Eine mikrofluidische Plattform zur Untersuchung von Bioverstopfung in porösen Medien

Biofilme – Bakterienkolonien, die in eine selbstsekretierte Matrix aus extrapolymeren Substanzen (EPS) eingebettet sind – sind in natürlichen porösen Medien wie Böden und Grundwasserleitern¹ sowie in technischen und medizinischen Anwendungen wie der biologischen Sanierung², der Wasserfiltration³ und medizinischen Geräten⁴ allgegenwärtig. Die Biofilmmatrix besteht aus Polysacchariden, Proteinfasern und extrazellulärer DNA^5,6 und hängt stark von den Mikroorganismen^, der Verfügbarkeit von Nährstoffen sowie den Umweltbedingungen^{ab 7}. Die Funktionen der Matrix sind jedoch universell; Es bildet das Gerüst der Biofilmstruktur, schützt die mikrobielle Gemeinschaft vor mechanischen und chemischen Belastungen und ist maßgeblich für die rheologischen Eigenschaften der Biofilme verantwortlich⁵.

In porösen Medien kann das Wachstum von Biofilmen die Poren verstopfen, was zu einer sogenannten Bioverstopfung führt. Die Biofilmentwicklung wird durch den Flüssigkeitsfluss und die Porengröße, definiert als der Abstand zwischen zwei Säulen, des porösen Mediums ^8,9,10 gesteuert. Sowohl die Porengröße als auch der Flüssigkeitsfluss steuern den Nährstofftransport und die lokalen Scherkräfte. Der wachsende Biofilm wiederum verstopft die Poren, was sich auf die Geschwindigkeitsverteilung des Fluids 11,12,13, den Stofftransport und die hydraulische Leitfähigkeit des porösen Mediums ^14,15 auswirkt. Die Änderungen der hydraulischen Leitfähigkeit spiegeln sich durch erhöhten Druck in geschlossenen Systemen^{wider 16,17,18,19}. Aktuelle mikrofluidische Studien zur Biofilmentwicklung und Bioverstopfung konzentrieren sich auf die Untersuchung des Einflusses von Strömungsgeschwindigkeiten in homogenen Geometrien^16,20 (d.h. mit einer singulären Porengröße) oder heterogenen porösen Medien^12,21,22. Um jedoch die Auswirkungen von Fließgeschwindigkeiten und Porengröße auf die Biofilmentwicklung und die daraus resultierenden Druckänderungen im bioverstopften porösen Medium zu entwirren, ist eine hochgradig kontrollierbare und vielseitige Versuchsplattform erforderlich, die es ermöglicht, verschiedene poröse Mediengeometrien und Umgebungsbedingungen parallel zu untersuchen.

Die vorliegende Studie stellt eine mikrofluidische Plattform vor, die Druckmessungen mit gleichzeitiger Bildgebung des sich entwickelnden Biofilms im porösen Medium kombiniert. Aufgrund seiner Gasdurchlässigkeit, Biokompatibilität und Flexibilität bei der Gestaltung der Kanalgeometrie ist ein mikrofluidisches Gerät aus Polydimethylsiloxan (PDMS) ein geeignetes Werkzeug, um die Biofilmentwicklung in porösen Medien zu untersuchen. Die Mikrofluidik ermöglicht die Kontrolle physikalischer und chemischer Bedingungen (z. B. Flüssigkeitsfluss und Nährstoffkonzentration) mit hoher Präzision, um die Umgebung mikrobieller Lebensräume nachzuahmen²³. Darüber hinaus können mikrofluidische Geräte leicht mit mikrometrischer Auflösung unter Verwendung eines optischen Mikroskops abgebildet und mit Online-Messungen (z. B. dem lokalen Druck) gekoppelt werden.

In dieser Arbeit konzentrieren sich die Experimente auf die Untersuchung des Einflusses der Porengröße in einem homogenen porösen Medium analog unter kontrollierten auferlegten Strömungsbedingungen. Der Durchfluss eines Nährmediums wird mit einer Spritzenpumpe aufgebracht, und die Druckdifferenz durch den mikrofluidischen Kanal wird gleichzeitig mit Drucksensoren gemessen. Die Biofilmentwicklung wird durch die Aussaat einer planktonischen Kultur von Bacillus subtilis in den mikrofluidischen Kanal eingeleitet. Die regelmäßige Bildgebung des sich entwickelnden Biofilms und die Bildanalyse ermöglichen es, porenaufgelöste Informationen über die Oberflächenbedeckung unter verschiedenen experimentellen Bedingungen zu erhalten. Die korrelierten Informationen über die Druckänderung und das Ausmaß der Bioverstopfung liefern entscheidende Informationen für die Abschätzung der Permeabilität von bioverstopften porösen Medien.