Die etablierte Technologie der Durchflusszytometrie wird heute für die Zählung und Charakterisierung von mikrobiellen Zellen eingesetzt. Wir haben Prof. em. Dr. Thomas Egli interviewt, bNovate's wissenschaftlichen Berater für Mikrobiologie, um herauszufinden, wie diese Technologie die Wasserindustrie verändert und um ihre Vorteile und praktischen Anwendungen für Trinkwasser zu bewerten. Dieser Artikel enthüllt sein Fachwissen.
Die Geschichte der Durchflusszytometrie in der Wasserwirtschaft
Während die Durchflusszytometrie seit den siebziger Jahren in verschiedenen medizinischen Bereichen an menschlichen Zellen eingesetzt wird, dauerte es weitere 20 bis 30 Jahre, bis der Anwendungsbereich auf den Nachweis von mikrobiellen Zellen und Viren erweitert wurde. Heute kann die Durchflusszytometrie als schnelle Messmethode (RMM) für die rasche und wirtschaftliche Wasseranalyse eingesetzt werden.
Um das Jahr 2000 herum engagierte sich Thomas Egli in einer OECD/WHO-Expertengruppe, die den Stand der Methoden und den zukünftigen Bedarf in der mikrobiologischen Wasseranalytik überprüfte, was ihn in die Trinkwasserproblematik einführte. Die Durchflusszytometrie (FCM) wurde als mögliche schnelle Methode genannt, aber als zu schwierig und zu teuer erachtet. Trotzdem begann Thomas Egli mit seiner Forschungsgruppe an der Eawag, Methoden zur Zählung mikrobieller Zellen und zur Bestimmung von Stoffwechselaktivitäten für die Anwendung in Oberflächen- und Trinkwasser zu adaptieren. Parallel dazu wurde in Zusammenarbeit mit den Zürcher Wasserwerken die Praxistauglichkeit dieser Methoden getestet und das Wissen und die Messprinzipien mit spürbarem Nutzen von der Wissenschaft auf die Industrie übertragen.
Für diesen Übergang vom Labor in die Praxis wurden Thomas Egli und seine Mitarbeiter 2010 gemeinsam mit dem "Mühlheimer Wasserpreis" ausgezeichnet. Als Peter Ryser und Simon Kuenzi, die Gründer und heutigen Verwaltungsratspräsidenten bzw. CEO von bNovate, begannen, ein automatisiertes, robustes und tragbares Durchflusszytometer zu entwickeln, traten sie an Thomas Egli heran und dies war der Beginn einer langjährigen Zusammenarbeit und Partnerschaft mit bNovate Technologies.
Vorteile der Durchflusszytometrie
Die Zählung von mikrobiellen Zellen in Ökosystemen ist seit langem eine Herausforderung. Die konventionelle, kultivierungsabhängige heterotrophe Plattierungsmethode (HPC), wird von Mikrobiologen seit mehr als 50 Jahren kritisiert, da sie die wahre mikrobielle Abundanz in Umweltproben nicht wiedergibt. Die durchflusszytometrische Gesamtzellzählung (FCM-TCC) basiert auf der Anfärbung von Zellen mit einem fluoreszierenden DNA-bindenden Farbstoff; sie ist nicht nur schneller als HPC, mit Nachweiszeiten von Minuten statt Tagen, sondern erfasst auch >99 % der in einer Wasserprobe vorhandenen Zellen. Ausserdem liefert es einen typischen mikrobiellen Fingerabdruck von Wasser einer bestimmten Herkunft. FCM-TCC ermöglicht die Quantifizierung und Überwachung mikrobieller Vorgänge vom Einzugsgebiet über verschiedene Aufbereitungsprozesse bis hin zum Verteilungsnetz.
Die Häufigkeit und Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften ändert sich im Laufe der Zeit, sei es durch saisonale Veränderungen, starke Regenfälle, Wachstum durch Nährstoffverschmutzung oder Desinfektionsmassnahmen. Dies macht eine sofortige Echtzeit- und Online-Überwachung erforderlich. Die traditionell verwendeten Parameter sind physikalisch-chemischer Natur, wie Trübung, pH-Wert oder Leitfähigkeit, spiegeln aber mikrobiologische Vorgänge nicht zuverlässig wider.
