Wie man im vorangegangenen Abschnitt erfahren konnte, entstehen Biofilme, wenn sich Mikroorganismen, vor allem Bakterien, Pilze und Algen an eine Oberfläche/Grenzflächen anlagern und dort zu strukturierten Gemeinschaften heranwachsen und miteinander „zusammenarbeiten“. Biofilme sind als Lebensgemeinschaft von Mikroorganismen in der Natur vorherrschend. Über 99 % aller Mikroorganismen leben in der Natur in Aggregaten oder Biofilmen und nicht als frei bewegliche Einzelzellen. Die Biofilmbildung ist ein regulierter Prozess, der durch das Zusammenwirken unterschiedlicher Parameter wie Umweltfaktoren, Oberflächeneigenschaften und genetischen Programmen der Mikroorganismen gesteuert wird.
ENTSTEHUNG VON BIOFILMEN
Die Entstehung und die Ausbreitung von Biofilmen lassen sich in vier Phasen gliedern:
- Induktionszeit
Anheftung (1); EPS Bildung und langsame Wachstumsphase (1.1) bis zum Beginn des exponentiellen Wachstums - Exponentielle Wachstumsphase
Wachstum mit rascher Zunahme der Biofilmdicke - Plateauphase
ein Gleichgewicht zwischen Wachstum, Stoffwechsel-aktivität und Ablösung von Zellen - Verbreitung: In der letzten Phase kommt es zur Ablösung einzelner Bereiche und damit zur Verbreitung des Biofilms.
1. Induktionszeit und reversible Anlagerung
Die Entwicklung eines Biofilms beginnt mit der sogenannten Induktionszeit. In dieser Phase treffen vereinzelte Zellen auf eine Oberfläche und heften sich zunächst reversibel an, also wieder ablösbar. In dieser Region der bereits angehefteten Zellen lagern sich weitere Mikroorganismen an. Die Bindung der Mikroorganismen an die Oberfläche erfolgt über physikalische Anziehungskräfte. Die Dauer der Induktionszeit hängt stark von Umweltparametern wie Nährstoffverfügbarkeit, Temperatur, pH‑Wert oder Strömungs-bedingungen ab.
1.1. Irreversible Anheftung und Beginn der EPS‑Produktion
Wird der Untergrund und die Anwesenheit anderer Mikroorganismen als geeignet erkannt, folgt die irreversible, also „nicht umkehrbare“ Anheftung, die durch besondere Strukturen auf der Zelloberfläche ermöglicht wird. Gleichzeitig beginnen die unterschiedlichen Zellen miteinander zu kommunizieren, wodurch einige Mikroorganismen mit der Produktion der extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) beginnen. Die Ausbildung der Matrix sorgt nun dafür, dass der Biofilm mit seinen unterschiedlichen Mikroorganismen strukturell zusammenbleibt und geschützt wird. In dieser Phase sind die unterschiedlichen Mikroorganismen noch vereinzelt in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche angeheftet.
2. Wachstum
Nachdem sich die ersten Organismen am Untergrund angeheftet haben, bilden sie eine dünne Schicht aus, in der die Organismen dicht nebeneinander, aber noch nicht räumlich ausgedehnt übereinander liegen. Diese einzelnen Zellen vermehren sich unter günstigen Bedingungen, so dass aus ihnen kleine Mikro-Kolonien entstehen. Während dessen produzieren einige Organismen weiter den Gelfilm, so dass die neu entstehenden Zellen umhüllt und in den Biofilm integriert werden. Es entstehen dreidimensionalen Strukturen, die von Wasserkanälen durchzogen sind. Diese Kanäle ermöglichen den Transport von Sauerstoff, Nährstoffen und Stoffwechselprodukten und sind entscheidend für die funktionelle Organisation des Biofilms.
3. Plateauphase
In der Plateauphase ist der Biofilm vollständig ausgereift. Die EPS‑Matrix ist maximal ausgebildet, und die Stoffwechselaktivität ist räumlich unterschiedlich aufgeteilt. Die Ausgestaltung der unterschiedlichen Zonen, wo jeweils bestimmte Mikroorganismen bevorzugt wachsen, ist jetzt an ihrem Optimum angelangt und die Zellzahl an Mikroorganismen hat ihr Maximum erreicht.
Der Zellanteil in einem ausgewachsenen Biofilm beträgt aufgrund des hohen Wasseranteils meist 2–5 % der Gesamtmasse. Die EPS‑Matrix mit seinem sehr hohen Wasserbindungsvermögen ist damit der dominierende strukturelle Bestandteil des Biofilms. Schaut man nur auf die organischen Anteile des Biofilms (ohne Wasser und mineralischen Anteil), so kann der Anteil an Mikroorganismen je nach Art und Wachstumsbedingungen zwischen 10 % und 90 % betragen, was sehr hoch ist. Es bedeutet, dass in einem Biofilm eine sehr hohe Anzahl von Mikroorganismen auf kleinem Raum leben kann, was für die Forschung besonders interessant ist.
4. Ablösung und Verbreitung
In der letzten Phase lösen sich einzelne Zellen oder Zellaggregate aus dem Biofilm. Werden Biofilmstrukturen sehr groß, kommt es zur Ablösung bestimmter Anteile des Biofilms. Die Ablösung kann aktiv reguliert sein oder durch äußere Einflüsse wie Strömung oder Nährstoffmangel ausgelöst werden. Die Dispersionsphase ermöglicht die Verbreitung und nachfolgend die Besiedlung neuer Oberflächen und schließt den Entwicklungszyklus ab.