KORNMÜLLER, Anja (Hermann-Heinrich-Allee 34, Bremen, 28213, DE)
KROON, Bernd (Im Steinviertel 6, Langen, 27607, DE)
KORNMÜLLER, Anja (Hermann-Heinrich-Allee 34, Bremen, 28213, DE)
Ansprüche
1. Verfahren zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in bzw. aus Wasser, insbesondere Ballastwasser, Gewässer, Abwässer oder Wasser in Schwimm- oder Badeeinrichtungen, gekennzeichnet durch die Schritte:
• Berechnung der variablen Fluoreszenz (Fv) durch Bildung der Differenz von maximaler Fluoreszenz (Fm) minus minimaler Fluoreszenz (Fo) in einem Messraum (11) oder durch Erfassung des dynamischen Verlaufs einer Fluoreszenzinduktionskurve (1) in einem Messraum (11), insbesondere Messung des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenzinduktionskurve (1), und Berechnung der variablen Fluoreszenz (Fv), insbesondere durch Interpolation oder durch Integration, und
• Berechnung der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem Messraum (11) in Abhängigkeit der variablen Fluoreszenz (Fv).
2. Verfahren zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in bzw. aus Wasser, insbesondere Ballastwasser, Gewässer, Abwässer oder Wasser in Schwimm- oder Badeeinrichtungen, gekennzeichnet d urch die Schritte:
• Messung der Wärmeentwicklung in einem Messraum (11) infolge eines Lichteintrags und
• Berechnung der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem Messraum (11) in Abhängigkeit der Wärmeentwicklung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Kalibrierung zur Ermittlung des Zusammenhanges zwischen variabler Fluoreszenz (Fv) bzw. der Wärmeentwicklung und der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem Messraum (11) erfolgt, insbesondere einer Referenzart einer Zellgröße von mehr als 0,8 μm in der kleinsten Länge, insbesondere dass die lineare Kalibrierung ein- oder mehrfach vor der Ermittlung der Fluoreszenz (Fo, Fm) bzw. der Wärmeentwicklung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berechnung einer äquivalenten Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen anderer Zellgrößen als der Referenzart erfolgt, insbesondere mittels eines volumetrischen Vergleichs.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadu rch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung des Streulichtes erfolgt, insbesondere dass eine Ermittlung des Streulichtes 50 μs bis 100 μs, insbesondere 80 μs, vor der Ermittlung der minimalen Fluoreszenz (Fo) und/oder der maximalen Fluoreszenz (Fm) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der minimalen Fluoreszenz (Fo) durch Mittelwertbildung aus mehreren Einzelmessungen der minimalen Fluoreszenz (Fo) erfolgt, insbesondere dass mehrere Einzelmessungen im Abstand von 20 ms bis 100 ms erfolgen.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der maximale Fluoreszenz (Fm) durch Mittelwertbildung aus mehreren Einzelmessungen der maximalen Fluoreszenz (Fm) erfolgt, insbesondere dass mehrere Einzelmessungen im Abstand von 20 ms bis 100 ms erfolgen.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der variablen Fluoreszenz (Fv) unter Verwendung eines Mittelwertes der minimalen Fluoreszenz (Fo) und/oder eines Mittelwertes der maximalen Fluoreszenz (Fm) erfofgt.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch geken nzeichnet, dass die Ermittlung der Fluoreszenzen (Fo, Fm) mittels eines Fluorometers unter Einsatz zumindest einer pulsierender Lichtquelle (PL) und/oder zumindest einer kontinuierlicher Lichtquelle (KL) erfolgt, wobei als Lichtquellen (PL, KL) insbesondere LEDs dienen.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Fluoreszenz oder die Messung der Wärmeentwicklung unter Verwendung von pulsierendem Licht, insbesondere Licht mit einer Wellenlänge von 420 nm, erfolgt.
