(Nomination für Preisvergabe AUREA 2011): Biotoximeter - Messgerät zur Überwachung von Wasserqualität

Das Baucluster "Dunder" aus Niš hat einen Biotoximeter entwickelt, ein einzigartiges Messgerät zur online Überwachung von Wasserqualität 24 Stunden am Tag. Es handelt sich um einen Daphnientoximeter, der zum Nachweis von Schadstoffen in Gewässern verwendet wird. Das Schwimmverhalten der Daphnien ist in unbelastetem Wasser durch relativ gleichmäßige Geschwindigkeit und ruhige Bewegungen gekennzeichnet.
Unter Einwirkung von Schadstoffen verändert sich je nach Art, Konzentration und Einwirkzeit der toxischen Stoffe das Verhalten der Daphnien hin zu Hypo- oder Hyperaktivität.

Der Biotoximeter funktioniert mit Hilfe einer einfachen und preiswerten Hardware und einer komplexen Software. Das Gerät besteht aus einem Bioassay mit zwei Messkammern, einer für die Kontrollgruppe in der stabilen Wasserumgebung (die ihren natürlichen Lebensraum nachahmen) und einer für die Experimentalgruppe, in welcher Daphnienunter dem Einfluss eines kontinuierlich fließenden Probenstromes beobachtet werden. Dieses System ist 10-mal billiger im Vergleich zu ähnlichen. Es handelt sich um ein originelles Erzeugnis bzw. Software, die Daphnien 24 Stunden am Tag (alle 300-500 Milisekunden) mit einer Web-Kamera aufnimmt.

2000 Euro wurden bisher in die Entwicklung des Messgeräts investiert. Für das Testen und weitere Entwicklung und Verbesserung des Bioteximeters braucht man neue Investitionen. Das Messgerät sollte, Einschätzungen zufolge, ca. 4.000 Euro im Einzelhandel kosten. Seine Lebensdauer hängt von den eingebauten Hardware-Komponenten ab, wird aber auf 10 Jahre geschätzt.

INNOVATION

Der Biotoximeter ist Messgerät zur Überwachung von Wasserqualität mit Hilfe von Daphnien (Wasserflöhen). Die zu Kleinkrebsen gehörende Tiere reagieren empfindlich auf Schadstoffe im Wasser und lassen über die Beeinträchtigung ihrer Bewegungsfähigkeit eine Aussage über Giftstoffe im Wasser zu.

Innovativ an diesem Gerät ist die Möglichkeit für die Früherkennung und rechtzeitige Warnung vor gefährlichen Schadstoffen im Trinkwasser, was durch den Einbau des Geräts dort wo Rohwasser entnommen wird oder durch seine Anwendung an freien Wasserläufen erreicht wird.

Wie funktioniert der Biotoximeter?

Der Biotoximeter funktioniert mit Hilfe einer einfachen und preiswerten Hardware und einer komplexen Software. Das Gerät besteht aus einem Bioassay mit zwei Messkammern, einer für die Kontrollgruppe in der stabilen Wasserumgebung (die ihren natürlichen Lebensraum nachahmen) und einer für die Experimentalgruppe, in welcher Daphnienunter dem Einfluss eines kontinuierlich fließenden Probenstromes beobachtet werden.

Die Software steuert eine Webkammera, die Daphnien 24 Stunden am Tag (alle 300-500 Milisekunden) mit aufnimmt. Alle aufgenommenen Fotos werden von der Software analysiert. Kontrolliert werden die Anzahl und Größe und Daphnien werden auf ihre Bewegungsaktivität untersucht. Sinkt die Bewegungsaktivität der Daphnien in der Kammer unter einen Schwellenwert - 50% oder mehr (Schwelle nach dem Europäischen Toxizitätstest), wird ein Alarm ausgelöst, so das man entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten kann.

Daphnien

Versorgung-Daphnien (Daphnia) sind eine Gattung von Krebstieren (Crustacea), die zu den Krallenschwänzen (Onychura) gestellt werden. Die nur zwischen 1 mm und 5 mm langen Tiere werden, neben anderen, häufig als „Wasserflöhe“ bezeichnet und sind leicht zu züchten. Der Cluster Dunder verfügt über eine eigene Zuchtanlage (kleines Bioassay), nutzt aber auch Daphnien aus kleinere Seen und Flüssen in der Umgebung. Man hat am Anfang auch Daphnien aus dem See Ohridsko jezero genutzt. Daphnien werden als Eier verkauft. Diese Eier, auch „Wintereier“ oder Latenzeier (Dauereier, Ephippia) genannt, können bis zu zwei Jahre Trockenheit überstehen und bei guten Umweltbedingungen wieder ausschlüpfen. Ein Daphnienei kostet wie das Ei eines Huhns. (Daphnien vermehren sich zumeist ungeschlechtlich (parthenogenetisch). Deshalb sind 98 Prozent der Daphnien Weibchen. Wenn sich die Umweltbedingungen in ihrem Lebensraum negativ verändern (Trockenheit, Kälte, kürzere Tage, Nahrungsmangel, aber auch Giftstoffe), werden jedoch auch Männchen geboren, die die Eier der Weibchen befruchten.)

