Drobnoustroje wchodzące w kontakt z powierzchnią ścian, podłóg, maszyn i urządzeń, a także systemów kanalizacyjnych i wentylacyjnych w zakładach produkcji żywności, dążą do trwałego połączenia się z nimi, ponieważ stan taki umożliwia im skuteczne konkurowanie o substancje odżywcze oraz osłabia niekorzystne oddziaływanie czynników środowiskowych.
Biofilmy z natury mogą być strukturami o mikrobiocie homogennej (jednogatunkowej), lub heterogennej (wielogatunkowej). Biofilmy wielogatunkowe charakteryzują się swoistą organizacją struktury i jest ona procesem wielostopniowym, w którym rozróżnia się dwa fundamentalne stadia – adhezję odwracalną i adhezję nieodwracalną. W początkowej fazie, wskutek działania sił hydrodynamicznych, termodynamicznych czy sił van der Waalsa, komórki planktonowe przemieszczają się w stronę powierzchni. Ponieważ ich kontakt oraz odległość od zasiedlanej powierzchni są względnie ograniczone, zjawisko to określa się mianem adhezji odwracalnej. Na tym etapie komórki bakterii mogą zostać usunięte z powierzchni przy użyciu metod chemicznych i fizycznych np. mycie i płukanie powierzchni. Gdy w środowisku panują sprzyjające warunki, a odległość między komórkami a podłożem jest mniejsza niż 1,5nm, dochodzi do adhezji nieodwracalnej na skutek powstania wiązań wodorowych, jonowych, kowalencyjnych, czy oddziaływań typu dipol-dipol. W przypadku gdy, skupiska zaadherowanych komórek nie zostaną wkrótkim czasie usunięte mechanicznie, następuje ich stabilizacja, poprzedzona wzmożoną produkcją zewnątrzkomórkowych związków polimerowych EPS (Exopolymeric Substances), w tym polisacharydów, białek, fosfolipidów i kwas nukleinowych. Wytworzona wokół skupiska bakterii macierz EPS stanowi zarówno idealne podłoże do adhezji kolejnych drobnoustrojów, jak również podstawę tworzenia struktury mikrokolonii i biofilmu. Wskutek namnażania drobnoustrojów tworzą się kolejne warstwy biofilmu, przy czym liczebność komórek rozpoznawana jest na drodze quorum sensing QS. Jest to zjawisko chemiczne polegające na wytwarzaniu i odbieraniu przez komórki cząsteczek sygnałowych swobodnie dyfundujących pomiędzy komórkami. Przy wysokim stopniu zagęszczenia komórek następuje ich różnicowania. W głębszych warstwach biofilmu, komórki przechodzą w stan swoistego uśpienia, podczas gdy komórki obecne w zewnętrznych warstwach biofilmu pozostają aktywne metabiologicznie.
Jest wiele czynników wpływających na tworzenie biofilmu. Jednym z nich, szczególnie w warunkach przemysłowych jest ruch płynów. Bakterie wykazują zdolność adhezji do powierzchni urządzeń gdy zachodzi zarówno statyczny (laminarny), jak i dynamiczny (turbulentny) przepływ cieczy. W przypadku przepływów laminarnych, gdzie siły ścinające są stosunkowo niewielkie, obserwuje się tworzenie błon biologicznych o różnych typach budowy. W środowiskach o silnych siłach ścinających utworzone biofilmy charakteryzują się gładką otoczką zewnętrzną, wydłużoną paskową strukturą oraz ściślejszym upakowaniem komórek w matrycy EPS.
Stopień oraz szybkość zasiedlania powierzchni przez drobnoustroje w dużej mierze zależy od jej struktury. W instalacjach technologicznych przemysłu spożywczego stosuje się przede wszystkim materiały wykonane ze stali nierdzewnej, jednakże regularne procesy mycia i dezynfekcji środkami chemicznymi mogą powodować korozję materiałów a tym samym zwiększać porowatość powierzchni. Bardzo dużym zagrożeniem jest tworzenie się mikropęknięć, które są idealnym miejscem do zasiedlania się bakterii. Sprawia to, że drobnoustroje w pierwszej kolejności zasiedlają miejsca o chropowatej lub uszkodzonej powierzchni, oraz miejsca trudno dostępne do procesów higienizacji.
