Biofilme: Entstehung, Zusammensetzung und Auswirkungen auf die Energieinfrastruktur

In vielen Umgebungen wird das Verhalten von Mikroorganismen durch Wechselwirkungen mit umgebenden Flüssigkeiten und festen Grenzflächen beeinflusst. Die Anhaftung an Oberflächen ermöglicht den Zugang zu Nährstoffen, Stabilität und Schutz vor äußeren Stressfaktoren. Im Laufe der Zeit können sich anhaftende Zellen vermehren und weitere Mikroorganismen rekrutieren, was zur Entwicklung strukturierter Gemeinschaften führt. Diese Gemeinschaften weisen Eigenschaften auf, die sich deutlich von denen frei lebenderZellen unterscheiden. Das Verständnis dieser Organisationsform ist für die Interpretation der mikrobiellen Aktivität sowohl in natürlichen als auch in technischen Systemen von entscheidender Bedeutung.  

Inhaltsverzeichnis:   

Was sind Biofilme?   

Wie entstehen Biofilme?   

Woraus bestehen Biofilme?  

Warum sind Biofilme für die Energieinfrastruktur relevant?  

Was sind korrosive Biofilme?  

Biofilmüberwachung  

Fazit zu mikrobiellen Biofilmen in Energieinfrastruktur 

Was sind Biofilme?  

Biofilme sind hochorganisierte, oberflächenassoziierte mikrobielle Gemeinschaften, in denen Zellen in eine selbst produzierte Matrix aus extrazellulärem polymerem Material (EPS)eingebettet sind. Diese Matrix verankert die Mikroorganismen an biotischen oder abiotischen Oberflächen und schafft ein eigenständiges Mikrohabitat, das sich von der umgebendenFlüssigkeit unterscheidet. Im Gegensatz zur traditionellen Auffassung von Mikroorganismen als einzelne, frei bewegliche (planktonische) Zellen ist heute allgemein anerkannt, dass der Großteil des mikrobiellen Lebens in natürlichen, industriellen und klinischen Umgebungen in Form von Biofilmen vorkommt. Diese Strukturen können sich auf einer Vielzahl von Oberflächen entwickeln, darunter Gesteine und Sedimente in natürlichen Ökosystemen, pflanzliche und tierische Gewebe, Rohrleitungen und Metallinfrastrukturen.   

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines aus Bakterien und Archaea bestehenden Multispezies-Biofilms (Dengler et al., 2023)

Das Wachstum innerhalb eines Biofilms bietet gegenüber einer planktonischen Lebensweise mehrere Vorteile. Die extrazelluläre Matrix und die Gemeinschaftsstruktur bieten einen verbesserten Schutz vor Umweltstressoren wie Austrocknung, antimikrobiellen Wirkstoffen, Desinfektionsmitteln, hydrodynamischen Scherkräften und Prädation. Darüber hinaus fördert die enge räumliche Anordnung der Zellen innerhalb von Biofilmen die metabolische Zusammenarbeit, den Nährstoffaustausch und das koordinierte Verhalten, das durch Zell-zu-Zell-Signalmechanismen wie Quorum Sensing vermittelt wird. Durch diese kombinierten Vorteile unterstützen Biofilme die langfristige Persistenz und Anpassungsfähigkeit und machen sie zur dominierenden und erfolgreichsten Form der mikrobiellen Organisation auf der Erde.  

Woraus bestehen Biofilme?  

Biofilme sind komplexe und heterogene Systeme, die aus mikrobiellen Zellen bestehen, die in eine Matrix aus nicht lebendem Material eingebettet sind. Zusammen bilden dieseKomponenten eine stabile Gemeinschaft mit Eigenschaften, die sich von denen frei lebender Mikroorganismen unterscheiden.  

