Biofilm – geneza, przyczyny, usuwanie

Biofilm to struktura, w której funkcjonuje złożona społeczność mikroorganizmów, najczęściej takich jak bakterie, grzyby, glony i pierwotniaki, które są ze sobą połączone w warstwową strukturę. Struktury te ściśle przylegają do powierzchni i zazwyczaj są trudne do znalezienia i usunięcia. Kiedy mikroorganizmy osadzają się na powierzchni, zaczynają wytwarzać substancje, które ściśle je wiążą i tworzą warstwę ochronną, czyli „pozakomórkową substancję polimerową” zwaną glikokaliksem. Ta matryca czyni biofilm odpornym na wpływy zewnętrzne, takie jak środki dezynfekcyjne.

Tworzenie się biofilmu stanowi poważny problem dla zakładów produkujących żywność, ponieważ najczęściej powoduje infekcje, często występujące punktowo, incydentalnie przez co są trudne do zlokalizowania. Dodatkowo ze względu na swoją budowę są bardzo trudne do usunięcia i mogą powodować uszkodzenia powierzchni urządzeń i infrastruktury. Z naszego doświadczenia wynika, że kiedy zaczynamy usuwać biofiim drastycznie rośnie liczebność mikroorganizmów na wymazach mikrobiologicznych. „Wybuch” taki potrafi trwać nawet przez kilka powtórzeń zabiegów sanityzacyjnych po czym powoli liczebność mikroorganizmów się obniża, aż w końcu zanika. Choć biofilmy znamy jako „szkodliwe”, w przyrodzie występują bardzo często i mają one również korzystne zastosowania. Wykorzystuje się je na przykład przy oczyszczaniu ścieków i produkcji produktów fermentowanych takich jak jogurt czy piwo. Prowadzone są również badania mające na celu lepsze zrozumienie właściwości biofilmów i sposobów ich kontrolowania w różnych środowiskach.

Struktura biofilmu zawiera różnorodne mikroorganizmy, takie jak bakterie, grzyby również algi i fagi. Różnorodne mikroorganizmy mogą współpracować, konkurować lub współistnieć w strukturze biofilmu. Najczęściej jednak obserwujemy różne gatunki bakterii, zarówno Gram-dodatnie, jak i Gram-ujemne. Oto kilka przykładów znanych ze zdolności do tworzenia biofilmów: Pseudomonas aeruginosa; Escherichia coli; Bacillus subtilis; Listeria monocytogenes; Acinetobacter baumannii; Staphylococcus aureus. Macierz polisacharydowa w jakiej zawieszone są mikroorganizmy w biofilmie jest przez nie wydzielana. Ta substancja otacza i trzyma mikroorganizmy w strukturze biofilmu, nadając mu trwałość i odporność. W strukturze tej związana  woda stanowi środowisko życia dla mikroorganizmów. Woda w biofilmie pełni również rolę w transporcie substancji odżywczych i odpadów metabolicznych.

Polisacharydowa budowa tej struktury spełnia również bardzo istotną funkcję ochronną. Dlatego w naszej pracy doświadczamy ich odporności na dezynfekcję oraz inne niekorzystne czynniki otaczającego środowiska. Działa ona jak fizyczna bariera, utrudniając penetrację substancji do wnętrza struktury biofilmu. Często również wewnętrzne warunki ograniczają dostępność substancji odżywczych i zmniejszony przepływ tlenu, powodują swoiste uśpienie czyli metabolizacyjnej nieaktywności mikroorganizmów, co sprawia, że są one mniej podatne na działanie biocydów. Następstwem tego zjawiska jest uodparnianie się mokroorganozmów na działanie niektórych biocydów, ponieważ wewnątrz struktur biofilmu mogą rozwijać się warianty genetyczne mikroorganizmów, które są bardziej odporne na działanie substancji dezynfekcyjnych. Jak wcześniej już wspomniano często spotykanym zjawiskiem jest okresowa zwiększona liczebność i wysiew mikroorganizmów. Wynika to z faktu, że dezynfekcja usuwa część warstwy polisacharydowej i mikroorganizmów z powierzchni biofilmu, natomiast mikroorganizmy wewnątrz struktury zaczynają szybko się namnażać i przenosić jak tylko pojawią się warunki korzystne do ich rozwoju.

Głównymi przyczynami tworzenia się biofilmów są warunki środowiskowe, takie jak obecność substancji odżywczych, odpowiednia temperatura i pH, a także obecność innych mikroorganizmów. Powierzchnia, do której przylegają mikroorganizmy, również odgrywa istotną rolę - niektóre materiały, głównie ze względu na ich porowatość, są bardziej podatne. Z naszego doświadczenia wynika, że najczęściej jednak czynnikiem wpływającym na tworzenie struktur mikroorganizmów w postaci biofilmów są niewystarczająco skuteczne zabiegi higieniczne. Dokładnie higieniczność konstrukcji pomieszczeń czy urządzeń, które muszą zapewniać dostęp do wszystkich powierzchni, być gładkie oraz zmywalne z zachowaniem spadków, aby łatwo i skutecznie pozbyć się wody. Podsumowując czy nasza produkcja jest zaprojektowana i wykonana zgodnie z wymaganiami European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG). Proces formowania się biofilmu, czyli adhezj występuje w miejscach zakamarkach, które nie są skutecznie lub odpowiednio często czyszczone i dezynfekowane.

