28 Haziran 2012 | TEKNİK MAKALE 47. Sayı (Haziran 2012)

İpek Öztürk Teknik ve Pazarlama Müdürü BKG Water Solutions
Biyofilm, canlı veya cansız bir yüzeye yapışarak, kendi ürettikleri polimerik yapıda jelsi bir tabaka içinde yasayan mikroorganizmaların oluşturduğu topluluk olarak tanımlanabilir. Bu jelsi tabaka, bakteri hücreleri tarafından üretilen EPS (extracellular polymeric substances = eksopolisakkarit) adı verilen polisakkarit bazlı bir kafestir. EPS, diğer bir deyişle biyofilm tabakasında bakterilerin hücre dışına saldıkları ve onları birarada tutan matrikstir. Biyofilm tabakasından söz edilmesi için gereken 3 temel eleman “yüzey”, “mikroorganizma” ve “EPS”dir. Planktonik hücre yapısından biyofilm oluşumuna geçişte hem çevresel hem de fiziksel olmak üzere bakteri hücre yoğunluğu, besin olanağı, hücresel basınç ve yüzey özelliği gibi birçok faktör bulunmaktadır. Biyofilm tabakası çok farklı çevrelerde oluşabilirken, en basit biyofilm tabakası bile karmaşık bir dinamiğe sahiptir [1,2].

Mikroorganizmalar gelişimleri için uygun organik ve inorganik maddelerin biriktiği dış yüzeylerde, özellikle gözle görülemeyen çizikler ve aşınmış bölgeler içine yuvalanarak yerleşmekte, birbirlerine ve yüzeylere bağlanarak biyofilm oluşturabilmektedir. Bakteriler kıyısal alanlarda, organik madde girdisinin yüksek olması veya partiküle bağlı olarak gelişebilecekleri, biyofilm oluşturabilecekleri ortamları bulabilmeleri nedeni ile daha fazla çoğalabilmektedirler. Biyofilme tutunmuş bakteriler bu yapının içinde antimikrobiyal ajanlara ve olumsuz çevre koşullarına dirençli hale gelebilmektedirler. Bu nedenle hücrenin yüzeye ilk yapışmasını önlemek, en önemli adımlardan biridir [1,3].

Biyofilm oluşumu dinamik çok aşamalı bir yapılanmadır. Mikroorganizmalar tarafından oluşturulan, çoğunlukla doğal materyallerde gelişen ve “biofouling” olarak tanımlanan bu mekanizmanın başlangıcını, basit gram negatif bakterilerin ortama tutunması oluşturmakta, diatom ve protozoalar daha sonra katılmaktadır [3].

Bakterilerde biyofilm gelişiminin başlaması, besinlerin var olup olmaması gibi spesifik çevresel etmenlere bağlı olarak değişmektedir. Biyofilm gelişimi, taze besiyeri sağlandıkça devam eder. Ancak ortamdaki besin maddeleri tükenince yüzey bağlantıları zayıflar ve planktonik modlarına geri dönerler. Açlık durumu hücrelerin yeni taze besin kaynakları aramalarını, ortamlara daha iyi adapte olmalarını ve yayılmalarını sağlar. Diğer yandan biyofilm oluşumunda yüzey koşullarının özelliklerinin bilinmesinin de son derece önemli olduğunu unutmamak gerekir. Bakteriler yüzeye tutunarak koloni oluştururlar ve ileri aşamada eksopolisakkarit matriks içinde, mikroorganizma topluluğu şeklinde biyofilmler oluşmaktadır (Şekil 1.) [4].
 
Biyofilmler Neden Tehlikelidir?
Depozit oluşumuna neden olurlar: Örneğin soğutma sistemlerindeki bakterilerin çoğu biyofilm şeklinde bulunurlar. Suda bulunan organik moleküller, suyun boru sistemlerine girmesi ile gruplaşarak yüzeye yapışırlar. Bu organik molekül grupları yapıştıkları yüzeyin nötürleşmesini sağlayarak bakterilerin yüzeye yapışmasına olanak sağlarlar. Başlangıçta, elektrostatik ve fiziksel kuvvetler ile bakterinin yüzeye yapışması gerçekleşir. Bu esnada bakteri hücreleri tarafından hücre dışı polimerik maddelerin (eksopolisakkarit matriksi) üretimi gerçekleşir ve böylece biyofilmin olgunlaşması sağlanır [1]. Olgunlaşan biyofilm depoziti hem metal yüzeyinde mikrobik nedenli korozyon oluşumuna neden olur hem de sistemde bulunan ısı değiştiricilerin ısı transfer resistansını artırırlar. Isı değiştirici tüp yüzeylerindeki biyofilm oluşumu, biyofilmin termal iletkenlik katsayısının metalinkinden daha düşük olmasından dolayı ısı transferinin düşmesine neden olur (Şekil 2). Biyofilm depozitleri, ısı değiştiricilerdeki ısı transferini azaltmalarının yanında hem mikrobik nedenli korozyon oluşumuna hem de Legionella’ya bağlı problemlerin yaşanmasına neden olurlar.

