Magnetresonanztomographen für die Erforschung von elektroaktiven Biofilmen in por?sen Elektroden

Der Stoffwechsel elektroaktiver Mikroorganismen erm?glicht die Nutzung einer externen Elektrode als Elektronenquelle oder -senke. Daraus entstehenden eine ganze Reihe von Anwendungsm?glichkeiten als sogenannte bioelektrochemische Systeme wie beispielsweise die Stromgewinnung aus Abw?ssern oder die Synthese von Plattformchemikalien. Diese und weitere Anwendungsm?glichkeiten werden im Rahmen des Schwerpunktprograms SPP 2240 - eBiotech von der deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) gef?rdert.

Normalerweise bilden diese elektroaktiven Mikroorganismen einen elektroaktiven Biofilm (EAB) auf der Elektrodenoberfl?che. Por?se 3D-Elektroden bieten einen gro?en Lebensraum für den EAB und k?nnen so hohe Stoffwechselraten und hohe Stromdichten erm?glichen, die für die Kommerzialisierung bioelektrochemischer Systeme erforderlich sind. Andererseits schr?nkt der Biofilm den diffusiven Transport von N?hrstoffen und Reaktionsprodukten ein. In der aktuellen Forschung werden por?se Elektroden unter Berücksichtigung der Biofilmdichte, seines Stoffwechsels und der auftretenden Transportph?nomene entwickelt. In diesem Zusammenhang helfen Modelle und Simulationen, die Prozesse in der Elektroden-Biofilm-Verbundstruktur besser zu verstehen. Direkte und ortsaufgel?ste Messungen von Parametern wie der Biofilmdichte oder den Diffusionskoeffizienten sind notwendig, um die bestehenden Modelle zu verbessern und die Wirksamkeit der por?sen Elektroden zu bewerten. Die zurzeit vorherrschenden optischen Methoden scheitern jedoch an der Undurchsichtigkeit der Elektroden. Daher werden Methoden ben?tigt, die nicht auf optische Transparenz angewiesen sind.

In diesem Projekt wird die Magnetresonanztomographie (MRT) zur Charakterisierung von elektroaktiven Biofilmen in por?sen Elektroden eingesetzt. Die Struktur des elektroaktiven Biofilms, der diffusive und konvektive Transport und die Konzentrationsgradienten k?nnen nicht-invasiv mit einer Genauigkeit von bis zu einigen Mikrometern bestimmt werden. ?ber den Einsatz der MRT in vivo zur Charakterisierung von EABs in por?sen Elektroden wurde bisher noch nicht berichtet. Zu diesem Zweck wird ein MRT-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 r?umliche Verteilung abgeleitet. Konzentrationsgradienten von z.B. N?hrstoffen und pH-Wert werden mit einer Kombination aus Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) und ³¹P-spektroskopischer Bildgebung bestimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse k?nnen dann zur Verbesserung des Modells und zur Entwicklung von 3D-Durchflusselektroden genutzt werden.