Istotnym czynnikiem wpływającym na tworzenie błon biologicznych są interakcje hydrofobowo-hydrofilowe. Drobnoustroje szybciej kolonizują powierzchnie hydrofobowe (np. plastik) niż hydrofilowe (np. szkło, stal nierdzewna), oraz że zdolność adhezji maleje wraz ze zmniejszaniem się stopnia właściwości hydrofobowych komórek bakterii. Niemniej jednak, można zauważyć, iż nie zawsze obserwuje się jednoznaczną zależność pomiędzy adhezją mikroorganizmów a hydrofobowością.
Występowanie biofilmów bakteryjnych jest szczególnie niekorzystne w produkcji żywności. Biofilmy stanowią źródła komórek bakterii w liniach technologicznych, które mogą być przenoszone na kolejne etapy produkcji. Obecność wielu mikroorganizmów, szczególnie drobnoustrojów chorobotwórczych lub potencjalnie chorobotwórczych, w końcowych produktach jest niepożądana, ze względu na zagrożenie zdrowia i życia konsumentów oraz znaczące straty ekonomiczne. Biofilmy występują we wszystkich gałęziach przemysłu spożywczego. Rodzaj mikroorganizmów wchodzących w skład biofilmów zależy w dużej mierze od składu jakościowego i ilościowego mikroorganizmów wnoszonych z surowcem, dostępności składników odżywczych, skuteczności procesów mycia, zanieczyszczeń krzyżowych czy czynników środowiskowych.
W przemyśle przetwórstwa mięsnego w skład biofilmów wchodzą bakterie Listeria monocytogenes, Pseudomonas spp., Acinetobacter spp., Lactobacillus spp., Leuconostac spp., Escherichia coli, Moraxella spp., Brochotrix thermophacta, Yersinia enterocolitica, Staphylococcus aureus, zaś w zakładach przetwarzających drób, dodatkowo obserwuje się tworzenie biofilmów przez Salmonella spp., Listeria monocytogenes, Campylobacter spp.
Ze względu na swoje specyficzne właściwości, dojrzałe biofilmy są bardzo trudne do usunięcia. W początkowym stadium tworzenia biofilmu. Kolonizacji powierzchni bez wytworzenia otoczki EPS, usuniecie mikroorganizmów jest możliwe przy użyciu zwykłych, rutynowych działań mechanicznych jak płukanie, mycie powierzchni czy działanie temperatury. Gdy dochodzi do adhezji nieodwracalnej i utworzenia mikrokolonii, standardowe procedury mycia nie są wystarczające. Ponadto, co jest bardzo istotne, mechaniczne usuwanie dojrzałych biofilmów, może przyczynić się do tworzenia bioaerozoli i rozprzestrzeniania się komórek w inne rejony powierzchni użytkowych. Z tego względu, fizycznym metodom usuwania biofilmów powinny towarzyszyć procesy chemiczne poprzez regularną aplikację środków dezynfekujących. Warto również zaznaczyć, że efektywność dezynfekantów jest uwarunkowana między innymi czasem ekspozycji, wartością pH, temperaturą otoczenia, czy obecnością pozostałości organicznych na powierzchniach technologicznych. Ponadto, komórki otoczone warstwą zewnątrzkomórkowych związków polimerowych wykazują właściwości odmienne niż komórki planktonowe. Na skutek inaktywacji określonych szlaków metabolicznych jak również obecności matrycy EPS, która jest częściowo przepuszczalna dla substancji chemicznych, komórki w biofilmie pozostają bardzo oporne na działanie środków dezynfekcyjnych niż formy planktonowe.
Biofilm jest bardzo fascynującym tworem, jednak jego nieunikniona obecność jest bardzo problematyczna. Po pierwsze detekcja skupisk jest nie lada wyzwaniem, następnie jego skuteczne usunięcie i zabicie niepożądanych bakterii wymaga już specjalistycznej wiedzy. Do substancji najczęściej używanych w procesach dezynfekcji linii technologicznych w przemyśle spożywczym zalicza się środki utleniające (związki chlorowe, nadtlenek wodoru, ozon, kwas nadoctowy), środki powierzchniowo czynne, jodofory czy surfaktanty. Coraz większą popularnością cieszą się metody mające na celu zakłócenie struktury matrycy zewnątrzkomórkowych związków polimerowych jak na przykład promieniowanie ultrafioletowe, oscylacyjne pole elektromagnetyczne, pulsacyjne pole elektromagnetyczne, ultradźwięki czy zastosowanie zimnej plazmy.
mgr inż. Michał Zieliński
Ekspert ds. bezpieczeństwa żywności