Effect of wetting phenomena on biofilm formation and removal
Authors: Ρεκούπιντο Φεντερίκα 
Published: December 2022

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης των φαινομένων διαβροχής κατά τον σχηματισμό, την ανάπτυξη και την αποκόλληση βιοϋμενίων. Τα βιοϋμένια ορίζονται ως ένα στρώμα (υμένιο) μικροοργανισμών ενωμένων μεταξύ τους σε οργανωμένες δομές και προσκολλημένων συνήθως σε μια στερεή επιφάνεια. Η σημασία των βιοϋμενίων είναι μεγάλη σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές και στην καθημερινή ζωή του ανθρώπου. Σε ορισμένες βιομηχανικές διεργασίες, καθώς επίσης και κατά τη βιο-εξυγίανση ή την επεξεργασία λυμάτων, η ανάπτυξη βιοϋμενίων είναι επιθυμητή και συχνά καθοριστική για την αποτελεσματικότητά τους. Ωστόσο, η ανάπτυξη βιοϋμενίων συνηθέστερα σχετίζεται με σημαντικές αρνητικές επιπτώσεις, κυρίως λόγω της παρατηρούμενης βιοδιάβρωσης, π.χ. στη ναυτιλιακή βιομηχανία ή της μόλυνσης των τελικών προϊόντων, π.χ. στη βιομηχανία τροφίμων. Η ανάπτυξη βιοϋμενίων στον ιατρικό εξοπλισμό μπορεί να προκαλέσει ανθρώπινες λοιμώξεις και ασθένειες, καθώς επίσης η ανάπτυξή τους σε συστήματα νερού μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργίες σε αυτά, όπως μείωση της μεταφοράς θερμότητας, απώλεια ενέργειας, ακόμη και πλήρη αστοχία τους. Τυπικά, τα βιοϋμένια αναγνωρίζονται ως μορφολογικά πολύπλοκες και πορώδεις δομές. Μια από τις πιο σημαντικές επιφανειακές ιδιότητες των βιοϋμενίων είναι η ικανότητα διαβροχής, η οποία υπαγορεύει τον τρόπο με τον οποίο ένα υγρό απλώνεται στην επιφάνεια των βιοϋμενίων αλλά και πώς διεισδύει μέσα στην πορώδη/ διαμορφωμένη δομή. Υπό αυτή την έννοια, η ικανότητα διαβροχής μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σημαντικό εργαλείο για την κατανόηση της μορφολογίας των βιοϋμενίων και των ιδιοτήτων της επιφάνειάς τους σε διαφορετικές συνθήκες ανάπτυξης. Επιπλέον, η διαβροχή των βιοϋμενίων από υγρά είναι θεμελιώδης για τη διερεύνηση του τρόπου πρόληψης του σχηματισμού τους σε στερεές επιφάνειες ή του τρόπου αφαίρεσής τους από ήδη μολυσμένες επιφάνειες. Η διαβροχή των βιοϋμενίων που αναπτύσσονται σε στερεά υποστρώματα αποτελεί ένα ενδιαφέρον αλλά όχι διεξοδικά μελετημένο θέμα. Η πρόσφατη βιβλιογραφία έχει επικεντρωθεί στη μελέτη της ικανότητας διαβροχής των αποικιών ορισμένων μικροοργανισμών, που αναπτύσσονται σε άγαρ (σε διεπιφάνεια στερεού – αέρα). Οι σχηματιζόμενες αποικίες παρουσιάζουν συμπεριφορές διαβροχής από υδρόφιλες έως υπέρ-υδρόφοβες, ανάλογα με το είδος του οργανισμού και τις επιλεγμένες συνθήκες ανάπτυξής τους. Από την άλλη πλευρά, οι μετρήσεις της γωνίας επαφής σταγονιδίων νερού σε επιφάνειες καλυμμένες με βακτήρια που παρουσιάζουν υδρόφιλα χαρακτηριστικά, οι οποίες έχουν υποστεί αφυδάτωση, χρησιμοποιούνται συχνά σε φυσικοχημικά μοντέλα, ως μέτρο της δομής της μικροβιακής κυτταρικής επιφάνειας. Ωστόσο, δεν έχουν μελετηθεί τα χαρακτηριστικά διαβροχής των βιοϋμενίων που αναπτύσσονται σε πραγματικά στερεά υποστρώματα, και που συναντώνται συχνά σε βιομηχανικά συστήματα, όπως π.χ. στο εσωτερικό σωληνώσεων (δηλαδή βιοϋμένια που έχουν σχηματιστεί σε διεπιφάνεια στερεού – υγρού, επίσης γνωστά ως βυθισμένα βιοϋμένια). Επιπρόσθετα, δεν έχει επίσης διερευνηθεί διεξοδικά στη βιβλιογραφία πώς η αλληλεπίδραση μεταξύ σταγονιδίων που περιέχουν βακτήρια με στερεά υποστρώματα επηρεάζει τη μικροβιακή εξάπλωση και τη μόλυνση μιας επιφάνειας, η οποία αντιπροσωπεύει ουσιαστικά τα πρόδρομα στάδια του σχηματισμού βιοϋμενίων. Σε αυτήν τη διδακτορική διατριβή, διερευνώνται οι ιδιότητες διαβροχής αφυδατωμένων βιοϋμενίων που έχουν αναπτυχθεί σε διεπιφάνεια στερεού – υγρού. Η παρούσα διδακτορική διατριβή απαρτίζεται από τις ακόλουθες ενότητες.