Vom Liter zur Analyse Vor-Ort-Analyse gesundheitsgefährdender Mikroorganismen in Wasser

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Gesellschaft für Analysentechnik HLS

Gesundheitsgefährdende mikrobiologische Belastungen in Wasser müssen schnell erkannt werden. Ein typisches Beispiel ist der Nachweis von Legionellen im Trinkwasser. Doch zwischen Probenahme und Ergebnis vergeht häufig wertvolle Zeit. Fraunhofer-Forschende haben nun eine neue Plattform entwickelt, die diese Prozesskette automatisiert und direkt an den Einsatzort verlagert.

Ob Trinkwasser, Kühlkreisläufe, Schwimmbecken oder industrielle Prozessmedien: pathogene Mikroorganismen können nahezu überall auftreten. Für Betreiber von Wasseranlagen und Produktionsprozessen bedeutet das eine permanente Herausforderung. Kontaminationen müssen früh erkannt werden, bevor sie zu Gesundheitsrisiken, Qualitätsproblemen oder Produktionsausfällen führen.

Wasserproben sind anspruchsvoller als viele denken

Der Nachweis solcher Belastungen ist jedoch häufig aufwendig. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz: Kulturbasierte Methoden sind regulatorisch vielfach etabliert und liefern Aussagen über kultivierbare Mikroorganismen, benötigen jedoch oft mehrere Tage bis zum Ergebnis. Molekularbiologische Verfahren wie die qPCR gewinnen zunehmend an Bedeutung, weil sie Mikroorganismen schnell und spezifisch identifizieren können. Doch auch hier gilt: bis eine Probe analysiert werden kann, müssen zahlreiche Vorbereitungsschritte durchlaufen werden. Die Wasserprobe wird entnommen, ins Labor transportiert und dort weiterverarbeitet. Erst danach beginnt die eigentliche Analyse. Welche Methode eingesetzt wird, hängt von der jeweiligen Fragestellung und den regulatorischen Anforderungen ab.

Gerade bei zeitkritischen Fragestellungen stellen beide Abläufe einen erheblichen Nachteil dar. Kritische Entscheidungen müssen oft getroffen werden, bevor belastbare Ergebnisse vorliegen. Die Folge sind Verzögerungen bei Gegenmaßnahmen, zusätzliche Sicherheitsreserven oder unnötige Betriebseinschränkungen.

Die eigentliche Herausforderung liegt vor dem Nachweis

Die Diskussion um schnelle Wasseranalytik wird häufig auf die Wahl des Nachweisverfahrens reduziert. Tatsächlich existieren heute unterschiedliche Ansätze – von kulturbasierten Verfahren über qPCR bis hin zur Durchflusszytometrie –, die jeweils spezifische Stärken besitzen. Unabhängig vom eigentlichen Nachweis bleibt jedoch eine Herausforderung bestehen: Sollen geringe Konzentrationen von Mikroorganismen aus großen Wasservolumina zuverlässig detektiert werden, entscheidet die Qualität der Probenvorbereitung maßgeblich über die Aussagekraft der Analyse.

Mikroorganismen kommen in Wasser häufig nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Deswegen müssen oftmals große Probenvolumina untersucht werden, um auch niedrige Belastungen zuverlässig nachweisen zu können. Aus einem Liter Wasser soll am Ende eine kleinvolumige Probe entstehen, die für molekularbiologische Verfahren geeignet ist.

Dazu sind mehrere Prozessschritte erforderlich. Die Zielorganismen in der Probe müssen angereichert und störende Bestandteile aus der Probe entfernt werden. Anschließend folgt die Freisetzung der genetischen Informationen und die Vorbereitung für den eigentlichen Nachweis. Jeder dieser Schritte benötigt Zeit und beeinflusst die Qualität des Ergebnisses. Hinzu kommt, dass viele Arbeitsschritte bislang manuell erfolgen. Das erhöht den Personalaufwand und erschwert eine standardisierte Durchführung außerhalb spezialisierter Labore. Genau deshalb entscheidet die Probenvorbereitung häufig darüber, ob eine Analytiklösung im Alltag praktikabel ist.

