Hochaufgel?stes O₂ Mikroprofiling von Biofilm eines Frischwasserflusses

Mikrobielle Biofilme stellen einen wesentlichen Teil aller aquatischen ?kosysteme dar, und tragen durch ihre gro?e Oberfl?che ma?geblich zu deren O₂ Budget bei. Biofilme in Bergflüssen werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst, wie etwa Licht, N?hrstoffe, Abweiden oder ihrer r?umlich sehr variablen Hydrodynamik [1, 2], und sie bestimmen die Zufuhr von N?hrstoffquellen durch Massentransferprozesse [3]. Das Ausma? der Diffusionsgrenzschicht (diffusion boundary layer DBL) wird direkt durch die Turbulenzintensit?t in der turbulenten Grenzschicht beeinflusst und kontrolliert Transportprozesse und Aufnahmeeffizienz des Biofilms. Es ist eine gro?e Herausforderung, die Habitat-Heterogenit?t, die durch Str?mungsdynamiken entsteht, und die metabolische Reaktion des Biofilms im Mikroma?stab 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 Sü?wasserbiofilms und deren Diffusionsgrenzschichten gemessen. Ziel dieser Studie war es, Sauerstoffflüsse und r?umliche Mikroheterogenit?ten der mikrobiellen Respiration und Photosynthese zu bestimmen und die Ergebnisse mit Mikrohydrodynamiken in Bezug zu setzten.

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 Gr??e (Durchmesser von 2, 4 und 6 cm) versehen, um die natürliche Habitat-Heterogenit?t und Turbulenzintensit?ten nachzustellen und wurde mit Flusswasser des Selke und den darin befindlichen Mikroorganismen und N?hrstoffen gespeist. Die Wassertiefe betrug etwa 0,2 m und die mittlere Str?mungsgeschwindigkeit lag bei etwa 0,2 m/s. Die Biofilme wurden über 4 Wochen unter konstanten Str?mungsbedingungen und mit 10 Std./Tag fast natürlicher photosynthetisch aktiver Beleuchtung kultiviert. O₂ Mikroprofiling wurde mit dem Profiling Mikrosensor (PM-PSt7), einem OXY-1 ST Sauerstoffmessger?t und dem Automatisierten Mikromanipulator (AM) mit 1 ?m Aufl?sung von PreSens durchgeführt (Abb. 2). Biofilme, die die Glaskugeln bedeckten, wurden in 1 cm Abst?nden in l?ngs- und querlaufenden Transekten zur Hauptstr?mungsrichtung profiliert. Entlang der z-Achse wurden Mikroprofile in der darüber liegenden Wassers?ule und in den Biofilm hinein in 100 ?m Schritten aufgezeichnet (Abb. 3). Die Str?mung 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 Str?mungsfeldes mittels eines speziell angepassten Particle Image Velocimetry PIV Systems bestimmt.

Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Teilung in eine hyperoxische und hypoxische Zone der Glasperlen, in der Richtung des Str?mungsfeldes. Sauerstoffübers?ttigte Bedingungen bis zu 146 % (645 ?m) wurden an der Vorderseite der Glaskugeln gemessen, w?hrend die Rückseite niedrige S?ttigungsniveaus bis zu 11 % (47 ?m) der Gesamtstroms?ttigung zeigte. Das seitliche Transekt an den Glaskugeln zeigte eine einheitliche Verteilung, mit einer steigenden Sauerstoffentwicklung im ersten mm des Biofilms, bis zu 565 ?m. Die Dicke der Diffusionsgrenzschicht variierte zwischen 200 - 1200 ?m von der Vorderseite zur Rückseite des Str?mungsfeldes und seitlich zwischen 400 - 600 ?m entlang der Transekte. Die Ergebnisse stimmen mit einer h?heren Kolonisation der stromzugewandten Seite durch phototrophe Bakterien überein, wo mehr Sch?rspannung auftritt, im Vergleich zur weniger kolonisierten Rückseite, an der sich Ablagerungen sammeln und die von einer rezirkulierenden Zelle, die den Zwischenraum zur n?chsten Glaskugel einnimmt, charakterisiert ist (Abb. 3). Wir beobachteten auch die Bildung von Glasblasen an übers?ttigten Zonen auf dem Biofilm, die die gleiche O₂-?bers?ttigung aufwiesen wie der Biofilm.

Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem PreSens Profiling-Mikrosensor und dem Automatisierten Mikromanipulator O₂ Mikrogradienten und Diffusionsgrenzschichten bis zu 200 ?m detektiert werden k?nnen. Diese mikro-invasive Messtechnik erm?glicht feine Messungen im Mikrobereich, ohne dass die Probe vorbereitet oder befestigt werden muss. Die Profiling-Ausrüstung war daher ein unabk?mmliches Werkzeug in unseren Langzeit-?berwachungsexperimenten, bei denen kontinuierliche analytische, hydrodynamische und molekulare Erfassung eines hochdynamischen ?kosystems n?tig 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] Wollschl?ger, 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)