Biofilm als Haftgrund 20.12.2013, 12:29 Uhr

Fliegenlarven als Vorbild für Unterwasserhaftsysteme elektronischer Geräte

In Flüssen droht Menschen und Fahrzeugen Rutschgefahr durch eine schleimige Schicht auf Algen und Bakterien. Genau diesen Biofilm brauchen Fliegenlarven allerdings, um sich in der Strömung mit Haken festzuhalten. Diese neue Erkenntnis soll der Entwicklung von Unterwasserhaftsystemen für technische Geräte zugutekommen.  

Für die Larven der Eintagsfliegen ist Biofilm nicht nur eine Nahrungsquelle. Sie nutzen die schleimige Schicht aus Bakterien und Algen auch, um sich in strömenden Gewässern festzuhalten. Eine Erkenntnis, die für den Bau der Unterwasserhaftsysteme von Strömungsmessern wichtig sein könnte.

Für die Larven der Eintagsfliegen ist Biofilm nicht nur eine Nahrungsquelle. Sie nutzen die schleimige Schicht aus Bakterien und Algen auch, um sich in strömenden Gewässern festzuhalten. Eine Erkenntnis, die für den Bau der Unterwasserhaftsysteme von Strömungsmessern wichtig sein könnte.

Foto: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Jeder, der schon einmal barfuß durch ein fließendes Gewässer gewatet ist, kennt das Problem: Auf Steinen am Boden hat sich ein schleimiger Film aus Algen, Bakterien und anderen organischen Materialien gebildet. Dieser sogenannte Biofilm ist für den Menschen extrem rutschig, das Vorankommen bei etwas stärkerer Strömung fast unmöglich. Kleine Insekten und deren Larven benötigen dagegen genau diesen Biofilm, um sich auch in strömungsexponierten Habitaten ansiedeln zu können.

„Als wenn man seine Füße in Honig hätte“

Für die Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik am Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist alles interessant, was mit Haftungskräften in biologischen Systemen zu tun hat. Sie untersuchen, wie sich Körper oder Körperteile aneinander, an anderen Organismen oder auf Untergründen fixieren können. Jüngste Kandidaten für eine Versuchsreihe zu Haftungseigenschaften im Biofilm waren die Larven der Eintagsfliege Epeorus assimils.

Das Forscherteam, bestehend aus dem Biophysiker Alexander Kovalev, den Biologen Stanislav Gorb, Jan Michels, Jochen Koop und Petra Ditsche, konnte nachweisen, dass die Insekten vom Biofilm nicht nur als Futterquelle abhängig sind. Die schleimige Oberfläche ist besonders in Fließgewässern wie Bächen und Flüssen für die Besiedlung glatter strömungsexponierter Lebensräume entscheidend.

Während die Larven auf sehr glatten Oberflächen von Steinen nur sehr schwer Halt finden, können sie die weiche Schleimschicht viel einfacher durchdringen. Mit ihren Krallen klammern sie sich an festverwachsene Organismen innerhalb des Biofilms. Durch die Zähflüssigkeit des Biofilms wird der Widerstand der Insekten gegen die Strömung weiter gestärkt. „Etwa so, als wenn man seine Füße in Honig hätte“, beschreibt Biologin Petra Ditsche das Phänomen.

Labortests untersuchen Haltefähigkeit der Larven

Im Labor stellten die Forscher künstliche Untergründe mit verschiedenen Rauheitsgraden her – von sehr glatt bis extrem rau. Einen Teil dieser Substrate ließen sie in einer Fließrinne mit Biofilm bewachsen. In den folgenden Versuchen wurden die bewachsenen Substrate mit den jeweils gleichen Substrattypen ohne Biofilmbewuchs verglichen. Die Haltefähigkeiten der lebenden Larven untersuchten die Wissenschaftler dann in einer künstlichen Fließrinne bei steigenden Geschwindigkeiten. Dabei wurde die Maximalgeschwindigkeit ermittelt, bis zu der die Larven auf dem spezifischen Substrat verbleiben konnten.

Die Untersuchungen zeigen, dass es generell wichtig ist, den Biofilm bei der Haftung in aquatischen Systemen zu berücksichtigen, da er die Substrateigenschaften wesentlich verändert. Im Fall der untersuchten Eintagsfliegenlarven waren die Haftkräfte auf den mit Biofilm überzogenen Substraten erhöht. Auf allen glatten Substraten sowie auf den Substraten mit geringer Rauheit konnten die Krallen sich wegen der fehlenden Unregelmäßigkeiten schlecht verklammern. Der Biofilm sollte daher generell als Faktor bei der Haftung oder Befestigung am Untergrund berücksichtigt werden, folgern die Wissenschaftler.

Anwendung finden die Forschungsergebnisse möglicherweise in der Antifouling-Forschung, die den Bewuchs an Schiffsrümpfen und anderen technischen Oberflächen verhindern soll. Oder bei der Entwicklung von Unterwasserhaftsystemen für technische Geräte wie Strömungsmesser.

Von Gudrun von Schoenebeck

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