En lille optisk sensor vil snart kunne erstatte dyre manuelle laboratorieprøver, når man leder efter parasitter i drikkevand. DTU’s ekspertise i parasitologi har været afgørende for, at teknologien er blevet en realitet.
Cirka halvdelen af den industrialiserede verden serverer primært overfladevand som drikkevand i hanerne. Det kan give problemer med parasitter, som nemt kan være til stede i søer og vandløb og på den måde smitte store populationer på en gang. Alligevel findes der i dag ingen hurtige målemetoder, der kan afsløre om det vand, der flyder gennem rensningsanlæggene, er inficeret med parasitter. De nuværende målemetoder kræver manuelle laboratorieprøver, og da det kan vare op til flere døgn, før man har et sikkert resultat, er det reelt for sent at forhindre, at parasitterne spredes.
I virksomheden Grundfos, hvis kerneforretning er pumper, har man også fokus på rent drikkevand som nyt forretningsområde. Her ser man potentiale for en naturlig udvidelse af produktporteføljen ved at udvikle instrumenter til de systemer, hvor virksomhedens pumper indgår. ”Vi ser hele vandbehandlingsområdet som et interessant marked for vores produkter. Og når det gælder vandrensning og flytning af vand, kommer vi meget naturligt ind på et område med onlineog realtidssensorer til at registrere mikroorganismer i drikkevand. Det gælder også parasitter,” forklarer Peter Bertelsen, seniorprojektleder i Grundfos’ forsknings- og teknologidivision.
Sammen med udviklingsvirksomheden Unisensor A/S kontaktede man først Rigshospitalets Center for Medicinsk Parasitologi, der igen tog kontakt til DTU Veterinærinstituttet, som har beskæftiget sig indgående med encellede parasitter i levnedsmidler, miljøprøver og dyrebestande. De fire parter gik sammen om at søge – og fik – fondsmidler fra Højteknologifonden til at udvikle en metode til kontinuerlig overvågning af parasitter i vandforsyningsanlæg. Det samarbejde resulterer nu i en ny og bedre teknologi end de eksisterende.
Vanskeligt at identificere
Forskningsprojektet tog udgangspunkt i at identificere to slægter af parasitter, Cryptosporidium og Giardia. Disse to slægter har arter, som smitter fra dyr til mennesker. Det foregår via dyrenes afføring, som hyppigt bruges til gødskning af landbrugsarealer og dermed udvaskes til søer og vandløb. Både i England og i Sverige, hvor vandforsyningen – delvist – baserer sig på overfladevand, har man inden for de seneste år oplevet store udbrud af infektioner med de to parasitter.
Parasitter er vanskeligere at identificere end de fleste andre mikroorganismer, som kan dyrkes og opformeres i et laboratorium. Parasitterne udskilles fra fæces i en lille kapsel, ’oocyststadiet’, og parasitten videreudvikles først, når oocysteren ankommer til en ny værts tarmkanal. Der skal kun mellem 10 og 100 parasitter til, før det kan resultere i mavepine og opkastning. Parasitterne er ganske små og kan ikke ses med det blotte øje. Cryptosporidium oocyster er 4-6 mikrometer. Giardia cirka det dobbelte. Et måleredskab, der kan detektere så små størrelser og mængder, skal derfor være ekstremt følsomt.
Kendskab til parasitters udseende
Den teknologiske løsning, som projektgruppen havde fokus på, var en optisk sensor, som skulle genkende parasitter og adskille dem fra andre lignende objekter. Og her var DTU Veterinærinstituttets ekspertise nødvendig. ”På DTU har vi en unik viden om parasitters morfologi (organismers former, red). Mange unge forskere fokuserer på identifikation via molekylære teknikker, men hvis man skal overføre en viden om parasitter til en optisk sensor, skal man have rutine i at identificere parasitæg ved hjælp af mikroskopi,” forklarer Heidi Enemark, seniorforsker og daglig leder af DTU Veterinærinstituttets parasitologiske laboratorium.
Peter Bertelsen på Grundfos supplerer: ”I vores projekt havde vi behov for at specificere kravene til en sensor. Hvilke koncentrationer af parasitter er egentlig skadelige? Hvad er rimelige genkendelsesprocenter? Og hvad er tilfredsstillende krav at stille til en genkendelsessensor? Det har vi simpelthen ikke indsigt til at vurdere, så det har været utrolig værdifuldt for Grundfos at have DTU’s erfaring og viden med i projektet.”
