Mikrobiologische Kontrolle

Mikroorganismen, wie Algen, Bakterien und Pilze, finden in vielen wasserführenden Systemen ideale Lebensbedingungen vor. Ein ungehindertes Wachstum dieser niederen Organismen führt meistens zu erheblichen Betriebstörungen und Schäden.

Algenwachstum und -vermehrung läuft über die Photosynthese ab und ist daher an Lichteinstrahlung gebunden. Probleme mit Algenwachstum gibt es daher im Wesentlichen nur in Kühltürmen und offenen Zwischenbehältern. Durch geeignete Lichtabschirmung kann bereits weitgehende Abhilfe geschaffen werden.

Pilze sind allgegenwärtig und benötigen für ihr Wachstum lediglich stets im Überschuss vorhandene mineralische Bestandteile sowie organische Verbindungen. Jedoch ist deren ungehindertes Wachstum, das stärkere Probleme mit sich bringt, im Allgemeinen an das Vorhandensein von Holzeinbauten in Kühltürmen gebunden.

Bakterien können aufgrund ihrer großen Anpassungsfähigkeit unter sehr verschiedenartigen Bedingungen existieren. Der Stoffwechsel der meisten Bakterienarten ist aerob, d.h. an das Vorhandensein von gelöstem Sauerstoff gebunden. Manche Arten sind jedoch auf anaerobe Lebensbedingungen spezialisiert. Außer in besonders gereinigtem Wasser, stellt das Nahrungsangebot auch bei hohen Bakterienpopulationen von 10⁵ bis 10⁶ Keimen pro ml keinen begrenzenden Faktor dar.

Hygienische Anforderungen

Durch Bakterien verursachte Störungen und Schäden können vielfältig sein, wobei der Verwendungszweck des Wassers und die Art des wasserführenden Systems entscheidend sind. Für die Erzeugung von Trink- und Brauchwasser, doch auch im Bereich der Klimatechnik, stehen hygienische Anforderungen im Vordergrund.

Trinkwasser muss keimarm und frei von pathogenen Keimen sein. Als keimarm ist ein Wasser mit weniger als 100 kolonienbildenden Einheiten (KBE) pro ml zu bezeichnen. Vereinzelt auftretende pathogene Keime im Wasser sind in der Praxis analytisch kaum erfassbar.

Als Indiz für die Möglichkeit der Übertragung von Krankheiten nimmt man daher das Vorhandensein von Koli- und koliformen Bakterien, die Bestandteil der Darmflora und selbst nicht pathogen sind. Trinkwasser muss daher frei von Koli- und koliformen Bakterien sein. Für Wasser, das u.a. zur Produktion von pharmazeutischen Produkten dient, wird völlige Keimfreiheit gefordert.
Von Klimawäschern darf generell keine zusätzliche Belastung des Raumklimas mit Mikroorganismen ausgehen. Luftwäscher werden durch Speisewasser und Luft mit Mikroorganismen beaufschlagt. Ohne mikrobiologische Kontrolle findet im Wäscher eine rasche Vermehrung statt.

Durch geeignete Maßnahmen ist eine Begrenzung von etwa 1000 KBE/ml in Klimaanlagen für Normalanforderungen anzustreben. Noch strengere Forderungen sind an Klimawäscher für Steril-Bereiche zu stellen. In solchem Umlaufwasser sollte die KBE-Zahl im Bereich von Null bis 100 KBE /ml liegen. Entscheidend ist die rasche Abtötung.

Forderungen nach einer Begrenzung der Gesamtkeimzahl in diesen Anlagen auf 10 KBE /ml sind dagegen aus folgendem Grund unsinnig: Aufgrund der permanenten Belastung der Wäscher mit Mikroorganismen aus der Außenluft und der geforderten raschen Abtötung, muss das Wasser stark bakterizide und fungizide Eigenschaften haben, so dass zwischen dem Zeitpunkt der Probenahme und der Behandlung zur Keimzahlanalyse (der erste Schritt ist eine Membranfiltration) eine analytisch nicht erfassbare Keimzahlverringerung stattfindet.

Mikrobiologische Ablagerungen

Für Betriebswasser gelten primär nicht hygienische, sondern andere betriebstechnische Anforderungen bezüglich der mikrobiologischen Beschaffenheit. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass von einer hohen Bakteriendichte in Betriebswasser auch ein gesundheitliches Risiko ausgehen kann: So wurde in einigen Fällen der epidemische Ausbruch der sogenannten Legionärskrankheit (mit zahlreichen Todesfällen) auf eine unkontrollierte Verteilung von Kühlwasser-Aerosolen zurückgeführt.

