Definition von Biofilmen:

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Sara Kolbe
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1 Definition von Biofilmen: A biofilm is a microbially derived sessile community characterized by cells that are irreversibly attached to a substratum or interface or to each other, are embedded in a matrix of extracellular polymeric substances (EPS) that they have produced, and in comparison to planktonic cells, they exhibit an altered phenotype with respect to Growth rate and Gene transcription. Donlan and Costerton (2002): Biofilms: Survival Mechanisms of Clinically Relevant Microorganisms. Clin Microbiol Rev, 15, Diese Eigenschaften haben alle mikrobiellen Aggregate wie Filme, mikrobielle Matten, Flocken und Schlämme

cells, they exhibit an altered phenotype with respect to Growth rate and Gene transcription.

2 Moderne Biofilme Biofilme: die erste Form des Lebens auf der Erde Erste Umweltkatastrophe: Photosynthese O 2

3 Epiphytische Bakterien Flechten Mikrobielle Matten Hier rutschen Sie auf Biofilmen aus Flocken mit Süßwasser- Bakterien Epilithische Biofilme

4 Habitate für kryophile (Kälte-liebende) Organismen

5 Abbau von Pflanzenresten Chitinabbauender Bioflim Biofilme die globale Putzkolonne

6 Belebtschlamm-Flocke: who is who? Analyse durch verschiedene Gensonden und Lektine (Manz et al.) Belebtschlamm- Flocke mit Pulver- Aktivkohle (F. Opalla)

7 Ausgewachsene Biofilme in Biofouling-Schadensfällen: unterschiedliche Morphologie: Umkehrosmose-Membranen, irreversibel durch Biofilme verblockt, die zahlreiche Desinfektionszyklen überlebt haben

8 Biofilm: Kupferleitung einer zentralen Desinfektionsmitteldosieranlage in Krankenhaus

9 Biofilme im Trinkwasserbereich 16 Jahre alte Hausanschlussleitung aus Stahl (500 x) (Grubert et al., 1991) Kunststoffrohr Kaltwasserleitung (Tiefenbrunner, 2002) selten benutzter Wasserhahn (Exner u. Tuschwitzki, 1984) Siliconschlauch, zahnärztliche Einheit (Exner u. Tuschwitzki, 1984) Hausanschlussleitung aus PE, mehrere Monate alt (Grubert et al., 1991)

, 1991) Kunststoffrohr Kaltwasserleitung (Tiefenbrunner, 2002) selten benutzter

10 "Dense confluent"-biofilm "Heterogeneous mosaic"-biofilm Die Erscheinungsform von Biofilmen ist sehr verschieden Nährstoffreich Scherkräfte Biozide Nährstoffarm Scherkräfte Biozide "Penetrated water-channel mushroom-like"-biofilm

Nährstoffreich Scherkräfte Biozide Nährstoffarm

11 Diffusion und Zehrung von Sauerstoff im Biofilm Messung mit Sauerstoff- Mikroelektrode Sauerstoff-Gradienten im Biofilm (D. de Beer, MPI für marine Mikrobiologie, Bremen)

12 Bedeutung der Struktur von Biofilmen: Biofilm-Organismen sind sehr unterschiedlich aktiv häufig herrscht an den Rändern die stärkste Aktivität

13 Aerober Abbau von Kohlenstoff Nitrifikation Fermentation Denitrifikation Methanogenese Sulfuretum Fe/Mn Zyklus Gradienten, Habitate und daraus folgende Prozesse in einem ausgewachsenen Biofilm

14 Mikrokonsortien in Abwasser-Biofilmen, visualisiert durch Gensonden (FISH) Methan-Oxidierer Sulfat-Reduzierer Ammonium-Oxidierer Nitrit-Oxidierer

15 Das Haus der Biofilm-Zellen: Hydrogel-Matrix aus extrazellulären polymere Substanzen (EPS) Biopolymere mikrobiellen Ursprungs Polysaccharide Proteine Glycolipide, Phospholipide, LPS Nucleinsäuren EPS bilden die unmittelbare Umgebung von Biofilm- Zellen und beeinflussen damit deren Leben am direktesten Die verschiedensten EPS bilden Hydrogele Meist Haupt-Anteil der Biomasse in einem Biofilm

Nucleinsäuren EPS bilden die unmittelbare Umgebung von Biofilm- Zellen und beeinflussen damit

16 EPS Extracelluläre polymerere Substanzen EPS Zellen P. putida auf einer mineralischen Oberfläche 1 µm

17 EPS: Biofilm-Morphologie und Funktion Anheftung der Zellen und des Biofilms an Oberflächen Kohäsion mikrobieller Aggregate Gestalten den Raum zwischen den Zellen, verantwortlich für räumliche Biofilm-Struktur Immobilisieren die Zellen, lange Verweilzeit zueinander Stabile synergistische Mikrokonsortien Rückhaltung, Stabilisierung, Schutz von Exoenzymen Rückhaltung von Wasser, Schutz gegen Austrocknung Komplettes Recycling für C, N, P, S etc. Horizontaler Gentransfer, Gen-Pool Sorption von Nährstoffen aus der Wasserphase EPS-Zusammensetzung ist dynamisch, nicht konstant: hängt ab von Nährstoffen, Phase, Hydrodynamik, Grazern etc.