Tote Daphnien werden sofort mit der gleichen Anzahl neuer junger Daphnien ersetzt.

Lebenserwartung- In ihrem natürlichen Lebensraum können Daphnien einige Tage überleben, im Labor bis 45 Tage. Innerhalb von zwei Wochen sind sie reif genug, um befruchtet zu werden.

Der Biotoximeter besteht aus zwei Messkammern, einer für die Kontrollgruppe in der stabilen Wasserumgebung (die ihren natürlichen Lebensraum nachahmen) und einer für die Experimentalgruppe, in welcher Daphnienunter dem Einfluss eines kontinuierlich fließenden Probenstromes beobachtet werden. Den Tod der Daphnien zu ermitteln ist kompliziert und zeitaufwändig. Daher geht man davon aus, dass unbewegliche Versuchstiere tot sind. Die Immobilisierung der Daphnien ist also kein vorübergehendes Problem der Tiere, sondern zumeist der Beleg für ihr Ableben. Als bewegungsunfähig gelten Wasserflöhe, wenn sie nach einer leichten Erschütterung des Testbehälters nicht innerhalb von 15 Sekunden anfangen, zu schwimmen. Um feststellen zu können, ob es tatsächlich zu einer wesentlichen Veränderung gekommen ist, orientiert man sich an einem kombinierten Parameter, der alle Variablen umfasst: dem Toxizitätsindex. Durch die Verwendung doppelter Messzellen wird verhindert, dass ein falscher "Positivbefund" erfolgt, wenn nur sehr wenige Wasserflöhe schwächeln und dies nichts mit der Qualität des Flusswassers zu tun hat. Fällt die Anzahl der Daphnien um 50% in den letzten 24 Stunden oder weniger, wird das als nicht natürlicher Tod gedeutet.

Entsorgung- In Hinsicht darauf, dass es um zwischen 1 mm und 5 mm lange Tiere geht, müssen sie nicht aus dem Messkammer entfernt werden.

Pflege von Daphnien- Es handelt sich um ein völlig automatisiertes Gerät. Eine Web-Kamera mit PC beobachtet die Messkammer, wertet das Verhalten der Daphnien aus und stellt es in graphischer Form in der Echtzeit dar. Aus den Schwimmbahnen wird eine Vielzahl von Verhaltensparametern wie die mittlere Höhe,
mittlere Geschwindigkeit, mittlerer Abstand, die aktuelle Anzahl der Versuchstiere und ein Toxindex berechnet. Die Pflege kann aus Ferne organisiert und programmiert werden. Ein Mitarbeiter, der das Verhalten von Daphnien im Internet beobachtet, das Bioassey kontrolliert und ggf. mit neuen Daphnien befüllen sollte, reicht aus. Es handelt sich um höchstens eine halbe Stunde wochentlich oder jede zwei Wochen.

ÖFFENTLICHER NUTZEN

Wie der Biotoximeter auf die Verbesserung der Umwelt wirkt?

Zu den größten Vorteilen des Biotoximeters gehört vor allem die Möglichkeit der rechtzeitigen Prävention. Negative Folgen der Verspätung bei klassischen Prüfungsmethoden lassen sich mit diesem Messgerät vermeiden. Klassische Methoden erlauben nicht, dass Testproben kontinuierlich bzw. 24 Stunden am Tag entnommen werden. Sie verlangen, außerdem, teuere importierte Apparate für die Analyse, teuere Reagenzien, hoch qualifizierte Mitarbeiter und viel Zeit. Bis alle Analysen fertig sind, kann das verschmutzte Trinkwasser Verbraucher (Menschen, Fisch, Ökosystem) erreichen und vergiften. Massenvergiftung, Epidemien und ähnliche Unfälle - sie kosten viel Geld. Der Biotoximeter stellt eine schnelle, preiswerte und umweltfreundliche Lösung dafür.

