Freshwater shortages causes challenges in mineral processing in Chile, especially in arid regions. As a result, froth flotation; a mineral process, is shifting usage of freshwater to seawater. This has consequences in the consumption of flotation reagents and decreasing the flotation efficiency. Biotechnological developments allow conceptualising the use of bacterial cells and their metabolites as bioreagents in flotation; classified as bioflotation. In this thesis, 5 halophilic bacteria, namely, Halomonas boliviensis, Marinobacter spp., Halobacillus litoralis Hol-1, Marinococcus halophilus KOR-3 and Halomonas eurihalina P6-1 have been screened for the potential use as pyrite biodepressants at micro- and batch-scale flotation. The effect of bioconditioning minerals with these bacteria was studied using zeta potential, fluorescence microscopy and contact angle. Experiments measuring zeta potential show the isoelectric point (IEP) of pyrite, chalcopyrite and molybdenite became more acidic post-bioconditioning. Fluorescence microscopy with Nile red; a hydrophobic stain, allowed for a method to visualize bacterial cells or collector potassium isopropyl xanthate (KIPX) on mineral particles of pyrite, chalcopyrite and molybdenite. Additionally contact angle experiments show that strains Halobacillus litoralis Hol-1, Marinococcus halophilus KOR-3 and Halomonas eurihalina P6-1 had an influence on the contact angle of pyrite and chalcopyrite, inducing changes in their hydrophobicity. Microflotation experiments showed a decreased recovery of pyrite in presence of all strains, but notably, Halobacillus litoralis Hol-1 and Marinococcus halophilus KOR-3, also showed an increased recovery of chalcopyrite, making them ideal candidates as pyrite biodepressants. Halomonas eurihalina P6-1 showed low recoveries of both minerals, but a higher selectivity depressing more pyrite than chalcopyrite. Usage of autoclaved biomass from the three aforementioned strains in batch-flotation experiments resulted in the recovery of chalcopyrite improving, with a small decrease in the recovery of pyrite, overall showing a positive potential but not improving the system. Halophilic bacteria such as the ones used in this study show an influence on the floatability of pyrite, which could be commercially exploited to substitute lime as a pyrite depressant. Furthermore, the work in this thesis focused on studying the effects of cells in artificial seawater, both at micro and batch-scales which brings the laboratory experiments a step closer to industrially relevant conditions.

Untersucht wurde die Performance des Vitek MS-Systems anhand eines Keimspektrums von 1357 Isolaten im Zeitraum von Oktober 2011 bis April 2014. Das untersuchte Kollektiv bestand aus Isolaten der mikrobiologischen Routinediagnostik (n=1173), aus Stammsammlungen des Nationalen Referenzzentrum für Meningokokken und Haemophilus influenzae (n=128), sowie offizieller Stammsammlungen wie ATCC, DSMZ, LSM und anderen (n=56). Die Ergebnisse wurden entweder mit einer bereits vorhandenen Stammbezeichnung oder durch eine bzw. Kombinationen mehrerer molekularbiologischer (PCR der Teilabschnitte von Haushaltsgenen: 16S-rRNA-Untereinheit, sodA, recA) oder biochemischen Differenzierungsmethoden (Vitek 2, API-Systeme) verglichen. Mangels Referenzergebnisses wurden 25 Isolate (etwa 1,8%) aus der weiteren Betrachtung ausgeschlossen. Die verbliebenen 1332 Isolate wurden in 28 Bakterienordnungen, 109 Genera und 269 Spezies unterteilt. Auf Speziesebene konnten 1180 (etwa 88,6%) zum Vergleich herangezogen werden, da durch die Referenzmethoden nicht immer eine zuverlässige Speziesdifferenzierung gelang. Diese Referenzergebnisse wurden mit den Ergebnissen des Vitek MS-Systems verglichen. Eine Übereinstimmung zeigte sich auf Genusebene bei 86% (1157 von 1332 Isolaten) und auf Speziesebene bei 80% (944 von 1180 speziesdifferenzierten Keimen) der ausgewählten Stämme. Im Vergleich der Korrelationen der Vitek MS-Identifikationen und den Referenzergebnissen zeigte sich eine durchgehend gute Korrelation innerhalb der unterteilten Bakterienordnungen. Davon abweichend war die Speziesdifferenzierung von Keimen der Ordnung Enterobacteriales. Die beste Korrelation erreichte die Ordnung Clostridiales. Stämme ohne entsprechendes, dokumentiertes Korrelat in der Vitek MS-Datenbank (n=62) wurden ebenfalls in die Betrachtung mit eingeschlossen. Bei 31 Isolaten konnte kein Ergebnis ermittelt werden, 21 wurden massenspektrometrisch dem gleichen Genus zugeordnet, 10 Genusdifferenzierungen wichen ab. 315 Stämme wurden sowohl im Standardverfahren durch Konjugation von 1µl Ready-to-use Matrix als auch mit einem zweistufigen Säureextraktions- und Matrixkonjugationsverfahren gemessen und mit der solitären Konjugation der doppelten Matrixmenge verglichen. Die Abweichungen auf Genus- wie Speziesebene zwischen dem angewandten Standardprotokoll und den beiden anderen Verfahren waren deutlich signifikant. Im Vergleich der zweifachen Matrixmenge und dem zweistufigen Verfahren zeigte sich kein signifikanter Unterschied. Aufgrund der Ergebnisse scheint jedoch die Säureextraktion Gram-positiver Kokken in der Genusdifferenzierung von Vorteil zu sein, sie erreichte jedoch kein ausreichendes Signifikanzniveau. Die Daten sprechen eher dafür, eine Optimierung des Probe-Matrix-Verhältnisses anzustreben, zum Beispiel im Rahmen eines ausgedehnten Anwendertrainings. / Mass spectrimetric identification of bacteria by Vitek MS Routine lab System (IVD)

