Czym jest biofilm bakteryjny?
Biofilm jest tworzony przez bakterie, a także inne mikroorganizmy na granicy powierzchni stałych z płynami, np. z wodą. Jest to trójwymiarowa struktura składająca się z wielu warstw mikroorganizmów, połączonych hydrożelową substancją.
Biofilm to również jeden z rodzajów bytowania bakterii, obok życia w postaci planktonu. Bakterie występujące w stanie planktonu nie są ze sobą połączone i żyją odrębnie. Mają one dostęp do substancji odżywczych całą swoją powierzchnią, lecz jednocześnie są podatne na niekorzystne czynniki środowiskowe.
Bakterie w postaci biofilmu są natomiast mniej podatne na niekorzystne czynniki zewnętrzne, takie jak wysoka temperatura czy oddziaływanie środków chemicznych. Struktura biofilmu jest zatem znacznie bardziej sprzyjająca do rozwoju bakterii niż plankton.
Co tworzy biofilm?
Oprócz bakterii, w biofilmie można znaleźć również inne mikroorganizmy grzybów. Są to między innymi grzyby i pierwotniaki (takie jak ameby). W skład biofilmu mogą wchodzić zarówno bakterie jednego gatunku, jak i wielu gatunków jednocześnie.
Pomiędzy poszczególnymi komórkami błony bakteryjnej znajduje się łącząca całość struktura hydrożelowa. W jej skład wchodzą:
polisacharydy,
białka,
kwasy nukleinowe,
substancje powierzchniowo-czynne,
- fosfolipidy,
- woda.
Taka struktura jest nazywana glikokaliksem. Poza wymienionymi mikroorganizmami, w biofilmie można znaleźć także pojedyncze komórki martwe oraz substancje mineralne.
Schematyczny rysunek biofilmu bakteryjnego wielogatunkowego: 1 – komórka bakteryjna w formie planktonu, 2 – komórka bakteryjna tworząca biofilm, 3 – glikokaliks, 4 – komórka ameby, 5 – powierzchnia, do której przylega biofilm.
Jakie funkcje pełni biofilm?
Komórki bakteryjne przybierające formę błony biologicznej, w zależności od swojego położenia, mogą pełnić różne role. Występowanie komórek o różnych specjalizacjach pozwala na efektywne funkcjonowanie całej kolonii, podczas gdy biofilm zachowuje się wtedy jak prosty organizm wielokomórkowy.
Interesującą cechą biofilmu bakteryjnego jest posiadanie ujemnego ładunku przez niedobór kationów w glikokaliksie. Dzięki temu biofilm przytwierdzony do powierzchni stałej jest w stanie przyciągać do siebie zawieszone w wodzie substancje odżywcze, które stanowią pożywienie dla bakterii.
Sprawia to, że bakterie będące częścią błony biologicznej (szczególnie w głębszych warstwach biofilmu) posiadają zwiększoną odporność na działanie tradycyjnych metod dezynfekcji, takich jak związki chloru. Brak skuteczności wynika z faktu, że substancje te również posiadają ujemny ładunek, przez co odpychają cząsteczki substancji utleniającej.
Odporność na dezynfekcję sprawia, że na popularności zyskuje bardziej skuteczna metoda usuwania biofilmu oparta na dozowaniu do wody (dodatnich) jonów metali, takich jak jony srebra i miedzi. Jony metali są przyciągane do struktury bakterii, a następnie doprowadzają do obumierania komórek, które tworzą biofilm.
Biofilm pełni również funkcję ochronną. Przez to, że większa część bakterii nie ma bezpośredniego kontaktu z otoczeniem, posiadają ochronę przed wysoką temperaturą, drapieżnikami (np. niektórymi gatunkami pierwotniaków) oraz substancjami chemicznymi.
Kolejną istotną cechą biofilmu jest zdolność do komunikacji pomiędzy mikroorganizmami, które stanowią jego integralną część. Informacje, np. o niekorzystnych warunkach zewnętrznych, są przekazywane znajdującym się w głębi biofilmu bakteriom poprzez proces wydzielania odpowiednich białek. To właśnie dlatego mówi się, że biofilm posiada właściwości prymitywnego organizmu wielokomórkowego.
