Zweidimensionale Mikromodellexperimente, die das Vorhandensein von Biofilm während der mikrobiell unterstützten Ölgewinnung zeigen. Der Biofilm ist die weiße Substanz und soll dazu beitragen, mehr Öl zurückzugewinnen, indem er die größeren oder leichter zugänglichen Poren verstopft und so eine leichtere Extraktion des Öls ermöglicht. Das Öl ist grün und das zur Ölproduktion verwendete Wasser ist klar. Bild bereitgestellt von Dorthe Wildenschild, OSU College of Engineering.
Zwei Fakultätsmitglieder des Oregon State University College of Engineering arbeiten mit der NASA an einem 525.000 US-Dollar teuren Projekt der National Science Foundation zusammen, um die Rolle der Schwerkraft oder ihres Fehlens beim mikrobiellen Wachstum zu untersuchen.
Dorthe Wildenschild und Tala Navab-Daneshmand werden Proben zur Internationalen Raumstation schicken, um zu sehen, wie sich Biofilme – Ansammlungen von Mikroorganismen, die aneinander und an Oberflächen haften – in „teilweise und unterschiedlich wassergesättigten porösen Medien“, in diesem Fall feuchtem Schmutz, entwickeln und Felsen, in denen das Wasser ungleichmäßig verteilt und daher für Mikroben nicht immer leicht zugänglich ist.
Mehr über die Entwicklung von Biofilmen in porösen Medien zu erfahren, habe durch eine Reihe von Anwendungen gesellschaftliche Auswirkungen auf die Erde, sagte Wildenschild – in Bereichen wie der Grundwassersanierung, der Wasseraufbereitung sowie der Boden- und Agrarwissenschaft. Darüber hinaus tragen Biofilme erheblich zur Verschmutzung mechanischer und medizinischer Geräte, einschließlich Implantaten, bei.
Neue Informationen über in der Mikrogravitation gewachsene Biofilme könnten auch zu einem besseren Verständnis des veränderten mikrobiellen Verhaltens im Weltraum führen, das sich auf technische Systeme sowie auf die menschliche Gesundheit bei bemannten Raumflügen auswirken kann, fügte sie hinzu.
Bild von einem See in Southampton, Großbritannien. Am flachen Ende des Sees sammelt sich dieser leuchtend orangefarbene Schleim an den Wasserrändern an, weil Bakterien das aus dem Grundwasser freigesetzte Eisen oxidieren. Die Spiegelung des blauen Himmels im Wasser gleicht die leuchtenden Orange- und Gelbtöne des Schleims aus. Bild von Jennifer Dewing von der University of Southampton, Großbritannien. Bild bereitgestellt vom National Biofilms Innovation Centre.
Die Umweltingenieurforscher hoffen, dass die OSU-Proben im Spätsommer 2025 per Space Shuttle zur Raumstation gebracht werden können – und planen, dass einige der von Astronauten daran durchgeführten Arbeiten im Rahmen von STEM-Outreach-Veranstaltungen auf der Raumstation live kommuniziert werden Oregon State-Campus.
„Wir wissen noch nicht, wann uns ein Platz auf einem Raumfrachter angeboten wird, aber wir werden wahrscheinlich mehr als eineinhalb Jahre brauchen, um uns auf den Versand der Proben und die Erstellung der sehr detaillierten Protokolle für die Astronauten vorzubereiten“, sagte Wildenschild er sagte.
--Besonderes Augenmerk wird im Projekt auf den Kompromiss zwischen Kapillarität und Gravitationskräften beim mikrobiellen Wachstum gelegt. Kapillarität ist ein Phänomen, das teilweise durch die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit angetrieben wird und bei dem eine Flüssigkeit in einem engen Raum, beispielsweise einem Rohr – oder in den Hohlräumen eines porösen Materials – spontan dünn aufsteigt oder abfällt.
Röntgentomographiebasierte 3D-Visualisierungen der mikrobiellen Biofilmarchitektur und -verteilung in porösen Mediensäulen. Die Experimente stellten drei verschiedene Flussraten dar, die um drei Größenordnungen variierten (links am langsamsten, rechts am schnellsten). Die Glasperlen (die eine vereinfachte Version eines Grundwasserleitermaterials darstellen) sind grau und der Biofilm ist violett. Bild bereitgestellt von Dorthe Wildenschild, OSU College of Engineering. Ostvar, S., Iltis, G., Davit, Y., Schlüter, S., Andersson, L., Wood, B.D. und D. Wildenschild, Advances in Water Resources, Band 117, 2018, https://doi. org/10.1016/j.advwatres.2018.03.018
Die Forscher wollen wissen, welche Rolle die Kapillarität dabei spielt, wie Biofilme wachsen und sich im Porenraum zu dreidimensionalen Strukturen entwickeln. Auch die Schwerkraft spielt bei diesem Wachstum und dieser Entwicklung eine Rolle, und auf der Erde kann man die Schwerkraft nicht ausschalten, um nur die Rolle der Kapillarität zu untersuchen.
„Wir schicken die Proben in den Weltraum, um die Schwerkraft zu eliminieren, damit wir das Zusammenspiel zwischen Schwerkraft und Kapillarität besser verstehen können und wie sich jede dieser Kräfte auf das Wachstum und die Architektur des Biofilms auswirkt“, sagte Wildenschild. „Die auf der ISS durchgeführte Forschung wird auch Möglichkeiten zur Erforschung von 3D-Objekten bieten, wenn die Proben bei der Rückkehr zur Erde einem Mikro-CT-Scan unterzogen werden, um einen Vergleich zwischen Biofilmen zu ermöglichen, die in Gegenwart oder Abwesenheit der Schwerkraft entstanden sind.“ Die 3D-Scans vermitteln dem Betrachter das Gefühl, durch das Objekt zu fliegen.“
Die Forscher gehen davon aus, dass sie anhand des Strömungsbereichs – dem Zusammenspiel von Kapillar-, Gravitations- und Viskositätskräften – vorhersagen können, welche Art von Biofilm wachsen wird: kompakt, flauschig, fleckig usw. Die Viskosität beeinflusst den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit.
„Wir können die Viskosität kontrollieren und indem wir die Schwerkraft im Weltraum ausschalten, können wir die Wachstumsmuster mit denen auf der Erde vergleichen und so herausfinden, welche Rolle die Schwerkraft gegenüber der Kapillarität bei der Bildung von Biofilmen spielt“, sagte Wildenschild.
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