Biofilm Syndrom

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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.
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. 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.
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Allein in Deutschland werden die Kosten, die durch pilzbedingte Schäden in Altbauten verursacht werden, auf 210 Mio Euro pro Jahr geschätzt. Dazu kommen rund 1,5 Mrd Euro pro Jahr durch die Verschlechterung des Wirkungsgrades von Wärmetauschern und
12,5 Mrd Euro pro Jahr für Korrosionsschäden – von diesen sind ca. 20 Prozent mikrobiell bedingte Schäden. Auch im Gesundheitssektor werden enorme Anstrengungen unternommen, um das Wachstum von Biofilmen an natürlichen Oberflächen wie Zahnmaterial, aber auch an synthetischen Materialien wie Implantaten, Kathetern oder medizinischen Geräten zu verhindern – auch wegen enormer Folgekosten im Falle einer Schädigung des Menschen.
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Gesundheitliche Schäden
Auslösen von Infektionen und Allergien
Produktion von Toxinen
Materialschäden
Biokorrosion
Biofilme in technischen Systemen

Ästhetische Beeinflussung
Verfärbung von Fassaden
Geruchsbildung
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Haben sich Biofilme erst einmal an einer Oberfläche niedergelassen, ist ihnen meist schwer beizukommen. In dieser Lebensform sind sie deutlich resistenter als Einzelzellen und widerstehen in vielen Fällen selbst hoch dosierten Desinfektions- und Reinigungsmitteln.

Antimikrobielle Oberflächenmodifikationen
Um Biofilme schon an der Entstehung zu hindern, ist daher die Anwendung geeigneter antimikrobieller Oberflächenmodifikationen, beispielsweise durch Anbindung biozider Substanzen oder photokatalytische Ausrüstung, angezeigt. Eine entsprechende Oberflächengestaltung kann die mikrobielle Adhäsion an der Materialoberfläche oder die Vermehrung der Zellen von vorneherein unterbinden.

Am Fraunhofer IGB haben Grenzflächenforscher in Zusammenarbeit mit Mikrobiologen und Zellbiologen bereits verschiedene Oberflächenausrüstungen entwickelt. Ihre Charakterisierung kann mit Hilfe physikalischer und chemischer Verfahren erfolgen, ihre biologische Wirksamkeit lässt sich allerdings nur mit lebenden Systemen nachweisen.
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