Biofilm – Dauerhafte Quelle von Mikroorganismen und potenziellen Pathogenen

Was sind Biofilme?

Biofilme sind komplexe Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen, die sich an Oberflächen anheften und von einer Matrix extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS) umgeben sind. Diese EPS spielen eine entscheidende Rolle bei der Bildung und Stabilität sowie beim Schutz von Biofilmen. In Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen findet man in Biofilmen Listeria monocytogenes, Bacillus cereus und Bacillus mycoides, Salmonellen, Campylobacter, Pseudomonas aeruginosa, Leuconostoc und Cronobacter (Enterobacter sakazakii), die die Biofilm-Matrix bilden (organische Polymere, Polysaccharide, Proteine, DNA, Lipide usw.), sowie weitere (pathogene) Mikroorganismen, Phagen, Verderb auslösende Enzyme, Sporen, Schimmelpilze und Hefen, die in der Matrix leben. [1] Im Vergleich zu Bakterien in einem Flüssigmedium sind Biofilme dank dieser Struktur bis zu 1500 Mal widerstandsfähiger gegen biozide Substanzen. Im Vergleich zu Bakterien in einem Flüssigmedium sind Biofilme dank dieser Struktur wesentlich widerstandsfähiger gegen biozide Substanzen. Ihre komplexe Struktur sichert ihr Überleben selbst unter Extrembedingungen. [2]

Die 3 Phasen der Biofilmbildung

1. Ansiedelung/Anheftung In dieser Phase treffen einzelne Mikroorganismen auf eine Oberfläche und beginnen, sich an sie anzuheften. Diese erste Anheftung ist schwach und umkehrbar. Manche Mikroorganismen nutzen ihre Flagellen, Pili oder sonstigen Appendizes, um sich besser anheften zu können. Sobald sich eine größere Anhäufung von Mikroorganismen an der Oberfläche angesiedelt hat, werden extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) gebildet, die den Biofilm als schützende Matrix umgeben.

2. Akkumulation/Reifung Mit der weiteren Entwicklung des Biofilms wachsen und vermehren sich die darin lebenden Mikroorganismen. Die EPS-Matrix nimmt an Umfang und Komplexität zu und verleiht dem Biofilm durch ihre Struktur Stabilität. Die Mikroorganismen innerhalb der Lebensgemeinschaft Biofilm beginnen über das sogenannte Quorum Sensing miteinander zu kommunizieren – sie setzen Signalmoleküle frei, um ihr Verhalten zu koordinieren. Diese Kommunikation unterstützt die Regulation der Genexpression, wodurch innerhalb des Biofilms spezialisierte Mikroumgebungen gebildet werden. Der Biofilm erlangt in dieser Phase eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen antimikrobielle Stoffe und die Immunantwort des Wirtes.

3. DispersionDie Dispersionsphase, in der sich Mikroorganismen innerhalb des Biofilms von diesem ablösen, lässt sich grob in die aktive und die passive Dispersion unterteilen. Zu einer passiven Dispersion kommt es, wenn Teile des Biofilms durch physikalische Faktoren oder Umgebungsbedingungen einem natürlichen Abrieb ausgesetzt sind. Dispersion Die Dispersionsphase, in der sich Mikroorganismen innerhalb des Biofilms von diesem ablösen, lässt sich grob in zwei Phasen unterteilen In der aktiven Dispersionsphase durchlebt ein Teil der Mikroorganismen physiologische Veränderungen und leitet die Ablösung vom Biofilm ein. Es werden Enzyme und oberflächenaktive Stoffe gebildet, um die Ablösung einzelner Mikroorganismen oder Zellhaufen zu unterstützen. Sobald diese Mikroorganismen zerstreut sind, können sie neue Oberflächen besiedeln und die Bildung neuer Biofilme einleiten.

Die Fähigkeit des Biofilms zur Dispersion stellt für die darin lebenden Mikroorganismen eine wichtige Überlebensstrategie dar. Sie ermöglicht ihnen, neue Umgebungen zu besiedeln oder ungünstigen Bedingungen auszuweichen. Durch die unvorversehbare Freisetzung von Mikroorganismen sind Biofilme also dauerhafte Kontaminationsquellen.

Biofilme in der Lebensmittelindustrie

Die durch Biofilme verursachten wirtschaftlichen Schäden sind enorm. 47 % der Lebensmittelrückrufe stehen mit Biofilmen in Zusammenhang, 1,3 Mrd. Tonnen Lebensmittel müssen aufgrund von Kontamination entsorgt werden und der unmittelbare finanzielle Schaden (Ersatzlieferungen und entgangene Verkäufe) beläuft sich im Schnitt auf 30 Mio. Euro. In den USA kommt es jede Woche zu 30 Rückrufen, von denen 27 % auf nicht deklarierte Allergene zurückzuführen sind, 27 % auf Salmonellenbefall, 10 % auf Listerien, 10 % auf nicht deklarierte Inhaltsstoffe und 26 % auf andere Ursachen. [1, 2, 3] Biofilme stellen also ein großes Problem für die Lebensmittelindustrie dar, denn sie wirken sich unmittelbar auf die Lebensmittelsicherheit aus und bergen für die Verbraucher die Gefahr bakterieller Erkrankungen. Auch für Werksanlagen ist das Vorhandensein von Biofilmen nicht ohne Folgen: Biofilme können den Durchfluss von Flüssigkeiten in Rohrleitungen und CIP-Anlagen behindern, da sie zu rauen Oberflächen führen. Die Schleimbildung verringert die Wärmeleistung von Wärmetauschern. Darüber hinaus kann es zu Gas- und Geruchsentwicklung kommen. Biofilme korrodieren zudem metallische Oberflächen, wodurch Mikropartikel und Legierungsbestandteile freigesetzt werden können.