Występowanie biofilmu
Biofilm można zwykle spotkać tam, gdzie dochodzi do styku cieczy oraz powierzchni stałej. W środowisku naturalnym występuje w miejscach, gdzie panują warunki sprzyjające rozwojowi bakterii. Są to m.in. naturalne powierzchnie kamieni i gruntu oraz naturalne zbiorniki wodne. Bakterie tworzące biofilm występują także w organizmie człowieka, m.in. w jamie ustnej, na powierzchni zębów.
Miejscami, w którym powszechnie powstaje biofilm, są również sztuczne zbiorniki wodne. Bakterie znajdujące się w biofilmie stanowią poważny problem przede wszystkim w systemach wodociągowych na wewnętrznych powierzchniach przewodów, którymi przepływa woda. Jest to środowisko, w którym bardzo często rozwijają się przenoszone przez wodę, niebezpieczne dla człowieka bakterie Legionella.
Zdarza się jednak, że biofilm może być także sprzymierzeńcem człowieka. Biofilm jest czasami wykorzystywany w niektórych typach reaktorów biologicznych, które służą do oczyszczania wnętrza ścieków.
Zdjęcie przedstawiające biofilm wewnątrz przewodu wodociągowego.
Biofilm w systemach wodociągowych
Obecność biofilmu w przewodach instalacji wodnych stanowi poważny problem i stwarza ryzyko dla zdrowia użytkowników wody. Osady organiczne mogą występować zarówno w zewnętrznych sieciach wodociągowych (poprzez doprowadzenie wody ze stacji uzdatniania wody do budynków), jak i w wewnętrznych systemach wodociągowych. Dotyczy to:
instalacji wody zimnej,
ciepłej wody użytkowej,
instalacji centralnego ogrzewania,
instalacji przeciwpożarowej.
Szczególnie niebezpieczny dla użytkowników jest biofilm w instalacjach wewnątrz budynków. Często rozwijają się w nim Legionella, które powoduje choroby układu górnych dróg oddechowych. Legionella atakuje płuca człowieka, gdy przedostanie się do nich wraz z aerozolem skażonej wody, np. podczas korzystania z prysznica.
Biofilm z bakteriami Legionella rozwija się głównie w instalacjach ciepłej wody. Może być również spotykany w instalacjach wody zimnej, gdy powstaną sprzyjające warunki jak temperatura czy miejscowe zastoiny wody.
Jak zapobiegać rozwojowi biofilmu w instalacjach wodnych?
Żeby zapobiegać rozwojowi biofilmu w instalacjach w budynkach bardzo ważne jest przestrzeganie dobrych praktyk związanych z użytkowaniem wody. Należy regularnie płukać punkty poboru, które nie są używane.
Co więcej, temperatura wody nigdy nie powinna znajdować się w zakresie od 20 do 50°C. Powinna być niższa dla wody zimnej i wyższa dla wody ciepłej.
Jeżeli w instalacji występują zastoiny i temperatura wody jest nieodpowiednia, biofilm z bakteriami Legionella potrafi się rozwinąć zalewie w ciągu kilku tygodni. Po tym okresie bardzo trudno jest go usunąć, dlatego ważne jest, by nie doprowadzić do jego powstania.
Korozja przewodów wodociągowych wywołana powstaniem biofilmu
Niewiele osób zdaje sobie sprawę z tego, że obecność biofilmu bakteryjnego może powodować korozję przewodów, na których się rozwija. Jest to spowodowane m.in. wykorzystaniem beztlenowych metod oddychania niektórych organizmów znajdujących się w biofilmie. Są to głównie bakterie żelazowe i siarkowe.
Sam fakt, że biofilm posiada ujemny ładunek, również wzmaga procesy korozyjne. Korozja wywołana obecnością biofilmu jest obserwowana głównie w przewodach metalowych (np. ze stali ocynkowanej). Może wystąpić także w przewodach z tworzyw sztucznych.
Korozja biologiczna przewodów jest przyczyną niszczenia się instalacji, jednak można zaobserwować dodatkowy negatywny efekt. W wyniku korozji niekontrolowanie zwiększa się stężenie metali rozpuszczonych w wodzie, co stwarza bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia osób pijących wodę.
Jak usunąć biofilm?
