Adam Rajsz und Bronislaw Wojtuń von der Universität Breslau konstruierten ein tragbares Wasserbad. Das Wasserbad trugen sie in einem Rucksack auf die Almwiesen des Riesengebirges, um direkt am Standort der untersuchten Pflanzen Nitratreduktase-Messungen durchzuführen.
Foto: Adam Rajsz
Wasserbäder sind einfache Geräte, die jedoch in keinem Labor fehlen dürfen. Zwei polnische Umweltforscher haben sogar ein portables Wasserbad entwickelt.
Wasserbäder gehören zur elementaren Grundausstattung biologischer Labore. Ob zum Auftauen von Proben, zur Inkubation von Reaktionen und Assays oder für das Temperieren von Bakterienkulturen: Ein entsprechend temperiertes Wasserbad bringt die Ansätze schnell auf die gewünschte Temperatur. Klar, mit Trockenheizblöcken geht das auch. Trockenblöcke lassen sich aber längst nicht mit so vielen unterschiedlichen Gefäßtypen und -größen bestücken.
Aufgemöbelt mit einem entsprechenden Gestell gibt es so gut wie kein Reaktionsgefäß – vom Reagenzglas, Kolben, Vial, Zentrifugenröhrchen bis zur Kulturflasche – das keinen Platz in einem Wasserbad finden würde. Zumal Wasserbäder in unterschiedlichen Größen zu haben sind, die vom persönlichen Miniwasserbad mit zwei Litern Inhalt bis zum großvolumigen 45-Liter-Labor-Pool reichen.
Wasserbäder kommen sehr unspektakulär daher: Mehr als eine Wanne, eine Haube sowie eine Heiz- und Steuereinheit sind nicht nötig. Dennoch haben die Konstrukteure ziemlich viel Hirnschmalz in die Optimierung der Geräte investiert.
Ein wesentlicher Knackpunkt ist die gleichmäßige Verteilung der Wärme, die von der Heizquelle auf das Wasser übertragen wird. Beim Auftauen von Proben mag es keine allzu große Rolle spielen, ob die Temperatur in der Nähe der Heizelemente deutlich höher ist als am Rand der Wanne. Bei empfindlichen Enzym-Assays kann es aber durchaus einen Versuch versauen, wenn die Temperatur innerhalb des Bades zu sehr variiert. Die Ingenieure versuchen dies zum Beispiel mit schlangenförmigen, in Boden und Wänden der Wanne verlegten Heizstäben zu verhindern. Selbst bei Temperaturen nahe dem Siedepunkt ist die Badtemperatur hierdurch sehr gleichmäßig verteilt und schwankt nur um wenige Zehntel Grad Celsius.
Fast vollständige Einigkeit herrscht bei den Herstellern in puncto Wannenmaterial: Bis auf eine Ausnahme verwenden alle Edelstahl. Die korrosionsbeständige Metalllegierung ist nicht nur robust und pflegeleicht. Die Edelstahl-Oberfläche bietet auch Biofilmen, auf denen sich Keime und sonstige Mikroorganismen ansiedeln können, kaum eine Chance zum Anhaften. Nicht vollständig von Edelstahl überzeugt sind jedoch die Entwickler des badischen Temperierspezialisten Julabo. Statt aus Edelstahl bestehen die Wände ihrer Wasserbäder aus dem Plastikmaterial Polycarbonat. Der Boden ist mit einer Emaille-Schicht versehen, die laut Hersteller-Info so hart und glatt ist wie Glas.
Wasserbäder sind ziemlich schwere Brocken, die auch ohne Wasserfüllung schnell zwanzig Kilo auf die Waage bringen. Vermutlich würde niemand auf die Idee kommen, sich so ein Monstrum auf den Rücken zu binden, um es in Feldversuchen direkt vor Ort einzusetzen – es sei denn, man ist Biologe und will die Aktivität eines Pflanzen-Enzyms am Standort der Pflanze messen.
Genau dies hatten die polnischen Pflanzenökologen Adam Rajsz und Bronislaw Wojtuń von der Universität Breslau vor. Die zwei untersuchen am Department of Ecology, Biogeochemistry and Environmental Protection, wie sich anthropogene Luftverschmutzungen auf die Pflanzen im Nationalpark des Riesengebirges im Südwesten Polens auswirken. Dazu müssen sie unter anderem die Aktivität der Nitratreduktase in situ messen – was nicht ganz einfach ist.
Der Transport der Pflanzenproben von den Almen des Riesengebirges zurück ins Labor macht wenig Sinn. Selbst wenn die Pflanzenteile auf Eis konserviert werden und innerhalb weniger Stunden im Labor ankommen, entspricht die gemessene Enzymaktivität nicht den tatsächlichen Werten am ursprünglichen Standort – falls sie überhaupt noch vorhanden ist.
