Medienmitteilung
Feldeinsatz eines Arsen-Biosensors erhält Preis
Einem Team von Forschenden der Eawag, der Universität von Hanoi (Vietnam) und der Uni Lausanne ist es erstmals gelungen, einen Biosensor für Arsen im Wasser vor Ort erfolgreich anzuwenden. Der neu entwickelte Test führt zu wesentlich zuverlässigeren Aussagen als die bisher angewendeten Feldtests auf chemischer Basis. Er erlaubt eine rasche Analyse vieler Proben, ist günstig und kann ohne aufwändige Laborausrüstung direkt in den von der Arsenproblematik betroffenen Regionen eingesetzt werden. Heute hat das Team für seine Publikation von der Zeitschrift «Environmental Science and Technology» den Preis für die beste Veröffentlichung 2005 zugesprochen erhalten.
35 bis 50 Millionen Bewohner der indischen Region West Bengalen und Bangladeshs, über 10 Millionen in Vietnam und über 2 Millionen in China – so viele Menschen sind nach aktuellen Schätzungen unzulässig hohen Konzentrationen von Arsen ausgesetzt, welches sie mit dem Trinkwasser aufnehmen. Der von der Weltgesundheitsorganisation WHO als akzeptabel eingestufte Wert von 10 Mikrogramm Arsen pro Liter (µg/L) wird vielerorts zehn- bis dreissigfach überschritten (siehe auch Box). Doch die Arsenanalytik ist aufwändig. Vor allem im Konzentrationsbereich bis 100 µg/L war ein Nachweis nur mit teuren Spektrometrie-Methoden in gut ausgerüsteten Labors möglich. Bisher eingesetzte Testkits auf chemischer Basis haben sich als zu wenig zuverlässig erwiesen. In einem Vergleich wurden 68 Prozent von 290 Proben fälschlicherweise als unbedenklich klassiert, in einem anderen wurden 35 Prozent falsch als positiv eingestuft.
Je leuchtender, desto mehr Arsen
Arsen-Biosensoren mit genetisch veränderten Bakterien wurden schon mehrmals als einfache, rasch anwendbare Methode propagiert, denn sie sprechen im Labor bereits auf Arsen-Konzentrationen von nur 4 µg/L an. Kein Verfahren konnte sich indessen in Messkampagnen an Ort bewähren. So hat sich auch ein 2002 von Jan Roelof van der Meer an der Eawag entwickelter Papierstreifentest bisher als noch zu wenig sicher erwiesen. Inzwischen hat er ein Gen im Bakterium so verändert, dass es auf gelöstes Arsen reagiert und schliesslich eine Bioluminiszenz (wie von Leuchtkäferchen bekannt) auslöst, deren Intensität proportional zur Arsenkonzentration ist und mit einem einfachen Gerät gemessen werden kann. Die Forschergruppe um Michael Berg (Eawag), Jan Roelof van der Meer (jetzt Uni Lausanne) und Pham Thi Kim Trang (Hanoi University of Science) hat nun mit diesen Bakterien (Escherichia coli) eine neue Methodik entwickelt. Sie setzt zwar Fachleute und sorgfältiges Arbeiten voraus, jedoch in keinem Vergleich zur aufwändigen, kostspieligen und in den betroffenen Regionen meist gar nicht vorhandenen Spektrometrie-Analytik.
Hohe Treffsicherheit erreicht
194 Proben aus Brunnen der Delta-Regionen des Roten Flusses und des Mekong wurden parallel mit dem Biosensor und mit AAS (Atom-Absorptions-Spektroskopie) getestet. Die Resultate stimmten sehr gut überein, vor allem bei Konzentrationen bis rund 100 µg/L. Nur für 9 Proben, mit AAS-gemessenen Konzentrationen von 10 bis 19 µg/L, zeigte der Biosensor negativ an und nur in fünf Fällen zeigte der Biosensor eine Arsen-Konzentration von weniger als 100µg/L an, während via AAS je rund 150 µg/L festgestellt wurde. Die allermeisten Abweichungen lagen in einem Bereich, wie er auch bei zwei AAS-Messungen aus verschiedenen Labors resultieren kann und wie er für die Abschätzung der Gesundheitsgefährdung durch Arsen im Trinkwasser nicht relevant ist.
