Neue Forschung in Biofilms: Die Natur mit der Natur bekämpfen

Inkrustierende Biofouling-Organismen auf einer metallischen Oberfläche. Kredit: Maria Salta

Biofouling Organismen auf einer Kunststoffoberfläche (Muscheln, Algen und Bryozoen). Credit: Maria Salta Biofouling Organismen auf einer Kunststoffoberfläche (Muscheln, Algen und Bryozoen). Credit: Maria Salta Biofouling Organismen auf einer Kunststoffoberfläche (Muscheln, Algen und Bryozoen). Credit: Maria Salta Biofouling Organismen auf einer Kunststoffoberfläche (Muscheln, Algen und Bryozoen). Kredit: Maria Salta

Biofouling Organismen auf einer Kunststoffoberfläche (Muscheln, Algen und Bryozoen). Kredit: Maria Salta

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Unter dem glitzernden Patchwork aus Blau und Grün lauert eine komplizierte Welt einzigartiger Tiergemeinschaften, abwechslungsreicher Landschaften und veränderlicher Bedingungen. Der Ozean ist auch eines der außergewöhnlichsten und faszinierendsten Ökosysteme auf diesem Planeten - ein Ort, der sowohl die Quelle eines Problems als auch die Lösung bieten kann. Im maritimen Sektor sind geschätzte 56 Millionen Dollar pro Jahr allein für die US Navy mit Biofouling verbunden.

Anti-Fouling-Beschichtungen können jedes Jahr Millionen Tonnen Treibhausgasemissionen reduzieren, aber die Industrie muss noch eine effektive Methode finden, die auch umweltfreundlich ist. Dr. Maria Salta, Umweltmikrobiologin an der Universität von Portsmouth in Großbritannien, untersucht, wie die Fähigkeit der Natur zur Selbstreinigung die Geheimnisse birgt, die wir benötigen, um in Bewegung zu bleiben und statische Strukturen frei zu bekommen. Wenn sie erfolgreich ist, wird sie die Schifffahrt nicht nur Millionen retten, sondern auch dazu beitragen, den Planeten vor weiteren toxischen Substanzen zu schützen, von denen die Meeresgemeinschaften noch heute betroffen sind.


Anti-Fouling-Beschichtungen reduzieren jährlich 384 Millionen Tonnen Kohlendioxid und 3,6 Millionen Tonnen Schwefeldioxid. Die International Maritime Organization schätzt, dass die Treibhausgasemissionen ohne Korrekturmaßnahmen und die Einführung neuer Antifouling-Technologien bis 2020 um 38 Prozent auf 72 Prozent steigen könnten.

Tributylzinn (TBT) ist seit über 30 Jahren der Wirkstoff in Antifoulingfarben, die im maritimen Bereich eingesetzt werden. Erst in den 80er Jahren wurde es als einer der schädlichsten Stoffe erkannt, die wissentlich in die Meeresumwelt eingeführt wurden. TBT verursachte bei Nicht-Zieltieren in der weiteren Meeresumwelt schwere Schäden wie Missbildungen in Schalentieren und Mollusken, vermindertes Algenwachstum und toxische Effekte bei Jungfischen.

Dr. Maria Salta ist Expertin für marine Biofilme mit besonderem Forschungsinteresse an umweltfreundlichen Antifouling-Beschichtungen. "Bis 2003 nutzte die maritime Industrie TBT, die erfolgreich war, aber eine sehr giftige Substanz. Es handelte gegen Nicht-Zieltiere und zusammen mit vielen anderen Nebenwirkungen veränderte es sein Geschlecht. Die Toxine aus TBT haben sich seit der ersten Verwendung in der Industrie Mitte der 60er Jahre im Wasser und in den Sedimenten angesammelt. Es hat über 30 Jahre gedauert, um es komplett zu verbieten - aber bis dahin hat es bereits viele irreversible Schäden angerichtet. "

Saltas Forschung erforscht Lösungen, die natürliche Systeme nachahmen, um das Wachstum von Schiffen auf Schiffsrümpfen zu stoppen. Wissenschaftler haben mikroskopisch genau untersucht, was die Haut von Walen, Haien und anderen Meereslebewesen in die Lage versetzt, Seepocken, Muscheln und Algen, die sich an von Menschenhand geschaffenen Strukturen im Meer festsetzen, für längere Zeit abzuhalten. Während die erste Schicht der Besiedlung (Biofilme) von großer Bedeutung ist, wird sie in der Forschung oft ignoriert.

