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Sauerstoffdynamiken im Kapillarsaum
Mapping des Sauerstoffverbrauchs von Pseudomonas fluorescens mit VisiSens?
Norman Hack & Harald Horn
Lehrstuhl für Wasserchemie und Wassertechnologie, Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland
Der Kapillarsaum ist eine hochaktive Zone für chemische und biologische Umwandlungsprozesse am ?bergang von unges?ttigter Zone und Grundwasser. In diesen Experimenten wurde zur Untersuchung des aeroben biologischen Abbaus im Kapillarsaum eine Hele-Shaw-Zelle verwendet. Für die nicht-invasive Abbildung der Stoffwechselaktivit?t mit VisiSens? wurden Sauerstoffsensorfolien in die Zelle integriert. Tests wurden mit und ohne P. fluorescens durchgeführt, und zus?tzlich mit simuliertem Grundwasserfluss. Ohne den Mikrobenstamm konnte keine ?nderung der Sauerstoffkonzentration gemessen werden, w?hrend in Gegenwart von P. fluorescens der aerobe biologische Abbau einer Modellverbindung in den über die Zeit aufgezeichneten Sauerstoffbildern eindeutig nachgewiesen werden konnte. In den Experimenten mit simuliertem Grundwasserfluss waren die biologische Aktivit?t und der Sauerstoffverbrauch noch h?her.
Aufgrund der gro?en Menge an synthetischen organischen Mikro-Schadstoffen ist deren Verhalten, Dispersion und biologische Abbaubarkeit von gro?er Bedeutung für das Verst?ndnis von biologischen Abbauprozessen in der Umwelt. In diesem Teilprojekt der DyCap (Dynamic Capillary Fringe) Forschungsgruppe ist es das Hauptziel, den Stofftransport und die biologische Transformation zu untersuchen. Experimente mit organischen Verbindungen (z. B. Salicyls?ure, R?ntgenkontrastmittel) werden in Batch- (Diffusion), S?ulen- (Vertikalfluss) und Durchflusszellen- (Horizontal- und Vertikalfluss: 2-dimensionaler Durchfluss-Mikrokosmos) Systemen / Setups durchgeführt. Die Konzentration von gel?stem Sauerstoff spielt eine wichtige Rolle beim biologischen Abbau. Aerobe Mikroorganismen im Kapillarsaum (CF) verwenden den gel?sten Sauerstoff, um synthetische organische Mikroschadstoffe zu oxidieren. Sauerstoff ist ein Elektronenakzeptor für (bio-)chemische Redoxreaktionen und somit ein Indikator für die biologische Aktivit?t. In früheren Experimenten wurde gel?ster Sauerstoff nicht-invasiv mittels Optrodentechniken nachgewiesen (Fibox 3, PreSens Precision Sensing GmbH). Diese Sauerstoffstreifen haben den Vorteil, dass man Sauerstoff schnell eindimensionalen messen kann. Für die 2-dimensionale Visualisierung und Entwicklung von Sauerstoffprofilen bieten dagegen VisiSens? Sensorfolien (PreSens Precision Sensing GmbH) wesentliche Vorteile. Die Entwicklung von sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bereichen kann in Zeitraffer visualisiert werden. Damit sind ?berg?nge und Hotspots (aufgezeichnete Zonen mit Sauerstoff) eindeutig bestimmbar und überprüfbar. Mit diesen Daten k?nnen, z. B. Bioabbaukinetiken in frei definierbaren Zonen oder an bestimmten Punkten beurteilt werden.
Material & Methoden
Zur Simulation der natürlichen Bodenmatrix wurde eine Hele-Shaw-Zelle (2D; 150 x 150 x 10 mm3) mit Quarzsand definierter Korngr??e (dp = 200 - 600 μm) gefüllt (Abb. 1). Die Hele-Shaw-Zellen und Schl?uche wurden 1 Stunde bei T = 121 °C sterilisiert, um andere mikrobielle Verunreinigungen zu vermeiden. Die ?nderung der Lufts?ttigung im Laufe der Zeit wurde in der Hele-Shaw-Zelle unter drei verschiedenen experimentellen Bedingungen beobachtet:
1. Inokulation der Modellverbindung durch Kapillarkraft (von unten nach oben) für bis zu 15 Stunden ohne Zusatz von P. fluorescens
2. Inokulation der Modellverbindung durch Kapillarkraft (von unten nach oben) für bis zu 30 Stunden mit zugesetzten P. fluorescens.
3. Um das Grundwasserstr?mungsverhalten zu simulieren, wurde die Modellverbindung mittels einer Peristaltikpumpe (Flussrate: 60 μl/min) für bis zu 24 Stunden durch den Einlassschlauch zugegeben. P. fluorescens wurde Schritt für Schritt abwechselnd mit Sand in die Hele-Shaw-Zelle eingeimpft, um eine gleichm??ige Verteilung in der Matrix sicherzustellen.
