Biologische aangroei op oppervlakken

Van roestvast staal wordt doorgaans aangenomen dat er zich, gezien het uitgebreide gebruik voor allerlei hygiënische toepassingen, weinig tot geen organisch stoffen op het oppervlak afzetten. Niets is echter minder waar. Ook roestvast staal is niet immuun voor de vorming van bacteriekolonies. Er zal hier een overzicht worden gegeven van de wijze waarop biofilms ontstaan en er zullen enige onderzoeksresultaten worden behandeld met betrekking tot biofilms op roestvast staal.

J.R. Julien
 

Ontwikkeling

Stappen in de biofilmontwikkeling
Stap 1: oppervlakteconditionering
De eerste stoffen die zich op het oppervlak neerlaten zijn geen bacteriën, maar sporen van organische stoffen. Vrijwel direct nadat een schoon oppervlak in aanraking komt met water, slaat er een organische laag neer [1]. Van dit organisch materiaal wordt gezegd dat het een conditioneringslaag vormt die extreme oppervlaktelading neutraliseert en de oppervlaktevrije energie die kan verhinderen dat een bacteriecel dicht genoeg in de buurt van het oppervlak kan komen om zich hieraan vast te hechten. Daar komt nog bij dat de geadsorbeerde organische moleculen vaak dienen als een voedingsbodem voor bacteriën. Dit proces is schematisch weergegeven op afbeelding 1.


Afbeelding 1. Adsorptie van anorganische moleculen op een schoon oppervlak vormt een conditioneringfilm [2].


Stap 2: hechting van pionier-bacteriën
In een leiding met stromend water zullen een aantal vrij zwevende bacteriën de wand benaderen en verstrikt raken in de grenslaag, dat is de rustige zone aan de wand waar de stromingssnelheid daalt tot nul. Enkele van deze cellen zullen het oppervlak raken en zich hierop vastzetten gedurende enige tijd en daarna weer loslaten. Dit wordt reversibele adsorptie genoemd. Deze aanvankelijke aanhechting is gebaseerd op elektrostatische aantrekking en fysische krachten en geen chemische aantrekking. Enkele van deze losgekomen cellen gaan aanstalten maken voor een langdurig verblijf door structuren te vormen die voor een permanente hechting zorgen. Deze cellen raken nu irreversibel geadsorbeerd. Deze stap is schematisch weergegeven op afbeelding 2.


Afbeelding 2. Transport van bacteriecellen naar het geconditioneerde oppervlak; adsorptie; desorptie; tenslotte irreversibele abdsorptie [2].


Afbeelding 3. Wilde bacteriën zijn "harige" cellen met buiten de cel polymeren die kleven aande oppervlakken.


Stap 3: slijmvorming
Biofilmbacteriën scheiden uitwendige polymere stoffen uit, klevende polymeren, die de biofilm bij elkaar houden en deze aan de wand plakken, zie afbeelding 3. Bovendien vangen deze polymeerdraden voedingsstoffen in en beschermen de bacteriën tegen biociden. De werking van deze polymeerdraden zijn enigszins te vergelijken met een spinnenweb. De draden bestaan uit geladen en neutrale polysaccharidegroepen die niet alleen hechting mogelijk maken maar ook optreden als ionenwisselaarsysteem voor het invangen en concentreren van voedingsstoffen uit het langsstromende water. De draden fungeren ook als een beschermende deklaag voor de aangehechte cellen doordat het de inwerking van biociden en andere giftige stoffen afweert. Naarmate de voedingsstoffen zich opzamelen, kunnen de pioniercellen beginnen met zich te vermenigvuldigen. De nakomelingen produceren hun eigen polymeerdraden, waardoor het volume van het ionenwisselend oppervlak
aanzienlijk toeneemt. Al spoedig heeft zich een florerende bacteriekolonie gevestigd [3], zie afbeelding 4. In een gerijpte biofilm wordt het grootste gedeelte ingenomen (75 - 95%) door het los gestructureerde polymeernetwerk dan door bacteriën [4]. Omdat de polymeermatrix veel water bevat, is een met biofilm bedekt oppervlak gelatineus en glad.

Stap 4: secundaire kolonisten
Het polymeernetwerk vangt niet alleen voedingsstoffen in, maar ook andere typen microbecellen. Deze secundaire kolonisten zetten afvalstoffen om die afkomstig zijn van de primaire kolonisten en ze produceren op hun beurt afvalstoffen die andere cellen weer kunnen gebruiken. Deze andere bacteriën en schimmels komen al na enkele dagen samen met de pioniercellen.

Stap 5: volledig functionerende biofilm
De volwassen, volledig functionerende biofilm is op te vatten als een levend netwerk op een wand. Het is een complexe, wat betreft stofwisseling coöperatieve gemeenschap die is opgebouwd uit verschillende soorten die elk in hun eigen microcosmos leven. Biofilms worden zelfs wel beschouwd als primitieve kringloopsystemen.

