26.04.23

Entstehung und Risiken von Biofilm

Biofilme sind im organischen Leben allgegenwärtig. Sie können einige Risiken, wie Infektionen im Spitalumfeld und beim Verzehr von kontaminierten Lebensmitteln, mit sich bringen. Nur durch Veränderungen der physikalischen Bedingungen und des Nährstoffangebotes lassen sich Biofilme verringern.

Zusammenfassung

Ein Biofilm ist definiert als eine strukturierte mikrobielle Gemeinschaft von mehrheitlich Bakterien und/oder höheren Mikroorganismen, die in einer selbst produzierten extrazellulären Polysaccharid Matrix (EPS = ExoPolySaccharide Matrix) eingeschlossen sind und sich an einer biotischen (lebendigen) oder abiotischen (nicht-lebendigen) Oberfläche anhaften. Darauf können sich wiederum planktonische Mikroorganismen (z.B in Lösungen befindliche Bakterien und/oder Pilze) absetzen und den sessilen Biofilm erweitern. Abhängig vom spezifischen Umfeld sind Biofilme heterogene Gemische biologischer und nicht-biologischer Bestandteile.

Chemische Gradienten, die im gesamten Biofilm erzeugt werden, ermöglichen es Bakterien in einer Vielzahl von physiologischen Zuständen zu existieren, wodurch eine verbesserte Anpassungsfähigkeit an die sich verändernde Umgebung erzielt wird. Biofilme können aus mehreren Spezies bestehen, bilden meist eine spezialisierte Gemeinschaft, die miteinander interagiert und kommuniziert.

Im Biofilm werden Mikroorganismen durch das EPS vor nachteiligen Umweltfaktoren, Desinfektionsmittel und auch vor Immunreaktionen geschützt. Im Vergleich zu planktonischen Zellen sind sessile Zellen oft viel resistenter gegen antimikrobielle Wirkstoffe und diese erhöhte Widerstandskraft hat einen erheblichen Einfluss auf die Behandlung von biofilmbedingten industriellen Anwendungen oder Infektionen im Spitalumfeld. Die Biofilmbildung wird oft als der Grund angesehen, weshalb die Behandlung mit einem antimikrobiellen Wirkstoff (Biozid und Antibiotika) fehlschlägt. Schätzungsweise 65-80% aller Infektionen im Gesundheitswesen werden als biofilmbedingt angesehen und dies stellt eine ernsthafte medizinische Herausforderung dar.

Es gilt als gesichert, dass mehrere Mechanismen an antimikrobiellen Resistenzeigenschaften des Biofilmes beteiligt sind, darunter ein verlangsamtes Eindringen und Neutralisieren des antimikrobiellen Wirkstoffs im Biofilm. Des Weiteren die Veränderungen der chemisch-mikrobiologischen Umgebung innerhalb des Biofilms, welche zu Zonen mit langsamem oder ohne Wachstum führen. Eine adaptive Stressreaktion und das Vorhandensein kleiner Population äusserst resistenter Zellen (Persisterzellen) sind ein entscheidender selektiver Vorteil von mikrobiologischer Biofilmgemeinschaften gegenüber planktonischen Mikroorganismen.

Was ist ein Biofilm?

Die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) definiert einen Biofilm folgendermassen: Ein Biofilm ist ein Aggregat von Mikroorganismen, in dem Zellen, die häufig in eine selbst produzierte Matrix extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS) eingebettet sind, welche wiederum aneinander und/oder an einer Oberfläche haften. Ein Biofilm ist ein biologisches Ökosystem, welches von seinen Bewohnern intern an Umweltbedingungen angepasst werden kann. Die von Bakterien selbst hergestellte Matrix extrazellulärer polymerer Substanzen, die auch als Schleim bezeichnet wird, ist ein polymeres Konglomerat aus Zuckermolekülen, Nukleinsäuren, Enzymen und anderem mehr, das im Allgemeinen aus extrazellulären Biopolymeren mit unterschiedlichster Zusammensetzung besteht.