Biofilm bakteryjny charakteryzuje się bardzo wysoką odpornością na działanie negatywnych czynników zewnętrznych, takich jak wysoka temperatura lub działanie środków chemicznych.
Usunięcie biofilmu z wewnętrznych systemów wodociągowych jest niezwykle trudne. Istnieją jednak metody, które przynoszą zarówno krótkotrwałe, jak i długotrwałe pozytywne rezultaty.
Wysoka odporność biofilmu sprawia, że większość metod dezynfekcji instalacji wodnych jest nieskuteczna.
Dezynfekcja termiczna wody – tzw. przegrzew
Jest to bardzo powszechnie stosowana metoda, używana głównie w celu eliminacji bakterii Legionella w ciepłej wodzie użytkowej. Polega na podniesieniu temperatury wody powyżej 63°C i dokładne przepłukanie (przez ok. 2 minuty) każdego punktu poboru wody w sieci.
Takie działanie skutecznie zabija bakterie Legionella, jednak nie gwarantuje usunięcia całego biofilmu z przewodów. Sprawia to, że dezynfekcja termiczna wody zalicza się do metod krótkotrwałych, które pozwalają na zmniejszenie ryzyka w krótszym czasie niż całkowite zwalczenie problemu biofilmu.
Szokowa dezynfekcja chemiczna
Kolejną metodą usuwania zanieczyszczeń z wody jest szokowa dezynfekcja chemiczna. Polega na dozowaniu do wody wysokich stężeń substancji chemicznych, które usuwają osady wewnątrz instalacji wodnej. W tym procesie stosuje się substancje takie jak:
dwutlenek chloru,
podchloryn sodu,
nadtlenek wodoru,
kwas nadoctowy.
Środki chemiczne dozuje się na początku instalacji, a następnie płucze się poszczególne punkty poboru, aby substancje dotarły do wszystkich części instalacji. Następnie pozostawia się instalacje na ok. 2 godziny, żeby dozowane środki zareagowały z biofilmem.
Po tym czasie dokładnie płucze się całą instalację aż do całkowitego usunięcia środków chemicznych z sieci wodociągowej. W trakcie przeprowadzania dezynfekcji chemicznej użytkownicy nie powinni mieć dostępu do punktów czerpalnych.
Stała dezynfekcja ciepłej wody użytkowej
Alternatywną metodą usuwania biofilmu z instalacji jest zastosowanie technologii zabezpieczającej wodę, która w sposób ciągły dozuje do wody niewielkie dawki środków chemicznych. Muszą to być stężenia, które nie stanowią zagrożenia dla zdrowia użytkowników, ale jednocześnie skutecznie usuwają biofilm i zapobiegają jego rozwojowi.
Takie urządzenia montuje się na początku systemu wodociągowego, aby uzdatniona woda trafiała do wszystkich jego elementów. Czas usuwania biofilmu w przypadku tego rozwiązania jest długi. Proces ten potrafi trwać nawet kilka miesięcy, a zależy to m.in. od intensywności płukań instalacji w tym okresie.
W dezynfekcji stałej wykorzystuje się zazwyczaj substancje takie jak dwutlenek chloru czy jony srebra i miedzi. Obie metody mają udowodnioną skuteczność w usuwaniu osadów organicznych.
Nie wiesz, co wybrać?
Sprawdzimy czego potrzebujesz i wybierzemy rozwiązanie, które pomoże Ci pozbyć się problemu związanego z Legionellą!
Źródła:
Życie w Społeczności – Warunki Powstawania Biofilmu – Tomasz Cłapa, Marek Selwet, Dorota Narożna (2016)
Skutki obecności biofilmu w systemach dystrybucji wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi – Maria Świderska-Bróż (2012)
Cellular microbiology and molecular ecology of Legionella – amoeba interaction – Ashley M. Richards, Juanita E. Von Dwingelo, Christopher T. Price, Yousef Abu Kwaik (2013)
Autorzy:
Sprawdzona metoda usuwania Legionelli
Szukasz rozwiązania, które zabezpieczy Twoją instalację przed bakteriami? Poznaj urządzenie, które gwarantuje najwyższą jakość wody w szpitalach, hotelach i innych placówkach na terenie całej Polski.
