GusChem: Biofilme verstehen und bekämpfen
Biofilme und Verkeimung: Ja was wächst denn da?
Wer seinen Gegner kennt kann ihm effektiver begegnen – das gilt auch für die Mikrobiologie. Wer die Regeln hinter dem Wachstum versteht, kann leichter vorsorgen und größere Probleme verhindern.
Beschichtungsfehler kommen und gehen – manchmal sind sie schon wieder weg, bevor man die Ursache ermitteln konnte. Doch solche Fehler tauchen oft wie von Geisterhand unvermittelt wieder auf, und die Suche geht von neuem los. Nicht selten haben solche sporadischen Fehler etwas mit Verkeimung zu tun. Deshalb möchte dieser Artikel diese Problematik aus einer anderen Perspektive beleuchten und im Idealfall zum Augenöffner werden.
Vor etwa 3,8 Milliarden Jahren hat sich Leben auf der Erde entwickelt. In dieser gewaltigen Zeitspanne konnte sich die Natur in jeden Bereich ausweiten und festsetzen. Die Forschung ist bis heute mit der immensen Anzahl der Variationen überfordert. Schon seit einigen Jahren wird über eine Mikrobiombestimmung versucht Zusammenhänge und Wechselwirkungen besser zu erfassen. Über die Summe aller DNA-Informationen einer Probe versuchen die Forscher Rückschlüsse zu ziehen. Beim Human Microbiome Project (HMP) galt es alle auf dem menschlichen Körper lebenden Mikroorganismen zu bestimmen. Das Ergebnis: Das Verhältnis menschlicher Zellen zu Mikroorganismen liegt etwa bei 1:10. Wir sind also in unserem eigenen Körper in der Minderheit! Das Projekt dauerte zehn Jahre und weltweit beteiligten sich über 80 Forschungseinrichtungen. Trotzdem kamen mehr neue Fragen auf, als die Forschungsarbeiten beantworteten.
Mikroorganismen durch ständige Evolution gestählt
Generell sind Mikroorganismen an schmierigen oder seifigen Belägen an den Wannenrändern und im Leitungssystem erkennbar. Dabei handelt es sich um die extrazelluläre polymere Substanz (EPS). Eine Matrix aus Polysachariden, Proteinen, Glycoproteinen, Glycolipiden und extrazellulärer DNA.
Diese EPS unterstützt eine hohe Diversität, verbessert die Nährstoffaufnahme der einzelnen in ihr lebenden Mikroorganismen und bietet außerdem Schutz vor Umwelteinflüssen wie Desinfektionsmaßnahmen. Im Team sind offensichtlich auch Mikroorganismen stärker! Interessant in diesem Kontext ist, dass derzeit die soziale Interaktion von Mikroorganismen erforscht wird.
Schlafende Populationen nicht nachweisbar
Sterile völlig keimfreie Oberflächen sind kaum zu erreichen. Es gibt immer Mikroorganismen die sich auf den Flächen aufhalten. 99,9 Prozent der Bakterien im Biofilm von Trinkwasser sind nicht auf Standardmedien vermehrbar (Szewzyk et al., 2000). Hinzu kommt, dass zwei Drittel der Population in einem schlafenden Zustand vorhanden sind. Dieser „viable but noncultable“ Zustand (VBNC) kann dazu führen, dass schon nach kurzer Zeit nach einer Reinigung eine erneute Verkeimung erfolgt. Auf Kupferleitungen wird beispielsweise Pseudomonas aeruginosa inaktiv und kann nicht vermehrt werden – die Mikroorganismen fallen teilweise in den VBNC-Zustand (Dwidjosiswojo et al., 2010). Forschungen haben aber gezeigt, dass nach etwa 200 Tagen die Zelldichten auf Kupferleitungen genauso hoch sind wie auf Kunststoffleitungen (Lehtola et al., 2004). Studien weisen außerdem darauf hin, dass Eigenschaften von Oberflächen wie Hydrophobizität oder Rauheit, aber auch die Auslagerung mikrobiell verwertbarer Substanzen die Anheftung von Mirkoorganismen beeinflusst (Pedersen et al., 1990; Rogers et al., 1994a, b; Melo und Bott 1997; Shin et al., 2007)
Daraus kann ein erster Schluss gezogen werden: Die Eigenschaften der Oberflächen spielen eine entscheidende Rolle bei der Besiedlung. Etwa 90 Prozent der Mikroorganismen in wässrigen Systemen befinden sich auf Oberflächen oder angelagert an Schwebstoffen. Ist die Kunststoffwanne mit Verkrustungen überzogen? Haben sich auf der Oberfläche der Leitungen feine Risse und Kratzer gebildet? Sind die Dichtungen noch in Ordnung? Regelmäßiges entkalken und Beläge entfernen sowie austauschen von aufgerauten Oberflächen oder Leitungen reduziert den verfügbaren Wohnraum für Mikroorganismen. Gerade weiche Kunststoffe wie sie für Dichtungen eingesetzt werden sind günstig für die Mikroorganismen. Darauf bilden sich Biofilme die zum Teil die Weichmacher als Nahrungsquelle verwenden. Die Dichtung stellt dabei nur eine geringe Barriere für den Biofilm dar – er wächst durch diese hindurch und ist auf der anderen Seite vor Reinigungsmitteln gut geschützt. Es lohnt sich also, Dichtungen regelmäßig zu kontrollieren und mal auszutauschen – mitunter ein entscheidender Schritt hin zu stabileren Prozessen.
