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1 Biofilm Centre
Nachrichten aus dem
Urschleim
Hans-Curt Flemming
Universität Duisburg-Essen
Fakultät für Chemie – Biofilm Centre
IWW Zentrum Wasser
Mülheim
2 Biofilm Centre
Urschleim: Bathybius haeckelii Haeckel 1870
Gallertige Substanz
In konservierten Proben
anlässlich der Verlegung des
ersten Transatlantik-Kabels
Ernst Haeckel: „Urschleim“
Seine Idee: Ganzer
Meeresboden davon überzogen
„Ursprung des Lebens“
Leider: Artefakt aus CaSO4 mit Konservierungmittel Alkohol
Ernst Haeckel
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Wie das Leben begann: Präbiotische Moleküle an Oberflächen tektonischer Störungen
Schreiber, Locker-Grütjen u. Mayer, Orig Life Evol Biosph (2012) 42:47–54
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Der echte Urschleim: Biofilme
Mikroorganismen leben nicht als Singles, sondern
in Gemeinschaft und auf Oberflächen aller Art
Diese Gemeinschaften werden „Biofilme“ genannt und
sehen höchst unterschiedlich aus, z.B.:
- Auf festen Oberflächen als Schleim (Zähne, Schiffe, Rohrleitungen)
- Aneinander festsitzend als Flocken
- In dicken Schichten als Matten, Schlämme, Granula
So verschieden sie aussehen, haben sie doch gemeinsame Merkmale:
- Einbettung in eine Matrix, gekennzeichnet durch hoch
wasserhaltige Biopolymere (bekannt als Schleime)
- Entstehung synergistischer Mikrokonsortien
- Erhöhte Resistenz gegenüber Antibiotika und Desinfektionsmitteln
- Überleben unter Stressbedingungen
(Hunger, Dürre, Strahlung etc.)
- Hohe Biodiversität
99 % aller Mikroorganismen auf der
Erde leben in Biofilmen
J. Kreft
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Erste Nachricht: Das Leben begann im Biofilm
Versteinerte Bakterien – 3,5 Mrd Jahre alt
Stromatolithe
1,3 Mrd. J. „modern“
6 Biofilm Centre
Yellowstone Park – Grand Prismatic Spring Archiv des Lebens, voller Biofilme
http://www.bankoboev.ru/images/Mjc4MjY4/Bankoboev.Ru_grand_prismatic_spring_yellowstone_national_park_wyoming.jpg
Experimente mit Pigmenten für
Photosynthese
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Heiß und sauer: Biofilme im Yellowstone Park mit Sulfolobus acidocaldarius
Quelle für „Extremozyme“
Sulfolobus
acidocaldarius
Haustier der AG Siebers
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Auch heiß und sauer: Biofilm im Rio Tinto mit Acidothiobacillus ferrooxidans
Nutzung für Biolaugung
Könnte auch auf dem Mars
vorkommen (A. Bauermeister)
Acidothiobacillus ferrooxidans
Acidothiobacillus
ferrooxidans
Haustier der AG Sand
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2. Nachricht: „emergente Eigenschaften“ – das Ganze ist mehr als die Summe der Teile
EPS-Matrix hüllt die Zellen ein, schützt sie vor Austrocknung und Desinfektionsmitteln (Resistenz)
Rückhaltung von Enzymen: Matrix als externes Verdauungssystem
Gradienten (pH, Eh, O2) verschiedene Habitate, hohe Biodiversität
Die Matrix erlaubt Bildung von synergistischen Mikrokonsortien
Zell-Zell-Kommunikation mit Signalmolekülen
Die Zellen können die Matrix verändern und so ihre unmittelbare Umgebung kontrollieren
Die Matrix bildet ultimativen Recycling-Hof
Gen-Pool, horizontaler Gentransfer
Matrix kann notfalls als Nährstoff dienen
Die Matrix ist kein Gefängnis: Zellen können sich herauslösen und andere Flächen besiedeln
Biofilm Centre
Enzym
Polysaccharid
3. Nachricht: Wir sind stärker als Stein
Beispiel: phototropher Biofilm
(Algen, Cyanobakterien) auf Mörtel
Wassermangel führt zu
verstärkten Wechselwirkungen
zwischen den EPS-Molekülen
Beginnt an der Außenseite
Führt zu Volumenverkleinerung
Daher Wölbung nach außen
Adhäsion von Steinchen aus
dem Mörtel zum Biofilm stärker
als an Mörtel
Ursache für mikrobielle
Verwitterung
Biofilm Centre
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4. Nachricht: Photsynthese erfunden! Aus mikrobiellen Matten in die Atmosphäre
Biofilm Centre Und wir trampeln darüber
5. Nachricht: die globale Putzkolonne Biofiltration im Langsamsandfilter
Biofilm Centre
Langsamsandfilter RWW Styrum Bakterien fressen
organische Stoffe
Protozoen fressen
Bakterien
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Daphnia magna
voll besiedelt (Miriam Tewes)
6. Nachricht: immer unterwegs - Biofilm auf Plankton
August im
Baldeneysee:
Zooplankton-
Oberfläche
3.400 km2
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Pseudmonas syringae
Bakterien-Aggregate wirken als Kondensationskeime für Wolkenbildung
P. syringae: typischer Luftkeim, hydrophile Oberflächenproteine
Besitzt auch eisbildende Proteine, Pflanzenpathogen