Salta erklärt: "Biofilme (alias Schleim) sind die erste Schicht der Besiedlung, die hauptsächlich aus Kieselalgen und Bakterien besteht. Viele Menschen glauben, dass diese Schicht die erste ist, die sich auf einer Oberfläche bildet, aber auch als Nahrungsquelle für größere Organismen wie Sporen und Larven dient, die sich schließlich fest anlagern. Der Biofilm allein kann bis zu 18 Prozent Kraftstoffverbrauch mit weniger als 1 Millimeter Dicke verursachen. Es ist also nicht nur eine Nahrungsquelle, sondern erzeugt auch riesige Probleme, einschließlich der Oberflächenrauhigkeit, die die Hydrodynamik des Schiffes, Lochfraß und Biokorrosion von Meerespipelines, Aquakultur und mehr beeinträchtigt - nicht nur Schiffe. "

Biofouling betrifft alle vom Menschen hergestellten Objekte in der aquatischen Umwelt. Für Salta musste sie zuerst eine Lösung finden, um den Biofilm zu entfernen. "Es ist faszinierend, denn es ist eine so dynamische Mikro-Gemeinschaft mit so vielen verschiedenen Organismen. In der Tat, für Algen und Seepocken - die das Hauptproblem in der Schifffahrt sind - hat die maritime Industrie einige Methoden, um mit diesem Problem fertig zu werden. Sie verwenden Beschichtungen auf Silikonbasis, die den Antihaft-Oberflächen unserer Bratpfannen sehr ähnlich sind: Die Organismen haften, aber wenn das Schiff in Bewegung kommt, fallen sie ab - eine ausgezeichnete Taktik, aber besser bei hohen Geschwindigkeiten und überhaupt nicht Wirksam für statische Objekte. Obendrein ist der Biofilm immer noch da und verursacht Chaos. "

Durch ihre Forschung hat Salta jetzt eine Reihe von innovativen Techniken entwickelt, um verschiedene Antifouling-Beschichtungen, Materialien und Bewuchsverhalten im Labor zu testen, die natürliche Bedingungen simulieren. "Bei diesen Techniken gab es lange Zeit eine Lücke, und in vielerlei Hinsicht verwenden die Menschen immer noch grundlegende Methoden. Wenn sie zum Beispiel Antifouling-Materialien testen, tun Wissenschaftler dies oft in einer statischen Umgebung - obwohl sie informativ ist, tut sie es nicht." Sie stellen die reale Umgebung dar, da Biofilme immer dem Fluss ausgesetzt sind. Selbst wenn sich die Schiffe nicht bewegen, gibt es Gezeiten, so dass sie niemals wirklich "statisch" sind. Ich habe eine neue Methode entwickelt, die die Hydrodynamik integriert, damit ich sehe, was passiert, wenn Biofilme unter der Strömung sind, die repräsentativer für die natürliche Umwelt sind. Ich habe auch Hochdurchsatzmethoden entwickelt, die untersuchen, wie sich Biofilme direkt auf experimentellen und kommerziellen Beschichtungen bilden. " sagte Salta.

"Wir wissen jetzt auch, dass Biofilme sich an manchen Oberflächen mehr anlagern als andere. Das Problem ist, dass sich Bakterien oft anpassen - wenn Sie die Oberflächeneigenschaften verändern, könnten sich die Bakterien möglicherweise modifizieren, um die Barrieren zu überwinden. Wir wissen nicht wie oder Warum und in welchem ​​Umfang sich Mikroorganismen an die Oberfläche anpassen, so untersuchen wir im Rahmen meiner Forschung die Zusammenhänge zwischen Arten und Materialien. "Neue Ergebnisse haben sich in letzter Zeit herauskristallisiert. Aber bevor wir Biofouling verhindern können, müssen wir zunächst Biofilme verstehen - Warum hängen diese Mikroorganismen dort an, wo sie anhaften und wie? Und dann finden wir parallel zu dieser Forschung eine Lösung. "

Saltas Arbeit umfasst eine Vielzahl von Aspekten wie Bionik und Sequenzierung der nächsten Generation: "Wenn die Muskeln sehr jung sind, können Proteine ​​ihnen helfen, faul zu bleiben. Aber die Lösung wird nicht einfach sein, weil sowohl die Chemie als auch die Biologie beteiligt sind ist nicht völlig faul frei, es hat auch Bakterien auf.So spielen die Bakterien eine Rolle bei der Bewahrung der Algen von anderen Bioflouring Organismen? Es gibt Zeiten, wenn dies gezeigt wurde, dass dies der Fall ist.

Große Meerestiere wurden auch wegen ihrer relativ faulfreien Existenz betrachtet. Neue Technologien lassen sich von der Form der Oberfläche und von Mustern auf Meeresorganismen wie dem Hai inspirieren. Zum Beispiel wirkt die Oberfläche des Hais hydrodynamisch, und die "Schuppen" helfen dabei, kleine Wirbel zu erzeugen, die theoretisch dazu dienen, Bakterien davon abzuhalten, Biofilme anzuhaften, zu kolonisieren und zu bilden. Salta erklärte, dass diese Technologie einige Erfolge erzielt habe. sie sind jedoch oft kurzlebig, weil der Biofilm schließlich eine Schicht über der Oberfläche bilden kann.