mini|250px|Abb. 1. Oben: Sehr dünner Biofilm, der eine Fläche (Substratum) bewachsen hat. Unten: Schwebstoff in einem Gewässer. mini|hochkant=1.15|Zusammensetzung der Gemeinschaft in von Microcoleus dominierten Matten. Mikroskopische Aufnahmen dieser Cyanobakterien zusammen mit phototrophen Protisten (Kieselalgen und Cosmarium sp.) und Biofilmfressern (Rädertierchen und Zuckmücken-Larven).
Biofilme bestehen aus einer Schleimschicht (einem Film), in der Mischpopulationen (vgl. Konsortien) von Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Algen, Pilze, Protozoen) in Konzentrationen von bis zu 1012 Zellen je Milliliter Biofilm eingebettet sind.Karl Höll: Wasser. ISBN 978-3-110-22677-5, S. 663–669 (). Mehrzellige Organismen wie Rädertierchen, Fadenwürmern, Milben, Wenigborstern oder Insektenlarven, die sich von den Mikroorganismen ernähren, können sich ebenfalls ansiedeln. Biofilme werden im Alltag oft als sich glitschig-weich anfühlende, wasserhaltige Schleimschicht oder Belag wahrgenommen. Andere, umgangssprachliche Bezeichnungen sind Aufwuchs, Kahmhaut oder Sielhaut.
Beschreibung Biofilme bilden sich überwiegend in wässrigen Systemen, wenn sich dort Mikroorganismen an Grenzflächen ansiedeln. Grundsätzlich können alle Flächen von Biofilmen bewachsen werden: zwischen Gas- und Flüssigphasen (z. B. freier Wasserspiegel), Flüssig- und Festphasen (z. B. Kies an der Gewässersohle) oder auch zwischen verschiedenen Flüssigphasen (z. B. Öltröpfchen im Wasser). Die Grenzfläche, auf der sich der Biofilm bildet, oder genauer die Phase, in die der Film nicht oder kaum hineinwächst, bildet das Substratum (Substrat; das darunter sich Erstreckende).
Im erweiterten Sinn werden als Biofilm alle Aggregate von Mikroorganismen bezeichnet, die in eine von ihnen gebildete Schleimschicht eingebettet sind. Schwebstoffe in Gewässern bestehen oft aus mineralischen Partikeln, die von Biofilmen bewachsen sind. Auch der Belebtschlamm in Kläranlagen hat wesentliche Eigenschaften eines Biofilms. Er besteht aus Flocken, die selber eine zur Besiedlung geeignete Oberfläche haben. mini|hochkant|Abb. 1a: Pelziger Biofilm von Nitrosolobus spec. auf einem Objektträger aus PolystyrolAndreas Schmidt-Wilckerling: Stoffwechselaktivität von frei suspendierten und immobilisierten Zellen Ammoniak oxidierender Bakterien. Diplomarbeit, Hamburg (1989). Biofilme können als eine sehr ursprüngliche Form des Lebens gelten, denn die ältesten Fossilien, die man bisher gefunden hat, stammen von Mikroorganismen in Biofilmen, die vor 3,2 Milliarden Jahren gelebt haben. Es handelt sich dabei um in Westaustralien (Pilbara-Kraton) gefundene Stromatolithen (biogene Sedimentgesteine). Der Biofilm als Lebensform hat sich so gut bewährt, dass er bis heute weit verbreitet ist. Die weitaus überwiegende Zahl an Mikroorganismen lebt in der Natur in Form von Biofilmen.Kap. 18. Bernhard Schink: Die Rolle von Mikroorganismen im Stoffkreislauf und in der Natur. S. 598–635.
Zusammensetzung mini|274px|Abb. 2: Makromoleküle eines Biofilms. (Modifiziert nach FuchsKap. 16. Gottfried Linden: Regulation von Stoffwechsel und Zellaufbau, hier S. 522) Von oben:Cytoplasma (CP) eines sphaeroplastierten Bakteriums mit Cytoplasmamembran (CPM).Interzellulare (IC) Glykokalyx mit Exo-Polysacchariden (EPS), DNS (DNA), hydrophoben (HPr) und wasserlöslichen Proteinen (SPr).Periplasmamembran (PPM), Zellwand (W), Periplasma (PPl), Cytoplasmamembran und Cytoplasma eines Bakteriums.Der Biofilm enthält außer den Mikroorganismen hauptsächlich Wasser. Von den Mikroorganismen ausgeschiedene extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) bilden in Verbindung mit Wasser Hydrogele, so dass eine schleimartige Matrix entsteht, in der Nährstoffe und andere Substanzen gelöst sind. Oft werden von der Matrix auch anorganische Partikel oder Gasbläschen eingeschlossen. Die Gasphase kann je nach Art der Mikroorganismen mit Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Methan oder Schwefelwasserstoff angereichert sein.
