Description du projet
Découverte des mécanismes qui contrôlent la résistance hydraulique des biofilms
L’encrassement biologique a des effets néfastes sur les systèmes membranaires, nuisant à la modularité des systèmes de filtration décentralisés et bon marché tels que les membranes gravitaires. La résistance hydraulique de la couche d’encrassement biologique est principalement contrôlée par un biofilm, dans lequel les communautés microbiennes sont intégrées dans une matrice polymère extracellulaire (MPE) auto-sécrétée, une structure semblable à un gel colloïdal. Des expériences ont révélé que la résistance hydraulique du biofilm varie en fonction de la pression hydrostatique. Comprendre comment la pression hydrostatique façonne la composition de la MPE, la distribution spatiale et la production des structures du biofilm est crucial pour réduire la résistance hydraulique du biofilm. Financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet MicroBioMem développera une plateforme microfluidique intégrée dans une barrière de membrane cryogel afin de minutieusement surveiller le développement du biofilm lié à la membrane et sa résistance hydraulique sous différentes pressions hydrostatiques.
Objectif
Membrane biofouling is an inevitable factor severely effecting the permeate flux of ultrafiltration systems. This impacts the scalability of cheap, decentralised, low hydrostatic pressure methods such as Gravity driven membrane filtration (GDM). The hydraulic resistance of the biofouling layer is primarily controlled by biofilm, microbial communities embedded within a self-secreted extracellular polymeric matrix (EPS), a structure akin to a colloidal gel. Mesoscale experiments have shown biofilm hydraulic resistance to vary with hydrostatic pressure, however the microscale biophysical interactions inducing this behaviour are unclear.
Understanding how hydrostatic pressure shapes EPS composition, spatial distribution and physical development of biofilm structures is crucial to establishing hydrodynamic strategies to reduce biofilm hydraulic resistance. With this proposal I will evaluate how EPS spatiotemporal distribution and local mechanical properties influence microscale fluid transport and the emergence of internal biofilm structures, to impact bulk biofilm hydraulic resistance, under a range of GDM hydrostatic pressures.
To achieve this, I will develop a microfluidic platform embedded with a cryogel membrane barrier, enabling detailed monitoring of membrane bound biofilm development and hydraulic resistance under different hydrostatic pressures. Deploying a correlative imaging approach, I will quantify EPS regulation, composition and local mechanics using state of the art optical visualisation techniques paired with microrheological methods from soft matter physics. Evolution of fluid transport will be mapped using particle imaging velocimetry. Relationships between composition and hydraulic resistance established on the microscale will then be tested for scalability on the mesoscale. By directly quantifying biofilm biophysical evolution, this project will offer invaluable insights untangling the microscale interactions governing biofilm hydraulic resistance.
Champ scientifique
Programme(s)
Régime de financement
MSCA-IF - Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (IF)Coordinateur
8092 Zuerich
Suisse