Ultrasoundsolutions header

  • 0 biofilm
  • 0a wasserglas
  • 1 vessel
  • 2 werft
  • 3 engine
  • 4 Rumpf
  • 7 vessel propeller
  • 7a industrie rohre
  • 8 gewaechse
  • 9 pflanzreihe
  • 10 becken
  • 11 brauen
  • 12 klima
  • 13 kuehlturm
  • 14 abfuellanlage
  • 15 gewaechshaus

Infos - Biofilm

Einfach ausgedrückt, ist Biofilm eine Ansammlung von Mikroorganismen, welche Schleim absondern, entweder an einer inerten oder aktiven (lebenden) Oberfläche. Beispiele: Die Plaque auf Zähnen, der Schleim auf Steinen im Wasser oder der gelartige Belag an der Innenseite einer Vase, in der Blumen bereits längere Zeit stehen. Biofilm entsteht überall dort, wo es sogenannte Kontaktwasserflächen gibt.

Biofilm ist für mehr als 99 Prozent aller Bakterien die Lebensgrundlage. In manchen Bereichen ist er von Vorteil, z.B. in Kläranlagen zersetzen die Bakterien vorhandene Verunreinigungen und reinigen somit das Wasser. Aber auch Probleme werden durch den Biofilm erzeugt: Röhre korrodieren, Wasserfilter verstopfen, Implantate werden abgestoßen und Bakterien nisten sich ein und Trinkwasser wird verunreinigt.

In automatischen Rohrleitungssystemen ist die Wahrscheinlichkeit 99 Prozent, dass sich Biofilm an den Innenseiten der Rohre bildet. Biofilm ist z.B. auch die Grundlage für freischwebende Bakterien im Trinkwasser, wie z.B. das Pseudomonas aeruginosa, ein sekundärer Krankheitserreger, der u.a. in Zuchtbetrieben die Gesundheit der Tiere beeinträchtigen kann, wie Laborversuche ergaben. Weiter kann Biofilm in Edelstahlrohren zu Korrosion führen. Um die automatische Bewässerungssysteme unserer Kunden bakterienfrei zu halten, damit sie sicher betrieben werden können, mussten wir verstehen wie Biofilm entsteht, was er bewirkt und welche Mechanismen zur Vermeidung von Biofilm eingesetzt werden können.

Wenn der Mensch die Wirkweise von Bakterien im Biofilm vollständig verstanden hat, ist das ein wesentlicher Schritt, gerüstet in die Zukunft zu gehen. Derzeit wird die höchste mikrobiologische Wasserqualität dadurch erreicht, dass die Wasserversorgungssysteme von Zeit zu Zeit mit chlorierter Umkehrosmose gespült werden, um somit die Desinfektion dieser Systeme zu gewährleisten. Was aber, wenn die Verwendung von Chlor im Trinkwasser bei Tieren verboten wird?

Über Biofilm als Nährboden für Bakterien kann man nur staunen. Wir jedoch sind in der Lage, mit unserer Technologie, den Biofilm zu verhindern.

Entwicklungsschritte des Biofilms
In dem Moment, wo ein Behältnis (Rohrleitung, Wassertank u.a.) mit Wasser oder einer organischen Flüssigkeit befüllt wird, bildet sich Biofilm.

Schritt 1
Oberflächenkonditionierung
Die ersten Substanzen, die sich mit der Oberfläche ablagern, sind nicht Bakterien, sondern Spurenstoffe. Unmittelbar nach dem Kontakt mit z.B. Wasser bildet sich auf der sauberen Rohrinnenwand eine organische Schicht, die sog. Wasser-Feststoff-Schnittstelle (Mittelman 1985). Solche organischen Schichten bilden eine „Ablageschicht“ die ausgedehnte Ladung der Oberfläche neutralisiert und damit ladungsfreie Oberflächen schafft. Dadurch wird die Strömung erhöht und das Ablagern einer Bakterien Zelle verhindert. Darüber hinaus dienen die adsorbierten organischen Moleküle oft als Nährstoffquelle für Bakterien.

