Forschungsfeld Wasserqualität und Gesundheit

Forschungsfeld Wasserqualität und Gesundheit (QUALITY)

Forschungslinie Mikrobiologisches und chemisches Monitoring

Die Wasserqualität kann durch ein breites Spektrum an Schadstoffen und Pathogenen unterschiedlicher Herkunft beeinträchtigt werden. Daher sind entsprechend geeignete Methoden für die Probenahme, die Probenvorbereitung und schließlich ausreichend empfindliche Analyse von Wasserproben notwendig. Für zahlreiche Substanzen und Pathogene sind aber geeignete Methoden für die Quantifizierung entweder noch nicht verfügbar, oder haben gravierende Nachteile wie einen zu hohen Zeitaufwand, mangelnde Empfindlichkeit oder eingeschränkte Routinetauglichkeit. Die Entwicklung und Optimierung von Analysenmethoden sind daher weiterhin relevante Forschungsaufgaben für IWW. Die treibende Kraft für die Forschung auf diesem Gebiet ist die Feststellung, dass das derzeit analytisch zugängliche „Fenster“ noch zu schmal für eine umfassende Bewertung der chemischen und mikrobiologischen Belastungen und Risiken ist.

Flüssig- und Gas-Chromatographie gekoppelt mit Detektorsystemen der organischen und anorganischen Massenspektrometrie sind Techniken, die vorrangig zur Entwicklung neuer quantitativer Analysenmethoden für chemische Substanzen eingesetzt werden, wie z.B. für polare Verbindungen und für Transformationsprodukte aus neuartigen Aufbereitungsverfahren. Die Entwicklung von Methoden zur on-line- und in-situ- Überwachung der Wasserqualität in Verteilungssystemen gehört daher ebenfalls zu den Forschungsthemen.

Abhängig von den Anforderungen der Trinkwasserüberwachung wird auch die Entwicklung weiterer Methoden für die verbesserte Messung der Radioaktivität bzw. spezifischer Radionuklide in Wasser eine Rolle spielen. Ein Querschnittsthema in Verbindung zur Forschungslinie „Betrieb und Instandhaltung von Wasserverteilungsnetzen“ stellt die Entwicklung von integrativen Sensoren für die Überwachung der Wasserqualität und die optimierte Auswahl und Platzierung von Sensoren dar. Ein weiteres Forschungsthema ist die Lokalisierung und Quantifizierung von Biofilmen und die Untersuchung des Beitrags abiotischer Prozesse bei der Ausbildung von Belägen. Zwei Untersuchungsstrategien können dabei in komplexeren Wasserverteilungssystemen angewendet werden: i) Identifikation von Kontaminationsquellen durch systematische Beprobung und Analyse der Wasserphase; ii) Oberflächenuntersuchung mit Techniken, die es erlauben, die Belagsbildung on-line, in-situ, zerstörungsfrei sowie in Echtzeit zu untersuchen. Beide Strategien kommen im Rahmen von Forschungsvorhaben bei IWW zur Anwendung.

Ein besonders interessanter Aspekt der mikrobiologischen Wasserqualität ist der Nachweis von Pathogenen, wenn sie sich in einem vorübergehend nicht-kultivierbaren Zustand („viable but nonculturable“, VBNC) befinden. Im VBNC-Status entgehen sie konventionellen Kulturmethoden. Es gibt aber Hinweise darauf, dass sie unter geeigneten Bedingungen ihre Wachstumsfähigkeit und auch ihre Infektiosität wiedererlangen können. Für diesbezügliche Forschungsarbeiten plant IWW die systematische Anwendung von kulturunabhängigen molekularbiologischen Methoden wie z.B. der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), die Bestimmung der Membran-Integrität, die quantitative PCR und den Zellwachstumstest („direct viable count“) sowie die Anwendung fluoreszenzmarkierter Enzymsubstrate, um den Anteil und den Zustand an Zellen im VBNC-Status innerhalb einer Population erkennen zu können.