Mikrobielle Zellen  

Die zelluläre Komponente eines Biofilms kann von einer einzigen Spezies bis hin zu sehr vielfältigen, aus mehreren Spezies bestehenden Gemeinschaften reichen. Biofilme umfassen in der Regel:  

• Bakterien und Archaea, die häufig die Struktur und den Stoffwechsel von Biofilmen dominieren  

• Pilze, Algen und Protozoen, die zum Nährstoffkreislauf, zur strukturellen Unterstützung oder zur Prädation beitragen können 

Innerhalb eines Biofilms sind die Zellen starken Gradienten von Nährstoffen, Sauerstoff und Metaboliten ausgesetzt. Infolgedessen können Mikroorganismen in verschiedenen Regionendes Biofilms unterschiedliche physiologische Zustände, Genexpressionsprofile und metabolische Funktionen aufweisen, selbst wenn sie zur selben Spezies gehören. 

Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS)  

Ein charakteristisches Merkmal von Biofilmen ist das Vorhandensein extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die das strukturelle und funktionelle Gerüst der Gemeinschaft bilden. EPS werden von den Mikroorganismen selbst produziert und bilden eine hydratisierte, dreidimensionale Matrix, die die Zellen einbettet und den Biofilm zusammenhält. In den meisten Biofilmen macht EPS den größten Teil der gesamten Biomasse aus. 

Die EPS-Matrix besteht aus mehreren wichtigen Makromolekülen, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen:  

• Proteine, darunter Enzyme und Strukturproteine, die die Biofilmarchitektur unterstützen und biochemische Reaktionen vermitteln 

• Polysaccharide (Zucker), die die strukturelle Integrität und Adhäsion unterstützen und während Trockenperioden als Schutz dienen  

• Nukleinsäuren, darunter extrazelluläre DNA (eDNA), die die mechanische Stabilität erhöht, die Adhäsion fördert und den horizontalen Gentransfer ermöglicht, sowie RNA, derenRolle für die strukturelle Integrität und regulatorische Prozesse zunehmend anerkannt wird. 

Durch diese Komponenten ermöglicht das EPS die Anhaftung an Oberflächen, den Zusammenhalt zwischen den Zellen, die Speicherung von Nährstoffen und Wasser sowie den Schutz vor Umweltstressoren wie antimikrobiellen Wirkstoffen, Desinfektionsmitteln und toxischen Verbindungen.  

Mikroskopische Aufnahme einer Fluoreszenz in-situ Hybridisierung (FISH) eines Multispezies-Biofilms , der Archaeen(grün) und Bakterien (rot) zeigt, die innerhalb der Biofilmmatrix verteilt sind. 

Sekundäre Verbindungen und Umweltmaterialien  

Neben Zellen und EPS enthalten Biofilme oft eine Reihe von sekundären Verbindungen und eingebauten Materialien, die ihre physikalischen und chemischen Eigenschaftenbeeinflussen. Dazu können gehören:  

• Metallsulfide, die häufig als Stoffwechselnebenprodukte anaerober Mikroorganismen wie Sulfatreduzierern auftreten 

• Mineralische Niederschläge, die durch mikrobielle Aktivität oder chemische Reaktionen innerhalb des Biofilms entstehen 

• Partikel aus der Umgebung, wie Korrosionsprodukte, Sedimente oder organische Rückstände 

Die Anreicherung dieser Materialien kann die Biofilmstruktur verändern, die lokale Chemie beeinflussen und die Wechselwirkungen zwischen dem Biofilm und den darunter liegendenOberflächen beeinträchtigen, insbesondere in Industrie- und Infrastrukturanlagen.

Ablagerungen aus Metallsulfiden in oberirdischer Gasinfrastruktur, die von Biokorrosion betroffen ist.  

Wie entstehen Biofilme?  

Die Biofilmbildung ist ein dynamischer und regulierter Prozess, der eine Abfolge von Entwicklungsstadien umfasst. Diese Stadien werden durch Oberflächeneigenschaften, Umweltbedingungen und mikrobielle Physiologie beeinflusst und ermöglichen Mikroorganismen den Übergang von einer frei lebenden zu einer oberflächenassoziierten Lebensweise.  

