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Extracellular polymeric substances involved in adhesion and biofilm formation by Sulfobacillus thermosulfidooxidans

Li, Qian

Bioleaching is the mobilization of metal cations from insoluble ores by microorganisms. Bacteria first attach to minerals and then form biofilms, which can initiate and enhance bioleaching. Extracellular polymeric substances (EPS) play a crucial role during the whole process. Bacterial adhesion and biofilm formation are key steps to prevent environmental problems called acid mine drainage or to improve leaching efficiency in industry. Thus, profound investigations of EPS involved in bacterial adhesion and biofilm formation are crucial in order to guide the leaching process in one or the other direction. The Gram-positive bacterium Sulfobacillus thermosulfidooxidans DSM 9293T was chosen as the research object. The bacterium cannot form biofilms on pyrite. However, regularly exchanging exhausted medium with fresh medium leads to a continuous biofilm development on pyrite by S. thermosulfidooxidans. By this way multiply layered biofilms were observed on pyrite slices, while only monolayered biofilms were visible on pyrite grains. Meanwhile biofilm formation by S. thermosulfidooxidans on pyrite could also be observed just in the presence of Leptospirillum ferriphilum. Under biofilm favouring conditions the attachment and biofilm formation by S. thermosulfidooxidans were followed during pyrite leaching. The results indicate that a slimy and soft EPS matrix heterogeneously accumulated on the mineral surface inducing further bacterial adhesion and forming a robust biofilm. After attaching to the pyrite surface the cells started to change the composition of their EPS. Huge amounts of humic substances were detected in the biofilm EPS. A new technique based on an atomic force microscope (AFM) equipped with a pyrite-/chalcopyrite-modified cantilever instead of the use of silicon nitrides types was prove to be useful for quantifying the real interaction forces between planktonic cells or biofilms and the substrata. The force measurements were achieved under the natural living conditions of the bacteria without any artefact resulting from the use of denaturing chemicals such as glutaraldehyde which is often applied to study the adhesion of S. thermosulfidooxidans. The results illustrate that planktonic cells of both pyrite- and sulfur-grown species of S. thermosulfidooxidans show more affinity to pyrite than to chalcopyrite (2 nN versus 0.13 nN). However, biofilm cells show low affinity to either pyrite or chalcopyrite. The EPS collected from planktonic cells of S. thermosulfidooxidans exhibit a high content of proteins, while the EPS of biofilm cells show a low content of proteins indicating that these polymers play an important role in adhesion.

Die Biolaugung ist der Prozess der Auflösung von Sulfiderzen durch mikrobiologische Prozesse. Die Anheftung und die daraufhin folgende Biofilmbildung initiieren beziehungsweise beschleunigen die Biolaugung, dabei spielen Extrazelluläre Polymere Substanzen (EPS) eine besondere Rolle. Die bakterielle Anheftung und Biofilmbildung sind entscheidende Prozesse um die Versauerung von Grubenwässer zu verhindern oder die industrielle Biolaugung zu beschleunigen. Daher ist die Untersuchung der EPS wichtig, um Biolaugungsprozesse zu steuern. Für diese Studie wurde das grampositive Bakterium Sulfobacillus thermosulfidooxidans DSM 9293T ausgesucht. Dieses Bakterium kann keine Biofilme auf Pyrit ausbilden. Jedoch führt der regelmäßige Austausch des Nährmediums zu einer mehrlagigen Biofilmbildung auf Pyritcoupons, aber nur zu einer einlagigen Biofilmbildung auf Pyritkörnern. Wird das Medium längere Zeit nicht gewechselt, führt allerdings die Zugabe von Leptospirillum ferriphilum ebenfalls zu einer Biofilmbildung von S. thermosulfidooxidans. Die Untersuchungen zeigen eine heterogene Matrix aus Bakterien und EPS auf der Mineraloberfläche. Die EPS-Zusammensetzung änderte sich von der initialen Anheftungsphase zum vollausgebildeten Biofilm, es konnte vermehrt Huminsäure nachgewiesen werden. Eine neue Technik basierend auf der Rasterkraftmikroskopie wurde erfolgreich eingesetzt um Interaktionen zwischen planktonischen Zellen bzw. dem Biofilm und der Mineraloberfläche zu zeigen. Hierbei kommen mit Pyrit bzw. Chalkopyrit modifizierte Cantilever zum Einsatz. Die Kraftabstandskurvenmessungen werden ohne oberflächen-verändernde Substanzen wie Glutaraldehyd durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass Zellen von S. thermosulfidooxidans eine höhere Affinität zu Pyrit als zu Chalkopyrit aufweisen (2 nM zu 0,13 nN). Im Gegensatz dazu zeigen Biofilme eine geringere Affinität sowohl zu Pyrit als auch zu Chalkopyrit. Dies ist im Einklang mit dem Proteingehalt, welcher in planktonischen Zellen höher ist (hohe Affinität zur Mineraloberfläche) als im Biofilm (niedrige Affinität zur Mineraloberfläche). Dies zeigt eindeutig die Relevanz von Proteinen in der Anheftung von Bakterien an Mineraloberfläche.

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Li, Qian: Extracellular polymeric substances involved in adhesion and biofilm formation by Sulfobacillus thermosulfidooxidans. 2017.

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