Fluoreszenzbasierte in situ Messung von Cyanobakterien: Stand der Technik, Potentiale, Limitierungen, Kompensationsmethoden und Weiterentwicklung eines optischen Sensorsystems

Abstract

Ein starkes Wachstum von Cyanobakterien kann zur Bildung von Algenblüten führen. Die Häufigkeit der Berichterstattung über schwere Algenblüten, bedingt u.a. durch die Zunahme der Nährstoffmenge in den Gewässern und vermutlich den Klimawandel, hat stark zugenommen. Algenblüten können erhebliche wirtschaftliche, ökologische und gesundheitliche Risiken darstellen. Aus diesem Grund ist ein hochfrequentes Monitoring von Cyanobakterien für eine effiziente Bewirtschaftung von Wasserressourcen bzw. Ökosystemen von großer Bedeutung. Eine zu diesem Zweck häufig eingesetzte Methode ist die fluoreszenzbasierte in situ Messung von Cyanobakterien.In diesem Review zur fluoreszenzbasierten in situ Messung werden zahlreiche Störquellen identifiziert, die die Messungen beeinträchtigen. Ein quantitatives Ranking ist aus der Literatur jedoch nicht ableitbar. Die Störungen führen teilweise dazu, dass die Messungen mit Fluoreszenzsonden nur eine Schätzung der Cyanobaterienkonzentration darstellen. Es werden verschiedene Kompensationsmethoden identifiziert und beschrieben, allerdings fehlen holistischere Ansätzen. Dennoch weisen Fluoreszenzsonden bei richtigem Einsatz ein großes Potential auf, bspw. als Frühwarnsystem im Risikomanagement oder in Prognosemodellen für Cyanobakterien.Des Weiteren wird in dieser Arbeit eine experimentelle und konzeptionelle Grundlage für die Weiterentwicklung einer optischen Sonde zu einer fluoreszenzbasierten Sonde für die in situ Messung von Cyanobakterien geschaffen. Im Fokus stehen systematische erste Entwicklungsschritte, insbesondere die Bewertung der grundsätzlichen Eignung der bestehenden optischen Sondensysteme für die Anregung und Detektion von Fluoreszenz. Zu diesem Zweck werden Prototypen unter Laborbedingungen mit den Fluorophoren Rhodamin WT, Uranin und Pyranin getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass Sensor 1 mit einer breitbandigen Xenon-Blitzlampe in der vorliegenden Konfiguration nicht für das Anwendungsgebiet geeignet ist, denn das schwache Fluoreszenzsignal wird vermutlich von dem Lampenspektrum überlagert und lässt sich nicht von diesem differenzieren. Sensor 2 nutzt eine LED als Lichtquelle und ermöglicht in Kombination mit einem externen Detektor eine zu verlässige Anregung und Detektion der Fluoreszenz. Die vorliegende Arbeit zeigt den deutlichen Einfluss der Lichtquelle und der Messgeometrie auf die Detektierbarkeit von Fluoreszenz und gibt einen Ausblick auf weitere notwendige Schritte in der Sensorentwicklung.

The strong growth of cyanobacteria can lead to the formation of algal blooms. Reports of severe algal blooms, driven, among other factors, by increasing nutrient loads in aquatic systems and presumably by climate change, have risen sharply. Algal blooms can pose significant economic, ecological, and health risks. For this reason, monitoring cyanobacteria at high frequency is important for efficiently managing water resources and ecosystems. One method frequently employed for this purpose is fluorescence-based in situ measurement of cyanobacteria.This review on fluorescence-based in situ measurements identifies numerous sources of interference that adversely affect the measurements. However, a quantitative ranking cannot be derived from the literature. In some cases, these disturbances lead to fluorescence-probe measurements representing only an estimate of the cyanobacteria concentration. Various compensation methods are identified and described, although more holistic approaches are lacking. Nevertheless, when properly applied, fluorescence probes demonstrate significant potential, for instance as early-warning systems in risk management or as components of cyanobacteria forecasting models. Moreover, this work establishes an experimental and conceptual foundation for the further development of an optical probe into a fluorescence-based probe for in situ cyanobacteria measurements. It focuses on systematic initial development steps, in particular the evaluation of the fundamental suitability of existing optical probe systems for fluorescence excitation and detection. For this purpose, prototypes are tested under laboratory conditions using the fluorophores Rhodamine WT, Uranine and Pyranine. The results show that, in its current configuration, Sensor 1, which utilises a broadband xenon flash lamp, is not suitable for the intended application, as the weak fluorescence signal is likely masked by the lamp spectrum, rendering it indistinguishable. Sensor 2 uses an LED as light source and, in combination with an external detector, enables reliable excitation and detection of fluorescence. This work demonstrates the pronounced influence of the light source and measurement geometry on fluorescence detectability and provides an outlook on further steps required in sensor development.