Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4365
Main Title: Bewegungsanalyse von Bacillus amyloliquefaciens durch Online-Mikroskopie mit automatisierter Wegverfolgung
Translated Title: Motion analysis of Bacillus amyloliquefaciens by online microscopy with automated movement tracking
Author(s): Ziegler, Andreas
Advisor(s): Stahl, Ulf
Rädle, Matthias
Referee(s): Stahl, Ulf
Rädle, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiges, automatisiertes Messsystem zur Bestimmung der Durchschnittsgeschwindigkeit von sich aktiv bewegenden Mikroorganismen entwickelt. Die Probenentnahme, -vorbereitung und Messung sowie die Auswertung können vollautomatisch erfolgen. Als Beispielorganismus wird Bacillus amyloliquefaciens FZB42 in zwei verschiedenen Medien untersucht. Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Bakterien wird in Intervallen von 15 bis 30 min während mehrerer Beispielfermentationen bestimmt. Das Messsystem arbeitet mit Hilfe einer eigens entwickelten Mikroskop-Durchflussküvette mit flexibler Schichtdicke. Dadurch ist es möglich, einen extrem geringen Fluidfilm von etwa 5 µm während der Bildaufnahme zu realisieren, um alle Mikroorganismen im Tiefenschärfebereich zu halten und eine Seitenansicht der einzelnen Bakterien zu garantieren. Da bei sehr engen Kanälen, wie hier der Fall, die Scherkräfte bei Durchströmung sehr hoch sind, muss die Schichtdicke während der Probenentnahme erheblich erweiterbar sein. Die auftretenden Kräfte bei Durchspülung der Küvette wurden berechnet und über Vergleich sichergestellt, dass die Geißeln nicht abreißen und das Bakterium dadurch geschädigt wird. Die mikroskopischen Aufnahmen werden anschließend in den programmierten Bildverarbeitungsalgorithmen automatisch ausgewertet. Neben der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Bakterien kann auch die Anzahl der beweglichen Bakterien pro Bildserie bestimmt werden. Ein Monitoring von Durchschnittsgeschwindigkeit und Anzahl der beweglichen Bakterien pro Bild wird neben den gängigen Parametern pO2, pH-Wert, Temperatur und optische Dichte an den Beispielfermentationen durchgeführt. Weiterhin ist es mit dem Messsystem möglich, weitere mikroskopische Untersuchungen durchzuführen. Als Beispiel hierfür werden die typischen Bewegungsmuster von Bacillus amyloliquefaciens FZB42 in zwei verschiedenen Medien halbautomatisch ausgewertet. Erstmals liefert das neue Verfahren damit die Möglichkeit, die über die Geschwindigkeit korrelierte Aktivitäten von Bakterien zu monitoren und wertvolle Hinweise für einen optimal zu betreibenden Fermentationsprozess zu liefern.
In this work a novel, automated system to determine the average speed and motion characteristics of motile microorganisms was developed. The system is construct for standard fermentation vessels. The sampling, sample preparation, measurement and the evaluation can be carried out fully automatically. As an example, Bacillus amyloliquefaciens FZB42 is examined in two different media. The average speed of the bacteria was determined at intervals of 15 to 30 minutes in several example fermentations. The measuring system operates with a microscope flow-through cuvette with automatically adjustable layer thickness. This allowed an extremely thin fluid film of about 5 microns during image acquisition to keep all microorganisms in the depth of field and to guarantee a side view of the individual bacteria. The very narrow channels in the cuvette at 5 microns would lead to heavy shear forces. To prevent damage of the cells during sampling by shear force the layer thickness must be significantly expanded during sampling. The forces that occur while flushing of the cuvette were calculated and experimentally ensured, that the flagella not tear and the bacteria are not harmed thereby. The images were then automatically evaluated by programmed image processing algorithms. In addition to the average speed of the bacteria also the number of motile bacteria was determined. Monitoring of average speed and number of motile bacteria per image were measured and correlated to the standard fermentation control parameters pH, pO2, temperature and optical density. Furthermore, the system allows to carry out further microscopic examinations. As an example, the typical movement patterns of Bacillus amyloliquefaciens FZB42 are evaluated semi-automatically in two different media. In conclusion the new procedure provides the possibility to monitor the average speed of bacteria. The correlated activity of bacteria provides valuable information for an optimal control of fermentation process.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-63632
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4662
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4365
Exam Date: 12-Feb-2015
Issue Date: 26-May-2015
Date Available: 26-May-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Bewegung von Bakterien
Bildanalyse
Durchflusszelle
Online-Mikroskopie
Wegverfolgung
Bacterial motility
Flow cell
Image analysis
Movement tracking
Oline microscopy
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