Biofilmbildung  

Die Biofilmbildung verläuft in der Regel in mehreren miteinander verbundenen Schritten:  

1. Anfängliche Anhaftung  

Mikrobielle Zellen nähern sich einer Oberfläche zunächst durch passiven Transport (z. B. Diffusion oder Flüssigkeitsströmung) oder aktive Motilität. In diesem Stadium ist die Anhaftungin der Regel reversibel und wird durch schwache physikalische und chemische Wechselwirkungen wie Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Wechselwirkungen und hydrophobeEffekte gesteuert. Zelloberflächenstrukturen wie Flagellen, Pili und Fimbrien erleichtern den Kontakt mit der Oberfläche und ermöglichen es den Zellen, oberflächenassoziierteBedingungen wahrzunehmen.  

2. Irreversible Anhaftung  

Nach dem ersten Kontakt verstärken Mikroorganismen ihre Verbindung mit der Oberfläche durch die Produktion extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS). Die Sekretion von EPS verankert die Zellen fest an der Oberfläche und verringert die Wahrscheinlichkeit einer Ablösung. Dieser Übergang geht oft mit Veränderungen in der Genexpression einher, darunter die Herunterregulierung von Motilitätsgenen und die Aktivierung von Signalwegen, die an der Matrixproduktion und Oberflächenadhäsion beteiligt sind.  

3. Bildung von Mikrokolonien  

Sobald die Anhaftung irreversibel ist, beginnen die Zellen sich zu teilen und bilden kleine Cluster, die als Mikrokolonien bezeichnet werden. In dieser Phase können zusätzlicheMikroorganismen aus der Umgebung rekrutiert werden, und die Interaktionen zwischen den Zellen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Quorum Sensing und andereSignalmechanismen ermöglichen es den Zellen, ihr Verhalten zu koordinieren, die EPS-Produktion zu regulieren und kollektive Stoffwechselaktivitäten zu initiieren.  

4. Reifung  

Wenn sich die Mikrokolonien zu größeren Aggregaten ausdehnen, entwickelt sich der Biofilm zu einer komplexen dreidimensionalen Struktur. Die fortgesetzte Produktion von EPS führtzur Bildung einer Matrix mit wassergefüllten Kanälen, die den Transport von Nährstoffen, Gasen und Stoffwechselabfallprodukten erleichtern. Innerhalb des Biofilms bilden sichGradienten chemischer Verbindungen, wodurch unterschiedliche Mikroumgebungen entstehen, die eine Vielzahl von Stoffwechselprozessen unterstützen, darunter aerobe und anaerobe Atmung, Fermentation und syntrophische Interaktionen.  

5. Stabilisierung  

In seinem reifen Zustand erreicht der Biofilm ein dynamisches Gleichgewicht, in dem Wachstum, Zelltod, Matrixproduktion und Ablösung gleichzeitig stattfinden. Die Struktur wird durchfortlaufende mikrobielle Interaktionen und eine kontinuierliche Erneuerung des EPS aufrechterhalten, wodurch der Biofilm trotz Umweltschwankungen über längere Zeiträume bestehenbleibt.  

Ablösung von Biofilmen  

Biofilme sind nicht statisch, sondern geben kontinuierlich Zellen oder Zellaggregate an die Umgebung ab. Die Ablösung spielt eine entscheidende Rolle bei der Ausbreitung von Biofilmen, dem Populationswechsel und der Besiedlung neuer Oberflächen.  

• Eine aktive Ausbreitung findet statt, wenn Mikroorganismen absichtlich die Flucht aus dem Biofilm einleiten. Dieser Prozess beinhaltet oft den enzymatischen Abbau der EPS-Matrix und wird durch Umwelteinflüsse wie Nährstoffmangel oder Veränderungen in der Sauerstoffverfügbarkeit reguliert.  