Wichtigste Aufgabe der mikrobiologischen Kontrolle in Betriebswasser ist die Verhinderung von Ablagerungen. Diese werden von sogenannten schleimbildenden Bakterien verursacht. Das sind Glykogen produzierende sesshafte Bakterienarten, die sich oberhalb einer bestimmten Bakteriendichte im Wasser an Werkstoffoberflächen anlagern. Allein derartige Ablagerungen können bereits die Ursache von Betriebsstörungen sein.

Als Folge der Ablagerungen ist mit Werkstoffschädigungen zu rechnen, da belegte Materialoberflächen der Korrosionsinhibierung nicht zugänglich sind und obendrein Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen korrosiv wirken. Unter den Belägen von aeroben Schleimbildnern herrschen wegen deren Sauerstoffverbrauchs anaerobe Bedingungen, so dass sich dort anaerob lebende Mikroorganismen ausbreiten können.

Gefürchtet sind dabei Sulfat reduzierende Bakterien (z.B. desulfovibrio- desulfuricans), die als Stoffwechselprodukt Schwefelwasserstoff produzieren. Die Folge kann eine rasche Werkstoffzerstörung von Stahl sein. Um die Ablagerung von bakteriellen Belägen in Kühlkreisläufen zu verhindern, sind die Gesamtkeimzahlen unter 10 ⁵ KBE/ml zu halten.

Die Gefahr der Bildung anaerober Mikroorganismen ist besonders in geschlossenen, wasserführenden System gegeben. Die Notwendigkeit einer bakteriologischen Kontrolle in solchen Systemen wird oftmals unterschätzt.

Ablagerungen von Glykogen produzierenden Bakterien in wasserführenden Systemen werden üblicherweise als "bio-fouling" bezeichnet. Entstehen diese Ablagerungen auf Stahloberflächen, sind Gehalte von bis zu 15 Prozent an Korrosionsprodukten, bezogen auf die Gesamtmasse der Ablagerung typisch.

Eine weitere Aufgabe der mikrobiologischen Kontrolle ist der Schutz von im Wasser enthaltenden Wirkstoffen vor bakteriologischem Abbau. Besondere Bedeutung hat dabei die Konservierung von Bohr- und Schneidölemulsionen.

Physikalische Entkeimungsverfahren

In der Wasseraufbereitung sind z.Z. nur zwei unterschiedliche physikalische Verfahren zur Entkeimung von Bedeutung: Die Filtration und die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht.

Die Filtration ist ein mechanischer Trennvorgang. Filter mit Porenöffnungen µm sind für Mikroorganismen undurchlässig. Zur Erzeugung von größeren Mengen entkeimten Wassers kommen Ultrafiltrationsanlagen zum Einsatz, bei denen der Trennvorgang über Kunststoffmembranen oder aber Kompaktfiltern mit Einsetzen von keramischen Filterkerzen stattfindet.

Einen breiteren Anwendungsbereich hat die UV-Entkeimung. Die UV-Strahlung bewirkt eine Zellschädigung durch Veränderung lebenswichtiger Enzyme und der DNS. Dadurch werden Stoffwechselvorgänge sowie eine Replikation unterbunden. Der Mikroorganismus stirbt innerhalb kurzer Zeit. Voraussetzung für die Wirksamkeit der UV-Entkeimung ist klares Wasser mit geringer Absorption im UV-Bereich. Damit sind auch die Grenzen der Anwendbarkeit vorgegeben.

Die UV-Entkeimung kommt vorwiegend bei der Trinkwasseraufbereitung sowie bei der Nachentkeimung für Produktwasser in der Getränkeindustrie zur Anwendung. Doch auch Umlaufwasser von Luftwäschern im Bereich der Reinraumtechnik sind bereits erfolgreich mit UV-Sonden behandelt worden.

Chemische Entkeimungsanlagen

Die chemische Wasserentkeimung erfolgt durch Dosierung von bioziden Wirkstoffen. Die verwendeten sogenannten Mikrobiozide (Algizide, Fungizide, Bakterizide) wirken keimtötend durch die Schädigung der Zellmembranen oder Blockierung lebensnotwendiger Stoffwechselvorgänge.

