Projektbeschreibung

Biofilme sind ubiquitär vorhanden, unter anderem in technischen Systemen wie z.B. Trinkwasserverteilungs-systemen. Dort können Biofilme als Reservoir für pathogene Mikroorganismen fungieren, wodurch sie eine potenzielle Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) sind neben Wasser der Hauptbestandteil eines Biofilms. Prinzipiell bestehen EPS aus Makromolekülen wie Polysacchariden, Proteinen und Nukleinsäuren. Sie formen die extrazelluläre Matrix von Biofilmen und bieten den Biofilmorganismen Schutz gegen äußere Stresseinflüsse, z.B. gegen Desinfektionsmittel wie Chlor. Intermolekulare Wechselwirkungen der verschiedenen Makromoleküle sorgen für eine hohe mechanische Stabilität der Biofilme. Diese können zusätzlich durch mehrwertige Kationen wie z.B. Ca2+ oder Mg2+ verstärkt werden, welche an negativ geladene Gruppen, wie sie auf Bakterienoberflächen, an EPS-Molekülen oder in anorganischen Partikeln in Biofilmen zu finden sind, binden. Dabei spielen elektrostatische Kräfte, London-Kräfte oder Wasserstoffbrückenbindungen eine entscheidende Rolle. Die einzelnen Kräfte sind zwar relativ schwach, doch aufgrund der hohen Anzahl an Bindungsplätzen, ergeben sich relativ starke Bindungen, welche die hohe mechanische Stabilität der Biofilme erklären.

Um Biofilmbildung verstehen, kontrollieren und vermeiden zu können ist es wichtig, Erkenntnisse über die Biofilmorganismen und die Menge und Zusammensetzung der EPS zu sammeln, da die EPS ein wichtiges Zielobjekt für die Inaktivierung und Entfernung von Biofilmorganismen ist. Ein Problem bei der Untersuchung von Trinkwasserbiofilmen besteht darin, dass sie häufig nur in geringen Mengen vorliegen. In dieser Arbeit werden Biofilme auf einem elastomeren Material angezüchtet, welches die Biofilmbildung fördert. Die Zusammensetzung der EPS wird nach Isolierung durch die quantitative Analyse der Kohlenhydrate, Proteine und extrazellulärer DNA bestimmt, welche die charakteristischen Bestandteile mikrobieller EPS darstellen. Proteine werden weitergehend qualitativ durch gelelektrophoretische Analyse untersucht. Eine Analyse der Populationsdiversität wird mittels PCR-DGGE durchgeführt.

Fig. 1: Microscopic view of a 14 d old drinking water biofilm on EPDM coupons stained with Syto 9 and propidium iodide at a) 100x magnification and b) 1000x magnification.

Fig. 2: Two-dimensional gel of EPS proteins from a 14 d-old drinking-water biofilm (pH-gradient 3 to 10; 12 % poly- acrylamide gel)