• Die scherinduzierte Ablösung resultiert aus externen physikalischen Kräften, darunter Flüssigkeitsströmung, Turbulenzen oder mechanische Beanspruchung, die einzelne Zellen oder kleine Biofilmfragmente entfernen können. 

• Unter Ablösung versteht man die plötzliche Freisetzung großer Teile des Biofilms, die in der Regel durch eine interne Schwächung der Matrix oder starke externe Kräfte verursachtwird. 

Durch diese Ablösungsmechanismen können Biofilme neue Umgebungen besiedeln und den Biofilm-Lebenszyklus an anderer Stelle neu starten, was zu ihrer Persistenz und weitverbreiteten Verteilung beiträgt.  

Der Biofilm von sulfatreduzierenden Bakterien, die aus einer Ölquelle isoliert wurden, weist dunkle Aggregate auf, die Metallsulfid-Ausfällungen enthalten.  

Warum sind Biofilme für die Energieinfrastruktur relevant?  

Biofilme haben einen erheblichen Einfluss auf den Betrieb, die Wartung und die Langlebigkeit energiebezogener Infrastrukturen. Ihre Fähigkeit, an Oberflächen zu haften, unter rauenBedingungen zu bestehen und chemische Reaktionen zu vermitteln, macht sie sowohl zu einer Herausforderung als auch zu einer Chance für Energiesysteme. Das Vorhandensein von Biofilmen kann zu Materialverschleiß, strukturellen Schäden, betrieblichen Ineffizienzen und erhöhten Wartungskosten führen, aber sie können auch für nützliche Zwecke in technischen Prozessen genutzt werden.  

Öl- und Gassysteme  

In Öl- und Gaspipelines, Reservoirs und Lagertanks sind Biofilme weit verbreitet und können verschiedene Probleme verursachen. Bestimmte Mikroorganismen, wie z. B. sulfatreduzierende Bakterien, produzieren während ihres Stoffwechsels Schwefelwasserstoff (H2S), was zu einer Versauerung führt, die die Produktqualität beeinträchtigt und Sicherheitsrisiken mit sich bringt. Biofilme können auch zur Verstopfung von Rohrleitungen beitragen, die Durchflusseffizienz verringern und die mikrobiologisch beeinflussteKorrosion (MIC) beschleunigen, wodurch Metalloberflächen geschwächt werden und das Risiko von Lecks oder Ausfällen steigt. Diese Auswirkungen führen zu erheblichenBetriebskosten für Überwachung, Reinigung und Reparatur.  

Wasserverteilungssysteme  

In Trinkwassernetzen bilden sich Biofilme auf Rohrflächen und Speichertanks, wo sie pathogene Mikroorganismen wie Bakterien, Viren und Protozoen beherbergen können. Die Biofilmmatrix schützt diese Mikroben vor Desinfektionsmitteln und verringert so die Wirksamkeit der Wasseraufbereitung. Das Wachstum von Biofilmen kann auch zu Verstopfungenvon Rohren, Veränderungen von Geschmack und Geruch sowie zu lokaler Korrosion führen, was die Wasserqualität und die Integrität der Infrastruktur beeinträchtigt.  

Abwassersysteme  

Nicht alle Biofilme sind schädlich; in technischen Systemen werden sie gezielt genutzt, um die Effizienz zu verbessern. Biofilme werden in Rieselbettsystemen, Bioreaktoren und anaeroben Faulbehältern eingesetzt, um organische Stoffe abzubauen, Nährstoffe zu entfernen und Schadstoffe zu reduzieren. Die EPS-Matrix und die mikrobielle Vielfalt in diesen Biofilmen verbessern die Stabilität, Widerstandsfähigkeit und Gesamtleistung der Behandlung.  