Beschichtungsanlagen werden häufig umgebaut und an neue Prozesse angepasst. Dabei ändern sich viele Rahmenbedingungen, von der Fließgeschwindigkeit bis zur Temperatur. Vor allem Teilbereiche, die nicht oder kaum noch durchflossen sind, wie Sackleitungen oder nun überdimensionierte Leitungen bilden regelrechte Wellness-Oasen für Mikroorganismen und Biofilme und sollten deshalb schnellstens entfernt oder angepasst werden.
Nachhaltigere Chemie freut Mikroorganismen
Noch dazu werden die Prozesse immer umweltfreundlicher. Die Umstellung von Chrom(VI) auf Chrom(III) oder sogar chromfreie Varianten verbessern die Bedingungen für Mikroorganismen enorm. Wartungs- und Reinigungszyklen, die zuvor ausreichend waren, können plötzlich unzureichend sein. Hinzu kommen höhere Anteile an organischen Zusätzen oder organische Säuren die durch die neuen Prozesse Einzug erhalten haben. Die Erfahrung zeigt, dass gerade die neuen Passivierungen Auslöser von Verkeimungen sind. Hier kann sich ein regelrechtes „Bärenfell“ bilden. Hefen und Pilze sind hier der Hauptauslöser (siehe Bild oben).
UV-Strahler haben als relativ einfache und kostengünstige Gegenmaßnahme große Beliebtheit erlangt. Allerdings wirkt der UV-Strahler nur in dem Bereich, den er mit einer Mindest-Intensität ausleuchten kann. Im Schatten der Strahler wächst dagegen der Biofilm unbeeinflusst weiter. Von einer Kreislaufführung ist in diesem Zusammenhang abzuraten, zwar tötet das UV-Licht die Keime beim Vorbeiströmen ab, deren „Leichen“ schwimmen aber weiter und im Schatten freuen sich die Mikroorganismen über einen ständigen Futterstrom. Problematisch ist außerdem die starke Korrosionsbelastung der Anlage durch den oxidativen UV-Strahler. Insbesondere wenn die Behälter nicht UV-beständig sind, kommt es zu einer Oxidation des Kunststoffs, in deren Folge die Wanne rissig wird und sich die oberste Schicht vom Kunststoff ablösen kann (siehe Bild links). Diese aufgeraute Oberfläche wiederum ist ideal für den Bewuchs mit Mikroorganismen. Sobald der UV-Strahler auch nur kurzzeitig ausfällt, führt das zu einer explosionsartigen Vermehrung der Mikroorganismen. Mikroorganismen können sich innerhalb von 20 Minuten verdoppeln – ein solches exponentielles Wachstum überrascht jeden, der das zum ersten Mal erlebt.
Grundsätzlich sollten in jeder Beschichtungsanlage Maßnahmen etabliert werden, um Biofilme in technischen Prozessen zu verhindern.
Häufig reicht schon eine Anpassung der Reinigungszyklen und die Verwendung eines passenden Reinigungsmittels. Um Verkeimung in den Griff zu bekommen, bedarf es nicht immer der großen chemischen Keule. Stattdessen kann es schon hilfreich sein, Maßnahmen zu unterlassen, die die Wachstumsbedingungen unnötig verbessern. Wer im Zusammenhang mit Mikrobiologie Unterstützung benötigt, findet in GusChem – G. & S. Philipp einen erfahrenen Ansprechpartner, der sich seit über 25 Jahren mit Problemen der Verkeimung in galvanischen Prozessen und wässrigen Systemen beschäftigt.
Alois Kinateder