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Könnte ein Biosensorcluster auf wirkungsvolle Weise ein breites Spektrum an Meeresverschmutzungen überwachen?

Durch Kombination neuartiger Biosensoren konnte das von der EU finanzierte BRAAVOO-Projekt ein Gerät zum Nachweis von Giftstoffen im Meer konzipieren. Mit dem entwickelten Ansatz kann ein ganzes Spektrum an Molekülen, von Antibiotika bis hin zu Schwermetallen, an Ort und Stelle aufgespürt werden.

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Die Meere schienen einmal groß genug zu sein, um Ölverschmutzungen, giftige Abfälle, schwimmendes Plastik und noch mehr aufzunehmen, aber heute ist klar, dass die Verschmutzung der Weltmeere ein zunehmendes Problem darstellt. „Bei der Entwicklung von Sensoren zum Nachweis umweltschädlicher Giftstoffe in der Meeresumwelt besteht nun das Problem darin, zu entscheiden, welche der tausenden Verbindungen, die im Meer enden, zu überwachen sind“, sagt der Mikrobiologe und BRAAVOO-Projektkoordinator Professor Jan van der Meer von der Universität Lausanne, Schweiz. „Unser Projekt hat sich dafür entschieden, eine Anzahl wiederholt auftretender Schadstoffe zum Ziel zu machen, für die keine einfache Analyse verfügbar war.“ BRAAVOO entwickelte ein einzigartiges Gerät mit biologischen Sensoren, bei dem mehrere Technologien eingesetzt werden, die es ermöglichen, Antibiotika, Algenblütentoxine, endokrin wirksame chemische Stoffe aus Anstrichen, ölhaltigen Verbindungen und giftige Schwermetalle gleichzeitig zu identifizieren. Das Konsortium aus acht akademischen und KMU-Partnern hat sein Dreijahresprojekt 2016 abgeschlossen. Jeder Partner konzipierte ein Element des Überwachungsgeräts, das das komplette automatisierte Sensorik bildete. In das Gerät wurden drei Sensortypen eingebaut: Immunsensoren, die zum Nachweis spezieller biologischer Moleküle Antikörper einsetzen, bakterielle Biosensoren und ein System zur Erfassung von Toxinen unter Nutzung der bei Algen auftretenden lichtabhängigen Reaktionen. Im Einzelnen kombiniert BRAAVOO äußerst spezifische Biosensoren und allgemeinere Detektoren mit breitem Spektrum. „Wir wollten einige Biosensoren haben, die sehr verbindungsspezifisch sind, z. B. auf ein einzelnes Antibiotikum oder Algentoxin abzielen. Mit den Einsatz sehr spezifischer Biosensoren könnte man jedoch andere Giftstoffe im Wasser übersehen, und deshalb haben wir auch sehr allgemeine Biosensoren einbezogen, die auf alles reagieren, das toxisch sein kann“, erklärt van der Meer. Toxizität zu erkennen ist nicht immer einfach, da man nicht immer weiß, wonach zu suchen ist, aber BRAAVOO verfolgte den Ansatz, die biologischen Auswirkungen von Toxizität auf Zellen aufzuspüren, anstatt nur chemische Substanzen von bekannter Giftigkeit nachzuweisen. Als Beispiel führt van der Meer an: „Die Suche nach bakteriellem Stress liefert einen sehr empfindlichen Detektor auf toxische Verbindungen oder Kombinationen von Verbindungen im Wasser, die Toxizität für andere Lebewesen verursachen werden.“ In dem BRAAVOO-Gerät hat man drei ausgeklügelte biologische Erfassungsmethoden eingesetzt, die zwecks automatisierter Analyse für den Einbau in eine Meeresboje konzipiert wurden. Bei Immunsensoren setze man einen Antikörper ein, der an Zielverbindungen binden wird. „Die Neuerung bestand hier im Nachweis sehr kleiner Veränderungen in der Größe des interagierenden Antikörper-Zielkomplexes, der eine Miniaturisierung des Assays gestattet“, sagt van der Meer. In den bakteriellen Sensoren wurden gefriergetrocknete Zellen eingesetzt, die bei Kontakt mit einem chemischen Target wie etwa Quecksilber oder Cadmium Biolumineszenz bewirken. Die Menge des erzeugten Lichts stellt ein Maß für die Höhe der chemischen Belastung dar. Beim dritten Sensor verwendete man immobilisierte Meeresalgen in kleinen Perlen, die in einer Inkubationskammer einer Probe ausgesetzt wurden, wo Fluoreszenz nachgewiesen werden kann. Das System in der Praxis zu testen war eine Herausforderung, sagt van der Meer, „denn wir konnten ja nicht zuerst die Verschmutzung des Meeres kontrollieren.“ So benutzten sie einen künstlich verunreinigten Mesokosmos, einen Behälter, groß genug, um das System aufzunehmen. Das Gerät konnte außerdem mit Erfolg vor der Küste von Irland erprobt werden. Während aufgrund begrenzter Ressourcen kein Prototyp zu Kommerzialisierungszwecken angestrebt wurde, wird das Algenaufspürsystem nun von Biosensor SRL in Italien entwickelt.

Schlüsselbegriffe

BRAAVOO, Biosensoren, mikrobielle Biotechnologie, Analyse der Meeresumgebung, Toxizitätsüberwachung, Immunsensoren, Biolumineszenz, Fluoreszenz, Algen

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