Aufschlussreiches Forschungsprojekt – Erkenntnisse aus dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt Biofilm-Management und deren Auswirkungen auf die Praxis

Erst jüngst wurden die Ergebnisse des vierjährigen Projektes "Erkennung, Risiko und Bekämpfung von vorübergehend unkultivierbaren Pathogenen in der Trinkwasser-Installation" der Öffentlichkeit vorgestellt. Die hier zitierten Ergebnisse sind als Vorträge im Internet unter www.biofilm-management.de frei zugänglich. Wie schon beim Vorgängerprojekt "Biofilme in der Hausinstallation" wird ein Thesenpapier folgen. Beide Projekte wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Verbundprojekt von Mikrobiologen, Technikern und Industriepartnern gefördert.
Dieser Beitrag fasst den Teil der Ergebnisse zusammen, der einen direkten Einfluss auf die Tätigkeit von TGA-Planern, Installateuren und Überwachungsbehörden haben kann. Weitere Ergebnisse des Projektes beschäftigten sich mit nichtkulturellen Methoden zur Erfassung von Bakterien. Obwohl sie einen maßgeblichen Teil des Projekterfolges ausmachen, werden sie hier nur insoweit erwähnt, wie sie für Fragestellungen im Rahmen einer Sanierung von Bedeutung sein können.

Was macht Biofilme aus?

Bakterien bilden besonders bei Stress schleimige Substanzen auf wasserberührten Oberflächen - und das seit rund 3,5 Mrd. Jahren. Sie haben also sehr erfolgreich gelernt, unter nahezu allen Umweltbedingungen zu überleben. Diese Biofilme sind also nicht zu verhindern, sondern ausschließlich zu managen - daher auch der Titel "Biofilm-Management".
Biofilme bestehen zu mehr als 95 % aus Wasser. Sie schützen die darin eingebetteten Bakterien zeitweise vor dem Austrocknen, aber auch vor Desinfektionschemikalien und davor, ausgespült zu werden. Sie sind also eine Art schützender Wohnraum für Bakterien. Von dort "angeln" diese sich Nährstoffe aus dem normalerweise nährstoffarmen Trinkwasser oder schlummern im VBNC-Stadium (dazu später mehr). Durch Erosion oder Ablösung von Biofilmen kann jedoch auch schlagartig eine größere Anzahl an Bakterien in das Trinkwasser übergehen. Ein solcher Fetzen Biofilm kann mehrere Mio. Bakterien enthalten. Selbst ein dünner Biofilm auf inerten Glasrohren enthält eine Millionen Bakterien pro cm². Gelangt ein solcher Fetzen in eine mikrobiologische Untersuchung, werden in der Wasserprobe überhöhte Zahlen gemessen, ohne dass das Wasser tatsächlich stark kontaminiert ist. Daher ist ein einzelnes Untersuchungsergebnis meist unzureichend, um den hygienischen Status eines Installationsabschnittes sicher zu erfassen.

Was führt zu einem Wachstum von Bakterien?

