Biophotonik & Analytik: Biofilme

Biofilme sind komplexe, stark strukturierte Mikrobengemeinschaften, die sich an fast jeder nicht-sterilen feuchten Grenzfläche bilden, oder auch als freischwimmende Kugelkolonien in wasserhaltigen Flüssigkeiten. Sie können aus einer einzigen Spezies oder unzähligen Spezies von Bakterien, Archaean, und anderen Mikroben bestehen.

Die Eigenschaften und Fähigkeiten eines Biofilms können extrem von denen der in ihm vergesellschafteten Mikroben abweichen, so dass der Biofilm als Meta-Organismus unter extremen Bedingungen gedeihen kann, die nur wenige nicht-vergesellschaftete Organismen verkraften können. Abhängig von ihrer Zusammensetzung können Biofilme daher sowohl größten Schaden als auch größten Nutzen bewirken.

Um nur zwei Beispiele für schädliche Biofilme zu nennen:

• Biokorrosion von Stahl in Öl- und Gaspipelines verursacht enorme Instanthaltungskosten und führt immer wieder zu Lecks und Umweltverseuchungen gerade in abgelegenen Landstrichen, wo seltener kontrolliert wird.
• extreme Antibiotika-, Desinfektions- und UV-Resistenz selbst bei wenigen, durch dünne Filamente verbundenen Zellen entlang einer Oberfläche führt dazu, dass Biofilmbildung in Operationssälen und auf Kathetern ein nicht zu unterschätzendes Risiko selbst bei minimalinvasiven medizinischen Prozeduren ist.

Andererseits sind Biofilme aber auch eine unverzichtbare natürliche Ressource. Zwei Beispiele hierfür wären:

• Die biologische Abwasserreinigung. Biofilme beseitige Stickstoff, Phosphat, Nitrat, Nitrit, etc. in den biologischen Klärstufen weltweit mit Umsatzraten, die durch chemisch/technische Verfahren bei weitem nicht erreicht werden können.
• Das Binden und sichere Abbauen gefährlicher Umweltgifte: Von Petroleum bis zu Schwermetallen (z. Bsp. Kadmium) und Radionukliden (z. Bsp. Uran).

Um Biofilme verstehen zu können, wird Information über die vergesellschafteten Mikroorganismen, ihre Spezies, ihre jeweilige räumliche Verteilung, ihre unmittelbaren Nachbarn, ihr Habitat, usw. benötigt.

Konfokale Raman Mikroskopie in Verbindung mit einem proteinspezifischen Resonanzeffekt ermöglicht die Untersuchung von lebenden, ungestörten Biofilmen in 3D und über Zeit hinsichtlich der vergesellschafteten Mikroorganismen, so dass Entstehung und Entwicklung beobachtet werden können. Ein Beispiel dazu ist diese Tauchfahrt in einen nitrifizierenden Biofilm.

Derzeit wird am HOT die Durchführung eines weiteren Langzeitexperiments vorbereitet, bei dem es um die Bestimmung der relativen Verwandtschaftsgrade der vergesellschafteten Bakterien untereinander gehen wird. Dies wird es erlauben, den zeitlichen Aufbau, d.h. die Bildung und Besiedelung der unterschiedlichen Mikrohabitate eines Biofilms, zu beobachten.