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Hochaufgelöstes O2 Mikroprofiling von Biofilm eines Frischwasserflusses

Verwendung eines automatisierten Mikromanipulators und O2 Mikrosensors in einem Gerinne-Experiment

Christine Anlanger1,2, Ute Risse-Buhl1, Kaan Koca1,2, Christian Noss2, Andreas Lorke2, Markus Weitere1, Martin S. Gutbrod3
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Abteilung Fließwasserökologie, Helmholtz Zentrum für Umweltforschung - UFZ, Magdeburg, Deutschland
2Institut für Umweltwissenschaften, Umweltphysik, Universität Koblenz-Landau, Landau, Deutschland
3PreSens Precision Sensing GmbH, Regensburg, Deutschland

Ziel dieser Studie war es, Sauerstoffflüsse und die räumliche Mikroheterogenität mikrobieller Respiration und Photosynthese eines Biofilms des Selke Stroms im Harz zu bestimmen. Zu diesem Zweck setzten wir die optischen O2 Mikrosensoren und das automatisierte Mikromanipulator-System von PreSens ein, um O2 Mikrogradienten im Biofilm und der darüber liegenden Wassersäule mit einer hohen Auflösung von 100 µm aufzuzeichnen. Die Ergebnisse zeigten einen Zusammenhang mit der durchschnittlichen Strömung und den Turbulenz-Bedingungen über dem Biofilm, und wiesen starke Variationen hinsichtlich des Strömungsfeldes auf.

Mikrobielle Biofilme stellen einen wesentlichen Teil aller aquatischen Ökosysteme dar, und tragen durch ihre große Oberfläche maßgeblich zu deren O2 Budget bei. Biofilme in Bergflüssen werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst, wie etwa Licht, Nährstoffe, Abweiden oder ihrer räumlich sehr variablen Hydrodynamik [1, 2], und sie bestimmen die Zufuhr von Nährstoffquellen durch Massentransferprozesse [3]. Das Ausmaß der Diffusionsgrenzschicht (diffusion boundary layer DBL) wird direkt durch die Turbulenzintensität in der turbulenten Grenzschicht beeinflusst und kontrolliert Transportprozesse und Aufnahmeeffizienz des Biofilms. Es ist eine große Herausforderung, die Habitat-Heterogenität, die durch Strömungsdynamiken entsteht, und die metabolische Reaktion des Biofilms im Mikromaßstab miteinander in Beziehung zu setzen, da es technisch sehr schwer umzusetzen ist. In einem neben dem Fluss aufgebauten und mit Flusswasser des Selke (Harz Gebirge, Sachsen-Anhalt) gespeisten Gerinne haben wir O2-Flüsse und -Mikroverteilungen eines Süßwasserbiofilms und deren Diffusionsgrenzschichten gemessen. Ziel dieser Studie war es, Sauerstoffflüsse und räumliche Mikroheterogenitäten der mikrobiellen Respiration und Photosynthese zu bestimmen und die Ergebnisse mit Mikrohydrodynamiken in Bezug zu setzten.

Material & Methoden

Die Experimente wurden in einem Gerinne (L x B x H: 5,2 x 0,3 x 0,5 m), das in einem am Selke Strom (Harz Gebirge, Sachsen Anhalt) aufgestellten "mobilen aquatischen Mesokosmos" (MOBISCOS [4], Abb. 1) installiert war, durchgeführt. Das Gerinne war mit inerten Glaskugeln verschiedener Größe (Durchmesser von 2, 4 und 6 cm) versehen, um die natürliche Habitat-Heterogenität und Turbulenzintensitäten nachzustellen und wurde mit Flusswasser des Selke und den darin befindlichen Mikroorganismen und Nährstoffen gespeist. Die Wassertiefe betrug etwa 0,2 m und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit lag bei etwa 0,2 m/s. Die Biofilme wurden über 4 Wochen unter konstanten Strömungsbedingungen und mit 10 Std./Tag fast natürlicher photosynthetisch aktiver Beleuchtung kultiviert. O2 Mikroprofiling wurde mit dem Profiling Mikrosensor (PM-PSt7), einem OXY-1 ST Sauerstoffmessgerät und dem Automatisierten Mikromanipulator (AM) mit 1 µm Auflösung von PreSens durchgeführt (Abb. 2). Biofilme, die die Glaskugeln bedeckten, wurden in 1 cm Abständen in längs- und querlaufenden Transekten zur Hauptströmungsrichtung profiliert. Entlang der z-Achse wurden Mikroprofile in der darüber liegenden Wassersäule und in den Biofilm hinein in 100 µm Schritten aufgezeichnet (Abb. 3). Die Strömung und die Turbulenzen über den Biofilmen wurden in einer Punktmessung mit einem 3D akustischen Doppler-Geschwindigkeits-ADV-Profiler (Vectrino II, Nortek, AS, Norwegen) und für die 2D Verteilung des Strömungsfeldes mittels eines speziell angepassten Particle Image Velocimetry PIV Systems bestimmt.

