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Lehrstuhl für Wasserbau und Wassermengenwirtschaft

Biologische Expertise

Die Forschung am Lehrstuhl für Wasserbau und Wassermengenwirtschaft wird durch die biologische Expertise vervollständigt.

Wir arbeiten in verschiedenen Fachdisziplinen aus den Bereichen der Ingenieurwissenschaften, Mikrobiologie und Chemie. U.a. wird die Biostabilisierung von Sedimenten in Fliessgewässern untersucht. Hier liegen die Kernfragen unserer Forschung zum einen in den saisonalen und räumlichen Veränderungen der Biostabilisierung von Feinsedimenten in Flüssen und Stauräumen, zum anderen im mikrobiologischen Einfluss auf die Charakteristika von erodierten Sedimentflocken und ihren weiteren Transport im Fließgewässer. Des Weiteren wird die grundlegende Rolle und Bedeutung der Mikroorganismen in der Biostabilisierung (von Taxa bis Artenniveau) untersucht sowie der wechselseitige Einfluss von Hydrodynamik und Topographie sowie Architektur von Biofilm. Alle vorgenannten Erkenntnisse sollen helfen, mikrobiologischen Einfluss in numerischen Sedimenttransportmodellen zu implementieren.

Der Forschungsbereich Biostabilisierung von Sedimenten hat eine einmalige Versuchseinrichtung für das Wachstum von Biofilmen unter kontrollierten naturnahen Randbedingungen (z.B. Licht, Temperatur, Hydrodynamik) zur Verfügung (erbaut durch die Förderung der DFG, Projekt GE 1932/3-1). Diese Einrichtung besteht aus 6 identischen aber separat gefahrenen (= echte Replikate) Fließrinnen, von denen jeweils 3 in einem Container untergebracht sind (Bild 2). Der Maßstab der Rinnen ist in der Biofilm-Forschung etwas Besonderes, genauere Details sind in folgenden Publikationen zu finden:Der Forschungsbereich Biostabilisierung von Sedimenten hat eine einmalige Versuchseinrichtung für das Wachstum von Biofilmen unter kontrollierten naturnahen Randbedingungen (z.B. Licht, Temperatur, Hydrodynamik) zur Verfügung (erbaut durch die Förderung der DFG, Projekt GE 1932/3-1). Diese Einrichtung besteht aus 6 identischen aber separat gefahrenen (= echte Replikate) Fließrinnen, von denen jeweils 3 in einem Container untergebracht sind (Bild 2). Der Maßstab der Rinnen ist in der Biofilm-Forschung etwas Besonderes, genauere Details sind in folgenden Publikationen zu finden:

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Mikrobielle Biofilme entstehen durch die Besiedlung von Oberflächen mittels Konditionsfilm. Sukzessive siedeln dann Bakterien gefolgt von Protozoen und Mikroalgen. Die Bakteriengemeinschaft wird in Kooperation mit Herrn Prof. Werner Manz, Universität Koblenz-Landau, Institut für Integrierte Naturwissenschaften, mit Herrn PD Dr. Michael Schweikert aus dem IBBS (Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme, Universität Stuttgart) sowie mit der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Dr. Ursula Obst (KIT, Institut für Funktionelle Grenzflächen) mittels molekulargenetischer Methoden (PCR, FISH, DGGE) untersucht.Mikrobielle Biofilme entstehen durch die Besiedlung von Oberflächen mittels Konditionsfilm. Sukzessive siedeln dann Bakterien gefolgt von Protozoen und Mikroalgen. Die Bakteriengemeinschaft wird in Kooperation mit Herrn Prof. Werner Manz, Universität Koblenz-Landau, Institut für Integrierte Naturwissenschaften, mit Herrn PD Dr. Michael Schweikert aus dem IBBS (Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme, Universität Stuttgart) sowie mit der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Dr. Ursula Obst (KIT, Institut für Funktionelle Grenzflächen) mittels molekulargenetischer Methoden (PCR, FISH, DGGE) untersucht.

Mikroalgen im Biofilm sind hauptsächlich durch Kieselalgen (Diatomeen) vertreten, welche in Kooperation mit dem Labor von Frau Dr. Lydia King, Freiburg, qualitativ und quantitativ bis auf Artniveau bestimmt werden. Blaualgen (Cyanobakterien) werden in Zusammenarbeit mit der AG Prof. Dr. Dan Dietrich, Universität Konstanz, Human und Umwelttoxikologie untersucht.Mikroalgen im Biofilm sind hauptsächlich durch Kieselalgen (Diatomeen) vertreten, welche in Kooperation mit dem Labor von Frau Dr. Lydia King, Freiburg, qualitativ und quantitativ bis auf Artniveau bestimmt werden. Blaualgen (Cyanobakterien) werden in Zusammenarbeit mit der AG Prof. Dr. Dan Dietrich, Universität Konstanz, Human und Umwelttoxikologie untersucht.

