Untersuchung von Wachstum und Abtrag in Biofilmsystemen
Final Report Abstract
In der ersten Antragsphase wurde der Einfluss von Substrat- und Strömungsbedingungen auf die Biofilmentwicklung und den Biomasseabtrag in verschiedenen Reaktorsystemen untersucht. Zusätzlich wurden Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung und mikrobiellen Aktivität getestet und entwickelt. Im Hinblick auf die Kultivierung von Biofilmen hat sich deutlich gezeigt, dass die beiden Reaktorsysteme, Rotating Annular Reaktor (RAR) und Glasrohrreaktor, durch die hohe Aufenthaltszeit der flüssigen Phase im System nur unzureichend für die Untersuchung des Abtrags geeignet sind. Aus diesem Grund wurde der Rohrreaktor weiterentwickelt, um externe Einflüsse, wie eine regelmäßige Reaktorwartung, eine lange Verweilzeit oder Rezirkulation von abgetragener Biomasse im System, zu vermeiden. Mit diesem Durchlauf-Rohrreaktor-System konnten Biomasseabtragsdaten gewonnen werden, die sich mit einem einfachen Abtragsmodell phänomenologisch gut beschreiben lassen. Die Modellierung zeigt sehr schön, dass die physikalischen (Transport und Abtrag) und biochemischen Prozesse (Wachstum) aufeinander abgestimmt werden müssen. Neu ist hier, dass durch den Übergang von einer kompakten zu einer filamentartigen Biofilmstruktur der Substrattransport im Biofilm deutlich verbessert wird. In allen verwendeten Reaktorsystemen wird ein hoher Anteil der im Biofilm produzierten Biomasse offensichtlich schnell wieder abgetragen. Der Abtrag ist im Wesentiichen eine Funktion des Biomassewachstums auf der Biofilmoberfläche. Dabei zeigt sich, dass beim kontinuieriich und störungsfrei betriebenen Biofilmreaktor die Erosion den entscheidenden Anteil am Abtrag hat. Bei erzwungenem Abtrag mit erhöhten Scherkräften spielen „Sloughing" oder Groß-Abrissereignisse neben Erosion eine wichtige Rolle. Dies wird auch durch die parallel durchgeführten MRI-Experimente belegt. Sloughing war jedoch nicht nur ein Phänomen von erzwungenen Abtragsereignissen, sondern konnte insbesondere bei den Versuchen im Durchlauf-Rohrreaktor verstärkt auch quantitativ erfasst werden. Die Groß-AbrissereIgnisse (Sloughing), die im Durchlauf-Rohrreaktor auftraten, scheinen in hohem Maß von der Substratversorgung, der Biofilmdlcke und -dichte abhängig zu sein. Bei diesen Versuchen stellte sich eine Biofilmdichte unter 40 kg BTM/m3 als kritischer Wert für ein Groß-Abrissereignis heraus. Die Resultate zur Bestimmung der Partikelkomponenten (extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) und Bakterien) und Aktivität (Vitalität von Bakterien) mittels Konfokaler Laser Scanning Mikroskopie zeigen, dass das Gesamtvolumen von EPS und Bakterien in der abgetragenen Biomasse im Verlauf einer Kultivierung variierte, wobei die Fraktion der Bakterien deutlich dominiert. Die MRI-Versuche ergänzen das Verständnis von Wachstum und Abtrag in erheblichem Maße. Die Ergebnisse zeigen, dass der Abtrag von Biomasse zu einem erheblichen Teil von der Oberflächenstruktur beeinflusst wird. Tendenziell wird mit zunehmender Scherbeanspruchung ein stark strukturierter Oberflächenfilm schrittweise bis auf einen vergleichsweise glatten Basisbiofilm abgetragen. In kontinuieriichen MRI-Versuchen konnte andererseits gezeigt werden, dass die sich bildenden Biofilmstrukturen sehr schnell (in Stundenfrist) auf das Strömungsfeld rückkoppeln. 13C-NMR Spektren von mit 13C-Glukose versorgten Biofilmen geben wichtige Hinweise auf die Zusammensetzung der EPS Matrix und die Mobilität der einzelnen Komponenten. Ein interessanter Aspekt wäre der Vergleich der bereits beobachteten Entwicklung von undefinierten Mischkulturbiofilmen mit denen definierter oder Reinkulturbiofilmen im Durchlauf-Rohrreaktor System. Folgende Fragestellungen können formuliert werden: 1) Sind Abtragprozesse und -raten identisch? 2) Kommt es in diesen Biofilmsystemen zu ähnlichen, zeitlich bestimmbaren Groß-Abrissereignissen? 3) Wie reproduzierbar sind diese Durchlauf- Rohrreaktorversuche in Bezug auf Biofilmstruktur, Wachstumsrate, Abtragsrate und Aktivität? Weiterhin ist von großem Interesse, wie sich chemoautotrophe Organismen/Bakterien bei verschiedenen Substrat- und Strömungsbedingungen entwickeln und verhalten.
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