Untersuchungen zum Einfluss von Eisen auf die Struktur und mechanischen Eigenschaften von Bacillus subtilis Biofilmen
Creators: name: Gierl, Luisa
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2020
Subjects: Biofilmstruktur
Biofilmdeformation
Optische Kohärenztomographie

description: Biofilme sind Aggregationen von Mikroorganismen, die in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) eingebettet sind und hauptsächlich an Grenzflächen in wässrigen Umgebungen auftreten. Die Biofilmforschung ist von großem Interesse, um operative Parameter in Tröpfchen-Bewässerungssystemen, Kläranlagen, Trinkwasseraufbereitungssystemen oder auch in Reaktorsystemen zur Produktion von Chemikalien bestimmen zu können. In der vorliegenden Dissertation wurde deshalb auf die Biofilmentwicklung sowie auf die Interaktion des Biofilms mit seiner Umgebung (Fluid-Struktur-Dynamik) unter dem Einfluss verschiedener Eisenkonzentrationen (β = 0,25 und 2,5 mg/L Fe2+) sowie Volumenströmen (Q = 1 und 5 mL/min) näher eingegangen. Dabei fanden Wachstumsexperimente im Hinblick auf strukturelle Biofilmeigenschaften sowie Deformationsstudien unter dem Aspekt der Analyse mechanischer Biofilmeigenschaften in Fließzellen statt. Weiterhin wurde die Automatisierung von Laborabläufen sowie die Automatisierung der Versuchsauswertung näher betrachtet. Die Untersuchungen erfolgten dabei mittels optischer Kohärenztomographie (OCT). Die OCT ist ein Verfahren, welches die Biofilmstruktur in situ, nicht-invasiv und hochauflösend abbildet. Die Integration der OCT in ein neues und automatisiertes Kultivierungs- und Monitoringsystem zeigte hier die Notwendigkeit einer Mindestanzahl von statistisch relevanten Biofilmreplikaten und die Möglichkeit diese mit dem System simultan abzubilden. Eine Differenzierung der Biofilmentwicklung bzw. -stabilität unter verschiedenen Wachstumsbedingungen konnte unter Anwendung des Kultivierung- und Monitoringsystems beurteilt werden. Die vorliegende Arbeit zeigt dabei, dass eine Zugabe von Fe2+ zum Kultivierungsmedium die Differenzierung zu voll entwickelten Biofilmen maßgeblich beeinflusst. Es wurde nachgewiesen, dass erhöhte Mengen an Fe2+ (2,5 mg/L) das Biofilmwachstum bezogen auf die Biofilmdicke, Fließkanalbedeckung sowie weitere Strukturparameter förderte. Es konnte demonstriert werden, dass das Fe2+ sich in die Biofilmmatrix einlagert und in Form von Eisenoxidhydroxiden (x-FeO(OH)) vorliegt. Innerhalb der Deformationsstudien wurde weiterhin illustriert, dass auch nach hohen Wandschubspannungen τ_W noch Biofilmmasse in den Fließzellen vorhanden war, was vor allem für Aufreinigungsprozesse in Trinkwassersystemen von Bedeutung ist. Weiterhin zeigten die Versuche, dass ein erhöhtes Vorkommen von Fe2+ im Nährmedium zu einer erhöhten Kompressibilität der Biofilme führt. Die Dissertation begründet die Notwendigkeit der Durchführung von Replikaten in der Biofilmforschung. Weiterhin zeigt sie auch die Notwendigkeit der Nutzung einer Vielzahl von Strukturparametern zur vollständigen Analyse der Fluid-Biofilm-Interaktion und der Biofilmentwicklung. Auch demonstriert sie, dass eine Automatisierung der Analyse mechanischer Biofilmeigenschaften sinnvoll ist. Da die physikalische Struktur eines Biofilms die Interaktion mit seiner Umgebung determiniert, sind die hier dargestellten Ergebnisse von immenser Bedeutung für den Forschungsbereich Biofilmkontrolle.