Biofilme in Gebäudeinstallationen

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1 Biofilme in Gebäudeinstallationen Wo kommen sie her wo gehen sie hin? Lisa Neu, PhD Student Eawag, Department Environmental Microbiology 5. Schweizer Hygienetagung, 25. Januar 2019, Luzern 1 1 Was sind Biofilme? Besiedlung Wachstum Biofilm 2 Take home: Bildung wird durch Besiedlung und selektives Wachstum bestimmt. 2 1

2 3 1 µm 3 Mikrobiologie von der Quelle bis zum Hahn Quellwasser Aufbereitung Verteilnetz Gebäude Dynamiken in in Mikrobiologie der Trinkwasserquellen Besmer (2016) Eintragen von bestimmten Bakterien durch Biofilter Pinto (2012) Unterschiedliche Aufbereitungsarten resultieren in Unterschieden in der Mikrobiologie Lautenschlager (2014) Biogeographische Veränderungen Roeselers (2015) Take home: Umweltbedingungen bestimmen Biofilm-Zusammensetzung

3 Biofilme in Gebäudeinstallationen Temperaturen Kritisch für pathogenes Wachstum Stagnationzeiten Ablösungs-Dynamiken Rohrdurchmesser Hydrauliken und Fliessgeschwindigkeiten Materialien Besiedlung und Wachstum 5 Take home: Biofilme zu verstehen ist von wissensch. & angewandtem Interesse. 5 Biofilme in Gebäudeinstallationen 6 Take home: Zahlreiche unterschiedliche Materialien in Gebäudeinstallationen. 6 3

4 Biofilme in Gebäudeinstallationen Gitter = PE O-Ring = EPDM Gitter = Stahl Dichtung = EPDM Verteiler = PE Rohr = Kupfer 7 Take home: Zahlreiche unterschiedliche Materialien in Gebäudeinstallationen. 7 Freisetzung von Kohlenstoff A (wenig) Freisetzung von Kohlenstoff B (viel) Fluss BESIEDLUNG Material A SELEKTION Material B 8 Proctor (2016) 8 4

5 Biofilm-Bildung auf flexiblen Kunststoffen Kohlenstoff Kohlenstoff Kohlenstoff Besiedlung Wachstum Biofilm Take home: Viel Wachstum und Selektion durch zusätzlichen Kohlenstoff. 9 9 Neu et al. (2018) Proctor et al. (2018)

6 Studie: klein-skalige Heterogenität in Biofilmen Hypothese Betrachten wir einen Lebensraum, mit durchgehend uniformen Umweltbedingungen, wird der sich bildende Biofilm homogen sein in seiner Struktur, bakteriellen Zahlen und Gemeinschaft Studie: klein-skalige Heterogenität in Biofilmen 1 Material (PVC-P Duschschlauch) Statische, horizontale Ausrichtung 120 cm experimenteller Abschnitt 12 operierende Monate Täglich 2 Spülungen (15 min, ~41 C)

7 Studie: klein-skalige Heterogenität in Biofilmen 120 cm 200 x 1,2 cm OCT Struktur & Dicke Durchflusszytometrie Bakterielle Zahlen Sequenzierung Gemeinschaft Hug et al. (2016) Biofilm Struktur & Dicke durch Optische Kohärenztomographie Arial Bold 24 Pt 1,20 cm oben heterogene Dichte Daten auf µm Skala 105 µm 532 µm > 50 % Variation heterogene Topographie 14 Take home: Beachtliche strukturelle Heterogenität auf µm-skala. unten 14 7

