Innerhalb eines einzigen Biofilms bilden sich aufgrund physiko-/chemischer und biochemischer Faktoren unterschiedliche mikrobielle Zonen aus. Physikalische Faktoren, wie Wasserhaushalt und Druck, Temperatur und Lichteinfall/Lichtdurchlässigkeit, Gasdruck, chemische Einflussgrößen, Sauerstoffgehalt, Wassergehalt, das Verhältnis von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor und pH-Wert und biochemische Faktoren, wie das Nährstoffangebot, Stoffwechselprodukte prägen die einzelnen Zonen.
Gradienten im Biofilm
Ein entscheidendes Merkmal dieser außergewöhnlichen Lebensräume ist die Ausbildung von sogenannten Gradienten, also einer Konzentrationsänderung bestimmter Stoffe innerhalb eines definierten Bereiches. Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid, Nährstoffen, Lichtphotonen, Wasser etc. ändern sich innerhalb des Biofilms. Bereits über wenige Mikrometer hinweg können sich in einem Biofilm starke Konzentrationsänderungen also Gradienten ausbilden.
An der Grenzschicht zwischen Biofilm und dem umgebenden Medium herrschen meist sauerstoffreiche Bedingungen. Sauerstoff und Nährstoffe aus dem Medium diffundieren in den Biofilm hinein.
Unterschiedliche Gradienten
Sauerstoff
Sauerstoff ist für einige Mikroorganismen überlebenswichtig, während andere Organismen keinen Sauerstoff vertragen. Der Sauerstoffgehalt sinkt rasch ab, je weiter man von dem äußeren Bereich in das Innere des Films hineingelangt. Sogenannte aerobe Mikroorganismen, die Sauerstoff zum Wachsen und für oxidative Stoffwechselwege benötigen, siedeln sich im äußeren Bereich des Films an. Im Inneren des Films und vor allem an der Anhaftungsgrenzfläche zum Substratum herrscht reduzierendes, oft vollständig sauerstofffreies Mikromilieu.
Wasser
Die Verfügbarkeit von Wasser ist für die Mikroorganismen lebensentscheidend und variiert innerhalb der Matrix. Die Polysaccharidmatrix ist in der Lage, große Mengen an Wasser zu speichern, so dass der Wassergehalt auf über 95% ansteigen kann. Die EPS ist aus verschiedenen Schichten aufgebaut. Diese Bereiche unterscheiden sich in ihrem Wassergehalt und der Durchlässigkeit, also der Permeabilität für verschiedene Stoffe. Während die äußeren Zonen stärker durchströmt werden und einen intensiven Stoffaustausch ermöglichen, können dichter gepackte Strukturen im Inneren des Biofilms den Transport größerer Moleküle einschränken. Neuesten Ergebnissen zu Folge deutet vieles darauf hin, dass Wasser maßgeblich die räumliche Struktur im Biofilm mitgestaltet.
Licht
In Biofilmen, die Licht ausgesetzt sind, bilden sich sogenannte phototrophe Zonen. Mikroorganismen, wie Cyanobakterien, Algen oder phototrophe Bakterien können das einfallende Licht zur Energiegewinnung und zum Aufbau von Nährstoffen nutzen. Diese Organismen siedeln bevorzugt an der Biofilmoberfläche oder in lichtdurchlässigen EPS-Bereichen.
Bei der Photosynthese wird Lichtenergie genutzt, um aus CO2 und Wasser Zucker/Glucose herzustellen. Dabei entsteht auch Sauerstoff. Mit dem freiwerdenden Gas Sauersoff, der aus dem gelartigen Biofilm nicht sofort entweichen kann, beeinflusst die Photosynthese wiederum die chemischen Gradienten. Tagsüber steigt die Sauerstoffbildung und damit der Sauerstoffgehalt in Folge der Photosynthese in den oberen Schichten stark an.
Das Zusammenspiel der Mikroorganismen, wie beispielsweise die Steuerung der Bildung von EPS, wird durch Zellkommunikationswege mit Hilfe chemischer und elektrischer Signale ermöglicht. Die Zellkommunikation kann man sich ähnlich wie die Kommunikation in unserem Körper vorstellen. Gehirn, Organe, Muskeln stehen permanent in Verbindung, um Atmung, Bewegung und Stoffwechselvorgänge am Laufen zu halten. Die Kommunikation in Biofilmen ist ebenfalls erstaunlich komplex und nicht bis in alle Einzelheiten aufgeklärt.
Kurz zusammengefasst
In Biofilmen entstehen durch dreidimensionale, wasserhaltige EPS-Gel-Filme winzigste komplexe Lebensräume für Mikroorganismen. Die Gelmatrix wirkt nicht nur als stabiles Gerüst, sondern auch als selektiver Filter, der den Transport von Molekülen reguliert, und damit die Ausbildung funktioneller Zonen unterstützt. Die Gelmatrix dient als Wasserspeicher, Ver- und Entsorgungsweg und Kommunikationsnetz auf mikroskopisch kleinstem Raum. Innerhalb des Films finden sich verschiedenen Konzentrationen an Nährstoffen, Licht-, Sauerstoff- und Wassergehalten. Das wehrhafte dreidimensionale Bauwerk bietet Schutz vor extremen Veränderungen. Abhängig von den Umweltbedingungen werden von bestimmten Mikroorganismen unterschiedlich zusammengesetzte Gel-Filme gebildet. Genetische Programme steuern die Bildung der unterschiedlichen Strukturen. Forschungsergebnisse zeigen, dass insbesondere die biochemische Zusammensetzung des Films und die damit einhergehende strukturelle Vielfalt der Gelmatrix entscheidend ist für die Ausbildung dieser Mikro-Lebensräume.
Für Forschende und für die Industrie sind Biofilmsysteme von besonderem Interesse, da diese äußerst stabil sind und auf äußere Einflüsse reagieren können. Man möchte mit Hilfe von Biofilmen umweltfreundlichere biotechnologische Methoden zur Produktion von Grundstoffen für die Medikamentenherstellung und für Alltagsprodukte finden und damit eine Alternative zu rein chemischen Verfahren und erdölbasierten Rohstoffen zu entwickeln.
