Biofilme und ihre Relevanz für Mikroplastik


Biofilme formen sich in der Natur innerhalb kurzer Zeit auf so gut wie allen Oberflächen, somit natürlich auch auf Mikroplastik. In zahlreichen Studien konnten Biofilme auf Mikroplastik, welches in der Umwelt gesammelt wurde, nachgewiesen werden. Dies verändert auch die Eigenschaften des Mikroplastiks, wie die Oberflächenbeschaffenheit und -chemie oder die Dichte. Zusätzlich können biochemische Transformationsprozesses das Mikroplastik selbst verändern.

Bildung von Biofilmen

Die Bildung von Biofilmen ist in vier Phasen unterteilt. Zu Beginn lagern sich einzelne Mikroorganismen an die Oberfläche an, wo sie sich durch ihre Flagellen, Pili oder Biomoleküle ihrer Hülle wie Polysacharide festhalten können. In dieser Phase ist die Interaktion zwischen den Mikroorganismen und jeweiligen Oberfläche, z.B. Rauheit der Oberfläche und Oberflächenladung einer der wichtigsten Faktoren. Auch siedeln sich Mikroorganismen deutlich besser an Oberflächen an, welche bereits mit Biomolekülen behafte sind.

In der zweiten Phase beginnen die Zellen sich über ausgeschiedene Biomoleküle, Polysacharide und Proteine, irreversibel an der Oberfläche zu binden und sich auszubreiten. Dies ist der Beginn der Bildung eines Filmes und der EPS. Hierbei kommunizieren die Mikroorganismen über das sogenannte Quorum sensing miteinander, eine biochemische Kommunikationsform über Botenstoffe. Dies ermöglichen ein organsiertes Wachstum sowie die Diversifizierung von Aufgaben innerhalb des Biofilmes.

In der dritten Phase vermehren sich die Mikroorganismen und es beginnt das Wachstum des Biofilms eingebettet in der EPS. Die EPS bildet hier eine gelartige Schicht, ähnlich zu Galantine, die den Bakterien einen Lebensraum bietet und sie vor äußeren Einflüssen und austrocknen schützt. Der Nachteil der EPS ist der verlangsamte Stofftransport innerhalb dieser, weswegen es zu einer verringerten Nährstoff- und Sauerstoffverfügbarkeit kommen kann. Deshalb organisiert sich der Biofilm mit Hilfe des Quorum sensing so, dass seine Struktur eine möglichst gute Anhaftung bei gleicher guter Verfügbarkeit von Nährstoffen ermöglicht, durch das Formen von Kanälen durch die Wasser strömen kann bzw. von einem Rauen unregelmäßigen Oberfläche. Auch innerhalb des Biofilmes können sich die Aufgaben der Mikroorganismen diversifizieren, je nach deren Lage und Verfügbarkeit von Nährstoffen, Sauerstoff oder ausgeschiedenen Stoffwechselprodukten, welche unter den Arten symbiotisch verarbeitet werden.

In der vierten Phase liegt ein ausgewachsener Biofilm vor, welcher irgendwann eine Größe erreicht, in welcher die Nährstoffe nicht mehr in der gesamten Kolonie verfügbar sind. Deshalb beginnen die Mikroorganismen die EPS teilweise abzubauen, wodurch sei freigesetzt werden, sich im Wasser verteilen können und potenziell neue Kolonien formen können.


Warum kommt es zur Biofilm-Bildung?

Warum Bakterien Biofilme formen ist noch nicht vollends geklärt. Hierbei gibt es vier Haupttheorien. Die erste Theorie besagt, dass Biofilme für die Bakterien einen besseren Schutz gegenüber Stress und äußeren Einwirkungen bilden, weshalb es evolutionsbedingte Vorteile bringt diese zu formen. Ein weiterer Grund könnte sein, dass die Ausbildung von Gemeinschaften verschiedener Mikroorganismen mit verschiedenen Eigenschaften und möglichen Symbiosen innerhalb des Biofilms einen Vorteil für das Überleben liefert.

