Um gefährliche Substanzen in Wasser oder Luft nachzuweisen, sind bislang aufwändige Untersuchungen erforderlich. Siemens-Forscher haben nun Sensorsysteme entwickelt, die gefährliche Krankheitserreger oder Schadstoffe schnell und direkt vor Ort erkennen.
Alarmanlage für Giftanschläge: Herzstück von Siequa- SAFE ist ein auf dem Chip enthaltenes Enzym, das zerstört wird, sobald ein gefährlicher Stoff im Wasser ist.
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Der Giftanschlag steckt den Baden-Württembergern noch in den Knochen. Im Jahr 2005 versenkte ein Unbekannter drei Kanister Unkrautvernichtungsmittel im Bodensee, ganz in der Nähe einer Trinkwasserentnahmestelle. Aufgrund eines anonymen Bekennerschreibens fanden Taucher das Gift in 70 Metern Tiefe. Glücklicherweise gelangten nur geringe Pestizidmengen in den See, Grenzwerte wurden nicht überschritten. Doch ähnliche Szenarien – etwa dass Terroristen Gift in Wasserleitungen schütten – bereiten Wasserversorgern weiterhin Alpträume. Als Warnsystem dienen bislang oft Fische oder Wasserflöhe, doch deren Reaktionen sind schwer zu interpretieren. Das Trinkwasser wird zudem in größeren Abständen mit aufwändigen Laboruntersuchungen kontrolliert. „Man findet aber nur Stoffe, nach denen man gezielt sucht“, sagt Dr. Heike Barlag, Leiterin der Gruppe für Biosensorik bei Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen. Nervengifte oder nicht mehr zugelassene Pestizide stehen gewöhnlich nicht auf der Analyse-Liste.
Das Team der Chemikerin sowie eine Gruppe um Prof. Maximilian Fleischer bei Siemens CT in München beschreiten daher neue Wege bei der Schadstoffdetektion. Die Siemens-Forscher haben drei Sensorsysteme entwickelt, mit denen sich Luft und Wasser effektiv überwachen lassen. Alle drei Systeme verwenden biologische Komponenten zur Detektion und ergänzen sich gegenseitig.
Das Messsystem SiequaSAFE etwa, das Heike Barlag in Zusammenarbeit mit mehreren Wasserwerken entwickelt hat, ist eine Alarmanlage für die gefürchteten Giftanschläge. Die Forscher haben hierfür einen entscheidenden Stoffwechsel- Prozess in einem Sensor nachgebildet: die Arbeit des Enzyms Acetylcholinesterase (AChE). Dieses Eiweiß, von dem es zahlreiche unterschiedliche Formen gibt, ist ein extrem schneller Katalysator. Es baut einen Botenstoff ab, der bei Tieren Signale von Nervenzellen zu Muskeln überträgt. Substanzen, die das Enzym hemmen, sind extrem giftig, etwa die chemischen Kampfstoffe Sarin und Tabun oder das verbotene Insektizid E605. „Wenn das Enzym zerstört wird, ist etwas wirklich Gefährliches im Wasser“, sagt Barlag. Um welchen Stoff es sich genau handelt, steht zunächst nicht im Vordergrund. Hauptsache, die Verbraucher werden schnell gewarnt.
Für die Chemikerin bestand die Herausforderung darin, den Enzym-Hemmtest – ein etabliertes Laborverfahren – in ein vollautomatisches System zu verwandeln. Der Prototyp ist etwa so groß wie ein Drucker und besitzt mehrere Anschlüsse für dünne Schläuche, durch die Wasserproben und Lösungen zum Sensorchip gelangen. „Wir haben eine Form von AChE gefunden, deren Spaltprodukt sich elektrochemisch nachweisen lässt“, erklärt Barlag. Zur Messung pumpt SiequaSAFE zunächst Probenwasser über den Chip. Anschließend versorgt es das Enzym mit einer Substanz, die es spalten kann. Solange das Enzym intakt ist, zerlegt es diesen Stoff. Wird es vergiftet, hört es auf zu arbeiten, und es entstehen keine Abbauprodukte. Der Sensor bestimmt deren Menge über den Stromfluss an einer Elektrode.
Die Aktivität eines Kontrollenzyms wird ebenfalls gemessen. Nur wenn dieses ungestört arbeitet und AChE nicht, schlägt SiequaSAFE Alarm. „Selbst dann wird SiequaSAFE aber nicht komplett lahmgelegt“, betont Barlag. Das System regeneriert sich automatisch, indem es den Chip einmal durchspült und die Enzyme austauscht. Siequa- SAFE ist extrem empfindlich: Das Gift E605 erkennt es in Mengen von weniger als einem Millionstel Gramm pro Liter. Ein zehntel Gramm ist für Menschen tödlich. Künftig kann es aber noch viele weitere Anwendungen geben. „Auch Schwermetalle, Phenole oder Blaualgen-Toxine eignen sich für Enzym-Hemmtests“, sagt Barlag.
Mobiles Labor. Neben SiequaSAFE, das ständig über die Sicherheit des Trinkwassernetzes wachen kann, arbeitet Barlags Team auch an einem tragbaren Laborsystem, das viele Schadstoffe identifizieren und deren Menge grob bestimmen kann – innerhalb einer halben Stunde.