Hygienic Processing Teil 10
Biofilme
Biofilme
Biofilme: Auftreten und Bedeutung
Auf organischen Oberflächen (gewollt bzw. mit positivem Effekt)
- Darmwand, Pansen--> Stoffwechsel, Darmpassage von Nährstoffen
- Pflanzenwurzeln -->Schutz vor dem Eindringen pathogener Keime
- Abwasserreaktoren
- Essigsäurefermentation -->Stoffumsatz mit immobilisierten Zellen
- Käseoberflächen
Auf technischen oder organischen Oberflächen (ungewollt, mit Negativ-Effekten)
- Zähne -->Zerstörung des Trägermaterials
- Katheter, Protesen, AUgenlinsen
- Wasserversorgungssysteme
- Erhitzer, Verdampfer, Filter
- Schiffsrümpfe--> Reibungswiderstand
Vorgänge und Mechanismen bei der Biofilmbildung
- Konditionierung der Oberfläche
- Biofilmwachstum
- Konditionierung der Oberfläche (überwiegend passive Vorgänge)
• Diffusion
• Konvektiver Transport
• Sedimentation
• Thermophoresis
• Chemotaxis
• Adsorption (bevorzugt auf hydrophoben Materialien)
- Biofilmwachstum (z.T. aktive Vorgänge aus Sicht der Mikroorganismen)
• Pili: Adhesine (Typ I Pili: mannose-sensitive adhesins)
Flagellen (Type IV Pili: flagella mediated motility)
• Fimbriae (Oberflächenproteine, Aggregationsmaterial, Zell-Zell-Kontakt)
Mutanten: surface attachment deficient, sad; ClpP-deficient
• Bildung von Exopolysacchariden (EPS, Glycocalix): Matrix mit Effekt auf Versorgung
Zeitlicher Verlauf der Biofilm- bzw. Ansatzbildung
l
Einflussfaktoren auf die Biofilmbildung
- Strömungsgeschwindigkeit w
Massentransportvorgänge unterstützt durch konvektiven Austausch zwischen
Hauptströmung und Oberfläche; abhängig von Dicke der laminaren Unterschicht
und Scherkräften: Wandschubspannung = f(w); Reibung entlang der Wand.
- Temperatur
Milieuvariable für das Wachstum von MOs
- Konzentration der Mikroorganismen
bestimmt Primäradhäsion der Mikroorganismen und Dauer der Anlaufphase
- Verfügbarkeit von Nähr- bzw. Präsenz von Hemmstoffen
bestimmt Vermehrungsfähigkeit der Mikroorganismen
- Oberflächenbeschaffenheit
Belegung der sauberen Oberfläche = f(Material, Rauigkeit, elektrochemisches
Potenzial); für die Anlagerung ist diese unterste Schicht maßgebend, das weitere
Wachstum des Films erfolgt als Resultat zwischen kohäsiven Kräften innerhalb des
Films im Wettbewerb mit erosiven Strömungskräften an der Oberfläche des Films
Stufen und Folgen der Ansiedlung von Mikroorganismen in Biofilmen
- Biofilmdicke = f(Zeit)
- Entstehen eines dichten, teilporösen Haufwerks (20 % aus Mikroorganismen)
- Ablösen und Freisetzung von Mikroorganismen und Biofilmteilen durch Strömungskräfte
- Gradienten in der Nährstoff- und Sauerstoffversorgung: Einstellen eines neuen ökologischen Gleichgewichts der Population
- Gradienten in der Konzentration abgegebener Stoffwechselprodukte
- erhöhte Resistenz gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen
Ursachen für hohe Resistenz von Mikroorganismen in Biofilmen gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen
- Diffusionslimitierung: Verlängerung der erforderlichen Einwirkzeit
- Wesentlich höhere Keimdichte als in freier Suspension
- Schutzwirkung von EPS (Exo-Polysacchariden)
- Stoffwechselruhende Zellen in der Tiefe des Biofilms aufgrund von Nährstoffmangel: keine Vermehrung, d.h. Antibiotika unwirksam, da keine Zellteilung
- Aktivierung von passiven Genabschnitten durch Stoffwechselprodukte der Nachbarn: verstärkt Bildung von z.B beta-Lactamasen
Nährstoffversorgung von Mikroorganismen in Biofilmen
l
Maßnahmen gegen Biofilme
- Reinigen in kürzeren Abständen (mechanisch, chemisch)
- Austausch von nicht reinigbaren Teilen (z.B. Katheder)
- In konkreten therapeutischen Situationen oder präventiv:
- Einsatz von Stoffen, welche die Kommunikation von MO
unterbinden.
