Σχηματισμός και ανάπτυξη βιοϋμενίων υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες
Creators: name: Μαλέα, Ελισάβετ Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Βιοϋμένια
Κλίση υποστρώματος
Διαλυμένο οξυγόνο
Biofilms
Substrate gradient
Dissolved oxygen

description: Τα βιοϋμένια είναι κοινότητες μικροοργανισμών που αναπτύσσονται σε επιφάνειες και είναι ενσωματωμένες σε ένα σύμπλεγμα εξωκυττάριων πολυμερικών ουσιών (Extracellular Polymeric Substances-EPS). Ο σχηματισμός και η ανάπτυξή τους επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες, όπως οι περιβαλλοντικές συνθήκες, η επιφάνεια ανάπτυξης και ο τύπος του μικροοργανισμού. Η παρουσία βιοϋμενίων μπορεί να είναι επιθυμητή εξαιτίας του θετικού τους ρόλου σε διάφορες διεργασίες, όπως η βιολογική επεξεργασία με τη μέθοδο της προσκολλημένης βιομάζας, αλλά συχνά είναι ανεπιθύμητη εξαιτίας των επιπτώσεων που προκαλούν, όπως η βιοδιάβρωση/ βιορρύπανση αγωγών σε συστήματα νερού. Η κατανόηση του σχηματισμού των βιοϋμενίων μπορεί να οδηγήσει στην ενίσχυση της ευεργετικής τους δράσης ή αντίστοιχα στην καταπολέμηση των δυσμενών επιπτώσεων. Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η επίδραση της κλίσης και του τύπου του υποστρώματος, καθώς επίσης και η επίδραση του διαλυμένου οξυγόνου στην ανάπτυξη βιοϋμενίων του οργανισμού Pseudomonas fluorescence. Πραγματοποιήθηκαν δύο κύκλοι πειραμάτων· στον πρώτο κύκλο μελετήθηκε η επίδραση της κλίσης και του τύπου του υποστρώματος στα πρώτα στάδια της προσκόλλησης των βακτηρίων στις επιφάνειες. Στο πλαίσιο αυτό εξετάστηκαν δύο υλικά ως υποστρώματα, ο ανοξείδωτος χάλυβας και το πολυανθρακικό πολυμερές. Τα υποστρώματα τοποθετήθηκαν σε κλίσεις 0, 45, 90 και 180 μοίρες και ο χρόνος επώασης ήταν ίσος με 3 ώρες. Στη δεύτερη φάση των πειραμάτων μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου του θρεπτικού μέσου και του τύπου της επιφάνειας στα στάδια ανάπτυξης και ωρίμανσης των βιοϋμενίων. Στα πειράματα της φάσης αυτής ο χρόνος επώασης ήταν μεγαλύτερος και ίσος προς 168 ώρες. Η διαφορετική συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου επιτεύχθηκε με μεταβολή της πίεσης του θρεπτικού μέσου. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε πίεση 1 bar και υποστρώματα από υλικά ανοξείδωτου χάλυβα και πολυαιθυλενίου υψηλής πυκνότητας, καθώς επίσης και πειράματα σε πίεση 4 bar και υπόστρωμα από ανοξείδωτο χάλυβα. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν πως η κλίση του υποστρώματος επηρεάζει την προσκόλληση των βακτηρίων στα υποστρώματα με μεγαλύτερο βαθμό προσκόλλησης και συσσωμάτωσης να παρατηρείται σε κλίση υποστρώματος ίση προς 0ο, όταν δηλαδή το υπόστρωμα βρίσκεται σε οριζόντια θέση, υπογραμμίζοντας τον ρόλο της βαρύτητας στα πρώτα στάδια σχηματισμού τους. Επιπρόσθετα, παρατηρήθηκε πως κατά την τοποθέτηση των υποστρωμάτων σε κλίση ίση προς 90ο και 180ο ο βαθμός προσκόλλησης επηρεάζεται σε σημαντικά μικρότερο ποσοστό για το πολυανθρακικό υπόστρωμα συγκριτικά με το αυτό του ανοξείδωτου χάλυβα. Συνολικά, όσο αναφορά την επίδραση του τύπου του υποστρώματος, αυξημένος βαθμός προσκόλλησης για το στέλεχος Pseudomonas Fluorescens παρουσιάζεται στο πολυανθρακικό υπόστρωμα.Σχετικά με την επίδραση του διαλυμένου οξυγόνου στον σχηματισμό και την ωρίμανση των βιοϋμενίων, παρατηρείται πως σε περιβάλλοντα με υψηλότερη συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου αυξάνεται ο βακτηριακός πληθυσμός και στην πλαγκτονική φάση και στη μορφή βιοϋμενίων. Ωστόσο, ο ρυθμός αύξησης των βακτηρίων σε πλαγκτονική μορφή ήταν υψηλότερος σε σχέση με τα βιοϋμένια, με αποτέλεσμα σε συνθήκες περισσότερο αερόβιες να περιορίζεται ο ρυθμός ανάπτυξης βιοϋμενίων. Επίσης, παρατηρήθηκε πως σε περιβάλλοντα με αυξημένη συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου, τα βακτήρια τείνουν να οργανώνονται σε μεγαλύτερες και πολυπλοκότερες δομές ταχύτερα. Σχετικά με την επίδραση του τύπου του υποστρώματος, παρατηρήθηκε μεγαλύτερο ποσοστό επιφανειακής κάλυψης για το υπόστρωμα του πολυαιθελυνίου υψηλής πυκνότητας συγκριτικά με το υπόστρωμα του ανοξείδωτου χάλυβα.