Mikrobik nedenli korozyon oluşumuna neden olurlar: Metal yüzeyinde hem biyofilm olması hem de bakterilerin metabolik aktiviteleri, mikrobik nedenli korozyon oluşumuna neden olur [6]. Biyofilmde gerçekleşen enzimatik aktiviteleri metal yüzeylerin yükseltgenmesine neden olurlar. Aynı zamanda mikroorganizma tarafından üretilen H2O2 açık devre potansiyelinin artmasına diğer bir deyişle elektrokimyasal reaksiyonların kinetiklerini etkileyerek elektrokimyasal reaksiyonların hızlanmasına (korozyonun artmasına) neden olurlar [7].

Biyolojik mikroorganizmalar için kaynak oluştururlar, örneğin Legionella: Özellikle sıcak su sistemleri ve suyun aerosol olarak kullanımı (duş başlıkları, soğutma sistemi serpintileri gibi) söz konusu olduğunda Legionella oluşumu ve miktarı insan sağlığı için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır.

Bakteri hücrelerinin beraberinde biyofilm ve tortuların içerisinde bulunan protozoalar Legionella için konak görevi görürler. Legionella, hareketli gram-negatif, sporsuz çomak şekilli (0.3-0.9 µm x 2-20 µm veya daha uzun), bir veya daha fazla sayıda polar veya alt-polar flagella ile canlı bakteriler şeklinde sularda bulunur. Hem laboratuvar hem de pratik uygulamalarda yapılan araştırmalar biyokütle konsantrasyonunun artması ile Legionella sayısınında arttığını göstermiştir [8].

Legionellaların su sistemlerinde birarada büyümesini ve sağ kalmasını etkileyen biyofilm ve tortu oluşumları dışında diğer unsurlar da mevcuttur. Bu unsurlar, diğer bakteri türleri (antagonistler veya sinerjistler), sıcaklık, pH değeri, oksijen kısmi basıncı, birikmiş kalsiyum (kalsiyum karbonat) ve korozyondur. Korozyonun sonucu serbest kalan demir iyonları Legionella büyümesi için önemli faktör olabilmektedir.
Dünya çapında yapılan araştırmalar, Lejyonella’nın deniz suyu hariç tüm sularda doğal olarak bulunabileceğini göstermiştir:

•    Şebeke suyu, sıcak su kaynakları (örneğin apartman blokları, hastaneler, pansiyonlar, evler ve oteller)
•    Yüzey suları (özellikle ısınmış nehirler, göller, göletler)
•    Sarnıçlar
•    Islak zeminler
•    Yüzme havuzları ve jakuzi suyu, ılık su kazanları
•    Soğutma suları, soğutma kulesi
•    Klimalı nemlendiricilerin püskürtme suları (havalandırma ve klima sistemleri)
•    Diş doktoru uygulamaları (turbo delici, çalkalama suyu)

Legionella’nın ön koşulu su sıcaklığının artmasıdır. Legionella gelişimi için risk faktörleri, su sıcaklık değerleri, uzun süre durağan su hali ve sistemde biyofilm ve tortu varlığının olmasıdır. Canlı Legionella doğal ortamda en iyi 25-55°C’de (buna risk aralığı adı verilir), pH değeri 5.5-9.2’de ve çözünmüş oksijen konsantrasyonu 6.0-6.7 mg/l’de çoğalır. [8,9].

HidroBio®-Biyofilm Test Kiti/Su Sistemlerinizin Daha İyi Kontrolü İçin
Su sistemlerinde mikrobiyal gelişimi takip etmek için dipslide uygulaması, ATP ölçümü ve laboratuvar ortamında kültür ya da mikroskopik sayım gibi metotlar kullanılabilir. Fakat,  yüzeyde oluşan tutkalımsı yapışkan biyofilm miktarı, yukarıda sayılan metotlar ile suda tespit edilen bakteri miktarından çok farklıdır ve bu metotlar ile net ve sağlıklı sonuçlar elde edilemeyebilir. Bu nedenle, sistemlerde biyofilm oluşumunun ve miktarının yetersiz tespiti, bakteriyi beslemeye ve kullanılan biyositlerin aktivitelerine karşı bakterileri korumaya devam eder.

