woda wodociągowa, wtórne zanieczyszczenie, biofilm, monitoring, bioczujniki, spektroskopia impedancyjna Agnieszka TRUSZ-ZDYBEK, Teodora M. TRACZEWSKA, Katarzyna PIEKARSKA, Izabela BIEDROŃ, Magdalena SITARSKA, Andrzej SAWKO * ZASTOSOWANIE CZUJNIKA IMPEDANCYJNEGO W OCENIE STANU BAKTERIOLOGICZNEGO WODY WODOCIĄGOWEJ - BADANIA WSTĘPNE Jednym z najczęstszych problemów w czasie eksploatacji sieci dystrybucji wody jest jej wtórne zanieczyszczenie. Przyczyny mogą być bardzo różne od złego stanu technicznego systemu, poprzez niewystarczające oczyszczanie w zakładzie uzdatniania wody, aż po niekorzystne warunki hydrauliczne i zły stan sanitarny sieci wodociągowej. Chcąc monitorować jakość wody w sieci musimy dysponować metodami, które pozwolą na szybką identyfikację zanieczyszczeń, w tym przede wszystkim zanieczyszczeń mikrobiologicznych. W niniejszej pracy podjęto próbę zastosowania czujnika impedancyjnego do monitoringu jakości mikrobiologicznej wody do picia. Badania przeprowadzono w Instytucie Inżynierii Ochrony Środowiska P.Wr. w ramach grantu Czujniki i sensory do pomiarów czynników stanowiących zagrożenia w środowisku modelowanie i monitoring zagrożeń POIG. 01.03.01-02-002/08. Ich celem było opracowanie sposobu zamontowania czujnika impedancyjnego do detekcji obrostów mikrobiologicznych tworzących się w sieci wodociągowej oraz uzyskanie i opracowanie wstępnych wyników pomiaru. 1. WSTĘP Mimo stałego rozwoju technologii oczyszczania wody, zapewnienie jej stabilności biologicznej jest zadaniem bardzo trudnym. Dzieje się tak głównie dlatego, że stosowane systemy uzdatniania nie eliminują możliwości wystąpienia wtórnego zanieczyszczenia w sieci wodociągowej [1]. Problem występowania bakterii chorobotwórczych w wodzie przeznaczonej do spożycia, jest jednym z najpoważniejszych skutków wtórnego jej zanieczyszczenia. * Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław.
492 A. TRUSZ-ZDYBEK i in. Głównym źródłem skażenia bakteriologicznego są biofilmy. Poza tym mikroorganizmy mogą rozwijać się także w postaci osadów wewnątrzrurowych oraz mogą być swobodnie zawieszone w toni wodnej. Pomimo stałej obecności dezynfektanta w sieci zniszczenie tych struktur jest niesłychanie trudne. Duża prędkość przepływu w przewodach ma ogromne znaczenie podczas uwalniania komórek bakteryjnych do wody, jednak największe ich stężenie obserwuje się w końcówkach sieci wodociągowej [2, 3]. Z tego też względu tak ważny staje się monitoring jakości wody. Dotychczasowe metody analityczne odznaczały się dużą czasochłonnością a także pracochłonnością. Ich wadą jest również to, iż wymagają specjalistycznych laboratoriów. Aktualnie ogromne nadzieje pokłada się w rozwoju dziedziny zajmującej się tzw. czujnikami biologicznymi, czyli biosensorami. Budowa takiego biosensora opiera się na połączeniu materiału aktywnego biologicznie, który jest powiązany z odpowiednio dostosowanym i dobranym detektorem. To właśnie dzięki połączeniu elementów biologicznych i elektronicznych możliwe staje się precyzyjne, szybkie i czułe wykrycie nie tylko nawet niewielkich ilości związków chemicznych, ale także mikroorganizmów patogennych oraz toksyn [2]. Korzyści wynikające ze stosowania biosensorów wynikają głównie z tego, iż w prosty i szybki sposób pozwalają oznaczyć interesujące badającego zanieczyszczenia występujące w wodzie. Pomiar przy użyciu takiego czujnika najczęściej nie wymaga żadnego pracochłonnego przygotowania próbki. Dodatkowo taki czujnik może być stosowany przez kilka tygodni, a nawet miesięcy, wykonując w tym okresie setki pomiarów. Dzięki temu koszty analizy stają się bardzo małe [4]. Biosensory składają się z dwóch zasadniczych części: - warstwy receptorowej (materiał biologiczny); - przetwornika elektrycznego lub optycznego. Warstwa receptorowa czujnika biologicznego służy do rozpoznawania oznaczanego związku, natomiast przetwornik ma za zadanie przetłumaczenie sygnału biologicznego na parametr, który będzie mierzalny fizycznie oraz jego obróbkę. Receptorowa część sensora przekształca informację chemiczną w formę energii, która może zostać pomierzona przez przetwornik. Przetwornikami mogą być elektrody jonoselektywne, tranzystory, termistory, piezokryształy, czy też systemy optyczne. Jeśli chodzi natomiast o receptor, to wykorzystuje się m. in. enzymy, mikroorganizmy, przeciwciała, organelle tkanek roślinnych i zwierzęcych. Głównym zadaniem przetwornika jest transformacja mierzonego parametru na sygnał. Może to być sygnał elektryczny, optyczny lub akustyczny. W bioczujnikach wykorzystywana jest podstawowa cecha materiału biologicznego jako warstwy detekcyjnej, czyli selektywność. Jest to zdolność do reagowania na jeden, ściśle określony związek, w obecności innych związków chemicznych. Selektywność danego czujnika zależy ściśle od wykorzystanego materiału biologicznego. Sygnał odbierany przez biosensor może by przetwarzany na wiele różnych sposobów oraz z różnym stopniem skomplikowania [4, 5].
