Grenzflächenbiologie – Mikroorganismen an Oberflächen

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien kommen überall in der Natur vor. Sie spielen eine wesentliche Rolle in den natürlichen Stoffkreisläufen und sind damit von elementarer Bedeutung für den Fortbestand der Ökosysteme. In der Lebensmitteltechnik oder zur Produktion antibiotisch wirksamer Substanzen für die Pharmazie werden Mikroorganismen industriell genutzt. Andererseits verursachen Bakterien und Pilze erhebliche Schäden, wenn sie Krankheiten hervorrufen, als Verunreinigungen in der Produktion auftreten und Produkte verderben oder technische Probleme verursachen, weil ihr Wachstum Werkstoffe oder Einrichtungen zerstört oder unbrauchbar macht.

Am Fraunhofer IGB arbeiten wir seit mehreren Jahren an Fragestellungen, bei denen die Wechselwirkungen zwischen mikrobiellen Zellen und Oberflächen bzw. die Bildung von Biofilmen eine Rolle spielen. So nutzen wir Biofilme – z. B. durch gezielte Immobilisierung von Mikroorganismen an Trägermaterial – zur Produktion von Wertstoffen oder bei der Abwasserreinigung. Aber auch die Vermeidung und Bekämpfung von Biofilmen – dort wo sie unerwünscht sind und Schäden verursachen – werden mit innovativen Verfahren unterstützt. Hierzu haben wir ein Prüfverfahren entwickelt und untersuchen Oberflächen und Bauteile in Medizintechnik, Bau, technischen Verfahren und Hygiene auf mikrobiologische Kontaminationen.

Forschungsthemen

  • Mikrobiologische Bewertung von Oberflächen und Bauteilen in Medizintechnik, Bau, technischen Verfahren, Hygiene
  • Immobilisierung von Mikroorganismen an Oberflächen
  • Vermeidung und Nutzung von Biofilmen
  • Inaktivierung und/oder Abbau mikrobieller Zellen durch photokatalytische Prozesse, antimikrobielle Oberflächen, Plasmasterilisation, UV-Behandlung, Ultraschall oder Filtration
  • Anwendung von Signalmolekülen
  • Entwicklung und Bewertung (bio)technischer Verfahren

Mikrobiologische Bewertung

Am Fraunhofer IGB haben wir standardisierbare mikrobiologische Bewertungsmethoden entwickelt und auf unterschiedliche Fragestellungen angepasst, um beispielsweise den Hygienestatus von technischen Oberflächen zu überprüfen, aufbereitetes Wasser auf mikrobielle Keime und damit auf Trinkwasserqualität zu untersuchen, antimikrobiell oder photokatalytisch wirksame Materialoberflächen bewerten.

Bewertung des Hygienestatus

  • Messung der Zellzahl
  • Quantifizierung der Kolonie bildenden Einheiten
  • Identifizierung der Mikroorganismen
  • Biosensoren für den Nachweis mikrobieller Interaktion mit chemisch oder biologisch relevanten Substanzen

Darauf aufbauend erarbeiten wir angepasste Lösungen für verschiedene Anwendungsfälle:

Wissenswertes

 

  • Was ist Photokatalyse?Photokatalyse ist die Umwandlung chemischer Substanzen unter dem Einfluss von Licht. Der Photokatalysator absorbiert die Energie des Lichts, überträgt sie auf eine reaktive Verbindung und löst so – häufig über die Bildung von Radikalen – eine chemische Reaktion aus. Als Photokatalysatoren eignen sich Metallkomplexe und Halbleiter. Ein gebräuchlicher Photokatalysator ist Titandioxid (TiO2). TiO2 wird dabei vorwiegend in der Anatas-Kristallkonfiguration, einer tetragonalen Modifikation des Titandioxids, eingesetzt. Mit photokatalytischen Prozessen lassen sich organische Materialien abbauen. Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Vermeidung mikrobiellen Bewuchses an Oberflächen, unterstützen Reinigungsprozesse und werden auch zur Luftreinhaltung und Wasseraufbereitung verwendet.

