Projekt skal kvalitetssikre vores drikkevand

Af Hans-Jørgen Albrechtsen, Lektor, Projektleder af SENSOWAQ, DTU Miljø

Når drikkevandskvalitet måles i dag, udtages der vandprøver på stikprøvebasis. Vandprøven bringes til laboratoriet, hvor den analyseres - ofte med tidskrævende analyser, hvor det for fx mikrobiologiske analyser tager to til tre døgn før resultaterne foreligger. Med andre ord, resultaterne foreligger først flere dage efter, at vandet er brugt eller drukket.

Sker der så en mikrobiologisk forurening som i Køge i januar sidste år, kan det vare længe inden forureningen opdages, og med svartider på flere døgn kan det være særdeles vanskeligt at vurdere, om de tiltag, der bliver gjort for at afhjælpe forureningen, rent faktisk virker. Ydermere er der kun krav om, at der skal udtages ganske få prøver i løbet af året for at overvåge drikkevandskvaliteten, og aktuelt blev forureningen i Køge da heller ikke opdaget ved hjælp af analyserne, men fordi forbrugerne blev syge. Med en lav prøvetagningsfrekvens vil mange kortvarige forureninger givetvis blive overset, og længerevarende forureninger vil blive opdaget sent. I nogle tilfælde tror vi måske, at vi er blevet syge af noget vi har spist, mens det i virkeligheden er en kortvarig forurening af drikkevandet, der har skylden.

Et nyt strategisk forskningsprojekt
Nu bliver der imidlertid gjort en indsats for at udvikle mere tidssvarende metoder til at overvåge drikkevandskvaliteten. Med en bevilling fra Det Strategiske Forskningsråd på otte millioner kr., og med væsentlige bidrag fra de involverede industripartnere, blev projektet SENSOWAQ – Sensors for Monitoring and Control of Water Quality startet sidste år. Projektet har til formål at udvikle sensorer til at måle og monitere vandkvalitet og vil forløbe over de næste fire år.

Projektets vision er at udvikle sensorer, som kan monteres på vandledningerne (in-line), måle kontinuert, give hurtige analyse-svar (real-time) og sende resultatet (on-line) til en alarmfunktion, fx på vandværket. Et videre perspektiv er så, at signalet fra sensorerne kan benyttes til aktivt at styre vandforsyningen, fx til at lukke boringer, omdirigere vandstrømme eller at hindre eller begrænse at en ringe vandkvalitet spredes i ledningsnettet.

Desværre er der i dag ingen eller kun meget få sensorer, der kan måle kvalitetsparametre, fx indhold af pesticider eller mikrobielle forureninger. Derfor vil udvikling af nye sensorer give vandindustrien et nødvendigt løft på vandkvalitetssiden.

Samarbejde mellem universiteter, forskningsinstitutioner og industri
Konsortiet, der skal gennemføre projektet, består af tre universiteter, tre forskningsinstitutioner, seks private firmaer, og tre slutbrugere, nemlig vandforsyninger. Spidskompetencer og faglig viden bringes derfor i anvendelse og omsættes i praksis for at udvikle produkter, der vil give bedre vandkvalitet. Desuden deltager et tysk universitet, som giver mulighed for, at projektet kan hjemtage central international viden. Firmaernes og vandforsyningernes deltagelse viser projektets relevans, og sikrer, at projektet kan etablere en stærk platform for bruger-dreven innovation.

Projektets fokusområder
Projektet er opdelt i to dele. En del har fokus på at udvikle sensorer for pesticider (med hovedfokus på BAM), arsen og metaller. Den anden del har fokus på at udvikle sensorer for mikroorganismer, dels specifikke indikatororganismer som E. coli og Enterococcaceae, dels generel mikrobiel aktivitet. Desuden arbejdes med detektorer for korrosion, herunder biokorrosion, det vil sige korrosion forårsaget af mikroorganismer.

Hvad er en sensor?
En sensor består i princippet af en sensordel og en platform, der omdanner detektionen til et elektrisk signal.

