MRI as a method for the quantitative analysis of live electroactive biofilms
Der Stoffwechsel elektroaktiver Mikroorganismen ermöglicht die Nutzung einer externen Elektrode als Elektronenquelle oder -senke. Normalerweise bilden diese Mikroorganismen einen elektroaktiven Biofilm (EAB) auf der Elektrodenoberfläche. Poröse 3D-Elektroden bieten einen großen Lebensraum für die EAB und können so hohe Stoffwechselraten und hohe Stromdichten ermöglichen, die für die Kommerzialisierung bioelektrochemischer Systeme erforderlich sind. Andererseits schränkt der Biofilm den diffusiven Transport von Nährstoffen und Reaktionsprodukten ein. In der aktuellen Forschung werden poröse Elektroden unter Berücksichtigung der Biofilmdichte, seines Stoffwechsels und der auftretenden Transportphänomene entwickelt. In diesem Zusammenhang helfen Modelle und Simulationen, die Prozesse in der Elektroden-Biofilm-Verbundstruktur besser zu verstehen. Direkte und ortsaufgelöste Messungen von Parametern wie Biofilmdichte oder Diffusionskoeffizienten sind unerlässlich, um die bestehenden Modelle zu verbessern und die Wirksamkeit der porösen Elektroden zu bewerten. Die zur Zeit vorherrschenden optischen Methoden scheitern jedoch an der Undurchsichtigkeit der Elektroden. Daher werden Instrumente benötigt, die nicht auf optische Transparenz angewiesen sind.
In diesem Projekt wird die Magnetresonanztomographie (MRT) zur Charakterisierung von elektroaktiven Biofilmen in porösen Elektroden eingesetzt. Die Struktur des elektroaktiven Biofilms, der diffusive und konvektive Transport und die Konzentrationsgradienten können nicht-invasiv mit einer Genauigkeit von bis zu einigen Zehntel Mikrometern bestimmt werden. Über den Einsatz der MRT in vivo zur Charakterisierung von EABs in porösen Elektroden wurde bisher noch nicht berichtet. Zu diesem Zweck wird ein MRI-kompatibler Biofilmreaktor mit einer internen RF-Spule entwickelt. Die Dichte der verschiedenen Biofilme wird mit Hilfe der T1- und T2-gewichteten Bildgebung qualitativ bestimmt. Die diffusionsgewichtete Bildgebung wird Aufschluss über die Kopplung von Struktur und Transport geben. Mittels qPCR werden empirische Korrelationen für die quantitative Biofilmdichte als Funktion von T1-, T2 und dem Diffusionskoeffizienten sowie deren räumliche Verteilung abgeleitet. Konzentrationsgradienten von z.B. Nährstoffen und pH-Wert werden mit einer Kombination aus Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) und 31P-spektroskopischer Bildgebung bestimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse können dann zur Verbesserung des Modells und zum Entwurf von 3D-Durchflusselektroden genutzt werden.
Publikationen
Häuser L, Erben J, Pillot G, Kerzenmacher S, Dreher W, Küstermann E (2022) In vivo characterization of electroactive biofilms inside porous electrodes with MR Imaging. RSC Adv., 12, 17784-17793. https://doi.org/10.1039/D2RA01162J
Partner
University of Bremen
Research Group Environmental Process Engineering
Institute of Chemistry
University of Bremen
Department of Chemistry
in-vivo MR group
Mitarbeitende
Prof. Dr. Sven Kerzenmacher
University of Bremen
Research Group Environmental Process Engineering
Institute of Chemistry
PD Dr. Wolfgang Dreher
University of Bremen
Department of Chemistry
in-vivo MR group