- Einsatz von Phagen
- Antibiofilm-Beschichtung (Furanone, ähnlich Homoserinlactone: bewirken Abbau des Rezeptorproteins CepR))
- Hemmung der Adhäsion (Pili)
- Hemmung der EPS-Bildung: EPS-Depolymerase
Beobachtungen zur Biofilmbildung im Pasteur
- Belag
• Schleimiger, joghurtähnlicher Belag im rücklaufseitigen Wärmetauscher im Temperaturbereich 45-60°C
• Hauptkomponente Protein
• leicht ablösbar
• vor allem im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit
• Effektverstärkung durch
- thermisches Vorbehandeln der Milch („Thermisieren“: kontinuierliche Erhitzung im Durchfluss auf 57- 68 °C mit einer Heißhaltezeit von längstens 30 s)
- höhere Lagertemperaturen vor dem Erhitzen
- Keimart
• Überwiegend hitzeresistente Streptokokken
-
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Flashcards
Biofilme: Auftreten und Bedeutung
Auf organischen Oberflächen (gewollt bzw. mit positivem Effekt)
- Darmwand, Pansen--> Stoffwechsel, Darmpassage von Nährstoffen
- Pflanzenwurzeln -->Schutz vor dem Eindringen pathogener Keime
- Abwasserreaktoren
- Essigsäurefermentation -->Stoffumsatz mit immobilisierten Zellen
- Käseoberflächen
Auf technischen oder organischen Oberflächen (ungewollt, mit Negativ-Effekten)
- Zähne -->Zerstörung des Trägermaterials
- Katheter, Protesen, AUgenlinsen
- Wasserversorgungssysteme
- Erhitzer, Verdampfer, Filter
- Schiffsrümpfe--> Reibungswiderstand
Vorgänge und Mechanismen bei der Biofilmbildung
- Konditionierung der Oberfläche
- Biofilmwachstum
- Konditionierung der Oberfläche (überwiegend passive Vorgänge)
• Diffusion
• Konvektiver Transport
• Sedimentation
• Thermophoresis
• Chemotaxis
• Adsorption (bevorzugt auf hydrophoben Materialien)
- Biofilmwachstum (z.T. aktive Vorgänge aus Sicht der Mikroorganismen)
• Pili: Adhesine (Typ I Pili: mannose-sensitive adhesins)
Flagellen (Type IV Pili: flagella mediated motility)
• Fimbriae (Oberflächenproteine, Aggregationsmaterial, Zell-Zell-Kontakt)
Mutanten: surface attachment deficient, sad; ClpP-deficient
• Bildung von Exopolysacchariden (EPS, Glycocalix): Matrix mit Effekt auf Versorgung
Zeitlicher Verlauf der Biofilm- bzw. Ansatzbildung
l
Einflussfaktoren auf die Biofilmbildung
- Strömungsgeschwindigkeit w
Massentransportvorgänge unterstützt durch konvektiven Austausch zwischen
Hauptströmung und Oberfläche; abhängig von Dicke der laminaren Unterschicht
und Scherkräften: Wandschubspannung = f(w); Reibung entlang der Wand.
- Temperatur
Milieuvariable für das Wachstum von MOs
- Konzentration der Mikroorganismen
bestimmt Primäradhäsion der Mikroorganismen und Dauer der Anlaufphase
- Verfügbarkeit von Nähr- bzw. Präsenz von Hemmstoffen
bestimmt Vermehrungsfähigkeit der Mikroorganismen
- Oberflächenbeschaffenheit
Belegung der sauberen Oberfläche = f(Material, Rauigkeit, elektrochemisches
Potenzial); für die Anlagerung ist diese unterste Schicht maßgebend, das weitere
Wachstum des Films erfolgt als Resultat zwischen kohäsiven Kräften innerhalb des
Films im Wettbewerb mit erosiven Strömungskräften an der Oberfläche des Films
Stufen und Folgen der Ansiedlung von Mikroorganismen in Biofilmen
- Biofilmdicke = f(Zeit)
- Entstehen eines dichten, teilporösen Haufwerks (20 % aus Mikroorganismen)
- Ablösen und Freisetzung von Mikroorganismen und Biofilmteilen durch Strömungskräfte
- Gradienten in der Nährstoff- und Sauerstoffversorgung: Einstellen eines neuen ökologischen Gleichgewichts der Population
- Gradienten in der Konzentration abgegebener Stoffwechselprodukte
- erhöhte Resistenz gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen
Ursachen für hohe Resistenz von Mikroorganismen in Biofilmen gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen
- Diffusionslimitierung: Verlängerung der erforderlichen Einwirkzeit
- Wesentlich höhere Keimdichte als in freier Suspension
- Schutzwirkung von EPS (Exo-Polysacchariden)
- Stoffwechselruhende Zellen in der Tiefe des Biofilms aufgrund von Nährstoffmangel: keine Vermehrung, d.h. Antibiotika unwirksam, da keine Zellteilung
- Aktivierung von passiven Genabschnitten durch Stoffwechselprodukte der Nachbarn: verstärkt Bildung von z.B beta-Lactamasen
Nährstoffversorgung von Mikroorganismen in Biofilmen
l
Maßnahmen gegen Biofilme
- Reinigen in kürzeren Abständen (mechanisch, chemisch)
- Austausch von nicht reinigbaren Teilen (z.B. Katheder)
- In konkreten therapeutischen Situationen oder präventiv:
- Einsatz von Stoffen, welche die Kommunikation von MO
unterbinden.
- Einsatz von Phagen
- Antibiofilm-Beschichtung (Furanone, ähnlich Homoserinlactone: bewirken Abbau des Rezeptorproteins CepR))
- Hemmung der Adhäsion (Pili)
- Hemmung der EPS-Bildung: EPS-Depolymerase
Beobachtungen zur Biofilmbildung im Pasteur
- Belag
• Schleimiger, joghurtähnlicher Belag im rücklaufseitigen Wärmetauscher im Temperaturbereich 45-60°C
• Hauptkomponente Protein
• leicht ablösbar
• vor allem im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit
• Effektverstärkung durch
- thermisches Vorbehandeln der Milch („Thermisieren“: kontinuierliche Erhitzung im Durchfluss auf 57- 68 °C mit einer Heißhaltezeit von längstens 30 s)
- höhere Lagertemperaturen vor dem Erhitzen
- Keimart
• Überwiegend hitzeresistente Streptokokken
