dr hab. inż. Dorota Kręgiel, prof. PŁ
Politechnika Łódzka
Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności
Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii
Biofilmy to zespoły komórek mikroorganizmów funkcjonujące w polimerowych matrycach, formowane na różnych powierzchniach kontaktujących się z wodą. Struktury te, występujące w instalacjach wodnych, są odpowiedzialne za istotne pogorszenie jakości wody oraz za problemy eksploatacyjne.
Tworzenie biofilmów i problemy eksploatacyjne
Biofilmy w systemach wodnych tworzą najczęściej bakterie heterotroficzne, ale mogą w nich także występować grzyby i organizmy wyższe, np. nicienie, larwy, pierwotniaki lub małe skorupiaki. Powstawanie biofilmów czyli tzw. „obrostów biologicznych” to zjawisko dość częste, jednak głównym powodem, dla którego wiele zakładów wodno-kanalizacyjnych zwraca uwagę na występowanie biofilmów jest pojawiający się wzrost liczby oznaczanych bakterii grupy coli. Te wskaźniki stanu sanitarnego wody towarzyszą innym bakteriom heterotroficznym tworzącym biofilmy.
Wieloletnie badania prowadzone w Instytucie Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Politechniki Łódzkiej wykazały, że występowanie bakterii z grupy coli w wodzie może być związane z szeregiem czynników fizykochemicznych, wśród których najważniejsze są: sposób uzdatniania wody, jej temperatura, rodzaj środka dezynfekującego, poziom przyswajalnego węgla organicznego (ang. assimilable organic carbon, AOC), rodzaj materiału instalacyjnego oraz procesy korozyjne.
Wyniki wielu badań sugerują, że procesy uzdatniania, polegające m.in. na filtracji, mogą stymulować powstawanie obrostów biologicznych. Dotyczy to zarówno niewłaściwie dobranego materiału filtracyjnego, jak i innych popełnianych błędów, np. braku skutecznej kontroli pracy filtrów, zbyt rzadkiej wymiany materiałów filtracyjnych, itp. Występowanie bakterii grupy coli może być stosunkowo wysokie, gdy temperatura wody przekracza wartość 15°C, chociaż szczepy bakterii, charakterystyczne dla danego systemu wodnego, są przystosowane do wzrostu w niższych temperaturach.
Chlorowanie to standardowy sposób dezynfekcji wody. Celem tego procesu jest zniszczenie wszelkich form bakterii oraz wirusów obecnych w wodzie. Zwykle stosuje się dezynfekcję podchlorynem, rzadziej gazowym chlorem lub chloraminą. Zastosowanie tych związków budzi kontrowersje, gdyż udowodniono, że różne środki dezynfekujące mogą oddziaływać w różny sposób z istniejącymi biofilmami. Wolny chlor atakuje błonę cytoplazmatyczną komórek bakterii gramujemnych, a to powinno zwiększać wrażliwość komórek na czynniki środowiskowe. Jednakże przenikanie wolnego chloru przez matrycę biofilmu jest niestety ograniczone przez krótki czas reakcji. Dodatkowo, wolny chlor reaguje ze związkami organicznymi tworząc trihalometany, kwasy haloorganiczne, haloacetonitryle, wykazujące silne działanie rakotwórcze.
Badania naukowe dają podstawy do hipotezy, że np. chloraminy lepiej przenikają do biofilmu w systemach dystrybucji wody i efektywniej inaktywują komórki bakterii. Monitoring systemów wody pitnej wykazał występowanie bakterii grupy coli nawet gdy resztki wolnego chloru przekraczały 10-krotnie wartości dopuszczalne, tzn. utrzymywały się w systemie dystrybucji na poziomie 2 – 2,5 mg/L. Zmiana środka dezynfekującego w tym systemie na chloraminy spowodowała wyraźną redukcję liczby próbek dodatnich dla oznaczanych bakterii coli.
