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Wasserreinigung Ummantelt: Wie problematisch sind Biofilme auf Mikroplastik-Partikeln?

Ein Gastbeitrag von Michael T. Sturm*, **, Silke Haubensak* und Dr. Katrin Schuhen*

Mikroplastik wird in der Umwelt innerhalb kürzester Zeit von Biofilmen besiedelt. Sie beeinflussen die Eigenschaften der Mikroplastik-Partikel stark. Doch welchen Einfluss hat diese besondere Wirt-/Gastbeziehung auf die zukünftigen Entwicklungen zur Detektion und Entfernung von Mikroplastik? Eine Bestandsaufnahme und Analyse.

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Mikroplastik gehört zu den aktuell meistdiskutierten Umweltproblemen.
Mikroplastik gehört zu den aktuell meistdiskutierten Umweltproblemen.
(Bild: Susanne Fritzsche - stock.adobe.com)

Mikroplastik ist eines der aktuell meistdiskutierten Umweltprobleme. Die Kom­plexität des Mikroplastiks mit seinen unzähligen Plastiksorten in verschiedenen Formen und mit verschiedensten Eigenschaften stellt Wissenschaft, Politik und Industrie indes vor eine riesige Herausforderung. Hinzu kommt, dass Mikroplastik in der Umwelt innerhalb kürzester Zeit von Biofilmen, also dünnen Schleimfilmen in denen Mikroorganismen leben, besiedelt wird. Biofilme beeinflussen die Eigenschaften der Mikroplastik-Partikel stark. Dieser Effekt wurde bisher wissenschaftlich kaum untersucht, ebenso wenig wird er bislang im Rahmen der Methoden- und Technologieentwicklungen zur Detektion und Entfernung von Mikroplastik berücksichtigt.

Um diese Wissenslücke zu schließen, haben die Wissenschaftler von Wasser 3.0 eine Methode entwickelt, mit der sich Mikroplastik innerhalb kurzer Zeit und standardisiert unter Laborbedingungen mit einem Biofilm besiedeln lässt. Die heute vorliegenden Erkenntnisse erweisen sich als aufschlussreich sowohl hinsichtlich der Detektion von Mikroplastik in Umweltproben als auch hinsichtlich der Bestimmung von Entfernungseffizienzen in der (Ab-) Wasserreinigung.

Bakterien sind die wohl häufigste, am weitesten verbreitete und diverseste Lebensform auf der Erde. Durch ihre schnelle genetische Adaption können sie sich innerhalb kurzer Zeit an verschiedenste ökologische Nischen und Lebensräume anpassen. Auch der menschliche Körper dient ihnen als Lebensraum. Jeder Mensch hat schätzungsweise 39 Billionen Bakterien im Darm, das entspricht einer Menge von ungefähr zwei Kilogramm [1]. Zwar werden Bakterien landläufig häufig mit Krankheiten in Verbindung gebracht, sie sind jedoch für uns wie auch für die Tierwelt und Ökosysteme überlebenswichtig: Sie reinigen unser Wasser, haben eine unersetzliche Rolle in den natürlichen Nährstoffkreisläufen und produzieren einen großen Teil unseres Sauerstoffs [2].

Biofilme im aquatischen Umfeld

Bakterien können in zwei Formen vorkommen: Planktonisch, also freischwebend im Wasser, oder sessil als Biofilm an Grenzflächen oder Oberflächen anhaftend. Die sessile Lebensweise ist die weitaus verbreitetere. Biofilme entstehen durch das Einbetten von Mikroorganismen in eine von ihnen selbst produzierte Schleimschicht, die so genannte EPS (extrazelluläre polymere Substanz). Sie finden sich an Grenzflächen zwischen Wasser und Feststoffen wie Sedimenten oder Gesteinen, können sich aber auch an Grenz­flächen zwischen Wasser und Luft formen. Biofilme können nicht nur Bakterien, sondern auch Algen, Pilze und Protozoen beheimaten.

Bildung und Aufbau von Biofilmen

Die Bildung von Biofilmen ist in vier Phasen unterteilt (s. Abb. 1) [2]. Zu Beginn lagern sich einzelne Mikroorganismen an eine Oberfläche an, an die sie sich durch ihre Flagellen, Pili oder die Biomoleküle ihrer Hülle wie Polysaccharide anhaften können. In dieser Phase ist die Interaktion zwischen den Mikroorganismen und den jeweiligen Oberflächen, beeinflusst durch beispielsweise die Rauheit der Oberfläche oder deren Ladung, einer der wichtigsten Faktoren. Sind Oberflächen bereits mit Biomolekülen behaftet, siedeln sich Mikroorganismen dort deutlich einfacher an.

