Lebende Organismen als natürliche Biosensoren nutzen
Um den Zustand der aquatischen Umwelt zu beurteilen, werden normalerweise mithilfe von Sensoren Daten gesammelt oder Proben im Labor analysiert. Diese traditionellen Verfahren liefern zwar präzise und leicht quantifizierbare Informationen, etwa über Schwermetallkonzentrationen, Chlorophyllwerte oder das Vorhandensein von Pestiziden, können aber kostspielig und zeitaufwendig sein. Damit wird ihre Eignung für langfristige Überwachungsprogramme eingeschränkt.
Biohybridsysteme und Biomonitoring-Ansätze
Das Team des EU-finanzierten Projekts Robocoenosis(öffnet in neuem Fenster) versuchte, dieses Problem zu lösen, indem es lebende Organismen wie zum Beispiel Muscheln oder Wasserflöhe als natürliche Sensoren einsetzte. Das Ziel bestand darin, diese Organismen in Vorrichtungen aufzunehmen, die Umweltveränderungen erkennen und eine kontinuierliche Überwachung in Echtzeit zulassen können. „Wir dachten, dass im Gegensatz zu regelmäßigen chemischen Analysen das Biomonitoring mit lebenden Organismen eine ganzheitlichere Bewertung der Wasserqualität gestatten könnte“, erklärt Wiktoria Rajewicz, Projektmitglied von Robocoenosis an der Universität Graz(öffnet in neuem Fenster) in Österreich. „Grundlage dessen ist, dass Organismen eher auf den kombinierten Einfluss mehrerer Umweltfaktoren reagieren und weniger auf einzelne Parameter.“ Das Projektteam hat sich zum Ziel gesetzt, biohybride Systeme zu entwickeln, die auf vorhandenen Biomonitoring-Ansätzen aufbauen und diese optimieren. „Bei einem Projekt dieser Größenordnung muss viel herumprobiert werden, und wir haben viele verschiedene Prototypen entwickelt“, berichtet Rajewicz. „Wir kombinierten neue Entwicklungen in den Bereichen Technik, Biologie und Robotik miteinander und folgten dabei oft unkonventionellen Denkansätzen.“ Das Team begann mit der Ermittlung von Organismen, deren Verhalten analysiert, klassifiziert und mit äußeren Einflüssen in Verbindung gebracht werden konnte. Anschließend wurden integrierte Prototypen zum Zweck der Datenerfassung und -aufzeichnung entwickelt und weiter verbessert. Diese biohybriden Vorrichtungen wurden in verschiedenen Süßwasserumgebungen erprobt und häufig nachts eingesetzt, um die vom Licht angezogenen Planktonorganismen besser beobachten zu können.
Genaue Überwachung von Süßwasserbecken
Diese Experimente trugen dazu bei, zu demonstrieren, dass biohybride Roboter tatsächlich einen neuen, erschwinglichen Weg zur Überwachung von Süßwasserbecken darstellen könnten. „Die Kombination aus hochmodernen Komponenten und der Möglichkeit, Wasser direkt an der Quelle zu überwachen, sind die Hauptergebnisse“, betont Rajewicz. „Dank dieser Methode wird die Einhaltung von Laborbedingungen überflüssig und es wird ein robustes Frühwarnsystem bereitgestellt.“ Das Team konnte nachweisen, dass durch den Einsatz und die Verfeinerung tiergestützter Sensoren eine schnelle und genaue Analyse von Umweltdaten realisiert wird. „Die Robustheit dieser Systeme liegt in der zusätzlichen Analyseebene, die wir anhand der Rohdaten durchführen“, erklärt Rajewicz. „Wir erhalten nicht nur Informationen über die Umwelt, sondern auch einen Einblick in die Nettoauswirkungen der Umwelt auf lebende Organismen.“
Nutzen für Aquakultur, Sensorik und Robotik
Die nächsten Schritte bestehen darin, die entwickelten Technologien auf den Markt zu bringen und die kommerziellen Möglichkeiten zu erkunden. „Somit kann die breite Öffentlichkeit von unseren Erkenntnissen profitieren und es kann möglicherweise zur Berichterstattung und zu Umweltüberwachungsmissionen beigetragen werden“, merkt Rajewicz an. Das Robocoenosis-Team ist davon überzeugt, dass es zahlreiche Industriezweige gibt, in denen diese Technologie von Nutzen sein könnte. Dazu zählen die Aquakultur im Binnenland und im Meer sowie die Sensorik- und Robotikindustrie. Auch für Behörden, die für die Sicherheit von Gewässern zuständig sind, sowie für die Meeres- und Süßwasserforschung könnten diese Vorrichtungen nützlich sein. „Die Einführung dieses Messsystems könnte für langfristige Überwachungsmissionen in geschützten Lebensräumen, in denen menschliche Aktivitäten begrenzt werden müssen, von Vorteil sein“, fügt Rajewicz hinzu. Die gute Nachricht ist, dass die mit Robocoenosis erzielten Fortschritte nun in Form eines EU-finanzierten Folgeprojekts mit dem Titel BioDiMoBot ihre Fortsetzung finden. Im Rahmen des Projekts werden nutzungsfreundliche Robotikwerkzeuge weiterentwickelt, um tiefere Einblicke in die ökologische Gesundheit zu erhalten.