Maßgeschneiderte Biofilme für die Biotechnologie

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Universität Bayreuth Lehrstuhl Bioprozesstechnik

Beispielapplikationen für künstliche Biofilme

Metallsequestrierung: Beim Biomining oder der Metall(rück)gewinnung aus Abfall wird die Fähigkeit bestimmter Mikroorganismen genutzt, auch sehr gering konzentrierte Metallspezies aus komplexen Gemischen anzureichern. Problematisch können hier, neben der Notwendigkeit der Immobilisierung von Einzelspezies, oft auch die wenig biokompatiblen, harschen Anreicherungsbedingungen sein. Auch deswegen bietet sich der Schutz durch einen synthetischen Biofilm an. Im Anwendungsbeispiel wurde der Organismus Micrococcus luteus, bekannt für seine Fähigkeit Metalle einschließlich Gold aus Wasser anzureichern, in PVA-Fasern mit PPX-Beschichtung versponnen (Ø 125 µm ± 25 µm). Die Biokomposite waren biologisch aktiv und zeigten Goldsequestrierung aus sauren (pH 3) Gold-Lösungen [3], Abbildung 3. Die biologische Aktivität blieb über Tage erhalten. Dies ist umso bemerkenswerter als freie M. luteus in der sauren Goldlösung nur wenige Minuten überlebten.

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Schadstoffabbau: Im Umweltbereich werden spezielle Mikroorganismen gerne für den Abbau von Schadstoffen eingesetzt. Ein Beispiel ist der Abbau von Nitrit in (Ab-)wasser durch Abbauer wie den chemolithotrophen Nitrobacter winogradskyi. Nassversponnene Biokomposite mit N. winogradskyi, bauten in Experimenten innert 165 Stunden das Nitrit in einem stark nitrithaltigen wässrigen Medium (6 g/L) bis unter die analytische Nachweisgrenze ab [3]. Zur Kontrolle wurden Fasern ohne Bakterien hergestellt und „kultiviert“; dabei kam es zu keiner messbaren Abnahme von Nitrit. Eine 1 Meter lange, nassgesponnene Faser mit einer Dicke von 100 µm erbrachte in diesen Untersuchungen eine Abbauleistung, die etwa 5 x 10⁸ planktonischen Zellen entsprach.

Mikrobielle Brennstoffzelle: Auch im Bereich der Stromerzeugung wird die Verwendung von biologischen Organismen diskutiert; ein Beispiel ist die mikrobielle Brennstoffzelle. Geeignete elektrobiogene Organismen wie Shewanella oneidensis bilden allerdings kaum stabile natürliche Biofilme aus. Elektrogesponnene S. oneidensis-Vliese konnten hingegen problemlos hergestellt und in eine Standard-Brennstoffzelle eingebaut werden [4]. Die erzeugten Stromdichten reichen zwar noch nicht an die mit planktonischen Kulturen von S. oneidensis erzielten heran, allerdings konnte die MBZ mit dem künstlichen Biofilm über Tage hinweg stabil ohne Austausch der Organismen betrieben werden. Darüber hinaus war eine sterile Prozessführung in diesem Ansatz ebenfalls nicht notwendig.

Danksagung: Das Projekt „Biofilme für die Prozessoptimierung“ ist Teil des Projektverbunds „Ressourcenschonende Biotechnologie in Bayern - BayBiotech“, der durch das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz finanziert wird.

Literatur:

[1] Gensheimer, M; Becker, M; Brandis-Heep, A; Wendorff, JH; Thauer, RK; Greiner, A (2007): Novel biohybrid materials by electrospinning: Nanofibers of poly(ethylene oxide) and living bacteria, ADVANCED MATERIALS Volume: 19 Issue: 18 Pages: 2480-2482 DOI: 10.1002/adma.200602936

[2] Gensheimer, M; Brandis-Heep, A; Agarwal, S; Thauer, RK; Greiner, A (2011): Polymer/Bacteria Composite Nanofiber Nonwovens by Electrospinning of Living Bacteria Protected by Hydrogel Microparticles, MACROMOLECULAR BIOSCIENCE Volume: 11 Issue: 3 Pages: 333-337 DOI: 10.1002/mabi.201000310

[3] Knierim, C; Enzeroth, M; Kaiser, P; Dams, C; Nette, D; Seubert, A; Klingl, A; Greenblatt, CL; Jerome, V; Agarwal, S; Freitag, R; Greiner, A (2015): Living composites of bacteria and polymers as biomimetic films for metal sequestration and bioremediation, MACROMOLECULAR BIOSCIENCE Volume: 15 Issue: 8 Pages: 1052-1059 DOI: 10.1002/mabi.201400538

[4] Chen, S.; Hou, H; Harnisch, F; Patil, S. A.; Carmona-Martinez, A. A.; Agarwal, S.; Zhang, Y. Y.; Sinha-Ray, S.; Yarin, A. L.; Greiner, A.; Schröder, U. (2011): Electrospun and solution blown three-dimensional carbon fiber nonwovens for application as electrodes in microbial fuel cells, ENERGY ENVIRONMENTAL SCIENCE Volume: 4 Issue 4 Pages: 1417-1421 DOI: 10.1039/c0ee00446d

* Prof. Dr. R. Freitag, M.Sc. P. Kaiser: Bioprozesstechnik, Universität Bayreuth, 95447 Bayreuth, Tel. +49 921 55 7382

* *Prof. Dr. A. Greiner, M.Sc. S. Reich: Makromolekulare Chemie II, 95447 Universität Bayreuth

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