Verkeimung, Biozidwirkstoffe, Angriffspunkte und Probleme - MionTec

Verkeimung technischer Anlagen:
Biozidwirkstoffe, Angriffspunkte und Probleme rund herum –
ein Überblick
5.2009
Sara Herbstritt
MionTec GmbH

Kontakt:
MionTec GmbH
Dr. Gunda Lakaschus Lohrenz, Dipl. Ing. Joachim Alt, Dipl. Biol. Sara Herbstritt, Dr. Dieter Mauer
Altenberger Str. 147
D-51381 Leverkusen
Tel +49 (0)2171-39563-0
oder +49 (0)173-2947723
Fax +49 (0)2171-39563-28
eMail vertrieb@miontec.de
WEB http://www.miontec.de
– 2 – MionTec GmbH, 14.06.09

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 4
2 Keime: Einteilung – Eigenschaften- Vorkommen 5
2.1 Organismengruppen! 5
2.1.1 Bakterien 5
2.1.2 Pilze/Hefen 5
2.1.3 Algen und andere eukaryotische Einzeller 5
2.2 Einige!wichtige!Begriffe!und!ihre!Bedeutung! 5
2.3 Vorkommen:!Konkurrenz!und!Spezialisierung! 6
2.4 Gesundheitsgefährdung! 7
3 Übersicht über verschiedene Klassen von Bioziden 9
3.1 Oxidative!Biozide! 9
3.2 Moderate!Elektrophile!(Aldehyde,!Isothiazolone)! 9
3.3 Membranaktive!Biozidwirkstoffe!(QUATs,!Biguanide)! 10
3.4 Protonophore!(Parabene,!schwache!organische!Säuren)! 11
4 Resistenzen 12
4.1 Zum!Begriff! 12
4.2 Resistenzbildung! 12
4.3 Fehlinterpretationen!des!Begriffs!Resistenz! 12
4.4 Anwendungsfehler! 13
MionTec GmbH, 14.06.09 – 3 –

1 Einleitung
Technische Anlagen aus dem Bereich der Wasserbehandlung müssen oft regelmäßig entkeimt
werden, um deren Leistung oder die der Folgeprozesse zu erhalten. Hierzu gehören
insbesondere offene Anlagen in der Metalloberflächentechnik, Enthärtungsanlagen, aber auch
teilweise Vollentsalzungsanlagen.
Bei den hierzu verwendeten Bioziden liegt das Augenmerk oft in erster Linie auf der erbrachten
Leistung und den Kosten der Präparate. Die Wirkungsweise der verschiedenen Bestandteile auf
unterschiedliche Organismengruppen wird dabei häufig außer Acht gelassen. Dabei wird die
Gelegenheit versäumt, die Behandlungsprogramme zu verfeinern und damit deren Kosten zu
minimieren.
Die Verkeimung von Prozessbädern wird meist durch die Anzahl von Keimen pro ml
angegeben. Welche Keimzahlen unbedenklich sind, hängt davon ab, ob von den vorliegenden
Organismen eine Gesundheitsgefährdung ausgeht und ob der Prozess von der Verkeimung
beeinträchtigt wird. Die umgangssprachlich als „Keime“ zusammengefassten
Organismengruppen setzen den Biozidwirkstoffen jedoch unterschiedliche Barrieren entgegen
und sind dadurch auch mit Breitbandbioziden nicht alle in gleichem Maße angreifbar. Beispiel
hierfür sind gram-negative Bakterienstämme (z.B. Legionella), deren Zellwand eine
Außenmembran und eine Zuckerpolymerschicht enthält. Große und hydrophobe Moleküle
können diese Schichtung schwer durchdringen. 1 Biozide beeinträchtigen Mikroorganismen
durch die Schädigung bestimmter Zellstrukturen. Die Effizienz hängt hierbei davon ab, ob
überlebenswichtige Strukturen angegriffen werden, oder nur für die Zelle weniger notwendige
Moleküle zerstört werden.
Anders als Antibiotika wirken Biozide jedoch nicht spezifisch. Biozidwirkstoffe reagieren je
nach Stoffklasse bevorzugt mit bestimmten funktionellen Gruppen. Dennoch lässt sich das
Zusammenwirken verschiedener Biozidwirkstoffe wesentlich besser einschätzen, wenn die
Reaktionsweise der einzelnen Komponenten bekannt ist.