Groei en verspreiding

Een biofilm kan zich uitbreiden door middel van celdeling en zal bij tijd en wijle nieuwe pioniercellen loslaten die dan benedenstrooms delen van de wand kunnen gaan bevolken. Als de film groeit tot een dikte die boven de grenslaag uitsteekt in zones met hogere stromingssnelheden en turbulenter stromingsvormen, dan zullen enige cellen worden losgeslagen. Deze late pioniers zullen het wat makkelijker hebben dan hun bovenstroomse collega's omdat de daar aanwezige film voedingsstoffen afscheidt in de stroom die kan dienen als organische deklaag voor nog engekoloniseerde wanddelen en als bron van voedingsstoffen voor andere celtypen, zie afbeelding 5.


Afbeelding 4. Biofilm is opgebouwd uit microben en een "spinnenweb" van extracellulaire polymeren.



Afbeelding 5. Bacteriën en andere micro-organismen ontwikkelen zich tot samenwerkende koloniën binnen de biofilm. Onder een aërobe laag kan zich een anaërobe laag vormen. De dikte van de biofilm zal een evenwicht bereiken als het langsstromende water cellen die tot in de turbulente stroom uitgroeien loslaat [5].

Hoe snel groeit een biofilm uit

De ontwikkeling tot een volwassen biofilm kan uiteenlopen van enkele uren tot enkele weken, afhankelijk van het systeem [1]. Pseudomorras aeruginosa is een veel voorkomende pionierbacterie en wordt vaak gebruikt bij biofilmonderzoek. Bij een bepaald experiment [8] vonden de onderzoekers dat Pseudomonascellen zich hechten op roestvast staal, zelfs op elektrolytisch gepolijste oppervlakken, binnen 30 seconden na blootstelling.

Groeifactoren

Factoren die van invloed zijn op de aanhechting en groei zijn:

Oppervlaktemateriaal
Het oppervlaktemateriaal heeft weinig tot geen invloed op de biofilmontwikkeling. Roestvast staal is net zo gevoelig als plastic pijp. Materiaal waarop micro-organismen zich niet kunnen hechten moet nog worden ontdekt [6]. Onderzoek heeft aangetoond dat microben zich hechten aan roestvast staal, Teflon, PVC en PVDF in vrijwel gelijke mate. Onderzoekers in Zweden [7] vergeleken de ontwikkeling van biofilmontwikkeling op oppervlakken van roestvast staal en van PVC die in aanraking waren met stromend gemeentelijk drinkwater. Na 167 dagen maten zij een aantal micro-organismen die uitgroeiden op de oppervlakken. Er was geen verschil waar te nemen in de hoeveelheid cellen op het wateraantrekkende elektrolytisch gepolijste roestvast staal en het waterafstotende PVC.

Oppervlakteruwheid
Bij het Zweedse onderzoek [7] werd gevonden dat een ruwere matte afwerking van roestvast staal1,4 keer meer micro-organismen bevatte dan elektrolytisch gepolijst roestvast staal. Dit resultaat werd toegeschreven aan het feit dat een ruwer oppervlak ook een groter oppervlak vormt en dat een ruwer oppervak meer bescherming biedt tegen afschuifkrachten {stroming).

Oppervlakteafmetingen
Industriële watersystemen bieden een enorm oppervlak voor aanhechting. Opslagtanks, filtersystemen en leidingwerken bieden allen geschikte oppervlakken voor bacteriehechting en groei.

Oppervlaktegladheid
Hoewel een gladder oppervlak de aanvankelijke opbouw van bacteriekolonies vertraagt, schijnt het geen significante invloed te hebben op de totale hoeveelheid biofilm die zich op een oppervlak hecht. Er zijn geen oppervlakken aangetroffen die vrij zijn van biologische afzettingen. De oppervlaktestructuur schijnt van invloed te zijn op de afzettingssnelheid, maar dat geldt voor de eerste paar uur. In het algemeen geldt dat gladde oppervlakken met een lager beginsnelheid vervuild raken dan ruwere, maar biofilmafzetting na enkele dagen is onvermijdelijk. Onderzoekers in België [8] vergeleken de aanhechtingssnelheid van Pseudomorras aeruginosa op roestvast staal 304 en 316L die waren geschuurd met grit 120, 320 en 400 en elektrolytisch gepolijst. Hun bevindingen waren de volgende:
- Het maximum aantal bacteriën dat zich per vierkante centimeter afzette was onafhankelijk van het type roestvast staal en oppervlakteruwheid.
- Meetbare afzetting, zelfs op elektrolytisch gepolijste oppervlakken, vond plaats binnen 30 seconden.
- Materiaal met waterafstotende celwanden zetten zich met dezelfde snelheid af onafhankelijk van de oppervlakteruwheid. Wateraantrekkend materiaal hechtte zich sneller op het ruwste 120 grit oppervlak en bezat minimale hechting op de elektrolytisch gepolijste oppervlakken.