Magnetresonanztomographen für die Erforschung von elektroaktiven Biofilmen in porösen Elektroden

Der Stoffwechsel elektroaktiver Mikroorganismen ermöglicht die Nutzung einer externen Elektrode als Elektronenquelle oder -senke. Daraus entstehenden eine ganze Reihe von Anwendungsmöglichkeiten als sogenannte bioelektrochemische Systeme wie beispielsweise die Stromgewinnung aus Abwässern oder die Synthese von Plattformchemikalien. Diese und weitere Anwendungsmöglichkeiten werden im Rahmen des Schwerpunktprograms SPP 2240 - eBiotech von der deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) gefördert.

Normalerweise bilden diese elektroaktiven Mikroorganismen einen elektroaktiven Biofilm (EAB) auf der Elektrodenoberfläche. Poröse 3D-Elektroden bieten einen großen Lebensraum für den EAB und können so hohe Stoffwechselraten und hohe Stromdichten ermöglichen, die für die Kommerzialisierung bioelektrochemischer Systeme erforderlich sind. Andererseits schränkt der Biofilm den diffusiven Transport von Nährstoffen und Reaktionsprodukten ein. In der aktuellen Forschung werden poröse Elektroden unter Berücksichtigung der Biofilmdichte, seines Stoffwechsels und der auftretenden Transportphänomene entwickelt. In diesem Zusammenhang helfen Modelle und Simulationen, die Prozesse in der Elektroden-Biofilm-Verbundstruktur besser zu verstehen. Direkte und ortsaufgelöste Messungen von Parametern wie der Biofilmdichte oder den Diffusionskoeffizienten sind notwendig, um die bestehenden Modelle zu verbessern und die Wirksamkeit der porösen Elektroden zu bewerten. Die zurzeit vorherrschenden optischen Methoden scheitern jedoch an der Undurchsichtigkeit der Elektroden. Daher werden Methoden benötigt, die nicht auf optische Transparenz angewiesen sind.

In diesem Projekt wird die Magnetresonanztomographie (MRT) zur Charakterisierung von elektroaktiven Biofilmen in porösen Elektroden eingesetzt. Die Struktur des elektroaktiven Biofilms, der diffusive und konvektive Transport und die Konzentrationsgradienten können nicht-invasiv mit einer Genauigkeit von bis zu einigen Mikrometern bestimmt werden. Über den Einsatz der MRT in vivo zur Charakterisierung von EABs in porösen 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 räumliche Verteilung abgeleitet. Konzentrationsgradienten von z.B. Nährstoffen und pH-Wert werden mit einer Kombination aus Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) und ³¹P-spektroskopischer Bildgebung bestimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse können dann zur Verbesserung des Modells und zur Entwicklung von 3D-Durchflusselektroden genutzt werden.