description: Biofilms are surface-associated microorganism communities enveloped within a complex matrix of extracellular polymeric substances (EPS). Various factors, such as environmental conditions, the growth surface, and the type of microorganism, influence their formation and development. While biofilms can be advantageous in various processes like attached biomass biological treatment, they also lead to adverse effects such as biocorrosion and biofouling in water system pipelines. Comprehending biofilm formation enables harnessing their beneficial effects or effectively combating their negative consequences.The present study examines the influence of several factors, such as the substrate’s inclination, the type, incubation period and the dissolved oxygen on the development of Pseudomonas fluorescence biofilms. Two sets of experiments were conducted. The first phase focused on how the substrate’s inclination and type influence the early stages of bacterial adhesion to surfaces. Two substrates, stainless steel and polycarbonate polymer, were examined at angles of 0, 45, 90, and 180 degrees after a 3-hour incubation period. The study's second phase focused on investigating how the dissolved oxygen concentration in the nutrient medium and the type of substrate influence biofilms' growth and maturation stages. In this phase, longer incubation times of 168 hours were used. The pressure of the nutrient medium was altered to achieve different dissolved oxygen concentrations. Experiments were conducted at 1 bar pressure using substrates made of stainless steel and high-density polyethylene materials and at 4 bar pressure using a stainless steel substrate.The findings reveal that the position of the surface of the substrate plays a crucial role in the adhesion and aggregation of bacteria. Maximum adhesion and aggregation were observed at a substrate angle of 0° (horizontal position), emphasizing the role of gravity-induced cell sedimentation in the process. Moreover, when the substrates were placed at 90° and 180°, the level of adhesion was impacted to a lesser extent for the polycarbonate substrate than stainless steel. Regarding the substrate type, the results demonstrate a higher level of attachment for the Pseudomonas Fluorescens strain on the polycarbonate substrate.Concerning the impact of dissolved oxygen on biofilm formation and maturation, higher concentrations of dissolved oxygen led to increased bacterial proliferation, both in the planktonic phase and in biofilms. However, bacteria exhibited a higher growth rate in the planktonic form compared to biofilms, resulting in limited biofilm growth than expected under conditions with oxygen excess. Furthermore, in environments with increased dissolved oxygen concentrations, bacteria tend to form larger and more complex structures in shorter period of time. As for the substrate type, the high-density polyethylene substrate demonstrated higher surface coverage than the stainless steel substrate.