Abb. 1: Schematische Darstellung des Ablaufs und der Phasen der Biofilmbildung auf Oberflächen [3].
Abb. 1: Schematische Darstellung des Ablaufs und der Phasen der Biofilmbildung auf Oberflächen [3].
(Bild: Wasser 3.0)

In der zweiten Phase beginnen die Zellen, sich über ausgeschiedene Biomoleküle – Polysaccharide und Proteine – irreversibel an der Oberfläche zu binden und sich auszubreiten. Dies ist der Beginn der Bildung eines Filmes und der EPS. Hierbei kommunizieren die Mikroorganismen über das so genannte Quorum Sensing miteinander, einer biochemischen Kommunikationsform über Botenstoffe. Dies ermöglicht ein organisiertes Wachstum sowie die Diversifizierung von Aufgaben innerhalb des Biofilms [2].

In der dritten Phase vermehren sich die Mikroorganismen und eingebettet in der EPS beginnt das Wachstum des Biofilms. Die EPS ist eine gelartige Schicht, ähnlich zu Gelatine, die den Bakterien einen Lebensraum bietet und sie vor äußeren Einflüssen und Austrocknen schützt. Jedoch findet innerhalb der EPS ein verlangsamter Stofftransport statt, weswegen es zu einer verringerten Nährstoff- und Sauerstoffverfügbarkeit kommen kann. Deshalb organisiert sich der Biofilm mithilfe des Quorum Sensing so, dass seine Struktur eine möglichst gute Anhaftung bei gleich guter Verfügbarkeit von Nährstoffen ermöglicht. Dies geschieht durch das Formen von Kanälen, durch die Wasser strömen kann, bzw. einer rauen und unregelmäßigen Oberfläche mit Ausstülpungen. Innerhalb des Biofilms können sich die Aufgaben der Mikroorganismen unterscheiden, je nach Lage und Verfügbarkeit von Nährstoffen, Sauerstoff oder ausgeschiedenen Stoffwechselprodukten, welche unter den Arten symbiotisch verarbeitet werden [2].

In der vierten Phase liegt ein ausgewachsener Biofilm vor, welcher nach einer bestimmten Zeit eine Größe erreicht, in welcher die Nährstoffe nicht mehr in der gesamten Kolonie verfügbar sind. Deshalb beginnen die Mikroorganismen, die EPS teilweise abzubauen, wodurch sie freigesetzt werden, sich im Wasser verteilen und potenziell neue Kolonien formen können.

Warum Bakterien Biofilme formen ist noch nicht vollends geklärt. Hierfür gibt es vier Haupttheorien [4]. Die erste Theorie besagt, dass Biofilme für die Bakterien einen besseren Schutz gegenüber Stress und äußeren Einwirkungen bilden, weshalb es evolutionsbedingte Vorteile bringe, diese zu formen. Als ein weiterer Grund wird aufgeführt, dass die Ausbildung von Gemeinschaften verschiedener Mikroorganismen mit unterschiedlichen Eigenschaften und möglichen Symbiosen innerhalb des Biofilms vorteilhaft für deren Überleben sei. Auch können viele ökologische Nischen und Lebensräume besser durch Biofilme besiedelt werden. Die letzte Theorie vermutet, dass der Biofilm die ursprüngliche Lebensform der Bakterien sei, in die sie immer wieder zurückkehren, da sich die planktonische Lebensweise erst im späteren Verlauf der Evolution gebildet hat.

Einfluss von Biofilmen auf die Mikroplastik-Entfernung

Beim Entfernen von Mikroplastik aus Wasser denken viele zuerst an die Anwendung von Filtration – eine Methode, bei der Biofilmbewuchs ein Problem darstellt [5]. Filtrationsanlagen können innerhalb kürzester Zeit mit Biofilmen bewachsen sein. Es kommt zum Verstopfen, dem so genannten Biofouling. Insbesondere kleinporige Filtrationsverfahren stellt dies vor große Herausforderungen. Weitere beliebte Methoden der Partikelentfernung sind die Flotation und Sedimentation. Auch hier hat Biofilmbewuchs auf Mikroplastik einen direkten Einfluss, da er die Dichte und somit das Sink- und Schwimmverhalten des Mikroplastiks verändert [6].