11.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der minimalen Fluoreszenz (Fo) oder die Messung der Wärmeentwicklung unter Verwendung von zumindest einer pulsierenden Lichtquelle (PL) und/oder zumindest einer Lichtquelle mit einer Wellenlänge größer als 700 nm, insbesondere von Lichtpulsen der pulsierenden Lichtquelle (PL) mit einem zeitlichen Abstand von 20 ms bis 100 ms, erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der maximalen Fluoreszenz (Fm) oder die Messung der Wärmeentwicklung unter Verwendung von kontinuierlichem Licht, insbesondere Licht mit einer Wellenlänge von 660 nm, erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der maximalen Fluoreszenz (Fm) oder die Messung der Wärmeentwicklung unter Verwendung von zumindest einer pulsierenden Lichtquelle (PL), insbesondere von Lichtpulsen der pulsierenden Lichtquelle (PL) mit einem zeitlichen Abstand von 20 ms bis 100 ms, und zumindest einer kontinuierlichen Lichtquelle (KL) erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in vorgebbarer Anzahl wiederholt werden.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen überwachungsprozess aus einem Wasservorrat und/oder einem Wasserstrom wiederholt Testvolumina entnommen werden und die Verfahrensschritte jeweils ein- oder mehrfach auf jedes Testvolumen angewandt werden und die jeweils berechnete Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer überwachungs- und/oder Steuerungseinheit übermittelt werden.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung eines Behandlungsverfahrens zur Entfernung und/oder Desinfektion der lebenden Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in dem Wasser in Abhängigkeit der berechneten Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen und/oder in Abhängigkeit einer berechneten äquivalenten Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen erfolgt.
17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine flüchtige oder dauerhafte Speicherung der berechneten Anzahl der lebenden Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in dem Wasser und/oder eine flüchtige oder dauerhafte Speicherung der ermittelten Fluoreszenz/en (Fo, Fm, Fv) oder der gemessenen Wärmeentwicklung erfolgt.
18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dad urch gekennzeichnet, dass die berechnete Anzahl der lebenden Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in dem Wasser auf überschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes überwacht wird, insbesondere dass bei überschreitung des Grenzwertes eine Alarmmeldung erzeugt wird.
19. Vorrichtung zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder
Mikroorganismen in bzw. aus Wasser, mit zumindest einem Fluorometer (10) zur Ermittlung der minimalen Fluoreszenz (Fo) und der maximalen Fluoreszenz (Fm) innerhalb eines Prüfraumes (11), wobei das Fluorometer (10) zumindest eine Lichtquelle (14) und zumindest einen Detektor (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, mittels derer eine Ermittlung der variablen Fluoreszenz (Fv) sowie eine Berechnung der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem Prüfraum (11) in Abhängigkeit der ermittelten variablen Fluoreszenz (Fv) erfolgen kann.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfraum (11) durch eine Küvette, insbesondere aus Glas oder Kunststoff bestehend, gebildet ist.
2 I .Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dad urch gekennzeich net, dass der Prüfraum (11) einen Einlass (16) und/oder einen Auslass (17) aufweist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine pulsierende Lichtquelle und/oder zumindest eine kontinuierliche Lichtquelle aufweist, wobei als Lichtquelle insbesondere LEDs dienen.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch geken nzeich net, dass mehrere Lichtquellen angeordnet sind, insbesondere zumindest eine Lichtquelle pulsierenden Lichts, insbesondere blauen Lichts mit einer Wellenlänge von etwa 420 nm, und/oder insbesondere zumindest eine Lichtquelle kontinuierlichen Lichts, insbesondere roten Lichts mit einer Wellenlänge von etwa 660 nm, und/oder insbesondere eine Lichtquelle mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dad urch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung eine Entfernungs- und/oder Desinfektionseinrichtung vor- oder nachgeschaltet ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein steuerbares Ventil an einem Einlass (16) und/oder an einem Auslass (17) des Prüfraumes (11) angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch geken nzeichnet, dass eine Förderpumpe zur Förderung des Wassers vorgesehen ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (20) vorgesehen ist, mittels derer die Auswerteeinheit und/oder eines oder mehrere Ventile und/oder eine Förderpumpe und/oder eine Entfernungs- und/oder Desinfektionseinrichtung steuerbar ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch geken nzeichnet, dass eine Speichereinheit vorgesehen ist, mittels derer die gemessenen Fluoreszenz/en (Fo, Fm) und/oder die ermittelte variable Fluoreszenz (Fv) und/oder die berechnete Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen flüchtig oder dauerhaft speicherbar ist. |
Verfahren und Vorrichtung zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen in Wasser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in/aus Wasser, insbesondere Oberflächenwasser wie Bäche, Flüsse, Teiche, Seen und Talsperren, Süß-, Meer- und Brackwasser, Ballastwasser von Schiffen, Tiefseewasser, Grund- und Quellwasser, Prozess-, Industrie-, Kühl- und Kreislaufwasser, Abwasser, Bade- und Schwimmwasser, Zuchtwasser und Zuchtmedien oder Produktionswasser.
