Biofilme

1) Die im Labor durchgeführten manipulativen Experimente zeigten, dass das Biofilmwachstum die Erodierbarkeit der Sedimente verringerte, und zu einer durchschnittlich 15-fachen Erhöhung der Sedimentstabilität führte.

2) Die stabilisierende Wirkung ist dabei aufgrund der äußeren Randbedingungen unterschiedlich stark ausgeprägt (eine Zunahme der Sedimentstabilität konnte für hohe Sohlschubspannungen und kleine mittlere Korngrößen für den GBS festgestellt werden).

3) Positive Korrelationen zwischen extrazellulären polymeren Substanzen (EPS), Biomasse und Sedimentstabilität bestehen, was auf ein Sedimentbindungspotential der EPS-Matrix hinweist.

4) Die erhöhte Sedimentstabilität kann jedoch nicht nur auf die biochemischen Sedimenteigenschaften zurückgeführt werden, sondern auch auf gebundene filamentöse Bakterien.

Motivation: Verständnis der Rolle und Bedeutung biologischer Verkittung von Sedimenten in Speichern

Novum: Untersuchung der Biostabilisierung unter variierenden jahreszeitlichen und betrieblichen Randbedingungen sowie der Bedeutung der Biofilme für Blaualgenblüten 

Strategie: Feldmessungen und Laborexperimente

Methoden: Magnetic Particle Induction MagPI (Biofilm-Adhäsion), Flocken-Erosionskammer, Flocken-Sinkzylinder, Kamera plus Auswertesoftware (Flockencharakteristik), Chemie (Extrazelluläre Polymere Substanzen EPSs), Mikrobiologie (Zellzahlen, Biomasse, Mikrobielle Gemeinschaft)

Zielsetzung: Grundlegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der Erosions- und Transporteigenschaften von Feinsedimenten durch Biofilme. Langfristiges Ziel: Bessere Prognose zur Sedimentdynamik durch Einbindung der Biostabilisierung in die bislang auf abiotischen Parametern beruhende Sediment-Transport-Modellierung

(A) Motivation: Die Dynamik feiner kohäsiver Sedimente spielt eine eminente Rolle in Reservoiren, dennoch ist sie nur ansatzweise verstanden und Vorhersagen sind im besten Falle mit Unsicherheiten behaftet. Das liegt daran dass organisches Material und biologische Aktivitäten die Eigenschaften der feinen Sedimente signifikant beeinflussen. Dies geschieht jeweils in Abhängigkeit von abiotischen und biotischen Randbedingungen (z.B. Licht, Nährstoffe, Grazing, Konkurrenz) die wiederum Auswirkungen auf Prozesse (z.B. Ausscheidung klebriger polymerer Substanzen) und Funktionalitäten (hier Biostabilisierung) haben. Leider sind diese Interaktionen, die auch noch standortspezifisch sein können und mit Jahreszeiten wechseln, kaum grundlegend verstanden und schon gar nicht im limnischen Habitat. Dabei ist das Verstehen der Auswirkung von Biostabilisierung auf Erosionsstabilität, Konsolidierung und auf den Transport erodierter Sedimente eine wichtige Voraussetzung für die langfristige Verbesserung von Management Strategien in Reservoiren.

(B) Ziele: Das übergeordnete Ziel des WP2 ist es, zum ersten Mal die Bedeutung der  Biostabilisierung in Reservoiren aufzuzeigen und auch das Ausmaß in welchem die Deposition und Remobilisierung von Feinsedimenten davon beeinflusst wird. In diesem Zusammenhang sollen mögliche Variationen der Biostabilisierung aufgrund saisonaler sowie abiotischer und biotischer Parameter an verschiedenen Standorten mittels der folgenden Forschungsfragen adressiert werden: (1) Können wir saisonale, hydrodynamische und Grazing Effekte auf die Biostabilisierung in Reservoiren nachweisen die sich in der Biofilm-Topographie/Architektur, seiner Artenzusammensetzung, Stoffwechselaktivität und Funktionalität widerspiegeln (zusammen mit WP1, WP3)? (2) Wie bedeutsam sind kohäsive (interpartikuläre, rein sedimentologische) gegenüber adhäsiven (biologisch-induzierte) Bindungskräften für die Stabilität von oberflächennahen und tieferen Feinsedimenten (zusammen mit WP1)? (3) Inwieweit tragen Cyanobakterien zur Biostabilisierung bei und können Biofilme als Reservoire für giftige Blaualgenblüten dienen (zusammen mit WP3)?

