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Titel:Immobilisierung von Bakterien in Hydrogelen und chemische Weiterverarbeitung zu wasserstabilen lebenden Biohybridsystemen
Autor:Knierim, Christian
Weitere Beteiligte: Greiner, Andreas (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2013
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2013/0384
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2013-03841
DOI: https://doi.org/10.17192/z2013.0384
DDC: Chemie
Publikationsdatum:2013-08-14
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Core-shell-systems, Hydrogel, Polymere, lebende Komposite, Hydrogel, Kern-Hülle-Systeme, polymer

Zusammenfassung:
Im Rahmen dieser Dissertationsschrift und der ihr zugrunde liegenden Untersuchungen wurden erfolgreich neue Methoden der Verarbeitung und Anwendungen von lebenden Kompositen auf Basis von Polymeren und Bakterien erforscht. Die Retention der Freisetzung von immobilisierten M. luteus aus PVA-Partikeln bei Kontakt mit wässrigen Lösungen und auf nährstoffhaltigen Agarplatten wurde durch die oberflächeninitierte kontrollierte radikalische Polymerisation von MMA erreicht. Die Schichtdicke von aufgepfropftem PMMA korrelierte direkt mit der Retention der Freisetzung der Bakterien und konnte durch gezielte Wahl der Reaktionszeit variiert werden. Die Verwendung dieser neuartigen lebenden Kern-Hülle-Partikel ermöglicht die gezielte Verarbeitung von Bakterien aus wässrigem Medium. Denkbare Methoden sind hierbei unter anderem die Einbettung in Faservliese durch Elektrospinnen. Zusätzlich zu der Synthese von PMMA wurde die Vielseitigkeit der oberflächeninitiierte ATRP durch die Polymerisation von NIPAm präsentiert. Im Rahmen dieser Schrift wurden lebende, in PNIPAm-PVA-Partikel immobilisierte Bakterien nachgewiesen. In der vorliegenden Schrift wurde außerdem die hydrophe Ausrüstung bakterienhaltiger Fasern durch die Beschichtung mit PPX unter Verwendung der chemischen Gasphasenabscheidung nach Gorham untersucht. Die Immobilisierung von M. luteus in PEO-Nanofasern durch Elektroverspinnen einer bakterienhaltigen PEO-Lösung resultierte in der Herstellung einer lebenden Membran. Weiterhin wurde das Konzept der Immobilisierung von M. luteus in Hydrogelfasern und nachfolgender hydrophober Ausrüstung durch eine variierbare Schichtdicke von PPX durch die Verwendung von PVA-Mikrofasern untersucht. Das Überleben der verkapselten Bakterien wurde durch die Inokulation und Inkubation geeigneter Nährmedien nachgewiesen. Die biologische Aktivität der immobilisierten Bakterien, eine notwendige Voraussetzung für eine spätere Verwendung, wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke des PPX-Mantels mittels des Umsatzes von Resazurin zu Resorufin erfolgreich verfolgt. Eine weitere Vorrausetzung für den möglichen Einsatz immobilisierter Mikroorganismen ist deren Separation vom umgebenden Medium zur Vermeidung einer Kontamination. Die hier vorgestellten lebenden Komposite erfüllen beide Voraussetzungen und verhindern die Migration der Bakterien in die Lösung für mindestens 22 Tage. Die in PPX-PVA-Mikrofasern verkapselten Bakterien wurden für die Sequestrierung von Gold-Ionen aus einer sauren Goldsäure Lösung verwendet. Die Abnahme des Goldgehaltes der Lösung wurde mittels ICP-MS Messungen nachgewiesen. Es zeigte sich, dass die Bakterien im immobilisierten Zustand Gold-Ionen aufnehmen und diese abscheiden.

Summary:
This publication describes in detail the immobilization of Micrococcus luteus (M. luteus) in various hydrogels and the following processing into water-stable living composites. One part of the publication deals with the immobilization of bacteria into poly(vinyl alcohol) (PVA) microparticles with a diameter of about 5 µm. The bacteria are entrapped by utilizing an aqueous solution of PVA and a high velocity stirrer. Afterwards, the particles are formed through the addition of acetone. The immobilized bacteria survived the storage in various organic solvents and endured chemical surface reaction under different conditions, as shown by using hexamethylene diisocyanate (HDMI), toluene diisocyanate (TDI) and octadecyl isocyanat. After the surface reactions, living immobilized bacteria were proven by inoculating and incubating agar plates containing nutrient. One major drawback of the living composite is its behavior in presence of water. The PVA-particles swell and hence the bacteria are released into the surrounding medium. We have overcome this disadvantage by polymerizing various amounts of poly(methyl methacrylate) (PMMA) onto the PVA-particles in presence of the living bacteria inside the particles. In a first step, we introduced an ATRP-initiator by a chemical surface reaction between the OH-groups and the acid bromid of the initiator. In a second step, the grafting from polymerization of methyl methacrylate (MMA) was carried out, leading to exactly one PMMA shell around each PVA particle. We were able to control the amount of the initiator as well as the amount of the PMMA. The core-shell structure was proven by utilizing TEM and confocal microscopy. Furthermore, we demonstrated the hydrophobic behavior of the core-shell particles in terms of the release of immobilized fluorescein. In addition, the retardation of the release of bacteria was verified by inoculating agar plates containing nutrition and buffer solution. The water stability of the living composite was shown by using SEM and Cryo-SEM. As a result, we received water-stable PMMA-PVA-core-shell particles with immobilized living bacteria. We also proved the survival of the bacteria during the complete process. Moreover, the free bacteria were immobilized in nano- and microfibers consisting of poly(ethylene oxide) (PEO) and PVA. The nanofibers were produced through the electrospinning technique whereas the microfibers were created by wet spinning. The hydrogel fibers were coated with poly(p-xylylene) (PPX) via chemical vapor deposition (CVD). The bacteria hence were immobilized in core-shell fibers with an adjustable thickness. The fibers were water-stable and prevented the release of bacteria into the surrounding medium. The bacteria survived the process and we demonstrated their metabolic activity by the reduction of resazurin. Moreover, we utilized the living fiber composites for the sequestration of gold ions from aqueous solution. The decrease of the amount of gold in the solution was demonstrated by ICP-MS. The deposition of gold inside the fibers was verified by TEM and EDX. Concluding, we were able to immobilize bacteria in hydrogel particles and hydrogel fibers. Furthermore, we proved the feasibility of chemical surface reactions for creating water-stable living composites. The immobilized bacteria survived these reactions. Moreover, we demonstrated their metabolic activity as well as their ability to sequestrate heavy metal ions from aqueous solutions. The water-stable composites are of interest for the bioremediation of polluted water and for biotransformation.


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