Die EPS bestehen aus Biopolymeren, die in der Lage sind, Hydrogele zu bilden und die somit dem Biofilm eine stabile Form geben. Dabei handelt es sich um ein weites Spektrum von Polysacchariden, Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren (extrazelluläre DNA).
In Biofilmen leben normalerweise verschiedene Mikroorganismenarten gemeinsam. Neben den ursprünglichen Biofilm-Bildnern können auch andere Einzeller (Amöben, Flagellaten u. a.) integriert werden. Im Abstand von wenigen hundert Mikrometern können aerobe und anaerobe Zonen vorkommen, sodass aerobe und anaerobe Mikroorganismen eng nebeneinander leben können.
Form mini|Fluoreszenz-mikroskopische Aufnahme eines Multi-Spezies-Biofilms auf rostfreiem Stahl
Im Kernbereich ist der Biofilm meist kompakt (Basis-Biofilm). Der Randbereich (Oberflächen-Biofilm) kann entweder ebenfalls kompakt und regelmäßig geformt sein und eine ebene Grenzfläche zum überströmenden Fluid bilden oder unscharf ausgeformt und wesentlich lockerer sein. In letzterem Fall kann der Oberflächen-Biofilm einer Berg-und-Tal-Bahn ähneln, wenn beispielsweise Bakterienarten fadenförmig (filamentös) in das Fluid hineinwachsen oder wenn das Substratum mit Protozoen (z. B. Glockentierchen) oder höheren Organismenarten besiedelt ist.
Die Biofilm-Matrix ist oft von Poren, Kavernen und Gängen durchzogen, die einen Stoffaustausch zwischen den Bakterienzellen und eine Versorgung mit Wasser ermöglichen. So finden sich häufig pilzförmige oder turmartige Strukturen. Dort treten konvektive Stofftransportvorgänge auf, wenn diese von Flüssigkeit durchströmt werden. Im Bereich der Oberfläche des Biofilms können konvektive Mischungsvorgänge zusätzlich durch Bewegung von in die Strömung hineinragenden Auswüchsen (z. B. „Abwasserpilze“ wie Sphaerotilus natans) ausgelöst werden. Im Inneren von Biofilmen werden gelöste Stoffe überwiegend durch Diffusion transportiert. An der Grenzschicht zum Wasser können immer wieder Zellen oder ganze Teile des Biofilms abgegeben und vom vorbeiströmenden Wasser aufgenommen werden.
Bildung und Reifung von Biofilmen mini|Abb. 4: Phasen und mikroskopische Aufnahmen der Biofilmentwicklung Die Entstehung und Ausbildung eines Biofilms kann in drei Phasen unterteilt werden: Die Induktionsphase (Abb. 4 und 6, 1–2) die Akkumulationsphase (3) und die Existenzphase (4–5).
Besiedlung von Oberflächen Typische Mikroorganismen haben nach landläufiger Vorstellung Geißeln (Abb. 6, 1) und bewegen sich frei in der Wassersäule. Tatsächlich handelt es sich bei solchen SchwärmerzellenS. 527 in der Regel nur um das Verbreitungsstadium von Biofilm-Bewohnern.
Dass die absolute Mehrheit von Bakterien und Archaeen in Biofilmen verwurzelt ist, hat einen zwingenden Grund: Sie würden ansonsten vom lebensnotwendigen Wasser aus ihrem Biotop herausgewaschen. Bodenbakterien würden im nächsten Fluss landen und von dort aus ihre letzte Reise ins Sediment eines Ozeans antreten. Ebenso erginge es den Mikroorganismen im Belebtschlamm von Kläranlagen.
Um überhaupt das freie Wasser verlassen zu können, benötigen Mikroorganismen wasserabweisende hydrophobe Substanzen an der Oberfläche ihrer Zellen. Diese ermöglichen den Organismen eine auf Van-der-Waals-Kräften beruhende Anheftung an hydrophobe Flächen. Da nahezu alle Flächen in aquatischen Biotopen mit Biofilmen bewachsen sindS. 609., assoziieren sich die meisten Schwärmerzellen mit vorhandenen Biofilmen.
Solche Organismen können sich aber auch an unbesiedelte Flächen direkt anheften. Glatte hydrophobe Flächen, wie z. B. Polystyrol oder die Cuticula von vielen Pflanzen können direkt besiedelt werden, allerdings nur, wenn sie mit Wasser benetzbar sind. Durch den Lotuseffekt vermeiden allerdings viele Pflanzen den Bewuchs ihrer Blätter durch Mikroorganismen.
An leere hydrophile Oberflächen lagert sich zunächst eine dünne, zähflüssige Schicht aus organischen Substanzen an. Diese Biopolymere entstammen den Schleimhüllen, die sich um Bakterienzellen bilden (EPS), sich gelegentlich ganz oder teilweise ablösen und beim Kontakt mit Grenzflächen adsorptiv gebunden werden. Solche biogenen Substanzen sind in der Natur allgegenwärtig.S. 610.