Ergebnisse des O2 Profilings

Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Teilung in eine hyperoxische und hypoxische Zone der Glasperlen, in der Richtung des Strömungsfeldes. Sauerstoffübersättigte Bedingungen bis zu 146 % (645 µm) wurden an der Vorderseite der Glaskugeln gemessen, während die Rückseite niedrige Sättigungsniveaus bis zu 11 % (47 µm) der Gesamtstromsättigung zeigte. Das seitliche Transekt an den Glaskugeln zeigte eine einheitliche Verteilung, mit einer steigenden Sauerstoffentwicklung im ersten mm des Biofilms, bis zu 565 µm. Die Dicke der Diffusionsgrenzschicht variierte zwischen 200 - 1200 µm von der Vorderseite zur Rückseite des Strömungsfeldes und seitlich zwischen 400 - 600 µm entlang der Transekte. Die Ergebnisse stimmen mit einer höheren Kolonisation der stromzugewandten Seite durch phototrophe Bakterien überein, wo mehr Schärspannung auftritt, im Vergleich zur weniger kolonisierten Rückseite, an der sich Ablagerungen sammeln und die von einer rezirkulierenden Zelle, die den Zwischenraum zur nächsten Glaskugel einnimmt, charakterisiert ist (Abb. 3). Wir beobachteten auch die Bildung von Glasblasen an übersättigten Zonen auf dem Biofilm, die die gleiche O2-Übersättigung aufwiesen wie der Biofilm.

Zusammenfassung

Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem PreSens Profiling-Mikrosensor und dem Automatisierten Mikromanipulator O2 Mikrogradienten und Diffusionsgrenzschichten bis zu 200 µm detektiert werden können. Diese mikro-invasive Messtechnik ermöglicht feine Messungen im Mikrobereich, ohne dass die Probe vorbereitet oder befestigt werden muss. Die Profiling-Ausrüstung war daher ein unabkömmliches Werkzeug in unseren Langzeit-Überwachungsexperimenten, bei denen kontinuierliche analytische, hydrodynamische und molekulare Erfassung eines hochdynamischen Ökosystems nötig war.

Referenzen:
[1] Biggs, B. J. F. & Thomsen, H. A. (1995). Disturbance of stream periphyton by perturbations in shear stress: time to structural failure and differences in community resistance. Journal of Phycology, 31 (2), 233 - 241
[2] Battin, T. J., Kaplan, L. A., Newbold, J. D. Cheng, X. & Hansen, C. (2003). Effects of Current Velocity on the Nascent Architecture of Stream Microbial Biofilms. Applied and Environmental Microbiology, 69 (9), 5443 - 5452
[3] Battin, T. J., Sloan, W. T., Kjelleberg, S., Daims, H., Head, I. M., Curtis, T. P. & Eberl, L. (2007). Microbial landscapes: new paths to biofilm research. Nature Reviews Microbiology, 5 (1), 76 - 81
[4] Wollschläger, U., Attinger, S., Borchardt, D., Brauns, M., Cuntz, M. Dietrich, P., Zacharias, S. (2017). The Bode hydrological observatory: a platform for integrated, interdisciplinary hydro-ecological research within the TERENO Harz / Central German Lowland Observatory. Environmental Earth Sciences, 76 (1)

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