Biofilm

A legtöbb baktérium planktonos állapotú, azaz szabadon lebeg a vízben, de számunkra a baktériumok tapadt, rögzült formái a legveszélyesebbek. Ezek a baktériumok valamilyen felülethez tapadva, kolóniákat (biofilmet) képeznek. A biofilmek még az olyan szigorúan ellenőrzött területeken is képesek kialakulni, mint pl. az ivóvízben, és a nagytisztaságú vízrendszerekben, amelyet a kozmetikai és a gyógyszeripar is használ. A biofilm nem csupán a bakteriális szennyeződés lehetséges forrása, hanem a kórokozó baktériumok természetes élőhelye is. Bizonyíthatóan számos, az emberben kialakuló bakteriális fertőzésért felelősek. Szerepük a gyógyászaton túl az iparban is jelentős (termékszennyezés, berendezések károsítása, energiaveszteség és termelékenység csökkenés, amely a rendszer tisztításából és esetleges cseréjéből fakad).

A biofilm kialakulása és felépítése

A vizes fázisban élő baktériumok nagy része poliszaharid tartalmú váladékot (glycocalyx) termel. Ez a váladék segíti elő a baktérium sejtek tapadását a legkülönfélébb felületekhez - mint például a fémekhez, műanyagokhoz, talajrészecskékhez, beültetett orvosi eszközökhöz és szövetekhez. A felülethez tapadt baktériumok növekedése és szaporodása is felgyorsul, amely rövid időn belül kolóniák kialakulásához vezet. Az így kialakult kolóniák tömegének 15%-át a baktérium sejtek, míg 85%-át a mátrix alkotja. A kolóniákba szerveződő sejtek speciális, jelzőmolekulák (signalling molecules) termelésével a kommunikációra is képessé válnak. Elérve egy kritikus sejtsűrűséget, ezek a jelek specifikus gének kifejeződését indítják el. Ez az a végső folyamat, amelynek eredményeként kialakul a biofilm. A biofilm kialakulhat egyetlen baktérium fajból is, azonban sokkal gyakoribb, hogy több baktérium faj, sőt gombák, algák, véglények, törmelékek és maró anyagok is részt vesznek a felépítésben. A biofilm baktériumok megtalálhatók minden környezetbiológiai rendszerben, ahol elegendő tápanyag áll rendelkezésükre. A biofilm nem csak egyszerűen a sejtek összessége, hanem annál jóval több, tulajdonságai teljesen eltérnek az őt felépítő sejtek egyedi tulajdonságaitól (például a biofilm 500-szor ellenállóbb az antibakteriális készítményekkel szemben). A biofilmben minden baktérium a mikrobiológiai közösség tagjaként, de a saját szükségletei szerint kialakított mikroklímában él. A biofilm felépítése magas fokon szervezett, a közösségnek saját homeosztázisa, primitív keringési rendszere és metabolizmusa van.

Miért élnek a baktériumok biofilmben?

A baktériumölő vírusok (amelyek nagy hatásfokkal pusztítják a baktériumokat) jelenléte, minden kétséget kizáróan jelentős szerepet játszik a biofilm kialakulásában. Az ember és az antibiotikumok megjelenése előtt a baktériumok legfélelmetesebb ellenségei a bakteriofágok voltak. A túlélés érdekében a baktériumok tehát biofilmekbe szerveződtek és 100 %-os biztonságot jelentő poliszaccharid védőburkot vontak maguk köré. Elhagyva a biofilm nyújtotta biztonságos környezetet a baktérium egyből sebezhetővé válik, azonban hasonlóan az emberi természethez, időnként mégis elindul, hogy új kolóniákat alapítson, szaporodjon és elfeledje a tökéletes biztonságot nyújtó környezetét.

A biofilm előfordulási helyei

• Háztartás: WC, mosdó, tusoló, mosogató, vágódeszka stb.
• Gyógyászat: fogkő, beültetett orvosi eszközök (katéterek, sebcsipeszek, implantátumok), epekő stb.
• Ipar: minden ipari vízrendszerben (vízvezetékek, összekötő elemek, könyökök, tartályok, víztisztítók, élelmiszeripar és papírgyártás, hűtőtornyok stb.)