Wasser 3.0 PE-X ist ein neues Verfahren zum Entfernen von Mikroplastik, welches 2017 erstmals erfolgreich angewandt wurde [7, 8]. Hierbei werden Mikroplastik-belastetem Wasser speziell entwickelte Organosilane zugegeben. Diese haften an die Mikroplastikoberflächen an, sammeln die Partikel in größeren Agglomeraten und fixieren sie chemisch in einem wasserinduzierten Sol-Gel-Prozess [8–11]. Die so entstehenden Agglomerate zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus. Sie schwimmen auf und können einfach aus dem Wasser entfernt werden.

Dieser so genannte Agglomerations-Fixierungsprozess wird hauptsächlich durch die Wechselwirkungen der organischen Gruppe der Organosilane und der Oberfläche des Mikroplastiks angetrieben [11]. Wie die meisten Oberflächen ist auch Mikroplastik in der Umwelt typischerweise mit Biofilmen bedeckt. Die Anlagerung der EPS und der Mikroorganismen verändert die Oberflächeneigenschaften des Mikroplastiks stark [12].

Bereits frühere Studien zeigen, dass der Polymertyp und damit die Oberflächenchemie den Entfernungsprozess ebenfalls stark beeinflussen können. Aus diesem Grund wurde untersucht, wie sich die Biofilmbedeckung auf die Agglomeration und Entfernung von Mikroplastik auswirkt [13].

Gezieltes Biofilm-Wachstum schafft Vergleichbarkeit

Wissenschaftliche Studien, die das Wachstum von Biofilmen auf Kunststoffen und Mikroplastik untersuchen, inkubieren die Kunststoffe i. d. R. für mehrere Wochen bzw. Monate in der Umwelt oder unter simulierten Umweltbedingungen – ein zeitaufwändiger Prozess [12]. Das Biofilmwachstum ist zudem stark abhängig von den Bakterien in den Inkubationsmedien, der Nährstoffverfügbarkeit und den Strömungsverhältnissen, wird aber auch von anderen Umweltfaktoren wie Temperatur, pH-Wert oder Sauerstoffverfügbarkeit beeinflusst.

Abb. 2: Schematische Darstellung des Versuchsablaufs zur Biofilmkultivierung auf Mikroplastik und der anschließenden Tests zur Mikroplastikentfernung [13].
Abb. 2: Schematische Darstellung des Versuchsablaufs zur Biofilmkultivierung auf Mikroplastik und der anschließenden Tests zur Mikroplastikentfernung [13].
(Bild: Wasser 3.0)

Soll in weiterführenden Studien der Einfluss von Biofilmbewuchs auf Mikroplastik auf Prozesse wie das Transportverhalten von Mikroplastik oder die Mikroplastikentfernung untersucht werden, ist es entscheidend, ein standardisiertes Verfahren anzuwenden, um den geformten Biofilm und die folgenden Studien reproduzierbar zu gestalten. Auch ist es wichtig, dass das Biofilmwachstum in einem möglichst moderaten Zeitrahmen erfolgt, damit die Laborstudien nicht zu zeitintensiv werden.

Durch Optimierung der Wachstumsbedingungen kann das Biofilmwachstum beschleunigt werden. Um ein schnelles Wachstum auf Mikroplastik unter kontrollierten Laborbedingungen zu ermöglichen, wurde eine neue Methode unter Anwendung von mit Mikroplastik gepackten Festbettsäulen entwickelt. Diese werden mit kommunalem Abwasser durchströmt, das biologisch gereinigt und mit organischem Kohlenstoff angereichert worden ist.

Mit der getesteten Festbettsäule konnte innerhalb von sieben Tagen ein Biofilm auf der Oberfläche von Mikroplastik kultiviert werden [13]. Die Wachstumsbedingungen werden durch einen konstanten Wasserfluss und kontinuierliche Nährstoffversorgung optimiert. Dies führt zu einer schnelleren Biofilmbildung gegenüber Studien, in denen die Proben in der Umwelt oder in simulierten Umweltbedingungen platziert werden. Da in der Mikroplastikforschung eine simulierte Umweltexposition unerlässlich ist, um repräsentative Ergebnisse zu erzielen, kann diese Methode den Grundstein für eine standardisierte, schnelle und gut kontrollierbare Methode zur Kultivierung von Biofilmen auf Mikroplastik legen.