Sadece iyi, kapsamlı ve ihtiyaca yönelik düzenlenmiş bir su şartlandırması biyofilm oluşumunu engelleyebilir. HidroBio® test kiti ile biyofilm miktarının belirlenmesi, biyositlerle ilgili işlemlerin çeşitli koşullara adaptasyonunu ve bu sayede Legionella hastalığı gibi mikrobiyolojik risklerin daha iyi kontrol edilmesini sağlar.

Hydrobio® Kullanım Alanları
HidroBio® test kitini her tip su sisteminde biyofilm miktarının belirlenmesi için kullanabilirsiniz. Özellikle de
•    Su soğutma sistemlerinde
•    Proses suyunda (Gıda ve içecek endüstrileri, kağıt endüstrisi vb.)
•    Ters Osmoz sistemlerinde
•    Makro ve biyobirikinti olan tek geçişli sistemlerde
•    Sterilizasyon ve pastörizasyon sistemlerinde.  

Hydrobio® ile Sağlanan Faydalar
Teknik Faydalar:
•    Su sistemlerinizin izlenmesini ve uygulanan biyosit şartlandırmasını tamamlar.
•    Biyosit şartlandırmasını düzenleyerek mikrobiyolojik oluşumu (örneğin Legionnella kontrolü) ve korozyonu engeller.

Giderlerde Azalma:
•    HidroBio® test kitinin kullanımı ile daha optimize biyosit ve şartlandırma kimyasal tüketimi
•    Daha az yıkama/temizlik işlemleri
•    Daha iyi ısı transferini ve daha az boru/sistem tıkanmasını sağlar.

Kullanım Kolaylığı:
•    Kullanımı çok kolay bir test kitidir ve operatörler tarafından kullanılabilir. Netice almada ayrıca bir laboratuvar ortamına gerek yoktur.
•    Eğer sistemde korozyon hızı ölçüm sistemi (rak) mevcut ise, bu sistem HidroBio® içinde kullanılabilir.

Güvenlik ve Düzenlemeler:  
•    Su sistemlerinin daha iyi takibi ile mikrobiyal risk kontrolünün daha iyi yapılmasını sağlar.
•    Mikrobiyolojik risklere karşı azami güvenlik sağlar.
•    Mikrobiyolojik oluşum ve risk tespiti ile ilgili düzenlemelerin gerekliliklerini yerine getirmenin iyi bir yoludur.

HydroBio® Kullanma Talimatı: Çabuk ve Basit Kullanım
1.    Su sisteminde bulunan raka belirlenen süre boyunca bir kupon yerleştiriniz (süre için bölge sorumlumuza danışınız).
2.    Kuponu 2 dakika boyunca yıkama çözeltisinin içinde bekletiniz.
3.    Daha sonra kuponu 15 dakika boyunca renklendirici çözeltinin içinde bekletiniz.
4.    Tekrar kuponu 2 dakika boyunca yıkama çözeltisinin içinde bekletiniz.
5.    Renklenmiş kuponu renk skalası ile karşılaştırınız.

Hydrobio® Test Kiti Uygulama Örneği
Laboratuvar ve pilot tesiste elde edilen sonuçları teyit etmek amaçlı bir yılı geçen bir süre boyunca bir müşterimizin soğutma sistemlerinden HydroBio® test kiti ile veri toplanmıştır. Tesiste, 7 adet soğutma sistemi olup korozyon ve kireç inhibitörü olarak Ferrofos 8512 kullanılmaktadır. Biyosit şartlandırması olarak ise sürekli ozon dozajı yapılmaktadır.

Yapılan çalışmanın amacı, HydroBio® ile elde edilen laboratuvar ve pilot tesis sonuçlarının endüstriyel şartlarda geçerliliğini doğrulamaktır. Diğer bir amaç da, dezenfeksiyon için yapılan ozon dozajını izlemek ve kontrol etmektir.

Soğutma sistemlerinde korozyon ölçümü düzenli olarak yapıldığı için ölçüm için sistemde bulundurulan rak sistemleri aynı zamanda HydroBio® test kitinde bulunan paslanmaz çelik kuponların sisteme yerleştirilmesi içinde kullanılmıştır. Her bir soğutma sistemine yerleştirilen biyofilm kuponları 2 haftada 1 defa analiz edilmiştir.

