Projekt 13028/08

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Verbund Sensorik in der Biotechnologie: Schwermetall-Monitoring mittels mikrobieller Biosensoren und Flow-Injection-Analyse zur Kontrolle und Steuerung biotechnologischer Abwasserbehandlungsanlagen

Projektdurchführung

Leibniz-Institut für Pflanzengenetik undKulturpflanzenforschung (IPK)
06466 Gatersleben

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Schwermetallionen spielen bei der Reinigung von Galvanik-Abwässern eine entscheidende Rolle. Dazu ist die kontinuierliche Messung dieser spezifischen Verbindungen essentielle Voraussetzung, um mit möglichst geringem Materialeinsatz einen optimalen Reinigungseffekt zu erzielen.
Ziel des Projekts war es, durch Kombination eines mikrobiellen Biosensors mit der Fließinjektionsanalyse (FIA) ein einfaches, kostengünstiges Alternativverfahren zur Schwermetallanalytik für die kontinuierliche Überwachung und Steuerung biotechnologischer Abwasserbehandlungsverfahren zu entwickeln. Dazu wurden als mikrobielle Sensorkomponenten gentechnisch veränderte Hefen genutzt, die die entsprechenden Schwermetallionen spezifisch in Form eines positiven Messsignals erfassen können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls mikrobielle Sensoren wurden rekombinante Saccharomyces cerevisiae-Stämme konstruiert, die Cu2+, Cd2+ und Zn2+ spezifisch in Form eines positiven Messsignals erfassen können. Dazu waren die Promotoren von Genen, die bei der Hefe S. cerevisiae durch diese drei Schwermetallionen induziert werden, mit dem lacZ-Gen von E. coli zu koppeln, dessen Genprodukt, die ß-Galactosidase, relativ ein-fach biochemisch erfasst werden kann. Nach Einbau dieser Kassetten in entsprechende Plasmide erfolgte deren Transformation in die Hefe S. cerevisiae. Die erhaltenen rekombinanten Hefen wurden als mikrobielle Sensorkomponenten an amperometrischen Basissensoren auf ihre Eignung zur Messung von Schwermetallbelastungen in der Durchflusszelle eines FIA-Messsystems mit geeigneter Messtechnik geprüft. Beim Messvorgang wird durch Zugabe von Cu2+, Cd2+ bzw. Zn2+, bei Überschuss von Laktose im Messsystem, ein konzentrationsabhängiges Messsignal (O2-Verbrauch) erfasst, wobei Laktose ohne entsprechende Schwermetallionen das niedrigste Signal auslöst.
In einem interaktiven Prozess sind abschließend Fließsystem und Biosensor so aufeinander abgestimmt worden, dass ein Verfahren zur kontinuierlichen Schwermetallionenüberwachung erarbeitet und in einem Prototyp eines FIA-Monitors umgesetzt werden konnte.


