Institut für Hygiene und Umwelt

Wassergütemessnetz Daphnientoximeter

Daphnientoximeter

vergrößern Daphnientoximeter Daphnientoximeter (Bild: © HU) Im Daphnientoximeter wird das Schwimmverhalten der Daphnien per Kamera beobachtet und mit Hilfe digitaler Bildauswertung hinsichtlich daphnientoxischer Substanzen bewertet. Das erlaubt eine wesentlich detailliertere Beobachtung des Schwimmverhaltens als die früher übliche Beobachtungsmethode mit Hilfe von Lichtschranken.

Zur Bestimmung der Verhaltensparameter wird eine Messkammer mit etwa 10 Testorganismen kontinuierlich mit Probewasser durchströmt und das Verhalten der Daphnien mit Hilfe einer Kamera aufgezeichnet. Um eine Bildaufnahme zu ermöglichen, sind seitlich der im Dunkeln liegenden Messzelle Leuchtdioden angebracht. Diese geben Licht im Bereich von 700 nm ab, welches von den Daphnien nicht wahrnehmbar ist. Zusätzlich ist für die Daphnien ein von oben einstrahlendes Orientierungslicht angebracht.

Die Kamera filmt die Tiere und erzeugt ein Live-Bild, mit Hilfe einer sogenannten Plob-Analyse (Dient der Ortsbestimmung bewegter Objekte mittels geeigneter Operatoren) wird von jedem bewegten Objekt der Ort und die Fläche bestimmt und miteinander in Verbindung gebracht. So kann jedem Tier eine Bahn zugeordnet werden, auf der es sich bewegt hat, um daraus das Schwimmverhalten in Form der einzelnen Messgrößen zu ermitteln.

Die grafische Oberfläche des Daphnientoximeters zeigt dem Anwender die einzelnen Schritte des Messvorganges.

Daphnientoximeter in der Station Fischerhof

Im linken Fenster wird das Livebild der Messkammer mit den Daphnien dargestellt, in der Mitte werden online die Bahnen der einzelnen Tiere farblich abgesetzt gezeigt. Der Folder rechts im Bild zeigt den Alarm-Zustand des Gerätes in einer Ampelcodierung und die aktuellen Messwerte. Bei Bedarf werden auch andere Statusmeldungen ausgegeben. Das Diagramm unten im Bild zeigt einen Messparameter im zeitlichen Verlauf (hier fraktale Dimension). Jede verfügbare Messgröße kann hier dargestellt werden.

Durch eine automatische Auswertung der Daten kann über die Erkennung von signifikanten Veränderungen im Schwimmverhalten der Toxische Index berechnet werden. Zusätzlich wird noch die mittlere Größe der Tiere angegeben, ferner die Temperaturen des Probewassers, des Fermenters und der Vorheizung, sowie die Erkennungsrate der Kamera.

Parameter des Daphnientoximeters und deren Bedeutung

Messgröße

Bedeutung

Toxischer Index

berechneter Wert aus der Auswertung allen Messgrößen, die mit unterschiedlicher Gewichtung berücksichtigt werden; die Geschwindigkeitsklassen-verteilung geht über den Geschwindigkeitsklassenindex in die Berechnung mit ein

mittlere Geschwindigkeit

gemittelter Wert aus den Geschwindigkeiten der eingesetzten Daphnien; gilt als Maß für die Schwimmaktivität der Daphnien

Geschwindigkeitsverteilung

zeigt die einzelnen Geschwindigkeitsklassen und deren prozentuale Verteilung an; eine Aufteilung der Klassen erfolgt in 50 Stufen von sehr langsamen bis zu sehr schnellen Daphnien (Bereich: 0-1,2 cm/s)

Geschwindigkeits-Klassenindex

berechneter Wert aus der Geschwindigkeitsverteilung

mittlere Höhe

normalerweise verteilen sich die Tiere gleichmäßig in der Messküvette mit einem gewissen Abstand voneinander; während eines Schadstoffeintritts flüchten die Daphnien in einen Teil der Messküvette, so dass sich der Abstand der Tiere verringert und sich die mittlere Höhe (Schwimmhöhe) verändert; geschwächte Tiere schwimmen am Boden der Küvette, dem zu Folge sinkt die mittlere Höhe

mittlerer Abstand

(Siehe Mittlere Höhe)

Anzahl der aktiven Tiere

bei Vermehrung oder Absterben der Tiere wird die Anzahl entsprechend erkannt

fraktale Dimension

ein Maß für die Kurvigkeit der Schwimmbahnen; unter toxischem Einfluss ist ein Kreisen um die eigene Achse zu beobachten, so dass die fraktale Dimension ansteigt