Bei der Nutzung von natürlichen Wässern ist die Entfernung von Phytoplankton und/oder Mikroorganismen in der Wasseraufbereitung ein wichtiges Ziel, um das Wasser für verschiedene Zwecke nutzbar zu machen und Aufbereitungsund Einleitgrenzwerte einzuhalten. Zum Beispiel ist die Massenentwicklung von Phytoplankton in Oberflächengewässern und deren Durchbruch durch die Filteranlagen und Auftreten im Trinkwasserverteilungsnetz ein bekanntes Problem. Bei ungenügender Aufbereitung entstehen Probleme durch Phytoplankton selbst, wie z. B. eine Färbung des Wassers, eine Abgabe von Geruchsstoffen und Toxinen sowie die Vermehrung anderer unerwünschter Bakterien im Wasser, welche wiederum Phytoplankton als Nahrungsgrundlage nutzen. Gleichzeitig ist eine Aussetzung und/oder Verschleppung von Phytoplanktonarten in artfremde Biotope unerwünscht, weil hierdurch eine Verschiebung im ökologischen Gleichgewicht verursacht wird.
Es ist daher erforderlich, lebende Phytoplanktonzellen in Wasser zu detektieren, insbesondere im Rahmen von überwachungs- und Steuerungsverfahren online zu detektieren, insbesondere zur Steuerung eines Behandlungsverfahrens zur Entfernung und/oder Desinfektion der lebenden Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in dem Wasser.
Die heute bekannten Methoden sind jedoch gerade in Grenzbereichen bei Zellgrößen kleiner oder gleich 0,1 mm und bei der notwendigen Bestimmung der Zellzahl nicht in der Lage, Ergebnisse zuverlässig und innerhalb sinnvoller Zeitgrenzen, insbesondere bei Vorhandensein unterschiedlicher Arten und beliebiger Zusammenstellung, zu liefern. So ist das bekannte Verfahren der Vermehrung der Biomasse zwar sehr sensitiv, jedoch sehr zeitaufwendig, da es Tage oder gar Wochen bedarf, um die Biomasse zu bestimmen. Weiterhin nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die ursprüngliche Zellzahl unbekannt bleibt. Daher ist diese Methode nicht zur Online-überwachung geeignet.
Weiterhin bekannt ist die passive fluorometrische Methode, mit der man die Biomasse der Phytoplanktonzellen in einer Wasserprobe bestimmen kann. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass sie keinen Aufschluss über lebende oder tote Phytoplanktonzellen liefert, da keine Unterscheidung möglich ist.
Die sogenannte aktive fluorometrische Methode dient zur Bestimmung der Quantumseffizienz des Photosynthesesystems, welche spezifisch nur für lebende Zellen bestimmt werden kann. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass sie keine Quantifizierung von Phytoplanktonzellen erlaubt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in/aus Wasser zu schaffen, mit der es möglich ist, die Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in einer Wasserprobe mit geringem Aufwand und in kürzester Zeit zu bestimmen und insbesondere eine Online-überwachung von Wasser zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder gemäß Anspruch 2 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 19 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in oder aus Wasser weist die folgenden Schritte auf:
• Berechnung der variablen Fluoreszenz Fv durch Bildung der Differenz von maximaler Fluoreszenz Fm minus minimaler Fluoreszenz Fo in einem Messraum, unabhängig von seiner Geometrie, der das zu prüfende Wasser und/oder Organismen enthält, oder durch Erfassung des dynamischen Verlaufs einer Fluoreszenzinduktionskurve in einem Messraum, unabhängig von seiner Geometrie, der das zu prüfende Wasser und/oder Organismen enthält, insbesondere eine Messung des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenzinduktionskurve und Berechnung der maximalen Fluoreszenz Fm durch Berechnung des Zeitintegrals der Fluoreszenzinduktionskurve oder durch Interpolation der Fluoreszenzinduktionskurve und
• Berechnung der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem Messraum in Abhängigkeit der variablen Fluoreszenz Fv.
Alternativ weist das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 2 die folgenden Schritte auf:
• Messung der Wärmeentwicklung in einem Messraum (11) infolge eines Lichteintrags und
• Berechnung der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem Messraum (11) in Abhängigkeit der Wärmeentwicklung.