Wo findet man Biofilme?

Biofilme sind im organischen Leben allgegenwärtig. Fast jede Art von Mikroorganismen hat Mechanismen, durch die sie an Oberflächen und aneinander anhaften können. Biofilme bilden sich auf praktisch jeder nicht abstoßenden Oberfläche in nicht sterilen wässrigen oder feuchten Umgebungen. Biofilme können in extremen Umgebungen wachsen: Dies zum Beispiel in sehr salzigem Wasser heißer Quellen, in sehr saurer bis zu sehr alkalischer Umgebung, aber auch bis hin zu gefrorenem Wasser in und auf Gletschern. Biofilme können auf Felsen und auf Kieselsteinen am Boden der meisten Bäche oder Flüsse gefunden werden und bilden sich oft auf den Oberflächen stehender Wasserbecken. Biofilme sind wichtige Bestandteile von Nahrungsketten in Flüssen und Bächen und werden von den wirbellosen Wassertieren beweidet, von welchen sich wiederum Fische ernähren. Biofilme befinden sich auch auf der Oberfläche und im Inneren von Pflanzen.

Generell finden sich Biofilme auf natürlichen wie auch künstlichen Oberflächen wie auch auf und in Lebewesen und können fast jede ökologische Nische erfolgreich erobern. Hier einige markante Beispiele von Biofilmen mit praktischem Bezug oder aus dem täglichen Leben:

