Biofilm-Monitoring

NTH-Forschergruppe: ElektroBak - Innovative Materialien und Konzepte für mikrobielle elektrochemische Systeme (Teilprojekt B3 - Biofilm-Monitoring)

Die Dicke eines elektrochemisch aktiven Biofilms, seine Zelldichte, Stabilität und Transport-Eigenschaften, die Kinetik seiner Bildung und seine Robustheit gegenüber variablen Umweltbedingungen sind von zentraler Bedeutung für die Effizienz und den praktischen Nutzen bioelektrochemischer Zellen. Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung einer Methode zur in situ Bestimmung der Dicke und der Schersteifigkeit von elektrisch aktiven Biofilmen mit Hilfe von akustischen Torsionsresonatoren.ⁱ Die akustischen Eigenschaften werden mit den elektrochemischen Eigenschaften korreliert, um ein physikalisch-elektrochemisches Biofilmmodell zu entwickeln.
Zentrale Fragen sind:

Inwieweit korreliert die Stromausbeute mit der Film-Dicke? Gibt es eine optimale Filmdicke?
Kann man akustische Daten in ein Regelsystem einspeisen, welches die Umgebungsbedingungen im Hinblick auf nicht nur die Stromeffizienz, sondern auch die Langlebigkeit der Zelle optimiert?
Kann man aus den viskoelastischen Eigenschaften des Films auf dessen Transporteigenschaften (Nährstoff, Protonen) schließen?

Ein Torsionsresonator besteht aus einem zylindrisch geformten Piezo-Kristall, der über aufgebrachte Elektroden zu einer Torsionsschwingung angeregt wird. Die Resonanzfrequenz liegt im Bereich von 50 kHz. Resonanzfrequenz und Resonanzbreite ändern sich bei Kontakt mit einer Probe. Diese Änderungen werden im Rahmen eines viskoelastischen Modells in eine Filmdicke und eine apparente Steifigkeit des Films umgerechnet. Die gestrichelte Linie oben skizziert die Amplitudenverteilung der Scherwelle.

Personen

Philipp Sievers,
Dr. Arne Langhoff,
Prof. Diethelm Johannsmann

Weitere Links

Link zur ElektroBak Projektwebseite.
Link zum Teilprojekt B3 auf der ElektroBak Projektwebseite.

P. Sievers, C. Moß, U. Schröder, and D. Johannsmann
Use of torsional resonators to monitor electroactive biofilms
Biosensors and Bioelectronics, 110 225 (2018).
W. Bücking, B. Du, A. Turshatov, A. M. Konig, I. Reviakine, B. Bode, and D. Johannsmann
Quartz crystal microbalance based on torsional piezoelectric resonators
Review of Scientific Instruments, 78 074903 (2007).