Aufklärung der Limitierungen hydrogenotropher und/oder aerophiler produktiver Biofilme mit Hilfe einer MRI-basierten in-vivo-Methode zur kombinierten Quantifizierung von Reaktantengradienten, Stofftransporteigenschaften und Biomassewachstum

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sven Kerzenmacher; Dr. Ekkehard Küstermann; Christina Roggatz, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559394633

Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist die Weiterentwicklung der MRT als in-vivo/in-situ-Technik zur Untersuchung der räumlichen Verteilung der Biomassedichte, der Stoffübertragungseigenschaften sowie der Substrat- (O2 und H2) und pH-Gradienten in hydrogenotrophen und/oder aerophilen Biofilmen und zur Aufklärung ihres Einflusses auf die Reaktionsgeschwindigkeiten und das Biomassewachstum. Um die Projektziele zu erreichen, wird ein Biofilm von C. necator in einem miniaturisierten Membran-Biofilmreaktor bei konstanter Durchflussrate kultiviert und im Verlauf seines Wachstums in einem MRT-Scanner experimentell untersucht. Zunächst werden MR-Techniken eingesetzt, um die Morphologie sowie die räumlich aufgelösten pH-, O2- und H2-Konzentrationen innerhalb des Biofilms zu charakterisieren. Um die lokal aufgelösten effektiven Diffusionskoeffizienten innerhalb des Biofilms zu charakterisieren, folgt auf diese Experimente ein plötzlicher Wechsel vom regulären Kulturmedium zu einem Kulturmedium, in dem H2O durch D2O ersetzt wurde. Der Fluss des D2O-basierten Kulturmediums über die Oberfläche des Biofilms führt zu einem fortschreitenden Austausch von H2O gegen D2O, der durch den Stofftransport innerhalb des Biofilms entsteht. Die daraus resultierende zeitabhängige Abnahme des 1H-Signals wird durch MR-Bildgebung registriert und zur Berechnung effektiver Diffusionskoeffizienten und zur Modellierung des Biofilmwachstums verwendet. Darüber hinaus werden wir die Biofilme von C. necator Quorum-Sensing-Molekülen aussetzen und unsere MRT-Methode verwenden, um deren Auswirkungen auf die Architektur und Produktivität in Abhängigkeit von den lokalen pH- und Sauerstoffbedingungen dynamisch zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2494: Produktive Biofilmsysteme