Die Bestimmung der Gesamtzellzahl (TCC) mit einem Durchflusszytometer reagiert empfindlich auf Umweltbedingungen und kann zur Überwachung biologischer Störungen oder der Stabilität des Rohwassers von der Einzugsstelle bis zum Wasserhahn des Verbrauchers eingesetzt werden. Dies erfordert ein Instrument, das kompakt, transportabel, robust und wartungsarm ist.
"Mit BactoSense ist es bNovate gelungen, ein 'Plug-and-Play'-Instrument mit einzigartigen Eigenschaften zu entwickeln, das es Praktikern ermöglicht, FCM zu nutzen, ohne sich mit toxischen Farbstoffen oder täglicher Wartung auseinandersetzen zu müssen. (...) Mit BactoSense können sie sich auf die Ergebnisse konzentrieren, die sie erhalten", sagt Thomas Egli.
Anwendungsbereiche
Die Überwachung der Mikrobiologie von Wasser ist einer der wichtigsten Anwendungsbereiche, da die Fähigkeit, Grund- und Oberflächenwasser zu unterscheiden, die Festlegung von Grenzwerten für Zellzahlen und Fingerabdrücke ermöglicht und somit ein zentraler Parameter in Frühwarnsystemen ist. Mit BactoSense können Wasserversorger ihre Produktions- und Verteilungsprozesse kontinuierlich überwachen oder Online-Daten zur Kontrolle der mikrobiellen Kontamination in Einzugsgebieten nutzen. Nicht nur grosse, sondern auch kleine Wasserwerke mit begrenztem Personaleinsatz können vom Einsatz von BactoSense profitieren.
Auch bei Reinigungs- und Spülprozessen bringt es erhebliche Vorteile und Zeitersparnis: Dazu gehört die Überwachung von Prozesswasser aus Sand- und Aktivkohlefiltern nach Rückspülungen oder die Spülung von Leitungen in den Verteilnetzen nach Reparaturen. FCM-TCC und Fingerprints können anzeigen, ob gereinigte Anlagen wieder einsatzbereit sind.
Wiederbewuchs nach Stagnationsperioden oder als Folge langer Verweilzeiten gehören zu den häufigsten Problemen in Verteilnetzen und lassen sich durch erhöhte TCC-Werte leicht nachweisen. Für diese Anwendungen ist ein mobiles und transportables Durchfluss-zytometer wie BactoSense eine zeitsparende Lösung, da Analyseergebnisse schnell zur Verfügung stehen und Entscheidungen vor Ort getroffen werden können.
Die Zukunft der Durchflusszytometrie in der Wasserwirtschaft
Innerhalb der nächsten zwei Jahrzehnte werden molekulare Methoden wie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) billiger werden und eine schnellere Beurteilung der Zusammensetzung mikrobieller Konsortien ermöglichen, doch Thomas Egli bezweifelt, dass sie zu automatisierten Online-Routineverfahren werden.
Keine andere Methode kann so schnell und kostengünstig mikrobiologische Grundinformationen online liefern wie FCM-TCC und intakte Zellzahlen (FCM-ICC). Prof. Dr. Egli ist zuversichtlich, dass FCM-TCC ein neuer Standard für die mikrobiologische Trinkwasseranalytik werden wird. In der Schweiz haben bereits grosse Wasserwerke diese Technik erfolgreich eingesetzt, und mit diesen einflussreichen Anwendern wurden die Standardisierung der Methode und die Empfehlungen des Bundesgesundheitsamtes und des Schweizerischen Vereins des Gas- und Wasserfaches (SVGW) erreicht. Dieses Jahr wird die FCM-Methode in den SVGW-Ausbildungskurs für Schweizer Wasserfachleute (Brunnenmeister) aufgenommen.
“In mehreren europäischen Ländern sind FCM-Methoden heute in offiziellen Empfehlungen und Arbeitsblättern enthalten, zum Beispiel in Deutschland und Österreich, und werden jetzt schon für spezifische Anwendungen wie die Bewertung der Filtrationseffizienz und Rückspülprozesse akzeptiert", schliesst Thomas Egli. Dieser Druck von unten nach oben sollte zur Etablierung von FCM-Methoden in anderen Ländern und schliesslich zu einer ISO-Norm-Methode führen.
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