Positiver Einfluss des Biotoximeters auf die Umwelt

Der Biotoximeter nutzt den Daphnientest, in der Umweltanalytik angewandtes und genormtes Testverfahren zum Überprüfen der Qualität von Abwässer sowie zum Beurteilen der Toxizität von Chemikalien im Wasser. Die neue Wasser-Rahmenrichtlinie der Europäischen Union (2000/60/EC) sieht Daphnien als Bio-Sensor mit dem Sicherheitsfaktor 100% vor.

Daphnien reagieren empfindlich auf Schadstoffe im Wasser und lassen über die Beeinträchtigung ihrer Bewegungsfähigkeit eine Aussage über Giftstoffe im Wasser zu. Das Schwimmverhalten der Daphnien ist in unbelastetem Wasser durch relativ gleichmäßige Geschwindigkeit und ruhige Bewegungen gekennzeichnet. Unter Einwirkung von Schadstoffen verändert sich je nach Art, Konzentration und Einwirkzeit der toxischen Stoffe das Verhalten der Daphnien hin zu Hypo- oder Hyperaktivität.

Biotoximeter und Gesundheitsschutz

Die Anwendung vom Biotoximeter für die Füherkennung von Giftstoffen im Wasser und Alarmierung der Öffentlichkeit:

• Prävention und Gesundheitsschutz in Gegenden mit endemischen, von Giftstoffen verursachten Erkrankungen

• Prävention und Schutz der Bevölkerung von kanzerogenen Stoffen im Wasser

• Prävention und Schutz von älteren Mitbürgern vor der Ansammlung von Giftstoffen, insbesondere von Schwermetallen

• Kontrolle der Wasserqualität in Flüssen, die entlang der Staatsgrenze fließen und Vermeidung von zwischenstaatlichen Konflikten

• Kontrolle der Wasserqualität in Einzugsgebieten mit großen Verschmutzer ohne entsprechenden Kläranlagen

• Nutzung von Daphnien im Biotoximeter ist die best mögliche Weise für die Früherkennung von Verschmutzer, Nanoabfällen und Nebenprodukten der Nanotechnologie

• Die Anwendung des Biotoximeters ist von großer Bedeutung dort, wo zur Vermischung von gefährlichen Giftstoffen kommen könnte. Manche Substanzen sind harmlos, aber vermischt mit anderen können die Gesundheit von Menschen, Tieren und anderen Pflanzen bedrohen.

FINANZIELLES POTENZIAL

In Serbien gab es bisher kein ähnliches Messgerät zur Überwachung von Wasserqualität. Die neuesten Analysen zeigen, dass Wasser aus 48% Wasserleitungen in Serbien mikrobiologisch und aus 34% physisch-chemisch unsicher ist. In Hinsicht darauf, dass es mehr als 6.000 Siedlungen in Serbien gibt, mit Wasserleitungen ohne irgendeine Toxizitätskontrolle, handelt es sich um ein aussichtsreiches Erzeugnis.

Zu den wichtigsten Vorteilen des Messgeräts gehören sein niedriger Preis, hohe Effizienz, Online-Überwachung, verringerte Pflegekosten, Mobilität und breiter Anwendungsbereich. Der Preis ist äußerst günstig für unseren Markt, dank einer einfachen Hardware, gebaut aus Komponenten, die am einheimischen Markt zu finden sind, und Software, entwickelt von einheimischen IT-Experten. Der Biotoximeter kostet rund 4.000 Euro. Seine Lebensdauer hängt von der Lebensdauer und Qualität der eingebauten Hardwareteilen ab, wird aber auf 10 Jahre geschätzt. Man hat bisher kein Gerät verkauft, verhandelt aber bereits mit Vertretern mehrerer Gemeinden aus Südserbien, die großes Interesse für den Biotoximeter zeigen.

2000 Euro wurden bisher in die Entwicklung des Messgeräts investiert. Man benötigt jetzt zusätzliche Mittel für neue Tests und Verbesserung des Erzeugnisses. Um in die Konkurrenz mit ähnlichen Erzeugnissen ausländischer Hersteller zu treten, muss das Gerät in allen Bedingungen getestet werden. Vier Mitarbeiter arbeiteten eineinhalb Jahre an der Entwicklung des Biotoximeters. Sie besuchten Nachbarländer, um sich mit den neuesten Trends in der Kontrolle un Qaultitäsmangement. Teammitglieder nehemen periodisch an Sommertrainings in europäischen, auf Wasserkontrolle spezialisierten Labors teil (Universität Graz, Universität Weimar, Universität Dresden, Universität Bochum).

