Auswirkungen von Scherkräften auf Bacillus subtilis Biofilme in fliessendem Wasser

Bakterien bilden oft Cluster, die man Biofilme nennt, auf Oberflächen in Umgebungen, wo Wasser fliesst. Diese Biofilme bestehen aus Bakterien, die von einer schützenden Schicht von Substanzen umgeben sind, die sie produzieren. In unserer Forschung konzentrieren wir uns auf eine verbreitete Art von Bakterien namens Bacillus Subtilis und wie seine Biofilme in glatten Kanälen mit fliessendem Wasser wachsen. Wir wollen verstehen, wie die Kräfte des fliessenden Wassers die Form und Grösse dieser Biofilme beeinflussen.

#Biofilmwachstum in fliessendem Wasser

Wenn Bacillus subtilis-Bakterien in Wasser suspendiert sind, können sie sich an Oberflächen anheften und Biofilme bilden. Diese Biofilme wachsen in Gegenwart von fliessendem Wasser, das wichtige Nährstoffe und Sauerstoff bringt. Der Fluss erzeugt jedoch auch Kräfte, die den Biofilm formen können. Hoher Fluss kann Bakterien wegdrücken, während niedriger Fluss es ihnen ermöglichen könnte, freier zu wachsen.

#Die Bedeutung des Flusses

Der Wasserfluss ist entscheidend für die Biofilm-Entwicklung. In unserer Studie haben wir untersucht, wie die Geschwindigkeit des Wassers – auch Wand-Schubspannung genannt – das Biofilmwachstum beeinflusst. Wir haben Biofilme über einen Zeitraum von sieben Tagen untersucht und eine Methode namens optische Kohärenztomographie (OCT) verwendet, um sie zu überwachen, ohne ihren natürlichen Zustand zu stören.

#Biofilmstruktur

Die Biofilme, die von Bacillus subtilis gebildet werden, bestehen aus kleinen Clustern, die man Mikrokolonien nennt. Jede Mikrokolonie kann man sich wie eine kleine Säule vorstellen, mit einem dünnen Faden, der von ihrer Spitze ausgeht, den wir "Streamer" nennen. Diese Streamer orientieren sich oft in die Richtung des Wasserflusses. Die Struktur des Biofilms wird durch die Schubspannung des fliessenden Wassers beeinflusst.

#Methodik

Um das Biofilmwachstum zu studieren, haben wir Experimente in Kanälen mit unterschiedlichen Höhen und Durchflussraten eingerichtet. Wir haben die Schubspannung auf den Biofilm während der Experimente gemessen. Durch die Variation der Flussbedingungen wollten wir sehen, wie sich dies auf die Eigenschaften des Biofilms auswirkt.

#Optische Kohärenztomographie

Unser Hauptwerkzeug zur Überwachung der Biofilm-Entwicklung war die optische Kohärenztomographie (OCT). Diese Technik ermöglichte es uns, detaillierte 3D-Bilder des Biofilms zu erstellen, ohne Farbstoffe oder andere Behandlungen, die das Wachstum stören könnten. Indem wir die Biofilme alle zwölf Stunden scannen, konnten wir beobachten, wie sie sich über das Experiment hinweg entwickelten.

#Ergebnisse

#Biofilm-Evolution

Über die sieben Tage hinweg haben wir beobachtet, dass die Bacillus subtilis-Biofilme stetig wachsen. In den frühen Phasen erscheinen die Biofilme als einfache Strukturen, aber mit der Zeit werden sie komplexer. Die Mikrokolonien dehnen sich aus und Streamer beginnen sich zu entwickeln.

#Der Effekt der Schubspannung

Als die Schubspannung zunahm, bemerkten wir, dass die Wachstumsrate des Biofilms abnahm. Biofilme, die unter Bedingungen mit niedrigerer Schubspannung gebildet wurden, waren im Allgemeinen grösser und weiter verteilt im Vergleich zu denen, die unter höherer Schubspannung entstanden. Das deutet darauf hin, dass stark fliessendes Wasser das Wachstum von Biofilmen hemmen kann.

#Konsistente Muster

Trotz der Variationen in der Schubspannung blieben die strukturellen Merkmale der Biofilme bemerkenswert ähnlich. Jede Mikrokolonie nahm konsequent die Form einer schrägen Säule mit einem entsprechenden Streamer an.

#Einblicke in die Biofilm-Morphologie

In unseren Beobachtungen haben wir klargestellt, wie sich die Morphologie von Biofilmen im Laufe der Zeit hinsichtlich der Schubspannung verändert. Biofilme können durch Kräfte, die vom fliessenden Wasser ausgeübt werden, Teile von sich verlieren, ein Prozess, der oft als Abblättern bezeichnet wird.

#Streamer-Entwicklung

Interessanterweise erscheinen die Streamer des Biofilms, nachdem sich die Mikrokolonie etabliert hat. Die Bildung dieser Strukturen ist mit den Strömungsmustern um den Biofilm verbunden, die Bedingungen schaffen können, die das Wachstum von Streamern begünstigen.

#Biofilm-Dicke und -Bedeckung

Wir haben die Dicke des Biofilms und dessen Bedeckung über der Oberfläche gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass Biofilme bei niedrigerer Schubspannung tendenziell mehr Fläche bedeckten und dicker waren im Vergleich zu denen bei höherer Schubspannung.

#Diskussion

#Mechanismen des Biofilmwachstums

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Wachstum von Bacillus subtilis-Biofilmen von der Schubspannung beeinflusst wird. Mit zunehmender Schubspannung bilden die Biofilme kompaktere Strukturen. Dieser Trend stimmt mit früheren Studien überein, die gezeigt haben, dass Schubspannung viele Arten von Biofilmen beeinflusst.

#Die Herausforderung der Biofilm-Studie

Das Verständnis der Interaktion zwischen Schubspannung, Wachstum und der biologischen Reaktion der Bakterien ist komplex. Viele Faktoren, darunter die Verfügbarkeit von Nährstoffen und mechanische Kräfte des Flüssigkeitsflusses, beeinflussen, wie Biofilme sich entwickeln.

#Fazit

Zusammenfassend hebt diese Studie die komplexe Beziehung zwischen Wand-Schubspannung und Biofilmwachstum hervor. Indem wir identifizieren, wie Bacillus subtilis-Biofilme sich bilden und auf fliessendes Wasser reagieren, gewinnen wir Erkenntnisse, die unser Verständnis von Bioverunreinigungen verbessern können – ein Thema, das viele Branchen betrifft, darunter Schifffahrt und Wasseraufbereitung. Das Wissen, das wir gesammelt haben, kann zu besseren Strategien für das Management von Biofilmen in praktischen Anwendungen führen.

#Zukünftige Forschungsrichtungen

Zukünftige Studien werden sich mit verschiedenen Arten von Bakterien und Umgebungen befassen, um zu sehen, ob die beobachteten Wachstumsmuster zutreffen. Zu verstehen, wie Mikrokolonien unter verschiedenen Bedingungen agieren, wird entscheidend sein, um unser Wissen über Biofilm-Dynamik zu erweitern.

#Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse

• Bacillus subtilis bildet Biofilme in fliessendem Wasser, die stark von der Schubspannung beeinflusst werden.
• Die Biofilm-Entwicklung umfasst die Bildung von Mikrokolonien, die eine konsistente Struktur aufweisen.
• Höhere Schubspannung führt im Allgemeinen zu kleineren, kompakteren Biofilmen.
• Die Studie trägt zu einem besseren Verständnis von Bioverunreinigungen und deren Management in verschiedenen Anwendungen bei.