Zastosowanie czujnika impedancyjnego w ocenie stanu bakteriologicznego wody 493 Metodą spektroskopową stosowaną do uzyskania informacji o parametrach fizykochemicznych i właściwościach danego materiału jest spektroskopia impedancyjna. Pozwala ona na elektryczną analizę odpowiedzi danego elementu pobudzonego sygnałem elektromagnetycznym w szerokim paśmie częstotliwości oraz analizę odpowiedzi [6, 7, 8]. Jedną z zalet techniki spektroskopii impedancyjnej jest prostota pomiarów, która ogranicza się wyłącznie do pomiarów przebiegów czasowych prądu oraz napięcia. Najczęściej w badaniach dotyczących właściwości elektrycznych bakterii operuje się pojęciem impedancji (admitancji), która zależy zarówno od parametrów materiałowych, jak i geometrii układu, ponieważ większość przyrządów pomiarowych podaje bezpośrednio właśnie tę wartość [4, 9, 10]. 2. MATERIAŁY I METODY 2.1. CZUJNIK WYKORZYSTYWANY W BADANIACH W pracy wykorzystano czujnik ITO z tlenku cyny i indu (z ang. Indium Tin Oxide). Układ ten tworzony przez elektrody stanowi scalak o płaskiej konstrukcji, w którym każda z elektrod składa się z zestawu mikroogniw o konstrukcji grzebieniowej, mających na celu dostarczenie i odprowadzenie prądu elektrycznego z ośrodka (czujnika impedancyjnego). Jedne mikroelektrody rozmieszczone są pomiędzy mikroogniwami drugiej. W ten sposób rozmieszczony układ jest umieszczony na stałe, na podłożu szklanym. Wykorzystane elektrody są przeznaczone do pracy w środowisku wodnym (przewodach wodociągowych). 2.2. APARATURA I POMIARY W pomiarach posłużono się aparaturę pomiarową, SIGNAL RECOVERY 7280 DSP LOCK-IN AMPLIFIER. Urządzenie to miało za zadanie rejestr danych rzeczywistych oraz urojonych modułu impedancji, zmiennych w częstotliwości i czasie dzięki którym wyznaczano odpowiednie moduły. Wpływ procesu adhezji bakterii na półprzewodnikowej powierzchni elektrody ITO badano przeprowadzając pomiary impedancji w funkcji częstotliwości (SI) przez okres 72 godzin, co 24 godziny. W przeprowadzonej części doświadczalnej mierzono składowe rzeczywiste i urojone impedancji czujnika zanurzonego w zawiesinie mikroorganizmów wyizolowanych z wody do picia. Pomiary wykonano w paśmie częstotliwości od 50 Hz do 400 khz.