Zum Nachweis von gel?stem Sauerstoff wurden ein Sensorstreifen (zur Kontrolle; 10 x 20 mm2 mit Fibox 3 ausgelesen) und die VisiSens? Sensorfolie (SF-RPSU4, 40 x 40 mm2) verwendet, die eine schnelle, in situ und nicht-invasive Messung erm?glichten. Das Sauerstoffverh?ltnis und die Konzentration wurden alle 10 Minuten über bis zu 30 Stunden gemessen. Die Dynamik in der Lufts?ttigung wurde aus Fibox-Messungen sowie aus VisiSens? Zeitreihenmessungen von gel?stem Sauerstoff abgeleitet.
O2 Dynamik in der Hele-Shaw Zelle
Ohne P. fluorescens und ohne simulierten Grundwasserfluss wurde erwartungsgem?? innerhalb von 15 Stunden keine Ver?nderung der Luft / Sauerstoffs?ttigung gemessen. Die gelb dargestellte Fl?che in Abb. 2 A entspricht einer Lufts?ttigung von 100 % (ROI: 0.8205). Der dunklere Bereich in der Mitte jedes Bildes scheint ein Artefakt zu sein, verursacht durch Reflektionen der Kamaera-LED-Lichter. In Gegenwart von P. fluorescens und ohne simulierten Grundwasserfluss konnte eine Ver?nderung der Sauerstoffs?ttigung innerhalb von 30 Stunden beobachtet werden (Abb. 2 B). Der aerobe biologische Abbau der Modellverbindung begann nach 10 Stunden. P. fluorescens verbrauchte Sauerstoff besonders im unteren Teil (0 - 2 cm) und es bildete sich eine anoxische Zone (schwarz gef?rbt, ROI: 1.29). Aufgrund des experimentellen Aufbaus ist die Konzentration von P. fluorescens nahe dem Boden der Hele-Shaw-Zelle h?her als in oberen Regionen (> 4 cm), da ihr Transport an die Kapillarkraft gekoppelt ist. Darüber hinaus besteht die M?glichkeit der Adsorption auf Sand oder Verklumpungen. Daher ist die Sauerstoffverbrauchsrate nicht gleichm??ig über die Hele-Shaw-Zelle verteilt (z. B. nach 19 und 21 Stunden). Ver?nderungen der Sauerstoffs?ttigung innerhalb von 24 Stunden in Gegenwart von P. fluorescens und simulierter Grundwasserstr?mung sind in Abb. 3 A dargestellt. Im Vergleich zu Versuchsergebnissen ohne Zu- und Ablauf und Kapillarwirkung als einziger treibenden Kraft waren die biologische Aktivit?t und Sauerstoffverbrauchsraten viel h?her. Die anoxische Zone (ROI: 1.3065) erreicht eine Breite von 8 cm des Kapillarsaumes. Dies ist auf eine gleichm??ige Verteilung von P. fluorescens zurückzuführen. Die anoxische Zone wurde von links nach rechts mit abnehmendem Gradienten gebildet (angezeigt durch den gelben Pfeil nach 20 Stunden). Dies geht mit der kontinuierlich aufgefrischten Konzentration der Modellverbindung in der N?he der Einlass?ffnung einher. Nach 21 Stunden wurden verschiedene sauerstoffreiche Hotspots gebildet. Dies liegt an der wom?glich variierenden Schüttdichte der Matrix. P. fluorescens verbrauchte über den gesamten Versuchzeitraum hinweg Sauerstoff in dieser Region und der gesamte untersuchte Bereich wurde anoxisch. Die Abbaukinetik des Sauerstoffverbrauchs wurde bestimmt (über das Z-Profil) und eine Anpassungskurve berechnet (Abb. 3 B). Die angepasste Kurve folgt der erwarteten Kinetik erster Ordnung.
Zusammenfassung
In drei Experimenten wurde die Sauerstoffaufnahme mit sauerstoffempfindlichen Folien und dem VisiSens? Imagingsystem bestimmt. Nach Zugabe eines Mikrobenstammes (Pseudomonas fluorescens) und einer Modellverbindung (Substrat) nahm die Sauerstoffkonzentration in der Hele-Shaw-Zelle ab. Die VisiSens? Folie zeigte das erwartete Sauerstoffprofil über die Zeit. VisiSens? bietet viele Vorteile, insbesondere die Online-Messung und die M?glichkeit Sauerstoffverteilung lokal aufgel?st zu untersuchen. Es macht das "Sauerstoffprofil vs. H?he des Kapillarsaumes" sichtbar. Die sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bereiche, Hotspots und auch die Grenzfl?chen sind deutlich unterscheidbar. Es ist leicht zu handhaben und eine gute Alternative zur Einzelpunktmessung, wie die Fibox-Streifen, um schnelle in situ Messungen durchzuführen.