Die unsichtbaren Spuren im Blick

Mikroschadstoffe sind ein paradoxes Problem der modernen Wasserwirtschaft: Sie treten zwar oft in sehr geringen Konzentrationen auf, können aber – etwa als Arzneimittelrückstände, Pestizide oder Industriechemikalien – dennoch ökologische und gesundheitliche Schäden verursachen. Das Problem: Gerade, weil die Konzentrationen so gering sind, ist der Nachweis bislang häufig nur mit aufwendiger, zeitversetzter und kostenintensiver Laboranalytik möglich. Im Thüringer Wasser-Innovationscluster (ThWIC) adressiert das Projekt „Neue Nachweisverfahren für Mikroschadstoffe im Wasser (MIKA)“ genau diese Lücke: Es zielt auf ein markierungsfreies Vor-Ort-Verfahren, das Mikroschadstoffe in Abwasserproben schneller nachweisbar machen soll. Regionale Partner, darunter auch die Steinbeis Qualitätssicherung und Bildverarbeitung GmbH (SQB GmbH), bündeln dafür Kompetenzen aus Photonik, Datenanalyse und Systementwicklung.

Das ThWIC wird als Teil der bundesweiten Clusters4Future-Initiative des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert und verfolgt einen klar inter- und transdisziplinären Ansatz: Neue Analysetechnologien und Reinigungsverfahren werden mit datenwissenschaftlichen und sozialwissenschaftlichen Perspektiven verknüpft, um Wassernutzung ganzheitlich weiterzuentwickeln und die Ergebnisse in Praxisanwendungen zu überführen.

Das ThWIC als Brücke zur Anwendung

Die strategische Dimension ist bemerkenswert: Für das ThWIC ist eine Förderung durch das BMFTR über bis zu neun Jahre vorgesehen, um Lösungen für nachhaltige Wassernutzung bis in die Industrie zu transferieren. Im Verbund von mehr als 40 Partnern zielt das ThWIC darauf ab, Spitzentechnologie in die regionale Wirtschaft zu bringen und zugleich das „Wasserbewusstsein“ in der Gesellschaft zu stärken.

Das Projekt MIKA ist im Innovationsfeld „Wasser analysieren“ angesiedelt – einem von insgesamt vier Schwerpunkten des ThWIC. Hier werden Technologien entwickelt, die chemische Belastungen im Wasser nicht nur genauer, sondern vor allem praktikabler erfassen sollen – ein Schlüssel, wenn Monitoring nicht Ausnahme, sondern Routine werden soll.

MIKA: Technologieansatz für den schnellen Vor-Ort-Nachweis

MIKA setzt auf eine Kombination aus plasmonischen Multiplex-Assays und Fingerprintanalyse, um Mikroschadstoffe in Abwasserproben zu erkennen. Die Basis der Analyse bildet ein Edelmetallnanopartikel-Array, dessen Nanopartikel als Spots angeordnet und mit Aptameren funktionalisiert werden. Aptamere sind DNA-basierte Rezeptoren, die ausgewählte Zielmoleküle binden – im Fall von MIKA unter anderem Carbamazepin, Diclofenac und Benzotriazol als Leitindikatoren für Kontamination einer Wasserprobe.

Die Bindung liefert zunächst Hinweise auf Schadstoffklasse und Eigenschaften. Der entscheidende technische Schritt ist dann die optische Detektion dieser Bindungsereignisse im sichtbaren Spektralbereich – mittels einer neuartigen Detektoreinheit mit ortsauflösender bildgebender Spektroskopie.

Für zusätzliche Spezifität ergänzt MIKA die optische Signatur durch Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Dabei verstärken die Edelmetallnanopartikel das Raman-Signal – das Ergebnis ist eine Art molekularer „Fingerprint“, der die Unterscheidung chemischer Verbindungen robuster macht.

Das anvisierte Anwendungsspektrum reicht über die klassische Wasseranalytik hinaus: Perspektivische Einsatzfelder sind auch Medizin und Umweltmonitoring sowie Anwendungen überall dort, wo ein hochauflösender, schneller Vor-Ort-Nachweis echten Mehrwert bietet.

Erfolgreicher Transfer: Vom Laboraufbau zum robusten System

Die SQB GmbH entwickelt in diesem Projekt eine hochgenaue Detektoreinheit mit ortsauflösender bildgebender Spektroskopie und adressiert damit genau jene Komponente, die im MIKA-Gesamtsystem die Brücke zwischen biochemischer Bindung (Aptamer-Rezeptoren) und datengetriebener Auswertung schlägt: die optische Detektion als mess- und industriefähiges Modul.

Aus Transferperspektive ist besonders interessant, dass SQB nicht nur Forschungspartner ist, sondern auch als Systemintegrator für Bildverarbeitungs- und Kamerasysteme fungiert. „Diese Ausrichtung passt zu MIKA: Sobald ein Nachweisprinzip grundsätzlich funktioniert, entscheidet die Umsetzung in robuste, wiederholbare Hardware- und Softwareketten darüber, ob ein Verfahren außerhalb spezialisierter Labore bestehen kann“, fasst Geschäftsführer Steffen Lübbecke zusammen.

Photonik, Visualisierung, Design – und SQB als Engineering-Knoten

MIKA ist im ThWIC-Umfeld ein regionales Verbundprojekt mit den Partnern Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), Friedrich-Schiller-Universität Jena (Informatik – Visualisierung und explorative Datenanalyse) sowie der design:lab weimar GmbH.

Diese Mischung ist typisch für Verfahren, die sowohl „harte“ Messtechnik als auch Nutzbarkeit erfordern: Photonik liefert die optische Tiefe, Informatik die Auswerte- und Visualisierungslogik, Design die Interaktions- und Anwendungsnähe – und SQB die Ingenieurbrücke, um aus Forschungsaufbauten integrierbare Messmodule zu machen.

MIKA: Mehr als ein Sensorprojekt

MIKA adressiert nicht nur eine analytische Herausforderung, sondern auch eine strukturelle: Wenn Wassermanagement resilient werden soll, braucht es Messbarkeit in höherer Dichte – zeitlich und räumlich. Laboranalytik bleibt Goldstandard, skaliert jedoch nur begrenzt in den Alltag von Anlagenbetrieb, Gewässermonitoring oder kurzfristiger Ereignisaufklärung.

Das MIKA-Konzept kombiniert deshalb drei Hebel:

1. Selektivität auf Rezeptorebene (Aptamere)
2. Informationsdichte auf Sensor- und Signalseite (bildgebende Spektroskopie und SERS-Fingerprint)
3. Entscheidungsgeschwindigkeit auf Datenseite

Die Rolle von SQB – Detektoreinheit und Integrationskompetenz – ist dabei nicht Beiwerk, sondern Voraussetzung dafür, dass das Zusammenspiel dieser Hebel in ein handhabbares Gesamtsystem münden kann.