Untersuchungen zum Einfluss von Eisen auf die Struktur und mechanischen Eigenschaften von Bacillus subtilis Biofilmen

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. ... mehrDabei 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.

Biofilms are aggregations of microorganisms that are embedded in a matrix of extracellular polymeric substances (EPS) and which mainly occur at interfaces in aqueous environments.
Biofilm research is of great interest in order to be able to determine operational parameters in drip irrigation systems, sewage treatment plants, drinking water treatment systems or in reactor systems for the production of chemicals.
In the present thesis, therefore, biofilm development and the interaction of the biofilm with its environment (fluid-structure-dynamics) under the influence of different iron concentrations (β = 0.25 and 2.5 mg/L Fe2+) and volume flows (Q = 1 and 5 mL/min) are discussed in more detail. ... mehrGrowth experiments with regard to structural biofilm properties as well as deformation studies under the aspect of the analysis of mechanical biofilm properties in flow cells took place. Furthermore, the automation of laboratory processes and the automation of the test evaluation were examined more closely.
The examinations were carried out using optical coherence tomography (OCT). OCT is an imaging modality that maps the biofilm structure in situ, non-invasively and with high resolution. The integration of the OCT into a new and automated cultivation and monitoring setup showed the necessity to carry out a minimum number of statistically relevant biofilm replicates and the possibility to display them simultaneously with this system.
A differentiation of the biofilm development and biofilm stability under different growth conditions could be assessed using the cultivation and monitoring system. The present study shows that an addition of Fe2+ to the cultivation medium significantly influences the differentiation into fully developed biofilms. It was proven that increased amounts of Fe2+ (2.5 mg/L) promoted biofilm growth in relation to the biofilm thickness, surface coverage and further structural parameters. It could be demonstrated that Fe2+ is stored in the biofilm matrix and that it is present in the form of iron oxide-hydroxides (x-FeO(OH)).
Furthermore, the deformation studies illustrated that biomass was still present in the flow cells even after high shear stress, which is particularly important for purification processes in drinking water systems. The experiments also showed that an increased occurrence of Fe2+ in the nutrient medium leads to an increased compressibility of the biofilms.
The thesis justifies the need to carry out replicates in biofilm research. Additionally, the study verifies the need to use a variety of structural parameters for a complete analysis of the fluid-biofilm interaction and for biofilm development. It demonstrates that automating the analysis of mechanical biofilm properties makes sense. Since the physical structure of a biofilm determines the interaction with its environment, the results presented here are of enormous importance for the research area of biofilm control.