Auch können durch Biofilme viele ökologische Nischen und Lebensräume besser besiedelt werden. Die letzte Theorie vermutet, dass der Biofilm die ursprüngliche Lebensform der Bakterien ist, in die sie immer wieder zurückkehren, da sich die planktonische Lebensweise erst im späteren Verlauf der Evolution gebildet hat.


Biofilme auf Mikroplastik


Die Dichte des Mikroplastiks ist ausschlaggebend für die Transportprozesse und den Verbleib von Mikroplastik. So hängt es von der Dichte ab, ob das Mikroplastik frei im Wasser schwebt, aufschwimmt oder absinkt. Somit sind hier auch unterschiedliche Ökosysteme und Organismen dem Mikroplastik ausgesetzt.

Einer der wichtigsten Faktoren für die Verarbeitung und den Verbleib von Mikroplastik nach der Aufnahme in einen Organismus ist neben der Partikelgroße die Oberflächenchemie. Studien konnten bereits zeigen, dass biofilmbewachsenes Mikroplastik, welches mit natürlichen Molekülen bedeckt ist, nach der Aufnahme in den Organismus deutlich besser in das Gewebe aufgenommen wird, da es natürlichen Substanzen stärker ähnelt und somit besser vom Organismus angenommen wird.

Auch auf die Entfernung von Mikroplastik unter der Verwendung von oberflächenaktiven Methoden wie Flockung oder dichteabhängigen Methoden wie Sedimentation oder Flotation werden durch die Änderung von Dichte und Oberfläche beeinflussen.

In der Mikroplastik-Forschung, in welcher die unzähligen Plastiksorten mit verschiedensten Eigenschaften unter denen Mikroplastik zusammengefasst wird, schon eine riesige Herausforderung darstellen, wird die Änderung der Eigenschaften durch Biofilmbewuchs noch wenig berücksichtigt. Wir haben im Zuge unserer Forschungsarbeiten eine Methode entwickelt, um einfach und unkompliziert innerhalb kurzer Zeit (ca. eine Woche) Biofilme auf Referenzmikroplastik züchten zu können, um dieses in weitergehenden Versuchsreihen zu verwenden und Mikroplastik aus der Natur zu simulieren.

Hierbei wird Mikroplastik in eine Säule gefüllt und mit biologisch behandeltem kommunalem Abwasser durchflossen. Das Abwasser verfügt über eine hohe Zahl und Diversität an Bakterien, welche sich potenziell auf dem Mikroplastik ansiedeln können und stellt gleichzeitig viele Nährstoffe zur Verfügung. Durch die Zugabe von Glukose wird die Nährstoffverfügbarkeit zusätzlich erhöht. Das Durchströmen des Mikroplastiks führt zu einem kontinuierlichen Austausch des Wassers und somit einer hohen Nährstoffverfügbarkeit, was die Biofilmbildung stark beschleunigt.


Wie kann man den Biofilm sichtbar machen?

Die Abbildungen zeigen CLSM- (konfokale Laser-Scanning-Mikroskop) und REM- (Rasterelektronenmikroskop) Aufnahmen von Biofilm bewachsenem Mikroplastik aus dieser Methode. Die CLSM Bilder zeigen eindrucksvoll, wie das Mikroplastik von der EPS (in Abbildung grün) bedeckt ist, an machen stellen stärker als an anderen. Auch die roten, stark mit Bakterien kolonisierten Bereiche fallen auf. Auf den REM Bildern sieht man deutlich, wie die Bakterien sich an die Oberfläche anhaften und dort Kolonien und EPS bilden.

oben: CLSM- (konfokale Laser-Scanning-Mikroskop) Aufnahmen von Biofilmbewachsenem Mikroplastik (rechts Polyethylen, links Polypropylen) nach einwöchiger Inkubation ein einer Festbettsäule durchströmt mit biologisch gereinigtem Abwasser. Die grünen Bereiche sind stark bedeckt mit EPS, die roten Bereiche sind stark Bakterien besiedelt.

unten: REM- (Rasterelektronenmikroskop) Aufnahmen von Biofilmbewachsenem Mikroplastik (oben Polyamid, unten Polyvinylchlorid) nach einwöchiger Inkubation ein einer Festbettsäule durchströmt mit biologisch gereinigtem Abwasser.