Entwicklung von faseroptischen Fluoreszenzsensoren für die Analyse von Biofilmen und deren Mikroumgebung

Abstract

Das Wachstum von Mikroorganismen auf Oberflächen und Grenzflächen im Biofilm ist sehr verbreitet und spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen wie unter ande-rem den Materialwissenschaften, der Biomedizin und der Abwasseraufbereitung. Auf-grund der inhomogenen Struktur und der Varianz in den Konsortien der Mikroorganis-men stellt die Analyse von Biofilmen allerdings eine große Herausforderung dar. Um eine nicht-invasive online Analyse von Biofilmen zu ermöglichen, wurde ein Fluoreszenz-sensor für die Messung der wichtigsten biologischen Fluorophore (Proteine, NADH und Flavin) in Biofilmen entwickelt. Der Sensor bietet die Möglichkeit, kontinuierlich den Stoffwechselzustand des Biofilms zu analysieren. Besonders hervorzuheben ist die Mess-spitze des Sensors, welche einen Durchmesser von 1 mm aufweist und eine Messung auf der Biofilmoberfläche sowie in der Biofilmstruktur ermöglicht. In dieser Arbeit konnten der Messbereich des Sensors und die Langzeitstabilität bestimmt und die Systemtauglich-keit bestätigt werden. Die Anwendung des Sensors in einem Biofilm wurde schrittweise angenähert. Zunächst wurde der Sensor in Zellsuspensionen und in biofilmähnlichen Strukturen eingesetzt. Abschließend wurde die Bildung eines abwasserbasierten Biofilms mit dem entwickelten Sensor analysiert. Als Proof-of-Principle-Experiment bestätigt dies die Funktionalität des Sensors für den Einsatz in der Biofilmanalyse. Zusätzlich zum Fluoreszenzsensor wurde ein kommerziell erhältliches pH- sowie pO2-Sensorsystem auf die Anwendung in Biofilmen übertragen. Hierzu wurde das System in einer biofilmähnlichen Struktur aus Alginat und anschließend in einer mikrobiellen Brennstoffzelle getestet. Beide Sensorsysteme eignen sich für die Anwendung in Bio-filmkultivierungen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die Messungen in einer biofil-mähnlichen Struktur maßgeblich von der Diffusionslimitierung beeinflusst werden. In Kombination bieten die Sensoren die Möglichkeit, nicht-invasive Biofilmanalysen durchzuführen und so Rückschlüsse auf den Zellzustand und die Prozessumgebung zu erhalten. Ein möglicher Einsatzbereich der Sensoren kann die mikrobielle Brennstoffzelle sein, deren Effizienz maßgeblich durch Sauerstoff und den metabolischen Zustand des Biofilms beeinflusst wird.