Dieser Artikel soll einen Überblick über die wichtigsten Biozidwirkstoffklassen geben. Es werden
einige im Zusammenhang mit Bioziden auftretende Begriffe erläutert und eine Übersicht über
die auftretenden Organismengruppen gegeben. Die Themen Gesundheitsgefährdung und
Resistenzbildung werden ebenfalls beleuchtet.
– 4 – MionTec GmbH, 14.06.09

2 Keime: Einteilung – Eigenschaften- Vorkommen
Welche Lebewesen fallen unter den Begriff „Keime“? Was genau sind Sporen? Wie entsteht Fäulnis?
Was ist eine Koloniebildende Einheit?… – Ein Überblick:
2.1 Organismengruppen
2.1.1 Bakterien
Bakterien sind einzellige Mikroorganismen ohne Zellkern. Sie besitzen meist eine Zellwand. Je
nach Spezies können Bakterien aeroben oder anaeroben Stoffwechsel betreiben und sind
teilweise sogar zur Photosynthese befähigt. Die Größe von Bakterien variiert zwischen 0,4 und
50 µm. Es gibt sessile und bewegliche Bakterienarten. Bakterien vermehren sich vor allem
asexuell durch Zellteilung, sind aber durch verschiedene Mechanismen befähigt, genetisches
Material untereinander auszutauschen.
Manche Bakterien bilden Dauerstadien (Sporen, Zysten) aus, in denen der komplette
Stoffwechsel zum Erliegen kommt. In diesem Zustand können die Bakterien für sie ungünstige
- auch extreme - Umweltbedingungen überstehen und mehrere Jahre überdauern. Die Sporen
dieser Bakterien werden von den üblichen Bioziden nicht erfasst und können oft nur durch z.B.
höher konzentrierte Hypochloritlösung abgetötet werden.
Andere Bakteriengattungen haben ihren Stoffwechsel direkt an extreme Umweltbedingungen
angepasst. Sie werden als Extremophile bezeichnet.
Bekannte Bakterienarten, die in Wasser vorkommen, sind Escherichia coli (E. coli) und
Legionella Sp.
2.1.2 Pilze/Hefen
Pilze sind ein- bis vielzellige Lebewesen mit Zellkern(en). Ihre Zellen besitzen ein Zellskelett,
Zellwände (meist aus Chitin) und Vakuolen. Einzellige Pilze, wie z.B. die Hefen, vermehren
sich u.a. durch Zellteilung oder Sporenbildung, vielzellige oft auch durch extreme Ausbreitung
ihres dünnfädigen Pilzgeflechtes (Mycel). Pilze sind unbeweglich und können sich nur durch
„mitgetragen werden“ in Luft oder Flüssigkeit fortbewegen. Auf der Oberfläche von
Industriebädern wachsende Fadenpilze werden bei einer Probenahme im Bad oft nicht erfasst,
weil sie sich nur oberflächlich aufhalten. Allgemein bekannt sind Hefen wie die Bäckerhefe und
Schimmelpilze.
2.1.3 Algen und andere eukaryotische Einzeller
Algen sind ein- oder mehrzellige Photosynthese betreibende Lebewesen mit Zellwänden und
Zellkern(en). Demnach sind die meisten Algen auf eine kontinuierliche Lichtzufuhr
angewiesen. Einzellige und wenigzellige Algen können sich oft aktiv fortbewegen. Die
Vermehrungsweise ist unter den verschiedenen Algen sehr unterschiedlich.
Auch eukaryotische (Zellkernhaltige) Einzeller, die keine Photosynthese betreiben, haben in der
Regel keine Zellwand. Sie sind daher auf relativ stabile osmotische Verhältnisse angewiesen
und treten so selten unter extremen Bedingungen auf. Trockenperioden können durch
Zystenbildung überwunden werden. Bekannte Vertreter sind Amöben und Pantoffeltierchen.
2.2 Einige wichtige Begriffe und ihre Bedeutung
Im Zusammenhang mit Bakterien treten oft die Begriffe gram-positiv und gram-negativ auf.
Die Gramfärbung ist ein wichtiges Kriterium für die Unterscheidung von Bakterien nach dem
Aufbau ihrer Zellwand. Sie beruht auf dem unterschiedlichen Aufbau der Bakterienhülle aus
verschiedenen Peptidoglycanen (Murein) sowie Teichonsäuren. Bakterien können so nach der
MionTec GmbH, 14.06.09 – 5 –

Färbung mit bestimmten Reagenzien mikroskopisch grob in zwei Klassen unterteilt werden.