Fraktale Dimension Boxcounting

ebenfalls ein Maß für die Kurvigkeit, nach einem anderen Rechenmodell erstellt

mittlere Größe

gibt die Durchschnittsgröße der Daphnien an

Erkennungsrate

zeigt die Erkennungsrate der Videokamera, bei Verschmutzung der Messzelle nimmt sie ab; es wird ein Wert über 80% angestrebt, damit die einzelnen Messgrößen als verlässlich angenommen werden können

Temperatur Vorheizung

gibt die Temperatur des Probewassers an der Vorheizung an. Die Vorheizung ist sehr wichtig, da sie insbesondere im Winter bei niedrigen Wassertemperaturen dem Problem des Ausgasens des Probewassers in der Messzelle entgegengewirkt

Temperatur Probe

gibt die Temperatur des Probewassers in der Messzelle an; es ist eine konstante Temperatur anzustreben, da sich Schwankungen direkt auf das Schwimmverhalten der Tiere auswirken können

Temperatur Fermenter

gibt die Temperatur des Algenfermenters an

Im folgenden wird zur Verdeutlichung der Funktion des Daphnientoximeters der Einfluss eines Insektizids (Trichlorfon) auf die Schwimmaktivität durch einen Versuch mit Trichlorfon (Insektizid) dargestellt. 

Versuchsbedingungen: Es wurden 10 Daphnien im Alter von 24 bis 30 Stunden in die Messzelle eingesetzt.

Nach einem Vorlauf von 12 Stunden mit unbelastetem Probenwasser (Flusswasser) wurden die Testtiere einer simulierten, zweistündigen Schadstoffwelle mit einem Konzentrationsmaximum von 2 µg/l  ausgesetzt.

Nach der Wirkstoffzufuhr sind in allen dargestellten Parametern signifikante Änderungen zu erkennen.

Daten aus dem bbe-Daphnientoximeter verschiedene Parameter

Der kurzzeitige schnelle Anstieg der mittleren Geschwindigkeit korrespondiert mit der Veränderung der Geschwindigkeitsklassenverteilung im oberen rechten Diagramm. Die Veränderung der Anzahl der Tiere zeigt eine nur sehr geringe letale Wirkung auf die Daphnien, während die übrigen Tiere nur subletal geschädigt werden. Zusätzlich ist ein Anstieg in der mittleren Schwimmhöhe zu beobachten, welches die Fluchtreaktion der Daphnien in den oberen Teil der Messzelle widerspiegelt. Die farbigen Markierungen in den Diagrammen kennzeichnen die Messwerte, die von der automatischen Auffälligkeitserkennung des Gerätes registriert werden. Die erkannten Veränderungen im Bewegungsmuster der Daphnien gehen in den Toxischen Index ein, der im Bereich der Wirkstoffzufuhr die rote "Alarmschwellenwert-Linie" (10 Punkte) überschreitet und somit einen Alarm detektiert. Am oberen Kurvenrand kann jeweils der aktuelle Alarmzustand des Gerätes, codiert in den Ampelfarben GRÜN-GELB-ROT, abgelesen werden.

Durch ein spezielles Menü am Gerät kann der "Tox-Index" aufgelöst werden. Das heisst für jeden Zeitpunkt im Datenverlauf kann die genaue Zusammensetzung der Punkteverteilung eingesehen werden, die zum Anstieg des Toxischen Indexes geführt haben. 

Beispiel:

Daten aus dem Daphnientoximeter

Das Gerät befindet sich im "grünen" Alarmzustand. Die Daphnien haben keine auffälligen Reaktionen gezeigt. Der Toxindex hat daher 0 Punkte. Im Wasser befinden sich keine daphnientoxischen Substanzen.


 

Daten aus dem Daphnientoximeter

Das Gerät befindet sich im "roten" Alarmzustand. Der Toxindex hat 10 Punkte überschritten. Die Daphnien haben auffällige Reaktionen in der mittleren Geschwindigkeit, der Schwimmhöhe und in der Auswertung des Geschwindigkeitsklassenindexes gezeigt. Der Toxindex hat 16 Punkte. Im Wasser befinden sich daphnientoxische Substanzen. 

Bei Schadstoffwirkung werden die Verhaltensänderungen von der Gerätesoftware registriert und abschließend als Alarm auf den Stationsrechner weitergeleitet. Daraufhin werden die zuständigen Mitarbeiter des Institutes für Hygiene und Umwelt über Mail und/oder SMS informiert.

Kontakt

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Michael Lechelt
Wasseruntersuchungen-Wassergütemessnetz
Marckmannstraße 129b
20539 Hamburg