Чем опасна биоплёнка, как от нее избавиться в линии подготовки воды

Биопленка – одна из наиболее серьезных проблем современных систем водоподготовки. Она приводит к полному выходу из строя дорогостоящего оборудования. Этот микробиологический феномен требует комплексного подхода и глубокого понимания механизмов образования для эффективной борьбы с ним.

Что такое биопленка и механизм ее образования

Биопленка – это структурированное сообщество микроорганизмов, заключенное в самопроизведенный полимерный матрикс и прикрепленный к поверхности. Внеклеточная полимерная субстанция (EPS) составляет до 90% от общей массы биопленки и включает полисахариды, белки, липиды и внеклеточную ДНК.

Стадии формирования биопленки:

Первичная адгезия (0-2 часа) – свободноплавающие бактерии прикрепляются к поверхности посредством слабых физико-химических взаимодействий.

Необратимая адгезия (2-4 часа) – микроорганизмы продуцируют адгезивные полимеры, которые обеспечивают прочное закрепление.

Микроколония (6-12 часов) – клетки начинают делиться и формировать первичную архитектуру.

Созревание (1-4 дня) – образование трехмерной структуры с каналами для транспорта питательных веществ.

Диспергирование (переменный период) – отделение клеток для колонизации новых поверхностей.

Факторы, которые способствуют образованию биопленки:

температура воды – диапазон 25-37°C увеличивает скорость формирования биопленки в 3-5 раз;

биопленка активно развивается при pH 6,5-8,5;

содержание питательных веществ. Концентрация углерода свыше 0,1 мг/л стимулирует развитие бактерий;

скорость потока. При скорости менее 0,3 м/с создаются благоприятные условия для адгезии бактерии.

Важную роль играет особенность поверхности. Шероховатость Ra > 1,6 мкм увеличивает адгезию бактерий в 2-3 раза.

Какую опасность биопленки создают для систем водоподготовки

Биопленка служит резервуаром патогенных микроорганизмов, создает устойчивые популяции, которые в 100-1000 раз более резистентны к дезинфектантам по сравнению со свободноплавающими формами. Промышленная система очистки воды может стать источником распространения следующих опасных патогенов:

Legionella pneumophila – возбудитель легионеллеза, способный выживать в биопленке при температуре до 60°C;

Pseudomonas aeruginosa вызывает внутрибольничные инфекции, особенно опасен для пациентов, у которых есть проблемы с иммунитетом;

Mycobacterium aviu – атипичная микобактерия, устойчивая к хлорированию;

Enterohemorrhagic E. coli может сохраняться в биопленке до 154 дней.

У образования биопленки есть и технологические последствия. Биообрастание мембран в системах обратного осмоса снижает их проницаемость на 15-40% уже через 2-3 недели эксплуатации. Это приводит к следующим последствиям:

увеличению рабочего давления на 20-50%;

снижению производительности на 10-30%;

преждевременной замене мембранных элементов (срок службы сокращается в 2-3 раза).

Микробиологически индуцированная коррозия (MIC) развивается под биопленкой со скоростью 0,5-2 мм/год для углеродистых сталей. Сульфатредуцирующие бактерии в составе биопленки производят сероводород, вызывающий локальную коррозию. Кроме того, биопленка создает дополнительное гидравлическое сопротивление, увеличивает потери давления на 25-60% в трубопроводных системах.

К каким экономическим потерям приводит биопленка

Согласно исследованиям инженеров-химиков, биообрастание обходится промышленности в 5-7 миллиардов долларов ежегодно. Для типичной промышленной системы очистки воды производительностью 1000 м?/сут потери составляют:

дополнительные энергозатраты – 150-250 тыс. рублей в год;

преждевременная замена оборудования – 500-800 тыс. рублей в год;

внеплановые остановки и ремонты – 200-400 тыс. рублей в год;

повышенный расход химреагентов – 100-200 тыс. рублей в год.

Биопленка приводит к существенному увеличению расходов. Поэтому важно ее выявлять и оперативно удалять.

Методы выявления биопленки

Эндоскопическое обследование позволяет обнаружить биопленку толщиной от 50 мкм. Электронная микроскопия выявляет структуру биопленки с разрешением до 1 нм. Для ее обнаружения используются химические методы:

определение общего органического углерода (TOC). Увеличение его показателя на 20-30% указывает на биообрастание;

анализ аденозинтрифосфата (ATP). Если концентрация свыше 10 пг/см2, то это свидетельствует о наличии активной биопленки;

биохимический кислородный запрос (БПК?). Рост показателя в 2-3 раза свидетельствует о микробиологическом загрязнении.

Для обнаружения биопленки используются микробиологические методы:

подсчет колониеобразующих единиц (КОЕ). Превышение показателя 1000 КОЕ/мл в циркулирующей воде указывает на риск биообрастания;

молекулярные методы. ПЦР-анализ позволяет идентифицировать специфические микроорганизмы в биопленке;

проточная цитометрия определяет общее количество микробных клеток, включая некультивируемые формы.

Для выявления биопленки нужно использовать наиболее подходящий метод.

Методы борьбы с биопленкой

Гидродинамическая очистка с использованием высокоскоростного потока (скорость 3-5 м/с) эффективно удаляет до 80-90% биопленки с гладких поверхностей. Для усиления эффекта применяют:

пульсирующие потоки путем создания периодических скачков давления до 10-15 атм;

кавитационную обработку. Это ультразвуковые колебания частотой 20-40 кГц, которые разрушают структуру биопленки;

абразивную очистку. С помощью специальных щеток и губок выполняется механическое удаление биопленки.

Для удаления биопленки используют следующие химические методы:

Биоциды широкого спектра действия. К ним относятся хлорсодержащие соединения (гипохлорит натрия, диоксид хлора, хлорамины), окислители (озон, перекись водорода, перманганат калия).

Специализированные биоциды. К ним относятся изотиазолиноны (эффективны против грибов и водорослей), четвертичные аммониевые соединения (используются для борьбы с грамположительными бактериями), глутаровый альдегид (отличается широким спектром действия).

Для борьбы с биопленкой используются физические методы. К ним относится ультрафиолетовое облучение средним давлением (200-300 нм) при дозе 1000-3000 мДж/см2. Оно эффективно разрушает биопленку толщиной до 100 мкм. Промышленная система очистки воды с интегрированными УФ-установками демонстрирует снижение интенсивности биообрастания на 70-85%.

Ультразвуковая обработка частотой 20-40 кГц создает кавитационные пузырьки. Они механически разрушают структуру биопленки. Оптимальная мощность составляет 0,5-2 Вт/см2 при воздействии в течение 10-30 минут.

Наиболее эффективным подходом считается сочетание различных методов борьбы. Например, механическая очистка и химическая обработка. Такой подход обеспечивает удаление основной массы биопленки с последующей дезинфекцией.

УФ-облучение и озонирование дает синергетический эффект увеличивает эффективность борьбы с биопленкой в 2-3 раза. Ультразвук и перекись водорода приводит к образованию гидроксильных радикалов, усиливает биоцидное действие.