8 Biofilm Struktur & Dicke durch Optische Kohärenztomographie oben 120 cm Durchschnitt: 252 µm Daten auf µm Skala 11,7 ± 8,9 % Min: 140 µm Max: µm Klein-skalige Variation 23,9 ± 28,5 % Durchschnitt: 384 µm unten Take home: Signifikanter Unterschied zwischen oben und unten auf mm-skala Biofilm Zellzahlen mittels Durchflusszytometrie Arial Bold 24 Pt 120 cm oben Durchschnitt: 2,6 x 108 Zellen/cm2 Arial 9 Pt Daten auf Zeilen cm abskala stand 1.0 Arial 14 Pt Zeilenabstand 1.0 Min: 1,2 x 108 Max: 3,9 x 108 Durchschnitt: 2,6 x 108 Zellen/cm2 unten Take home: Variation auf cm-skala, aber ähnliche Zellzahlen oben und unten

9 Gemeinschaftszusammensetzung mittels Sequenzierung Arial Bold 24 Pt 120 cm oben Arial 9 Pt Daten Zeilen auf cm abstand Skala 1.0 Arial 14 Pt Zeilenabstand cm hose: ~ 400 taxa 1,2 cm-sections: ~ 60 taxa 3 taxa = 60 % of community Bradyrhizobium spp. TM6_Dependentiae Cytophagaceae 17 Take home: Nur wenige Taxa dominieren den gesamten Biofilm. unten 17 Biofilm-Bildung auf flexiblen Kunststoffen 10 5 Zellen/mL Taxa 3 x 10 8 Zellen/cm Taxa/Schlauch 60 Taxa/cm 2 3 dominante Taxa Kohlenstoff Kohlenstoff Kohlenstoff Besiedlung Wachstum Biofilm Take home: Biofilm-Wachstum auf flexiblen Kunststoffen ist hoch selektiv

10 Bedeutung von Biofilmen für den Konsumenten? Warmwasser Taxa TM7 Thermus-Dionnocus Actinobacteria Acidobacteria Kaltwasser Taxa Nitrospirae Chlamydiae Chloroflexi Planctomycetes Deltaproteobacteria OP3 OD1 Kalt Warm Stagnierend Biofilm Anzahl Taxa Biofilm <1 000 Stagnierend ~1 800 Warm ~3 900 Kalt ~4 500 Biofilm Taxa Betaproteobacteria Alphaproteobacteria Bacteroidetes Stagnierend Taxa Gammaproteobacteria 19 Take home: Mikrobiologie des stagnierendes Wassers durch Biofilm beeinflusst. Proctor (2017) 19 Ablösung von Bakterien aus dem Biofilm Kontinuierliche Messung Messung direkt im Inneren eines Duschschlauches Messung vor, während und nach dem Wasserfluss

11 Ablösung von Bakterien aus dem Biofilm Stagniert Spült Stagniert Fingerabdruck Anorganische Partikel Bakterien 0 Zeit (min) 90 Dusche startet Dusche ended Take home: Anstieg der Zellzahlen im Wasser während der Stagnation. 21 Proctor (in prep) 21 Ablösung von Bakterien aus dem Biofilm 6,5 6 Suspendierte Bakterien [log(zellen/ml)] 5,5 5 4,5 4 Stagniert (24h) Ablösung während Stagnation Dusche/Wasserfluss Schlauch mit viel Biofilm Schlauch mit wenig Biofilm Ablösung durch Fluss Zeit (Minuten) Proctor (in prep) 22 11

12 Zusammenfassung Biofilme spielen eine wichtige Rolle beim Management von sicherem und stabilem Trinkwasser (1) Steigende bakterielle Zahlen während Stagnationszeiten (2) Biofilm-spezifische Organismen gelangen in das Wasser, welches direkt in Kontakt mit den Konsumenten steht Um Biofilm-Wachstum kontrollieren zu können, müssen wir es verstehen Eine Möglichkeit zur Kontrolle von Biofilmen auf flexiblen Kunststoffen wären (1) Eigenschaften des Materials ändern (2) Selektivität ausnutzen, um Wachstum aktiv zu manipulieren Anerkennungen Institutionen Finanzierung

13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Lisa Neu Neu Lisa