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Untersuchungen zu Effekten und Wirkmechanismen elektrischer Polarisation auf Biofilmbildung und Biofilmablösung von leitfähigen Polymerbeschichtungen
Dr. Anna Katharina Heide
Das Stipendium

Trinkwasserbiofilm 7 Tage alt
Trinkwasserbiofilm 7 Tage alt
Die Besiedlung von Oberflächen durch Mikroorganismen findet in allen Wasser führenden nicht-sterilen Systemen statt. Nachteilig wirkt sich die Biofilmbildung in technischen und medizinischen Bereichen aus, wenn es dadurch z. B. zu einer Verschlechterung von Produkten, Beeinträchtigung von Prozessen, Materialzerstörung und Geruchsbildung kommt (Biofouling).
Ziel der Arbeit ist es, zu prüfen, ob durch das Anlegen eines elektrischen Potentials oder Stromes auf einer Testoberfläche die Ansiedlung von Bakterien verhindert oder verzögert bzw. die Biofilmentwicklung gehemmt werden kann. Des Weiteren soll geprüft werden ob die Entfernung der Biofilme von der Oberfläche (Reinigung) erleichtert werden kann. Dabei wird auch der Einfluss elektrischer Polarisation auf die Vitalität der Bakterien untersucht. Aufgrund der Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeck (DLVO)-Theorie ergibt sich die These, dass bei negativ geladener Aufwuchsfläche Bakterien mit einer negativen Oberflächenladung (Zetapotential) oder Partikel schlechter anheften. Die bislang durchgeführten Versuche wurden mit den Bakterienstämmen Stenotrophomonas maltophilia (Zetapotential -3 mV pH 7), Staphylococcus sciuri (Zetapotential -20mV) und Trinkwasser Mischkulturen durchgeführt.
Für die Polarisation der Testoberflächen - elektrisch leitende Polymerbeschichtungen auf Membranen oder Kohlenstoffglasfaser und ITO - wird ein Multi-Potentiostaten-System eingesetzt. Dieses besteht aus vier Potentiostaten an denen vier Versuchsgefäße (elektrochemische Zellen) angeschlossen sind. Die Versuche zum Einfluss elektrischer Polarisation der Testoberflächen auf Bakterien und bakterielle Biofilme werden mit unterschiedlichsten Polarisationsroutinen durchgeführt. Dazu werden die leitfähige Aufwuchsflächen in die Versuchsgefäße in Gegenwart der Bakterien oder der Biofilme über das Multi-Potentiostaten-System polarisiert. Es werden potentiostatische bzw. galvanostatische Versuche mit konstanten und gepulsten Potentiale bzw. Strömen gefahren.
Die Effekte der elektrischen Polarisation werden quantitativ anhand der Bestimmung der Bakterienanzahl auf den verschiedenen Oberflächen und volumenbezogen im Elektrolyten erfasst. Die Bestimmung der Anzahl werden dabei mittels Epifluoreszenz- und Konfokalem Laser Scanning Mikroskop durchgeführt. Des Weiteren wird eine Auswirkung auf die Veränderung der extrazellulären polymeren Substanzen qualitativ d.h. optisch beobachtet, aber auch spezieller in weiteren Versuchen verfolgt werden. Auch Auswirkungen auf die Lebensfähigkeit der Bakterien werden untersucht.
Die Versuche zur Verhinderung der ersten Phase der Biofilmbildung, der Primäradhäsion, wurden z. B. mit konstanten Potentialen sowie konstanten Stromdichten auf der ITO-Oberfläche durchgeführt. Alle konstant geschalteten Polarisationsroutinen wiesen sowohl bei S. maltophilia als auch bei den Trinkwasserbakterien keinen Effekt auf oder führten, und dies reproduzierbar, zu einer Erhöhung der Primäradhäsion. Durch eine im Minutentakt alternierende Polarisation d.h. gepulster Strom bzw. Potential von war ebenfalls kein adhäsionsverhindernder Effekt gegeben und auch hier war die Adhäsionsrate höher als bei der nicht polarisierten Kontrolle. Die Art der Besiedlung unterschied sich auf den polarisierten ITO-Oberflächen von jenen auf den Kontrolloberflächen. Auf nicht polarisiertem ITO adhärierten die Bakterien in Mikrokolonien mit interzellulärem Kontakt und waren von einer anfärbbaren Matrix umgeben. Bei der Matrix handelt es sich erfahrungsgemäß um extrazelluläre polymere Substanzen (EPS). Auf polarisierten ITO-Oberflächen waren die Bakterien gleichmäßig ohne interzellulären Kontakt und ohne eine umgebende Matrix verteilt. Es ist davon auszugehen, dass die EPS abgetrennt oder verändert und dadurch die interbakterielle Anziehung vermindert wurden. Nass-chemische, quantitative Analysen der EPS im Elektrolyten vor und nach Polarisation wiesen keine Unterschiede im EPS-Gehalt auf. Dies deutet darauf hin, dass die Beeinflussung der EPS auf der polarisierten Oberfläche auftritt und/oder dass es sich um chemische Veränderungen handelt. Weitere Untersuchungen werden derzeit mittels Fluoreszenzmikroskopie gekoppelt mit UV/VIS-Spektroskopie durchgeführt, da durch diese Gerätekopplung eine hohe Sensitivität und Messungen direkt auf der Oberfläche möglich sind. Diese Messungen werden in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit der Elektrochemie der DECHEMA e.V. durchgeführt.
Bei Versuchen zur Hemmung der Biofilmbildung bzw. -entwicklung wurden in einem Durchflusssystem Trinkwasserbiofilme unter verschiedenen Bedingungen angezüchtet. Wir konnten zeigen, dass die Ausbildung von Trinkwasserbiofilmen durch elektrische Polarisation auf ITO-Coupons gehemmt wurde.
Sowohl ein gepulster Strom als auch ein gepulstes Potential mit einer Pulsdauer von einer Minute verhinderten trotz zugegebenem Nährmedium die Biofilmbildung. Die Versuchsdauer betrug bei den ersten Versuchen 24 Stunden und wurde bei den potentiostatischen Versuchen auf bis zu 7 Tage erhöht. Während der Kontrollbiofilm sich hier mehrschichtig und dreidimensional entwickelte, blieb der polarisierte Biofilm einlagig. In der obigen Abbildung ist ein mit SYTO9 gefärbter Kontrollbiofilm (links) und polarisierter Biofilm (rechts) zu sehen.
Stipendiat/in: Dr. Anna Katharina Heide

Förderzeitraum:
01.06.2006 - 30.04.2009
Institut:
Universität Duisburg-Essen
Fachbereich Chemie
Biofilm Centre
Betreuer:
Prof. Dr. Hans-Curt Flemming
Thema:
Untersuchungen zu Effekten und Wirkmechanismen elektrischer Polarisation auf Biofilmbildung und Biofilmablösung von leitfähigen Polymerbeschichtungen

Derzeitiger Beschäftigungsort

Adresse:

IWW Rheinisch Wetfälisches Institut für Wasserforschung GmbH
Moritzstr. 26
45476Mülheim a.d. Ruhr

Telefon:

0208-40303-213/436

Fax:

0208-40303-84

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