Unsichtbare Schutzschilder der Mikroorganismen

Biofilme sind überall, ob auf unseren Zähnen, in der Kanalisation oder auf medizinischen Implantaten. Dabei handelt es sich um komplexe Gemeinschaften von Mikroorganismen, die sich an Oberflächen anheften und von einer schützenden Schleimschicht umgeben sind. Diese Strukturen sind hoch organisiert aufgebaut und verfügen über erstaunliche Schutzmechanismen.

Was genau ist ein Biofilm?

Ein Biofilm ist eine Ansammlung von Mikroorganismen, hauptsächlich Bakterien, die in einer selbst produzierten Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) eingebettet sind. Diese Matrix besteht hauptsächlich aus Polysacchariden, Proteinen, Lipiden und DNA. Sie dient sowohl dem Zusammenhalt als auch dem Schutz der Mikroorganismen-Gemeinschaft.
Biofilme können sowohl auf biologischen als auch auf unbelebten Oberflächen entstehen. Beispiele sind Zahnoberflächen, Kontaktlinsen, Wasserleitungen, Lebensmittelverpackungen oder Wassertanks.

Wie entsteht ein Biofilm?

Die Bildung eines Biofilms verläuft in mehreren Phasen und ergibt einen Kreislauf.

1. Adhäsion:
Einzelne Mikroorganismen heften sich über spezialisierte Proteine oder Strukturen wie Pili an eine geeignete Oberfläche.
2. Kolonisation:
Die Zellen beginnen, sich zu teilen und kommunizieren über sogenannte Quorum-Sensing-Moleküle, um ihr Verhalten zu koordinieren.
3. Matrixbildung:
Die Mikroorganismen produzieren die EPS-Matrix, die den Biofilm stabilisiert und schützt.
4. Reifung:
Es entstehen komplexe dreidimensionale Strukturen. Diese haben Kanäle für den Nährstofftransport, welche vergleichbar mit einem primitiven Gewebe sind.
5. Ablösung:
Teile des Biofilms oder einzelne Zellen lösen sich ab, um neue Standorte zu besiedeln.

Welche Schutzfunktionen bietet der Biofilm?

Die EPS-Matrix ist weit mehr als nur „Schleim“. Sie fungiert als Schutzschild gegen äussere Einflüsse.

Bakterien im Biofilm sind oft bis zu 1000-mal resistenter gegen Antibiotika als freischwimmende (planktonische) Zellen. Gründe dafür sind unter anderem die eingeschränkte Penetration von Wirkstoffen, veränderte Stoffwechselzustände der Bakterien und genetische Anpassungen.

• Schutz vor dem Immunsystem:
  Immunzellen erkennen und bekämpfen Biofilmstrukturen deutlich schwerer.
• Resistenz gegenüber Umweltstress:
  Biofilme bieten Schutz vor UV-Strahlung, pH-Schwankungen, Desinfektionsmitteln und Austrocknung.
• Kommunikation und Kooperation:
  Über Quorum Sensing können Mikroorganismen im Biofilm gemeinsame Strategien zur Verteidigung entwickeln.

Warum sind Biofilme ein Problem?

In industriellen und haustechnischen Wasserleitungen bilden sich häufig Biofilme, die sich an den Rohrinnenwänden festsetzen. Diese Biofilme sind nicht nur aus hygienischer Sicht problematisch, sondern haben auch technische und wirtschaftliche Folgen.

Einerseits begünstigen sie das Wachstum von Krankheitserregern wie Legionella pneumophila oder Pseudomonas aeruginosa, welche sich aus dem Biofilm lösen und über das Wasser verbreiten können. Gleichzeitig kann es zu Korrosion, Rohrverstopfungen und erhöhtem Energieverbrauch kommen, da der Durchfluss behindert wird. Hinzu kommt, dass sich Biofilme nur schwer entfernen lassen, da sie überaus resistent gegen gewisse Desinfektionsmittel und viele Reinigungsverfahren sind.



Ein oft unterschätzter Faktor ist die Wassertemperatur: Viele Mikroorganismen wachsen im Bereich von 20–50 °C besonders gut, wie er in vielen Warmwassersystemen vorkommt. Vor allem Legionellen finden hier optimale Bedingungen vor. Grundsätzlich töten Temperaturen über 60 °C Keime ab, doch die schützende Matrix des Biofilms kann Hitze teilweise abschirmen. Das hat zur Folge, dass im Inneren Bakterien überleben.

Sommerhitze als zusätzliches Risiko

Besonders im Sommer kann sich das Problem zusätzlich verschärfen. Stehendes Wasser in selten genutzten Leitungen (z. B. Schulen, Hotels, Ferienwohnungen) erwärmt sich schnell auf kritische Temperaturen in den Rohrleitungen. Diese „warmen Zonen” im Leitungssystem fördern die Biofilmbildung massiv, insbesondere, wenn das Wasser über längere Zeit nicht zirkuliert. Legionellen und andere pathogene Keime können sich in diesen warmen, stagnierenden Bereichen rasant vermehren und beim nächsten Wassergebrauch als Aerosole eingeatmet werden.

Fazit: Biofilme – nützliche Helfer mit zwei Gesichtern

Nicht jeder Biofilm ist unerwünscht. In vielen natürlichen und technischen Ökosystemen erfüllen Biofilme wichtige Aufgaben:


• Abbau organischer Schadstoffe in Kläranlagen
• Förderung der Bodenfruchtbarkeit und Unterstützung des Pflanzenwachstums
• Stabilisierung der Darmflora des Menschen

Gleichzeitig können bestimmte Biofilme jedoch Infektionen, Materialschäden oder hygienische Risiken verursachen.

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