Dipl. Biol. Simone Schulte :

Wirksamkeit von Wasserstoffperoxid gegenüber Biofilmen

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Chemie, 2003-12-04

BetreuerIn: Prof. Dr. Hans-Curt Fleming , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Chemie

GutachterIn: Prof. Dr. Hans-Curt Flemming , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Chemie
GutachterIn: PD Roland Schulze-Roebbecke , Heinrich-Heine Universität Duesseldorf, Institut für Hygiene

Schlüsselwörter in Deutsch: Biofilm, Wasserstoffperoxid, Silber, Fenton Reaktion, Trinkwasser, Pseudomonas aeruginosa, Biozid, Drehkolbenreaktor
Schlüsselwörter in Englisch: biofilm, hydrogen peroxide, silver, Fenton reaction, drinking water, Pseudomonas aeruginosa, biocide, annular reactor

  
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 540 Chemie
  
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Zur Bekaempfung unerwuenschter Biofilme in technischen Wassersystemen oder im medizinischen Bereich werden Biozide eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung von H2O2 in Kombination mit Silber- und Eisenionen sowie Peressigsaeure (PES) schwerpunktmaessig gegenueber Bakterien im Biofilm untersucht. Es wurden Experimente an Reinkulturen der Bakterienart Pseudomonas aeruginosa sowie an Mischpopulationen aus Trinkwasserbakterien durchgefuehrt. In Versuchen an Biofilmen in Batchkulturen wurde festgestellt, dass eine H2O2-Konzentration von 150 mg/L mit einer Kontaktzeit von 24 h weder eine abtoetende noch eine abloesende Wirkung zeigte, auch nicht durch die Zugabe von Silberionen (150 ľg/L). Erst die Zugabe von Eisen(II)-Ionen brachte eine deutliche Erhoehung der bioziden Wirkung, nicht jedoch der Abloesung. Es wurde gezeigt, dass durch die Kombination H2O2/Eisen das Fenton-Reagenz entstand, bei dem OH-Radikale gebildet werden, die einen stark bioziden Effekt besitzen. Biofilmbakterien zeigten generell eine hoehere Resistenz als planktonische Bakterien der Batchkultur. In dem in der vorliegenden Arbeit modifizierten Drehkolbenreaktor wurden Untersuchungen zur Langzeitanwendung von Bioziden gegenueber Biofilmen, zur Resistenzbildung und zur Wiederverkeimung durchgefuehrt. In Drehkolbenreaktoren angezuechtete Trinkwasserbiofilme wurden taeglich mit der Wirkstoffkombination H2O2/Peressigsaeure (PES) ueber einen Zeitraum bis zu 42 Tagen behandelt. Bei hohen Einsatzkonzentrationen kam es zu einer Verringerung der vermehrungsfaehigen Bakterien aber nicht zu einer Abloesung des Biofilm. Da durch die Biozidbehandlungen Biofilme nicht abgeloest wurden, sondern die tote Biomasse auf den Oberflaechen verblieb, kommt es durch eine Selektion resistenter einzelner Organismen und den Eintrag neuer Organismen in das Versuchssystem schnell zu einer Wiederverkeimung. Anlehnend an Praxisbedingungen wurden auch wesentlich geringere Wirkstoff-konzen-trationen von H2O2/PES ueberprueft. Es erfolgte weder eine Abtoetung noch einer Abloesung der Bakterien. Es wurde gezeigt, dass schon nach der dritten Biozidbehadlung H2O2 bzw. PES deutlich gezehrt wurde; ein moeglicher Grund koennte eine Adaptation der Bakterien in Form erhoehter Katalaseaktivitaet sein. Bei der direkten Betrachtung der Biofilme im konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop wurde eine Veraenderung der Biofilmarchitektur durch die Biozidbehandlungen festgestellt. Die behandelten Biofilme erschienen aufgelockerter, was z.B. in Waermeaustauschsystemen, in denen die Biozide in den eingesetzten Konzentrationen verwendet werden, durchaus zu einer Leistungssteigerung fuehren koennte. Abschliessend wurden die unterschiedlichen eingesetzten Testsysteme zur Wirksamkeitspruefung von Bioziden bewertet in Bezug auf ihre Aussagekraft fuer die Praxis. Es wurde gezeigt, dass die Detektionsmethoden zur Bestimmung der Wirksamkeit von Bioziden den Bedingungen in der Praxis angepasst sein sollten und dass eine zusätzliche mikroskopische Beurteilung der bioziden Wirkung auf den Oberflaechen von grossem Nutzen sein kann.

Abstrakt in Englisch

Hydrogen peroxide is used in formulations to control biofouling and for disinfection purposes in technical water systems or in the medical field. In this work the efficiency of hydrogen peroxide in combination with silver- and iron ions and peracetic acid, respectively, was investigated mainly against bacteria in biofilms. Experiments were performed with pure cultures of the strain Pseudomonas aeruginosa and mixed populations of drinking water bacteria. In experiments with biofilms, grown in batch culture, it was detected that the presence of 150 mg/L hydrogen peroxide with a contact time of 24 h had neither a killing nor a detaching effect; also not with the addition of silver ions (150 ľg/L). Only the addition of iron(II)ions enhanced the antimicrobial activity of hydrogen peroxide but did not influence the detachment of biofilms. The generation of hydroxyl radicals via the Fenton reaction has been proved. Biofilm bacteria always showed a higher resistance than planctonic bacteria of the batch culture. In the Annular Reactor, which was modified during this work, investigations concerning the long term treatment of biocides against biofilms as well as their resistance and regrowth were performed. Biofilms were grown in Annular Reactors and treated daily with the combination hydrogen peroxide and peracetic acid over a period up to 42 days. The application of high concentrations caused a decrease in microbial activity but no bacterial detachment. The maintenance of the dead cells on the surfaces causes a selection of single resistant organisms that can start to multiply and lead to regrowth in the test system. According to practical conditions also lower concentrations of the combination hydrogen peroxide and peracetic acid were applied. Neither a killing nor a detaching effect was observed. It was shown that after the third biocide treatment hydrogen peroxide and peracetic acid, respectively, were consumed significantly; a possible explanation would be the adaptation by increasing the catalase activity. The direct investigation of the biofilms in the confocal laser scanning microscope showed a changing in the biofilm architecture caused by the biocide treatment. The treated biofilms seemed to be more aerated. That could have an positive effect on e.g. heat exchange systems where the tested biocides are applied. Finally the different methods for testing the efficiency of biocides were compared and evaluated concerning their relevance in practice. From the findings of this study it becomes clear that the methods for detection of the efficiency of biocides should be adapted to practical conditions. In addition to this, supplementary additional microscopic investigation can give useful on the efficiency of biocides against biofilms.