• Biofilmlebensräume in freier Natur: Gut sichtbare Biofilme gibt es in Bächen und Flüssen, in heissen Quellen in Nationalpärken (Yellowstone Nationalpark) und stehenden Gewässern als schwimmende, meist farbige, Matten; dies auch in Symbiose mit höheren Wasserbewohnern wie Algen.
• Grosstechnische künstliche Anlagen und Oberflächen: In Sickerfiltern in Kläranlagen und in Sandfiltern zur Wasserreinigung von Rohwasser zur Herstellung eines Trinkwasserproduktes.
• Zu Hause: In feuchter und warmer Umgebung können Biofilme sehr leicht in Duschen wachsen, da diese eine feuchte und warme Umgebung bieten, in der sie bestens gedeihen können.
• In der Kanalisation: In Wasser- und Abwasserrohren können Biofilme Verstopfungen, Korrosion und Geruchsprobleme verursachen.
• In der Küche: Auf Böden und Theken können sie die Hygiene in Bereichen der Lebensmittelzubereitung erschweren.
• In Kühl- oder Heizwassersystemen: Biofilme können die Wärme- und Kälteübertragung reduzieren und zu Energieverlusten führen. Dies in Kleinanlagen oder auch in Kühltürmen von Industrieanlagen.
• Bio- und Korrosion: Biofilme können in wasserführenden Systemen wie auch Pipelines der Offshore-Öl- und Gasindustrie zu erheblichen Korrosionsproblemen führen. Korrosion ist allerdings hauptsächlich auf abiotische Faktoren zurückzuführen. Mindestens 20% der Korrosion wird jedoch durch Mikroorganismen verursacht, welche sich an den Metalluntergrund binden (d.h. mikrobiell beeinflusste Korrosion).
• Auf Pflanzen: Rhizobakterien besiedeln als pflanzenwachstumsfördernde Mikroben die Wurzeln von Pflanzen und bieten eine breite Palette nützlicher Funktionen für ihren Wirt: Stickstofffixierung, Unterdrückung von Krankheitserregern, antimykotische Eigenschaften und Abbau organischer Materialien.
• Darm von Säugetieren: Es wird angenommen, dass das Immunsystem die Biofilmbildung im Dickdarm unterstützt. In Hypothesen gilt der Appendix (Blinddarm) als Reservoir für gute Darmflora und kann mithelfen den Darm wieder zu beimpfen. Veränderte oder gestörte Zustände von Biofilmen im Darm werden auch mit Krankheiten wie entzündlichen Darmerkrankungen und Darmkrebs in Verbindung gebracht.
• Auf Schiffsrümpfen:Die bakterielle Haftung an Bootsrümpfen dient als Grundlage für das Biofouling von Seeschiffen. Sobald sich ein initialer Bakterienfilm gebildet hat, ist es für andere Meeresorganismen wie Seepocken und später auch Muscheln einfacher sich anzuheften.
• Als Stromatolithen: Stromatolithen sind ur-geschichtete Sedimentstrukturen die in flachem Wasser durch das Einfangen, Binden und Zementieren von Sedimentkörnern durch mikrobielle Biofilme, insbesondere von Cyanobakterien, gebildet werden. Sie enthalten einige der ältesten Aufzeichnungen über das Leben auf der Erde und bilden sich auch heute noch aus.
• Auf Zähnen als Zahnbelag: Im menschlichen Körper sind Biofilme auf den Zähnen als Zahnbelag vorhanden, wo sie Karies und Zahnfleischerkrankungen verursachen können. Diese Biofilme können sich entweder in einem weichen und nicht verkalkten Zustand befinden, der mit zahnärztlichen Instrumenten relativ entfernt werden kann, oder in einem verkalkten harten Zustand, der schwieriger zu entfernen ist.
• In der Biodekontamination: Biofilme können ebenfalls helfen Erdölverschmutzungen aus Ozeanen oder Wassersystemen zu eliminieren. Das Öl wird durch kohlenwasserstoffabbauende Aktivitäten von Gemeinschaften von Bakterien eliminiert.
• Im Zusammenhang mit Infektionskrankheiten: Es ist bestens bekannt, dass Biofilme an einer Vielzahl von mikrobiellen Infektionen in Säugetierkörpern beteiligt sind und schätzungsweise 80% aller Infektionen beim Menschen ausmachen. Zu den infektiösen Prozessen, an denen Biofilme beteiligt sind, gehören akute Probleme wie bakterielle Vaginose, Harnwegsinfektionen, Infektionen im Zusammenhang mit Kathetern, Mittelohrentzündungen, Gingivitis, Biofilme auf Kontaktlinsen und/oder Augeninfektionen. Weniger häufige, aber mit potenziell tödlicherem Ausgang sind zum Beispiel Endokarditis, Infektionen bei Mukoviszidose und Infektionen auf dauerhaften Implantaten wie Gelenkprothesen, Herzklappen, chirurgischen Schrauben und Bandscheiben.
• In Aquakulturen: In der Schalentier- und klassischen Fischaquakultur neigen bestimmte «höhere» Biofouling-Spezies dazu Netze und Käfige zu blockieren, zu korrodieren, zu zersetzen und letztendlich die gezüchteten Arten, um Platz und Nahrung zu konkurrenzieren. Bakterielle Biofilme sind der Startpunkt des Besiedlungsprozesses, indem sie biologische Umgebungen schaffen, welche für Biofouling-Arten günstig sind.
• In der Lebensmittelindustrie: Biofilme sind in verschiedenen Lebensmittelindustrien problematisch, da sie sich auf Pflanzen, Lebensmittelvorstufen wie auch auf fertigen Lebensmitteln während des Herstellungsprozesses bilden können. Bakterien können lange Zeit in Wasser, Tierextrementen und am Boden überleben und Biofilmbildung auf verarbeiteten Pflanzenteilen oder in den Verarbeitungs- und Produktionsanlagen verursachen. Neben wirtschaftlichen Problemen stellt die Biofilmbildung auf Lebensmitteln ein grosses Gesundheitsrisiko für die Verbraucher dar, da Keime in Biofilmen in Lebensmittelnähe widerstandsfähiger gegenüber Desinfektionsmittel und Antibiotika sein können. Biofilme wurden mit bis zu 80% der bakteriellen Lebensmittelinfektionen in Verbindung gebracht. Aufgrund der Verderblichkeit von Milchprodukten und Einschränkungen bei Reinigungsverfahren sind speziell Molkereien anfällig für Biofilmbildung und Kontaminationen.

