Projekt 11229/01

Entwicklung eines Biosensors auf der Basis immobilisierter Proteinpartikel zur hochsensitiven Schnellanalytik von Herbiziden

Projektdurchführung

bbe Moldaenke GmbHBiological Biophysical Engeneering
Preetzer Chaussee 177
24222 Schwentinental

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 MethodenDas Biosensor-System besteht aus zwei Komponenten: I. Das Einweg-Sensormaterial (stabilisierte Photosystem II-Protein-Partikel) und II. einem transportablen, Mikroprozessorgesteuerten 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 Mikroprozessorgesteuertes 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.


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 EG-Grenzwerte 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 er-geben. 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 An-satzes 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.