Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
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Wie entstehen Biofilme?

Biofilme – An natürlichen und an technischen Oberflächen

Mikroorganismen an Oberflächen sind in der Natur weit verbreitet. Bakterien, Pilze und Algen haben sich an ein Wachstum an verschiedenen Oberflächen angepasst und profitieren in erheblichem Maß von dieser an den jeweiligen Standort adaptierten Lebensweise, beispielsweise auf Steinen in einem Bach, aber auch in Rohrleitungen. Sichtbar wird ihr Wachstum für das menschliche Auge dann, wenn Biofilme sich in exorbitantem Ausmaß entwickeln. Häufig bewirkt das mikrobielle Wachstum eine Schädigung des Materials oder eine Funktionsminderung technischer Einrichtungen.

Treten Biofilme in der Klinik, beispielsweise auf Implantaten, auf, können sie gesundheitliche Probleme beim Menschen verursachen. Die Entwicklung von Biofilmen beginnt zunächst völlig harmlos: Einzelne Zellen von Mikroorganismen heften sich an Oberflächen an und vermehren sich im feuchten Milieu. Viele Bakterienarten sind in der Lage, eine Schleimschicht aufzubauen, die ihnen einerseits als Schutz vor Umwelteinflüssen dient. Andererseits versetzt sie die Organismen in die Lage, Nährstoffe selbst aus einer sehr nährstoffarmen Umgebung anzureichern.

Was sind Biofilme?

Bild 1: Biofilm einer natürlichen Mischpopulation auf einer porösen Oberfläche.
Bild 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Biofilms von Pseudomonas aeruginosa. Stäbchenförmige Zellen in Matrix eingebettet, dreidimensionale Struktur erkennbar.

Definition und Charakterisierung von Biofilmen

Biofilme sind Lebensgemeinschaften von Bakterien, Pilzen oder Algen, die sich an Oberflächen anheften und dort aufwachsen. Sie sind an die jeweilige Umgebung angepasst und verfügen über eine höhere Resistenz gegenüber Umgebungsbedingungen als frei schwimmende Zellen. Der Stoffwechsel von in Biofilmen organisierten Individuen unterscheidet sich von dem planktonischer Zellen.

Biofilme sind charakterisiert dadurch, dass die Zellen von einer mikrobiell induzierten Matrix meist aus Polysacchariden umgeben sind, die von einer wässrigen Lösung durchströmt sind. Sie können aus Individuen einer einzigen Spezies oder aus Mischpopulationen verschiedener Organismenarten zusammengesetzt sein (Bild 1). Die in Biofilmen organisierten Mikroorganismen nutzen Stoffwechseleigenschaften der anderen Spezies oder deren Schutzmechanismen oder metabolisieren in Biofilmen Zellen oder Zellteile anderer Mikroorganismen. Die Biofilmbildung ist von genetischen Faktoren abhängig und reguliert. Dabei sind die Bildung und der Austausch sogenannter Signalmoleküle für die mikrobielle Kommunikation entscheidend.

Das Beispiel eines Biofilms der Spezies Pseudomonas aeruginosa ist in einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme in Bild 2 dargestellt. Deutlich erkennbar ist die dreidimensionale Struktur der auf einer Polycarbonatoberfläche angesiedelten Bakterienzellen.

Wie entstehen Biofilme?

© D. Davis
Schematische Darstellung der Biofilmentwicklung.
Aspergillus niger.

Biofilmbildung

Die Biofilmbildung erfolgt in mehreren Stufen. Sie ist nicht nur von der Art der Mikroorganismen und deren Eigenschaften abhängig, sondern wird auch von den Oberflächeneigenschaften der zu besiedelnden Materialien sowie den Umgebungsbedingungen beeinflusst. Hierzu zählen neben dem Nährstoffangebot auch Wassergehalt, Temperatur oder die Strömungsbedingungen. Bei der Entwicklung eines Biofilms heften sich zunächst die frei schwimmenden planktonischen Zellen an eine Oberfläche an. Bei diesem noch reversiblen Vorgang spielen Van-der-Waalsche Kräfte eine Rolle. Bei der darauf folgenden Entwicklung von Monolayern und Mikrokolonien vermitteln sogenannte Adhäsine die ersten Bindungen mit der Materialoberfläche. Dieser Vorgang ist nur bedingt reversibel. Der Schleim, der den Biofilm durchzieht und umgibt, basiert auf Polysacchariden, welche die Mikroorganismen selbst produzieren. Diese Struktur lässt sich auch durch kräftiges Spülen nicht mehr von der Oberfläche entfernen. Aus dem Biofilm werden einzelne Zellen freigesetzt, die sich wieder ansiedeln und einen neuen Biofilm bilden können.

In Biofilmen können Mikroorganismen nicht nur Nährstoffe akkumulieren. Sie bieten der Population auch Schutz vor chemischen und physikalischen Umwelteinflüssen wie Desinfektionslösungen oder Strahlung. Soll die Entwicklung von Biofilmen wirksam und nachhaltig vermieden werden, muss man bereits in einem sehr frühen Stadium der Biofilmbildung eingreifen oder sie von vorneherein, beispielsweise durch eine entsprechende antimikrobielle Ausrüstung der Oberfläche, unterbinden.