Die Verwendung von Mikrobioziden erstreckt sich nicht allein auf den Bereich der Wasserbehandlung, sondern auch auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Anlagen, Stoffen und Produkten, die dem Angriff von Mikroorganismen ausgesetzt sein können oder hygienischen Anforderungen genügen müssen. Aus diesem Grund sind eine Vielzahl von Technologien und Wirkstoffen zur Kontrolle der Algen-, Bakterien- und Pilzpopulation entwickelt worden. Der schwerwiegende Nachteil der meisten Biozide ist deren Mangel an Selektivität. Nicht nur Mikroorganismen, sondern auch Zellen höherer Organismen können angegriffen werden. Die Wirkstoffe sind daher, in Abhängigkeit von Konzentrationen, zumeist gesundheitsschädlich oder giftig. Ein weiteres Problem liegt in der anzustrebenden lokalen Wirksamkeit: So muss z.B. im Kühlwasser eine ausreichende biozide Wirksamkeit gewährleistet sein, ohne dass die Mikroflora in Kläranlagen oder Vorflutern geschädigt wird. Viele Wirkstoffe, die in der Vergangenheit eingesetzt wurden, werden heute aufgrund dieser Problematik nicht mehr verwendet.

Gegenstand einer Aufbereitungsempfehlung mit Bioziden ist es daher, eine den Anforderungen gemäße Wirksamkeit bei hoher Wirtschaftlichkeit und Vermeidung jeglicher gesundheitsschädlicher und ökologischer Risiken zu erzielen. Die unterschiedliche Wirkungsweise verschiedener Mikrobiozide ermöglicht eine Einteilung in verschiedene Gruppen, die gemeinsam behandelt werden können. Eine wichtige Gruppe bilden dabei die Biozide mit starker Oxidationsbildung.

Oxidierende Biozide

Hierzu gehören chlor- und bromabspaltende Verbindungen, Chlordioxid, Ozon, Permanganat und Peroxide. Diese Wirkstoffe haben die oxidative Veränderung oder Zerstörung von Enzymen und Informationsträger (DNA) der Mikroorganismen gemeinsam. Als Maß für deren Wirksamkeit (Oxidationskraft) wird das Redoxpotential angegeben. Je positiver das Redoxpotential ist, desto höher ist die Oxidationswirkung.

»        Chlor abspaltende Verbindungen

Gasförmiges Chlor, anorganische und organische Chlor abspaltende Verbindungen (Chlorbleichlauge, Chlorkalk, Chloramine, Chlorisocyanate) bilden in wässriger Lösung Salzsäure (HCl) und die hypochlorige Säure (HOCl), den eigentlichen Wirkstoff.

Cl₂ + H₂O → HCl + HOCl

HOCl → H⁺ + OCl^-

Dieser oxidiert bevorzugt Aminogruppen in Zellmolekülen zu Chloraminen. Aufgrund der pH-Wert -Abhängigkeit der Dissoziation der unterchlorigen Säure - und des Redoxpotentials - ist eine effektive und wirtschaftliche Anwendung auf pH-Werte unter acht beschränkt. Reaktionen mit Chlor sind wenig selektiv, so dass eine Reihe unerwünschter Nebenprodukte entstehen können, insbesondere Chlorkohlenwasserstoffe.

Dennoch haben Chlor abspaltende Biozide, vor allem wegen der niedrigen Kosten, einen breiten Anwendungsbereich, der sich über Trinkwasserentkeimung, Behandlung von Schwimmbad- und Betriebswasser in verschiedenen Bereichen erstreckt.

Die Wirksamkeit in Betriebswassersystemen, z.B. industriellen Kühlkreisläufen, kann durch ergänzende Dosierung sogenannter Biodispergatoren erheblich gesteigert werden. Zur genauen Regelung der Dosierhöhe ist eine Redoxpotentialsteuerung zu empfehlen.

»        Chlordioxid

Der Vorteil der oxidativen Entkeimung mit Chlordioxid ist, dass weitaus weniger Chlorkohlenwasserstoffe entstehen als bei Chlor abspaltenden Verbindungen und eine bessere Wirksamkeit bei pH-Werten über acht gegeben ist. Nachteilig sind jedoch die Bildung von ClO₂^-, welches als toxisch eingeschätzt wird, der vergleichsweise höhere technische Aufwand und die damit verbundenen höheren Kosten. Chlordioxid kann nicht bevorratet werden, sondern muss vor der Dosierstelle erzeugt werden. Chlordioxid ist ebenfalls als Entkeimungsmittel für Trinkwasser zugelassen.

