Biofilmbildung bei Sulfat reduzierenden Bakterien
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- Claus Winkler
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1 Biofilmbildung bei Sulfat reduzierenden Bakterien Welche Bedeutung hat die Biofilmbildung auf die Aktivität der Bakterien und somit die Leistung des Reaktors? Dr. Jutta Meier Universität Koblenz-Landau Institut für Integrierte Naturwissenschaften Koblenz Dr. Matthias Koschorreck Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ Department Seenforschung Magdeburg
2 Biofilme Matrix-enclosed microbial accretions that adhere to biological or non-biological surfaces Hall-Stoodley L., Costerton J.W., Stoodley P. (2004) Nature Rev Microbiol 2:
3 EPS: extrazelluläre polymere Substanzen The house of biofilm cells Flemming H.-C., Neu T.R., Wozniak D.J. (2007) J Bacteriol 189: Mix aus Biopolymeren: Polysaccharide, Proteine, Glycoproteineund Glycolipide, sogar Nukleinsäuren (e-dna = extrazelluläre DNA) Bestimmen die Lebensbedingungen der Zellen im Mikrohabitat: Porosität, Dichte, Wassergehalt, Ladung, Sorptionseigenschaften, Hydrophobizität und mechanische Stabilität Braissantet al. (2007) Geobiology5:
4 Biofilmbildung bei Sulfat reduzierenden Bakterien (SRB) Abwasserbehandlung Flokkenbildung; Konkurrenz zwischen SRB und Methanogenen Isa et al. 1986; Visser et al. 1993; Omilet al. 1997; Santegoedset al. 1999; Nagpalet al. 2000; Chen et al Behandlung schwermetallbelasteter Abwässer Metallbindungskapazitäten; Ausfällung der Schwermetalle im Biofilm White & Gadd1998, 2000; Clark et al Anaerobe Korrosion chemische Zusammensetzung des EPS; mechanische Stabilität Beech& Cheung 1995; Zinkevichet al. 1996; Beechet al. 1999, Stoodleyet al Mineralbildung Ausfällung von Calciumcarbonaten; Bindung von Ca 2+ ; Kristallisation Braissant et al. 2007; Bontognali et al. 2008; Decho
5 Sulfatreduktionzur Behandlung saurer und metallhaltiger Abwässer Themen Substrat (Elektronendonator & Kohlenstoffquelle) und dessen Umsetzung Leistung des Verfahrens (SRR, Neutralisierungsraten etc.) Zusammensetzung der mikrobiellen Lebensgemeinschaft Biofilm? Passives Verfahren Reaktor Anreicherung 1 Sediment RS Freiwasser RS Sediment RS 111 Substrat: Carbokalk Substrat: Methanol Substrat: H 2 /CO 2 5
6 Mikrobielle Lebensgemeinschaften Passives Verfahren RS 111 Carbokalk: Klonbanken Acetobacteraceae Cyanobacteria Bacteroidetes Not identified clones Betaproteobacteria Isosphaera Acidiphilium Clostridia Leptospirillum Unclassified Bacteria Acidobacteria Acidimicrobium Brevundimonas Desulfobulbaceae Desulfosporosinus Not identified clones Alicylobacillaceae Syntrophobacteraceae Geobacter Acidiphilium Pleomorphomonas Bacteroidetes Cyanobacteria Isosphaera Clostridia Leptospirillum Acidimicrobium Acidobacteria Unclassified Bacteria Chloroplasts Gammaproteobacteria Xanthomonadaceae Acetobacteraceae Betaproteobacteria Gammaproteobacteria Xanthomonadaceae 632 Klone 512 Klone Meier et al Porschet al unbehandeltes Seesediment Chloroplasts mit Carbokalk beaufschlagtes Seesediment (Enclosure 8) 6
7 Mikrobielle Lebensgemeinschaften Passives Verfahren RS 111 Klonbanken Dominanz von Desulfosporosinusspp. wurde ebenfalls nachgewiesen durch Kultivierung mit verschiedenen Elektronendonatoren und Kohlenstoffquellen. Desulfosporosinusspp. wurde ebenfalls angereichert aus unbehandeltem Sediment: autochthone Populationen. Sporenbildner acidotolerant Reduktion von Metallen Nutzung aromatischer Verbindungen? 7