494 A. TRUSZ-ZDYBEK i in. 2.3. STANOWISKO BADAWCZE Do badań w układzie statycznym wykorzystano stożkową kolbę o pojemności 250 cm 3, do której wprowadzono zawiesinę mikroorganizmów. W celu uzyskania inoculum przefiltrowano 5 dm 3 wody wodociągowej przez filtr celulozowy o średnicy 47 mm (Ø 0,45 µm) firmy Whatman. Następnie filtr z mikroorganizmami umieszczono w 100 cm 3 buforu fosforanowego i wstawiono do łaźni ultradźwiękowej na 1 min., celem uwolnienia do roztworu mikroorganizmów obecnych w placku filtracyjnym. Po wyciągnięciu filtra z kolby zamontowano w niej czujnik i postawiono ją na wytrząsarce oscylacyjnej typu Heidolph Unimax 1010. Układ ten połączono przy użyciu kabelków zakończonych krokodylkami (klemami), które wychodziły bezpośrednio z opornika, natomiast opornik (Opornik dekadowy DR6-16) przy pomocy połączeń bananowych połączono z urządzeniem przetwarzającym (Signal Recovery). 3. WYNIKI Najważniejszymi zagadnieniami związanymi z montażem czujnika impedancyjnego było połączenie układu scalonego czujnika z urządzeniem przetwarzającym dane SIGNAL RECOVERY oraz rozwiązanie problemu izolacji wodoszczelnej. Kabel dwużyłowy przymocowano do elektrod czujnika a następnie umieszczono czujnik w kształtkach PCW i zalano sylikonem sanitarnym w celu uszczelnienia. Tak przygotowany czujnik posłużył do sporządzenia pierwszych testów laboratoryjnych. Uzyskane w pracy wyniki przedstawiono w postaci wykresów (rysunki 1-4) zależności: urojonej i rzeczywistej części składowej impedancji oraz modułu i argumentu impedancji w funkcji częstotliwości oraz zależności argumentu impedancji w funkcji czasu. Rys. 1. Widmo częstotliwościowe rzeczywistej części składowej impedancji
Zastosowanie czujnika impedancyjnego w ocenie stanu bakteriologicznego wody 495 Rys. 2. Widmo częstotliwościowe urojonej części składowej impedancji Uzyskane wyniki widm częstotliwościowych urojonej i rzeczywistej części składowej impedancji wykazują odwrotną tendencję dla najniższej badanej częstotliwości (50 Hz) niezależnie od czasu prowadzenia odczytu (rys. 1 i 2). W przypadku części urojonej impedancji ma miejsce jej wzrost przeciwnie do części rzeczywistej. Analiza urojonej części składowej impedancji (rys. 2) w trakcie trzeciego odczytu danych (48 godzina) pozwoliła zaobserwować pik dla częstotliwości 150 khz. Podobnie układały się dane na wykresie obrazującym zmianę argumentu impedancji w funkcji częstotliwości (rys. 3). Podobnych tendencji nie wykazano dla wykresów przedstawiających zależności części rzeczywistej impedancji (rys.1 ) w funkcji częstotliwości. Rys. 3. Analiza częstotliwościowa zmian argumentu impedancji Na podstawie analizy wyników zależności częstotliwości części urojonej i argumentu impedancji wyznaczono dla stałej wartości częstotliwości wynoszącej 150 kh argument impedancji w funkcji czasu.
496 A. TRUSZ-ZDYBEK i in. Rys. 5. Zależność czasowa argumentu impedancji Uzyskane wyniki zależności argumentu impedancji w czasie dla częstotliwości 150 khz (rys. 5) mogą świadczyć o charakterze zachodzących w badanej hodowli statycznej zjawisk. Początkowy nagły wzrost wartości zarówno modułu, jaki i argumentu w ciągu pierwszych 24 godzin najprawdopodobniej świadczył o intensywnie przebiegających procesach fazy wstępnej tworzenia się błony biologicznej na powierzchni czujnika. Być może zaobserwowany wzrost badanych parametrów związany był z intensywną adsorbcją na powierzchni czujnika. Analiza wyników kolejnych godzin badania argumentu impedancji i nieznaczny spadek tych wartości pod koniec badań to najprawdopodobniej początkowe odrywanie się (odczepianie) słabo osadzonych na powierzchni czujnika mikroorganizmów a następnie utworzenie się stanu równowagi. 3. WNIOSKI W realizowanej w ramach grantu Czujniki i sensory do pomiarów czynników stanowiących zagrożenia w środowisku modelowanie i monitoring zagrożeń POIG. 01.03.01-02-002/08 pracy skonstruowano i zmontowano połączenie układu scalonego czujnika z urządzeniem przetwarzającym dane, dokonano umocnienia montażu a następnie dokonano wstępnej weryfikacji użyteczności konstrukcji w detekcji obrostów mikrobiologicznych tworzących się w sieci wodociągowej. W tym celu skonstruowano stanowisko badawcze. Uzyskane wyniki zależności części składowej urojonej i rzeczywistej impedancji oraz i argumentu w funkcji częstotliwości pozwoliły na wybór jednej częstotliwości (150kH), dla której wyznaczono zależność czasową argumentu impedancji. Analiza tych wyników pozwoliła na potwierdzenie prawidłowości montażu czujnika impedancyjnego ITO z urządzeniem przetwarzającym dane.
