Ανάπτυξη μεθόδων χαρακτηρισμού μορφολογίας βιοϋμενίων: εφαρμογή σε περίπλοκες γεωμετρίες ροής

Abstract

Biofilms are composed of microorganisms embedded in three-dimensional networks of extracellular polymeric substances (EPSs) and exhibit significant resistance to environmental changes, making their understanding crucial for the management of water infrastructure. This doctoral dissertation focuses on developing methods for characterizing biofilm morphology and monitoring their growth in complex flow geometries, such as those found in water distribution systems. To achieve this, innovative flow cells were designed and constructed to allow the formation of flow fields according to experimental requirements (including flow through a straight channel, flow through an abrupt contraction, flow through an abrupt expansion, flow around angles, and wavy flow patterns). Initially, the wetting characteristics of surfaces made of various materials were studied before and after biofilm development, focusing on the influence of physicochemical properties such as hydrophilicity, hydrophobicity, roughness, and surface free energy on microorganism adhesion and the cohesion of the extracellular matrix. The wetting behavior and liquid absorption of dehydrated Pseudomonas fluorescens biofilms grown on stainless steel (EP SS316L) at different incubation times were systematically investigated. A mathematical model was employed to evaluate wetting and absorption behavior while considering droplet evaporation. The results demonstrated that biofilms exhibit hydrophilic properties, with progressive growth leading to complete surface coverage and reduction in surface roughness. Within 24 hours, roughness increased by 6.7 times compared to the clean stainless-steel surface. Liquid absorption was confined to the biofilm region beneath the droplet, with no lateral imbibition, suggesting the absence of an extensive network of interconnected pores. Overall, despite their hydrophilic nature, biofilms demonstrated a structurally resilient structure, limiting the penetration of biocides. Measurements were performed in complex flow geometries, using flow cells with guiding spacers in 72-hour experiments. Furthermore, an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) method was developed for the non-invasive, real-time monitoring of biofilm formation. The results were compared with those obtained through optical coherence tomography (OCT). Using OCT, thickness, roughness, and structural characteristics were measured. The experiments were conducted over a 72-hour period, using flow cells equipped with specific spacers designed to create complex flow geometries. Electrochemical impedance spectroscopy revealed that biofilm growth is associated with a progressive increase in both biofilm surface coverage and thickness over time. Within 48 hours, nearly full coverage was achieved, while thickness doubled. Initially, biofilms exhibited a sparse cell distribution, which became denser over time. A 15% increase in relative electrical resistance was recorded, reflecting both the extent of surface coverage and the growth in biofilm thickness. Comparative analysis revealed that electrical signals were more sensitive to surface coverage than to biofilm thickness. Finally, the study of biofilm formation dynamics in different flow geometries demonstrated that high flow velocities resulted in thinner and denser biofilms, while lower velocities resulted in thicker and rougher structures. Electrical measurements confirmed the gradual growth, while biomass analysis showed that biofilms formed under high flow velocities had greater dry mass, indicating a denser structure. The overall findings contribute to understanding the impact of flow on biofilm formation, with applications in monitoring, controlling, and mitigating biofilms in water distribution networks.