Selve sensordelen detekterer, registrerer eller ’sanser’ den parameter, der ønskes målt, fx et pesticid, en bakterie eller temperatur. I SENSOWAQ undersøges en række forskellige detektionsprincipper. Disse detektionsprincipper omfatter for eksempel immunosensorer eller biosensorer, der er baseret på antistoffer, som binder sig til specifikke stoffer – i SENSOWAQ benyttes dette princip til at måle for pesticidnedbrydningsstoffet BAM, der er et af de hyppigste pesticider i danske vandforsyninger.

Et andet detektionsprincip er baseret på biosensorer af helceller, hvor mikroorganismer benyttes som det ’sansende’ element. Der benyttes for eksempel gensplejsede bakterier, som, når de udsættes for specifikke stoffer, udsender lys eller stopper med at udsende lys. Dette lyssignal kan så registreres som mål for tilstedeværelsen af det stof, som helcelle-biosensoren er følsom for.

Ved at påvise visse enzymer, som udelukkende forekommer hos bestemte bakterier som fx E. coli, giver det mulighed for at påvise disse bakterier. Kan enzymet fx spalte et molekyle, så der frigives et farvestof, er der på denne måde mulighed for at påvise de specifikke bakterier ved at måle mængden af frigivet farvestof. Desuden kan mikroorganismer - eller specifikke gener, der er karakteristiske for de enkelte arter eller grupper - detekteres med molekylære metoder, baseret på DNA- eller RNA-metoder.

Alle levende celler indeholder ATP (adenosin-tri-phosphat), som transporterer energi rundt i cellerne. Øges en vandprøves indhold af ATP er det et tegn på, at bakteriemængden eller bakterieaktiviteten er blevet forøget – og det kan tyde på en forurening. ATP kan bringes til at reagere med et enzym, der reagerer med luciferin (der er den proces, der får ildfluer til at lyse), hvorved der udsendes lys, hvilket således kan fungere som et detektionsprincip.

I projektet vil der blive arbejdet med at udvikle forskellige detektionsprincipper, og den helt store udfordring vil være, at kunne detektere de lave koncentrationer, der er karakteristiske for drikkevand.

Sensorplatforme
Det er imidlertid ikke tilstrækkeligt at få de forskellige detektionsprincipper til at virke og til at være tilstrækkeligt følsomme - det skal også være muligt at få ’sansningen’ omdannet til et signal – og helst et elektrisk signal, der er proportionalt med koncentrationen af det stof, der detekteres. Til at løse dette problem kræves en platform, der fungerer som interface eller kobling mellem ’sansningen’ og et elektrisk signal. En af de ideer, der i projektet undersøges til at løse dette problem, er anvendelse af cantilever-teknologi.

En cantilever er en meget lille fjeder eller bjælke i nanoskala, der bøjer, når den kommer i kontakt med stoffer, som den er følsom overfor. Coates overfladen af cantileveren med molekyler som reagerer specifikt med den parameter, der måles for, vil bøjningen afhænge af, om coating reagerer med de stoffer, den er følsom overfor. Kan bøjningen måles optisk, og kan der således skabes en sensor i nano-skala. Dette er nok den aktivitet i projektet med størst risiko, idet det er usikkert, om dette princip bliver færdigudviklet i projektperioden – på den anden side rummer denne aktivitet et meget stort og spændende potentiale.

Andre platforme, der arbejdes med i projektet er for eksempel optisk teknologi, baseret på optiske fibre til helcelle-biosensorer, PCR-teknologi til DNA- og RNA-detektion og fotomultipliere samt automatiserede prøvetagnings- og filtreringsystemer til kvantificering af ATP.

Formidling af resultater
Projektet er nu kommet godt i gang, og når resultaterne begynder at tikke ind vil de blive formidlet til både branchen og det internationale videnskabelige samfund gennem artikler og ved projektdeltagernes aktive deltagelse i offentlige møder. Projektets hjemmeside www.Sensowaq.dk vil også løbende blive opdateret. I det omfang der gøres helt nye opfindelser, vil det imidlertid tage lidt længere tid inden de når ud til offentligheden, da patentrettighederne først skal sikres.