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Dec 07, 2023

Stima di un biofilm

npj Biofilms and Microbiomes

npj Biofilm e microbiomi volume 1, numero articolo: 15014 (2015) Citare questo articolo

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I biofilm e in particolare i biofilm che idrolizzano l'urea interessano la comunità medica (ad esempio, le infezioni del tratto urinario), gli scienziati e gli ingegneri (ad esempio, la precipitazione di carbonati indotta da microbi). Per modellare adeguatamente questi sistemi, sono necessarie velocità di reazione specifiche del biofilm. Un metodo semplice per determinare le velocità di reazione specifiche del biofilm viene descritto e applicato a un biofilm che idrolizza l'urea.

I biofilm sono stati coltivati ​​in piccoli tubi di silicio e sono state determinate le concentrazioni di urea in entrata e in uscita. Immediatamente dopo il campionamento, i tubi sono stati sezionati sottili per stimare il profilo di spessore del biofilm lungo la lunghezza del tubo. I dati sulla concentrazione di urea e sullo spessore del biofilm sono stati utilizzati per costruire un modello inverso per la stima del tasso di idrolisi dell'urea.

È stato riscontrato che l'idrolisi dell'urea nei biofilm di Escherichia coli MJK2 è ben approssimata dalla cinetica di primo ordine tra concentrazioni di urea di 0,003 e 0,221 mol/l (0,186 e 13,3 g/l). Il coefficiente di velocità del primo ordine (k1) è stato stimato essere 23,2±6,2 h−1. È stato inoltre stabilito che l'avvezione dominava il sistema sperimentale piuttosto che la diffusione e che l'idrolisi dell'urea all'interno dei biofilm non era limitata dal trasporto diffusivo. Oltre allo specifico biofilm di idrolisi dell'urea discusso in questo lavoro, il metodo ha il potenziale per un'ampia applicazione nei casi in cui è necessario determinare i tassi specifici del biofilm.

L'idrolisi dell'urea da parte di microrganismi è stata ampiamente dimostrata come un metodo efficace per la produzione in situ di alcalinità e la successiva precipitazione di minerali carbonatici. A pH circumneutro, l'idrolisi dell'urea (CO(NH2)2) può essere scritta come

dove per ogni molecola di urea idrolizzata si formano due ioni ammonio e uno ione bicarbonato. Inoltre, viene consumato un protone che aumenta il pH. Quando sono presenti calcio o altri cationi bivalenti, la precipitazione del minerale carbonato può essere possibile a causa di un aumento della concentrazione di carbonato (CO32−).

La formazione di minerali di carbonato attraverso l'ureolisi microbica è significativa in medicina a causa del ruolo che i microrganismi ureolitici possono avere nella formazione di calcoli renali e del tratto urinario, nonché di incrostazioni nei cateteri.1,2 La formazione di minerali attraverso l'ureolisi è stata ampiamente studiata anche per applicazioni ingegneristiche in materiali da costruzione3 e nel sottosuolo per la riduzione della permeabilità, la stabilizzazione del suolo e la bonifica dei contaminanti.4 L'idrolisi microbica dell'urea è interessante anche negli ambienti di trattamento delle acque reflue industriali e agricole in cui una parte significativa dell'azoto totale è attribuita all'urea.5 In tutti i sistemi menzionati sopra, in particolare dove il rapporto area superficiale/volume è elevato, è probabile che una parte significativa dell'attività ureolitica sia attribuita ai biofilm.

Un ostacolo significativo nella previsione del comportamento del sistema nei sistemi contenenti biofilm è la mancanza di caratterizzazione quantitativa del trasporto reattivo specifico del sistema. Questo studio esamina specificamente l'ureolisi in un sistema modello di biofilm per far luce sull'ambiente di trasporto reattivo che potrebbe essere presente nei sistemi che hanno, o sono stati stimolati ad avere, attività ureolitica. L'ureolisi nelle colture planctoniche è stata studiata approfonditamente e sono stati condotti numerosi studi per quantificare i tassi di ureolisi medi in volume in mezzi porosi contenenti microrganismi6-9 ed enzimi immobilizzati.10,11 Gli studi più applicabili si concentrano sul tasso di precipitazione in questi sistemi lasciando in gran parte indiscusse le caratteristiche di trasporto reattivo su microscala dell'ureolisi nei biofilm.

Invece di adottare un approccio basato sul volume medio, i biofilm ureolitici sono stati coltivati ​​in tubi di silicio che imitano l’ambiente di flusso laminare che si incontrerebbe in un poro del terreno o nel tratto urinario. Al sistema non è stato fornito calcio o altri cationi che avrebbero causato la precipitazione dei minerali, in modo che l'idrolisi dell'urea potesse essere studiata in dettaglio senza le complicazioni introdotte quando ha luogo la precipitazione. Le precipitazioni possono avere un impatto sulla cinetica dell'idrolisi dell'urea, ma non sono state indagate in questo studio. I tubi di silicio sono stati campionati in modo distruttivo e sezionati sottili per ottenere un profilo accurato dello spessore del biofilm per tutta la lunghezza del tubo. I profili di spessore del biofilm sono stati combinati con le misurazioni dell'urea in affluente ed effluente per ottenere un tasso di ureolisi per volume di biofilm (qui indicato come tasso specifico del biofilm). Questo documento fornisce un metodo per la misurazione delle velocità di reazione effettive nei biofilm e una maggiore comprensione dell'ambiente di trasporto reattivo dell'idrolisi dell'urea catalizzata da biofilm attraverso l'applicazione di tecniche di adimensionalizzazione.