Ergebnisse und Diskussion

Für das Schwermetallmonitoring mittels mikrobieller Sensoren wurde ein auf dem FIA-Messsystem basierendes Schwermetallanalysenmodul (SAM) entwickelt, mit dem Konzentrationen an Schwermetallio-nen gemessen werden können. An solch ein System wurden die beiden mikrobiellen Sensorkomponen-ten S. cerevisiae 19.3/YEp352-CUP1-lacZ und SEY6210/YEp352-CUP1-lacZ zur Bestimmung von Cu2+ erfolgreich angepasst. Mit der Kombination FIA-Messsystem - mikrobielle Sensorkomponente lassen sich sowohl im Cu2+-haltigen Abwasser (19.3/YEp352-CUP1-lacZ - Messbereich: 1,6 - 3,2 mg/l Cu2+) als auch im Klarwasser die Cu2+-Konzentrationen bestimmen (SEY6210/YEp352-CUP1-lacZ - Messbe-reich: 0,05 - 0,35 mg/l Cu2+). Realprobenmessungen, bei denen ungereinigtes und gereinigtes Abwas-ser der G&W Leiterplattenwerk GmbH, Dresden, über einen längeren Zeitraum mit Hilfe des FIA-Messsystems analysiert und mit den über konventionelle Methoden erhaltenen Messwerten verglichen wurden, konnten die Praxistauglichkeit beider Sensoren demonstrieren. So lassen sich mit jeder mikrobiellen Sensorkomponente ca. 50 Messungen mit einer Standardabweichung von 10 - 15 % und einer Messfrequenz von 60 - 90 min pro Messung durchführen. Mit einer Lagerstabilität von 2 Monaten - trocken bei 4 °C bzw. 14 Tage im stand by-Betrieb der FIA - wurden die zu Projektbeginn angestrebten Sensorparameter ereicht. Damit sind beide Kupfersensoren zur Kontrolle und Steuerung biotechnologi-scher Abwasserbehandlungsverfahren geeignet, was durch die im März 2002 durchgeführte Vor-Ort-Erprobung unter Beweis gestellt werden konnte.
Parallel wurden mit den mikrobiellen Sensorkomponenten S. cerevisiae 19.3/YEp352-COT1-lacZ und S. cerevisiae 19.3/YEp352-GSH1-lacZ weitere Biosensoren etabliert, mit denen sich Konzentrationen an Zn2+ bzw. Cd2+ über positive Messsignale ermitteln lassen. Ihre Eignung wurde in der gerührten Messzelle erfolgreich getestet. Sie lassen sich bei Bedarf an das neu entwickelte FIA-Messsystem anpassen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Tag, K., M. Lehmann, S. v. Brehmer, U. Kaule, G. Hanke, H. Kröber, H.-J. Bauer, K. Riedel, G. Kunze (2000): Monitoring of heavy metals by biosensors and Flow Injection Analysis (FIA) for wastewater man-agement. Vortrag. ACHEMA 2000, 22.05. - 27.05. 2000, Frankfurt / Main.
Tag, K., M. Lehmann, S. v. Brehmer, U. Kaule, G. Hanke, H. Kröber, H.-J. Bauer, K. Riedel, G. Kunze (2000): Schwermetallmonitoring mit mikrobiellen Biosensoren. Vortrag. 10. Heiligenstädter Kolloquium, 09.10. - 11.10.2000, Heiligenstadt.
Tag, K., M. Lehmann, U. Kaule, S. v. Brehmer, G. Hanke, H.-J. Bauer, K. Riedel, G. Kunze (2000): Monitoring of heavy metals in waste waters by biosensors. Vortrag. 3th International Symposium on Ad-vanced Environmental Monitoring, 31.10. - 02.11.2000, Cheju Island; Korea.
Tag, K., M. Lehmann, U. Kaule, S. v. Brehmer, G. Hanke, H.-J. Bauer, K. Riedel, G. Kunze. (2001): Detection of heavy metal ions by microbial sensors. Vortrag. Task Force Toxicity Sensors im Verbund Sensorik, 05.02.2001 Hannover.
Tag, K., M. Lehmann, U. Kaule, S. v. Brehmer, G. Hanke, H.-J. Bauer, K. Riedel, G. Kunze (2001): Monitoring of heavy metals in waste water by biosensors. Vortrag und Poster. Bio-Gen-Tec Forum NRW, 28.02. - 01.03.2001, Köln.
Tag, K., M. Lehmann, U. Kaule, S. v. Brehmer, G. Hanke, H.-J. Bauer, K. Riedel, G. Kunze (2001): Nachweis von Schwermetallionen im Abwasser mittels Biosensoren. Vortrag. Terra Tec, 13.03. - 15.03.2001, Leipzig.
Tag, K., M. Lehmann, U. Kaule, S. v. Brehmer, G. Hanke, H.-J. Bauer, K. Riedel, G. Kunze (2001): Schwermetallmonitoring mittels transgener Hefen. Vortrag Biosensorkongress, 01. - 03.04.2001, Tübingen.
Tag, K. (2001): Schwermetall-Monitoring mit mikrobiellen Biosensoren und FIA. Gerätepräsentation, Bi-oTechnica 09.10.-11.10.2001, Hannover.
Tag, K., M. Lehmann, U. Kaule, S. v. Brehmer, , K. Riedel, G. Kunze (2001): Schwermetall-Monitoring mit mikrobiellen Biosensoren und FIA. In Erb, R. & Heiden, S. (Hrsg.) (2001): Sensorik, Sonderausgabe BIOSpektrum: 22-25.


Fazit

Es konnte ein auf dem FIA-Messsystem basierendes Schwermetallanalysenmodul (SAM) zur Messung von Schwermetallionen entwickelt werden. Nach Anpassung von zwei mikrobiellen Sensorkomponenten an dieses Messsystem lassen sich Cu2+-Konzentrationen sowohl im Cu2+-belasteten ungereinigten Abwasser als auch im gereinigten Klarwasser messen und auf Basis dieser Messergebnisse biotechnologische Abwasserbehandlungsanlagen kontrollieren und steuern. Gleichzeitig konnten in der gerührten Messzelle die mikrobiellen Sensorkomponenten zur Messung von Cd2+ und Zn2+ erfolgreich getestet und für die Anpassung an das SAM bereitgestellt werden.