HydroBio® - Paslanmaz Çelik Kuponların Su Sistemine Yerleştirilmesi:
•    Sistemde kalma süresi: 2 hafta  (biyofilmin büyümesine bağlı olarak ayarlanmalıdır)
•    Kupon, test rakının içine ASTM D2688 kupon testi standartında (Şekil 3) yerleştirilmelidir.    
•    Kuponlar, sistemde biyofilm riskinin tespit edilmek istendiği noktaya yerleştirilmelidir (örneğin duran bir su sistemine yerleştirilmemelidir).

Çalışma sırasında biyofilm kuponları için 2 adet (aynı zamanda korozyon kuponları için de kullanılan) bölge kullanılmıştır. Kuponlardan bir tanesi sahada HydroBio® ile test edilirken diğeri Mikrobiyoloji Ar-Ge departmanımız tarafından analiz (biyofilm ekstrakte edilip, boyanıp, fotometrede analizi yapılmıştır) edilmiştir.    
Sonuç olarak, Mikrobiyoloji Ar-Ge departmanımız tarafından tespit edilen sonuçlar ile sahada HydroBio® ile tespit edilen değerlerin karşılaştırması, sahadan elde edilen değerlerin geçerliliğini doğrulamıştır. Ayrıca biyofilm ölçümü, biyofilm gelişimi ve ozon dozajı arasındaki ilişkiyi de açık bir şekilde belirtmiştir.  Şekil 4’te iki adet soğutma sisteminden elde edilen biyofilm ölçümleri verilmiştir.

1 no’lu soğutma sisteminde, çalışma sırasında ozon dozajı düzenli olarak yapılmış ve buna bağlı olarak HydroBio® ile sabit ve düşük bir biyofilm miktarı tespit edilmiştir. 2 no’lu soğutma sisteminde ise düzenli bir ozon dozajı sağlanamamış ve bu düzensizlik sonucu biyofilm gelişmesi sözkonusu olup, bu durum HydroBio® ölçümleri ile tespit edilmiştir. Düzensiz ozon dozajının tespiti ile sistemde gerçekleşen biyofilm miktarının daha düşük değerlere çekilmesi için dozaj miktarı arttırılmış ya da şok uygulama yapılmıştır. Böylece sistemde tekrar düşük biyofilm değerleri tespit edilmiştir. Bu çalışma ile HydroBio®nun biyofilm miktarını ölçmedeki güvenilirliği kanıtlanmış, alınan sonuçlara göre dezenfektan dozaj miktarları optimize edilmiş ve aynı zamanda sonuçlar müşteri tarafından da onaylanmştır.

Kaynaklar
[1] Sawada I., Fachrul R., Ito T., Ohmukai Y., Maruyama T. ve Matsuyama H., 2012: Development of a Hydrophilic Polymer Membrane Containing Silver Nanoparticles with both Organic Antifouling and Antibacterial Properties, Journal of Membrane Science 387– 388 (2012) 1– 6.

[2] Türetgen İ., 2006: Su Şebeke Sistemlerinde Mikrobiyal Biyofilm Tabakası, Tesisat Mühendisliği Dergisi Sayı: 92, s. 29-32.

[3] Altuğ G., Mine Çardak M., Çiftçi P.S. ve Gürün S., 2007: Farklı Materyallerde Oluşan Bakteriyel Biyofilm Tabakasından İzole Edilen Aerobik Heterotrofik Bakterı Düzeyleri, Ulusal Su Günleri 2007, Antalya.

[4] Gün İ. ve Ekinci, F. Y., 2009: Biyofilmler: Yüzeylerdeki Mikrobiyal Yaşam, GIDA (2009) 34 (3): 165-173.

[5] Davis D. ve Monroe D., 2007: Looking for Chinks in the Armor of Bacterial Biofilms” PLoS Biol, Vol 5, issue 11.

[6] Tanji Y., Nishihara T. ve Miyanaga K., 2007: Monitoring of Biofilm in Cooling Water System by Measuring Lactic acid Consumption Rate, Biochemical Engineering Journal 35 (2007) 81–86.

[7] Teng F., Guan Y. T. ve  Zhu W.P., 2008: Effect of Biofilm on Cast Iron Pipe Corrosion in Drinking Water Distribution System: Corrosion Scales Characterization and Microbial Community Structure Investigation, Corrosion Science 50 (2008) 2816–2823.

[8] van der Kooija D., Veenendaala H. R. ve Scheffer W. J. H., 2005: Biofilm Formation and Multiplication of Legionella in a Model Warm Water System with Pipes of Copper, Stainless Steel and Cross-linked Polyethylene, Water Research 39 (2005) 2789–2798.

[9] Dr. Wolfgang Hater, BK Giulini GmbH / Stefan Stumpe, Henkel KgaA, 2002:  Legionella Pneumophila Legionaires Pathogens (Legionellosis, Legionnaires Disease).