VL Mikrobielle Ökologie: Standorte und Prozesse, 04.02.2003

Bert Engelen

Biofilme& Mikrobenmatten

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Mikrobenmatten am Hoover Damm

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Entstehung und Aufbau von Biofilmen I

Akkumulation:

Anlagerung von Mikroorganismen an Grenzflächen

Bestehen aus: MikroorganismenExtrazelluläre Polymere Substanzen (EPS)eingelagerte Partikelgelöste StoffeGel mit immobilisierten Mikroorganismen

I. Induktionsphase Primärbesiedlung

I

II. Wachstumsphase Logarithmisches Wachstum

II

III. Plateau-Phase Ausgleich: Zuwachs / Ablösung

III

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Entstehung und Aufbau von Biofilmen I

I. Induktionsphase

Conditioning film:

Adsorption von Makromolekülen (Polysaccharide, Huminstoffe, Proteine, lipophile Stoffe)

herabgesetzte Oberflächenspannung

leicht negative Gesamtladung

Primärbesiedlung:

laminare Strömung an Oberflächen (Dicke: 10 – 100 µm)

Strömungsgeschwindigkeit kann bis auf 0 absinken

Akkumulation innerhalb dieser Schicht (Dicke MO: 0,1 – 2 µm) durch:

Irreversible Adsorption

EPS

Pili, Fimbrien

Flagellen

Schleimkapseln

Proteine

Chemotaxis

Diffusion

Elektrostatik

hydrophobe WW

Brownsche Molekularbewegung

Reversible Adsorption

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Entstehung und Aufbau von Biofilmen II

II. Wachstumsphase

Logarithmisches Wachstum

Wachstum der Primärbesiedler

Kontrolliert durch Transportprozesse (Diffusion durch Gelmatrix)

Entstehung von Mikrokonsortien

III. Plateau-Phase

Ausgleich: Zuwachs / Ablösung

keine unbegrenzte Dicke „aktive Dicke“

Erosion durch Ablösung einzelner Zellen

Kontrolle durch „grazing“

Einfluß von Scherkräften bei Überschreitung der laminaren Grenzschicht

Scherkräfte stärker als Zusammenhalt der Matrix:

Abschälen von Biofilm-Fetzen „sloughing off“

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Zeitliche Entwicklung von Biofilmen

verändert

ReversibleAdsorption

von Bakterien

Sekunden

IrreversibleAnheftung

von Bakterien

Sekunden bis

Minuten

Wachstumvon Bakterien

(Zelleilung)

Stundenbis

Tage

Produktion von Exopolymeren &

Bildung des Biofilms

Stundenbis

Tage

Anlagerung weiterer

Organismen an den Biofilms

Tagebis

Monate

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Entwicklung von Biofilmen II

Abb.: Stoodley et al., 1999

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Fee-

Fe2+

H2

H+

Metall

SRB

SO42-

HS-

So, SO42-

Oxischer Biofilm

Anoxischer Biofilm

FeO(OH)

FeS, FeS2

Fe3+

Fe2+

Nach Nielsen et al. 1993 Biofouling 7:267ff.

Sulfatreduzierer spielen eine wichtige Rolle in der Biokorrosion:

effektive Wasserstoff-Oxidierer:

Endprodukt ist H2S, der mit Fe2+ als schwerlösliches Eisensulfid FeS ausfällt

Biokorrosion, Microbially influenced corrosion (MIC)

Elektrochemischer Prozess, der durch mikrobielle Aktivität gefördert wird

Wasserstoffkorrosion unter anoxischen Bedingungen (Feo + 2 H+ Fe2+ + H2)

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Dreidimensionale Struktur von Biofilmen I

Abb.: Stoodley et al., 1999

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Dreidimensionale Struktur von Biofilmen II

Tag 7 Tag 15 Tag 21

Tag 29 Tag 40 Tag 56

Mikrokolonien Filamente Zerklüftung

verstärkte Zerklüftung

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Dreidimensionale Struktur von Biofilmen IV

Pseudomonas aeroginosa & Klebsiella pneumoniae

P. aeroginosa & P. fluorescens &K. pneumoniae

Abb.: Stoodley et al., 1999

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Dreidimensionale Struktur von Biofilmen III

Abb.: Stoodley et al., 1999Transport durch einen Kanal

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Chemische Gradienten in Biofilmen (vertikal)

Abb: Flemming, 1991

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Chemische Gradienten in Biofilmen (horizontal)

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Mikrobenmatten I

Death valley

Badwater

Mikrobenmatten

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Mikrobenmatten II

Yellowstone NP

Abb: nach Nicholson et al. 1987Great Sippewissett Salt Marsh

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Zähne putzen nicht vergessen!