Thesis (doctoral)--Swedish University of Agricultural Sciences, 2001. / Includes bibliographical references.

Biological materials have ever been used by humans because of their remarkable properties. This is surprising since the materials are formed under physiological conditions and with commonplace constituents. Nature thus not only provides us with inspiration for designing new materials but also teaches us how to use soft molecules to tune interparticle and external forces to structure and assemble simple building blocks into functional entities. Magnetotactic bacteria and their chain of magnetosomes represent a striking example of such an accomplishment where a very simple living organism controls the properties of inorganics via organics at the nanometer-scale to form a single magnetic dipole that orients the cell in the Earth magnetic field lines. My group has developed a biological and a bio-inspired research based on these bacteria. My research, at the interface between chemistry, materials science, physics, and biology focuses on how biological systems synthesize, organize and use minerals. We apply the design principles to sustainably form hierarchical materials with controlled properties that can be used e.g. as magnetically directed nanodevices towards applications in sensing, actuating, and transport. In this thesis, I thus first present how magnetotactic bacteria intracellularly form magnetosomes and assemble them in chains. I developed an assay, where cells can be switched from magnetic to non-magnetic states. This enabled to study the dynamics of magnetosome and magnetosome chain formation. We found that the magnetosomes nucleate within minutes whereas chains assembles within hours. Magnetosome formation necessitates iron uptake as ferrous or ferric ions. The transport of the ions within the cell leads to the formation of a ferritin-like intermediate, which subsequently is transported and transformed within the magnetosome organelle in a ferrihydrite-like precursor. Finally, magnetite crystals nucleate and grow toward their mature dimension. In addition, I show that the magnetosome assembly displays hierarchically ordered nano- and microstructures over several levels, enabling the coordinated alignment and motility of entire populations of cells. The magnetosomes are indeed composed of structurally pure magnetite. The organelles are partly composed of proteins, which role is crucial for the properties of the magnetosomes. As an example, we showed how the protein MmsF is involved in the control of magnetosome size and morphology. We have further shown by 2D X-ray diffraction that the magnetosome particles are aligned along the same direction in the magnetosome chain. We then show how magnetic properties of the nascent magnetosome influence the alignment of the particles, and how the proteins MamJ and MamK coordinate this assembly. We propose a theoretical approach, which suggests that biological forces are more important than physical ones for the chain formation. All these studies thus show how magnetosome formation and organization are under strict biological control, which is associated with unprecedented material properties. Finally, we show that the magnetosome chain enables the cells to find their preferred oxygen conditions if the magnetic field is present. The synthetic part of this work shows how the understanding of the design principles of magnetosome formation enabled me to perform biomimetic synthesis of magnetite particles within the highly desired size range of 25 to 100 nm. Nucleation and growth of such particles are based on aggregation of iron colloids termed primary particles as imaged by cryo-high resolution TEM. I show how additives influence magnetite formation and properties. In particular, MamP, a so-called magnetochrome