Situation am Markt

Nach der Einführung von EU-Richtlinien in einheimische Gesetze kann man mit dem größeren Interesse der Bevölkerung, kommunalen Behörden und Wasserversorgungsunternehmen rechnen. Die Nachfrage könnte 50 Meßgeräte jährlich erreichen, was einer Wachstumsrate von 10% jährlich bis 2020 entspricht.

Konkurrenz - Trotz der erwähnten Wasser-Rahmenrichtlinie gab es bisher keine systematische Online-Kontrolle der Wasserqualität in Westeuropa, insbesondere, wenn es um das Biomonitoring geht. In den letzten Jahren gibt es immer mehr Forschungsvorhaben in Deutschland, Italien und Frankreich bei denen ein schnelles, zuverlässiges, onlinefähiges Konzept für das frühzeitige Erkennen von Verunreinigungen im Trinkwasser entwickelt werden soll.

In Serbien und in den Nachbarländern gab es bisher keine Hersteller von Daphnientoximetern. Der EU-Markt wird vom deutschen Unternehmen "Bbe Moldaenke" dominiert sowie vom Hersteller von Daphnientests "MicroBio Tests Inc" aus Belgien. Die Firma TSE ist der einzige Hersteller in Österreich. "Bbe Moldaenke" bietet ein computerisiertes Messgerät "DaphTox II", als Unterstützung für Standardprozeduren, aber es handelt sich nicht um ein Entwicklungsgerät. Der Preis ist fast unakzeptabel für unseren und Nachbarmärkten. Das Gerät DAPHTOXKIT F Magna ist relativ einfach, aber es verlangt einen großen Zeitaufwand und bietet keine feinen Analysen. Das Unternehmen Hack-Lange bietet keine Daphnientoximeter am europöischen Markt. Seine Erzeugnisse werden in den USA zu Preisen über 15.000 $ verkauft.

Potenzial- Daphnientoximeter hat ein enormes Vermarktungspotenzial. Ergebnisse, die man durch Messen bereits erzielt hat, klingen äußerst ermutigend. Mehere tausend Testproben werden jährlich weltweit durchgeführt und diese Anzahl wird rapid zunehmen. Die teuere Ausstattung und Zeit, die man für einen Offline-Versuch benötigt, ermutigen Forscher, die Entwicklung von eigenen Messgeräten fortzusetzen.

Markt- In Hinsicht auf beträchtlich strengere Vorschriften und Normen sind der EU- und US-Markt besonders attraktiv, aber man braucht enorme Investitionen, um diese Märkte für dieses Erzeugnis zu erschließen. Die schnelle Erkennung von Nano-Toxikanten wird immer aktuell in entwickelten Ländern und das wird sicher zur rapiden Entwicklung dieses Marktes führen. Der interessanteste Segment des einheimischen Marktes ist die Kontrolle der Toxizität von industriellen und kommunalen Abwässern, von Trinkwasser und Forschungslaboratorien. Öffentliche Wasserversorgungsunternehmen (Flüsse, Seen und Stauseen) und Veranstalter von risikoreichen Treffen können sich zu attraktiven Marktsegmenten entwickeln, aber erst nach der Implementierung von EU-Richtlinien und Verabschiedung von neuen Gesetzen. Das gleiche gilt auch für mehrere tausend unregulierte Dorf-Wasserleitungen. Die Wasser-Rahmenrichtlinie (2000/60/EC), die für alle Oberflächengewässer der EU einen "guten Zustand" bis zum Jahr 2015 verlangt, empfehlt den Daphnientest als Test mit dem Sicherheitsfaktor 100, während die Norm ISO 6341 die Testprozedur regelt.

Der Absatz von Toximetern wird nicht nur von der Legislative, sondern auch von anderen Markttrends, beeinflusst:

- Immer größeres Interesse der Bevölkerung, kommunaler Behörden und Wasserversorgungsunternehmen an der nachhaltigen und umweltfreundlichen Entwicklung, Qualität von Trink- und Flusswasser sowie an der potenziellen kanzerogenen Auswirkung von giftigen Stoffen im Trinkwasser;
- Potenzielle Unfälle und chemische Gefährdung von Trinkwasser machen die kontinuierliche Online-Kontrolle unausweichlich;
- Immer größerer Inhalt von Nerven- und Nanotoxine, als Folge der neuen Nanotechnologien;
- Immer mehr Laboratorien in der Welt, interessiert an der Überwachung der Toxizität und an der Forschung mit Hilfe von Biosensoren;
- Organisatoren von risikoreichen Treffen und Veranstaltungen (Sport, Musik, Politik) sowie Institutionen für die Bekämpfung von Terrorismus benötigen auch Testproben für die schnelle Erkennung von vergiftetem Wasser.

