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Effects of Silver Nanoparticles on Bacterial Biofilms

  • Because silver nanoparticles (Ag NPs) are broadly applied in consumer products, their leaching will result in the continuous release of Ag NPs into the natural aquatic environment. Therefore, bacterial biofilms, as the prominent life form of microorganisms in the aquatic environment, are most likely confronted with Ag NPs as a pollutant stressor. Notwithstanding the significant ecological relevance of bacterial biofilms in aquatic systems, and though Ag NPs are expected to accumulate within these biofilms in the environment, the knowledge on the environmental and ecological impact of Ag NPs, is still lagging behind the industrial growth of nanotechnology. Consequently, aim of this thesis was to perform effect assessment of Ag NP exposure on bacterial biofilms with ambient Ag NPs concentrations and under environmentally relevant conditions. Therefore, a comprehensive set of methods was applied in this work to study if and how Ag NPs of two different sizes (30 and 70 nm) affect bacterial biofilms i.e. both monospecies biofilms and freshwater biofilms in environmentally relevant concentrations (600 - 2400 µg l-1). Within the first part of this work, a newly developed assay to test the mechanical stability of monospecies biofilms of the freshwater model bacterium Aquabacterium citratiphilum was validated. In the first study, to investigate the impact of Ag NPs on the mechanical stability of bacterial biofilms, sublethal effects on the mechanical stability of the biofilms were observed with negative implications for biostabilization. Furthermore, as it is still challenging to monitor the ecotoxicity of Ag NPs in natural freshwater environments, a mesocosm study was performed in this work to provide the possibility for the detailed investigation of effects of Ag NPs on freshwater biofilms under realistic environmental conditions. By applying several approaches to analyze biofilms as a whole in response to Ag NP treatment, insights into the resilience of bacterial freshwater biofilms were obtained. However, as revealed by t-RFLP fingerprinting combined with phylogenetic studies based on the 16S gene, a shift in the bacterial community composition, where Ag NP-sensitive bacteria were replaced by more Ag NP-tolerant species with enhanced adaptability towards Ag NP stress was determined. This shift within the bacterial community may be associated with potential detrimental effects on the functioning of these biofilms with respect to nutrient loads, transformation and/or degradation of pollutants, and biostabilization. Overall, bringing together the key findings of this thesis, 4 general effect mechanisms of Ag NP treatment have been identified, which can be extrapolated to natural freshwater biofilms i.e. (i) the identification of Comamonadaceae as Ag NP-tolerant, (ii) a particular resilient behaviour of the biofilms, (iii) the two applied size fractions of Ag NPs exhibited similar effects independent of their sizes and their synthesis method, and (iv) bacterial biofilms show a high uptake capacity for Ag NPs, which indicates cumulative enrichment.
  • Dadurch, dass Silber-Nanopartikel (Ag NPs) vielfältig in Konsumartikeln eingesetzt werden, führt deren Auswaschung zu einer kontinuierlichen Freisetzung von Ag NPs in natürliche Gewässer. Dadurch werden bakterielle Biofilme, welche die vorherrschende Lebensform von Mikroorganismen in der aquatischen Umwelt darstellen, sehr wahrscheinlich mit diesen in Form eines Umweltschadstoffes onfrontiert. Ungeachtet der bedeutsamen ökologischen Relevanz von bakteriellen Biofilmen in aquatischen Systemen und obwohl erwartet wird, dass Ag NPs in diesen Biofilmen in der Umwelt akkumulieren, liegt der Wissensstand hinsichtlich der umweltbedingten und ökologischen Auswirkung von Ag NPs hinter dem industriellen Wachstum der Nanotechnologie zurück. Demzufolge ist das Ziel dieser Dissertation, die Wirkungsbeziehung der Ag NP-Exposition gegenüber bakteriellen Biofilmen mit Ag NP-Immissionskonzentrationen und unter umwelt-relevanten Bedingungen zu erbringen. Infolgedessen wurden eine umfassende Reihe an Methoden angewendet, um zu untersuchen ob und inwiefern Ag NPs in zwei verschiedenen Größen (30 und 70 nm) und in umweltrelevanten Konzentrationen (600 - 2400 µg l-1) bakterielle Biofilme, d.h. monospecies- und Süßwasser-Biofilme, beeinträchtigen. Innerhalb des ersten Teils dieser Arbeit wurde ein neu entwickelter Assay validiert, um die mechanische Stabilität von monospecies Biofilmen des Bakteriums Aquabacterium citratiphilum zu untersuchen. In der ersten Studie, welche den Einfluss von Ag NPs auf die mechanische Stabilität von bakteriellen Biofilmen untersucht hat, wurden subletale Auswirkungen auf die mechanische Stabilität dieser Biofilme mit negativen Implikationen für die Biostabilisation festgestellt. Weiterhin wurde eine Mesokosmus-Studie konzipiert und durchgeführt, innerhalb der die Auswirkungen von Ag NPs auf Süßwasser-Biofilme eingehend unter realistischen Umweltbedingungen untersucht werden konnte, da es derzeit technisch noch sehr anspruchsvoll ist, die Ökotoxizität von Ag NPs in der Umwelt von Binnengewässern zu untersuchen. Innerhalb dieser Studie wurden verschiedene Methoden zur Untersuchung der Biofilmeigenschaften eingesetzt und damit Erkenntnisse über die Resilienz von bakteriellen Süßwasser-Biofilmen gewonnen. Demgegenüber konnte mittels t-RFLP fingerprinting und phylogenetischen Untersuchungen basierend auf der Sequenzanalyse des 16S-rRNA-Gens nachgewiesen werden, dass die Exposition der Biofilme mit Ag NPs zu einer Verschiebung innerhalb der Zusammensetzung der bakteriellen Biofilmgemeinschaft führt, in der Ag NP-sensitive Arten von Ag NP-toleranten Arten, die besser an Ag NP Stress adaptiert sind, verdrängt wurden. Diese Verschiebung innerhalb der bakteriellen Biofilmgemeinschaft könnte die Biofilm-Leistungen beeinträchtigen, die intakte Biofilme auszeichnen, wie etwa den Abbau erhöhten Nährstoffeintrags, die Umwandlung und/oder den Abbau von Schadstoffen sowie Biostabilisation. Durch das Zusammenführen der wichtigsten Erkenntnisse dieser Dissertation konnten 4 generelle Wirkmechanismen durch die Ag NP-Behandlung identifiziert werden, die auf natürliche Süßwassersysteme übertragbar sein könnten: (i) Comamonadaceae wurden als Ag NP-tolerant identifiziert, (ii) Biofilme zeigen ein partiell resilientes Verhalten, (iii) die beiden eingesetzten verschiedenen Ag NP-Größen führten zu vergleichbaren Ergebnissen unabhängig von deren Größe oder Synthesemethode, (iv) Bakterielle Biofilme verfügen über eine hohe Aufnahmekapazität für Ag NPs, die auf eine kumulative Anreicherung hinweist.

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Metadaten
Author:Alexandra Yvonne Grün
URN:urn:nbn:de:kola-20415
Referee:Werner Manz, Gabriele Schaumann, Carola Winkelmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2020/03/12
Date of publication:2020/03/13
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2020/03/09
Release Date:2020/03/13
Number of pages:VI, 78, VIII-X
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Biologie
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