Τα βιοϋμένια αποτελούνται από μικροοργανισμούς ενσωματωμένους σε τρισδιάστατα δίκτυα εξωκυττάριων πολυμερικών ουσιών (EPSs) και παρουσιάζουν υψηλή ανθεκτικότητα σε περιβαλλοντικές αλλαγές, γεγονός που καθιστά την κατανόησή τους κρίσιμη για τη διαχείριση των υδατικών υποδομών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μεθόδων για τον χαρακτηρισμό της μορφολογίας και την παρακολούθηση της ανάπτυξης βιοϋμενίων σε σύνθετες γεωμετρίες ροής, όπως αυτές που συναντώνται στα δίκτυα ύδρευσης. Για το σκοπό αυτό, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν καινοτόμα κελιά ροής που επέτρεπαν τη διαμόρφωση του πεδίου ροής, σύμφωνα με τις απαιτήσεις των πειραμάτων (ροή σε ευθύγραμμο αγωγό, ροή σε απότομη στένωση, ροή σε απότομη διαπλάτυνση, ροή υπό γωνίες και κυματοειδής ροή). Αρχικά, μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά διαβροχής επιφανειών από διάφορα υλικά πριν και μετά την ανάπτυξη βιοϋμενίων, εστιάζοντας στην επίδραση φυσικοχημικών ιδιοτήτων, όπως η υδροφιλία, η υδροφοβία, η τραχύτητα και η ελεύθερη ενέργεια επιφάνειας, στην προσκόλληση μικροοργανισμών και τη συνοχή της εξωκυττάριας μήτρας. Διερευνήθηκε η διαβροχή και η απορρόφηση υγρών σε αφυδατωμένα βιοϋμένια Pseudomonas fluorescens, ανεπτυγμένα σε ανοξείδωτο χάλυβα (EP SS316L), σε διάφορους χρόνους επώασης. Με χρήση μαθηματικού μοντέλου, εκτιμήθηκε η συμπεριφορά διαβροχής και απορρόφησης, λαμβάνοντας υπόψη την εξάτμιση των σταγόνων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα βιοϋμένια είναι υδρόφιλα, με προοδευτική ανάπτυξη που οδηγεί σε πλήρη κάλυψη της επιφάνειας και μείωση της τραχύτητάς τους. Εντός 24 ωρών, η τραχύτητα αυξήθηκε κατά 6.7 φορές σε σχέση με την καθαρή επιφάνεια ανοξείδωτου χάλυβα. Η απορρόφηση υγρών περιορίστηκε στην περιοχή του βιοϋμενίου κάτω από τη σταγόνα, χωρίς πλευρική μετατόπιση, γεγονός που υποδηλώνει απουσία εκτεταμένου δικτύου διασυνδεδεμένων πόρων. Συνολικά, τα βιοϋμένια εμφανίζουν ανθεκτική δομή στη διείσδυση βιοκτόνων, παρά την υδρόφιλη φύση τους. Παράλληλα, αναπτύχθηκε μέθοδος φασματοσκοπίας σύνθετης ηλεκτρικής αντίστασης για τη μη επεμβατική παρακολούθηση του σχηματισμού βιοϋμενίων σε πραγματικό χρόνο. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα από την εφαρμογή της οπτικής τομογραφίας συνοχής (OCT). Με βάση την τεχνική OCT μετρήθηκε το πάχος η τραχύτητα και εκτιμήθηκε η δομή. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε σύνθετες γεωμετρίες ροής, χρησιμοποιώντας κελιά ροής με πλάκες-οδηγούς σε πειράματα 72 ωρών. Η φασματοσκοπία ηλεκτρικής αντίστασης έδειξε ότι η ανάπτυξη των βιοϋμενίων συνδέεται με προοδευτική αύξηση της κάλυψης της επιφάνειας και του πάχους τους. Σε 48 ώρες επιτυγχάνεται σχεδόν πλήρης κάλυψη, ενώ το πάχος διπλασιάζεται. Αρχικά, τα βιοϋμένια εμφανίζουν αραιή κατανομή κυττάρων, η οποία με την πάροδο του χρόνου γίνεται πυκνότερη. Η αύξηση της σχετικής ηλεκτρικής αντίστασης κατά 15% αντικατοπτρίζει τόσο την επιφανειακή κάλυψη όσο και την αύξηση του πάχους του βιοϋμενίου. Η συγκριτική ανάλυση έδειξε ότι τα ηλεκτρικά σήματα είναι πιο ευαίσθητα στην κάλυψη της επιφάνειας παρά στο πάχος του βιοϋμενίου. Τέλος, η μελέτη της δυναμικής σχηματισμού βιοϋμενίων σε διαφορετικές γεωμετρίες ροής έδειξε ότι οι υψηλές ταχύτητες ροής οδήγησαν σε λεπτότερα, πυκνότερα βιοϋμένια, ενώ οι χαμηλές ταχύτητες παρήγαγαν παχύτερες και πιο τραχιές δομές. Οι ηλεκτρικές μετρήσεις επιβεβαίωσαν τη σταδιακή ανάπτυξη, ενώ η ανάλυση βιομάζας έδειξε ότι τα βιοϋμένια σε υψηλές ταχύτητες είχαν μεγαλύτερη ξηρή μάζα, υποδηλώνοντας πυκνότερη δομή. Τα συνολικά ευρήματα συμβάλλουν στην κατανόηση της επίδρασης της ροής στη διαμόρφωση των βιοϋμενίων, με εφαρμογές στην παρακολούθηση, τον έλεγχο και την αντιμετώπισή τους.