Dabei bezeichnet die minimale Fluoreszenz Fo die Fluoreszenz aus lebenden und toten Zellen, die maximale Fluoreszenz Fm entspricht der Fluoreszenz, bei der zumindest annähernd alle primären Elektronenakzeptoren reduziert sind,
und die variable Fluoreszenz Fv entspricht der Differenz zwischen der maximalen Fluoreszenz Fm und der minimalen Fluoreszenz Fo, jeweils bezogen auf das in dem Messraum befindliche Wasser und/oder Organismen, welches zu prüfen ist.
Zur Ermittlung biologischen Materials im Wasser kann mittels eines Fluorometers die Fluoreszenz erfasst werden. Dabei können zwei Zustände unterschieden werden, zum einen die minimale Fluoreszenz Fo (dunkler Zustand) sowie die maximale Fluoreszenz Fm bei einem Eintrag von Licht, insbesondere von Licht vorgegebener Wellenlänge. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Differenz von maximaler Fluoreszenz Fm minus der minimalen Fluoreszenz Fo, d. h. die variable Fluoreszenz Fv, ein Maß für die Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in dem Messraum bzw. der Prüfmenge des Wassers und/oder der Organismen ist, da die variable Fluoreszenz Fv und die Anzahl lebender Zellen korrelieren.
Durch eine Messung von minimaler Fluoreszenz Fo (ohne Beleuchtung), eine Messung der maximalen Fluoreszenz Fm (bei Beleuchtung) sowie die Berechnung der variablen Fluoreszenz Fv durch Bildung der Differenz Fm minus Fo 1 kann die Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem Messraum bzw. der Prüfmenge des Wassers und/oder der Organismen berechnet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in/aus Wasser ist zumindest ein Fluorometer zur Ermittlung der minimalen Fluoreszenz Fo und der maximalen Fluoreszenz Fm einer Wassermenge und/oder Organismenmenge innerhalb eines Prüfraumes vorgesehen, wobei das Fluorometer zumindest eine Lichtquelle und zumindest einen Detektor aufweist. Des weiteren ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, mittels derer eine Ermittlung der variablen Fluoreszenz Fv sowie eine Berechnung der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart im Testvolumen in Abhängigkeit der ermittelten variablen Fluoreszenz Fv erfolgen kann.
Alternativ oder kumulativ zu der Berechnung der variablen Fluoreszenz Fv durch Bildung der Differenz von maximaler Fluoreszenz Fm minus minimaler Fluoreszenz Fo ist es auch möglich, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung den dynamischen Verlauf einer Fluoreszenzinduktionskurve in einem Messraum zu erfassen, insbesondere durch eine teilweise oder vollständige Erfassung des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenzinduktionskurve, und Gewinnung der fehlenden Informationen durch Interpolation mittels eines mathematischen Models.
Die Intensität des fluoreszierenden Lichtes ist direkt proportional zur Anzahl der Zellen einer Referenzart in dem Messraum respektive der Prüfmenge in/aus dem Wasser, d. h. der Zusammenhang folgt einer Geraden, wobei die Steigung der Proportionalitätsgeraden wiederum ein Maß für die Größe der einzelnen Zellen ist.
Bei dem „Prüfraum" kann es sich um ein Testvolumen handeln, welches mit dem zu untersuchenden Wasser gefüllt ist, d. h. eine Wasserprobe, es kann sich jedoch auch um einen Membranfilter handeln, mittels dessen eine bestimmte Menge des zu untersuchenden Wassers filtriert wurde und wobei die Messung der minimalen Fluoreszenz Fo und der maximalen Fluoreszenz Fm direkt mit der Zellschicht auf der Fläche des Membranfilters ohne Wasser erfolgt.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Ermittlung der Anzahl lebender Zellen sowohl auf der Basis der Berechnung der variablen Fluoreszenz Fv als auch auf der Basis der Messung der Wärmeentwicklung durch die lebenden Zellen infolge eines Lichteintrags, d.h. einer kurzzeitigen Bestrahlung der Zellen in einem Messraum mit Licht, möglich ist.
