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Holographische Motilitätanalyse des Schwimm- und Besiedlungsverhaltens flagellierter Mikroorganimsmen

Vater, Svenja Mareike

English Title: Holographic motility analysis of the swimming and settlement bahaviour of flagellated microorganisms

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Abstract

Die unerwünschte Besiedlung von künstlichen Oberflächen mit Mikroorganismen, das sogenannte Biofouling, stellt sowohl in der Biomedizin als auch in der marinen Industrie ein großes Problem mit gesundheitlichen und finanziellen Folgen dar. Daher besteht ein großes Interesse den Bewuchs von Oberflächen zu verhindern. Da viele der Organismen, auch als Biofouler bezeichnet, motil sind, d.h. in der Lage sind sich aktiv fortzubewegen, leisten Studien hinsichtlich ihrer Motilität einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Besiedlungs-verhaltens und damit zur Entwicklung von Strategien zur Biofouling Bekämpfung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Schwimm- und Besiedlungsverhalten von zwei verschiedenen flagellierten Modellorganismen, nämlich des pathogenen Bakteriums Pseudomonas aeruginosa und der Sporen der Grünalge Ulva linza, mittels digitaler in-line Holographie analysiert. Dabei konnten für die planktonische Schwimmbewegung von P. aeruginosa verschiedene Schwimmmuster klassifiziert werden, was nach unserem Wissen zum ersten Mal überhaupt zum experimentellen Nachweis helikalen Schwimmverhaltens für ein kleines Bakterium wie P. aeruginosa führte. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass P. aeruginosa Übergänge zwischen den verschiedenen Schwimmmustern aufweist. Bei den Sporen der Grünalge Ulva linza wurde neben dem Schwimmverhalten auch das Besiedlungsverhalten auf positiv geladenen Arginin und Tyrosin enthaltenden Oligopeptid Oberflächen untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Besiedlung dieser Oberflächen sehr hoch ist und die Anlagerung der Sporen äußerst schnell, innerhalb von wenigen Sekunden stattfindet. Durch das 3-dimensionale Tracken der Sporen konnte gezeigt werden, dass diese in Anwesenheit der ArgininTyrosin (ArgTyr) Oberflächen das sogenannte „Hit and stick“ Schwimmmuster aufweisen, bei dem sie direkt beim ersten Kontakt an der Oberfläche kleben bleiben, wonach einige der Sporen sporadische Zappelbewegungen auf der Oberfläche zeigten. Kontrolluntersuchungen mit einer reinen Glycin (Gly) Oligopeptid Oberfläche zeigten hingegen ein komplett anderes Schwimmverhalten der Sporen. Neben den Laborexperimenten mit den Modelorganismen P. aeruginosa und Ulva linza wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Feldexperimente mit Organismen in ihrer natürlichen Umgebung durchgeführt. Diese Untersuchungen führten zur erstmaligen Beschreibung und Klassifizierung des planktonischen Schwimmverhaltens motiler mariner Mikroorganismen.

Translation of abstract (English)

The undesired colonization of microorganisms on artificial surfaces, termed as Biofouling, is a major problem in the biomedical field as well as in marine industries and has sanitary and financial impact. Hence there is a major interest to prevent the attachment of organisms to surfaces. Because many of these organisms are motile, i.e. able to swim actively, studies concerning their motility are of great importance to understand the settlement behavior and to develop new strategies for Biofouling prevention. Therefore the swimming and settlement behavior of the two flagellated model organisms Pseudomonas aeruginosa and the spores of the green algae Ulva linza were analysed within this work, by use of digital in-line Holography. For P. aeruginosa different swimming patterns for the planktonic free movement of this bacterium could be classified which, to our knowledge, led to the first experimental detection of helical movement of a small bacterium such as P. aeruginosa. Furthermore it could be shown that P. aeruginosa is able to make transitions between the different classified swimming patterns. Beside the swimming behavior also the settlement behavior of spores of the green algae Ulva linza on positively charged oligopeptide surfaces with Arginine and Tyrosine content was analyzed. This investigation showed that settlement was very high on these surfaces and the attachment of the spores took place very rapidly within a few seconds. By using 3-dimensional tracking it could be shown that spores showed the so called “Hit and stick” swimming pattern in presence of the ArginineTyrosine (ArgTyr) surfaces. With this pattern they stuck to the surface immediately during the first surface contact and shortly after that some of the spores exhibited twitching movement on the surface. In contrast, analysis of a pure Glycine (Gly) reference surface showed a completely different swimming behavior of the spores. Additionally to the lab experiments with the model organisms P. aeruginosa and Ulva linza, field experiments with organisms under natural environmental conditions were performed. This investigation led to the first description and classification of the planktonic swimming behavior of flagellated marine organism.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 24 January 2014
Date Deposited: 05 Feb 2014 08:00
Date: 2014
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 530 Physics
540 Chemistry and allied sciences
570 Life sciences
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