(C) Methoden: Das Teilprojekt beschäftigt sich vornehmlich mit manipulativen Laborexperimenten zum besseren Prozessverständnis aber auch mit der Analyse von Feldproben. WP2 ist gemeinsam mit WP3 für die Beschreibung der mikrobiellen Gemeinschaft an den jeweiligen Standorten verantwortlich. In diesem Zusammenhang wird WP2 die Biomasse der Mikroalgen bestimmen, die bakteriellen Zellzahlen sowie die Zusammensetzung der Mikroalgen bis auf Artniveau mikroskopisch bestimmen (Kieselalgen, Cyanobakterien und Grünalgen), während WP3 die molekulargenetischen Analysen durchführt. Diese mikrobiellen Parameter können zur Sedimentcharakteristik in Bezug gesetzt werden, die durch WP1 bestimmt wird (Korngrössen, TOC und KAK Kationen Austausch Koeffizient). Zusätzlich kann WP2 an Feldproben die SETEG Messungen von WP1 durch Bestimmung der adhäsiven Kapazität (mittels Magnetic Particle Induction/MagPI) ergänzen. Des Weiteren können in situ Messungen suspendierter Sedimente mittels LISST Sonde durch WP1 mit Bestimmungen der Flockencharakteristika im Labor mittels Flocken-Erosionskammer und eines speziellen Matlab Code durch WP2 komplementiert werden.

In den manipulativen Experimenten dient das Wasser des jeweiligen Standortes als Inokulum um Biofilme in Fliessrinnen unter definierten naturnahen Bedingungen aufwachsen zu lassen. In diesen Fliessrinnen (DFG project GZ: GE 1932/3-2) werden dann unter saisonalem Aspekt vor allem verschiedene Szenarien der Hydrodynamik (bis hin zur Austrockung) simuliert und auch gezielte Versuche zum Grazing Effekt durch Meiofauna (mit WP3) durchgeführt um Effekte auf die Biofilm Topographie, die Artenzusammensetzung, Physiologie und Funktionalität (hier Biostabilisierung) besser zu verstehen. In all den geplanten Experimenten wird das Wachstum der Biofilme in regelmäßigen Abständen untersucht (Biomasse, Zellzahlen Artenzusammensetzung), die chemischen Parameter analysiert (extrazelluläre polymerische Substanzens/EPS) und die Biostabilisierung bestimmt (MagPI, SETEG, Flocken-Erosionskammer).

(D) Zielsetzung: Die Artenzusammensetzung, die Architektur und die Stoffwechselaktivität von Biofilmen hängen stark von den Randbedingungen ab wie beispielsweise Nährstoffverfügbarkeit, Licht und Hydrodynamik. Entsprechend bestimmen diese Randbedingungen die EPS Ausscheidung und damit die Biostabilisierung und die Flockeneigenschaften des später erodierten Materials. Das Wissen um diese Interaktionen ist die Grundlage um langfristig die Vorhersagen zur Dynamik von Feinsedimenten durch Implementierung biologischer Prozesse zu verbessern. Damit sollen sich neben dem zu erwartenden Kenntnisfortschritt im Thema Biostabilisierung in Reservoiren auch mögliche Effekte verschiedener Management Strategien auf diese Ökosystemfunktion ableiten lassen (in Zusammenarbeit mit WP1). Die Ergebnisse dienen demnach dem Verstehen der Interaktionen  zwischen mikrobieller Artengemeinschaft (WP2, WP3), weidender Meiofauna (WP3), Stoffwechselwegen (EPS Ausscheidung WP2, Toxinproduktion WP3), Stabilisierung und Flockenbildung (WP1, WP2, WP4). All diese Aspekte betreffen mögliche Konfliktpotentiale rund um Wasserqualität und Sedimentanlagerung in Reservoiren (WP5).