Die variable Fluoreszenz Fv und die Wärmeentwicklung sind somit gleichermaßen ein Maß für die Anzahl der lebenden Zellen in dem Messvolumen, d.h. die beiden Größen sind insbesondere untereinander äquivalent, da lebende Zellen infolge einer kurzzeitigen Bestrahlung mit Licht
sowohl Wärme entwickeln als auch Fluoreszenz und somit eine Berechnung der Anzahl lebender Zellen einer Referenzart in dem Messraum sowohl in Abhängigkeit der variablen Fluoreszenz als auch alternativ oder kumulativ in Abhängigkeit der Wärmeentwicklung möglich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
So ist es vorteilhaft, wenn eine lineare Kalibrierung zur Ermittlung des Zusammenhanges zwischen variabler Fluoreszenz Fv und der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem Messraum erfolgt, insbesondere eine Referenzart einer Zellgröße von mehr als 0,8 μm in der kleinsten Länge, insbesondere dass die lineare Kalibrierung ein- oder mehrmalig vor der Messung vor der Ermittlung der Fluoreszenz Fo, Fm erfolgt.
Die Referenzart sowie die Zellgröße von mehr als 0,8 μm in der kleinsten Länge kann mittels bekannter mikroskopischer Verfahren bestimmt bzw. ermittelt werden, d. h. die Referenzart ist vorgebbar.
Anhand dieser linearen Kalibrierung kann nun die Zellzahl aus dem ermittelten Wert der variablen Fluoreszenz Fv berechnet werden.
Bevorzugt erfolgt eine Berechnung einer äquivalenten Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen anderer Zellgrößen als der Referenzart, insbesondere durch volumetrischen Vergleich. Die Zellinhalte von Phytoplanktonzellen sind üblicherweise proportional zu dem Volumen der Zellen. Anhand dieses Zusammenhanges kann eine Berechnung einer äquivalenten Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen bei abweichenden Zellgrößen als der Zellgröße der Referenzart erfolgen.
Bevorzugt erfolgt eine Ermittlung des Streulichtes, insbesondere vor der Ermittlung der minimalen Fluoreszenz Fo und/oder der maximalen Fluoreszenz Fm. Die Ermittlung des Streulichtes kann unmittelbar vor der Durchführung der
Messung, insbesondere 50 μs bis 100 μs, insbesondere 80 μs vor der Ermittlung der minimalen Fluoreszenz Fo und/oder der Gesamtfluoreszenz Fm erfolgen. Diese Messung erfasst eventuell anwesendes Streulicht oder jede andere Form von Licht, welche nicht von lebenden Zellen emittiert wird.
Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der minimalen Fluoreszenz Fo durch eine Mittelwertbildung aus mehreren Einzelmessungen der minimalen Fluoreszenz innerhalb des Testvolumens. Bevorzugt erfolgen mehrere Einzelmessungen in einer zeitlichen Folge von 20 ms bis 100 ms.
Alternativ oder kumulativ kann die Ermittlung der maximalen Fluoreszenz Fm durch eine Mittelwertbildung aus mehreren Einzelmessungen der maximalen Fluoreszenz Fm erfolgen, insbesondere können mehrere Einzelmessungen im zeitlichen Abstand von 20 ms bis 100 ms erfolgen.
Durch eine Mittelwertbildung von minimaler Fluoreszenz Fo und/oder maximaler Fluoreszenz Fm kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden. Da mehrere Einzelmessungen in sehr kurzer zeitlicher Folge durchgeführt werden können, resultiert hieraus keine relevante Zeitverzögerung bei der Anwendung des Verfahrens, insbesondere im Rahmen einer Online-überwachung einer Einrichtung zur überwachung der Qualität des Wassers.
Vorteilhaft ist, wenn die Berechnung der variablen Fluoreszenz Fv unter Verwendung eines Mittelwertes der minimalen Fluoreszenz Fo und/oder eines Mittelwertes der maximalen Fluoreszenz Fm erfolgt. Hierdurch kann ebenfalls die Qualität und Genauigkeit erhöht werden.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung der minimalen Fluoreszenz Fo und der maximalen Fluoreszenz Fm mittels eines Fluorometers unter Einsatz zumindest einer pulsierenden Lichtquelle PL und/oder zumindest einer kontinuierlichen Lichtquelle KL, wobei als Lichtquelle PL und KL insbesondere LEDs dienen.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung der minimalen Fluoreszenz Fo unter Verwendung von pulsierendem Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 420 nm.
Bevorzugt kann das Erreichen des Zustandes zur Ermittlung der minimalen Fluoreszenz Fo beschleunigt werden durch die Anwendung einer Lichtquelle mit einer Wellenlänge größer 700 nm, wobei als Lichtquelle insbesondere LEDs dienen.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung der minimalen Fluoreszenz Fo unter Verwendung von zumindest einer pulsierenden Lichtquelle PL, insbesondere von Lichtpulsen der pulsierenden Lichtquelle PL mit einem zeitlichen Abstand von 20 ms bis 100 ms.