Biofilm01

Abbildung 1

Die Adsorption von organischen Molekülen auf einer sauberen Oberfläche bildet einen Ablagefilm.

(Characklis 1990)

Schritt 2
Die Haftung sogenannter „Pionier“-Bakterien
Durch das in einem Rohr fließende Wasser, nähern sich einige der planktonischen (freischwebenden) Bakterien, die entlang der Rohrwand und innerhalb der Grenzschicht mitgerissen werden und in die Ruhezone an der Rohrwand gespült werden. Bis zur sog. Grenzschicht findet keine Anhaftung statt, jedoch bildet sich gleichzeitigt an der Rohrwand direkt eine „Ruhezone“, wo die Strömungsgeschwindigkeit auf null sinkt. Etliche dieser Zellen adsorbieren dort an der Oberfläche bis sie dann wieder desorbieren. Dieser Vorgang wird auch reversible Adsorption genannt. Die anfängliche Bindung beruht auf elektrostatischer Anziehung und physikalischer Kräfte. Einige der reversibel adsorbierten Zellen beginnen mit der Bildung von Strukturen als Vorbereitungen für den längeren Aufenthalt, damit permanent die Zelle an dieser Oberfläche haften kann. Diese Zellen werden irreversibel adsorbiert.

Biofilm02

Abbildung 2

Transport von Bakterienzellen auf die konditionierte Oberfläche, Adsorption, Desorption und irreversible Adsorption.

(Characklis 1990)

Schritt 3
Glykokalyx oder Schleimbildung
Die Bakterien auf dem Biofilm scheiden extrazelluläre polymere Substanzen bzw. klebrige Polymere aus, die den Biofilm wie zementiert an der Rohrwand halten. Zusätzlich haben Stränge dieser Polymere kaum Nährstoffe und schützen Bakterien vor Bioziden. Nach Mittelman (1985). "Die Anhaftung erfolgt durch extrazelluläre Polymere, die sich nach außen von der bakteriellen Zellwand erstrecken (ähnlich wie die Struktur eines Spinnennetzes). Dieses polymere Material, auch Glykokalyx genannt, besteht aus geladenen und neutralen Polysaccharide Gruppen, die nicht nur das Anhaften des Biofilms erleichtern, sondern auch als eine Art Ionenaustauschsystem zum Einfangen und Konzentrieren von Spurennährstoffen aus dem darüber liegenden Wasser wirken. Das Glykokalyx wirkt auch als Schutzschicht für die anhaftenden Zellen, die die Auswirkungen von Bioziden und andere giftige Substanzen mildert. "

Biofilm03

Abbildung 3

Wilde Bakterien sind "haarige" Zellen mit extrazellulären Polymeren, die an Oberflächen haften.

(Mittelman 1985)

Durch das Ansammeln dieser Nährstoffe werden die Pionier-Zellen vermehrt. Die Tochterzellen bilden dann ebenfalls ihre eigene Glykokalyx und erhöht damit stark das Volumen der Ionenaustauschfläche. Ergebnis ist sind blühende Kolonien von Bakterien. (Mayette 1992)

Biofilm04

Abbildung 4.

Biofilm besteht aus Mikroben und einem „Spinnennetz“ von extrazellulären Polymeren.

Das Volumen eines reifen Biofilms setzt sich zu 75-95% aus der lose organisierten Glykokalyx-Matrix und zu 5-25% durch bakterielle Zellen.

(Geesey 1994)

Da die Glykokalyx-Matrix viel Wasser enthält ist die bedeckende Oberfläche des Biofilms gallertartig und rutschig.

Schritt 4
Sekundäre Kolonisatoren
Ebenso wie nährstoffreiche Moleküle aufgenommen werden, fängt das Glykokalyx Netzwerk auch andere Arten von mikrobiellen Zellen durch körperliche Zurückhaltung und elektrostatische Wechselwirkung. Diese sekundären Kolonisatoren wandeln Abfälle aus den primären Kolonisatoren und produzieren ihre eigenen Abfälle, die wiederum andere Zellen dann verwenden. So auch Borenstein (1994): „Diese - anderen - Bakterien und Pilze verbinden sich mit der Oberfläche als Vorreiter, die Besiedelung durch die Pionierarten ist dann eine Frage von Tagen.