Diese Einteilung hilft bei der Abschätzung von Desinfektionsmittelwirksamkeiten.
Der Begriff „Spore“ beschreibt in der Biologie ein- oder wenigzellige Entwicklungsstadien
verschiedener Lebewesen. Das Gleichsetzen von „Spore“ und „Pilzspore“ ist ebenso falsch, wie
das Gleichsetzen verschiedener Pilzsporen untereinander. Sporen werden von einigen
Vertretern aller hier genannten Organismengruppen gebildet. Ihr Aufbau ist ebenso
unterschiedlich. Richtig ist jedoch, dass viele Sporenarten der Überdauerung dienen und durch
ihren Aufbau widerstandsfähig gegenüber extremen Umwelteinflüssen sind. So sind viele
Sporenhüllen auch schlecht durchdringbar für Desinfektionsmittel. Biozidwirkstoffe werden
unterteilt in sporozide und nicht sporozide Substanzen, oft ohne zu beschreiben, welche
Sporenarten erfasst werden.
Als Aerobier bzw. als aerob bezeichnete Lebewesen, benötigen zum Leben elementaren
Sauerstoff (O 2). Der Sauerstoff wird überwiegend für oxidative Stoffumsetzungen im
Energiestoffwechsel benötigt, wie zum Beispiel bei der Zellatmung.
Als anaerob werden Atemprozesse bezeichnet, die kein O 2 benötigen. Lebewesen, die für ihren
Stoffwechsel nicht auf Sauerstoff angewiesen sind werden als Anaerobier bezeichnet. Anaerobe
Redoxreaktionen, bei denen also kein O 2 - zum Beispiel als Elektronenakzeptor - beteiligt ist,
werden bei Verbrauch externer Elektronenakzeptoren als anaerobe Atmung bezeichnet. Hierbei
dienen vor allem Nitrat, Fe 3+ , Mn 4+ , Sulfat, Schwefel, Fumarat und CO 2 als
Elektronenakzeptoren.
Von Gärung spricht man, wenn weder Sauerstoff noch andere Elektronenakzeptoren im
Umgebungsmedium vorhanden sind und interne Elektronenakzeptoren verwendet werden.
Der Prozess der Gärung ist zwar ein anaerober Vorgang, aber kein Atmungsprozess, also auch
keine anaerobe Atmung. Die dazu befähigten Organismen werden daher nicht den
Anaerobiern zugeordnet. Es sind vor allem Milchsäurebakterien (Milchsäuregärung) und Hefen
(alkoholische Gärung).
Als Fäulnis wird die durch Mikroorganismen unter Sauerstoffmangel ausgelöste Zersetzung
organischer Substanz bezeichnet. Sie ist eine natürliche Form der Gärung. Die bei Fäulnis
entstehenden Stoffwechselprodukte sind meist selbst organische Substanzen, zum Beispiel
Propionsäure, Essigsäure, Buttersäure, Ethanol und Amine. Viele dieser Verbindungen sind
flüchtig und für den unangenehmen Geruch verantwortlich, der bei Fäulnisprozessen entsteht.
Durch den mikrobiellen Abbau von Proteinen und Aminosäuren entstehen außerdem Gase wie
Ammoniak und Schwefelwasserstoff.
Gärung, Fäulnis und anaerobe Atmungsprozesse können durch Vermeiden langer Standzeiten
und gute Luftdurchmischung von Bädern weitgehend vermieden werden. Der sogenannte
„Montagmorgen-Geruch“ von offenen Anlagen, die über das Wochenende stehen, ist das
Ergebnis von Sauerstoffmangel in den unteren Badbereichen.
Der Begriff „Koloniebildende Einheiten“ (KBE) besagt in Näherung, dass in einer Probe eine
bestimmte Anzahl vermehrungsfähiger Mikroorganismen auftritt. Werden diese auf einen
Nährboden aufgetragen, bildet im Idealfall jeder einzelne Mikroorganismus, durch vielfache
Zellteilung, eine mit bloßem Auge sichtbare Kolonie. Die Anzahl der gezählten Kolonien
entspricht dann in etwa der Zahl der Keime in der aufgetragenen Probe.
2.3 Vorkommen: Konkurrenz und Spezialisierung
Technische Anlagen stellen als Lebensräume für Mikroorganismen unterschiedlichste
Anforderungen an ihre „Bewohner“. Typische „Leitkeime“ können daher nicht benannt
werden.