Abb. 3: CLSM- (konfokales Laser-Scanning-Mikroskop) und REM- (Rasterelektronenmikroskop) Aufnahmen von Biofilm-bewachsenem Mikroplastik nach einwöchiger Inkubation in einer Festbettsäule durchströmt mit biologisch gereinigtem Abwasser. a) CLSM-Aufnahme von Polypropylen, b) CLSM-Aufnahme von Polyethylen. Die grünen Bereiche sind stark bedeckt mit EPS, die roten Bereiche sind stark mit Bakterien besiedelt. c) REM-Aufnahme von Polyvinylchlorid, d) REM-Aufnahme von Polyamid [13].
Abb. 3: CLSM- (konfokales Laser-Scanning-Mikroskop) und REM- (Rasterelektronenmikroskop) Aufnahmen von Biofilm-bewachsenem Mikroplastik nach einwöchiger Inkubation in einer Festbettsäule durchströmt mit biologisch gereinigtem Abwasser. a) CLSM-Aufnahme von Polypropylen, b) CLSM-Aufnahme von Polyethylen. Die grünen Bereiche sind stark bedeckt mit EPS, die roten Bereiche sind stark mit Bakterien besiedelt. c) REM-Aufnahme von Polyvinylchlorid, d) REM-Aufnahme von Polyamid [13].
(Bild: Wasser 3.0)

Abbildung 3 zeigt CLSM- (konfokales Laser-Scanning-Mikroskop) und REM- (Rasterelektronenmikroskop) Aufnahmen von mit Biofilm bewachsenem Mikroplastik aus dieser Methode. Die CLSM-Bilder zeigen, wie das Mikroplastik unterschiedlich stark von der EPS bedeckt ist (in der Abbildung in grün dargestellt). Auch die roten, stark mit Bakterien kolonisierten Bereiche fallen auf. Auf den REM-Bildern sieht man deutlich, wie sich die Bakterien an die Oberfläche anhaften und dort Kolonien und EPS bilden. Während CLSM die Verteilung des Biofilms auf dem Mikroplastik deutlicher darstellt, kann REM die Änderung der Oberflächenmorphologie besser visualisieren.

Die Oberflächenchemie und Oberflächeneigenschaften des mit Biofilm behafteten Mikroplastiks wurden mit zwei verschiedenen Methoden untersucht. Kontaktwinkelmessungen mittels Sessil-Drop-Methode lassen Rückschlüsse auf die Veränderung der Oberflächeneigenschaften des Mikroplastiks zu. Hier lässt sich die Benetzbarkeit quantifizieren, d. h. es wird gemessen, wie hydrophil oder hydrophob die Mikroplastikoberfläche ist. Über Fourier-Transform-Infrarot-Spek­trometrie lässt sich die Oberfläche des Mikroplastiks chemisch charakterisieren und die chemischen Veränderungen durch die Anhaftung des Biofilms untersuchen.

Beide Methoden zeigten, dass sich die Oberflächenchemie und die Oberflächeneigenschaften durch die Biofilmbedeckung verändern. Somit ist zu erwarten, dass sich dies auch auf den physikalisch-chemischen Prozess der Mikroplastikentfernung mit Organosilanen auswirkt. In einer anschließenden Studie wurde daher das Biofilm-bedeckte Mikroplastik im Vergleich mit Biofilm-freien Mikroplastik im Wasserreinigungsverfahren basierend auf Organosilanen (Wasser 3.0 PE-X) untersucht [13].

Praxis: Biofilm-besiedeltes Mikroplastik entfernen

Während des Entfernungsprozesses von Mikroplastik aus Wasser mit Wasser 3.0 PE-X lagern sich im ersten Schritt die Organosilane an die Oberfläche des Mikroplastiks und sammeln dieses in großen Agglomeraten. Im zweiten Schritt folgt die wasserinduzierte chemische Fixierung. Für den ersten Schritt ist somit die Interaktion der Organosilane und der Mikroplastikoberfläche maßgebend. Um den Einfluss des Biofilms zu untersuchen, wurde die Entfernungseffizienz von Biofilm-bewachsenem Mikroplastik und Biofilm-freiem Mikroplastik verglichen [13].

Die Studienergebnisse zeigen, dass die Biofilmbedeckung die Wechselwirkung zwischen Wasser 3.0 PE-X und Mikroplastik verändert. Dies äußert sich in kleineren Agglomeraten und einer geringeren Stabilität dieser. In aktuellen Versuchsreihen konnten die Organosilane modifiziert werden. Eine verbesserte Interaktion war die Folge.

Als Alternative zur Anpassung der Organosilane wurde auch eine Biofilmentfernung in Betracht gezogen. Da Biofilme jedoch äußerst resistent sind, braucht es eine starke chemische oder mechanische Einwirkung. Getestet wurde der Einsatz von Ultraschall und Wasserstoffperoxid. Hierbei konnten die Entfernungseffizienzen mit dem Standardmaterial Wasser 3.0 PE-X verbessert werden. Da die Ultraschallbehandlung den Prozess deutlich komplexer und energieintensiver macht und Bio­filmentfernung mit einer aggressiven Chemikalie wie Wasserstoffperoxid im Technikumsmaßstab unpraktikabel ist, stellen sie jedoch keine Alternativen zur Anpassung der Organosilane dar.