Wasser in Wolken: gasförmige organische Stoffe dienen als Nährstoffe
Ähnlich hohe Konzentrationen wie Oberflächenwasser
Bakterien wachsen in Wolken und landen mit dem Niederschlag
Biofilm Centre
7. Nachricht: Wir bewohnen Wolken, Regen, Schnee und Hagel
Kern von Hagelkörnern Pseudomonas
syringae
„ice-nucleating
protein“
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Verteilung der Mikroorganismen in Trinkwasserverteilung
- 95 % in Biofilmen an Oberflächen
- 5 % in der Wasserphase (und die wird beprobt!) Kontamination des Wassers durch Biofilm-Mikroorganismen Erhöhter Schutz vor Desinfektionsmitteln durch „Zehrung“, Bildung von Desinfektions-Nebenprodukten Bildung von Geruchsstoffen (z. B. durch Actinomyceten) Ursache für Verfärbung und Trübung von Trinkwasser (z. B. durch Eisen- und Manganoxid ablagernde Bakterien Aber: weitere Reinigung durch Abbau von restlichen Wasserinhaltsstoffen
Biofilm Centre
8. Nachricht: Wir wohnen in der Wasserleitung
Trinkwasser planktonische Mikroorganismen
Biofilm Freisetzung
Abb.: M. Moritz, Biofilm Centre, UDE
Biofilm Centre
Dreszer et al., 2013
9. Nachricht: Biofouling NF/RO - Wir sind nicht schuld am transmembranen Druckverlust
(aber an
Konzentrationspolarisation
und Δpfeed/brine)
Wasser
Biofilm
Membran
Stützschicht
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Nat. Rev. Microbiol. 10, 735 ff (2012)
11. Nachricht: Wir bewohnen Euch
Jörg Blech: Leben auf
dem Menschen – die
Geschichte unserer
Besiedler
Die Münchner Abendzeitung
weiß es schon:
Neues Konzept:
human mikrobiome
12. Nachricht: wir sind nicht totzukriegen
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Kolonien Kolonien Zwischen den Kolonien
Tot?
Koloniezahl-Bestimmung: Gold-Standard für
Qualität von Wasser, Lebensmitteln, Getränken,
Pharmaka etc.
Paradigma: keine Kolonie – keine Bakterien
Problem: Bakterien im Stress – nur noch
Erhaltungsstoffwechsel, aber nicht tot!
Vorübergehend unkultivierbar:
„viable but nonculturable“ (VBNC)
Rückkehr in kultivierbaren Zustand: „Erholung“
Biofilm als Reservoir und Schutzraum
Mechanismen werden derzeit in 5
Forschungsprojekten bearbeitet
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Das Fazit aus dem Urschleim:
Wir waren der Anfang allen Lebens
Wir bleiben bis zum Ende der Welt
Wir sind viele, wir sind überall, nichts hält uns auf
Wir sorgen für den Kreislauf der Elemente
Wir sind die Träger der Selbstreinigungskraft der Natur
Ihr seid aus uns entstanden
Wir kommen zu Euch nach Hause
Wir bewohnen Euch, Euer Wohl und Wehe hängt von uns ab
Eines Tages holen wir jeden
Ihr könnt uns nicht umbringen
Wir sind klein, aber wir haben die Macht!
Und daran dürfen forschen:
Seit 11 Jahren:
Astrid Dannehl
Zenyta
Dwidjosiswojo Alexa Pillen
Barbara Derricks Janine Wagner Jan Frösler
Witold
Michalowski
Miriam Tewes
Giacomo
Bertini
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Ganz spezieller Dank: Dr. Jost Wingender
Biofilm Centre
Seit 1996:
Laborleitung
Betreuung und Ausbildung von Doktoranden, Master- und
Bachelorstudenten
Meister der Methoden, Anlaufstelle der Ratlosen
Quelle kreativer Ideen und kritischster Fragen
Gemeinsame Erarbeitung von Forschungsanträgen
Inspirator bei der Erarbeitung wissenschaftlicher Konzepte
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Geschäftsführung Dr.-Ing. Wolf Merkel – Klaus-Dieter Neumann
Wasser-
ressourcen-
Management
Dr. A Bergmann
Wasser-
technologie
Dr. S Panglisch
Wasserqualität
Dr. U Borchers
Angewandte
Mikrobiologie
Dr. G Schaule
Management-
Beratung
Dipl.-Volksw. A Hein
Ressourcenschutz
Wassergewinnung
Systemsimulation
Trinkwasser-
aufbereitung
Membran-
technologie
Korrosions-
schutz
Verfahrenstechnische
Analytik
Anorganische
Analytik
Organische
Analytik
Mikrobiologische
Analytik
Biofilme
Hygiene
Monitoring
Industriesysteme
Wirtschaftlich-
keitsanalysen
Anlagen und
Infrastruktur
Produkt- und
Materialprüfung
Wissenschaftliches Direktorium
Wasserchemie
Prof. Dr. T Schmidt Wassertechnologie
Prof. Dr.-Ing. R Gimbel Managementberatung
Prof. Dr. A Hoffjan
Mikrobiologie
Prof. Dr. HC Flemming
Wasserressourcen
Prof. Dr. C Schüth
Integriertes Wasser-
ressourcen-Management
Wassernetze
Dr. A Becker
Instandhaltungs-
Strategien
Hausinstallationen
Organisation
und Prozesse
Risikomanage-
ment (TRiM®, WSP)
Radioaktivitäts-
Analytik
Material-
prüfung
Toxikologie
Software ADIS® TEIS®
Dank ans IWW – der Draht zur Praxis und die Bodenhaftung!
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Erster Jahrgang der Bachelor-Absolventen
2004
Danke – an die Water-Science-Studenten!
Sie haben mich umgehauen