Während in der Lebensmittelindustrie oft „paradiesische“ Verhältnisse für Keime herrschen,
bieten andere Industrieanlagen extrem unwirtliche Verhältnisse. Lösungsmittelhaltige Bäder,
sehr hohe oder niedrige Temperaturen oder pH-Werte oder hohe Salzkonzentrationen
schließen die Besiedelung mit vielen gängigen Keimarten aus.
– 6 – MionTec GmbH, 14.06.09

In KTL-Lacken mehrerer KTL-Anlagen (KTL = kathodische Tauchlackierung) konnte das
Bakterium Burkholderia cepacia auffallend häufig nachgewiesen werden. Hier könnte man also
u.U. von einem Leitkeim sprechen.
Diese ubiquitären Bakterien sind gramnegative, begeißelte Stäbchen, die strikt aerob wachsen
und keine Sporen bilden. B. cepacia fällt unter anderem dadurch auf, dass ein sehr großes
Substratspektrum als Kohlenstoffquelle genutzt werden kann, darunter auch einige Lösemittel
wie Benzol, Toluol, Xylol sowie Malonat, Benzoat, Adipat und das in KTL-Lack eingesetzte
Lactat und Acetat. 2
B. cepacia ist ein Paradebeispiel dafür, wie sich bestimmte Keime unter den zunächst unwirtlich
wirkenden Bedingungen technischer Anlagen anpassen und überleben können. B. cepacia
kommt in der gewöhnlichen Umgebungsluft vor und kann so, oder aus den vorgeschalteten
Spülbädern in eine KTL-Anlage unwillkürlich eingeschleppt werden. Da nur wenige andere
Spezies unter den gegebenen Bedingungen überleben und sich vermehren, stellt der KTL-Lack
sogar noch einen konkurrenzarmen Lebensraum für diese wenigen Arten dar.
Die Verbreitung von Mikroorganismen wird normalerweise sehr stark durch die nutzbaren
Ressourcen begrenzt, um die eine harte Konkurrenz zwischen den Mikroorganismen besteht.
Eine technische Anlage mit außergewöhnlichen Stoffvorkommen oder Temperaturen stellt nur
für eine begrenzte Anzahl von Arten einen passenden Lebensraum dar. Arten, die befähigt
sind, diesen zu nutzen, weichen dorthin aus, weil sich dort eine fast konkurrenzlose
ökologische Nische bietet, auch wenn die Wachstumsbedingungen an sich hier auch für sie
nicht optimal sind. Je lebensfeindlicher also die herrschenden Bedingungen sind, desto
spezialisierter sind die angesiedelten Keime.
2.4 Gesundheitsgefährdung
Die in technischen Anlagen vorkommenden Keime gehören bis auf wenige Ausnahmen den
Risikogruppen 1 und 2 der Biostoffverordnung an, für die folgendes gilt:
1) Weit verbreitete Wasser-Boden-Luft-Keime, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass sie
beim Menschen eine Infektionskrankheit verursachen (Risikogruppe 1 der BioStoffV).
2) Keime, die unter bestimmten Voraussetzungen Infektionskrankheiten hervorrufen
können (Risikogruppe 2 der BioStoffV, fakultativ pathogene Keime). 3
Ob diese Keime (insb. Risikogruppe 2) eine Infektionskrankheit hervorrufen, hängt von
mehreren Faktoren ab:
• Die Infektionsdosis, d.h. die Anzahl der vorhandenen Mikroorganismen und die
Art der Exposition z.B. durch Aerosole
• Die Fähigkeit der Mikroorganismen am Wirt zu haften, einzudringen, sich zu
vermehren und Giftstoffe zu produzieren.
• Die Infektionsanfälligkeit des Wirtes (geschwächte Abwehrkräfte, z.B. durch
bestehende Infektionen, Wunden oder Immunschwäche auf Grund bestimmter
chronischer Krankheiten) 4
Bei verhältnismäßig niedriger Keimbelastung ist das Infektionsrisiko selten höher als im
normalen Alltag. Bedenklich wird es, wenn sich eine einzelne Spezies soweit durchsetzt, dass
große Mengen derselben vorkommen und somit der erste o.g. Faktor permanent erfüllt wird.
