Descrizione del progetto
Svelare i meccanismi che controllano la resistenza idraulica della biopellicola
Le bioincrostazioni hanno effetti collaterali sui sistemi a membrana, impedendo la scalabilità di sistemi di filtraggio economici e decentralizzati, quali le membrane a gravità. La resistenza idraulica dello strato di bioincrostazione è principalmente controllata da una biopellicola, in cui le comunità microbiche sono incorporate in una matrice polimerica extracellulare autosecreta, una struttura simile a un gel colloidale. Alcuni esperimenti hanno dimostrato che la resistenza idraulica della biopellicola varia in base alla pressione idrostatica. Comprendere in che modo la pressione idrostatica modella la composizione della matrice polimerica extracellulare, la distribuzione spaziale e la produzione di strutture di biopellicole è fondamentale per ridurre la resistenza idraulica della biopellicola. Il progetto MicroBioMem, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, svilupperà una piattaforma microfluidica incorporata in una barriera a membrana di criogel per monitorare accuratamente lo sviluppo della biopellicola legato alla membrana e la resistenza idraulica in presenza di diverse pressioni idrostatiche.
Obiettivo
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.
Campo scientifico
Parole chiave
Programma(i)
Argomento(i)
Meccanismo di finanziamento
MSCA-IF - Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (IF)Coordinatore
8092 Zuerich
Svizzera