Point of Care Technologien (POCT) für die Umweltdiagnostik – zum Schutz von Wasser, Boden, Luft und bei Gefahrenlagen

fTeilen

Hinter dem Kürzel POCT verbergen sich patientennahe Tests und Diagnosen,
die statt im Labor beispielsweise bei Patienten zuhause oder im
Rettungswagen durchgeführt werden. Sie sind oft das Mittel der Wahl, wenn
es auf schnell verfügbare und zuverlässige Ergebnisse ohne hohen Aufwand
ankommt. POCT hält nun auch in der Umweltdiagnostik Einzug.
Anwendungsbeispiele sind etwa die Überwachung von Abwasser und Gewässern,
sensorbasierte Systeme zur Verbesserung des Stallklimas in Mastbetrieben
oder mobile Bodenanalytik für einen präziseren Düngemitteleinsatz in der
Landwirtschaft. Aber auch bei verschiedenen Gefahrenlagen können schnell
verfügbare Daten helfen, Leben besser zu schützen.

POCT Diagnostik zielt auf Einzelmessungen und punktuelle Momentaufnahmen
direkt vor Ort ab, ohne dass dauerhaft installierte Systeme erforderlich
sind. Im Fokus stehen schnelle, aufwandsarme Analysen mit minimaler
Probenvorbereitung, die flexibel und situativ eingesetzt werden können.
Dadurch eignet sich POCT besonders für wechselnde Einsatzorte und
unmittelbare Entscheidungsbedarfe, wie die nachfolgenden
Anwendungsbeispiele zeigen.

Sensorbasierte Vor-Ort-Diagnostik als Grundlage für die Echtzeitsteuerung
in der Abwassertechnik

Dezentrale Abwasseranlagen oder kleine Klärsysteme etwa auf Campingplätzen
unterliegen strengen Umweltauflagen; ihr Betrieb muss dabei mit wenig
Arbeitsaufwand und kostengünstig möglich sein. Allein mit punktuellen
Messungen ist jedoch kein gutes Klärergebnis zu erzielen. Für eine
datengetriebene, automatisierte Steuerung kann POCT auch in der
Abwassertechnik eine Schlüsselrolle spielen: Eine dezentrale Vor-Ort-
Analytik liefert dafür kontinuierlich und schnell wesentliche Prozessdaten
wie Durchfluss, Nährstoffe oder Sauerstoff. Die Datenerfassung kann mit
hochpräzisen und kostengünstigen Sensoren erfolgen, die jeweils
unterschiedliche Stärken und Schwächen besitzen. Die intelligente
Vernetzung dieser Sensorik eröffnet die Perspektive einer Fernüberwachung
und datenbasierten Prozesssteuerung: Sind ausreichend smarte und
gleichzeitig robuste Sensoren vorhanden, können Klärprozesse in Echtzeit
gesteuert und Wartungseingriffe dank exakter Vorhersage des richtigen
Zeitpunkts rechtzeitig geplant werden (prädiktive Instandhaltung). Ein
digitaler Anlagenzwilling als exaktes Abbild der realen Anlage erlaubt
zudem ein noch besseres Verständnis von Wirkzusammenhängen und damit eine
Annäherung an den optimalen Betriebspunkt. Für eine besonders hohe
Wirtschaftlichkeit kann die Kombination weniger, günstiger Sensoren mit
geeigneten KI-Modellen sorgen: gute Messqualität genügt oft bereits, es
muss nicht immer Laborqualität sein.

----

Sensorbasierte Wasserwand zur Verbesserung des Stallklimas in der
Schweinehaltung

In der landwirtschaftlichen Tierhaltung entstehen Treibhausgase wie Methan
und Lachgas; auch aus Exkrementen entstandener Ammoniak trägt indirekt zu
einer ungünstigen Klimabilanz bei. Die Betriebe stehen unter
regulatorischem Druck, Emissionen zu senken und dürfen dabei das Tierwohl
genauso wenig außer Acht lassen wie Energieeffizienz und
Wirtschaftlichkeitsaspekte.

Ein möglicher Lösungsansatz ist ein sensorbasiertes Wasserwandsystem, das
Schadgase und Staubpartikel aus der Stallluft bindet und zusätzlich das
Stallklima verbessert, indem es Wasser verdunstet (adiabate Kühlung). Ein
solches System wird durch ein Bündel von Sensoren (z. B. für Ammoniak,
CO₂, Temperatur und Feuchte) sowie intelligente Algorithmen gesteuert, die
eine grundlegende Voraussetzung für die zielgerichtete Emissionsreduktion
schaffen. Der Zielkonflikt zwischen Emissionsminderung, Tierkomfort
(Zugluft vermeiden) und Energieeffizienz kann dadurch entschärft werden,
dass die Anlage adaptiv und datengetrieben arbeitet und so situativ
günstige Bedingungen einstellt. Deutlich weniger Ammoniak, Staub und ein
niedrigerer Keimgehalt lassen sich also ebenso erreichen wie stabilere
Temperatur- und Feuchteverhältnisse im Stall.

Voraussetzungen für einen erfolgreichen Praxiseinsatz sind robuste
(gegenüber rauen Stallbedingungen unempfindliche) Sensorik und
maßgeschneiderte Steuerungssysteme. Ein »Beifang« aus den Sensordaten ist,
dass der Zusammenhang zwischen Stallklima und Tierverhalten (wie
bevorzugte Aufenthaltsbereiche im Stall) erkennbar wird. Die Sensorik
lässt sich so zusätzlich als indirekter Indikator für das Tierwohl nutzen.

