Development of a multi-physics biofilm model incorporating biofilm mechanical and structural characteristics from multi-dimensional imaging datasets acquired by means of optical coherence tomography

开发多物理生物膜模型,结合通过光学相干断层扫描获取的多维成像数据集的生物膜机械和结构特征

基本信息

项目摘要

The objective of this project is to investigate in detail the influence of hydrodynamic and nutritional conditions on the mesoscale behavior of biofilm aggregates. By means of a unique combination of experimental and computational strengths, a comprehensive biofilm model will be developed that enables the reliable prediction of biofilm growth, architecture, interaction with the surrounding fluid, and detachment for a wide range of different conditions. Imaging techniques such as optical coherence tomography (OCT) for the mesoscale and confocal laser scanning microscopy (CLSM) for the microscale will provide the necessary information on biofilm development and internal structure at defined nutrient availability and hydrodynamic flow conditions. Oxygen sensitive optodes will provide information about the metabolic activity. These data will then be used for setting up and calibrating an advanced continuum biofilm model. Since biofilm material properties govern its behavior and interaction with the surrounding fluid, a thorough knowledge of the physical characteristics of biofilms is essential. Therefore, an imaging protocol will be developed, which will permit to visualize the biofilm structure at the mesoscale and characterize its properties by assessing the time resolved response of the biofilm to altered flow conditions in 3D. These experimental data will be transferred to the computational model by means of digital image processing and will then be the basis for the determination of biofilm material properties using an inverse analysis approach. Starting from the assumption of a homogeneous material, a (heterogeneous) distribution of biofilm properties will also be considered in the following to enable a more realistic modeling of biofilm behavior.As a next step, a reliable model for biofilm growth accounting for the different time scales involved will be developed. Again, a joint experimental-modeling effort is essential to identify relevant factors (e.g., nutrient availability and mechanical stress) and quantify their effect on biofilm growth. To estimate the cohesive and adhesive strength of the biofilm, detachment experiments will be conducted. This information will again be utilized for further development and calibration of the computational model.The quality of the resulting biofilm model including fluid-structure interaction (FSI), substrate transfer, growth, and detachment will be assessed by comparing simulated and experimentally observed biofilm structures. In particular, the predictive capability of the model will be evaluated by applying it to unknown scenarios such as real waste water biofilms or altered hydrodynamic loading. The model will then be utilized to gain more insights into mesoscale biofilm dynamics for a wide range of different conditions not necessarily realized experimentally. By these means, first steps towards systematically developing strategies for biofilm control/optimization will be taken.
本项目的目的是详细研究水动力学和营养条件对生物膜聚集体中尺度行为的影响。通过实验和计算优势的独特组合,将开发一个全面的生物膜模型,使生物膜的生长,结构,与周围流体的相互作用,以及在各种不同条件下的分离的可靠预测。成像技术,如光学相干断层扫描(OCT)的中尺度和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)的微尺度将提供必要的信息,生物膜的发展和内部结构在定义的营养物质的可用性和流体动力学流动条件。氧敏感的光感受器将提供关于代谢活性的信息。这些数据将用于建立和校准先进的连续生物膜模型。由于生物膜材料的性质决定了它的行为和与周围流体的相互作用,因此对生物膜的物理特性有透彻的了解是必不可少的。因此,将开发成像协议,其将允许在中尺度可视化生物膜结构,并通过评估生物膜对3D中改变的流动条件的时间分辨响应来表征其性质。这些实验数据将通过数字图像处理转移到计算模型中,然后将成为使用逆分析方法确定生物膜材料特性的基础。从均质材料的假设出发,生物膜特性的(异质)分布也将在下文中考虑,以实现生物膜行为的更现实的建模。作为下一步,将开发生物膜生长的可靠模型,考虑所涉及的不同时间尺度。同样,联合实验建模工作对于确定相关因素(例如,养分利用率和机械应力)并量化它们对生物膜生长的影响。为了估计生物膜的内聚和粘附强度,将进行分离实验。这些信息将再次用于进一步开发和校准的计算model.The质量的生物膜模型,包括流体结构相互作用(FSI),基板转移,生长和分离将通过比较模拟和实验观察到的生物膜结构进行评估。特别是,该模型的预测能力将通过将其应用到未知的情况下,如真实的废水生物膜或改变的水动力负荷进行评估。然后,该模型将被用来获得更深入的了解中尺度生物膜动力学的各种不同的条件下,不一定实现实验。通过这些手段,将采取系统开发生物膜控制/优化策略的第一步。

项目成果

期刊论文数量(4)
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Iron as a biofilm control agent: manipulation of biofilm development and differentiation
铁作为生物膜控制剂:控制生物膜的发育和分化
  • DOI:
    10.5194/biofilms9-75
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Gierl L;Wagner
  • 通讯作者:
    Wagner
Untersuchungen zum Einfluss von Eisen auf die Struktur und mechanischen Eigenschaften von Bacillus subtilis Biofilmen
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  • DOI:
    10.5445/ir/1000126383
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Determination of mechanical properties of biofilms by modelling the deformation measured using optical coherence tomography.
  • DOI:
    10.1016/j.watres.2018.08.070
  • 发表时间:
    2018-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.8
  • 作者:
    C. Picioreanu;Florian Blauert;H. Horn;M. Wagner
  • 通讯作者:
    C. Picioreanu;Florian Blauert;H. Horn;M. Wagner
An open-source robotic platform that enables automated monitoring of replicate biofilm cultivations using optical coherence tomography
  • DOI:
    10.1038/s41522-020-0129-y
  • 发表时间:
    2020-04-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.2
  • 作者:
    Gierl, Luisa;Stoy, Kasper;Wagner, Michael
  • 通讯作者:
    Wagner, Michael
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