Die die Anlage betreuenden Mitarbeiter sind den Keimen dann durch direkten Kontakt und
Aerosolbildung ausgesetzt. 5
Für die Metallverarbeitende Industrie werden hier als mögliche Infektionen Bronchialasthma,
Kontaktdermitis, Lungeninfektionen, EAA (Befeuchterlunge) und Wundinfektionen,
hervorgerufen durch Bakterien, Schimmelpilze und Hefen aus den Kühlschmierstoffen
angegeben. 4
MionTec GmbH, 14.06.09 – 7 –

Der wohl bekannteste in diesem Zusammenhang auftretende Keim ist Legionella sp., ein
Bakterium, das sich bevorzugt in wässrigen Medien bei 30…45 °C vermehrt. Auch Legionellen
kommen in fast jedem natürlichen Oberflächenwasser vor – erst durch ihre Vermehrung stellen
sie ein erhöhtes Infektionsrisiko dar. Wird ein Legionellen-haltiges Aerosol eingeatmet,
verursacht es je nach Spezies und Infektionsdosis auch bei gesunden Personen die
Legionärskrankheit, die mit Symptomen einer schweren Lungenentzündung einhergeht, oder
das Pontiac-Fieber.
Da im Arbeitsalltag keine andauernde Überprüfung des Keimspektrums erfolgt, sollte die
Gesamtkeimzahl in den Kreislaufanlagen so gering wie möglich gehalten werden 3 , um das
Gesundheitsrisiko zu minimieren.
– 8 – MionTec GmbH, 14.06.09

3 Übersicht über verschiedene Klassen von Bioziden
3.1 Oxidative Biozide
Oxidative Biozide (Chlor, Brom, Chlordioxid, Wasserstoffperoxid etc.) reagieren durch ihre
extreme Elektrophilie unspezifisch mit allen elektronenreichen Verbindungen. Durch die
Halogenierung von Zellmakromolekülen schädigen sie die Gesamtstruktur der
Mikroorganismen (z.B. Natriumbromid, halogenierte Hydantoine). Sauerstoff-freisetzende
Biozidwirkstoffe dagegen zerstören Zellmoleküle durch die Bildung freier •OH-Radikale (z.B.
Peressigsäure, Wasserstoffperoxid). 1
Vorteile der gängigen oxidativen Biozide sind geringe Einwirkzeiten und niedrige Kosten.
Ein wesentlicher Nachteil besteht in der hohen Reaktivität. Oxidantien reagieren schnell und
sehr unspezifisch mit fast allen biologischen Molekülen. Dadurch reagieren sie unter
Umständen zu früh und an falscher Stelle ab. Bakteriensporen sind von einer dicken
Mantelproteinschicht umgeben. Andere Mikroorganismen umgeben sich mit einer
schleimartigen Zuckerpolymerschicht. Reagiert ein oxidatives Biozid mit diesen
Schutzschichten zu früh ab, wird der eigentliche Schadorganismus kaum beeinträchtigt. 1
Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist die stark oxidative Wirkung auf die zu desinfizierenden
Anlagenteile. Ionenaustauscher und Umkehrosmosemembranen werden stark angegriffen und
beschädigt. Ein Umfahren dieser Komponenten führt zu einer unvermeidbaren
Neukontamination der anderen Anlagenbereiche bei Wiedereinschalten in den Kreislauf. 6
Chlor und Brom reagieren beim Einleiten in Wasser zu Hypochloriger- bzw. Hypobromiger
Säure, den eigentlichen Wirkstoffen. Bei ansteigendem pH-Wert dissoziieren diese zu
Hypochlorid und Hypobromid und verlieren hierbei an Wirkung. Ab pH 8,5 ist praktisch keine
desinfizierende Wirkung mehr vorhanden. 1 außerdem stellen halogenhaltige Abwasser ein
Entsorgungsproblem dar (hohe AOX-Werte).
3.2 Moderate Elektrophile (Aldehyde, Isothiazolone)
Biozidwirkstoffe moderater Elektrophilie (Aldehyde, Isothiazolone) reagieren ebenfalls
unspezifisch mit nucleophilen (elektronenreichen) Verbindungen der Zielorganismen, jedoch
unterscheiden sich der Mechanismus und die reaktivitätsbestimmte Bevorzugung bestimmter
funktioneller Gruppen deutlich von oxidativen Bioziden.
