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!