Oprócz rodzaju środka dezynfekującego, także resztkowa ilość związków chloru utrzymywana na końcu systemu dystrybucji może wpływać na liczbę oznaczanych bakterii grupy coli. Układy, które utrzymywały poziom wolnego chloru poniżej 0,2 mg/L, lub monochloraminy poniżej 0,5 mg/L, wykazywały mniejszą stabilność mikrobiologiczną w porównaniu do systemów, w których utrzymywano wyższe stężenia środków dezynfekcyjnych.
Samo utrzymanie na określonym poziomie środka dezynfekującego może nie zapewnić bezpieczeństwa mikrobiologicznego wody. Woda zawierająca wysoki poziom AOC trudniej podlega procesom dezynfekcji. W wodach chlorowanych z poziomem AOC wyższym niż 100 μg/L odnotowano znacznie więcej prób wykazujących obecność bakterii grupy coli. Niezależnie od efektów dezynfekcji, wysoki poziom AOC może stymulować wzrost bakterii w systemie dystrybucji wody. Warto podkreślić, że obecność AOC nie determinuje występowania bakterii grupy coli w wodzie pitnej, a jest tylko jednym z czynników stymulujących wzrost tych mikroorganizmów w instalacjach wodnych.
Rodzaj materiału instalacyjnego, a także nagromadzenie produktów korozji może radykalnie wpłynąć na tworzenie biofilmów w systemach wody pitnej. Produkty korozji reagują np. z resztkowym chlorem, tym samym obniżając jego stężenie w środowisku wodnym. Niskie stężenie tego środka dezynfekującego uniemożliwia przedostawanie się chloru do biofilmu i obniża efektywność jego działania. Zwiększenie dawki inhibitorów korozji, opartej np. na fosforanach, może pomóc w zmniejszeniu szybkości procesów korozyjnych.
Warto zaznaczyć, że miejscowe uszkodzenia w materiale instalacyjnym mogą stanowić swoiste siedliska – nisze ochronne dla rozwoju bakterii. Powstawanie np. wżerów w rurach metalowych może być przyspieszone przez wysoki poziom chlorków i siarczanów. Stosunek poziomu chlorków i siarczanów do wodorowęglanów, znany jako tzw. wskaźnik Larsona, może wskazywać na tendencje instalacji do korozji wżerowej. Wartość wspomnianego indeksu Larsona może zmieniać się sezonowo, najwyższy poziom osiągając w miesiącach letnich, kiedy temperatura wody w instalacjach wody ulega zwykle podwyższeniu.
Sam rodzaj materiału instalacyjnego może wpływać na skład i aktywność populacji biofilmu. Badania wykazały, że biofilmy tworzą się szybciej na powierzchniach żelaznych niż na plastikowych rurach z PVC. Powierzchnia materiału wpływa również na charakter jakościowy zbiorowisk organizmów obecnych w biofilmie. Na materiałach metalowych oznacza się bardziej różnorodną populację drobnoustrojów w porównaniu do rur z tworzyw sztucznych. Postępująca korozja chemiczna i mikrobiologiczna wpływa na zmniejszenie wytrzymałości przewodów, zmniejsza ich przepustowość oraz stwarza dogodne warunki dla bytowania organizmów na porowatej, skorodowanej powierzchni.
Jak walczyć z biofilmem?
Dojrzałe formy biofilmu na powierzchniach materiałów instalacyjnych w systemach wodnych są często bardzo trudne do usunięcia. Ponadto działanie na błony biologiczne nieskutecznymi środkami dezynfekującymi może nawet wzmagać proces adhezji i dodatnią selekcję opornych komórek. Warto tu wspomnieć, że komórki tworzące biofilm są nawet 1000 razy bardziej oporne na środki dezynfekcyjne niż komórki wolnożyjące, planktonowe.
