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Visualisierung der Mesoskala von Biofilmen mittels optischer Kohärenztomographie

Visualisierung der Mesoskala von Biofilmen mittels optischer Kohärenztomographie
Ansprechpartner:

Michael Wagner

Förderung:

Helmholtz Wasser Allianz

Beschreibung

Biofilme können auf unterschiedlichen Skalen strukturell charakterisiert werden. Die Mikroskala (µm-Bereich) enthält dabei Informationen über die biochemische Zusammensetzung der Biofilm-Matrix. Hierfür werden z. B. die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) oder Raman-Mikroskopie (RM) eingesetzt. Ein Gesamteindruck der Struktur eines Biofilms kann aber nur durch die Visualisierung repräsentativer Volumina erhalten werden. Hierfür wird am Lehrstuhl für Wasserchemie und Wassertechnologie mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) die Biomasseverteilung auf der Mesoskala (mm-Bereich) untersucht.
OCT ist ein interferometrisches bildgebendes Verfahren, welches in der aktuellen Qualität erst seit 2006 in der Biofilm-Forschung eingesetzt wird. Das eingestrahlte Licht (λ=930±80nm) wird von der Probe reflektiert und gestreut. Die entstehende Interferenz wird analysiert und abgebildet. Es entsteht so ein Tiefenprofil in einem Messpunkt. Dieses Tiefenprofil wird als A-Scan bezeichnet. Eine Serie von A-Scans in x-Richtung beschreibt einen optischen Schnitt der Probe in xz-Richtung und wird als B-Scan bezeichnet. Konsekutiv aufgenommene B-Scans ergeben einen Volumendatensatz, welcher als C-Scan bezeichnet wird.
Aufgrund des Messprinzips werden nur partikuläre Bestandteile innerhalb der Biofilm-Matrix visualisiert. Dabei können organische Komponenten zwar nicht von anorganischen Bestandteilen unterschieden werden, dafür erlaubt OCT aber die Identifikation von Hohlräumen in der Biofilm-Struktur. Somit können valide Aussagen über die Biomasseverteilung sowie über Transportwege und -vorgänge an bzw. in Biofilmen getroffen werden.
Der Lehrstuhl für Wasserchemie und Wassertechnologie verfügt über ein Spectral Domain OCT (Thorlabs GmbH, Dachau), welches Volumina bis zu einer Größe von 10×10×2,853mm3 (500×500×1024 Voxel) aufnehmen kann. Beeindruckend ist dabei die Aufnahmegeschwindigkeit, die für derartig große Datensätze bei unter einer Minute liegt. Es eignet sich daher ideal zur versuchsbegleitenden Visualisierung repräsentativer Biofilm-Strukturen.
Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, das Biofilm-Wachstum und die strukturelle Entwicklung zu verfolgen und zu quantifizieren, um eine Korrelation der Biofilm-Struktur mit den Kultivierungsbedingungen aufzeigen zu können. Die daraus resultierenden Erkenntnisse sollen dabei helfen, Stofftransport- und Stoffumsatzprozesse besser zu verstehen.