Der Markt für Biotoximeter ist national (Serbien), regional (Südosteuropa - Balkan) und international (EU und USA). Der nationale Markt lässt sich in folgenden Segmente teilen:

- Industrie (Abwasser; rechtliche, wirtschaftliche, technische Gründe);
- Wasserversorgung und -entsorgung (Trinkwasser, Abwasser, Wasserquelle; demographische, wirtschaftliche, technische Gründe);
- Forschungs- und Bildungslaboratorien (alle Wasserquellen und Gewässer; wirtschaftliche, technische, kulturelle Gründe);
- Öffentliche wasserwirtschaftliche Unternehmen (alle Wasserquellen und Gewässer; demographische, technische, politisch-rechtliche, gesellschaftlich-kulturelle Gründe);
- Organisatoren von risikoreichen Treffen - Sicherheitsdienste - Bekämpfung von Terrorismus (Trinkwasser; pravni, technische);
- Kommunale Behörden - Stadt und ländliche Gegenden (Trinkwasser, Abwasser, Oberflächengewässer; demographische ,technische, politisch-rechtliche, gesellschaftlich-kulturelle Gründe);
- Versicherungsgesellschaften (Alle Gewässer; demographische, wirtschaftliche, ekonomski, politisch-rechtliche Gründe),
- Nichtregierungsorganisationen und individuelle Forscher

Als Mitglied einer Arbeitsgruppe für Wasserschutz bietet das Innovationsteam des Clusters Dunder nicht nur die Lieferungvon Bio-Sensoren, Softwares und Installationsanleitung, sondern auch folgenden Dienstleistungen:

- Installation von Hardwares für Sensor und Aquarium;
- Unterweisung in die Benutzung von Hardware;
- Installierung eines Aquariums mit einer Kolonie von Daphnien (Daphnia Magna);
- Unterweisung in die Zucht von Daphnien im Labor;
- Installierung, Eichung und Inbetriebnahme von Software;
- Unterweisung in die Benutzung von Softwares;
- Präsentation von Messergebnissen auf der Webseite des Unternehmens des Käufers;
- Bildung eines Forums für Gruppen, interessiert an Messergebnissen im Internet;
- Aufnahme von Benutzer-Partner in das Nutzer- und Beratungs VPN (Virtual Private Network);
- Montage und Eichung von Geräten für das besondere Forschungsmessen;
- Präsentation von europäischen und nationalen Gesetzen und Vorschriften über Wasserschutz.

"Biotoksinomer" osvojio je prvo mesto na takmičenju (NIT) za najbolju tehnološku inovaciju 2010. u kategoriji inovativnih ideja u grupi medicina, zdravlje i ekologija.

Biotoximeter wurde mit dem ersten Preis am Wettbewerb für die beste technische Innovation 2010 (NIT) in der Kategorie der Innovativen Ideen in Bereichen Medizin, Gesuncheitswesen und Umweltschutz ausgezeichnet.

Cluster Dunder

Die Arbeitsgruppe, die an der Entwicklung von Biosensoren gearbeitet hat, gehört zur Organisation für kontinuierliche IT-Ausbildung, Anwendung bei der Planung und Errichtung von Gebäuden. Die Organisation unterstützt das Konzept der nachhaltigen Entwicklung mit dem Akzent auf das Baugewerbe und den Umweltschutz, als Grundlage für die Entwicklung einer "menschenfreundlichen Gesellschaft". Besonders interessant sind dabei der Schutz der Wasserqualität und erneuerbare Energiequellen (grüne Energie). Alle Teammitglieder sind mit der Schwierigkeiten in den genannten Gebieten bekanntemacht, wollen aber ihre Forschungen nicht aufgeben. Sie nehmen vorläufig an Sommertrainings in europäischen Laboratorien für Wasserschutz teil. Die weitere Entwicklung des Erzeugnisses und der Absatz sind durch eine Internetpräsentation unterstützt, die die Interaktion mit potenziellen Käufern und Mitarbeitern erleichtert.

Wenn "Biotoximeter" Ihr Favorit für die Investition des Jahres, geben Sie Ihre Stimme auf der offiziellen Webseite "Aurea 2011" ab.