Die Ermittlung der maximalen Fluoreszenz Fm erfolgt vorzugsweise unter Verwendung von kontinuierlichem Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 660 nm.
Vorteilhaft ist, wenn die Ermittlung der Fluoreszenz unter Verwendung von zumindest einer pulsierenden Lichtquelle PL, insbesondere von Lichtpulsen der pulsierenden Lichtquelle PL mit einem zeitlichen Abstand von 20 ms bis 100 ms, und zumindest einer kontinuierlichen Lichtquelle KL erfolgt.
Im Rahmen einer kontinuierlichen überwachung kann das Verfahren, d. h. die einzelnen Verfahrensschritte in vorgebbarer Anzahl wiederholt werden. Hierdurch ist es möglich, eine kontinuierliche überwachung und Qualitätssicherung des zu prüfenden Wassers durchzuführen und im Rahmen einer Online-überwachung zu realisieren. Insbesondere kann durch eine überwachung eines vorgegebenen Grenzwertes automatisch ein Alarm ausgelöst werden.
Vorteilhaft ist es, wenn in einem kontinuierlichen überwachungsprozess aus einem Wasservorrat und/oder einem Wasserstrom wiederholt Testvolumina oder Testmengen entnommen werden und die Verfahrensschritte jeweils ein
oder mehrfach auf jedes Testvolumen angewandt werden und die jeweils berechnete Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer überwachungs- und/oder Steuerungseinheit übermittelt werden. Insbesondere können die ermittelten Daten, d. h. berechnete Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in dem Messraum einer Einrichtung zugeführt werden, mit der die Entfernung von Zellen aus dem Wasser und/oder die Desinfektion des Wassers gesteuert und/oder überwacht wird.
Eine Steuerung eines Behandlungsverfahrens zur Entfernung und/oder Desinfektion der lebenden Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in/aus dem Wasser in Abhängigkeit der berechneten Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen und/oder in Abhängigkeit einer berechneten äquivalenten Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen kann somit erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt eine flüchtige oder dauerhafte Speicherung zumindest der berechneten Anzahl der lebenden Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen, insbesondere zu Dokumentationszwecken.
Vorteilhaft ist es, wenn die berechnete Anzahl der lebenden Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in dem Wasser auf überschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes überwacht wird, insbesondere dass bei überschreitung des Grenzwertes eine Alarmauslösung erfolgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in/aus Wasser weist vorzugsweise einen Messraum auf, der insbesondere durch eine Küvette gebildet ist, insbesondere eine Küvette aus Glas oder Kunststoff bestehend.
Bevorzugt weist der Prüfraum einen Einlass und/oder einen Auslass auf. Insbesondere kann der Prüfraum in einen kontinuierlichen oder getakteten Förderstrom des zu prüfenden Wassers eingebettet, d. h. mittels des Einlasses und des Auslasses in eine Förderleitung integriert sein.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zumindest eine pulsierende Lichtquelle und/oder zumindest eine kontinuierliche Lichtquelle auf, wobei als Lichtquelle insbesondere LEDs dienen.
Vorzugsweise sind mehrere Lichtquellen angeordnet, insbesondere zumindest eine Lichtquelle pulsierenden Lichts, insbesondere blauen Lichts mit einer Wellenlänge von etwa 420 nm, und insbesondere zumindest eine Lichtquelle kontinuierlichen Lichts, insbesondere roten Lichts mit einer Wellenlänge von etwa 660 nm und insbesondere eine Lichtquelle mit einer Wellenlänge größer 700 nm.
Bevorzugt ist der Vorrichtung eine Einrichtung zur Entfernung von Zellen aus dem Wasser und/oder zur Desinfektion des Wassers vor- und/oder nachgeschaltet.
Bevorzugt ist zumindest ein steuerbares Ventil an einem Einlass und/oder an einem Auslass des Prüfraumes angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die Vorrichtung in einen kontinuierlichen Förderprozess einzubinden, wobei die Förderung des zu prüfenden Wassers mittels des steuerbaren Ventils für die Zeit einer Messung mittels des Fluorometers unterbrochen werden kann.
Vorteilhaft ist die Anordnung einer Förderpumpe zur Förderung des Wassers.
Bevorzugt ist eine Steuereinheit vorgesehen, mittels derer die Auswerteeinheit und/oder eines oder mehrerer Ventile und/oder eine Förderpumpe und/oder eine Entfemungs- und/oder Desinfektionseinrichtung steuerbar ist.
