Forschung

Das gegenständliche Projekt soll Wasserversorgern und anderen Akteuren mit Anknüpfungspunkten zur Trinkwasserversorgung wie dem Roten Kreuz und dem Österreichischen Bundesheer ein Instrument zur Früherkennung mikrobieller Krankheitserreger und dazugehörige Handlungsempfehlungen zur Verfügung stellen. Dabei werden experimentelle Technologie und Prototypen zuerst im Labor validiert, um in der zweiten Projekthälfte in Feldversuchen bei Bedarfsträgern getestet zu werden. Dabei soll die potentielle Leistungsfähigkeit der Methode der holographischen Mikroskopie in Verbindung mit maschinellem Lernen in der relevanten Umgebung der Anwender – Wasserversorger und Einsatzorganisationen – validiert werden. Dabei konzentrieren sich die Projektpartner zunächst auf die Erkennung bisher bekannter mikrobieller Bedrohungen. Darüber hinaus wird das Potenzial der Technologie von Holloid evaluiert, bisher unbekannte mikrobielle Krankheitserreger nachzuweisen.

Mikroplastik (MP) sind kleine Kunststoffteile zwischen 1 μm und 5 mm Größe, die in der Umwelt als Folge der Kunststoffverschmutzung vorkommen. Deren allgegenwärtiges Vorkommen im Wasser ist zu einer großen Bedrohung für die Ökosysteme geworden. Wenn MP in die Meeres- und Süßwasserumwelt gelangen, kommen sie mit organischem Material, Nährstoffen und Mikroorganismen wie Bakterien, Algen und Pilzen in Kontakt. Schon bald sammeln sich diese Mikroorganismen auf der Oberfläche der Kunststoffpartikel und bilden Kolonien, die allmählich eine komplexe biologische Schicht, den so genannten Biofilm, bilden. Dieser Prozess kann die ökologischen Risiken von MP beeinträchtigen und zu einer erhöhten antimikrobiellen Resistenz beitragen. Er kann auch die physikalischen und chemischen Eigenschaften von MP verändern, was wiederum Einfluss darauf haben kann, wie sich diese Partikel in Wasser und Ökosysteme bewegen, z.B. ob sie schwimmen oder sinken (Sinkverhalten) und wie weit sie sich von ihrer Freisetzungsquelle entfernen können (ökologischer Transport). Unser Verständnis des Einflusses von Biofilmen auf den Transport von MP in der aquatischen Umwelt ist gering, was weitere Forschungen zu den Wechselwirkungen zwischen Mikroben und MP rechtfertigt. BIOPHYLM zielt darauf ab, die physikalisch-chemischen Veränderungen von MP während der Biofilmbildung zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf der Partikelgröße, der Dichte und der Oberflächenmorphologie liegt, um unser Wissen darüber zu erweitern, wie Biofilme die Mobilität der Partikel beeinflussen und so zu besser informierten Modellen des MP-Transports in der Umwelt beitragen. Zu diesem Zweck werden MP-Partikel dem Flusswasser von Donaukanal in Wien ausgesetzt und biophysikalische, kolloidale und Hochdurchsatz-Sequenzierungsansätze zur Untersuchung von Mikroben-Kunststoff-Interaktionen, zur Messung des Biofilmwachstums und zur Bewertung der Partikelmobilität und des Sinkverhaltens angewandt. Das Projekt wird sich auf einen weniger untersuchten, aber dennoch wichtigen Aspekt konzentrieren, nämlich auf das untere Ende des MP-Größenbereichs zwischen 1-100 μm. Darüber hinaus wird BIOPHYLM versuchen, das Wachstum von Biofilmen und die Mobilität von MP-Partikeln in Echtzeit zu messen, indem es die digitale holografische Mikroskopie einsetzt, eine bahnbrechende Technologie, die kürzlich von BOKU-Forschern entwickelt wurde. Durch die Verknüpfung der Daten aus den einzelnen Techniken möchte BIOPHYLM ein ganzheitliches Bild der Interaktionen zwischen MP und Mikroben erhalten und wichtige Wissenslücken schließen, die unser Verständnis der Rolle des Biofilms beim MP-Transport verbessern und somit eine wissenschaftlich fundierte Risikobewertung von Kunststoffpartikeln in der aquatischen Umwelt unterstützen.

Das Projekt „Holographic Identification for Safe Freshwater Environments“ (HI-SaFE) kümmert sich um die dringende Notwendigkeit, schnell, genau und kostengünstig wichtige Krankheitserreger im Wasser zu erkennen, die die Gesundheit und Sicherheit der Menschen gefährden. Mikroorganismen wie Legionellen, E. coli und toxinproduzierende Cyanobakterien wie Microcystis spp. stellen ein großes Gesundheitsrisiko dar, das durch alternde Infrastruktur und den Klimawandel noch verschärft wird. Herkömmliche Nachweismethoden sind oft langsam, teuer oder nur begrenzt einsetzbar. Holloid GmbH entwickelt eine bahnbrechende Lösung auf Basis der digitalen holografischen Mikroskopie, die eine schnelle und präzise Erkennung verschiedener Krankheitserreger auch in geringen Konzentrationen ermöglicht. In diesem Projekt unterstützt das BOKU-Institut für Kolloid- und Biogrenzflächenwissenschaften Holloid dabei, diese Lösung zu entwickeln. Durch die Integration tragbarer Echtzeit-Überwachungs- und anpassungsfähiger Probenahmestrategien können die Ergebnisse des Projekts eine schnelle Reaktion auf Kontaminationsereignisse gewährleisten, die Sicherheit von Trink- und Freizeitgewässern verbessern und damit zur öffentlichen Gesundheit beitragen.