Wirtschaftliche und betriebliche Auswirkungen  

Das Vorhandensein von Biofilmen in der Energieinfrastruktur ist kostspielig. Sie beschleunigen den Materialverschleiß und die Korrosion, verringern die Betriebseffizienz, erhöhen den Wartungs- und Reinigungsaufwand und können zu ungeplanten Ausfallzeiten führen. Eine wirksame Überwachung und Bekämpfung von Biofilmen ist daher von entscheidenderBedeutung, um Schäden zu minimieren, die Sicherheit zu gewährleisten und sowohl natürliche als auch technische Systeme im Energiesektor zu optimieren. 

Korrosive Biofilme  

Korrosive Biofilme sind spezialisierte mikrobielle Gemeinschaften, die den Zerfall von Metallen durch einen Prozess beschleunigen, der als mikrobiologisch beeinflusste Korrosion(MIC) bekannt ist. MIC entsteht durch das komplexe Zusammenspiel zwischen mikrobiellem Stoffwechsel, der chemischen Umgebung innerhalb des Biofilms und elektrochemischenReaktionen an der Metalloberfläche. Im Gegensatz zu gleichmäßiger chemischer Korrosion ist MIC oft lokal begrenzt, sehr variabel und wird durch die Struktur und Aktivität des Biofilms selbst beeinflusst.  

An der Korrosion beteiligte Mikroorganismen  

Mehrere wichtige mikrobielle Gruppen werden häufig mit korrosiven Biofilmen in Verbindung gebracht: 

• Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) produzieren Schwefelwasserstoff als Stoffwechselnebenprodukt, das mit Metalloberflächen reagiert und Metallsulfide bildet, wodurch die Korrosion direkt gefördert wird. 

• Methanogene, eine Gruppe von Archaeen, erzeugen Methan und können an Elektronentransferprozessen beteiligt sein, die die Korrosionsrate auf Metalloberflächen beeinflussen.  

• Acetogene produzieren Acetat und andere organische Säuren, die die Korrosion chemisch oder durch Veränderung der lokalen Biofilmchemie beschleunigen können.

Mikroskopische Aufnahme von Methanogenen als planktonische Zellen und in Biofilmaggregaten. Links: Epifluoreszenzmikroskopie, die die typische Autofluoreszenzzeigt. Rechts: Phasenkontrastmikroskopie.

Diese Organismen koexistieren häufig in Biofilmen und bilden syntrophische Konsortien, in denen die Stoffwechselnebenprodukte einer Spezies die Aktivität anderer unterstützen. Dieser kooperative Stoffwechsel verstärkt oft das gesamte Korrosionspotenzial des Biofilms.  

Mechanismen der mikrobiologisch induzierten Korrosion  

MIC ist ein biologischer, aber auch ein elektrochemischer Prozess. Er kann durch sich überschneidende Mechanismen auftreten:  

• Chemische MIC tritt auf, wenn korrosive Stoffwechselnebenprodukte wie Sulfide oder organische Säuren Metalloberflächen chemisch angreifen.  

• Elektrische MIC beinhaltet die direkte Aufnahme oder Übertragung von Elektronen zwischen Mikroorganismen und Metalloberflächen, wodurch effektiv eine biologische„elektrochemische Zelle” entsteht.  

Aufgrund dieser Mechanismen stellt die mikrobiologisch bedingte Korrosion eine erhebliche Herausforderung für Rohrleitungen, Lagertanks, Offshore-Plattformen und Kühlsystemedar, wo sie zu strukturellen Schäden, Leckagen und kostspieligen Wartungsarbeiten führen kann.

Biofilmüberwachung  

Eine effektive Überwachung von Biofilmen ist unerlässlich, um ihre Auswirkungen auf die Industrie- und Energieinfrastruktur zu kontrollieren und technische Prozesse wie die Abwasserbehandlung zu optimieren. Da Biofilme oft mit bloßem Auge nicht sichtbar sind und sich unter günstigen Bedingungen schnell entwickeln können, sind eine frühzeitigeErkennung und Charakterisierung entscheidend, um Materialverschleiß, Betriebseffizienzverluste und Sicherheitsrisiken zu vermeiden.  

