Kinetics of Pseudomonas veronii 2E biofilm development under different nutritional conditions for a proper bioreactor design

Abstract

Los biorreactores mediados por biopelículas representan una alternativa eficiente, ya que los materiales extracelulares de las biopelículas bacterianas mejoran la inmovilización de metales por biosorción. La adhesión o desprendimiento bacteriano está relacionado con las condiciones ambientales. El objetivo de este trabajo es estudiar la dependencia nutricional del desarrollo de biopelículas de Pseudomonas veronii 2E para su aplicación en un futuro reactor de biopelículas para el tratamiento de aguas residuales. Para tal propósito, se exploró la cinética de establecimiento de la biopelícula sobre cubreobjetos de vidrio cambiando la composición del medio y la concentración de nutrientes y en presencia de Fe(II). Después de la tinción celular con violeta cristal, la biopelícula se visualizó mediante observación microscópica directa; el análisis de imágenes de escaneo de muestras se implementó en MATLAB y la extracción con etanol - medición de absorbancia a 590 nm. La estructura de la biopelícula desarrollada con medio basal mineral apareció como una monocapa, pero en medios basales complejos se apreciaron agregados celulares. La adhesión óptima se logró con medio basal complejo - 5 g/L de glucosa a 55 h. La concentración de violeta cristal complementada con la captura de imágenes apoyó estos resultados. El establecimiento de la biopelícula se vio favorecido por la producción de biosurfactante en P. veronii 2E. La obtención de mutantes deficientes en la secreción de biosurfactante confirmó la influencia de estos compuestos en la motilidad celular y, por consiguiente, en la adhesión celular. La información sobre la estructura de la biopelícula definida en estas condiciones constituye un primer paso útil para el diseño de futuros biorreactores.

Biofilm-mediated bioreactors represent a proficient alternative, as extracellular materials of bacterial biofilms enhance metal immobilization by biosorption. Bacterial attachment or detachment is related to environmental conditions. The aim of this work is to study the nutritional dependence of Pseudomonas veronii 2E biofilm development to be applied in a future biofilm-reactor for wastewater treatments. For such purpose, biofilm establishment kinetics was explored over glass coverslips changing medium composition and nutrient concentration and in Fe(II) presence. After crystal violet cell staining, biofilm was visualized using direct microscopic observation; sample scanning-image analysis implemented in MATLAB and ethanol extraction-Absorbance 590. nm measurement. Biofilm structure developed with mineral basal medium appeared as a monolayer, but in complex basal media cell aggregates were appreciated. Optimal attachment was achieved with complex basal medium-5. g/L glucose at 55. h. The crystal violet concentration complemented with the image capturing supported these results. Biofilm establishment was enhanced by biosurfactant production in P. veronii 2E. The obtention of mutants deficient in biosurfactant secretion confirmed the influence of these compounds on cell motility and hence on cell attachment. The information of the biofilm structure defined under such conditions is the useful first step for the future bioreactor design.

Biorreatores mediados por biofilme representam uma alternativa eficiente, pois os materiais extracelulares de biofilmes bacterianos aumentam a imobilização de metais por biossorção. A fixação ou desprendimento bacteriano está relacionado às condições ambientais. O objetivo deste trabalho é estudar a dependência nutricional do desenvolvimento de biofilme de Pseudomonas veronii 2E para ser aplicado em um futuro reator de biofilme para tratamento de águas residuais. Para tal propósito, a cinética de estabelecimento do biofilme foi explorada em lamínulas de vidro, alterando a composição do meio e a concentração de nutrientes e na presença de Fe(II). Após a coloração das células com cristal violeta, o biofilme foi visualizado usando observação microscópica direta; análise de imagem de varredura de amostra implementada em MATLAB e extração com etanol - medição de absorbância de 590 nm. A estrutura do biofilme desenvolvida com meio basal mineral apareceu como uma monocamada, mas em meio basal complexo, agregados celulares foram observados. A fixação ideal foi alcançada com meio basal complexo - 5 g/L de glicose a 55 h. A concentração de cristal violeta complementada com a captura de imagem corroborou esses resultados. O estabelecimento do biofilme foi potencializado pela produção de biossurfactante em P. veronii 2E. A obtenção de mutantes deficientes na secreção de biossurfactante confirmou a influência desses compostos na motilidade celular e, consequentemente, na adesão celular. A informação da estrutura do biofilme definida nessas condições é o primeiro passo útil para o futuro projeto de biorreatores.