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

3 Biofilm Centre

Wie das Leben begann: Präbiotische Moleküle an Oberflächen tektonischer Störungen

Schreiber, Locker-Grütjen u. Mayer, Orig Life Evol Biosph (2012) 42:47–54

4 Biofilm Centre

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

5 Biofilm Centre

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

7 Biofilm Centre

Heiß und sauer: Biofilme im Yellowstone Park mit Sulfolobus acidocaldarius

Quelle für „Extremozyme“

Sulfolobus

acidocaldarius

Haustier der AG Siebers

8 Biofilm Centre

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

10. Nachricht: wir kommen zu Euch

nach Hause (1) - die Küche

18 Biofilm Centre

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

19 Biofilm Centre

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

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Das Buffet ist eröffnet!

Mit großem Dank ans ZWU – nicht nur fürs

Buffet, sondern auch als Kreativ-Plattform