Geschlossene Gesellschaft in Glibbergebilden

21. Mai 2014, 17:47
1 Posting

Biofilme sind Lebensgemeinschaften mit erstaunlichen Eigenschaften: Auf kleinsten Raum bilden sie komplexe Systeme, die nutzen genauso wie schaden können

Die glibberigen Gebilde sind die ältesten Lebensgemeinschaften der Welt. "Biofilme gibt es seit über drei Milliarden Jahren. Sie sind evolutionär extrem erfolgreich", sagt der Biologe Tom Battin von der Universität Wien im Gespräch mit dem Standard. Die Ansammlungen können von Mikroorganismen einer einzigen Spezies gebildet werden, doch oft sind es komplexe Ökosysteme in Miniaturform, bewohnt von Bakterien, Pilzen, Archaeen, Protozoen und manchmal noch von vielem mehr. Eine beeindruckende Artenvielfalt auf engstem Raum.

Klebrige Ketten

In der vergangenen Woche trafen sich rund 300 Wissenschafter zur internationalen, von Tom Battin geleiteten Fachkonferenz "Biofilms 6" in Wien, um die neuesten Fortschritte auf dem Gebiet zu debattieren. Battin selbst erforscht vor allem die Entwicklung und Zusammensetzung von Biofilmen in Bächen, wo sie eine zentrale Rolle im Stoffhaushalt spielen.

Die Grundlage einer neuen Kolonie wird in Fließgewässern oft von Diatomeen, einzelligen Kieselalgen, gelegt. Diese bilden gerne Ketten und umhüllen sich mit einer Schicht aus langkettigen Zuckermolekülen, den sogenannten Polysacchariden. "Das ist ein kräftiger Klebstoff", sagt Battin. Kein Wunder also, dass Diatomeen-Ketten auch gut an Steinen und anderen festen Oberflächen haften. Ein stabiles Fundament für den Bau weiterer Strukturen.

Die Polysaccharid-Hülle der Diatomeen wirkt im Prinzip wie eine Art mikroskopischer Fliegenfänger. Wenn zwei Ketten sich berühren, verkleben sie praktisch unzertrennbar miteinander. Gleichzeitig bleiben Schwebstoffe, kleine organische und anorganische Partikel, an deren Oberfläche hängen. Das Gebilde wächst. Schon bald ist sein Volumen groß genug, um den ersten Bakterien Platz zu bieten. Diese profitieren von der überschüssigen Zuckerproduktion aus der Fotosynthese der Diatomeen.

Autonome Ökosysteme

Weitere Bewohner werden angelockt. Pilze zersetzen organisches Material, Amöben und andere Protozoen fressen Bakterien. Mitunter nisten sich auch Mehrzeller wie zum Beispiel Zuckmücken-Larven ein. Nach und nach funktionieren die schleimgestützten Aggregate immer mehr wie geschlossene Systeme, mit eigener Nahrungskette, eigenen Kohlenstoff- und Stickstoff-Kreisläufen.

Welche Form der neu wachsende Biofilm in einem Fließgewässer annimmt, ist in erster Linie von den an Ort und Stelle herrschenden Strömungsverhältnissen abhängig. Battin hat dies zusammen mit einem internationalen Expertenteam in der Forschungsstation Lunz am See experimentell untersucht. Die Wissenschafter beobachteten das Wachstum von Biofilmen auf Glasplatten in künstlichen Rinnen, durch die natürliches Bachwasser floss.

Die Platten befanden sich in Senken oder auf Kanten im Rinnenbett und waren somit entweder einer konstant gerichteten oder einer wirbelnden Strömung ausgesetzt. Die sich festsetzenden Diatomeen-Kolonien zeigten dementsprechende Entstehungsmuster. Auf den exponierten Kanten wuchsen Dreadlock-ähnliche Gebilde, die in der Strömung umherflatterten. In den Senken dagegen gediehen kuppelförmige Strukturen aus bogenartig zusammenklebenden Ketten. Battin und seine Kollegen konnten den Aufbauprozess rechnerisch anhand eines eigens entwickelten mathematischen Modells erfassen.

