1 Biofilm Centre Grundlagen der Sielhaut-Analytik Hans-Curt Flemming Biofilm Centre, Universität Duisburg-Essen

2 Biofilm Centre Bestandteile der Sielhaut  Fett-, Wachs- und Ölbestandteile, die sich an die Wandung haften  Biofilme aus Bakterien, Pilzen, Protozoen, Nematoden  Mineralische Präzipitationen  Abiotische organische Substanzen (Fette, Fasern, Debris etc.)  Anorganische Partikel (von suspendierten Mineralien: Sand, Ton…)

3 Biofilm Centre Grundprinzipien zur Abschätzung einer möglichen Bioakkumulation im Biofilm  Biofilme bestehen aus Mikroorganismen, die in eine Matrix von stark hydratisierten extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) eingebettet sind  Die EPS machen ca. 90 % der Biofilm-Masse aus und bestehen ihrerseits aus ca. 95 % Wasser  Im Prinzip gibt es drei sehr verschiedene Kompartimente, die als Sorptionsräume fungieren können: 1. Die EPS-Matrix 2. Die Zellwände 3. Das Cytoplasma der Zellen  Geladene unpolare leicht wasserlösliche Moleküle werden sich am wenigsten in Biofilmen anreichern  Faktoren, die Anreicherung begünstigen: - Ladung, Polarität - Hydrophobizität - geringe Wasserlöslichkeit

Transmissionselektronenmikroskopischer Schnitt: Polymer-Oberfläche nach 3 Wochen Exposition in Fluss EPS Zellwände Cytoplasma Wechselwirkung zwischen Biofilm und Umgebung: Sorption und Desorption Partikel Biofilm Centre Zelle

5 Biofilm - Intrazellulär (Cytoplasma oder periplasmatischer Raum - Zellwände, Zellmembranen - Extrazellulär: EPS Jeweils unterschiedlich:  Sorptionskapazität,  Sorptionsmechanismus Mögliche Sorptionstellen im Biofilm Biofilm Centre

6 Metallionen und Biofilme:  Bindungsmechanismen: - Ionenaustausch - Komplexierung - Präzipitation  Mögliche Bindungsstellen: - Geladene EPS-Moleküle (einige sind hochspezifisch) - Zellwände - Cytoplasma  Bioakkumulation - Problem im Klärschlamm - Genutzt für Metall-Rückgewinnung - Memory-Effekt: Ermittlung von Kontaminationsquellen Biofilm Centre

7 Flemming, Wasserkalender 1990 Schwermetall-Anreicherung in der Sielhaut

8 Biofilm Centre Sorptionskapazität von Biofilmen für Zn und Cd Wuertz et al., WST 37, (2000)

Verteilung von Cadmium zwischen Zellen und EPS Anreicherung an den Zellwänden (bekannt aus Mineralogie) Biofilm Centre Wuertz et al., WST 37, (2000)

Anreicherungsfaktoren für Metalle in Trinkwasser-Biofilmen 10 Biofilm Centre Michalowski et al., i. Vorb.

11 Biofilm Centre Akkumulation der Schwermetalle in 1-3 Wochen Kienz et al. Z. Wasser Abw. Forsch. 22, 239 (1989) Rasch und stark angereichert: Pb, Cu, Zn

12 Biofilm Centre Flemming, Wasserkalender 1990 Anwendung der Sielhautanalytik  Einleitung von Cd, Zn, Pb zwischen 5B und 4B  Einleitung von Cu zwischen 4B und 3  Keine spezielle Einleitung von Ni  Ergebnis: Lokalisierung eines Galvanik-Betriebes  Einleitung von Gegenmaßnahmen  Abnahme der Metall- Belastungen

13 Apolare organische Stoffe und Biofilme  Bindungsmechanismen - Hydrophobe Wechselwirkungen  Bindungsorte: - Lipidmembranen - Hydrophobe Taschen in EPS  Bindungskapazität: - eher gering erwartet wegen niedrigem Lipidgehalt  Aber: beobachtete Bindungskapazität ist hoch!  Bioakkumulation organischer Schadstoffe  K ow kein guter Parameter für Voraussage  In Sielhaut: evtl. höhere Kapazität wegen abiotischer Fett- und Öl-Ablagerungen  Hydrophobe Bakterien: spezialisiert auf Abbau von Öl und Wachschichten auf Blättern Biofilm Centre Bakterien auf Wachsschicht von Blättern

Bindungsort: EPS-Matrix Bindungsmechanismus: unbekannt Benzol, Toluol, Xylol: Sorption im Biofilm Biofilm Centre Wuertz et al., WST 37, (2000)