Die wichtigsten Komponenten der Biofilm Matrix sind neben Wasser (>90%) vor allem extrazelluläre DNA, verschiedene Zucker und Proteine sowie Lipide und alle denkbaren Kombinationen wie beispielsweise Glykoproteine. Diese werden unter dem Begriff „extrazelluläre polymere Substanzen oder EPS“ zusammengefasst. Extrazellulär deshalb weil sie aktiv von den Mikroorganismen ausgeschieden werden, also keine Bestandteile der Zelle selbst sind. Die EPS müssen daher vorsichtig von den Zellen und anderen Bestandteilen im Sediment abgetrennt werden. Daher wählen wir in unserem Labor eine relativ „sanfte“ Methode der Extraktion mittels CER = Cation Exchange Resin. Anschließend erfolgt im zentrifugierten Überstand eine photometrische Bestimmung und quantitative Erfassung der wichtigsten EPS Komponenten. Dazu hat die AG ein eigenes Nasslabor.

Die Anheftung von Mikroorganismen an Sedimentpartikel und deren Verklebung durch die mikrobiell ausgeschiedene polymere Matrix wird mittels MagPI (Magnetic Particle Induction), einem elektromagnetischem Verfahren, gemessen. Die Anheftung von Mikroorganismen an Sedimentpartikel und deren Verklebung durch die mikrobiell ausgeschiedene polymere Matrix wird mittels MagPI (Magnetic Particle Induction), einem elektromagnetischem Verfahren, gemessen.

Des Weiteren wird die durch diese Verklebung erhöhte Stabilität von Feinsedimenten in der SETEG (Strömungskanal zur Ermittlung der tiefenabhängigen Erosionsstabilität von Gewässersedimenten) Rinne unter steigenden Schubspannungen bestimmt. Gleichzeitig kann das dort eingebaute SEDCIA (Sediment Erosion Rate Detection by Computerized Image Analysis) System über die Deformation von Laserlinien Aussagen zur Erosionsrate treffen (siehe auch Forschungsschwerpunkt MMM ).

Kommt es zur Erosion, werden die Feinpartikel nicht entsprechend ihrer mineralischen Ursprungsgröße abgelöst sondern in verklebten Verbänden, die aus mineralischen Komponenten und toter sowie lebender organischer Matrix bestehen, den sogenannten Flocken. Die Erosion und das „Auffangen“ dieser Flocken erfolgt im Gust Mikrokosmos (Bild 8). Kommt es zur Erosion, werden die Feinpartikel nicht entsprechend ihrer mineralischen Ursprungsgröße abgelöst sondern in verklebten Verbänden, die aus mineralischen Komponenten und toter sowie lebender organischer Matrix bestehen, den sogenannten Flocken. Die Erosion und das „Auffangen“ dieser Flocken erfolgt im Gust Mikrokosmos (Bild 8).

Das erodierte aufgefangene Sediment wird in einen Absinkzylinder überführt und dort werden die Flockencharakteristika mittels Videokamera festgehalten (Bild 9) und später durch einen selbstentwickelten Matlab Code (Master Thesis: Daniela Santolamazza, 2013) ausgewertet. Das erodierte aufgefangene Sediment wird in einen Absinkzylinder überführt und dort werden die Flockencharakteristika mittels Videokamera festgehalten (Bild 9) und später durch einen selbstentwickelten Matlab Code (Master Thesis: Daniela Santolamazza, 2013) ausgewertet.

 

Projekte

Titel Beschreibung
Kriterien für Gestaltung, Betrieb sowie Unterhaltung von Stau- und Retentionsanlagen zur Gewährleistung der ökologischen Durchgängigkeit Laufzeit: 01.08.2004 bis 31.07.2006
Abteilung: VA
Margarete von Wrangell Habilitations Stipendium Laufzeit: 01.09.2008 bis 31.08.2013
Abteilung: LWW
Die Veränderung der Sedimentstabilität und der Charakteristika aufgewirbelter Sedimentflocken durch mikrobiell produzierte extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) Laufzeit: 01.06.2011 bis 31.08.2015
Abteilung: LWW