proteins involved in the magnetosome formation in vivo, enables the in vitro formation of magnetite nanoparticles exclusively from ferrous iron by controlling the redox state of the process. Negatively charged additives, such as MamJ, retard magnetite nucleation in vitro, probably by interacting with the iron ions. Other additives such as e.g. polyarginine can be used to control the colloidal stability of stable-single domain sized nanoparticles. Finally, I show how we can “glue” magnetic nanoparticles to form propellers that can be actuated and swim with the help of external magnetic fields. We propose a simple theory to explain the observed movement. We can use the theoretical framework to design experimental conditions to sort out the propellers depending on their size and effectively confirm this prediction experimentally. Thereby, we could image propellers with size down to 290 nm in their longer dimension, much smaller than what perform so far. / Biologische Materialien wie Knochen, Muscheln und Holz wurden von den Menschen seit den ältesten Zeiten verwendet. Diese biologisch gebildeten Materialien haben bemerkenswerte Eigenschaften. Dies ist besonders überraschend, da sie unter physiologischen Bedingungen und mit alltäglichen Bestandteilen gebildet sind. Die Natur liefert uns also nicht nur mit Inspiration für die Entwicklung neuer Materialien, sondern lehrt uns auch, wie biologische Additiven benutzen werden können, um einfache synthetische Bausteine in funktionale Einheiten zu strukturieren. Magnetotaktischen Bakterien und ihre Kette von Magnetosomen sind ein Beispiel, wo einfache Lebewesen die Eigenschaften von anorganischen Materialien steuern, um sich entlang den magnetischen Feldlinien der Erde zu orientieren. Die von den Bakterien gebildeten Magnetosomen sind von besonderem Interesse, da mit magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln in den letzten zehn Jahren einer Vielzahl von Bio-und nanotechnologischen Anwendungen entwickelt worden sind. In dieser Arbeit stelle ich eine biologische und eine bio-inspirierte Forschung auf der Grundlage der magnetotaktischen Bakterien vor. Diese Forschung verbindet die neuesten Entwicklungen von Nanotechnik in der chemischen Wissenschaft, die neuesten Fortschritte der Molekularbiologie zusammen mit modernen Messverfahren. Mein Forschungsschwerpunkt liegt somit an der Schnittstelle zwischen Chemie, Materialwissenschaften, Physik und Biologie. Ich will verstehen, wie biologische Systeme Materialien synthetisieren und organisieren, um Design-Prinzipien zu extrahieren, damit hierarchischen Materialien mit kontrollierten Eigenschaften nachhaltig gebildet werden.

Die Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie ist prinzipiell in der Lage, Mikroorganismen auf Stammesebene zu trennen und zu differenzieren. Das Projekt hat zum Inhalt, bestehende FT-IR-Datenbanken um handelsübliche probiotische Futterzusatzstoffe zu erweitern. Nach der erfolgreichen Erarbeitung einer Datenbank zur sicheren Differenzierung von ubiquitären und probiotischen B. cereus-Stämmen wurden die Datenbanken um probiotische Sporenbildner der Spezies B. subtilis und B. licheniformis sowie um probiotische Milchsäurebakterien (Enterococcus, Lactobacillus, Pediococcus) erweitert. Alle probiotischen Stämme lassen sich sicher von ubiquitär vorkommenden Mikrooganismen der gleichen Spezies trennen, zumeist gelingt auch die Differenzierung der Probiotika untereinander. Diese einfache, preiswerte, schnelle und dennoch exakte Methode stellt einen enormen Fortschritt für die Futtermittelmikrobiologie dar.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2008

Konstanz, Univ., Diplomarb., 2004.

Thesis (Doctoral)--Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, 1982.

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.