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Mikrofluidische Adhäsionsstärkemessungen der Diatomee Navicula perminuta

Alles, Maria

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PDF, German
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Abstract

Biofouling ist die unerwünschte Besiedelung künstlicher Oberflächen durch diverse Organismen. Die ökonomischen und ökologischen Folgen dieser biologischen Besiedlung stellen nicht nur die Seeschifffahrt vor große Probleme. Als umweltfreundliche Maß-nahmen gegen Bio¬fouling stehen heutzutage sogenannte fouling-release Techno¬logien im Vordergrund. Diese Beschichtungen sollen lediglich eine schwache Adhäsion der Organismen bewirken und bereits durch Einwirkung von leichten Scherströmungen zu einer Ablösung dieser führen. Da Diatomeen zu den ersten Mikroorganismen zählen, die eine Oberfläche bei Kontakt mit einem natürlichen Gewässer besiedeln und zudem häufig auf kommerziellen Beschich¬tungen vorkommen, wurde die Diatomee Navicula permi¬nuta, eine Kieselalgen-Gattung, als Modellorganismus für die Adhäsions¬studien gewählt. Die quantitative Untersuchung des Haftvermögens von N. perminuta erfolgte mit einem mikrofluidischen Flusssystem, indem adhärierte Algenzellen durch die Ein¬wirkung einer stufen¬weise zunehmenden Scherströmung innerhalb 0,01 dyn/cm2 und 5500 dyn/cm2 von einer Oberfläche entfernt wurden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden für die verwendete Kieselalge zunächst experimentelle Parameter wie z. B. Inkubationszeit und Flussratenerhöhung optimiert und anschließend der Effekt unterschiedlicher Ober¬flächen¬eigenschaften, welche Relevanz für den Prozess der Bioadhäsion besitzen, untersucht. Darunter fielen Benet¬zung, Hydratation und Ladung. Um den Einfluss unterschied¬licher Benet¬zun¬gen auf die Adhäsionsstärke zu ermitteln, wurden chemisch unterschiedliche SAMs (selbst-aggregierende Monolagen) verwendet. Der Einfluss verschiedener Hydra¬tations¬grade wurde durch Variation der Anzahl von Ethylen-Glykol (EG) Einheiten in den SAMs untersucht. Die Wech¬sel¬wirkung einer Grenzfläche mit Wassermolekülen spielte ebenso bei der Untersuchung von Polysaccharid¬oberflächen und zwitter¬ionischen SAMs eine wesentliche Rolle. Im Zusammenhang mit zwitterionischen SAMs wurden ebenfalls die positiv bzw. negativ geladenen Homologen analysiert. Die Resultate zeigten, dass die Hydratation einer Oberfläche im Vergleich zur Benetzung und Ladung den größten Einfluss auf die permanente Adhäsion von N. perminuta hatte. Im Hinblick auf die Hydratation wurde anhand von EG-SAMs demons¬triert, dass eine zuneh¬mende Anzahl an EG-Einheiten eine stetige Schwä¬chung der Adhäsion herbei-führte. Eine ähnliche schwache Adhäsion der Diatomeen wurde auf zwitter¬ionischen SAMs verzeichnet. Mit Poly¬sacchariden beschichtete Substrate zeigten entgegen den Erwartun¬gen unzureichende fouling-release Eigen¬schaften, obwohl sie ähnlich wie OEG-SAMs Hydratationseigenschaften besitzen. Auf SAMs mit unter¬schiedlichen Benetzungs-eigenschaften konnte beobachtet werden, dass sich die Haftstärke der Diatomeen auf hydro¬phoben und hydrophilen SAMs deutlich unterschieden. Die Vor¬konditio¬nie¬rung ausgewählter SAMs im natürlichen Seewasser führte zu Adsorption von Proteinen und Makromolekülen auf den Oberflächen, jedoch hatten diese in anschließenden Haftstärke-messungen keinen eindeutigen Effekt auf die Adhäsionsstärke der Kieselalgen. Bei den Adhäsionsstudien auf entweder positiv oder negativ geladenen Oberflächen, wurde eine stärkere Adhäsion der Diatomeen auf den positiv geladenen SAMs festgestellt. Um die im Labor gewonnenen Adhäsions¬erkenntnisse einer einzelnen Diatomeen-Spezies mit denen einer gemischten Population unter natürlichen Bedingungen zu vergleichen, wur¬den mikro¬fluidischen Feldmessungen auf dem marinen Versuchsgelände des Florida Institute of Technology durchgeführt. Im Vergleich mit den Laborresultaten, wiesen die Organismen eine ähnlich schwache Adhäsion auf den EG-SAMs auf. Vor allen Dingen konnte ebenfalls gezeigt werden, dass die Adhäsion der Mikroorganismen mit Zunahme der Ethylen-Glykol Einheiten abnahm. Bei den Adhä¬sions¬studien auf hydrophoben SAMs zeichneten im Vergleich zum Labor überraschend große Unterschiede ab. Sowohl in den Untersuchungen im Feld als auch im Labor wurden motile Diatomeen auf den Oberflächen beo¬bachtet. Die vollführten Gleitbewegungen sind dabei typisch für raphide Diatomeen. In diesem Zusammenhang wurde untersucht, ob Bewegungs¬muster und Geschwindig¬keiten der Diatomeen durch Benetzungsunterschiede einer Oberfläche beeinflusst werden. Die Analysen zeigten, dass Diatomeen länger auf der hydrophilen als auf der hydrophoben Oberfläche motil waren. Mit Hilfe von visuellen Darstellungen der Gleitbewegungen konnten auf beiden Oberflächen keine Unterschiede in den Mustern beobachtet werden. Bei folgenden Ge¬schwindig¬keits¬analysen der unter¬schied¬lichen Bewegungs¬muster konnten ebenfalls keine Unterschiede zwischen den hydrophilen und hydrophoben Beschichtungen fest¬gestellt werden. Vor allem wenn die Unterschiede zwischen Oberflächen nur gering waren, konnten Trends aufgrund des Messfehlers nicht mit statistischer Signifikanz herausgearbeitet werden. Der abschließende Teil der Arbeit beschäftigte sich daher mit der Optimierung des mikro¬fluidischen Systems, um die Präzision der Messungen zu erhöhen. Anhand von Partikelmodellsystemen wurden unterschiedliche experimentelle Parameter wie Kanal-positionen, Kanalhöhen, Partikelkonzentrationen, Druckschwankungen und deren Ein-fluss auf die Streuung der Messwerte analysiert. Vor allem die Erweiterung des Setups durch die Verwendung von Abstandshaltern, sogenannten Spacern, verbesserte die Reproduzierbarkeit der Messungen deutlich.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 21 March 2014
Date Deposited: 26 Jun 2014 05:09
Date: 2014
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
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