Welche Keime bilden Biofilme?

Viele verschiedene Bakterien bilden Biofilme, einschließlich gram-positive (z. B. Bacillus spp., Listeria monocytogenes, Staphylococcus spp. und Milchsäurebakterien, wie Lactobacillus plantarum und Lactococcus lactis) und auch gram-negative Arten (z. B. Escherichia coli, Salmonella spp. oder Pseudomonas aeruginosa). Auch Cyanobakterien bilden in aquatischen Umgebungen Biofilme.

Biofilme werden auch von Bakterien in Pflanzennähe gebildet, z. B. Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens und verwandte Pseudomonaden, welche als pflanzenassoziierte Bakterien gelten. Mehrere stickstofffixierende Symbionten von Leguminosen wie Rhizobium leguminosarum und Sinorhizobium meliloti bilden Biofilme auf Pflanzenwurzeln und anderen inerten Oberflächen.

Neben Bakterien werden Biofilme auch von Archaeen und einer Reihe eukaryotischer Organismen gebildet, darunter von Pilzen wie Cryptococcus laurentii und von Mikroalgen. Unter den Mikroalgen sind Diatomeen die Hauptvertreter von Biofilmen, die weltweit sowohl Süß- als auch Meeresumgebungen besiedeln.

Einige Beispiele – nicht abschliessend – für Keime mit krankheitsassoziierten Biofilmen, die auf oder in Eukaryoten entstehen, sind Pseudomonas aeruginosa, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli und Staphylococcus aureus.

Gefahren durch Biofilme?

Grundsätzlich gehen folgende generelle Gefahren von Biofilmen aus:

• Gesundheitliche Probleme durch Infektionen im Spitalumfeld und beim Verzehr von kontaminierten Lebensmitteln
• Beschädigung, Zerstörung oder Verringerung der Effizienz von Installationen und Materialien durch bakteriellen Materialabbau, Korrosion oder Verstopfen sowie reduziertem Energietransfer
• Geruchsprobleme und visuelle Beeinträchtigung von Materialien durch Biofilme

Wie werden Biofilme entfernt?

Biofilme, einmal zu substanzieller Dicke aufgewachsen, lassen sich meist nur durch physische Krafteinwirkung gefolgt von akkurater Reinigung in Kombination mit Hygienemassnahmen und Desinfektion entfernen.

Allerdings ist Biofilmentfernung in einem offenen System kein dauerhafter Zustand. Die Natur holt sich ihr natürliches oder durch Menschenhand geschaffenes ökologisches Umfeld zurück.

Wie werden Biofilme verhindert?

Biofilme bilden sich an fast jeder Oberfläche oder ökologischen Nische und lassen sich nur durch Veränderungen der physikalischen Bedingungen und des Nährstoffangebotes verringern. Das Verständnis der Gründe für die Entstehung von Biofilmen, entsprechende Hygienemassnahmen und regelmässige Reinigung und Desinfektion in Kombination mit geeigneten Kontrollmassnahmen ermöglichen es Biofilme zu verhindern oder zumindest deren Entwicklung zu kontrollieren.

Neuere Ansätze zielen darauf ab Oberflächen gegen Biofilme durch physikalische-chemische Modifikationen unattraktiv zu machen oder antimikrobiell auszurüsten. Auch die Auflösung der Biofilmmatrix durch Enzyme oder bakterielle Kommunikation (Quorum Sensing) sind angedachte neuere Strategien.

Literatur

• https://www.biofilm.montana.edu/
• S.C. Chew, L. Yang, in Encyclopedia of Food and Health, 2016
• T. Coenye, in Brenner’s Encyclopedia of Genetics (Second Edition), 2013
• https://www.sciencedirect.com/topics/immunology-and-microbiology/biofilm