Eisenproblem gelöst
Eines der Probleme auf dem Weg zum erfolgreichen Einsatz des Biosensors – im Übrigen auch einer der Gründe für die Ungenauigkeit bisheriger Tests – war die Bindung und Ausfällung des Arsens an Eisen. Das Grundwasser der betroffenen Regionen weist oft sehr hohe Eisengehalte auf. An die Oberfläche gefördert, werden Eisenoxide und –hydroxide gebildet, an welche Arsen adsorbiert. Damit wirkt es nicht mehr auf die Bakterien des Biosensors und wird nicht erfasst. Trang, Berg und van der Meer experimentierten lange, bis sie ein praktikables Verfahren gefunden hatten, um das Arsen in Lösung zu halten, ohne gleichzeitig die Bioaktivität der Bakterien zu stoppen.
Internationalen Preis gewonnen
Die Entwicklung und der Einsatz des Arsen-Biosensors wurde von der Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit (Deza) des Bundes unterstützt. Für ihre Publikation in der renommierten Zeitschrift «Environmental Science and Technology» haben die Forscher heute den «Top Environmental Paper Award» 2005 zugesprochen erhalten. Die Hände in den Schoss legen werden sie deswegen nicht. Vietnam hat den Arsennachweis in eine Kategorie gesetzt, die nur einmal jährlich untersucht werden muss. «Das macht es schwierig, unseren Test den Wasserversorgern oder zum Beispiel lokalen Spitälern als Routinewerkzeug anzupreisen», sagt Wissenschafterin Trang und hofft nun auf die Überzeugungsarbeit durch die Universität in Hanoi bei den Behörden. Ihr Kollege van der Meer arbeitet unterdessen weiter an einem noch einfacheren Test, der den Brunnenbetreibern in Bezug auf den kritischen Arsengehalt eine simple Ja-Nein-Antwort liefern soll.
Info-Box: ArsenArsen ist eine der wichtigsten anorganischen Verunreinigungen im Trinkwasser. Das Halbmetall ist natürlicherweise weltweit in den Gesteinen des Untergrundes enthalten und wird durch Verwitterung in geringen Mengen im Grundwasser gelöst. Die anorganischen Salze des Arsens sind geruchs- und geschmacklos, aber für den Menschen sehr giftig. Über längere Zeit eingenommen, können selbst bei tiefen Konzentrationen Gesundheitsschäden auftreten, darunter übermässige Hautpigmentierungen, Funktionsstörungen der Leber und Niere und verschiedene Formen von Krebs. Problematisch ist vor allem, dass der Arsengehalt lokal sehr stark schwanken kann. Ein Brunnen kann unbesorgt benutzt werden, in einer nur hundert Meter entfernten Fassung wird dagegen Wasser mit der 30fachen Konzentration gefördert. Zudem kann der Arsengehalt sich mit der Zeit verändern. Beides zwingt zu einer möglichst flächendeckenden Analyse des Wassers, was aber mit konventioneller Laboranalytik kaum möglich ist. Von den 194 Proben, welche mit dem Arsen-Biosensor in den Deltas des Roten Flusses und des Mekong untersucht wurden, konnten 112 als sicher eingestuft werden (Konzentration unter 10 µg/L). 38 wiesen Arsenkonzentrationen zwischen 10 und 100 µg/L auf, 44 sogar über 100 µg/L – im Maximum bis 300 µg/L. |
Bilder und der Fachartikel aus «Environmental Science and Technology» stehen zum Download bereit auf: www.eawag.ch -> Medien
Weitere Informationen
Michael
Berg, Eawag, 058 765 50 78; michael.berg@eawag.ch
Jan
Roelof van der Meer, Uni Lausanne, 021 692 56 30; janroelof.vandermeer@unil.ch
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