Rückhaltung, Stabilisierung, Schutz von Exoenzymen Rückhaltung von Wasser, Schutz gegen Austrocknung Komplettes Recycling für C, N, P, S etc.

18 Feinstruktur der EPS-Moleküle: Einfluss auf Biofilm-Morphologie Färbung von P. aeruginosa-biofilmen mit Lektin ConA (rot, Alginat) und SYTO9 (grün, Zellen), CLSM-Bilder (1000fach, Bildstapel in Schattenprojektion nach Dekonvolution) links: P. aeruginosa FRD1 (mucoid, acetyliert), rechts: P. aeruginosa FRD1153 (mucoid, nicht-acetyliert) Acetylierung hat eine Auswirkung auf die Struktur des Alginats in der EPS-Matrix Dies hat eine Auswirkung auf die Biofilmarchitektur (ohne Acetylgruppen: dünnerer Biofilm) (Strathmann et al., im Druck)

nach Dekonvolution) links: P. aeruginosa FRD1 (mucoid, acetyliert), rechts: P.

20 Signalmoleküle beeinflussen Biofilm-Struktur Signalmoleküle niedermolekulare organische Verbindungen, z. B. bei vielen Gram-negativen Bakterien: N-Acyl-L-Homoserinlactone Wirkung nur bei hohen Zelldichten normaler Biofilm von P. aeruginosa (Davies, 1999) Biofilm von P. aeruginosa-mutante mit Defekt in Bildung von Signalmolekülen

bei vielen Gram-negativen Bakterien: N-Acyl-L-Homoserinlactone Wirkung nur bei

21 Quorum sensing Vibrio fischeri Quorum Sensing im Biofilm: Bildung von Clustern Pathogenitätsfaktoren Enzymproduktion

22 Biofilme als Hydrogele Biofilms are stiff water (Kevin Marshall) Wasser wird in der Matrix zurückgehalten Wassergehalt in Biofilmen: % Fast all dieses Wasser ist in den EPS Rückhaltung: thermodynamischer Effekt Wasserkonzentration: - Bereiche mit EPS: 95 % - Poren und Kanäle: 100 %

23 FTIR-ATR: Austausch von H 2 O durch D 2 O H 2 O D 2 O Aber: Pulse-field Gradient Echo NMR Analyse findet für 99,9 % des Wassers den gleichen Selbstdiffusionskoeffizienten wie für freies Wasser (Vogt et al.) Austauschkinetik: 3 Schritte = 3 Arten von gebundenem Wasser? Modellbiofilm: P. aeruginosa auf Zinkselenid-Kristall Schmitt & Flemming, 1999 Unbehandelter Biofilm Biofilm mit Chlor behandelt

24 Lipase als Exoenzym Visualisierung der Lipase-Aktivität in situ mit ELF 97-Palmitat als künstliches Substrat für Lipase, das bei Spaltung einen fluoreszierenden, unlöslichen Kristall erzeugt 24 h 48 h 72 h Rot: Zellen Grün: ELF 97 präzipitiert (CLSM, optischer Schnitt, 1000x) Zunehmende Zeit: zunehmende extrazelluläre Lipase-Aktivität (Tielen et al., im Druck)

25 Lipase und Alginat 100 Tris-Puffer Bacterien-Alginat Algen-Alginat Lipase activity (%) Time [min] Lipase-Aktivität nach Exposition bei 70 C: Hinweis auf Schutzwirkung durch Komplex Alginat/Lipase (Tielen et al., im Druck)

26 Molecular modelling: Energetisch günstige Konfiguration Lipase bindet an Alginat gegenüber dem aktiven Zentrum Bindung von Lipase an Alginat Blau: positiv geladene Aminosäuren (Arg, His) Aktives Zentrum Alginat: besteht aus negativ geladenen Uronsäuren

27 EPS matrix lipase-alginate complexes mature alginate mature lipase AlgE om Lip Dsb Xcp-machinery AlgL AlgF p ss AlgG im Sec Alg8 AlgXAlg44 8 Extrazelluläre Lipase wird direkt in die Alginat- Matrix ausgeschieden und dort zurückgehalten

28 Das glückliche Leben im Schleim Bildung von Mikrokonsortien Gradienten: verschiedene Habitate, hohe Biodiversität Rückhaltung von Exoenzymen Optimaler Recycling-Hof für C, N, P, S etc. Rückhaltung von Wasser Anreicherung von Nährstoffen Gen Pool, horizontaler Gen-Austausch Zell-Zell-Kommunikation Erhöhte Resistenz gegen Biozide

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