8 Mikrobielle Lebensgemeinschaften Reaktor RS 111 Methanol: Klonbanken & Substratumsetzung Desulfosporosinus spp. Desulfomonile spp. Desulfobacterium spp. Geobacter spp. Methylophilaceae, Planctomycetes, Spirochaetes, Chlorobi, Acidaminococcaceae, Syntrophaceae, Syntrophobacteraceae Methanomethylovorans spp. Methanosarcinaceae Koschorreck et al
9 Mikrobielle Lebensgemeinschaften Anreicherung Sediment H 2 /CO 2 : Klonbanken (APWM: artificialporewatermedium; 5 mmfe, 4 mmal) ph ini 3 ph ini 4 ph ini 5 ph ini 6 42 Klone 39 Klone 43 Klone 40 Klone Thermodesulfobium (95%) Acidocella Acidithiobacillus Thermodesulfobium (92%) Desulfosporosinus Desulfosporosinus (95%) Thermodesulfobium Acidaminococcaceae Desulfosporosinus (88%) Acidaminococcaceae Clostridiaceae Thiomonas Meier et al
10 Mikrobielle Lebensgemeinschaften Anreicherung Sediment H 2 /CO 2 : Klonbanken Bei ph < 4 werden Desulfosporosinusspp. von Thermodesulfobium spp. auskonkurriert. a ph ini µm größere Toleranz gegenüber erhöhten H + -Konzentrationen weniger sensitiv gegenüber HS - /H 2 S Ausfällung des gelösten Aluminiums ein Al-Detoxifikationsmechanismus? 10
11 Ausfällung von Metallen - Mineralbildung Anreicherung Sediment H 2 /CO 2 : TEM Thermodesulfobium sp.: extrazelluläre Ausfällung von Aluminium Al a b Al C C Fe; S C 2 µm 2 µm c C Al d C e C 500 nm 200 nm 500 nm Al Meier et al
12 Auswirkung von gelöstem Fe, Al und ph Anreicherung Thermodesulfobiumspp. H 2 /CO 2 : Wachstum + Fe + Al ohne J. Meier unveröffentl. SO 4 2-removal, HS - /H 2 S, Fe(II) diss, Al(III) diss [mm]; ph a FepH ini 3 SO 4 2- removal Fe(II) ph 3 ph 4 ph 5 HS - /H 2 S b Fe ph ini 4 c Fe ph ini 5 d Al ph ini 3 e Al ph ini 4 f Al ph ini 5 Al(III) g control ph ini 3 h control ph ini 4 i control ph ini Time [d] Cellcounts[ml -1 ]
13 Auswirkung von gelöstem Eisen und Aluminium Anreicherung Thermodesulfobium spp. H2/CO2: TEM a 1 µm 1 µm f 1 µm c b 500 nm g 1 µm J. Meier unveröffentl. Innovationsforum GEOBIOTECHNOLOGIE Biofilmbildung bei Sulfat reduzierenden Bakterien 13
14 Biofilm bildung und Mineralausfällung Anreicherung Thermodesulfobiumspp. H 2 /CO 2 14
15 Biofilm bildung und Mineralausfällung Anreicherung Thermodesulfobiumspp. H 2 /CO 2 : Laser Scanning Mikroskopie ph 3 SYBR Green ph 3 Sypro ph 4 SYBR Green J. Meier unveröffentl. Aufwuchsträger LSM images: Courtesy of Thomas Neu, Helmholtz- Zentrum für Umweltforschung UFZ 15
16 Biofilm bildung und Mineralausfällung Mineral formation in the bulk phase Adsorption/precipitation of mineral particles EPS formation Cell aggregates/flocs EPS and biofilm formation Precipitation within the biofilm Adsorption/precipitation on the biofilm 16
17 Biofilmbildung und Mineralausfällung Reaktor RS 111 Methanol: Laser Scanning Mikroskopie Regrowth of the biofilm on top ofthemineral layer 60 min 0,5 M HCl Koschorreck et al
18 Biofilmbildung und Mineralbildung Weitere Untersuchungen Chemische Zusammensetzung des EPS? 3D-Struktur: Wo findet die Mineralbildung statt? Wie schützen sich die Zellen davor, eingemauert zu werden? Mechanische Stabilität des Biofilms? Veränderung der Diffusionsgeschwindigkeiten Mikronischenbildung? 18
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