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Influence of surface conditioning and morphology on biofouling

Thome, Isabel

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Abstract

Biofouling, the undesired colonization of surfaces, is a major problem for marine-related industries. To prevent unwanted effects caused by biofouling, suitable non-toxic coatings for the marine environment are required. Conditioning, i.e. the adsorption of proteins and macromolecules influences, as surface chemistry and morphology do, the settlement of fouling oragnisms. Investigating the temporal dynamics of conditioning film formation on functionalized self assembled monolayers (SAMs), it was shown that the obtained film thickness of about 10Å to 20Å is independent of the surface chemistry but differences occur concerning the composition of these films. While on hydrophilic surfaces more proteinaceous compounds are detectable, the hydrophobic surfaces show a lower intensity of proteins. Furthermore, is was shown that in standard Ulva linza spore settlement assays the influence of a molecular conditioning layer is likely to be small, but by increasing pre-conditioning time this influence gains importance and should be considered in long term experiments. Preconditioning also resulted in detectable surface differences in field studies. It was found that preconditioned samples which contain more proteinaceous compounds seem to be more attractive for settlement. Experiments with matured laboratory biofilms formed by Pseudomonas aeruginosa demonstrated that using a protein-rich medium results in conditioning film formation. Conversely, surface conditioning is reduced when a media containing a smaller amount of proteins is utilized. Furthermore, it was observed that surface chemistry has no remarkable effect on the fraction of inoculated bacteria that adhere to a surface. Finally, inspired by the nanostructured skin of dolphins, electron-beam lithography was utilized to create a honeycomb topography made of poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM). The evaluation showed that structures from 0.75 μm to 2.5 μm in diameter reduce Ulva settlement in comparison to a smooth PNIPAM surface. It should be noted, that wet polymer structure heights in the range of only 0.01 μm do have an effect on spores with a body size of around 5 μm.

Translation of abstract (German)

Biofouling, also die unerwünschte Besiedlung von Oberflächen, stellt ein erhebliches Problem in der maritimen Industrie dar. Um die durch den Bewuchs auftretenden unerwünschten Effekte zu unterbinden, werden entsprechende umweltverträgliche Beschichtungen benötigt. Die Konditionierung, d. h. die Adsorption von Proteinen und anderen Makromolekülen, beeinflusst, wie auch die Oberflächenchemie und Morphologie, die Besiedlung durch Fouling -Organismen. Mit der Erforschung des zeitlichen Ablaufs der Bildung dieser Konditionierungsfilme auf selbst assemblierenden Monolagen (SAMs), konnte gezeigt werden, dass die erhaltene Schichtdicke von ungefähr 10Å bis 20Å unabhängig von der Oberflächenchemie ist, sich die Filme aber in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Während auf hydrophilen Oberflächen mehr proteinöse Komponenten nachweisbar waren, zeigten hydrophobe Oberflächen eine geringere Proteinintensität. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass in Standard Ulva linza Besiedlungs-Assays der Einfluss eines molekularen Konditionierungsfilms gering ist, aber dass durch Erhöhung der Inkubationszeit dieser Einfluss immer drastischer wird und er desshalb bei der Planung von Langzeitexperimenten dementsprechend berücksichtigt werden muss. Präkonditionierung führte auch zu nachweisbaren Oberflächenunterschieden in Feldstudien. Es wurde beobachtet, dass konditionierte Proben mit einem höheren Anteil an proteinösen Komponenten attraktiver für die Besiedlung zu sein scheinen. Experimente mit ausgeprägten Laborbiofilmen, die durch Pseudomonas aeruginosa gebildet werden, zeigten, dass bei der Nutzung eines proteinreichen Mediums ein Konditionierungsfilm gebildet wird. Im Gegensatz dazu war bei einem proteinärmeren Medium eine geringere Konditionierung erkennbar. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die Oberflächenchemie keinen erheblichen Einfluss auf die an der Oberfläche anhaftenden Bakterien hat. Schließlich wurde Elektronenstrahllithographie verwendet um eine durch die nanostrukturierte Haut von Delphinen inspirierte Bienenwabenstruktur bestehend aus Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) zu generiern. Die Auswertung zeigte, dass Strukturen mit einer Größe von 0.75 μm bis 5 μm Durchmesser die Besiedlung durch Ulva im Vergleich zu einer gleichmäßigen PNIPAM Oberfläche reduzieren. Es ist bemerkenswert, dass eine Polymerstrukturhöhe im Bereich von nur 0.01 μm die Besiedlung etwa 5 μm großer Sporenkörper beeinflusst.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 31 May 2013
Date Deposited: 03 Jul 2013 05:31
Date: 2013
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
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