15 Biofilm Centre Sorption von Nonylphenolen Writer et al., EST 45, (2011)  Nonylphenole gehören zu den „priority substances“ der EU  Deutliche Anreicherung  Zum Vergleich: Östrogen wirksame Stoffe deutlich weniger angereichert

16 Kolloide, Partikel und Biofilme  Bindungsmechanismus: - Anheftung an „klebrige“ Matrix, Integration in den Biofilm  Bindungort: - EPS-Matrix - Zell-Oberflächen  Konsequenzen: - Sorption partikulärer Nährstoffe - Abwasser-Behandlung: Partikel-Abbau - Einfluss auf Transport von Kolloiden und kolloidgebundenen Schadstoffen Biofilm Centre

17 Biofilm Centre Es muss nicht nur der Biofilm sein: Kanalspion Flemming, Wasserkalender 1990

18 Biofilm Centre Kienz et al. Z. Wasser Abw. Forsch. 22, 239 (1989) Moos vs. Sielhaut als Kanalspion

Stadt Bielefeld, Umweltamt, Gerhard Genuit Stadt Solingen, Stadtdienst Natur und Umwelt, Michaela Block  Exposition oberflächenreicher Kunststoff-Materialien  Probenahme durch Abstreifen in ein Gefäß  kein Einsteigen in den Kanal  Analysenergebnisse sind gut reproduzierbar  Belastungszeiträume sind bekannt  Verursacher-Lokalisierung gut möglich Sielhautprobenahme mit Sessil ® nach Genuit Biofilm Centre

Problem: Rückschluss auf Konzentration und Fracht im Abwasser – nur qualitative Aussage! Biofilm Centre Memory-Effekt vorübergehend – kein Langzeitgedächtnis:  Desorption (abhängig vom Stoff, Fließgeschwindigkeit etc.)  Stückweise Ablösung der Sielhaut (unregelmäßig)

Fragenkatalog 21 Biofilm Centre  Wieviele Beprobungen innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit sind erforderlich um konkrete Aussagen zur Belastung treffen zu können. (Stadt Münster) Vorschlag: Großraster, grobe Orientierung, dann kleinräumiges Raster  Welche Einflüsse haben Starkregenereignisse im Mischwassersystem auf den Sielhautbewuchs. (Stadt Münster) Sielhaut wird teilweise abgetragen  Wie baut sich Sielhaut auf und ab? (Fa. Brenntag) Normal: nach 1-2 Monaten steady state, nach 4-6 Monaten Erneuerung  Welche „Schwammwirkung“ hat Sielhaut bezüglich H 2 S? (Fa. Brenntag) kann gut H 2 S speichern; bei Sauerstoff-Zutritt Oxidation zu H 2 SO 4  Welche Chemikalien eignen sich zur Vermeidung? (Fa. Brenntag) Unvermeidlich  Wie ist die Vergleichbarkeit der belasteten Sielhäute unter Berücksichtigung von anderen Stoffanlagerungen zu beurteilen. Hier insbesondere die Anlagerung von Fetten. (Stadt Münster) Große Unterschiede, je nach Schadstoff und Lipidgehalt: Sielhaut- Analytik erlaubt qualitative Aussagen, aber kaum quantitative

Fragenkatalog 22 Biofilm Centre  Kann man Messwerte im Klärschlamm und in der Sielhaut direkt miteinander vergleichen? (Kasselwasser) Nein, Sielhaut hat erheblich höheren Lipid-Anteil  Bei der normalen regelmäßigen Abwasserüberwachung von Industriebetrieben finden wir keine Schwermetalle (jeweils kleiner Bestimmungsgrenze!), in der Sielhaut finden wir aber erhebliche Mengen an Metallen, welche deutlich über dem doppelten Durchschnitt unseres Klärschlammes liegen. Wie passt dies zusammen? (Kasselwasser) Memory-Effekt; Verdacht auf stoßweise Einleitung  Bei einem Betrieb wurde Quecksilber eingeleitet und sowohl im Abwasser wie in der Sielhaut analysiert. Nach Rücksprache mit dem Betrieb wurde die Quecksilbereinleitung beendet. In der Sielhaut ist zwar ein Rückgang zu verzeichnen, welcher aber langsam von statten geht und sich inzwischen auf einem Niveau eingependelt hat, welches immer noch 6- fach über dem Gehalt im Klärschlamm beträgt. Wie sind andere Erfahrungen? (Kasselwasser) Es kann sein, dass immer noch Quecksilber abgegeben wird. Ansonsten: Neubildung der Sielhaut abwarten