A biofilm hatásai

• Egészségügy: középfülgyulladás, bakteriális szívbelhártya-gyulladás, prosztatagyulladás, csontvelőgyulladás, légionárius betegség stb.
• Ipar: csődugulás, rozsdásodás, vízszennyezés, vízszűrők eltömítése, vízbefecskendező rendszerek elzáródása, hőszállítás hatásfokának csökkenése stb.

A biofilm eltávolítása

A planktonikus baktérium természetes állapotában könnyedén elpusztítható antibiotikumokkal és antitestekkel, ha azonban megtapadnak egy idegen felületen és biofilmet alakítanak ki, akkor védettek lesznek a külső támadásokkal szemben. Éppen ezért a hagyományos módszerek a biofilm baktériumok elpusztítására általában hatástalanok, hiszen rezisztensek az antibiotikumokra, az antitestekre, a baktériumölő szerekre és a baktériumölő vírusokra is. Biofilm kialakulása esetén planktonikus dózisú antibiotikum kezelés hatására a beteg időlegesen tünetmentessé tehető, hiszen az antibiotikum megöli a baktériumokat, azonban hatástalan a biofilmmel szemben. Ebből következik, hogy az antibiotikum kezelés megszüntetése után a biofilm új, planktonikus baktériumokat, endotoxinokat és exotoxinokat kezd el kibocsátani. Ez a folyamat játszódik le a krónikus betegségek esetében is. A kezelést követően úgy tűnik, hogy a beteg meggyógyult, de bizonyos időn belül újra kialakulnak a tünetek. A biofilm természetének ismeretében jól érthető, hogy valójában a betegség okát nem sikerül megszüntetni, csupán tüneteket enyhíthetjük időlegesen. Nagyobb dózisú antibiotikum alkalmazása, amely elpusztítaná a biofilmet, sajnos a páciens halálát is okozná. A szervezetben kialakult biofilmek eltávolítása sok esetben teljesen reménytelen feladat és csak a biofilm természetétől függ a gyógyulás vagy a túlélés esélye.
Ipari szinten egy kialakult biofilm eltávolítása már sokkal jobb hatásfokkal működhet. A biofilm eltávolítása általában ismétlődő fertőtlenítési ciklusok alkalmazásával történik. Első lépésként egy alacsony pH-jú tisztítószer segítségével a szervetlen anyagokat távolítják el. Ezt követi a szerves anyagok, vagy a halott mikroorganizmusok eltávolítása, amelyhez magas pH-jú tisztítószereket, általában nátrium hidroxidot használnak. A harmadik lépés a tényleges fertőtlenítés, általános fertőtlenítőszerek segítségével (formaldehid, klór, hidrogén-peroxid). Ezt a háromlépéses ciklust ismétlik többször (5-10 alkalommal), és a ciklusok között minden esetben tisztított vizes öblítést végeznek. Minden ciklusban a fertőtlenítőszernek minimum 15-30 percig kapcsolatban kell állnia a tisztítandó felülettel.
Két alapvető módszer létezik a vízrendszerek bakteriális szennyezettségének megszüntetésére, vagy legalább minimális értéken tartására.

1. A rendszerben állandóan bizonyos mennyiségű baktériumölő szert tartanak. Erre jó példa a városi víztisztító létesítmény, ahol a vízhez megfelelő mennyiségű klórt (nátrium hipoklorit, azaz háztartási hypo formájában) vagy klóramint kevernek, amely így a vízelosztó rendszer minden pontján jelen van.
2. A rendszer időszakos fertőtlenítése.
   
   

Azt, hogy egy eljárás során melyik módszert alkalmazzák nagymértékben meghatározza az előállítani kívánt víz minőségével szemben támasztott követelmény. Az olyan esetekben például, ahol un. ultratiszta vizet állítanak elő, ahol semmiféle kémiai szer nem maradhat a vízben, csakis az időszakos tisztítás és fertőtlenítés jöhet szóba. A legtöbb rendszerben, ahol folyamatos fertőtlenítési módszert alkalmaznak, szintén szükséges az időszakos tisztítási és fertőtlenítési eljárás elvégzése.