Στην πρώτη ενότητα μελετώνται και παρουσιάζονται οι μεθοδολογίες για τον χαρακτηρισμό των βιοϋμενίων που έχουν αναπτυχθεί κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Παρουσιάζονται προκαταρκτικά αποτελέσματα σχετικά με τις γωνίες επαφής που σχηματίζουν σταγόνες πολικών και μη πολικών υγρών σε επιφάνειες καλυμμένες με βιοϋμένια μετά την αφυδάτωσή τους. Επίσης, εξετάζεται ο ρόλος των διαφορετικών συνθηκών ανάπτυξης, π.χ. του τύπου του θρεπτικού μέσου, της συγκέντρωσης θρεπτικών συστατικών και των συνθηκών ροής στη μορφολογία των βιοϋμενίων και στα χαρακτηριστικά διαβροχής τους, καθώς, για πορώδεις/ μικροδιαμορφωμένες επιφάνειες όπως τα βιοϋμένια, η ικανότητα διαβροχής επηρεάζεται έντονα από τη μορφολογία, η οποία καθορίζεται από τις διαφορετικές συνθήκες ανάπτυξης των βιοϋμενίων, π.χ. τη σύνθεση θρεπτικών συστατικών, τα χαρακτηριστικά της ροής ή τον χρόνο επώασης. Στη δεύτερη ενότητα, παρουσιάζεται η επίδραση εξωτερικών δυνάμεων σε σταγόνες νερού (εξαναγκασμένη διαβροχή), οι οποίες εναποτίθενται σε αφυδατωμένα βιοϋμένια, με σκοπό το σύστημα να μελετηθεί σε συνθήκες πέρα από τη θερμοδυναμική ισορροπία. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε μια καινοτόμος συσκευή, που ονομάζεται Kerberos, η οποία κατασκευάστηκε πρόσφατα στο εργαστήριο και χρησιμοποιείται ειδικά για τη μελέτη της εξαναγκασμένης διαβροχής. Σταγόνα υγρού συγκεκριμένου όγκου τοποθετείται σε επιφάνεια στερεού (ή βιοϋμενίου) σε διαφορετικές γωνίες κλίσης και εφαρμόζονται φυγόκεντρες δυνάμεις προκειμένου να διερευνηθεί η εξέλιξη του σχήματος της σταγόνας και η συμπεριφορά εξάπλωσης/ολίσθησής της. Η συσκευή Kerberos παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου των δυνάμεων που εφαρμόζονται στη σταγόνα, καθώς επιτρέπει την ταυτόχρονη περιστροφή και κλίση της επιφάνειας στην οποία τοποθετείται η σταγόνα. Η συσκευή Kerberos διαθέτει κατάλληλο λογισμικό, το οποίο αναπτύχθηκε για την ανάλυση των εικόνων των σταγονιδίων που λαμβάνονται από τις τρεις συνδεδεμένες (με Wi-Fi) βιντεοκάμερες, οι οποίες καταγράφουν τη σταγόνα ταυτόχρονα από την κορυφή, το πλάι και το πίσω μέρος. Στο πλαίσιο της διατριβής, μελετήθηκαν τα φαινόμενα της εξαναγκασμένης διαβροχής αφυδατωμένων βιοϋμενίων, από την τοποθέτηση της σταγόνας μέχρι την έναρξη της ολίσθησής της, με στόχο την εξέταση της μορφολογίας τους. Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η επίδραση των συνθηκών ανάπτυξης, δηλαδή της συγκέντρωσης θρεπτικών ουσιών και της ταχύτητας του νερού πάνω από την επιφάνεια ανάπτυξης του βιοϋμενίου, στα χαρακτηριστικά της εξαναγκασμένης διαβροχής. Στην τρίτη ενότητα αναλύεται η συμπεριφορά εξάπλωσης/ολίσθησης σταγονιδίων που περιέχουν βακτήρια σε καθαρές επιφάνειες με σκοπό την κατανόηση της βακτηριακής πρόσφυσης και εξάπλωσης, τα οποία αντιπροσωπεύουν πρώιμα στάδια σχηματισμού των βιοϋμενίων. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν αμέσως μετά τη μερική εξάτμιση των σταγονιδίων, ώστε να ενισχυθεί η ικανότητα καθίζησης των βακτηρίων στις επιφάνειες. Προέκυψε ότι ο χρόνος εξάτμισης επηρεάζει τη δύναμη που πρέπει να ασκηθεί για την έναρξη της ολίσθησης των σταγονιδίων. Η δύναμη αυτή αποτελεί ένα έμμεσο μέτρο της δύναμης πρόσφυσης των βακτηρίων στην επιφάνεια.Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται στη μελέτη της διαβροχής αφυδατωμένων επιφανειών βιοϋμενίων από υγρά,. Επιπλέον, παρουσιάζονται ενδιαφέροντα ευρήματα σχετικά με την εξάπλωση και την προσκόλληση σταγονιδίων μικροοργανισμών σε καθαρές επιφάνειες. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής έχουν ανακοινωθεί σε τέσσερις δημοσιεύσεις σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά με κριτές και έχουν παρουσιαστεί σε επτά εθνικά και διεθνή συνέδρια.