Vor einiger Zeit wurde noch angenommen, Aldehyde reagierten vor allem mit Aminresten (R-
NH 2) von Zellmolekülen. Da die meisten Aminreste bei physiologischem pH protoniert
vorliegen, ist dies jedoch eher unwahrscheinlich. Thiolgruppen stellen im Zellmilieu, wie für
Isothiazolone nachgewiesen, die eigentlichen bevorzugten Reaktionspartner dar. Thiolgruppen
treten in der Zelle in erster Linie als Seitenrest der Aminosäure Cystein, und damit in Proteinen
auf.
Cystein befindet sich innerhalb von Proteinen oft an funktionell wichtigen Stellen. In Bakterien
und Pilzen tragen mindestens vier für die Zellen lebensnotwendige Enzyme Cysteinreste in
ihrem Reaktionszentrum. Schon quantitativ geringfügige Beeinträchtigung dieser
Enzymthiolgruppen führt daher zu irreversiblen Schädigungen des Mikroorganismus.
Enzyme sind Biokatalysatoren wichtiger Stoffwechselreaktionen. Da sie bei der Katalyse nicht
verbraucht werden, sind sie nur in geringen Mengen vorhanden. Daher bewirkt die
Beeinträchtigung von Enzymen durch Biozide eine von der Zelle nicht kompensierbare
Schädigung.
Für Chlor-Methyl-Isothiazolon (CMI) wurde ein Mechanismus nachgewiesen, durch den CMI
aktiv ins Zellinnere transportiert wird. Ein ähnlicher Vorgang wird auch für andere
Isothiazolone vermutet. 1
MionTec GmbH, 14.06.09 – 9 –

Moderate Elektrophile vernetzen Zellmoleküle über funktionelle Gruppen (z.B. R-SH + R-SH ->
R-S-S-R) und zerstören so das metabolische Gleichgewicht und die Struktur der Zelle.
Zusätzlich können durch homolytische Spaltung der Produkte freie Radikale die Wirkung
verstärken (z.B. R-S-S-R -> R-S• + R-S•). D.h. hier sind wieder wie bei den Enzymen die
Thiolgruppen der Proteine betroffen.
Vorteile der moderaten Elektrophilen liegen im tieferen Vordringen in die Zelle und in ihrer
hohen Werkstoffverträglichkeit. Weder Ionenaustauscher noch Umkehrosmosemembranen
werden in ihrer Polymerstruktur beschädigt. 6
Abb. 1 Schematische Darstellung einer typischen Bakterienzelle und ihrer Angriffspunkte für verschiedene Biozidklassen
(nach Wiencek und Chapman, 1999, (1))
3.3 Membranaktive Biozidwirkstoffe (QUATs, Biguanide)
Zu den membranaktiven lytisch wirkenden Stoffen zählen Biguanide, quarternäre
Ammoniumbasen (QUATs) und andere Tenside. Durch ihre membranschädigende Wirkung
führen sie zum Austritt intrazellulären Materials bzw. Auflösen der Zelle. Durch die
Veränderung der Membrandurchlässigkeit kommt es zu osmotischer Lyse oder Hemmung
membranvermittelter Stoffwechselvorgänge.
Durch ihre amphiphile Struktur gelangen membranaktive Biozidwirkstoffe durch die Zellwand
und schieben sich mit ihrem hydrophoben Teil zwischen die Phospholipide der Membran. 1
Membranaktive Stoffe eignen sich besonders gut als Zusatz zu anderen Biozidwirkstoffen. Sie
erhöhen die Zugänglichkeit der Zellen für andere Wirkstoffklassen.
– 10 – MionTec GmbH, 14.06.09

Nachteilig wirkt sich je nach Anwendung die tensidbedingte Schaumbildung während der
Desinfektion aus, solange Schaumbildung für den zu desinfizierenden Bereich kein Problem
darstellt, entfällt dieser Nachteil.
3.4 Protonophore (Parabene, schwache organische Säuren)
Im Energiegewinnungsprozess der Bakterienzelle spielt der Aufbau eines Protonengradienten
über der Membran eine entscheidende Rolle. Protonophore senken diesen Gradienten indem
sie die Membran für Protonen durchlässig machen. Es kommt zu einem „Kurzschluss“ der
Atmungskette.