Aktuelle Forschungsvorhaben

Trinkwasserhygiene und Toxikologie

Die hygienische Sicherheit von Wasser in Hinsicht auf den Gebrauch zum Trinken, Baden, urbanen Wasserkörpern sowie von wiederverwendetem Abwasser ist essentiell für die Gesundheit und das menschliche Wohlbefinden. Mikrobielle Biofilme spielen dabei eine wichtige Rolle als Reservoir für hygienisch relevante Mikroorganismen. Die Wechselwirkung mit dem Wasser und mit Oberflächen, speziell Rohrmaterialien, sowie die Interaktion zwischen verschiedenen Spezies und die Stoffe, von denen die Organismen leben, sind hier Forschungsgegenstände. Dies ist besonders wichtig in Trinkwasserinstallationen, z.B. in öffentlichen Gebäuden. Über die Standardmethoden hinaus sind am IWW molekularbiologische und andere kultur-unabhängige Methoden implementiert worden. Sie sind dann angebracht, wenn die Standardmethoden an ihre Grenzen gekommen sind, z.B. bei hartnäckigen Kontaminationen.

Im Zusammenhang mit der Forschungslinie “Klimawandel und Energie-Effizienz” wird der Einfluss von Temperaturveränderungen auf das Auftreten von hygienisch relevanten Mikroorganismen sowohl mit kulturellen als auch mit kultur-unabhängigen Methoden untersucht.

Mit dem Ziel, die Sicherheit von Trinkwasser-Ressourcen und der Badewasser-Nutzung von Oberflächengewässern wird auch ein Risiko-Management für hygienisch relevante sowie pathogene Mikroorganismen und chemische Kontaminanten entwickelt.

Darüber hinaus wird den hygienischen Aspekten technischer Wassersysteme zunehmende Aufmerksamkeit geschenkt. Prozesswasser in Kühltürmen, in der Papierherstellung und in anderen Produktionsprozessen sowie weiteren industriellen Nutzungen kann beträchtliche Gehalte an Krankheitserregern aufweisen. Ihnen sind die Beschäftigten exponiert. Technische Regelwerke und die Haftung der Industriebetriebe bringen die Hygiene solcher Systeme zunehmend in den Fokus. Um die daraus erfolgenden Anforderungen erfüllen zu können, wird es notwendig sein, zuverlässige und rasche Nachweismethoden zu erarbeiten, sowie die Wasserbehandlung in dieser Hinsicht zu optimieren, die Wirksamkeit der Maßnahmen zu überwachen und Frühwarnsysteme zu entwickeln.

Toxikologisch relevante Substanzen im Trinkwasser können sich über die direkte Aufnahme oder über den Kontakt mit dem menschlichen Körper negativ auf die Gesundheit auswirken. Derartige Substanzen im Wasserkreislauf können ebenfalls auch einen Einfluss auf das gesamte Ökosystem haben. Die Forschungsaktivitäten am IWW konzentrieren sich in erster Linie auf die toxikologische Bewertung solcher Wasserinhaltsstoffe oder aufkonzentrierter Gesamtwasserproben und die Anwendung verschiedener zellbasierter toxikologischer Testsysteme. In Verbundprojekten sollen neben den zellulären Wirkuntersuchungen auch ökotoxikologische Untersuchungen und Risikobewertungen erfolgen. Eine Gesamtbetrachtung der beobachteten Effekte kann dann sowohl zur Ableitung von Vorschlägen für Vorsorge- oder Grenzwerte für Trinkwasser herangezogen werden als auch in Empfehlungen für Sanierungs-/ Dekontaminationsmaßnahmen münden. Die Möglichkeiten und Potenziale einer Kombination klassischer toxikologischer Testmethoden mit QSAR-Ansätzen (Quantitative Struktur-Aktivitäts-Beziehungen) sollen weiter verfolgt werden.