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  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • Representative Results
  • Discussion
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

Este trabalho destaca a eficácia da técnica de elastografia de coerência óptica (OCE) na caracterização rápida e não destrutiva das propriedades elásticas do biofilme. Nós elucidamos procedimentos críticos de implementação de OCE para medições precisas e apresentamos os valores do módulo de Young para dois biofilmes granulares.

Abstract

Biofilmes são biomateriais complexos que compreendem uma rede bem organizada de células microbianas envoltas em substâncias poliméricas extracelulares (EPS) autoproduzidas. Este trabalho apresenta um relato detalhado da implementação de medidas de elastografia de coerência óptica (ECO) adaptadas para a caracterização elástica de biofilmes. OCE é uma técnica óptica não destrutiva que permite o mapeamento local da microestrutura, morfologia e propriedades viscoelásticas de materiais moles parcialmente transparentes com alta resolução espacial e temporal. Nós fornecemos um guia abrangente detalhando os procedimentos essenciais para a implementação correta desta técnica, juntamente com uma metodologia para estimar o módulo de elasticidade de biofilmes granulares a partir das medidas coletadas. Estes consistem na configuração do sistema, aquisição de dados e pós-processamento. Na discussão, nos aprofundamos na física subjacente dos sensores usados na OCE e exploramos as limitações fundamentais em relação às escalas espaciais e temporais das medições da OCE. Concluímos com possíveis direções futuras para o avanço da técnica OCE para facilitar as medidas elásticas de biofilmes ambientais.

Introduction

No tratamento de águas residuais e na recuperação de recursos hídricos, biofilmes benéficos em reatores de crescimento acoplados são cada vez mais empregados para permitir que micróbios convertam poluentes indesejáveis, como matéria orgânica, nitrogênio e fosfato, em formas estabilizadas que podem ser facilmente removidas da água1. Nesses sistemas, a função emergente do biofilme, ou seja, as transformações bioquímicas, está intimamente associada à diversidade de micróbios que nele residem e aos nutrientes que esses micróbios recebem2. Assim, o crescimento contínuo do biofilme pode representar um desafio para manter a fun....

Protocol

1. Configuração do sistema

  1. Reúna os componentes do sistema que incluem o sistema OCT comercial (unidade base, suporte, cabeça de imagem e computador), gerador de forma de onda, transdutor, gerador de atraso/pulso, um interruptor com conexões BNC, cabos e adaptadores BNC, postes ópticos e grampos.
  2. Conecte o sinal de sincronização do gerador de funções a um switch. Conecte a outra porta do switch ao gerador de atraso.
  3. Conecte a saída do gerador de funções aos cabo.......

Representative Results

Neste estudo, foram utilizados biofilmes granulares (também conhecidos como lodo granular), os quais foram obtidos comercialmente. Os grânulos são biofilmes esféricos que se formam por autoagregação, ou seja, não necessitam de um carreador ou superfície para crescer26. A Figura 3A mostra uma imagem representativa da OCT transversal que surge devido à variação espacial do índice de refração local em um biofilme granular. O biofilme tem u.......

Discussion

A profundidade de imagem atingível no sistema OCT é determinada pelo grau de penetração de luz da fonte de luz, que depende do comprimento de onda da fonte. Além disso, o comprimento de onda determina a resolução axial. Comprimentos de onda mais longos podem penetrar mais profundamente na amostra, mas às custas de resolução axial reduzida em comparação com comprimentos de onda mais curtos. A resolução transversal, por outro lado, é dependente tanto da abertura numérica do sistema quanto do comprimento de .......

Acknowledgements

(Rockford, IL, EUA) pelo fornecimento dos biofilmes granulares estudados neste trabalho. Os autores também agradecem o apoio da National Science Foundation via Prêmio #210047 e #193729.

....

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
3D printed sample holder
3D printed wedge tip3 mm width
BNC cablesAny brand
Delay generatorStanford Research SystemsDG535DG535 Digital delay/ Pulse Generator 
Function generatorAgilent Technologies33250A 80 MHz Function / Arbitrary Waveform Generator
Granular biofilmAqua-Aerobic SystemsObtained from an Aerobic Granular Sludge reactor (Aqua-Aerobic Systems, Inc.)
MATLABMathWorksRelease 2022a (MATLAB 9.12)
Piezoelectric transducerThorlabsPK2JUP1Discrete Piezo Stack, 75 V, 30.0 µm Displacement
SD-OCT SystemThorlabsGanymede II, LSM03 scan lens
ThorImageOCTThorlabsVersion: 5.5.5

References

  1. Mahto, K. U., Das, S. Bacterial biofilm and extracellular polymeric substances in the moving bed biofilm reactor for wastewater treatment: A review. Bioresour Technol. 345, 126476 (2022).
  2. Pholchan, M. K., Baptista, J. d. e. C., Davenport, R. J., Curtis, T. P.

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