User Tools

Site Tools


organic_pullution_sensors

Pigmented bacteria and Lichen as organic Pollution Sensors

Open Biolab Brussels
DIY Bio Barcelona
Universiteit Antwerpen - Lab Microbiologie
Synergetica Lab Amsterdam
Hybrid Forms Lab VU Amsterdam (Raoul Frese)
partners: VUB Brussels (chemical engineering), BioArt Society Helsinki (fieldworkshops), UPF Barcelona (complex systems lab), JRC Ispra

Onderzoeksvraag

Annemarie Maes wil in het kader van haar artistiek-wetenschappelijk onderzoek naar Intelligent Guerilla Beehives (biologische afbreekbare bijenkorven die bijen onderdak bieden en fungeren als biosensor) nagaan of de cellulosehuid (die de bijenkorf omhult)kan worden omgezet naar een voedingsbodem voor kolonies van symbiotische bacteriën die op de huid zijn uitgegroeid tot een biofilm. Wanneer een (te) hoge pollutiegraad deze bacterieën onder stress zet veranderen ze van kleur en weerspiegelen ze op die manier de mate van luchtverontreiniging.

voorstelling project SENSORIAL SKIN

AnneMarie Maes doet sinds een 10-tal jaar artistiek onderzoek naar stedelijke ecosystemen. Haar lange termijn projecten kunnen vervat worden onder de noemer ‘kunst/wetenschap’: een discipline waar de strikte aflijning tussen kunstenaars, wetenschappers en denkers overstegen wordt om op een multidimensionale wijze te reflecteren over de complexe relatie natuur/cultuur. Deze discipline belicht de relatie tussen kunst, politiek en ecologie vanuit het standpunt van de netwerk- en biotechnologie. O.a. wordt onderzocht in welke mate natuurlijke systemen resoneren met digitale systemen en hoe deze kunnen ingezet worden als aanvulling van digitale of electronische informatiebronnen.

Click to display ⇲

Click to hide ⇱

Als kunstenaar/imker bestudeert AnneMarie Maes het gedrag van micro-organismen door de bril van een entomoloog. Bijen zijn bioindicators en het is geen geheim dat het niet goed gaat met het bijenbestand. De biodiversiteit moet het afleggen tegen monoculturen, pesticides en pollutie vieren hoogtij. Het is hoogtijd om voor deze problemen alternatieve oplossingen te onderzoeken.
Een van die oplossingen is ‘The Intelligent Guerrilla Beehive’. Dit project op het snijvlak van kunst en wetenschap is een onuitputtelijke inspiratiebron voor artistiek onderzoek naar vraagstukken over ecologie, architectuur en duurzaamheid van stedelijke omgevingen. Deze radikaal nieuwe bijenkorf heeft een dubbele functie: gemaakt uit intelligente organische materialen biedt de binnenkant onderdak aan zwermende stadsbijen, de buitenkant is een biosensor die de luchtvervuiling meet in de directe omgeving.
In vorige projecten (‘The Transparent Beehive’ en ‘The Soundbeehive’) verzamelde AnneMarie Maes over lange periodes data in haar bijenkorven, met infrarode camera’s, met omgevingssensoren en met contactmicrofoons. Deze data werden i.s.m. wetenschappers van het AI Laboratorium van de VUB geanalyseerd via gesofisticeerde patroonherkenning. Vervolgens werd met computergraphics een weergave gemaakt van deze informatie. De conclusies van deze lange-termijn observaties vormden de basis voor het concept van ‘The Intelligent Guerrilla Beehive’: een overgang maken van informatietechnologie naar biotechnologie. Bij het bestuderen van de ‘Umwelt’ van de bij wordt gekeken hoe bijen en bacteriën in symbiose samenleven. De gedragingen van de betrokken organismen worden interfaces voor het visualiseren van informatie; deze levende organismes worden de monitoring-technologie.
In 2016-2017 werkte AnneMarie Maes samen met biologen van de Universiteit Pompeu Fabra (Barcelona) deze theorie uit tot een ‘Proof of Concept’ en kreeg hiervoor een Honorable Mention in de categorie ‘Hybrid Art’ op het prestigieuze festival Ars Electronica in Linz (2017). Er werd geëxperimenteerd met bacteriële biofilms in vitro, onder gecontroleerde condities, in het lab van moleculaire biologie. De bacteriën reageerden naar wens op de (geforceerde) stress-situatie: ze veranderden van kleur en reflecteren op die manier de pollutiegraad van de omgeving.
Nu, in de 2de fase, begint de zoektocht naar de juiste bacterie-stam die de taak van bio-pollutiesensor kan vervullen buiten het lab, op de reële Intelligent Guerrilla Beehive die geplaatst is in een natuurlijke setting. Hiervoor zal AnneMarie Maes, in het Open BioLab van Erasmushogeschool Brussel, samen met een moleculair bioloog en een assistent-laborant onderzoek voeren naar verschillende stammen van gepigmenteerde bacteriën.