Schritt 5
Voll entwickelter Biofilm - ein kooperatives Konsortium von Spezies.
Der reife, voll funktionsfähige Biofilm ist wie ein lebendiges Gewebe an der Rohrinnenwand. Es ist ein Komplex, eine metabolisch kooperative Gemeinschaft verschiedener Arten. Jedes Leben in einer maßgeschneiderten Micro-Nische aus Biofilm, ist auch als primitives Kreislaufsystem anzusehen. Der reife Biofilm sind in dem Artikel „Slime City“ einfallsreich beschrieben:

"Verschiedene Arten leben Seite an Seite in „Slime City“; sie helfen einander die Nahrungsmittelversorgung zu sichern und Antibiotika durch nachbarschaftliche Wechselwirkungen zu widerstehen. Giftige Abfälle, die von der einen Spezies produziert werden, werden heißhungrig von der anderen aufgefressen und somit durch ihre gebündelten biochemischen Ressourcen bauen sie eine „Slime City“. Verschiedene andere Bakterien, die ihrerseits jeweils mit den unterschiedlichsten Enzymen bewaffnet sind, verwerten so das vorhandene Nahrungsangebot, wozu die einzige Spezies allein nicht in der Lage ist.“ „Der Biofilm ist in seiner Struktur daher durchzogen von einem Netz von Kanälen, durch die Wasser, Bakterienmüll, Nährstoffe, Enzyme, Metaboliten, Sauerstoff und Anderes sich auf die Reise begeben. Verschiedene Chemikalien und Ionen stellen in Mikrozonen die Kraft bereit, die den Biofilm versorgen. " (Coghlan 1996)

Wie Biofilm wächst und sich ausbreitet.
Der Biofilm wächst durch gewöhnliche Zellteilung. Das Tempo des Wachstums ergibt sich aus den, in regelmäßigen Abständen neugebildeten „Pionierzellen“, wodurch Rohrleitungsabschnitte kolonisiert werden. Da der Biofilm in seiner Dicke wächst, verringert sich die Grenzschicht (Zone größerer Geschwindigkeit und turbulenter Strömung), wobei einige Zellen wieder abgestoßen werden andere in der Ruhezone sich vermehren können. So auch Mayette (1992): "Diese Pionierzellen können es deshalb etwas ruhiger angehen lassen als ihre „Upstream-Vorgänger“, da der Basis-Biofilm sie als „Abfälle“ an die Strömung wieder abgeben wird, um entweder als die anfängliche organische Beschichtung für nicht kolonisierte Rohrabschnitte stromabwärts dienen zu können oder als Nährstoffe für andere Zelltypen.

Biofilm05

Abbildung 5

Bakterien und andere Mikroorganismen entwickeln kooperative Kolonien oder „Konsortien“ innerhalb des Biofilms.

Ein anaerober Biofilm kann unter sich aerober Schicht entwickeln.

Die Dicke des Biofilms wird dadurch bestimmt, wieviel Wasser fließt und die Zellen dadurch den Turbulenzen der Strömung ausgesetzt sind.

(Borenstein 1994)

Wie schnell entwickelt sich der Biofilm?
Nach Mittelman (1985) kann die Entwicklung eines reifen Biofilms von mehreren Stunden bis zu mehreren Wochen dauern, je nachdem welches System eingesetzt wird. Pseudomonas aeruginosa ist ein weitverbreitetes „Pionier“-Bakterium und wird häufig in der Biofilm-Forschung verwendet. In einem Experiment (Vanhaecke 1990) fanden die Forscher heraus, dass Pseudomonas aeruginosa-Zellen innerhalb von 30 Sekunden nach Exposition an Edelstahl haften, auch auf die Oberfläche elektropoliert ist.