Επίδραση του πεδίου ροής στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των βιοϋμενίων
Creators: name: Φίκια, Πελαγία Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Πεδίο ροής
Εξωκυτταρικές πολυμερικές ουσίες
Διατμητική τάση
Flow field
Extracellular polymeric substances
Shear stress

description: Τα βιοϋμένια ή βιοφίλμ είναι συσσωματώματα μικροοργανισμών (π.χ. βακτήρια) τα οποία είναι προσκολλημένα επάνω σε μία επιφάνεια (βιοτική ή αβιοτική) και «παγιδευμένα» εντός μίας οργανικής πολυμερικής μήτρας. Η μήτρα συντίθεται από τα ίδια τα βακτήρια και καλείται EPS (ExtracellularPolymericSubstances). Τα βασικά συστατικά της μήτρας είναι νερό,εξωπολυσακχαρίτες και άλλα εξαγώμενα κυτταρικά προϊόντα όπως πρωτεϊνες, νουκλεϊκά οξέα, χουμικοί υποκαταστάτες καθώς και μόρια υπεύθυνα για την επικοινωνία μεταξύ των κυττάρων. Οι ουσίες EPS είναι υπεύθυνες για την τρισδιάστατη δομή των βιοϋμενίων, καθώς επίσης για την προσκόλληση των μικροοργανισμών σε επιφάνειες και τη γενικότερη συνοχή τους. Επιπλέον, η σύσταση των EPS επηρεάζει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες των βιοϋμενίων με αποτέλεσμα να ενισχύει τη σταθερότητά τους και να εμποδίζει την οριστική απομάκρυνσή τους από μια επιφάνεια. Η μορφή των βιοϋμενίων ποικίλλει και εξαρτάται από το είδος των μικροοργανισμών και τις συνθήκες που επικρατούν στο περιβάλλον τους, για παράδειγμα η θερμοκρασία και ηδιαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών. Τα βιοϋμένια έχουν την ικανότητα να αναπτύσσονται σε ένα μεγάλο εύρος υποστρωμάτων όπως αγωγοί παροχής νερού, βιομηχανικά συστήματα, ζωντανοί ιστοί κλπ. Ο σχηματισμός τους σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να λειτουργήσει ευεργετικά (π.χ. συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων), ενώ στις περισσότερες δημιουργεί σοβαρά προβλήματα. Η εξάλειψη των ανεπιθύμητων βιοϋμενίων προϋποθέτει τη μελέτη των παραγόντων που επιδρούν στον σχηματισμό και την ανάπτυξή τους. Η παρούσα εργασία επικεντρώθηκε στη μελέτη των χαρακτηριστικών των βιοϋμενίων σε συστήματα νερού και πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση του πεδίου ροής του νερού στα ποιοτικά χαρακτηριστικά τωνβιοϋμενίων που αναπτύσσονται σε διάφορες στερεές επιφάνειες. Το πεδίο ροής είναι εξαιρετικά σημαντική παράμετρος, καθώς επηρεάζει όχι μόνο τον σχηματισμό, αλλά και την ανάπτυξη, ωρίμανση και αποκόλληση των βιοϋμενίων. Διερευνήθηκε η επίδραση του πεδίου ροής στη σύνθεση της μήτρας τωνβιοϋμενίων, σε δύο διαφορετικά υλικά: γυαλί και ανοξείδωτο ατσάλι χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (SS 316L). Για τον σκοπό αυτόν εξετάστηκαν βιοϋμένια, με χρήση των βακτηρίων Pseudomonas fluorescence, τα οποία αναπτύχθηκαν κάτω από καλά καθορισμένες συνθήκες διατμητικής τάσης που δημιουργήθηκαν στο εσωτερικό ενός δακτυλιοειδούς αντιδραστήρα (Biofilm Annular Reactor, BAR). Το πεδίο ροής επηρέασε την εκκρινόμενη ποσότητα της εξωκυτταρικής πρωτεϊνης αλλά και των εξωκυτταρικών πολυσακχαριτών. Η συγκέντρωσή τους, έπειτα από την επιβολή ροής του νερού, ήταν σημαντικά υψηλότερη σε σχέση με τις συνθήκες μηδενικής ροής. Σημαντικό ρόλο έπαιξε και η ηλικά των βιοϋμενίων, καθώς η μεγαλύτερη ηλικία συνδέθηκε με υψηλότερη συγκέντρωση ουσιών EPS. Ωστόσο, ο τύπος των υλικών δεν επηρέασε σημαντικά τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των βιοϋμενίων, καθώς η διαφορά στην εκκρινόμενη ποσότητα των βιοπολυμερών στα δύο υλικά βρέθηκε πως είναι ελάχιστη. Στην περίπτωση που το υπόστρωμα ήταν γυαλί, η συκέντρωση των EPS ήταν ελαφρά μεγαλύτερη σε σχέση με το ανοξείδωτο ατσάλι. Τέλος, αύξηση της διατμητικής τάσης στο εσωτερικό του αντιδραστήρα προκάλεσε τον σχηματισμό πυκνότερων βιοϋμενίων και μεγαλύτερη σύνθεση ουσιών EPS.
description: Biofilms are aggregates of microorganisms (e.g., bacteria) that adhere to a surface (biotic or abiotic) and are "trapped" within an organic polymeric matrix. The matrix is synthesized by the bacteria themselves and is called EPS (ExtracellularPolymeric Substances). The key components of the matrix are water, exopolysaccharides and other extracted cell products such as proteins, nucleic acids, humic substituents as well as molecules responsible for communication between cells. EPS substances are responsible for the three-dimensional structure of biofilms, as well as for the adhesion of microorganisms to surfaces and their overall cohesion. In addition, the composition of EPS significantly affects the mechanical properties of biofilms, thus enhancing their stability and preventing their permanent removal from a surface. The form of biofilms varies and depends on the species of microorganisms and the conditions prevailing in their environment, for example the temperature and the availability of nutrients. Biofilms have the ability to grow on a wide range of substrates such as water pipes, industrial systems, living tissues, etc. Their formation can in some cases work beneficially (eg wastewater treatment systems), while in most of them it creates serious problems. The elimination of unwanted biofilms presupposes the study of the factors that affect their formation and development. The present work focused on the study of the characteristics of biofilms in water systems and more specifically the effect of the water flow field on the quality characteristics of biofilms that grow on various solid surfaces. The flow field is an extremely important parameter, as it affects not only the formation, but also the growth, maturation and detachment of the biofilms. The effect of the flow field on the composition of the biofilm matrix was investigated in two different materials: glass and low carbon stainless steel (SS 316L). For this purpose, biofilms were tested using Pseudomonas fluorescence bacteria, which were grown under well-defined shear stress conditions generated inside an annular reactor (Biofilm Annular Reactor, BAR). The flow field affected the secreted amount of extracellular protein as well as extracellular polysaccharides. Their concentration, after the imposition of water flow, was significantly higher than the zero flow conditions. Biofilm age also played an important role, as older age was associated with higher EPS concentrations. However, the type of materials did not significantly affect the quality characteristics of the biofilms, as the difference in the amount of biopolymers secreted between the two materials was found to be minimal. If the substrate was glass, the concentration of EPS was slightly higher than in stainless steel. Finally, an increase in shear stress inside the reactor caused the formation of denser biofilms and a greater synthesis of EPS substances.