Samenvatting: Annemarie Maes wil in het kader van haar artistiek-wetenschappelijk onderzoek naar Intelligente Guerilla Beehives (biologische afbreekbare bijenkorven die ook fungeren als biosensor) nagaan of de cellulosehuid (die de bijenkorf omhult) kan worden omgezet naar een voedingsbodem voor kolonies van symbiotische bacteriën die op de huid zijn uitgegroeid tot een biofilm. Wanneer een hoge pollutiegraad deze bacteriën onder stress zet veranderen ze van kleur en weerspiegelen ze op die manier de mate van luchtverontreiniging.

Click to display ⇲

Click to hide ⇱

beknopte achtergrond info:
Mijn onderzoek strekt zich uit over verschillende niveaus: van experimentele stadstuinbouw, over wetenschappelijk onderzoek tot levende sculpturen. Mijn experimenten leggen verbanden tussen levende, intelligente systemen (zoals bijenkolonies en biofilms) en biotechnologie, en artistieke- en technologische prototyping experimenten. Mijn werkmateriaal omvat zowel bacterieën en plantaardige materialen, als meetapparatuur zoals scanning elektronenmicroscopen (SEM), sensoren, en informatietechnologieën als big data cloudopslag, signaalverwerking en artificiële intelligentie.
De experimenten en kunstwerken die daaruit voortkomen volgen een complexe werkmethodologie waarvoor observatie uit de eerste hand (opgedaan in mijn openlucht laboratorium/tuin annex bijenstal op het dak van mijn studio), laboratorium testen en digitale monitoring gecombineerd worden. Dit artistiek onderzoek levert niet alleen fascinerende beelden en nuttige ecologische gegevens. Het is ook een politiek statement dat pleit voor de stedelijke integratie van de natuur als een sociale en levende matrix.
In een vorig traject werden data voortkomend uit digitale monitoring van bijenkorven (‘The Transparent Beehive’, ‘The Soundbeehive’ - citizen science project, 2013-2016, AM Maes) geanalyseerd via gesofisticeerde patroonherkenning in samenwerking met met onderzoekers van het Artificiële Intelligentie-laboratorium van de VUB in Brussel. Vervolgens werd met computergraphics een visuele weergave gemaakt van deze informatie. De conclusies van deze observaties vormden de basis voor het concept van ‘The Intelligent Guerrilla Beehive’: nl. een overgang maken van informatie-technologie naar biotechnologie en het vanaf nul ontwerpen van een radicaal nieuwe bijenkorf. Een bijenkorf die is afgestemd op de behoeften van de bijen in plaats van op de productie voor de de imker.


the Intelligent Guerrilla Beehive

Op en in het object IGB vinden vele (biologische) symbiotische relaties plaats. Maar vooral is het een sculptuur, een uiting van creatieve verbeelding waarmee onderzoek gevoerd wordt naar mogelijke toekomsten.

Click to display ⇲

Click to hide ⇱

The Intelligent Guerrilla Beehive’ is een fysieke sculptuur waarop bacteriële experimenten uitgetest worden in combinatie met onderzoek naar nieuwe materialen en digitale fabricagetechnieken (3D-printen, lasersnijden, CNC-frezen). De bacteriën behoren tot het primaire werkmateriaal waardoor de ‘Intelligent Guerrilla Beehive’ autonoom in wisselwerking staat met de bijen en de stedelijke omgeving. Hierdoor stelt dit intelligent apparaat, dat natuur en technologie combineert, niet alleen de interactie tussen machine en insect in vraag, maar onderzoekt het ook de mogelijkheid van biologische prestaties in hybride materialen. Namelijk: de cellulosehuid (die de bijenkorf omhult) is een voedingsbodem geworden voor kolonies van symbiotische bacteriën die op de huid zijn uitgegroeid tot een biofilm. Wanneer een (te) hoge pollutiegraad deze bacterieën onder stress zet veranderen ze van kleur en weerspiegelen ze op die manier de mate van luchtverontreiniging.

Nieuwe etappe in het onderzoek:
De bovenvermelde research werd uitgevoerd in mijn studio in Brussel, in het fablab BCN en in het biolab BCN (2016-2018) tot een ‘proof of concept’. Voor dit project ontving ik een Honorable Mention in de categorie ‘Hybrid Art’ op het prestigieuze festival Ars Electronica in Linz (2017).