----

Mobile Bodenanalytik für gezielteren Düngemitteleinsatz

Die moderne Landwirtschaft muss den Herausforderungen des Klimawandels und
der Ressourcenknappheit begegnen. Herkömmliche Laboranalysen sind für ein
schnelles Reaktionsmanagement oft zu zeitaufwendig und kostspielig. Ein
direkter Vor-Ort-Ansatz ermöglicht es hingegen, Daten unmittelbar im Feld
zu erheben.

Technologie und Funktionsweise
Die Basis bilden mobile, miniaturisierte elektrochemische Sensoren und
IoT-Netzwerke. Sensorik und verbundene IT-Systeme erlauben eine
kontinuierliche Überwachung kritischer Parameter direkt im Boden:
- Nährstoffe: insbesondere Nitrat (entscheidend für Ertrag und
Umweltschutz)
- Bodenbeschaffenheit: pH-Wert und Temperatur
- Wasserhaushalt: Bodenfeuchte

Die Vorteile der Vor-Ort-Analytik
Da Böden räumlich und zeitlich stark variieren, ist eine hohe Messdichte
unerlässlich. Die mobile Diagnostik bietet hier entscheidende Vorzüge:
- Echtzeit-Daten: Ergebnisse liegen sofort vor, ohne den Umweg über ein
externes Labor.
- Präzision: Düngung und Bewässerung können exakt auf unterschiedliche
Bedarfe der Fläche abgestimmt werden.
- Nachhaltigkeit: Gezielte Maßnahmen senken die Kosten und minimieren die
Umweltbelastung (z. B. Nitratauswaschung).

Die Verlagerung der Analytik vom Labor direkt aufs Feld ist also der
Schlüssel zu einer datenbasierten Landwirtschaft. Sie verbindet
wirtschaftliche Effizienz mit ökologischer Verantwortung und ermöglicht
eine punktgenaue Bewirtschaftung in Echtzeit.

----

In Gefahrenlagen kann mobile Analytik Leben schützen

Ein entscheidender Einsatzbereich mobiler Analysesysteme ist die schnelle
Erkennung chemischer, biologischer, radiologischer und nuklearer Gefahren
(CBRN). Solche Gefahren drohen bei Industrieunfällen, Bränden oder
gezielten Angriffen. In Krisensituationen müssen Schadstoffe ohne
Zeitverlust direkt vor Ort detektiert werden, damit Einsatzkräfte
unmittelbar reagieren können, anstatt auf langwierige Laboranalysen zu
warten. Hierfür kommen verschiedene portable Technologien infrage: Während
handgehaltene Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) toxische
Industriechemikalien in der Luft innerhalb weniger Sekunden bis in den
ppm- oder ppb-Bereich (parts per million bzw. parts per billion) erkennen
und automatisch Alarm auslösen, ermöglichen mobile Massen- und
Infrarotspektrometer die Identifikation komplexerer Substanzen.

Mobile Analytik ist vielseitig einsetzbar: Sie dient sowohl der
kontinuierlichen Überwachung kritischer Infrastrukturen als auch zur
verlässlichen Einschätzung einer Gefahrenlage direkt vor Ort. Damit die
Systeme unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren, sind eine
kompakte, robuste Bauweise sowie eine intuitive Bedienung durch Nicht-
Experten essenziell. Ergänzt durch eine automatisierte Datenanalyse, die
Messergebnisse sofort in konkrete Handlungsempfehlungen übersetzt,
verbessert mobile Analytik die Reaktionsfähigkeit im Katastrophenschutz
erheblich.

----

Treiber für POCT in Sachsen: das WIR!-Bündnis DIANA

Einfach, kostengünstig und zuverlässig Messdaten zum Gesundheitszustand
vor Ort beim Patienten ermitteln und auswerten zu können, bringt in vielen
Situationen einen entscheidenden Zeitgewinn: Das WIR!-Bündnis DIANA hat in
Sachsen ein Netzwerk zur Entwicklung und Fertigung von innovativer Point-
of-Care-Diagnostik (POCT) aufgebaut. Der Schwerpunkt liegt auf
humanmedizinischen Anwendungen, aber auch in der Pflege, in der
Veterinärmedizin oder in der Umwelttechnik sieht das WIR!-Bündnis DIANA
einen Bedarf an schneller und zuverlässiger Diagnostik.

DIANA steht für DIAgnostik und NAchhaltigkeit und vereint derzeit rund 80
Partner, darunter mittelständische Unternehmen, Forschungseinrichtungen
und Unterstützer aus Bildung und Gesellschaft. 2022 als Bündnis gestartet,
gründeten die Partner 2023 den Verein »DIANA-Point-of-Care-Technologie-
Mitteldeutschland e.V.« Gesteuert werden Bündnis und Verein durch die
Institute Fraunhofer IWU und Fraunhofer IZI sowie die EKF-diagnostic GmbH.
VEMASinnovativ ist ebenfalls ein wichtiger Partner für DIANA.
Die vorgestellten Beispiele für POCT in der Umweltdiagnostik stammen aus
der DIANA-Workstation vom 28. April 2026 im Kurt-Schwabe-Institut für
Mess- und Sensortechnik e.V. Meinsberg.

----

Das WIR!-Bündnis DIANA wird gefördert durch das Bundesministerium für
Forschung, Technologie und Raumfahrt / WIR Wandel durch Innovation in der
Region