Protonophore eignen sich nur bedingt als Biozide und sind allenfalls als Konservierungsmittel
zu verwenden. Sie wirken nicht gegenüber gramnegativen Bakterien und arbeiten schlecht bei
hohem pH. Insgesamt setzt die Wirkung sehr langsam ein. 1
MionTec GmbH, 14.06.09 – 11 –

4 Resistenzen
4.1 Zum Begriff
Der Begriff „Resistenz“ führt leicht zu einem Missverständnis der Problematik. Im Englischen
wird „Resistance“ verwendet, wenn Resistenz im biologischen Sinne gemeint ist, aber auch um
„Widerstandsfähigkeit“ auszudrücken. Die Unterscheidung dieser Begriffe ist in Bezug auf das
Thema Biozide unumgänglich.
4.2 Resistenzbildung
Erworbene Resistenz auf genetischer Ebene entsteht durch die Verbreitung einer vorteilhaften
Mutation der DNA des Mikroorganismus und tritt nur sehr selten auf. Führt eine zufällige
Mutation zur Änderung einer Eigenschaft des Mikroorganismus die ihm das Überleben in
Anwesenheit eines Biozidwirkstoffes ermöglicht, pflanzt sich dieser bevorzugt fort. Durch
Weitergabe seiner zufälligen Mutation auf seine Tochtergenerationen entsteht ein resistenter
Stamm. Viele Bakterien sind darüber hinaus dazu in der Lage, kleine ringförmige DNA-
Moleküle (Plasmide) untereinander auszutauschen ohne sich dabei teilen zu müssen. Hierbei
werden auch Resistenzeigenschaften weitergegeben.
Trotz der breiten Angriffsspektren können so auch Resistenzmechanismen gegen
Biozidwirkstoffe entwickelt werden, die den Organismus auf unterschiedlichem Wege
angreifen. Beispiele hierfür sind die Inaktivierung des Wirkstoffes durch Produktion von
Molekülen, die bevorzugt mit dem Wirkstoff abreagieren, die Beeinflussung des
Wirkstofftransports in die Zelle oder aus der Zelle heraus oder Überproduktion der
Zellmoleküle, bei denen der Wirkstoff den größten Schaden verursacht. 7
Als Resistenzmechanismen dieser Art wurden z.B. die Resistenz gegen quarternäre
Ammoniumverbindungen in Staphylococcen sowie die Formaldehydresistenz in
Pseudomonaden und Enterobakteriaceen beschrieben. 7
4.3 Fehlinterpretationen des Begriffs Resistenz
In den meisten Fällen, in denen Anwender über „Resistenzbildung“ sprechen, sind jedoch ganz
andere Ursachen für die Problematik verantwortlich.
Steigt die Keimbelastung trotz Desinfektionsmaßnahmen auf ein nicht tolerierbares Niveau
wird dies oft mit der Anwesenheit resistenter Keime begründet. Das Desinfektionsmittel wird
ausgetauscht oder es werden Radikalmaßnahmen zur Abtötung dieser Keime ergriffen.
Häufig können an dieser Stelle durch Analysieren der Umstände andere Gründe für das
Auftreten der Keimbelastung herangezogen werden:
Die Keime, die in solchen Fällen anzutreffen sind, sind in den meisten Fällen nicht „resistent“
sondern widerstandsfähiger als die Keime, mit denen sie um ihren Lebensraum konkurrieren.
Diese Widerstandskraft ist nicht kurzfristig genetisch erworben, sondern eine Anpassung an
die Lebensumstände, zu der dieser bestimmte Mikroorganismenstamm befähigt ist. So passen
bestimmte Keime ihre Lebensweise den verschlechterten Umständen an, indem sie sich in
Biofilmen von einer Zuckerpolymerschicht (Exopolysaccharid) umgeben und so schlechter
zugänglich für die Biozidwirkstoffe sind. Dies verschafft ihnen einen Vorteil gegenüber
Nahrungskonkurrenten, die dem Biozid schutzlos ausgeliefert sind. Ein anderes Beispiel sind
Bakteriensporen, die eine dicke Proteinschutzhülle besitzen. Sie sind weitgehend wasserfrei,
was die Diffusion ins Sporeninnere zusätzlich erschwert. Diese Sporen bilden sich unter
unwirtlichen Umgebungsbedingungen, während die sporenbildenden Bakterien selbst
durchaus angreifbar sind. 7
– 12 – MionTec GmbH, 14.06.09

Setzt sich ein widerstandsfähiger Mikroorganismenstamm so gegen seine Konkurrenz durch,
scheint es, als hätte das bisher problemlos wirksame Biozidprogramm seine Wirkung
eingebüßt. Oft genügt jedoch die Optimierung der Bedingungen wie z.B. eine Anpassung der
Konzentration, Einsatz spezifischer Zusatzstoffe oder das Einschieben eines Vorreinigungsschrittes
aus, um auch gegen die widerstandsfähigen Organismen anzugehen.
