Entwicklung von Oberflächenbesiedlungen unter dem Einfluss verschiedener Modellsubstanzen und deren Auswirkung auf die Wasserphase

Abstract

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Untersuchung der Auswirkung unterschiedlicher organischer Substanzen auf die Besiedlung einer inerten Oberfläche durch wasserbürtige Mikroorganismen. Dabei sollte der Einfluss einer bestehenden Besiedlung bzw. eines Biofilms auf die Wasserphase aufgezeigt werden. Ein weiterer Aspekt bestand darin, die verschiedenen Strukturen der Besiedlungen bzw. Biofilme miteinander zu vergleichen und anhand der untersuchten Wasserproben ein Kontaminationspotential abzuleiten. Standversuche im Labor und Fließversuche an einem praxisnahen Leitungssystem sollten den Vergleich einer Oberflächenbesiedlung in einem ruhenden System mit einmaligem Nährstoffeintrag mit einer Besiedlung in einem fließenden System unter kontinuierlicher Nährstoff-Zudosierung ermöglichen. <br /> Die Untersuchungen ergaben, dass im stehenden Wasser das Vorhandensein einer hohen Nährstoffkonzentration nicht zwangsläufig zur Ausbildung einer ausgeprägten Oberflächenbesiedlung führt. Die Art des im Wasser befindlichen Nährstoffs ist den Ergebnissen zufolge wichtiger als die Konzentration. Wie schwer eine Voraussage über die mikrobiologische Verwertbarkeit einer Substanz und ein damit verbundenes Wachstumspotential zu treffen ist, zeigten insbesondere die Versuche mit den Stoffen Ligninsulfonsäure und Tween 80. Bei der als schwer abbaubar geltenden Ligninsulfonsäure wurde eine ausgeprägte, bei dem leicht verwertbaren Stoff Tween 80 lediglich eine geringe Oberflächenbesiedlung beobachtet. Darüber hinaus besteht kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Besiedlungsdichte auf der Oberfläche und Koloniezahl im Wasser. So wurden bei Tween 80 zum Teil höhere Koloniezahlen festgestellt als bei Ligninsulfonsäure. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Ausmaß einer Besiedlung letztlich nur anhand von Oberflächenuntersuchungen beurteilt werden kann. Im Gegensatz zu den Standversuchen wurden in den Fließversuchen bei allen eingesetzten Substanzen ausgeprägte Besiedlungen beobachtet. Selbst bei der als schwer abbaubar geltenden Ligninsulfonsäure wurde eine deutliche Besiedlung festgestellt. Die rasche Oberflächenbesiedlung bei fließendem Wasser scheint aus der Tatsache zu resultieren, dass Nährstoffe, Mikroorganismen und Oberflächen wesentlich schneller aufeinandertreffen als in einem ruhenden System. Es wurde ein klarer Zusammenhang zwischen Koloniezahl im Wasser und Oberflächenbesiedlung festgestellt. Je ausgeprägter der Biofilm war, desto höher war die Koloniezahl im Wasser. Außerdem wurde festgestellt, dass die Abgabe ganzer Plaques aus einer Besiedlung ab einem bestimmten Zeitpunkt kontinuierlich erfolgt. Größe und Struktur der Plaques lassen Rückschlüsse auf Besiedlungsstruktur und -dichte zu und weisen auf das vorhandene Kontaminationspotential hin. Das Ausmaß einer Kontamination wurde durch die Versuche mit geänderter Fließgeschwindigkeit dokumentiert. Durch eine kurzzeitige Erhöhung der Fließgeschwindigkeit stieg die Koloniezahl in der Wasserphase sprunghaft an. Trotz der hohen Abtragung aus der Besiedlung konnte jedoch keine gravierende Reduktion der Oberflächenbesiedlung festgestellt werden. <br /> Die Beständigkeit ausgeprägter Besiedlungen gegenüber äußeren Einflussfaktoren ist hoch. Das wurde in Reinigungs- und Desinfektionsversuchen mit Wasserstoffperoxid nachgewiesen. Ab einer bestimmten Besiedlungsdicke dringt Wasserstoffperoxid nicht mehr tief genug in die Besiedlung ein und kann somit weder eine Beseitigung noch eine Abtötung vorhandener Mikroorganismen bewirken. Infolgedessen ist die frühzeitige Erkennung einer Besiedlung für eine erfolgreiche Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahme von entscheidender Bedeutung.

<strong>Surface colonization by microorganisms under the influence of different model substances and its effect on the aqueous phase</strong><br /> The emphasis of the present work was the investigation of the influence of different organic substances on the colonization of inert surfaces by waterborne microorganisms. Furthermore the release of microorganisms from already colonized surfaces (biofilms) into the water was studied. Another aspect was to compare the different biofilm structures and their potential for contamination from the examined water samples. Laboratory tests in stagnant water (Batch tests) and pilot tests with flowing water in a 21 m ¾ "stainless steel plumbing system were performed to compare surface colonization in a stagnant system with a single nutrient dose at the start to a flow through system with constant nutrient level maintained by continuous dosage. <br /> The experiments showed that a high concentration of nutrients in stagnant water does not necessarily cause a strong surface colonization. The results showed that the <i>type (kind)</i> of nutrients is more important than the <i>concentration</i>. How difficult it can be to predict the digestibility of a substance and the corresponding growth potential was shown by the tests using lignin-sulphonic acid and Tween 80. While the tests with lignin-sulphonic acid (considered to be not a simply degradable substance) showed a pronounced surface colonization; the tests with Tween 80 (considered to be easily digestible) showed only a slight surface colonization. Furthermore, no distinct correlation between biofilm density and the number of cfu (colony forming units) in the water could be found. E.g. number of cfu were sometimes higher with Tween 80 than with lignin-sulphonic acid. These results show that the extent of a biofilm formation can only be determined through the examination of the surface. In contrast to the results of the tests with stagnant water, the flow tests resulted distinct biofilms with all tested substances. Even lignin-sulphonic acid which was expected to be difficult to degrade produced pronounced biofilms in the tests.The rapid surface colonization in flowing water, seems to result from the fact that the nutrients, microorganisms and surface meet significantly faster and more effective compared to stagnant water. There was a clear correlation between the cfu number in the water and the surface colonization. The more biofilm was formed, the larger was the number of microorganisms in the flowing water. It was also observed that after a certain time, the detachment rate of plaques from a biofilm became constant. The size and structure of the floating plaques allowed to deduce the biofilm structure and density and the potential for contamination. The extent of a contamination was documented with tests at changing flow velocities. A brief rise in the flow velocity caused the number of cfu to rapidly increase. However, the high release from the surface colonization was not found to cause a serious reduction of the biofilm. <br /> The persistence of biofilms against external influences were found to be high. This was demonstrated by cleaning- and disinfectant tests using hydrogen peroxide. Beyond a certain level of biofilm density, hydrogen peroxide is not able to penetrate sufficiently deep into the biofilm and achieve both the elimination and destruction of the microorganisms. Consequently, the timely detection of surface colonization is crucial to allow successful cleaning and disinfection measures.