»        Ozon

Die Entkeimung mit Ozon ist im Wesentlichen auf die Behandlung von Trink- und Schwimmbadwasser beschränkt. Ozon kann ebenfalls nicht bevorratet werden, sondern muss elektrochemisch an der Dosierstelle erzeugt werden. Wegen der starken Giftwirkung sind bei der Trinkwasserbehandlung, wie mit Chlordioxid, auch spurenweise vorhandene Überschüsse zu beseitigen.

Nichtoxidierende Biozide

»        Aldehydische Wirkstoffe

Die Aktivität von Aldehyden als Biozid beruht auf der Reaktionsfähigkeit mit Aminogruppen. Die konservierende Wirkung von Formaldehyd (Formalin) ist seit langem bekannt, jedoch hat dessen Verwendung als Biozid und Desinfektionsmittel wegen des potentiell carcinogenen Charakters an Bedeutung verloren.

Obendrein sind so genannte mehrfunktionelle Aldehyde (das sind solche mit mehreren Aldehydgruppen in einem Molekül) als Biozid wirksamer. Neben Glyoxal und Glutaraldehyd haben in neuerer Zeit höhermolekulare Aldehydverbindungen nicht zuletzt aufgrund ihrer guten Abbaubarkeit an Bedeutung gewonnen.

»        Quaternäre Ammoniumverbindungen

Diese Stoffklasse findet seit langem, insbesondere in industriellen Kreisläufen, Verwendung. Die so genannten Quats greifen die Zellmembran von Mikroorganismen an und haben aufgrund ihrer Tensideigenschaften eine gute Reinigungswirkung. Ein rascher und vollständiger Abbau in biologischen Klärstufen ist erwiesen. Nachteilig ist die starke Schaumwirkung.

»        Isothiazolon-Verbindungen

Zur Produktkonservierung und als Biozid in Betriebswasser haben Isothiazolonderivate während der vergangenen Jahre einen beträchtlichen Marktanteil errungen. Der Grund liegt in den allgemein niedrigen erforderlichen Einsatzkonzentrationen.

Der genaue Wirkungsmechanismus ist nicht bekannt. Isothiazolonderivate werden in ausreichender Verdünnung langsam biologisch abgebaut, jedoch ist aufgrund der beträchtlichen Toxizität, auch für höhere Wasser-Organismen, bei der Abwasserabgabe stets Vorsicht geboten.

»        Weitere Biozidwirkstoffe

Eine große Zahl von Mikrobioziden wurde für unterschiedliche Anwendungsbereiche entwickelt und viele fanden auch in der Wasserbehandlung Verwendung. Davon sind einige Stoffe wegen ihrer toxikologischen oder ökologischen Bedenklichkeit wieder vom Wasseraufbereitungsmarkt verschwunden (Acrolein, Formaldehyd, Chlorphenole, Schwermetallverbindungen).

Andere haben jedoch einen festen Platz in der Betriebswasserbehandlung. Die wichtigsten sind bromorganische und schwefelorganische Verbindungen, auf die hier jedoch nicht näher eingegangen werden soll.

Immunität von Mikroorganismen

In Kreislaufsystemen kann gegenüber jedem der vorgenannten Wirkstoffe nach einiger Zeit eine gewisse Immunität eintreten. Hierfür gibt es im Wesentlichen zwei Gründe:

»    Selektion: In wasserführenden Systemen können viele Arten von Mikroorganismen auftreten, die auf bestimmte biozide Wirkstoffe unterschiedlich empfindlich reagieren. Die Beseitigung einiger Arten kann für andere mit höherer Widerstandsfähigkeit die Erweiterung ihres Lebensraumes bewirken, so dass langfristig lediglich eine Veränderung der Artenzusammensetzung erreicht wird.

»    Adaption: Mikroorganismen haben, begünstigt durch ihren kurzen Generationswechsel, die bemerkenswerte Eigenschaft, sich veränderten Lebensbedingungen anzupassen. So reagieren z.B. manche Bakterienarten auf Zellgifte mit erhöhter Glycogenproduktion und bauen auf diese Weise eine Schutzhülle auf.

Eine derartige Ausbildung resistenter Arten und Stämme führt allmählich zu einer Beschränkung der Wirksamkeit von Bioziden. Durch eine Optimierung der Dosierintervalle und gelegentlichem Wechsel der Wirkstoffe können derartige Nachteile weitgehend vermieden werden.