Von der manuellen Probenvorbereitung zur integrierten Plattform

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IMM beschäftigen sich seit vielen Jahren mit miniaturisierten Analyse- und Probenvorbereitungssystemen. Ziel ist es, komplexe Laborprozesse zu automatisieren und in kompakte Geräte zu integrieren.

Genau dieser Ansatz wird mit der InBaDtec-Plattform für die mikrobiologische Wasseranalytik verfolgt. Die Plattform basiert auf einem modularen Konzept, bei dem einzelne Prozessschritte in einer integrierten Systemarchitektur zusammengeführt werden. Statt Probenvorbereitung und Analytik getrennt zu betrachten, entsteht ein durchgängiger Workflow von der Wasserprobe bis zum Ergebnis: Nach der Probennahme entfernt zunächst ein Reinigungsmodul störende Partikel. Anschließend reduziert ein Aufkonzentrierungsmodul das Probenvolumen von einem Liter oder mehr auf ein PCR-taugliches Mikrolitervolumen, wobei die Zielorganismen gleichzeitig angereichert werden. Danach folgt die Zelllyse zur Freisetzung der Nukleinsäuren. Diese werden mit bereits vorgelegten lyophilisierten PCR-Reagenzien zusammengeführt und können anschließend mittels qPCR analysiert werden. Die gesamte Prozesskette läuft automatisiert im Gerät ab.

Anders als viele geschlossene Komplettsysteme ist InBaDtec als offene Plattform konzipiert. Die automatisierte Probenvorbereitung kann mit marktüblichen PCR-Systemen kombiniert werden und lässt sich an unterschiedliche Anforderungen anpassen. Betreiber können vorhandene Analyseinfrastrukturen weiter nutzen und profitieren gleichzeitig von einer automatisierten Probenvorbereitung. Dadurch sinken die Einstiegshürden ebenso wie der personelle Aufwand. Die Analyse kann direkt durch das Betriebspersonal erfolgen, ohne dass jede Probe an ein spezialisiertes Labor geschickt werden muss.

Die modulare Architektur schafft außerdem Spielraum für zukünftige Erweiterungen. Ein Nachteil der qPCR ist, dass sie die DNA von lebenden und toten Mikro­organismen nachweist. InBaDtec kann perspektivisch um Verfahren ergänzt werden, die eine Differenzierung zwischen lebenden und toten Mikroorganismen ermöglichen. Das Fraunhofer IMM hat diese Methode unabhängig entwickelt und validiert, sie ist jedoch noch nicht in den tragbaren Prototyp von InBaDtec integriert. Gleichzeitig können auch lebensfähige, aber nicht kultivierbare Mikroorganismen (VBNC), die mit der Standard-Kultivierungsmethode nicht nachgewiesen werden können, nachgewiesen werden. Gerade in Anwendungen, in denen klassische Kulturverfahren an ihre Grenzen stoßen, erhöht dies die Aussagekraft der Analytik, da potenziell relevante Mikroorganismen erfasst werden können, die mit kulturbasierten Methoden nicht nachweisbar sind.

Der Fokus liegt dabei auf Anwendungen außerhalb klassischer Labore. Die Analytik soll dort stattfinden, wo die Probe entsteht: direkt an der Anlage, am Wasserkreislauf oder im Feld. Damit wird aus einem mehrstufigen Laborprozess ein automatisierter Point-of-Use-Ansatz.

Aufkonzentrierung als Schlüsseltechnologie

Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Aufkonzentrierung zu. Sie bildet die Grundlage dafür, dass geringe Mengen von Mikroorganismen zuverlässig nachgewiesen werden können. Ohne diesen Schritt stoßen selbst empfindliche molekularbiologische Verfahren schnell an ihre praktischen Grenzen.

Das System verarbeitet Probenvolumina von einem Liter oder mehr und konzentriert die enthaltenen Mikro­organismen automatisiert auf ein Analysevolumen im Mikroliterbereich. Erst dadurch stehen ausreichend Zielorganismen für einen empfindlichen molekularbiologischen Nachweis zur Verfügung. Gleichzeitig werden die einzelnen Prozessschritte miniaturisiert und in ein kompaktes System integriert. Das bedeutet: Die Probenvorbereitung findet nicht mehr im Labor statt, sondern direkt im Gerät.