Biofilm-Architekturen

Ab einem bestimmten Ausmaß sinkt die Stabilität eines Biofilms allerdings. Wenn der Strömungsdruck plötzlich zunimmt, können Teile fortgerissen werden, was eine Wiederbesiedlung der freigewordenen Fläche nach sich zieht. "So entstehen unterschiedliche Biofilm-Architekturen und ganze Biofilm-Landschaften", berichtet Battin. Der Vorgang ähnle dem Waldwuchs und der Sukzession verschiedener Vegetationstypen. Auch hier verhalten sich Biofilme wieder wie größere Ökosysteme. Katastrophenereignisse wie ein Hochwasser führen oft zur vollständigen Zerstörung der Mikroorganismen-Kolonien, wie Battin erläutert. "Dann beginnt alles von neuem."

In der Medizin haben Biofilme einen schlechten Ruf. Sie können Krankheitserreger wie die gefürchteten Legionellen oder multiresistente Staphylokokken beherbergen. Die schützende Schleimschicht sorgt dafür, dass die Keime nur schwer mit Antibiotika bekämpft werden können. Ingenieure dagegen nutzen Biofilme für die Reinigung von sonst schwer behandelbaren Abwässern. Die mikrobiellen Lebensgemeinschaften erbringen vor allem bei der Eliminierung von Ammoniak erstklassige Leistungen.

Auch in der Trinkwasseraufbereitung versucht man verstärkt, das Potenzial des sonst meist unerwünschten Bewuchses zu nutzen. "Biofilm vermeiden, das geht nicht", sagt Eberhard Morgenroth, Wissenschafter am Schweizer Wasserforschungsinstitut Eawag und an der ETH Zürich. Auf Aktivkohlefiltern von Wasserwerken entstehen schon nach kurzer Zeit stabile Biofilme. Man kann diese aufwändig bekämpfen oder ihr Wachstum gezielt zur Steigerung der Reinigungsleistung fördern, erklärt Morgenroth. Mancherorts wird dieser Ansatz bereits zur Entfernung von Nitrat aus Grundwasser praktiziert.

Morgenroth und seine Mitarbeiter untersuchen auch weitere Aspekte der Biofilm-Ökologie. Einer davon soll der Verbesserung der Trinkwasserversorgung in Entwicklungsländern dienen. Die Eawag-Experten bauen kostengünstige Filtersysteme aus Kunststoffmembranen. Damit lässt sich aus Flusswasser und anderen unsauberen Quellen relativ sicheres Trinkwasser herstellen. Doch natürlich bilden sich an den Filteroberflächen mit der Zeit auch Ablagerungen. Es droht Verstopfung. Und wiederum können Biofilme Abhilfe schaffen.

Schmutzfracht beseitigen

Der Bewuchs schafft es offenbar, einen großen Teil der Schmutzfracht auf den Filtern zu beseitigen. Gleichzeitig entsteht eine löchrige Struktur, was wiederum die Durchflussrate steigert. Wie diese zustande kommt, hat Morgenroths Team ebenfalls aufgezeigt: Winzige Würmer, Nematoden und Oligochaeten, prägen den Aufbau des Biofilms. Sie fressen Löcher in die Masse und machen es sich darin bequem. Die Bakterien wiederum dürften von den Wurmexkrementen als Nahrung profitieren. Für Morgenroth ein typischer Fall. Er ist überzeugt: "Es kommt darauf an, die Komplexität von Biofilmen gezielt zu nutzen." Als zusammenhängendes System aus Biologie und Technik. (Kurt de Swaaf, DER STANDARD, 21.5.2014)

  • Kieselalgen sind in Fließgewässern oft die Grundlage für Biofilme. Sie bilden Ketten, auf denen sich bevorzugt Bakterien (grün) anlagern.
    foto: tom battin, uni wien

    Kieselalgen sind in Fließgewässern oft die Grundlage für Biofilme. Sie bilden Ketten, auf denen sich bevorzugt Bakterien (grün) anlagern.

Share if you care.