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23.06.2015

Neue Analyseverfahren zur Bestimmung unbekannter Substanzen in Wasserproben


Schadstoffe versickern im Boden, Reinigungsmittel laufen in den Abguss: Wir alle bringen Chemikalien in den Wasserkreislauf ein. Dazu kommen noch natürliche Stoffe - In einer einzigen umweltrelevanten Wasserprobe befinden bis zu einigen tausend organischer Moleküle. Doch um welche Stoffe handelt es sich dabei? Bisher stehen für zukünftige Analysen über 8000 Molekül-Profile in einer öffentlichen Datenbank zur Verfügung. Diese vorsorgende Wasseranalytik wird nun in dem Projekt "FOR-IDENT" international ausgeweitet.

Bislang war es nur eingeschränkt möglich, unbekannte Moleküle im Wasser schnell zu identifizieren. Doch das Prinzip der vorsorgenden Analytik ist gerade bei der Prüfung von Oberflächengewässern wichtig, sind diese doch oft die Quelle für Trinkwasser. Hier gilt besonders das Motto: "Untersuchen, um Schäden vorzubeugen oder diese zumindest schnell zu erkennen".

Chemische Analysen zeigen, dass in einer einzigen Wasserprobe oftmals Tausende unterschiedlicher Moleküle gefunden werden können. Dabei handelt es sich zum einen um Stoffe aus der Umwelt, zum anderen aber auch um vom Menschen eingebrachte Industriechemikalien, Pflanzenschutzmittel sowie Kosmetika, Medikamente, Haushaltschemikalien und deren Abbauprodukte. Auch die Anzahl und die Zusammensetzung dieser Moleküle unterscheidet sich von Region zu Region sowie von Land zu Land - je nachdem, welche Pflanzen dort wachsen oder welche Arzneimittel, Pflanzenschutzmittel und Chemikalien dort zugelassen sind.

"In Routineanalysen lassen sich von diesen Tausenden Molekülen derzeit maximal ein paar hundert identifizieren - und das oft auch nur in spezialisierten Laboren", sagt Prof. Dr. Thomas Letzel, Leiter der Analytische Forschungsgruppe am Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität München (TUM). "Dabei ist die technologische Voraussetzung, sie zu identifizieren, mittlerweile oft auch in nicht-spezialisierten Analyselaboratorien gegeben. Allerdings fehlt es hier bisher meist an strategischen Lösungen zur Datenauswertung."

"Molekulare Fingerabdrücke" für die vorsorgende Wasseranalytik

Um dieses Problem zu lösen, haben Wasserspezialisten des Bayerischen Landesamtes für Umwelt, der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, des Zweckverbandes Landeswasserversorgung sowie der TUM zunächst eine neue Datenbank namens "STOFF-IDENT" entwickelt. Die Datenbank entstand im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts "RISK-IDENT", das im März 2015 abgeschlossen wurde. Sie enthält inzwischen mehr als 8000 Substanzen mit ihren wichtigsten physikalisch-chemischen Eigenschaften. Darunter REACH-registrierte Industriechemikalien, zugelassene Pharmaka, Biozide und Pflanzenschutzmittel sowie weitere vom Menschen genutzte Substanzen aus Alltagsprodukten. Auch in der Umwelt gefundene Abbauprodukte wie Metaboliten oder Transformationsprodukte sind dort zu finden.

Mithilfe dieser Daten können nun Analyselabore einige ihnen noch unbekannte Moleküle schneller identifizieren. Sie nutzen dazu das sogenannte Non-Target Screening: Bei dieser Methode werden "molekulare Fingerabdrücke" ermittelt. Dabei wird für jedes erfasste Molekül dessen Polarität und die Molekularmasse bestimmt. "Durch den Vergleich mit den in der Datenbank hinterlegten Eigenschaften gibt sich nun auch beim Non-Target Screening eine Vielzahl der bisher unbekannten Moleküle zu erkennen", so Letzel.

Datenbank wird weltweit erweitert

Das Nachfolgeprojekt "FOR-IDENT", das vom BMBF bis 2017 gefördert wird, hat nun das Ziel, die Datenbank um die jeweils vor Ort zugelassenen und verwendeten Chemikalien zu erweitern. Auch wollen die Wissenschaftler die international zum Einsatz kommenden Auswertestrategien erfassen, bündeln und harmonisieren. In das Projekt sollen auch weltweit Hersteller von Analysegeräten sowie Laboratorien eingebunden werden. Im Laufe des Projektes wird eine offene Softwareplattform entstehen, in der die unterschiedlichen Auswertestrategien kombiniert oder verlinkt werden können. Die "Open-Access"-Idee stellt dabei sicher, dass die Auswertetools oder Datenbanken langfristig von Unternehmen, Behörden und Wissenschaft kostenlos und uneingeschränkt genutzt werden können.

Die Daten aus der akkurat messenden Massenspektrometrie der Wasserlabore stehen generell auch für spätere Auswertungen zur Verfügung. Dies hat zahlreiche Vorteile: Wird beispielsweise die Datenbank weiter befüllt oder entstehen neue Auswertestrategien, so müssen die Proben nicht erneut untersucht werden; die erfassten Daten können direkt wiederverwendet werden. Labore, Behörden und Wasserwirtschaftsbetriebe müssen dafür zukünftig nur noch die gemessenen Daten einlagern, nicht aber die Wasserprobe selbst. Dies ist dann von Interesse, wenn bekannt wird, dass ein Spurenstoff möglicherweise Wasserpflanzen und Fische schädigt oder im Trinkwasser für die Gesundheit des Menschen problematisch werden könnte: Wird dieser Stoff bei der erneuten Datenauswertung nachgewiesen, so kann er umgehend in Routinetests integriert werden. Auch lässt sich im Nachhinein feststellen, wo welche Mengen des Stoffes ins Wasser gelangt sind und wo demnach technische Gegenmaßnahmen notwendig sind.

"Damit ist die Grundlage für eine vorsorgende Wasseranalytik gelegt, die aufgrund einer Vielzahl neuer Auswertestrategien mehr und mehr zum Einsatz kommen wird", ist sich Letzel sicher.

Das Projekt "FOR-IDENT" entwickelt internationale Strategien

Eine besondere Herausforderung ist aber nach wie vor die effiziente Nutzung von Analysemethoden bei der Aufklärung der Molekülstruktur sowie die eindeutige Zuordnung eines Stoffes. Ziel des Projektes "FOR-IDENT" ist es daher, die Effizienz und die Vergleichbarkeit der Suspected- und Non-Target-Analytik zu steigern. Dazu werden die vorhandenen Werkzeuge gebündelt, methodische Qualitätsanforderungen definiert sowie Vorgehensweise und Methoden standardisiert.

Um nationale wie internationale Strategien und Arbeitsweisen länderübergreifend zu diskutieren und weltweit zu harmonisieren, veranstaltet das Projekt "FOR-IDENT" in den nächsten beiden Jahren regelmäßig Konferenzen und Workshops. Unter anderem organisieren die TUM-Wissenschaftler bei der 250. Konferenz der American Chemical Society vom 16. bis 20. August 2015 in Boston, Massachusetts, USA, einen Workshop, bei dem transatlantische Strategien erarbeitet werden sollen.

"FOR-IDENT" ist Teil der BMBF-Fördermaßnahme "Risikomanagement von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf (RiSKWa)" im Förderschwerpunkt "Nachhaltiges Wassermanagement (NaWaM)".

Quelle: Technische Universität München




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