In deze ‘eerste etappe’ werd er geëxperimenteerd met biofilms in vitro, onder gecontroleerde condities in het lab van de moleculaire biologie aan de Universiteit Pompeu Fabra in Barcelona. De bacterieën reageerden naar wens op de (geforceerde) stress-situatie: ze veranderen van kleur en reflecteren op die manier de pullutiegraad van de omgeving.

Maar nu begint echter de zoektocht naar de juiste bacterie-stam die de taak van bio-pollutiesensor kan vervullen buiten het lab. We zijn op zoek naar bacterieën die uitgroeien tot een biofilm en die in leven blijven omdat ze gevoed worden door de pollutie die in het ecosysteem aanwezig is.
Hiervoor wil ik, samen met specialisten (een moleculair bioloog en een assistent-laborant) onderzoek voeren naar verschillende stammen van gepigmenteerde bacterieën, in het Open Biolab van Erasmus Hogeschool Brussel.

Click to display ⇲

Click to hide ⇱

In ruil voor het gebruik van het lab en de uitrusting én voor de supervisie en overkoepelende assistentie door de labverantwoordelijke bioloog, zal ik zelf een reeks workshops uitwerken en geven in het Open Biolab o.a. het groeien van bacteriële cellulose, werken met Mycelium, natuurlijke verfstoffen maken met organisch materiaal, printen en verven met bacterieën, planten inzetten als sensoren, gebruik van algen in de kunst, … Naast mijn opleiding in de Vrije Kunsten en MaNaMa Cultuurwetenschappen, heb ik nl. ook een diploma Herboriste en Permacultuur, én ik heb een jarenlange ervaring in het geven van workshops bij de organisatie OKNO (kunst, technologie en ecologie) waarvan ik mede-oprichter en mede-artistiek directeur was. Het onderzoek naar gepigmenteerde bacterieën is een win/win situatie voor mezelf (de culturele partner) en voor de niet-culturele partner. In het Open Biolab worden gepigmenteerde bacterieën nl. ook gebruikt voor het maken van agar-art, dus diepgaander onderzoek naar de mogelijkheden van verschillende stammen komen beide partijen ten goede.

Eindresultaat & publieksbereik: tentoonstelling, publicatie
Publiek: verruiming kennisveld van de studenten, introductie tot bio-art van externe geïnteresseerden

Air Pollution

Air quality is affected by the atmosphere’s composition. The addition of pollutants created from various human activities gradually contributes to air quality deterioration. Studying surface ozone air pollution (ozone produced near the ground where people breathe) and using ozone sensitive plants, or those that show ozone-induced injury, as bioindicators will help develop an understanding of how human behavior affects air quality and foster an awareness of its environmental impact.
https://science-edu.larc.nasa.gov/ozonegarden/ozone.html

Pigmented Bacteria / outside shell

Conference non-human agents, art laboratory Berlin (2017)
http://www.artlaboratory-berlin.org/html/de-event-40.htm
Ted Talk - How Bacteria Talk:
https://www.ted.com/talks/bonnie_bassler_on_how_bacteria_communicate
Bacterial dyes in Fashion:
https://www.asm.org/index.php/general-science-blog/item/6929-bacterial-dyes-in-fashion
https://issuu.com/kukkadesign/docs/living_colour-ibook
Janthinobacterium lividum (Indigo):
https://en.wikipedia.org/wiki/Janthinobacterium_lividum
Streptomyces coelicolor (blue):
https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Streptomyces_coelicolor
Bacteria and Art:
https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Bacteria_and_Art:_Creation,_Deterioration,_and_Preservation
Living Color: Bacterial Pigments
http://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.1000510
Streptomyces coelicolor, faber futures
Streptomyces have a life cycle similar to that of fungi. The cycle starts with growth of vegetative mycelium from a spore, followed by ariel mycelium, and, then, spores.

Genetically Modified E-coli

Probiotica: Lactic Acid Bacteria / inside nest

Lactobacillus plantarum als biosensor en als ondersteunende bacterie in de microbiome van de honingbij.
Pathogen elimination by probiotic Bacillus via signalling interference

Professor Sarah Lebeer is bio-ingenieur in de cel- en gentechnologie en als moleculair bioloog verbonden aan de Universiteit Antwerpen. Ze voert onderzoek naar bacteriën en de link met ons immuunsysteem, om een databank uit te bouwen met 'goede' bacteriën die onze gezondheid kunnen verbeteren, bijvoorbeeld via probiotica.
Sarah Lebeer
Campus Groenenborger
Groenenborgerlaan 171 - G.V.521
2020 Antwerpen
Tel. 032653285
sarah.lebeer@uantwerpen.be

