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Illuminating mechanisms of stream biofilm development and pattern
Iris Hödl
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Dr.-Studium der Naturwissenschaften Ökologie (Stzw)
Betreuer*in
Tom Battin
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10959.85371.646368-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Biofilme sind oberflächenassoziierte mikrobielle Lebensgemeinschaften, die in einer aus exopolymeren Substanzen selbstproduzierten Matrix leben. Diese Gemeinschaften kommen auf fast allen feuchten oder nassen Oberflächen vor, z.B. in Abwasserohren, auf Schiffsrümpfen, auf Implantaten und auf Oberflächen in Gewässern. Unabhängig von ihrem Habitat, folgen Biofilme einem sich ähnelndem Muster während der Kolonisation: Landung einzelner Zellen, dauerhaftes Anhaften, Wachstum von Mikrokolonien, Alterung und Ablösung. Jeder dieser Schritte zeigt eine typische Mikro-Architektur, d.h. eine mit mikroskopischen Methoden beurteilbare räumliche Struktur der Biofilmgemeinschaft. In meiner Dissertation beschreibe ich mit quantitativen Methoden die Entwicklung von ‚ein’-, zwei- und dreidimensionalen derartigen Strukturen. Mein Ziel ist es einen Beitrag zur Diskussion über den Einfluss von exogenen (i.e. Strömung) und endogenen (z.B. Mobilität einzelner Zellen) Faktoren auf räumliche Ausrichtung und Struktur von natürlichen Biofilmen in Bächen während der einzelnen Entwicklungsphasen zu leisten. Hierzu kultivierte ich Biofilme in Fließrinnen (40m Länge und 0,4m Breite), welche ein heterogenes Schotterbett besaßen und permanent mit Wasser aus einem alpinen Gebirgsbach gespeist wurden. Die so ermöglichten konstanten Strömungsbedingungen wurden mit akustischer Doppler-Velocimetrie charakterisiert. Zur Kolonisation legte ich gläserne Objektträger und Keramikfliesen an den beiden Habitaten mit den am stärksten differenzierten Strömungsbedingungen aus, und untersuchte dann die Kolonisation abhängig von der Fragstellung auf einer Zeitskala von wenigen Stunden bis zu Wochen. Um die räumliche Anordnung von ersten kolonisierenden Zellen, Mikrokolonien und makroskopischen Strukturen zu untersuchen, wurden Bilder mit dem Mikroskop auf verschiedenen Größenskalen gemacht. Meine auf diesen Beobachtungen basierenden Schlussfolgerungen über die Mechanismen der Biofilm-Architektur wurden dann mit Hilfe von mathematischen Modellen untermauert. Diese wurden mit empirischen Daten parametrisiert und lieferten simulierte Beschreibungen der Biofilm- Architektur. Die Kernaussage meiner Dissertation ist, dass das Gleichgewicht von endogenen und exogenen Faktoren zu Beginn auf der Seite der endogenen Faktoren liegt und sich während der Reifung des Biofilms zu Gunsten der exogenen Faktoren verschiebt. Letztere wirken direkt und indirekt über Beeinflussung der endogenen Faktoren, z.B. der Bewegung einzelner Zellen.
Abstract
(Englisch)
Biofilms are surface-associated microbial communities enclosed in a matrix of expolymeric substances (EPS). They are found on almost any moist or wet surface from pipes to the hulls of ships, implantations and surfaces in freshwaters, and – from a human viewpoint – comprise detrimental as well as beneficial biofilms. Throughout all habitats in which biofilms form, they exhibit remarkable similarities in the process of surface colonization. Colonization comprises defined steps such as attachment of cells, permanent adhesion, growth of microcolonies, maturation and detachment every ’step’ displays a certain micro-architecture, i.e. a spatial structure of the biofilm community that is recognizable using microscopic techniques. In my thesis I quantitatively describe the development of one-, two- and three-dimensional biofilm structures. My objective was to investigate the balance between exogenic factors, such as flow, and endogenic factor, such as motility of individual cells, as controls of spatial orientation and structure of natural biofilms in streams in different developmental stages. To this aim, I cultivated biofilms in stream-side flumes (40m length, 0.4m width), that had a heterogeneous gravel stream bed and were fed in a once-through mode with raw alpine streamwater. The very defined flow conditions were accurately described in 3D by acoustic Doppler velocimetry. For colonization of biofilms I deployed glass-slides and ceramic tiles on the two habitats that had the most differentiated flow conditions. In accordance with the addressed question I investigated biofilms at time scales of a few hours up to weeks. To quantify spatial arrangement of individual cells, microcolonies and macroscopic structures, I collected and analysed microscopic images at several spatial scales. To support my observation-based conclusions about mechanisms behind biofilm architecture, custom-tailored mathematical models were parameterized with empirical data and used to generate simulated descriptions of biofilm architecture. The bottom line of my thesis is that in a natural stream biofilm the balance between endogenic and exogenic factors shaping the biofilm´s architecture shifts during maturation: Endogenic factors are important during the initial phase of surface colonization by single microbial cells. Contrary, in mature biofilms, the balance shifts in favour of flow, which shapes the actual biofilm architecture directly as a physical force and indirectly by influencing the endogenic factors, e.g. movement of cells.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
biofilm exogene factor endogene factor spatial pattern morphogenesis development flume mesocosm experiment streamer
Schlagwörter
(Deutsch)
Biofilm exogener Faktor endogener Faktor räumliche Muster Morphogenese Fließrinnen Mesokosmen
Autor*innen
Iris Hödl
Haupttitel (Englisch)
Illuminating mechanisms of stream biofilm development and pattern
Paralleltitel (Deutsch)
Biofilme in Flüssen : Entwicklung und räumliche Muster
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
87 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Tom Battin
Klassifikationen
42 Biologie > 42.90 Ökologie: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.93 Limnologie
AC Nummer
AC14505192
Utheses ID
44162
Studienkennzahl
UA | 091 | 444 | |
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