Die Metamorphose zum Biofilm-Bewohner mini|Abb. 5: Lebenszyklus von Caulobacter. Eine Schwärmerzelle (1) wirft ihre Geißel ab und die Pili werden verkürzt (2). Die entstandene Stielzelle (3) wächst und bildet neue Schwärmzelle (4)S. 527 mini|250px|links|Abb. 6: Biofilmbildung und Entwicklung bei Bacillus subtilis. Grün: nährstoffhaltiges von links nach rechts strömendes Wasser. Grau: Bewuchsfläche.1: Erstbesiedlung einer Fläche durch eine begeißelte Zelle. 2. Beginn der Biofilmbildung durch Zelladhäsion. 3. Exponentielles Wachstum. 4-5. Teilausschnitte der Oberfläche des Biofilms. 4. Nährstoffmangel im Zentrum. 5. Phase der Auswanderung durch Sporulation und begeißelte Zellen. Wenn der Ort der Anheftung das Wachstum des jeweiligen Organismus ermöglicht, wirft er in der Regel seine Geißel(n) ab. Bei vielen Organismen tritt allerdings noch eine wesentlich tiefer gehende Veränderung ein.
Deutlich sichtbar ist diese bei Caulobacter, einem aeroben α-Proteobacterium. Nach Verlust der Geißel zieht die Schwärmerzelle ihre der Anheftung dienenden Pili ein und wird zur Stielzelle. Die ist im Gegensatz zur Schwärmzelle teilungsfähig und beginnt sofort mit einer asymmetrischen Teilung. Bei der entsteht eine neue Schwärmerzelle. Nach der Trennung kann die Stielzelle bei geeigneten Bedingungen immer wieder neue Schwärmerzellen bilden.S. 527.
Mindestens ebenso tiefgreifend sind die Veränderungen bei dem Bodenbakterium Bacillus subtilis (Abb. 6). Nach Anheftung und Verlust der Begeißelung entstehen bei nachfolgenden Zellteilungen fädige Strukturen, weil die Zellwände der Organismen nicht getrennt werden. Gleichzeitig werden Polymere ausgeschieden, die dem entstehenden Film eine seitliche Festigkeit geben. Solche Veränderungen werden epigenetisch ausgelöst.
Infolge der Vermehrung der Zellen, die sich an einer Oberfläche angelagert haben, kommt es zu einer Ausbreitung der Organismen. Die Grenzfläche wird in Form eines Films (Biofilm) erst flächig besiedelt. Gleichzeitig oder später wachsen die Biofilme mehrschichtig auf und bilden schließlich heterogene dreidimensionale Strukturen. Bacillus subtilis produziert bis zu dieser Phase nahezu ausschließlich fädige Zellverbände.
Konkurrenzvermeidung Zwischen den Zellen eines Biofilms herrscht im Prinzip eine Konkurrenz um Nährstoffe, bei denen diejenigen Zellen einen klaren Vorteil haben, die der Nahrungsquelle am nächsten sind. Dagegen drohen die Zellen im Inneren zu verhungern. Passiert das, dann sind sie nicht mehr in der Lage, den Zusammenhalt aufrechtzuerhalten. Tatsächlich gibt es Mechanismen der Zelldichteregulation und der Kommunikation zwischen den Zellen (Quorum Sensing)S. 521–523, die dem entgegenwirken.
Für Bacillus subtilis wurde 2015 solch ein Mechanismus erstmals im Detail aufgeklärt. Dafür wurde ein Biofilm aus einer Reinkultur dieser Bakterien in einem Chemostat-Bioreaktor untersucht. Der Biofilm wurde kontinuierlich mit Nährstoffen versorgt, und dennoch unterbrachen die Zellen ihr Wachstum periodisch, bis die Zellen im Inneren des Biofilms aufhörten zu hungern. Dieser „Oszillation“ liegt folgender Ablauf zugrunde:
Hungernde Zellen im Biofilm-Inneren senden einen Impuls von K+-Ionen aus. Für diese Ionen verfügen die Biofilm-Zellen von B. subtilis über Rezeptoren, die eine ganze Ereigniskette auslösen. Alle, auch die gut versorgten Zellen, senden unmittelbar nach Empfang selbst ein K+-Signal aus. Für die Ausbreitung der Signale existieren im Biofilm spezifische K+-Kanäle. (Eine normale Diffusion durch die polymere Biofilm-Matrix wäre zu langsam.) Die noch gut versorgten Zellen unterbrechen sofort ihr Wachstum, aber nicht ihre Stoffwechselaktivität. Bei Stickstoffmangel nehmen sie z. B. Glutamin aus dem Nährmedium auf, verwenden aber diese Aminosäure nicht zum Wachsen, sondern spalten daraus Ammonium ab, den sie dem Biofilm zur Verfügung stellen.