Research on Biofilms

A biofilm is an association of micro-organisms in which microbial cells adhere to each other on a living or non-living surfaces within a self-produced matrix of extracellular polymeric substance.
Biofilm formation is a cooperative group behaviour that involves bacterial populations living embedded in a self-produced extracellular matrix. QS is a cell–cell communication mechanism that synchronizes gene expression in response to population cell density.
In biology, quorum sensing is a system of stimuli and response correlated to population density. … Many species of bacteria use quorum sensing to coordinate gene expression according to the density of their local population.
Genes encode proteins and proteins dictate cell function. Therefore, the thousands of genes expressed in a particular cell determine what that cell can do.
biofilm
quorum sensing
gene expression
coccolithophore, shell beehive??
Sporosarcina_pasteurii, healing bacteria
Pyrocystis_fusiformis, glowing microorganisms
Vibrio fisheri, glowing bacteria
Photobacterium phosphoreum, glowing bacteria
materiability information_materials.pdf

to do

7/10/2019 - talk with Tom
- Focus on lichen to measure pollution on the outside of the hive
- contact resp. scientists at Plantentuin Meise
- focus on Lactobacillus plantarum for inside of the hive
- continue aniways the research into pigmented bacteria for outside and for dyeing

Lichen as pollutionsensor

A lichen is a composite organism that arises from algae or cyanobacteria living among filaments of multiple fungi in a symbiotic relationship. The combined lichen has properties different from those of its component organisms. Lichens come in many colors, sizes, and forms. The properties are sometimes plant-like, but lichens are not plants. Lichens may have tiny, leafless branches (fruticose), flat leaf-like structures (foliose), flakes that lie on the surface like peeling paint (crustose), a powder-like appearance (leprose), or other growth forms.

Lichens can resemble plants but they are fungi with photosynthetic partners (algae and/or cyanobacteria) and live on a variety of substrates (e.g. trees, rocks, buildings) exposed to the environment. The fungi extract food from their partners in exchange for providing them with nutrients and shelter. Can lichens survive climate change?
sensing_lichens.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Lichen
https://stateoftheworldsfungi.org/2018/reports/SOTWFungi_2018_Full_Report.pdf
lichen dyes:
http://www.umilta.net/LichenDyeingEMB.html
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/07/160721151213.htm ⇒ yeast
lichen pH paper:
http://www.madehow.com/Volume-6/Litmus-Paper.html
epifytische_korstmossen_in_brussel.pdf
Pollution monitoring with Lichens - D.H.S. Richardson (the Richmond Publishing Co.)

Grootste verschil is dat de gefotografeerde lichens in Kilpisjarvi voornamelijk op stenen groeien, daar waar de gefotografeerde lichens in Brussel epifytische soorten zijn (groeien op boomschors).
korstmossen_introductie.pdf
rapportdefbim.pdf

Pollution Monitoring with Lichens (D.H.S. Richardson, Richmond Publishing Co. 1992)
Below, Lichen on bark of Cornus mas (Brussels), Orange lichen on Rock (Kilpisjärvi), and twice green lichen on Birch bark (Kilpisjärvi).


Algae as smart material

Algae is an informal term for a large, diverse group of photosynthetic eukaryotic organisms that are not necessarily closely related. Included organisms range from unicellular microalgae genera, such as Chlorella and the diatoms, to multicellular forms, such as the giant kelp. Most are aquatic and autotrophic and lack many of the distinct cell and tissue types, such as stomata, xylem, and phloem, which are found in land plants. The largest and most complex marine algae are called seaweeds, while the most complex freshwater forms are the Charophyta, a division of green algae which includes, for example, Spirogyra and the stoneworts.

No definition of algae is generally accepted. One definition is that algae “have chlorophyll as their primary photosynthetic pigment and lack a sterile covering of cells around their reproductive cells”.
https://en.wikipedia.org/wiki/Algae
algae hydrogen kit

Bacteria as a reflecting shield, source of energy

  • artist in residence VU Amsterdam at the Hybrid Forms lab of Dr.Raoul Frese
  • the plated cells of the coccolith Emiliana huxleyi (life at the Edge of Sight)
  • … reflected light shows the exact size and location of the coccolithophore blooms and other phytoplankton blooms
  • the mitochondria that produce the energy in eurkaryotic cells were once free-living bacteria, idem dito the chloroplasts which harvest light energy in plants and algae cells were once free living photosynthetic bacteria, the cyanobacteria (Margulis)
  • research naar 'healing bacteria': biobrick (Sporosarcina pasteurii), bioconcrete (idem), sanddunes, … (book Biodesign / William Meyers)


Shallow Bacterial Shields, natural examples

on the rooftop of my studio in Brussels:

on the trees in Bergen, Norway:a symbiotic habitat of lichen and mosses

reference papers

organic_pullution_sensors.txt · Last modified: 2018/11/22 10:16 by ami