Automatisierte Charakterisierung und Optimierung elektroaktiver Biofilme
Creators: name: Klein, Edina Marlen
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Microfluidics | Biofilm | Bioelectrochemical system | Microbial electrolysis cell
classificationCode: 6
subject: Technology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials Science::620.11: Engineering Materials
classificationCode: 6
subject: Technology::621: Applied Physics::621.3: Electrical Engineering, Electronic Engineering
classificationCode: 5
subject: Natural Sciences and Mathematics::570: Life Sciences, Biology

description: Mikrobielle elektrochemische Systeme (MES) repräsentieren eine äußerst vielseitige Plattformtechnologie mit enormem Potenzial für die Entwicklung einer nachhaltigen Bioökonomie, wobei die industrielle Umsetzung dieses Potenzials einen kritischen Fokus auf die Biofilmoptimierung erfordert. Um in der Lage zu sein, Biofilmentwicklung und Stromproduktion direkt miteinander zu korrelieren sowie die Biofilmaktivität räumlich aufzulösen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine mikrofluidische Kultivierungsplattform mit integrierter automatisierter dreidimensionaler Bildgebung etabliert. Die Validierung der Plattform erfolgte durch Untersuchung einer Modellgemeinschaft aus Geobacter sulfurreducens und Shewanella oneidensis. Hierbei konnte eine Co-Abhängigkeit festgestellt werden, in der G. sulfurreducens auf die Nährstoffversorgung durch S. oneidensis angewiesen ist, während S. oneidensis seinerseits die von G. sulfurreducens entwickelte leitfähige Biofilm-Matrix nutzt und so einen direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET) zur Anode durchführt. Darüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener genetischer Faktoren auf die Biofilmentwicklung von S. oneidensis fundamental untersucht. Als Wirtsstamm für diese Untersuchungen wurde S. oneidensis MR-1 Δλ genutzt, basierend auf der Hypothese, dass die Δλ-induzierte Reduktion der extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) den Elektronentransport durch den Biofilm deutlich vereinfacht. Durch die Untersuchung verschiedener genetischer Faktoren konnte nachgewiesen werden, dass unter oxischen Bedingungen andere regulatorische Routinen die Biofilmbildung zu bestimmen scheinen, wohingegen unter anoxischen Bedingungen mit Fumarat als Elektronenakzeptor sowohl qualitative als auch quantitative Unterschiede zu den Kontrollstämmen festgestellt werden konnten. Unter Verwendung einer Anode als terminalem Elektronenakzeptor führten die Co-Überexpression von wbpA und wbpP, die Überexpression von bpfA, eine punktmutierte bpfG-Variante sowie die einfache Zugabe eines leeren Plasmidvektors zur 1,67 - 1,85-fachen Erhöhung der mittleren Stromdichte. Zusammengefasst konnten im Rahmen dieser Arbeit Schlüsselfaktoren der anaeroben Biofilmbildung identifiziert und näher charakterisiert werden, was eine Grundlage für die Kultivierung von Biofilmen mit optimierten benutzerdefinierten Eigenschaften darstellt.
description: Microbial electrochemical systems (MES) represent a highly versatile platform technology with an immense potential for the development towards a sustainable bioeconomy, whereby the industrial realization of this potential requires a critical focus on biofilm optimization. In order to be able to directly correlate biofilm development and current production as well as spatially resolve biofilm activity, a microfluidic cultivation platform with integrated automated three-dimensional imaging was established. The platform was validated by investigating a model community of G. sulfurreducens and S. oneidensis, revealing a co-dependency in which G. sulfurreducens relies on the nutrient supply from S. oneidensis, while S. oneidensis in turn utilizes the conductive biofilm matrix developed by G. sulfurreducens, facilitating direct interspecies electron transfer (DIET) to the anode. Moreover, the influence of different genetic factors on the biofilm development of \textit{S.~oneidensis} was fundamentally investigated. The host strain used for these studies was S. oneidensis MR-1 Δλ, based on the hypothesis that the Δλ-induced reduction of extracellular polymeric substances (EPS) significantly facilitates electron transport through the biofilm. By investigating various genetic factors, it could be shown that under oxic conditions, superordinate mechanisms seem to take effect and determine biofilm development, whereas under anoxic conditions with fumarate as electron acceptor, both qualitative and quantitative differences compared to the control strains could be determined. Using an anode as the terminal electron acceptor, co-overexpression of wbpA and wbpP, overexpression of bpfA, a point-mutated bpfG variant and the simple addition of an empty plasmid vector led to a 1.67 - 1.85-fold increase in mean current density. In summary, this work identified and characterized key factors of anaerobic biofilm formation, providing a basis for the cultivation of biofilms with optimized user-defined properties.