Bacteria transport under unsaturated conditions

Diese Arbeit hatte zum Ziel, verschiedene Aspekte des Transportverhaltens von Bakterien in ungesättigten porösen Medien zu untersuchen. Die Experimente wurden an einer neu entwickelten Laborsäule durchgeführt, die wohldefinierte ungesättigte Bedingungen aufrechterhalten konnte. Verwendet wurden zwei unterschiedlich hydrophobe Bakterienstämme Deinococcus radiodurans und Rhodococcus rhodochrous. Während der Experimente wurde die Bakterienkonzentration im Säulenausfluss kontinuierlich online aufgenommen. Nach Abschluss jedes Versuches wurde die Säule zerlegt und die Packung analysiert, um das Retentionsprofil zu bestimmen. Die experimentellen Daten wurden mit Hilfe zwei verschiedener Modelle gefittet: Typ ""Duale Depositionsrate"" (Tufenkji et al. 2003, 2004, 2005) und Typ ""Straining"" Bradford et al. 2003). Die resultierenden Modellkoeffizienten wurden benutzt, um die Transportmechanismen zu erklären. Ebenfalls untersucht wurden folgende Transport-Faktoren: (i) Wassersättigung der Matrix; (ii) Oberflächeneigenschaften der Bakterien (Hydrophobizität); (iii) Matrix-Korngröße; (iv) Stoffwechsel-Aktivität der Zellen (Nährstoffzufuhr) und (v) Oberflächenproteine der Zellen. In Bezug auf den Wassergehalt der Packung wurde für beide Stämme derselbe Trend festgestellt: abnehmender Wassergehalt führte zur Verringerung der Ausflusskonzentration der Zellen und zur stärkeren Retention innerhalb der Säule. Dieser Effekt war noch ausgeprägter bei hydrophoben Bakterien. Die Verteilung der Bakterien in der Säule widersprach den Vorhersagen der klassischen Filtrationstheorie. Die meisten Bakterien wurden am Einlauf am Anfang des Filtrationsweges, entlang dem eine monotone Abnahme der matrixgebundenen Zellkonzentration zu beobachten war. Gemäß dem Straining-Modell wies der hydrophobere Stamm bei voller Wassersättigung eine höhere Adhesionsrate auf als der hydrophile Stamm. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Adhesion zur Grenzfläche Luft-Wasser-Sand der primäre Retentionsmechanismus für den hydrophilen Stamm war. Demgegenüber wurden die hydrophoben Zellen - infolge derer Aggregatenbildung - überwiegend durch das Straining zurückgehalten. Beim Modell ""Duale Depositionsrate"" stieg laut den resultierenden Koeffizienten der Anteil der sich schnell anlagernden Bakterien mit abnehmenden Wassergehalt an - vermutlich infolge der verbesserten Erreichbarkeit der Matrixoberfläche vom dünner werdenden Wasserfilm heraus. Der hydrophobe Stamm wies dabei stets eine höhere Adhesionsrate auf. In Bezug auf die Korngröße wurde ein starker Ausfilterungseffekt innerhalb der ersten Zentimeter der feinkörnigen Packung (330µm) beobachtet, der zu einer starken Abnahme des Bakterientransports führte. Demgegenüber konnten beinahe alle Zellen den grobkörnigen Sand (607µm) passieren. Beim Straining-Modell stiegen sowohl die Adhesionsrate wie auch die Straining-Rate bei kleinen Korngrößen an. Zwei unterschiedliche Ansätze des Modells ""Duale Depositionsrate"" wurden beim Feinsand eingesetzt: (1) zwei diskrete Ratenkoeffizienten (langsam, schnell - beide Raten stiegen mit abnehmender Korngröße an) und (2) ein einziger Ratenkoeffizient (dieser Ansatz konnte die Versuchsdaten besser wiedergeben). Metabolisch aktive Bakterien (in Log-Phase) wurden in der Packung stärker zurückgehalten als ""ruhende"" Bakterien (in stationärer Phase). Darüber hinaus wurde nach dem Hauptdurchbruch der aktiven Zellen deren kontinuierliche Emission im Ausfluss beobachtet. Die wachsenden Zellen in der Log-Phase hatten eine erhöhte Hydrophobizität und wiesen ein geringeres Blocking-Verhalten innerhalb der Säule. Dieser Effekt konnte auf die Oberflächenproteine der Bakterien zurückgeführt werden: chemisch behandelte Bakterien ohne entsprechende Moleküle lagerten sich schwächer an die Kornoberfläche und bleiben daher mobiler. Nach dem Straining-Modell besaßen die enzymatisch behandelten Zellen eine langsamere Adhesionsrate, während die Straining-Rate unverändert bleib (verglichen mit den nativen Zellen). Beim Modell ""Duale Depositionsrate"" nahmen bei behandelten Bakterien beide Raten ab.