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How do spores select where to settle? : A holographic motility analysis of Ulva zoospores on different surfaces

Heydt, Matthias Rudolf

German Title: Wie entscheiden Sporen, wo sie siedeln? : Eine holographische Bewegungsanalyse von Ulva Zoosporen an Oberflächen mit unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften

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Abstract

Wie entscheiden Sporen, wo sie siedeln? - Eine holographische Bewegungsanalyse von Ulva Zoosporen an Oberflächen mit unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften Ulva Sporen siedeln auf Oberflächen, um dann makroskopisch sichtbare Algen zu bilden. Dieser Bewuchs auf künstlichen Oberflächen (z.B. Bootsrümpfen) verursacht enorme Kosten, z.B. durch den erhöhten Treibstoffverbrauch von Schiffen. Um die initiale Phase der Besiedlung von Oberflächen, die schließlich zu dem Bewuchs führt, besser zu verstehen, wurde das Bewegungs- und Siedlungsverhalten von Ulva Sporen in Echtzeit und dreidimensional (3D) mittels digitaler in-line Holographie untersucht. Für diese Analyse wurde ein transportables, digitales in-line holographisches Mikroskop gebaut, mit dem die Bewegungsmuster der Algensporen aufgenommen wurden. Weiterhin wurde die Entwicklung, Programmierung und Anwendung einer Analysensoftware, die eine Rekonstruktion der Hologramme sowie eine automatisierte Bestimmung der Sporenpositionen erlaubt, durchgeführt. Auf diese Weise konnte erstmals das Schwimmverhalten von Ulva Sporen und deren Änderung in der Nähe von Oberflächen in 3D bestimmt und quantifiziert werden. Hierfür wurden funktionalisierte Glasoberflächen mit unterschiedlicher Benetzbarkeit sowie unterschiedlicher Attraktivität für Ulva Sporen untersucht: hydrophiles Poly(ethylene glycol) (PEG), hydrophiles Glas (AWG) und mit hydrophoben Fluorooctyltriethoxysilan (FOTS) funktionalisiertes Glas. Bei allen Oberflächen wurde eine Sporenanreicherung bis zu einer Entfernung von mindestens 200µm zur Oberfläche beobachtet. Eine Änderung der Bewegung findet ab einer Entfernung von 50µm zur Oberfläche statt und äußert sich zum Beispiel in einer ausgeprägten Schwimmbewegung parallel zur Oberfläche. Diese Änderung der Schwimmrichtung wird durch hydrodynamische Kräfte in der Nähe von Oberflächen induziert. Für die drei verwendeten Oberflächenchemien können deutliche Unterschiede im Besiedlungsverhalten in Oberflächennähe beobachtet werden: Auf AWG wird ein zeitunabhängiges Explorationsverhalten mit hoher Variabilität detektiert. Für PEG zeigt sich, dass sich die meisten Sporen nach einem kurzen Kontakt mit der Oberfläche wieder von ihr entfernen. Dies führt zu der Hypothese, dass die Algen auf die physikochemische Wechselwirkung ihrer Flagellen mit der Oberfläche reagieren. Das Verhalten auf der besiedlungsreichen FOTS Oberfläche ist zeitabhängig. In der Anfangsphase der Erkundungszeit werden die Sporen an der Oberfläche festgehalten, was vermutlich auf starke hydrophobe Wechselwirkungen zurückzuführen ist. Die meisten dieser „gefangenen“ Sporen schwimmen nach einer Weile wieder zurück in die Lösung. Dennoch werden, im Vergleich zu den anderen beiden Oberflächen, frühzeitig eine relativ große Anzahl permanenter Besiedelungsereignisse beobachtet. Das analysierte Erkundungsverhalten in der Nähe der Oberfläche kann gut mit der integralen Besiedelungskinetik korreliert werden. Mittels der Motilitätsanalyse kann nach einer Aufnahmedauer von nur 2min innerhalb der ersten 5min der Oberflächenerkundungsphase die Besiedelungskinetik sehr gut vorhergesagt werden, die sonst nur in einem 45 minütigen Besiedelungsversuch bestimmt werden konnte. Basierend auf den Ergebnissen der hier vorgestellten Bewegungsanalyse und auf Daten aus früheren Besiedlungskinetik-Studien wird ein Sporen Besiedelungsmechanismus postuliert, der besagt, dass die anfänglich adhärierende Sporen die weitere Sporen-Besiedlung der Oberfläche katalysieren

Translation of abstract (English)

How do spores select where to settle? - A holographic motility analysis of Ulva zoospores on different surfaces Ulva spores settle on surfaces and grow into macroscopic visible plants. This growth on manmade structures (e.g. ship hulls) causes enormous annual costs e.g. due to the increase of fuel consumption. For a more detailed understanding of the initial surface exploration phase, which leads to the irreversible growth on the surface, the surface exploration and settlement behavior is studied by digital in-line holography in real time and three dimensional (3D). For this analysis a transportable, digital in-line holographic microscope was built and used to record the motility of Ulva spores. Furthermore, a software package was developed to reconstruct the holograms and to allow an automated determination of spore positions. Following this approach, the motility of Ulva spores in solution and in vicinity to surfaces is determined and quantified in 3D for the first time. For this study functionalized glass surfaces with different wettability and different attractiveness for spore settlement are used: Poly(ethylene glycol) (PEG), hydrophilic glass (AWG) and hydrophobic glass functionalized with fluorooctyltriethoxysilan (FOTS). Spores accumulate in a 200µm wide near surface boundary layer. For all surfaces an accumulation of spores is found from the surface up to a distance of 200µm into the solution. A change in the movement direction which results in a parallel motion along the surface, is found at a distance of 50μm from the surface. This change in the swimming direction is caused by hydrodynamic forces in the vicinity to the surface. The exploration behavior in the vicinity of the surface is different for the three examined surfaces. On AWG a time independent exploration behavior with a large variability is determined. For PEG it is observed that most spores swim away from the surface after a short contact. This leads to the hypothesis that spores react to the interaction of the flagella with the surface. The behavior on the attractive FOTS surface is time dependent. In the beginning of the exploration phase the spores are trapped at the interface, which can possibly be caused by hydrophobic interactions. With elapsing time most of the spores swim back into the water column. However, compared to the other surfaces, a relative high amount of spores settle at an early point in time. The observed exploration behavior shows a good correlation to the known fouling kinetics. It turned out that it is sufficient to study the exploration behavior for 2min within the first 5min of the exploration time to predict the outcome of the 45min lasting settlement assay. Based on the results of motility analysis and earlier settlement kinetic studies a spore settlement mechanism is postulated which predicts that the early settled spores promote further spore settlement.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 28 April 2010
Date Deposited: 13 Jul 2010 15:20
Date: 2010
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Biofouling, Holographie, Objektverfolgung, Schwimmverhalten
Uncontrolled Keywords: biofouling , holography , tracking , swimming behavior
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