Die Aufkonzentrierung entwickelt sich damit vom vorbereitenden Arbeitsschritt zur zentralen Funktion der gesamten Analytikkette.

Ergebnisse dort, wo sie benötigt werden

Die Kombination aus automatisierter Probenvorbereitung und molekularbiologischer Analyse eröffnet neue Möglichkeiten für die Wasserüberwachung.

Der Nutzen geht jedoch über mobile Vor-Ort-Analytik hinaus. Dank des modularen Plattformkonzepts kann InBaDtec perspektivisch direkt über fluidische Anschlüsse und Ventile in Wasserverteilnetze oder industrielle Prozessanlagen integriert werden. Die Plattform entwickelt sich damit von einem Point-of-Use-System zu einer Lösung für kontinuierliche Online-Überwachung. Veränderungen der mikrobiologischen Wasserqualität können unmittelbar erkannt werden, ohne dass zunächst eine manuelle Probennahme erforderlich ist.

Für Betreiber von Trinkwasseranlagen, Kühlsystemen oder industriellen Prozessen bedeutet das einen erheblichen Vorteil. Kritische Situationen lassen sich schneller bewerten und erforderliche Maßnahmen zeitnah einleiten. Gleichzeitig schafft die Plattform die Voraussetzungen für einen wirtschaftlicheren Betrieb. Weniger manuelle Arbeitsschritte, ein geringerer Personalaufwand und automatisierte Abläufe reduzieren den Aufwand für die mikrobiologische Überwachung.

Einsatzfelder weit über die Trinkwasseranalytik hinaus

Der Bedarf an schneller mikrobiologischer Analytik beschränkt sich längst nicht auf die Trinkwasserüberwachung oder den Nachweis von Legionellen. Auch in Kühlwassersystemen, Schwimm- und Badewässern, industriellen Prozesskreisläufen oder Bioreaktoren müssen mikrobiologische Belastungen zuverlässig erkannt werden.

Hinzu kommen Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in pharmazeutischen Produktionsumgebungen. Überall dort, wo Wasser eine zentrale Rolle spielt, steigt der Bedarf an schnellen und standardisierten Analysen.

Die modulare Architektur der InBaDtec-Plattform schafft die Grundlage, unterschiedliche Anwendungen auf einer gemeinsamen technologischen Basis abzubilden.

Die Zukunft ist dezentral

Die Entwicklung der Wasseranalytik bewegt sich zunehmend in Richtung Automatisierung und Dezentralisierung. Anwender erwarten heute nicht nur präzise Ergebnisse, sondern auch kurze Reaktionszeiten und einfache Bedienbarkeit. Gleichzeitig wächst der Wunsch, Analysen näher an den eigentlichen Prozess zu bringen. Integrierte Plattformen werden deshalb künftig eine wichtige Rolle spielen.

Sie verbinden Probenvorbereitung, Nachweisverfahren und digitale Auswertung in einem System und schaffen damit die Voraussetzung für schnelle Entscheidungen. Perspektivisch könnten solche Systeme zusätzlich erweitert werden, um beispielsweise zwischen unterschiedlichen physiologischen Zuständen von Mikroorganismen zu unterscheiden oder weitere Analyseschritte zu integrieren.

Fest steht bereits heute: Die Zukunft der mikrobiologischen Wasseranalytik wird nicht durch ein einzelnes Nachweisverfahren bestimmt. Kulturbasierte Methoden, qPCR und weitere Technologien werden auch künftig ihre jeweiligen Einsatzgebiete haben. Entscheidend wird vielmehr sein, die bislang laborgebundene Probenvorbereitung zu automatisieren und direkt in den Prozess zu integrieren. Genau diesen Plattformgedanken verfolgt das Fraunhofer IMM mit InBaDtec: von der automatisierten Aufkonzentrierung über die flexible Anbindung marktüblicher PCR-Systeme bis hin zur Perspektive einer kontinuierlichen Inline-Überwachung mikrobiologischer Wasserqualität.

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