Vorteilhaft ist, wenn eine Speichereinheit vorgesehen ist, mittels derer zumindest die ermittelte variable Fluoreszenz Fv und/oder die berechnete Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen flüchtig oder dauerhaft speicherbar ist.
Hierdurch wird eine überprüfbare Dokumentation ermöglicht.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel einer Fluoreszenzinduktionskurve;
Fig. 2 ein Schema eines Ausführungsbeispieles der Vorrichtung zur
Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in Wasser;
Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der variablen Fluoreszenz Fv und der Anzahl der lebenden Zellen pro Milliliter in einem Messvolumen.
Fig. 1 zeigt eine gemessene Fluoreszenzinduktionskurve 1 im zeitlichen Verlauf. Das Niveau minimaler Fluoreszenz Fo wird erreicht, wenn ein Zustand hervorgerufen wird, wo praktisch alle primären Elektronakzeptoren noch oxidiert sind, entsprechend einem Zustand bei Dunkelheit oder durch Anwendung einer Lichtquelle eines Lichts mit einer Wellenlänge von über 700 nm. Durch Einschalten einer intermittierenden oder kontinuierlichen Lichtquelle zum Zeitpunkt T1 werden fotochemische Reaktionen aktiviert, die zur Folge haben, dass die primären Elektronakzeptoren reduziert werden. Wenn zumindest annähernd alle primären Elektronakzeptoren reduziert sind, erreicht das Fluoreszenzniveau die maximale Fluoreszenz Fm. Dem Verlauf der Fluoreszenzinduktionskurve 1 über der Zeit nach Einschalten der Lichtquelle zum Zeitpunkt T1 ist entnehmbar, dass ein Anstieg der Fluoreszenz von der minimalen Fluoreszenz Fo auf die maximale Fluoreszenz Fm nicht sprunghaft erfolgt, sondern in einem dynamischen Prozess kontinuierlich ansteigt, was auf das Verhalten der lebenden Phytoplanktonzellen zurückzuführen ist.
Der Abfall der Fluoreszenzinduktionskurve 1 nach einem Abschalten der Lichtquelle zum Zeitpunkt T2 ist ebenfalls Fig. 1 entnehmbar.
Die variable Fluoreszenz Fv, die der Differenz von maximaler Fluoreszenz Fm minus minimaler Fluoreszenz Fo entspricht, ist proportional zur Anzahl der lebenden Zellen innerhalb des Messraums 11. Anhand eines zuvor, im Rahmen
einer Kalibrierung festgestellten Zusammenhanges zwischen variabler Fluoreszenz Fv und der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer bestimmten vorgegebenen Referenzart, ist es somit möglich, in Abhängigkeit der variablen Fluoreszenz Fv die Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen der Referenzart zu berechnen.
Alternativ zur Berechnung der Anzahl lebender Phytoplanktonzellen anhand der variablen Fluoreszenz Fv als Differenz maximaler Fluoreszenz Fm minus minimaler Fluoreszenz Fo ist es möglich, aus dem dynamischen Verlauf der Fluoreszenzinduktionskurve 1 mit Hilfe eines mathematischen Modells die Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen zu ermitteln.
In Fig. 2 ist ein Schema eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Detektion lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen in/aus Wasser dargestellt.
Die Vorrichtung weist ein Fluorometer 10 sowie eine Auswerte-, überwachungs- und Steuerungseinheit 20 auf.
Der Prüfraum 11 des Fluorometers 10 ist durch eine Küvette mit zwei planparallelen Glasflächen 12 und 13 gebildet.
Das Fluorometer 10 weist Lichtquellen 14 in Form von drei Arten von LEDs, eine Lichtquelle emittierend Licht einer Wellenlänge von über 700 nm, eine pulsierende und eine kontinuierliche Lichtquelle auf. Des weiteren weist das Fluorometer 10 einen Detektor 15 auf. Die Lichtquelle 14 wird durch die Steuerungseinheit 20 gesteuert, d. h. ein- und ausgeschaltet. Mittels des Detektors 15 ist es möglich, die Fluoreszenzinduktionskurve der Fluoreszenz der in der Küvette befindlichen und zu prüfenden Wassermenge zu erfassen, d. h. insbesondere bei ausgeschalteter Lichtquelle 14, die minimale Fluoreszenz Fo sowie bei eingeschalteter Lichtquelle 14 die maximale Fluoreszenz Fm zu erfassen und diese an die Steuereinheit 20 zur weiteren Auswertung zu übermitteln.