Klasyczne metody działające biofilmowo to klasyczne procesy higienizacyjne, w których mechanicznie usuwa się warstwy zanieczyszczeń biologicznych i chemicznych za pomocą szczotkowania, skrobania lub zastosowania sił hydrodynamicznych. Zwiększenie intensywności usuwania zanieczyszczeń w procesie mycia można uzyskać stosując elastyczne silikonowe elementy przepychające, tzw. „świnki” (ang. pigging system; PS), dzięki którym przewody instalacyjne są skuteczniej opróżniane. Każdy taki półelastyczny element, o średnicy odpowiedniej dla czyszczonej instalacji, umożliwia skuteczne czyszczenie rurociągu, nie uszkadzając przy tym powierzchni wewnętrznych rur. „Świnki” przystosowane są do pracy również ze zwykłymi kolanami o standardowym promieniu, a cały proces czyszczenia jest na bieżąco monitorowany przez przepływomierze i charakterystyki ciśnień, co pozwala śledzić i nadzorować postęp prac. Pigging może być stosowany do czyszczenia rurociągów o znacznych długościach, przy występowaniu uporczywych zabrudzeń. Jest to również rozwiązanie ekologiczne i przyjazne dla środowiska, gdyż umożliwia zmniejszenie stężeń środków myjących.
W przypadku usuwania starych warstw biologicznych, często tworzących już tzw. kamień biologiczny z dwuwartościowymi kationami metali występujących w wodzie Ca (II) i Mg(II), najskuteczniejszą metodą jest stosowanie mieszanin enzymów: amylaz, proteaz, lipaz, które hydrolizują wiązania odpowiednich związków polimerowych, budujących matrycę biofilmu. Umożliwiają one tym samym lepszy dostęp środkom myjącym i dezynfekującym do głębszych warstw biofilmu. Enzymy przekształcają złożoną materię organiczną w małe, łatwo usuwalne cząsteczki oraz – co bardzo ważne – działają synergistycznie ze standardowymi preparatami przeznaczonymi do procesów higienizacyjnych.
Tworzenie biofilmów oraz procesy korozyjne powodują istotne zmiany strukturalne oraz chemiczne w materiale instalacyjnym, W efekcie materiał techniczny różni się znacznie po czasie eksploatacji na powierzchni i w głębszych warstwach. Niezależnie od zastosowanego materiału zawsze istnieje ryzyko pogorszenia się właściwości mechanicznych i hydraulicznych przewodów instalacji wodnych.
warto zapamiętać
Zrozumienie roli i funkcjonowania biofilmów powinno stanowić podstawę badań nad opracowaniem skutecznych metod utrudniających tworzenie biofilmów w warunkach przemysłowych. Jedną ze strategii przeciwdziałającej tworzeniu biofilmów jest modyfikowanie powierzchni materiałów technicznych, by uzyskać nie tylko powierzchnie trwalsze, bardziej odporne na procesy korozyjne, ale także stworzyć „powierzchnie antybiofilmowe”, przeciwdziałające tworzeniu biofilmów. Liczne badania wykazały możliwość modyfikacji materiałów za pomocą aktywnych polimerów krzemoorganicznych – organosilanów, których łańcuchy związane są jednym końcem z powierzchnią materiału podlegającą modyfikacji. Charakter tych łańcuchów można odpowiednio zmieniać, poprawiając tym samym cechy powierzchniowe materiału instalacyjnego. Innym sposobem jest nadanie materiałom technicznym właściwości bójczych poprzez zastosowanie trwale związanych z powierzchnią antybiotyków, czwartorzędowych soli amonowych, nanocząstek miedzi (Cu) lub srebra (Ag). Skuteczną strategią antybiofilmową może być traktowanie komórek związkami, które specyficznie zapobiegają adhezji komórek do powierzchni materiałów. Zbadano, że jony galu Ga (III) – toksyczne analogi biologicznie ważnych jonów Fe(III) – hamują nie tylko tworzenie biofilmu, ale działają bójczo zarówno na komórki planktonowe, jak i te związane z biofilmem. Warto podkreślić, że w przypadku każdej próby modyfikacji powierzchni istotna jest odpowiedź na pytanie – jakie będą efekty długotrwałego kontaktu mikroorganizmów z nowymi związkami aktywnymi, zwłaszcza w kontekście postępującego wzrostu oporności komórek na związki antydrobnoustrojowe. Jednak walka z biofilmami musi być kontynuowana, a jej skuteczność będzie zależała od wypracowania różnych synergistycznych strategii, uwzględniających specyfikę systemów dystrybucji wody.