At træne en algoritme
Sensoren bygger på en såkaldt klassificeringsalgoritme, der kan genkende fysiske former og andre optiske karakteristika. For at træne algoritmen skal den præsenteres for billeder af parasitæg i forskellige stadier og af forskellig oprindelse og have at vide, at det er lige præcis de karakteristiske tegn, den skal reagere på som positive resultater. Samtidig skal algoritmen præsenteres for billeder af objekter, som ligner et parasitæg, men ikke er det, så den kan identificere objekter der kunne resultere i falsk positive resultater.
Det stod tidligt i processen klart, at for at kunne detektere så små mængder af parasitter var det ikke nok at lade vand løbe forbi en sensor. Det var nødvendigt at finde en metode til at opkoncentrere fundet af objekter i vandet for at kunne identificere parasitterne.
Bruger ultralyd
”Jeg kan tydeligt huske, at vi sad til et møde, og en ingeniør fra Grundfos foreslog, at vi skulle indsætte et filter og så bruge ultralyd til at ryste parasitoocysterne fri. Vi skød idéen ned i første omgang. Parasitterne ville jo blive destrueret, tænkte vi. Men idéen bed sig alligevel fast, så vi prøvede at teste ultralydspåvirkning i få sekunder ved forskellige styrker. Det viste sig, at det kunne lade sig gøre at finde en ultralydspåvirkning, som parasitterne kunne tåle,” fortæller Heidi Enemark.
Metoden gjorde det muligt at lade en mængde vand løbe forbi et filter, ryste de opsamlede parasitter fri og lade dem passere en optisk flowcelle. En teknologi, som fluks blev patenteret. På den måde blev de første funktionsmodeller udviklet og udbygget, så de ud over selve detekteringsteknologien også indeholdt en automatisk opkoncentrerings- og prøvetagningsenhed. Det er disse funktionsmodeller, der gennem det sidste halvandet år af projektet er brugt til at træne genkendelsesalgoritmen med vandprøver indeholdende mere end 10.000 forskellige parasitter eller parasitlignende objekter.
Teknologien skal modnes
Den nuværende prototype viser, at teknologien virker og er følsom nok til at detektere meget små mængder parasitter. Og potentialet er stort, men det er endnu for tidligt at vurdere, præcis hvornår teknologien kan være på markedet som produkt. ”Det kræver endnu en runde mere af teknologimodning, inden vi har et færdigt produkt. Dels skal apparatet gøres mere robust, så det kan køre i en tre-måneders-periode uden at skulle renses og vedligeholdes. Det skal vi nok få løst. Men vi mangler også at finde ud af, hvordan de data, der kommer ud af sensoren, skal bruges af vores slutbrugere, og her skal konceptet modnes yderligere,” forklarer Peter Bertelsen og tilføjer, at det især er England, Asien og USA, der sigtes imod i første omgang. Dermed venter en runde med fokus på brugervenligt design og definition af anvendelser. Skal måleenheden f.eks. placeres i råvandet, inde i selve filtrerings- og vandbehandlingssystemet eller ved kritiske slutbrugere som f.eks. hospitaler og dyrehold?
Lande, der bruger overfladevand som drikkevand, har større risiko for at blive inficeret med parasitter end lande som Danmark, hvor drikkevandet er baseret på grundvand. Alligevel mener Heidi Enemark, DTU Veterinærinstituttet, at man i Danmark undervurderer risikoen for parasitforurening. Der kan f.eks. ske fækal forurening ved skybrud, hvor kloakkerne løber over, eller i søer og svømmehaller, hvor mennesker bader. I 2000 blev der diagnosticeret ca. 1.600 tilfælde af Giardiasis og 200 tilfælde af Cryptosporidiose i Danmark. Men det er ikke altid muligt at finde en sygdomsårsag. Tarminfektion med parasitter kan let forveksles med sygdom forårsaget af andre fødevarebårne sygdomskilder f.eks. salmonella og virus, der medfører mange af de samme symptomer, nemlig diarré, mavekrampe, kvalme og opkastning.
Miljøstyrelsen udarbejdede i 2006 en risikoanalyse, hvor forskerne estimerede det faktiske antal tilfælde til henholdsvis 6 0.000 og 10.000 tilfælde om året.