Zastosowanie czujnika impedancyjnego w ocenie stanu bakteriologicznego wody 497 Otrzymane w badaniach wyniki, i na ich podstawie uzyskane zależności, należy traktować głównie, jako wstępną weryfikację pomysłu i realizacji montażu czujnika nowopowstałego układu pomiarowego. Badania powinny być powtórzone w szerszym zakresie, czyli ponownie w hodowli statycznej jak również w modelowym układzie przepływowym odzwierciedlającym warunki panujące w sieci wodociągowej a następnie w układzie rzeczywistym. Badania prowadzone w ramach projektu: Czujniki i sensory do pomiarów czynników stanowiących zagrożenia w środowisku modelowanie i monitoring zagrożeń. POIG. 01.03.01-02-002/0 LITERATURA [1] TRACZEWSKA M.T., PIEKARSKA K., TRUSZ-ZDYBEK A., SITARKSA M., BIEDROŃ I., PIETA P., LEŚNIAK M., Monitoring techniczny jakości mikrobiologicznej wody wodociągowej, [w:] Instalacje basenowe: praca zbior. /pod red. Kusia K. i Piechurskiego F. Gliwice: Instytut Inżynierii Wody i Ścieków. P.Śl, 2011, 197-210. [2] GRABIŃSKA-ŁONIEWSKA A., SIŃSKI E., Mikroorganizmy chorobotwórcze i potencjalnie chorobotwórcze w ekosystemach wodnych i sieciach wodociągowych, Wyd. Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 2010, 157-166. [3] ŚWIDERSKA-BRÓŻ M., WOLSKA M., Główne przyczyny wtórnego zanieczyszczenia wody w systemie dystrybucji, Ochrona Środowiska, 2006, Vol. 28, No. 4. [4] TRACZEWSKA M.T., PIEKARSKA K., TRUSZ-ZDYBEK A., BIEDROŃ I., SAWKO A., SITARSKA M., Czujnik mieszane do kontroli mikrobiologicznej stabilności wody, Cz. 6, Zadanie 5. Działanie 4 / Raporty Inst. Inż. Ochr. Śr. P.Wroc. 2011, Ser. SPR. [5] TRACZEWSKA T. M., SITARSKA M., SZCZEPANIK Z., RUCKI Z., GRABAS K., PIĘTA P., TRUSZ- ZDYBEK A., PIEKARSKA K., Czujniki mieszane do kontroli mikrobiologicznej stabilności wody (Część 1). Zad. 5 Dział. 5.4, Raport SPR- nr 15/2009. [6] ZIMMERMANN U., Electrical breakdown, electropermeabilization and electrofusion. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol, 1986, 175-256. [7] CYGAŃSKI A., Podstawy metod elektroanalitycznych, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 2004. [8] TRACZEWSKA T. M., SZCZEPANIK Z., PIEKARSKA K., RUCKI Z., TRUSZ-ZDYBEK A., SITARSKA M., BIEDROŃ I., Metody elektryczne badania stanu bakteriologicznego wody, [w:] Metrologia dziś i jutro pod red. Jakubca J., Moronia Z., Juniewicza H., Oficyna Wyd. P.Wr., Wrocław 2010. [9] LYE D., SHAY FOUT G., CROUT S.R., DANIELSON R., THIO C.L., Survey of ground, surface, and potable waters for the presence of Legionella species by enviroamp PCR Legionella kit, culture, and immunofluorescent staining, Water Research, 1997, Vol. 31, No. 2, 287-293. [10] TRACZEWSKA T. M., BIEDROŃ I., CIUPAK K., DŻUGAJ D., PIEKARSKA K., PIĘTA P., SITARSKA M., TRUSZ-ZDYBEK A., Biosensor do kontroli mikrobiologicznej stabilności wody wodociągowej, [w:] Czujniki i sensory do pomiarów czynników stanowiących zarażenia w środowisku. Cz. 1 pod red. W. E. Grzebyka, PWR, Wrocław 2011.
498 A. TRUSZ-ZDYBEK i in. APPLICATION OF THE IMPEDANCE SENSOR FOR THE ASSESSMENT OF THE BACTERIOLOGICAL STATE OF TAP WATER PRELIMINARY RESEARCH One of the most common problems during the exploitation of water distribution network is its secondary water pollutions. The causes can be very different - from the bad technical condition of the system, through inadequate purification in the water treatment plant, to the unfavorable hydraulic conditions and poor sanitary state of water supply. To monitor the water quality in the network we need to have methods that allow for rapid identification of contaminants, especially microbial. In this study was to apply the impedance sensor for monitoring the microbiological quality of drinking water. The research was carry out at the Institute of Environmental Protection Engineering Wrocław University of Technology in the Grant Detectors and sensors for measuring factors hazardous to environment modeling and monitoring of threats. The project financed by the European Union via the European Regional Development Fund and the Polish state budget, within the framework of the Operational Programme Innovative Economy 2007 2013. The contract for refinancing No. POIG.01.03.01-02-002/08-00. The aim of the study was to develop a method of installation the impedance sensor for the detection of biofilm formed in the water supply and to obtain and prepare the preliminary results of the measurements.