Physikalische Überwachungsmethoden  

Physikalische Ansätze umfassen die direkte oder indirekte Messung des Vorhandenseins, der Struktur und des Wachstums von Biofilmen: 

• Coupons sind Metall- oder Polymerkörper, die in Rohrleitungen oder Reaktoren eingesetzt werden, um die Bildung von Biofilmen und deren anschließende Analyse zu ermöglichen. 

• Sensoren und Bildgebungsinstrumente können die Dicke, Dichte oder Anhaftung von Biofilmen vor Ort messen und liefern Echtzeit- oder periodische Daten über die Entwicklungvon Biofilmen.  

Diese Methoden sind besonders nützlich, um die räumliche Verteilung von Biofilmen zu bewerten und lokale Hotspots zu identifizieren, an denen Korrosion oder Verschmutzungenauftreten können.  

Metallsulfid-Ablagerungen auf einem untergetauchten Stahlprobekörper, verursacht durch Korrosion durch sulfatreduzierende Bakterien in einem wässrigenSystem.  

Chemische Überwachung 

Chemische Verfahren erkennen die Biofilmaktivität durch Messung der Metaboliten oder Nebenprodukte, die durch den mikrobiellen Stoffwechsel entstehen:  

• Sulfid, organische Säuren und Ammoniak werden häufig überwacht, um die Aktivität korrosiver Mikroorganismen zu beurteilen.  

• Korrosionsprodukte wie Metallsulfide oder -oxide liefern indirekte Hinweise auf mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC) in Rohrleitungen oder Lagertanks.  

Die chemische Überwachung ermöglicht es Betreibern, frühe Anzeichen einer durch Biofilm verursachten Materialverschlechterung zu erkennen und Maßnahmen zurSchadensbegrenzung zu ergreifen, bevor erhebliche Schäden auftreten. 

Mikrobiologische und molekulare Techniken  

Fortschrittliche mikrobiologische Methoden liefern detaillierte Informationen über die Zusammensetzung, Struktur und das Stoffwechselpotenzial von Biofilmen:  

• Die Mikroskopie ermöglicht die Visualisierung der Biofilmarchitektur und der Zelldichte.  

• Kultivierungstechniken ermöglichen die Isolierung und Charakterisierung spezifischer Mikrobenarten.  

• DNA-basierte Methoden, darunter quantitative PCR (qPCR) und Hochdurchsatzsequenzierung, ermöglichen die präzise Identifizierung von Mikrobenpopulationen, einschließlichnicht kultivierbarer Organismen.  

• Stoffwechselaktivitätstests messen Prozesse wie Atmung, Sulfidproduktion oder Enzymaktivität, um die Funktionalität des Biofilms zu bewerten. 

Jüngste Fortschritte bei Echtzeit-Sensortechnologien und molekularbiologischer Werkzeuge verbessern die Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Genauigkeit der Biofilmdetektion. Diese Innovationen ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung in Rohrleitungen, Reaktoren und Wassersystemen, unterstützen das proaktive Management schädlicher Biofilmeund reduzieren Betriebsrisiken und Wartungskosten.  

Fazit 

Biofilme stellen die vorherrschende Lebensform von Mikroorganismen dar und zeichnen sich durch Oberflächenanhaftung, strukturelle Organisation und kollektives Verhalten aus. Ihrekomplexe Zusammensetzung und dynamische Entwicklung ermöglichen es Mikroorganismen, unter vielfältigen und oft rauen Bedingungen zu überleben. In der Energie- und Industrieinfrastruktur spielen Biofilme eine doppelte Rolle: Sie können wichtige technische Prozesse vorantreiben, tragen aber auch zur Materialdegradation und mikrobiologischbedingten Korrosion bei. Das Verständnis der Bildung, Zusammensetzung und Aktivität von Biofilmen sowie wirksame Überwachungsstrategien sind daher von entscheidenderBedeutung, um ihre Auswirkungen zu kontrollieren, Risiken zu mindern und die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Energiesystemen zu gewährleisten.