Proces tworzenia biofilmu wymaga czasu i odbywa się etapami.

1. Nanoszenie i przyleganie pojedynczych mikroorganizmów. Po dotarciu do powierzchni mikroorganizmy zaczynają przylegać.
2. Tworzenie warstwy początkowej: po przyleganiu mikroorganizmów do powierzchni, tworzą one warstwę początkową. Na tym etapie dochodzi do produkcji substancji klejących, które pomagają w utrzymaniu mikroorganizmów na powierzchni.
3. Następuje wzrost i namnażanie mikroorganizmów w warstwie początkowej, tworząc coraz większe skupiska. W miarę wzrostu biofilmu dochodzi do produkcji ochronnej substancji polimerowej.
4. Rozwój struktury poprzez akumulację mikroorganizmów oraz produkcję dodatkowych składników, takich jak polisacharydy, białka i DNA ekstracelularne, które tworzą złożoną strukturę trójwymiarową.
5. W końcowym etapie dojrzały biofilm jest zorganizowany i stabilny. Składa się z dobrze zdefiniowanych mikrostruktur oraz różnych warstw mikroorganizmów, zróżnicowanych pod względem metabolizmu i aktywności. Co jakiś czas (czasami są to dwa, trzy tygodnie) dochodzi do intensywnego „wysiewu” mikroorganizmów z wnętrza biofilmu.

Złożona struktura powoduje, że usuwanie biofilmów może być trudne i wymaga zastosowania specjalnych procedur dobranych do warunków. Postępowanie musi uwzględniać głównie rodzaj powierzchni, a w niektórych przypadkach może być konieczne zastosowanie kombinacji różnych metod, aby skutecznie zniszczyć struktury i zdezynfekować mikroorganizmy. Pierwszy krok to zawsze powinno być czyszczenie fizyczne. Powierzchnia musi być pozbawiona wizualnych zabrudzeń, które będą ograniczały rozwiązania biobójcze. Metody fizyczne jak wysoka temperatura wymaga działania odpowiednio długiego czasu, 85 ⁰C w czasie nie krótszym niż 30 minut co znacząco ogranicza możliwość skutecznego przeciwdziałania ze strony biofilmu. Najwygodniejsze i skuteczne jest zastosowanie produktów chemicznych, które niszczą strukturę biofilmu oraz zabijają mikroorganizmy. Produkty takie charakteryzują się złożonym składem czyli zawierają w sobie nie tylko aktywne substancje biobójcze, ale również sekwestranty i substancje powierzchniowo czynne. Natomiast niemożliwe jest wskazanie jednego z nich, ponieważ taki produkt musi zostać właściwie dobrany do otaczających warunków. Często stosowane są produkty utleniające, jak chlor, ozon, nadtlenek wodoru, kwas nadoctowy ponieważ wiemy, że mikroorganizmy się na nie, nie uodparniają. Natomiast te substancje same nie są w stanie przeniknąć w krótkim czasie przez strukturę polisacharydową.

Pojawiają się również pomysły nowatorskiego podejścia, takie jak zastosowanie środków enzymatycznych. Metoda ta ma w teorii sens natomiast my proponujemy zawsze sprawdzić czy możemy działać bezpiecznie dla produktu i zdrowia ludzi. Enzymy jak proteazy, lipazy czy polisacharydazy, rozbijają strukturę biofilm, ale te substancje aktywne mogą działać również zarówno na nasz produkt, jak i tkanki ludzkiego ciała. Czyli zawsze należy pamiętać o tym, aby po zabiegu enzymatycznego usuwania biofilmu doprowadzić do skutecznego unieczynnienia enzymu. Dlatego, raczej odradzamy stosowanie ich w formie piany, natrysku czy zamgławiania. Natomiast naszym zdaniem należy zawsze patrzeć na ten proces praktycznie - czyli po pierwsze skutecznie myć i regularnie dezynfekować, co z czasem rozwiąże problem i zapobiegnie powstaniu biofilm w przyszłości. W przypadku, kiedy sytuacja wymaga pilnych działań należy po pierwsze dostosować metody dezynfekcji do konkretnego przypadku, uwzględniając sytuację, rodzaj powierzchni oraz warunki środowiskowe. Ponadto, często konieczne jest zastosowanie kombinacji różnych metod dezynfekcji w celu osiągnięcia skutecznej eliminacji biofilmu.

TEN ARTYKUŁ JEST CZĘSCIĄ OPRACOWANIA FOODFAKTY NAWIGATOR, KTÓRY DOSTĘPNY JEST DO POBRANIA ZA DARMO DZIĘKI PARTNEROM MERYTORYCZNYM WARSZTATÓW I FORUM WIEDZY MANAGERSKIEJ FOODFAKTY SCIENCE 4 BUSINESS -  ZAGROŻENIA MIKROBIOLOGICZNE I BIOLOGICZNE ŻYWNOŚCI ORAZ INNE UZUPELNIAJĄCE ZAGADNIENIA (4-5 WRZEŚNIA 2024, ŁÓDŹ)