Rajsz und Wojtuń konstruierten deshalb ein transportables Wasserbad, mit dem sie die Nitratreduktase-Assays direkt auf den etwa 1.400 Meter hoch gelegenen Almwiesen des Riesengebirges durchführen konnten (Environ Monit Assess 189: 332).
Auf den ersten Blick sieht das Wasserbad der Polen eher aus wie ein rechteckiger weißer Safe mit Schaltern und Display an einer der vier Seitenwände. Schaut man sich die Konstruktionszeichnung des portablen Wasserbades jedoch genauer an, so sieht man, dass der Aufbau sehr durchdacht ist. Das Hauptmodul besteht aus einem etwa vierzig Zentimeter hohen Gehäuse mit einer quadratischen Grundfläche von etwa fünfundzwanzig Zentimetern Seitenlänge. Innen ist das Gehäuse mit etwa fünf Zentimeter dickem Styropor isoliert, außen ist es weiß gestrichen. Als Wasserbehälter dient eine Edelstahlwanne im Gehäuseinnenraum, die durch einen ebenfalls mit Styropor isolierten, mit zusätzlichen Dichtungen versehenen Gehäusedeckel, wasserdicht verschlossen ist.
Für die Heizung und Kühlung des Wassers installierten Rajsz und Wojtuń ein Peltier-Element am Boden der Wanne, das über zwei Schalter an der Gehäuseaußenseite gesteuert wird. Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, platzierten sie zusätzlich eine kleine Pumpe in der Isolierschicht, die das Wasser umwälzt. Ein im Boden des Gehäuses eingebauter Ventilator sorgt im Bedarfsfall für zusätzliche Kühlung. Wie in einem herkömmlichen Wasserbad ist in der Wanne ein Gestell eingehängt, das die Probengefäße aufnimmt.
Um den Transport des Wasserbades etwas zu erleichtern, haben die polnischen Forscher eine 12V-Batterie für die Energieversorgung in einer separaten Gehäuseeinheit untergebracht. Über Schnappverschlüsse kann diese vor Ort am Boden des Hauptmoduls fixiert werden. Mit Batterie und eingefülltem Wasser wiegt das portable Wasserbad gerade mal achteinhalb Kilo und passt in einen mittelgroßen Rucksack.
Bei Raumtemperatur erhitzt das Peltier-Element das eingefüllte Wasser bis auf 90° C oder kühlt es auf maximal 7° C herunter. Da die Batterie hierbei nicht lange durchhält, empfehlen Rajsz und Wojtuń, vortemperiertes Wasser in das Wasserbad einzufüllen. Dann bleibt die Wasser-Temperatur bei Feldversuchen über mehrere Stunden konstant.
Für einen Test unter realen Bedingungen packten die beiden das Wasserbad in einen Rucksack und stiefelten damit los zu den Bergwiesen des Riesengebirges. Dort angekommen, bestimmten sie die Aktivität der Nitratreduktase in Grashalmen der Rasen-Schmiele (Deschampsia caespitosa) sowie Blättern des Alpen-Brandlattichs (Homogyne alpina).
Rajsz und Wojtuń entnahmen Pflanzenproben an vier verschiedenen Stellen, die mindestens drei Kilometer auseinander lagen und wiederholten die Enzym-Messungen mehrfach. Dazu zerschnipselten sie die Grashalme in kleine Stücke oder schnitten mit einem Locher kleines Blattkonfetti aus den Brandlattich-Blättern. Die so gewonnenen Proben inkubierten sie in dem tragbaren Wasserbad zunächst mit Inkubationspuffer für zwei Stunden bei 26° C. Anschließend führten sie den Nitratreduktase-Assay durch, bei dem als Reaktionsprodukt ein Farbstoff entstand, der einen ganzen Tag stabil blieb.
Die zwei hatten somit genügend Zeit, um gemütlich zum Labor zurückzuwandern und dort die Absorption des Farbstoffs mit einem Spektrophotometer zu messen. Die Nitratreduktase-Aktivitäten, die sie auf diese Weise für die einzelnen Probenstandorte erhielten, zeigten keine großen Schwankungen – trotz stark wechselnder Witterungsbedingungen und Temperaturverhältnisse während des Feldversuchs.
Ob der Prototyp der Polen jemals in Serie gehen wird, ist dennoch fraglich. Es sollte aber kein allzu großes Problem sein, das portable Wasserbad nachzubauen.
(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 04/2018, Stand: März 2018, alle Angaben ohne Gewähr)