Projekte

  • Praxisnahes Prüfverfahren mit Messzelle für Biofilme
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  • Bewertung der hygienischen Situation an Kläranlagenabläufen
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  • Mikrobiologische Untersuchungen photokatalytisch ausgerüsteter Oberflächen – Praxistest für Gartenmöbel aus Kunststoffen
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  • AquaBioTox: Biologische Sensoren für die Online-Überwachung von Trinkwasserleitungen
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  • Bewertung photokatalytischer Schichten gegen Mikroorganismen an Oberflächen
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Leistungen

Mikrobiologische Bewertung

  • Bewertung der mikrobiellen Belastung auf Oberflächen und in prozessberührten Medien
    (z. B. Wasser, Ausgangsmaterialien, Produkte)
  • Bewertung der antimikrobiellen Eigenschaften speziell ausgerüsteter Oberflächen
  • Auswahl und Kultivierung geeigneter Testorganismen zur Bewertung von Oberflächen
  • Methodenentwicklung (neue Bewertungsverfahren) bei speziellen Anforderungen oder neuen Fragestellungen
  • mehr Info: Etablierte Bewertungsverfahren und Prüfaufbauten

Verfahrens- und Materialentwicklung

  • Entwicklung von Verfahren zur Verminderung mikrobieller und chemischer Belastung in unterschiedlichen Bereichen (z. B. Sterilisationsverfahren, Standzeitverlängerung von Reinigungsbädern, Prozesswasseraufbereitung, kostengünstige Aufarbeitung von Prozessmedien, Abwasseraufbereitung)
  • Entwicklung von innovativen Werkstoffen zur Reduzierung der Biofilmbildung an Verpackungsmaterialien, Rohrleitungen, medizinischen Gütern und / oder für die Gestaltung von Arbeitsflächen

Gebündelte Kompetenz für komplexe Fragestellungen

Die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Fraunhofer IGB und auch mit anderen Fraunhofer-Instituten gewährleistet dabei eine enge Verbindung von Materialentwicklung, chemisch-physikalischer und biologischer Überprüfung, in die interessierte industrielle Partner im Rahmen der Auftragsforschung eingebunden werden.

Ausstattung

  • Mikrobiologische Laboratorien mit einer modernen Ausstattung sowie ein entsprechend qualifiziertes Team erlauben den Umgang mit Mikroorganismen der Risikogruppen 1 und 2.
  • Für Untersuchungen an photokatalytisch ausgerüsteten Oberflächen stehen Aktivierungseinheiten zur Verfügung, in denen unter definierten Bedingungen eine biologische Charakterisierung der Prüfkörper erfolgen kann.
  • Qualitative und quantitative Messverfahren mit der Möglichkeit, verschiedene Werkstoffe oder Produkte zu vergleichen.
  • Verfahren zur Bewertung der Adhäsionseigenschaften und der Biofilmbildung unter statischen und dynamischen Bedingungen.
  • Freilandexperimente zur Untersuchung von Witterungseinflüssen werden auf Anfrage geplant.

Testorganismen

Als Testorganismen werden Bakterien, Pilze und Algen eingesetzt. Das Spektrum umfasst die Untersuchung mit definierten Teststämmen axenischer Kulturen (z. B. Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Aspergillus niger, Scenedesmus spec.) sowie den Einsatz von standorttypischen Mischpopulationen. Die Auswahl der Testorganismen orientiert sich an der Zellwandzusammensetzung der Organismen, bekannten Resistenzen, genetisch bedingten Stoffwechseleigenschaften, angestrebten Anwendungsgebieten der Produkte sowie der Biofilmbildung.

Aufgrund der Ausstattung und fachlichen Qualifikation sind am Fraunhofer IGB Arbeiten mit Mikroorganismen der Risikogruppe 1 und 2 möglich. Entwickelt wurden außerdem gentechnisch veränderte Stämme relevanter Organismen, welche fluoreszierende Proteine produzieren, die abhängig vom Stadium der Biofilmbildung exprimiert werden.