Das Fluorometer 10 ist eingebunden in einen diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Förderprozess und weist einen Einlass 16 und einen Auslass
17 auf.
Mittels der Steuereinheit 20 erfolgt eine Auswertung der über eine Datenleitung
18 vom Fluorometer 10 übermittelten Messwerte der Fluoreszenz, in dem durch Bildung der Differenz von maximaler Fluoreszenz Fm minus minimaler Fluoreszenz Fo die variable Fluoreszenz Fv berechnet wird und aus dieser berechneten variablen Fluoreszenz mittels einer zuvor gemessenen und abgespeicherten Kalibriergerade die Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen einer Referenzart in dem in der Küvette befindlichen, zu prüfenden Wassers berechnet wird.
Des weiteren erfolgt durch die Steuereinheit 20 eine überwachung auf überschreitung eines vorgegebenen und gespeicherten Grenzwertes, wobei bei überschreitung des Grenzwertes über die Datenleitung 21 eine Alarmmeldung abgegeben wird.
über eine Datenleitung 22 ist die Steuereinheit 20 mit einer Speichereinheit verbunden, mittels derer die berechnete Anzahl lebender Phytoplanktonzellen und/oder Mikroorganismen speicherbar ist.
Die Vorrichtung ist in einem kontinuierlichen Förderstrom eingebunden und gestattet somit eine kontinuierliche Online-überwachung des zu prüfenden Wassers.
Der überwachungsvorrichtung ist eine nicht dargestellte Entfernungs- und/oder Desinfektionseinheit vor- und/oder nachgeschaltet, die ihre Steuerbefehle von der Steuereinheit 20 erhält.
Figur 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der variablen Fluoreszenz Fv und der Anzahl der lebenden Zellen pro Milliliter in einem Messvolumen.
Die International Maritime Organization gibt als Ablassstandard von Ballastwasserbehandlungsanlagen an Bord von Schiffen Grenzwerte für gewisse Größenklassen an Organismen vor. Der Größenbereich von > 10 μm bis < 50 μm wird vom Phytoplankton dominiert. Hierfür ist ein Ablassgrenzwert von < 10 lebenden Organismen in der kleinsten Länge pro Milliliter festgeschrieben.
Bisher ist nur eine überwachung durch langwierige mikroskopische Auszählung an Land möglich. Da die Einleitung des Ballastwassers direkt in die Umwelt erfolgt, ist eine online überwachung in Echtzeit erforderlich.
In diesem Beispiel gemäß Figur 3 wurde die marine Grünalge Tetraselmis suecica mit einer Größe von 10 μm als Referenzorganismus für das Verfahren eingesetzt.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Fv-Signals von der mikroskopisch ausgezählten lebenden Tetraselmis-Zellzahl im Zu- und Ablauf einer Ballastwasserbehandlungsanlage, die aus einer mechanischen Vorabtrennung gefolgt von einer Desinfektionsbehandlung besteht.
Wie die Fig. 3 zeigt, erlaubt der üblicherweise verwendete qualitative Yield (entsprechend Fv/Fm = (Fm-Fo)/Fm) keine Korrelation zur lebenden Zellzahl.
Dagegen ergibt das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte und weiter verwendete Fv-Signal eine deutliche lineare Abhängigkeit zur Lebendzellzahl (R 2 = 0.98) auch über einem sehr weiten Zellanzahl-Bereich.
Die Umsetzung dieses Signals für lebende Biomasse zur lebenden Zellanzahl basiert auf einer volumetrischen Beziehung.
über die Drittmachtwurzel können äquivalente Zellzahlen für andere Zellgrößen als der Referenzart berechnet werden. Dabei ist die Steigung der Proportionalitätsgeraden ein Maß für die Größe der einzelnen Zellen. Dieser Zusammenhang ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:
Vorteil der Drittmachtwurzel-Abhängigkeit ist, dass lebende Phytoplanktonzellen in einer Größe kleiner als 10 μm auch in höherer Anzahl das Signal kaum beeinflussen, während lebende Phytoplanktonzellen größer als 10 μm bereits in geringer Zellzahl unter 10 pro Milliliter ein signifikantes Signal verursachen. Dadurch kann eine sichere überwachung dieses Grenzwertes gewährleistet werden.