title: Immobilisierung von Bakterien in Hydrogelen und chemische Weiterverarbeitung zu wasserstabilen lebenden Biohybridsystemen
title: Immobilization of bacteria in hydrogels and further chemical processing in water-stable living composites
Creators: name: Knierim, Christian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Hydrogel , Core-shell-systems
Chemie
polymer
Kern-Hülle-Systeme, lebende Komposite
Hydrogel
Polymere

description: This publication describes in
      detail the immobilization of Micrococcus luteus (M. luteus)
      in various hydrogels and the following processing into
      water-stable living composites. One part of the publication
      deals with the immobilization of bacteria into poly(vinyl
      alcohol) (PVA) microparticles with a diameter of about 5 µm.
      The bacteria are entrapped by utilizing an aqueous solution
      of PVA and a high velocity stirrer. Afterwards, the particles
      are formed through the addition of acetone. The immobilized
      bacteria survived the storage in various organic solvents and
      endured chemical surface reaction under different conditions,
      as shown by using hexamethylene diisocyanate (HDMI), toluene
      diisocyanate (TDI) and octadecyl isocyanat. After the surface
      reactions, living immobilized bacteria were proven by
      inoculating and incubating agar plates containing nutrient.
      One major drawback of the living composite is its behavior in
      presence of water. The PVA-particles swell and hence the
      bacteria are released into the surrounding medium. We have
      overcome this disadvantage by polymerizing various amounts of
      poly(methyl methacrylate) (PMMA) onto the PVA-particles in
      presence of the living bacteria inside the particles. In a
      first step, we introduced an ATRP-initiator by a chemical
      surface reaction between the OH-groups and the acid bromid of
      the initiator. In a second step, the grafting from
      polymerization of methyl methacrylate (MMA) was carried out,
      leading to exactly one PMMA shell around each PVA particle.
      We were able to control the amount of the initiator as well
      as the amount of the PMMA. The core-shell structure was
      proven by utilizing TEM and confocal microscopy. Furthermore,
      we demonstrated the hydrophobic behavior of the core-shell
      particles in terms of the release of immobilized fluorescein.
      In addition, the retardation of the release of bacteria was
      verified by inoculating agar plates containing nutrition and
      buffer solution. The water stability of the living composite
      was shown by using SEM and Cryo-SEM. As a result, we received
      water-stable PMMA-PVA-core-shell particles with immobilized
      living bacteria. We also proved the survival of the bacteria
      during the complete process. Moreover, the free bacteria were
      immobilized in nano- and microfibers consisting of
      poly(ethylene oxide) (PEO) and PVA. The nanofibers were
      produced through the electrospinning technique whereas the
      microfibers were created by wet spinning. The hydrogel fibers
      were coated with poly(p-xylylene) (PPX) via chemical vapor
      deposition (CVD). The bacteria hence were immobilized in
      core-shell fibers with an adjustable thickness. The fibers
      were water-stable and prevented the release of bacteria into
      the surrounding medium. The bacteria survived the process and
      we demonstrated their metabolic activity by the reduction of
      resazurin. Moreover, we utilized the living fiber composites
      for the sequestration of gold ions from aqueous solution. The
      decrease of the amount of gold in the solution was
      demonstrated by ICP-MS. The deposition of gold inside the
      fibers was verified by TEM and EDX. Concluding, we were able
      to immobilize bacteria in hydrogel particles and hydrogel
      fibers. Furthermore, we proved the feasibility of chemical
      surface reactions for creating water-stable living
      composites. The immobilized bacteria survived these
      reactions. Moreover, we demonstrated their metabolic activity
      as well as their ability to sequestrate heavy metal ions from
      aqueous solutions. The water-stable composites are of
      interest for the bioremediation of polluted water and for
      biotransformation.
description: Im Rahmen dieser
      Dissertationsschrift und der ihr zugrunde liegenden
      Untersuchungen wurden erfolgreich neue Methoden der
      Verarbeitung und Anwendungen von lebenden Kompositen auf
      Basis von Polymeren und Bakterien erforscht. Die Retention
      der Freisetzung von immobilisierten M. luteus aus
      PVA-Partikeln bei Kontakt mit wässrigen Lösungen und auf
      nährstoffhaltigen Agarplatten wurde durch die
      oberflächeninitierte kontrollierte radikalische
      Polymerisation von MMA erreicht. Die Schichtdicke von
      aufgepfropftem PMMA korrelierte direkt mit der Retention der
      Freisetzung der Bakterien und konnte durch gezielte Wahl der
      Reaktionszeit variiert werden. Die Verwendung dieser
      neuartigen lebenden Kern-Hülle-Partikel ermöglicht die
      gezielte Verarbeitung von Bakterien aus wässrigem Medium.
      Denkbare Methoden sind hierbei unter anderem die Einbettung
      in Faservliese durch Elektrospinnen. Zusätzlich zu der
      Synthese von PMMA wurde die Vielseitigkeit der
      oberflächeninitiierte ATRP durch die Polymerisation von NIPAm
      präsentiert. Im Rahmen dieser Schrift wurden lebende, in
      PNIPAm-PVA-Partikel immobilisierte Bakterien nachgewiesen. In
      der vorliegenden Schrift wurde außerdem die hydrophe
      Ausrüstung bakterienhaltiger Fasern durch die Beschichtung
      mit PPX unter Verwendung der chemischen Gasphasenabscheidung
      nach Gorham untersucht. Die Immobilisierung von M. luteus in
      PEO-Nanofasern durch Elektroverspinnen einer
      bakterienhaltigen PEO-Lösung resultierte in der Herstellung
      einer lebenden Membran. Weiterhin wurde das Konzept der
      Immobilisierung von M. luteus in Hydrogelfasern und
      nachfolgender hydrophober Ausrüstung durch eine variierbare
      Schichtdicke von PPX durch die Verwendung von PVA-Mikrofasern
      untersucht. Das Überleben der verkapselten Bakterien wurde
      durch die Inokulation und Inkubation geeigneter Nährmedien
      nachgewiesen. Die biologische Aktivität der immobilisierten
      Bakterien, eine notwendige Voraussetzung für eine spätere
      Verwendung, wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke des
      PPX-Mantels mittels des Umsatzes von Resazurin zu Resorufin
      erfolgreich verfolgt. Eine weitere Vorrausetzung für den
      möglichen Einsatz immobilisierter Mikroorganismen ist deren
      Separation vom umgebenden Medium zur Vermeidung einer
      Kontamination. Die hier vorgestellten lebenden Komposite
      erfüllen beide Voraussetzungen und verhindern die Migration
      der Bakterien in die Lösung für mindestens 22 Tage. Die in
      PPX-PVA-Mikrofasern verkapselten Bakterien wurden für die
      Sequestrierung von Gold-Ionen aus einer sauren Goldsäure
      Lösung verwendet. Die Abnahme des Goldgehaltes der Lösung
      wurde mittels ICP-MS Messungen nachgewiesen. Es zeigte sich,
      dass die Bakterien im immobilisierten Zustand Gold-Ionen
      aufnehmen und diese abscheiden.