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Rheologische Eigenschaften von Biofilmen

Rheologische Eigenschaften von Biofilmen

 

Biofilme sind die bevorzugte Lebensform vieler Mikroorganismen, die nahezu alle Lebensräume der Erde besiedeln. In unserem Darmbereich bewältigen Biofilme einen wesentlichen Bestandteil des Verdauungsprozesses, ebenso beteiligen sie sich an Selbstreinigungsprozessen in Böden und Gewässern. Innovative, technische Anwendungen finden Biofilme auch in speziellen Reaktoren. Neben diesen willkommenen Effekten gibt es noch eine Vielzahl unerwünschter Biofilme, die Biofouling, Biokorrosion und Infektionen verursachen. So sind Filme des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa SG 81 z. B. verantwortlich für die Lungenentzündung bei Mukovizidose-Patienten.

 

Der Großteil der Biofilme besteht aus Wasser; in wässriger Umgebung kann dessen Gehalt 98 % des Films erreichen. Die EPS-Matrix, welche die Mikrokolonien zusammenhält, besteht bei Pseudomonas aeruginosa bis zu 75 % aus Alginat, einem Polysaccharid, das wiederum aus einer Kette von unterschiedlich verknüpften Mannuronat- und Guloronateinheiten besteht. Diese Makromoleküle sind untereinander vernetzt, sodass hoch elastische, stabile Systeme entstehen. Weitere Bestandteile der Matrix sind Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und weitere Makromoleküle. Die Vernetzung beruht auf physikalischen Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen oder Coulombschen Wechselwirkungen. Wir haben in zahlreichen Experimenten die rheologischen Eigenschaften derartiger Biofilme untersucht.  Die Ergebnisse zeigen, dass die Biofilme temporäre Netzwerke darstellen, wobei die mittlere Lebenszeit der Verknüpfungspunkte ca. 16 Sekunden beträgt. Typische Eigenschaften dieser Strukturen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

 

 

 

Biofilme enthalten fluktuierende EPS-Netzwerke, deren Kontaktpunkte eine mittlere Lebenszeit von ca. 20 Sekunden aufweisen.

 

 

 

Die EPS-Netzwerke fluktuieren, d. h. Netzwerkpunkte können zerfallen und an anderer Stelle neu entstehen. Die Verknüpfung der Netzwerkketten erfolgt durch Entanglements, also mechanische Kontakte und Verknüpfungen. Wenn die Zeitdauer des Experimentes kleiner ist als die mittlere Lebenszeit der Vernetzungsstellen, dominieren die elastischen Eigenschaften. Die EPS-Matrix verhält sich dann wie ein Gel und besitzt charakteristische Eigenschaften eines Festkörpers. Bei langen Beobachtungszeiten finden aufgrund der Netzwerkfluktuationen Relaxationsprozesse statt, und die EPS-Matrix zeigt dann flüssigkeitsanaloge Verhaltensweisen. In diesem Bereich wird die eingebrachte mechanische Energie dissipiert, also in Wärme umgewandelt. Durch systematische Untersuchungen haben wir Informationen zur Kinetik der Gelbildung, zur Vernetzungsdichte, zu Alterungserscheinungen und zur mittleren Lebenszeit der temporären Verknüpfungsstellen erhalten können. Die durchgeführten Untersuchungen liefern neue Einblicke in die Struktur und Dynamik derartiger EPS-Netzwerke, und sie ergeben auch neue Erkenntnisse bezüglich des Transports von Nährstoffen und der Bewegung von Mikroorganismen innerhalb des Biofilms.