Ein Beispiel dafür, wie einfach eine solche Optimierung aussehen kann ist Alkohol: Reines
Ethanol ist ein schlechtes Desinfektionsmittel. Es bewirkt eine Fällung äußerer Proteine und
dringt so schlecht ins Zellinnere vor. Mischt man dem Alkohol 10-30% Wasser hinzu, kann er
die Zellwand durchdringen und hat gute desinfizierende Wirkung.
Ein Wechsel des Biozidwirkstoffes ist somit oft überflüssig, wenn geeignete Wirkstoffkombinationen
verwendet und Anwendungsfehler vermieden werden.
4.4 Anwendungsfehler
Werden erhöhte Keimzahlen von Mikroorganismen gefunden, die unter das
Wirkungsspektrum des eingesetzten Biozides fallen, sind in den meisten Fällen
Fehlbehandlungen die Ursache. 7 Die fachgerechte Anwendung des Biozids spielt die
entscheidende Rolle. Die häufigsten Anwendungsfehler sind:
• Einsatz zu niedriger Konzentrationen
• Zu geringe Einwirkungszeiten bei der Stoßdesinfektion
• Nichtbeachtung von Löslichkeit und Verteilung des Biozids
• Außer Acht lassen von Toträumen/ Sprühschatten
• Umfahren verkeimter Anlagenabschnitte, die empfindliche Materialien enthalten
• Inkompatibilität von Badinhaltsstoffen mit dem Biozid (Wirkstoffinaktivierung)
• Wirkstoffinaktivierende pH-Werte
• Temperaturinstabilität der eingesetzten Wirkstoffe
• Einsatz von Einzelwirkstoffen an Stelle von synergistisch wirkenden Wirkstoffkombinationen
Wichtig: Biozidbehandlungsprogramme mit eingeschränkter Wirksamkeit fördern eine
Selektion widerstandsfähiger Keime, was dann als Resistenzbildung missverstanden wird.
Wird das Behandlungsprogramm unter Berücksichtigung dieser Parameter gezielt auf die
äußeren Umstände der zu desinfizierenden Bereiche und die zu erwartende/festgestellte
Keimbelastung abgestimmt können mit minimalem Kostenaufwand dauerhaft gute Ergebnisse
erzielt werden.
MionTec GmbH, 14.06.09 – 13 –

Quellen:
1. Wieneck, K. M. und Chapman, J. S; „Water Treatment Biocides: How Do They Work and
Why Should You Care?“; Corrosion 1999
2. Gühring, I. K.; „ Mikrobieller Befall von Elektrotauchlack in der Automobilindustrie“,
Dissertation an der Fakultät für Geo- und Biowissenschaften der Universität Stuttgart,
2000
3. Berufsgenossenschaftliche Information für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit Nr.
BGI 762: „Keimbelastung wassergemischter Kühlschmierstoffe- Handlungshilfe nach
Biostoffverordnung“, Januar 2000
4. Meier, P.: „Biologische Gefahren am Arbeitsplatz“, IZA Revue de santé et de sécurité au
travail, Vol. 5, 2004
5. Webpage des Bayerischen Landesamtes für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit zum
Thema Legionellen: http://www.lgl.bayern.de/gesundheit/legionellen.htm
6. Lakaschus Lohrenz, G., Alt, J. und Mauer, D.; „Desinfektion von Membranen und
Ionenaustauscheranlagen – Kampf den Keimen“; Journal für Oberflächentechnik, Vol. 1,
2008
7. Diehl, K.-H., Eigener, U., Heinzel, M., Kamps, T., Koch, C., Koch, S., Kolar, J., Meyer, F.,
Müller, R., Ochs, D., Poetendorf, B., Pohl, L., Seidel-Weise, U.; „Resistenz von
Mikroorganismen gegen antimikrobielle Biozide - Stellungnahme der Fachgruppe
Mikrobiologie und Betriebshygiene in der Deutschen Gesellschaft für Wissenschaftliche
und Angewandte Kosmetik e.V.“ Webpage der DGK: www.dgk-ev.de, 2000
– 14 – MionTec GmbH, 14.06.09