Die erfolgreiche Anpassung der Organosilane an mit Biofilm bewachsenes Mikroplastik eröffnet eine vielversprechende Möglichkeit, Mikroplastik nicht nur aus so genannten closed-loop-Prozessen der Industrie oder Abwasser aus Kläranlagen zu entfernen, sondern darüber hinaus auch in Gewässern aktiv werden zu können.

Die Forschungsprojekte von Wasser 3.0 werden über Sponsoren- und Spendengelder finanziert. Die Wasser 3.0 gGmbH ist ein gemeinnütziges Unternehmen mit einem starken Fokus auf verantwortungsvolle Forschung, Bildung und Kommunikation. Die Autoren danken dem abcr Service Lab, Dennis Schober von EW Landau für den wissenschaftlichen Austausch sowie Volker Zibat (Karlsruher Institut für Technologie (KIT)) für die Aufnahme der rasterelektronenmikroskopischen Bilder.

Literatur:

[1] Thursby E, Juge N. Introduction to the human gut microbiota. Biochem J. 2017;474:1823–36. doi:10.1042/BCJ20160510.

[2] Romeo T. Bacterial Biofilms. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin / Heidelberg; 2008.

[3] Hollmann B, Perkins M, Walsh D. Biofilms and their role in pathogenesis, (2015.: https://www.immunology.org/public-information/bitesized-immunology/pathogens-and-disease/biofilms-and-their-role-in.

[4] Jefferson KK. What drives bacteria to produce a biofilm? FEMS Microbiology Letters. 2004;236:163–73. doi:10.1111/j.1574-6968.2004.tb09643.x.

[5] Mansouri J, Harrisson S, Chen V. Strategies for controlling biofouling in membrane filtration systems: challenges and opportunities. J. Mater. Chem. 2010;20:4567. doi:10.1039/B926440J.

[6] Kooi M, van Nes EH, Scheffer M, Koelmans AA. Ups and Downs in the Ocean: Effects of Biofouling on Vertical Transport of Microplastics. Environ Sci Technol. 2017;51:7963–71. doi:10.1021/acs.est.6b04702.

[7] Herbort AF, Schuhen K. A concept for the removal of microplastics from the marine environment with innovative host-guest relationships. Environmental Science and Pollution Research. 2016:1–5. doi:10.1007/s11356-016-7216-x.

[8] Herbort AF, Sturm MT, Schuhen K. A new approach for the agglomeration and subsequent removal of polyethylene, polypropylene, and mixtures of both from freshwater systems - a case study. Environ Sci Pollut Res Int. 2018:15226–34. doi:10.1007/s11356-018-1981-7.

[9] Herbort AF, Sturm MT, Fiedler S, Abkai G, Schuhen K. Alkoxy-silyl Induced Agglomeration: A New Approach for the Sustainable Removal of Microplastic from Aquatic Systems. J Polym Environ. 2018;62:1–13. doi:10.1007/s10924-018-1287-3.

[10] Sturm MT, Herbort AF, Horn H, Schuhen K. Comparative study of the influence of linear and branched alkyltrichlorosilanes on the removal efficiency of polyethylene and polypropylene-based microplastic particles from water. Environmental Science and Pollution Research. 2020;27:10888–98. doi:10.1007/s11356-020-07712-9.

[11] Sturm MT, Horn H, Schuhen K. Removal of Microplastics from Waters through Agglomeration-Fixation Using Organosilanes—Effects of Polymer Types, Water Composition and Temperature. Water. 2021;13:675. doi:10.3390/w13050675.

[12] Tu C, Zhou Q, Zhang C, Liu Y, Luo Y. Biofilms of Microplastics. In: He D, Luo Y, editors. Microplastics in Terrestrial Environments. Cham: Springer International Publishing; 2020. p. 299–317. doi:10.1007/698_2020_461.

[13] Sturm MT, Schuhen K, Horn H. Method for rapid biofilm cultivation on microplastics and investigation of its effect on the agglomeration and removal of microplastics using organosilanes. Sci Total Environ. 2021:151388. doi:10.1016/j.scitotenv.2021.151388.

* M. T. Sturm, S. Haubensak, Dr. K. Schuhen, Wasser 3.0 gGmbH, 76187 Karlsruhe

* * M.T. Sturm, abcr GmbH, 76187 Karlsruhe

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