) und membrangeschädigten (toten) Zellen unterschieden werden. Dies ermöglicht die genaue Untersuchung der Wirksamkeit von Desinfektionsverfahren. Der in verschiedenen Publikationen pauschal propagierte Einsatz der DFZ zur Überwachung von Desinfektionsverfahren ist jedoch aufgrund unterschiedlicher Wirkungsprinzipien kritisch zu betrachten - speziell bei der UV-Desinfektion.

Ziel dieses Projektes ist es, Potenzial und Grenzen dieser zukunftsweisenden Technologie herauszuarbeiten. Die Durchflusszytometrie soll für verschiedene Einsatzbereiche weiterentwickelt und validiert werden.

  • Schnelle Messung der Gesamtzellzahl (GZZ) in verschiedenen Matrices
  • Schnelle Charakterisierung von Rohwasser oder Trinkwasser
  • Spezifischer Nachweis von Fäkalindikatoren
  • Kontrolle der Wirksamkeit der Desinfektion

Ein Vergleich der Ergebnisse der DFZ mit klassischen Kulturverfahren soll die Relevanz von DFZ-Daten für die hygienische Bewertung der Wasserqualität aufzeigen. Für eine weitestgehend praxisnahe und praxisorientierte Entwicklung der Durchflusszytometrie werden möglichst unterschiedliche reale Proben von Wasserversorgern untersucht.

Vorgehensweise:

Die DVGW-Forschungsstelle TUHH beteiligt sich im Rahmen des Gesamtprojektes mit folgenden Arbeiten:

  • Teilnahme an Ringversuchen zur Bestimmung der GZZ, des Verhältnisses von LNA/HNA-Zellen und des Anteils der lebenden (membranintakten) Zellen an der GZZ
  • Untersuchung der mikrobielle Dynamik in Aufbereitungsprozessen verschiedener Rohwässer und in der Verteilung (Fernwasserleitung)
  • Kontrolle der Desinfektion: Untersuchung der Auswirkungen von Chlordioxid auf die lebend/tot-Differenzierung der Zellen in Laborversuchen mit unterschiedlichen realen Trinkwässern
  • Messung der Auswirkungen von verschiedenen Wassermatrices (z.B. Partikel, gelöste Inhaltsstoffe) auf die bakteriellen DFZ-Signale
  • Hygienische Relevanz der Daten: Interpretation der Durchflusszytometrie-Daten und Bewertung ihrer hygienischen Relevanz durch Vergleich mit den Ergebnissen der kulturellen Routineverfahren
  • Anpassung von Standardarbeitsanweisungen (SOPs) für die Probenahme, Probenkonservierung, Geräteeinstellungen und Qualitätskontrollen