Biofilme im Wasserkreislauf

In den Wasserkreisläufen von Anlagen bilden sich schnell Biofilme, denn sie sind stark verzweigt und lassen sich schwer reinigen – ideale Voraussetzungen für den Biofilm, um sich an die feuchten Oberflächen des Wasserverteilsystems anzuheften. In solchen Fällen können Bakterien die Wasserqualität beeinträchtigen und zu Korrosion führen. Um die Bildung von Bakterien zu unterbinden, wird Trinkwasser behandelt und die Trinkwasserqualität überwacht. Kersia bietet Lösungen zur Entfernung bestehender Biofilme durch die Anwendung spezifischer enzymatischer Produkte.Diese Produkte hydrolisieren die Matrix, die den Biofilm schützt, zersetzen organisches Material und lösen mineralische Partikel und Polysaccharide auf.

Biofilme in der Land- und Viehwirtschaft

In landwirtschaftlichen Betrieben sind Biofilme an zahlreichen Stellen zu finden, denn sie können sich auf einer Vielzahl an Oberflächen bilden, sofern Wasser, Nährstoffe und Mikroorganismen zur Verfügung stehen. Häufig gibt es sie an folgenden Stellen:

  • Wasserkreisläufe: Biofilme bilden sich oft in Systemen zur Wasserversorgung, wie etwa in Bewässerungsrohren, -schläuchen und -tanks, in denen das Wasser langsam fließt oder steht.
  • Viehhaltungsanlagen: Biofilme können sich auf Oberflächen in von Stallungen bilden, zum Beispiel in Futtertrögen und Wassertränken oder auf Wänden – überall da, wo organisches Material als Nährstoffquelle für das Wachstum von Mikroorganismen vorhanden ist.
  • Jaucheentsorgungssysteme: Auch in Bereichen zur Jauchelagerung, beispielsweise in Gruben, Lagunen und Abflussrinnen, können sich Biofilme entwickeln, denn auch hier ist organisches Material – in diesem Fall aus tierischen Ausscheidungen – vorhanden.
  • Silos und Vorratsbehälter: In landwirtschaftlichen Lagersystemen können sich ebenfalls Biofilme auf Oberflächen ansiedeln, die in Kontakt mit gelagertem Getreide, Futtermitteln oder sonstigem organischem Material kommen.

Es ist unerlässlich, die Bildung von Biofilmen zu unterbinden, um die Tiergesundheit zu erhalten, die Produktivität der Landwirtschaftsbetriebe zu sichern und die Einschleppung (lebensmittelbedingter) Pathogene in die Nahrungskette zu vermeiden.

Fachgerechte Entfernung von Biofilm und Bekämpfung der Biofilmbildung

Entfernung bestehender Biofilme

Die Beseitigung von Biofilmen erfordert üblicherweise eine mehrdimensionale Herangehensweise, da die EPS als Schutzbarriere gegen chemische Wirkstoffe fungieren. Es gibt mehrere Strategien und Chemikalien, die eingesetzt werden können, um Biofilme aufzulösen und die EPS abzubauen.

1. Erste Stufe: Enzymatische Zersetzung Bestimmte Enzyme sind in der Lage, die EPS-Komponenten des Biofilms zu zersetzen. Diese Enzyme bauen die extrazelluläre DNA und die Polysaccharide ab und destabilisieren somit die Struktur des Biofilms.

2. Zweite Stufe: Auftrag eines Desinfektionsmittels mit Oxidationsmittel (z. B. Peressigsäure) zur Beseitigung aller Kontaminanten.

Biofilm vor der Anwendung

1 • Enzymatische Zersetzung

2 • Auftrag eines Desinfektionsmittels mit Oxidationsmittel von Kersia

Biofilm-Nachweis

Da Mikroorganismen in enormer Vielfalt in Biofilmen vorzufinden sind, gestalten sich Nachweis und Lokalisierung äußerst schwierig. Kersia bietet zum Nachweis von Biofilmen auf Oberflächen oder in geschlossenen Systemen Untersuchungen an. In geschlossenen Systemen ist der Nachweis komplexer. Hier trägt Kersia enzymatische Produkte zur Biofilm-Beseitigung auf und nimmt nach den verschiedenen Stufen Proben zur nachfolgenden mikrobiologischen Analyse. Die gewählte Analysemethode richtet sich dabei nach den Kundenanforderungen. Die Möglichkeiten erstrecken sich hierbei von der Ermittlung der Gesamtzahl der Mikroorganismen bis hin zu ihrer Bestimmung.  [1] FDA-regulated, as reported by Swiss Re [2] Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture [3] US Grocery Manufacturers report, Association survey of 36 international companies, 2011