Bakterien benötigen generell einen artspezifischen Temperaturbereich, spezifische Nährstoffe und ausreichend Zeit für ihre Vermehrung. Dabei haben Legionella pneumophila andere Ansprüche an diese drei Faktoren als z. B. Pseudomonas aeruginosa. Allen Krankheitserregern ist gemeinsam, dass sie gut bei Körpertemperatur wachsen. Pseudomonas aeruginosa wächst aber auch bei niedrigen Temperaturen, wie sie im Kühlschrank herrschen.
Darüber hinaus stehen Bakterien im Wettbewerb miteinander oder begünstigen sich gegenseitig im Wachstum. Passt einer dieser drei Faktoren nicht zu einem Bakterium, vermehrt es sich nicht übermäßig oder geht sogar in den VBNC-Zustand (Viable but non culturable) über. Dies ist eine Art Dämmerzustand, der tückische Folgen haben kann: Das Bakterium lebt zwar noch, ist aber vermehrungsunfähig und somit mit den üblichen kulturellen Methoden nicht mehr nachweisbar. Ausgelöst wird dieser Zustand durch "Stress". Daher kann es nach einer Desinfektionsmaßnahme zunächst zu falsch negativen Untersuchungsergebnissen kommen - eine wichtige Erkenntnis für die Sanierung von Installationen. Denn sobald sich die Umweltbedingungen zum Beispiel nach einer temporären Anlagendesinfektion wieder verbessern, wachen die Bakterien auf und vermehren sich auch wieder. Gleichzeitig werden sie auch wieder infektiös.
Risiken bestehen also insbesondere dann, wenn die Ursache einer Kontamination nicht erkannt und beseitigt wurde. Wenn etwa eine thermische Desinfektion ohne anschließende bauliche oder betriebliche Anpassungen durchgeführt wurde. Daher kann es je nach Fragestellung sinnvoll sein, Bakterien im VBNC-Zustand mit nichtkulturellen Methoden nachzuweisen. Zu diesen Methoden gehören im Wesentlichen genetische oder Färbemethoden, die die Mikrobiologen im Projekt für spezielle Fragestellungen eingesetzt haben.

Wie werden mikrobiologische Kontaminationen erfasst?

Aus Sicht einer Überwachungsbehörde haben Bakterien in Biofilmen den gravierenden Nachteil, mit der normalen Wasseranalytik nicht nachweisbar zu sein: Denn in der Routineuntersuchung werden ausschließlich Wasserproben untersucht.
Zur seuchenhygienischen Kontrolle des Trinkwassers haben sich diese Verfahren seit Robert Kochs Zeiten allerdings bestens bewährt. Sie liefern in kurzer Zeit Informationen zur Anzahl vermehrungsfähiger Bakterien und einen indirekten Hinweise auf Krankheitserreger fäkalen Ursprungs (Indikatorprinzip). Andere Fragen können sowohl mit sensitiveren kulturellen Nachweismethoden als auch mit genetischen Methoden bearbeitet werden. Diese sensitiveren Verfahren liefern ein differenzierteres Bild der tatsächlichen Anzahl von Bakterien in einer Probe als das klassische Plattengussverfahren nach Robert Koch. Allerdings gelten für diese Verfahren nicht die Grenzwerte der Trinkwasserverordnung. Denn Methode und Grenzwert gehören immer zusammen.
Diese spezifischen Methoden - die die etablierten kulturellen Verfahren ergänzen, aber nicht ersetzen können - liefern für spezifische Fragestellungen also wertvolle Informationen. Mit ihnen können beispielsweise die Gesamtzellzahl in der Probe oder spezifische Mikroorganismen nachgewiesen werden. Bakterien im VBNC-Zustand, die kulturell nicht nachweisbar sind, werden nur mit nichtkulturellen Verfahren erfasst. Ob allerdings diese Bakterien noch vermehrungsfähig sind, kann mit diesen Methoden nicht ermittelt werden. Denn mit genetischen Methoden werden selbst tote Bakterien mitgezählt, solange noch das Erbmaterial vorhanden ist. Insofern ist verständlich, dass es je nach Fragestellung sinnvoll ist, kulturelle und nichtkulturelle Methoden miteinander zu kombinieren.

Erkenntnisse aus den Projekten

Ursachen falsch negativer Untersuchungsergebnisse in Gebäuden mit längerer Betriebsunterbrechung.

Betriebsunterbrechungen sind unvermeidbar. Bleiben sie gemäß VDI 6023 bzw. DIN 1988-200 im Rahmen von 3 bis 7 Tagen, stellen sie in aller Regel kein Problem dar. Wenn jedoch nach längeren Stagnationszeiten die geringe Nährstofffracht im Trinkwasser nahezu aufgebraucht ist, können Bakterien wie Legionella pneumophila oder Pseudomonas aeruginosa in den VBNC-Zustand übergehen. Bei P. aeruginosa geschah dies in den Untersuchungen je nach Nährstoffangebot bereits nach 15 Tagen (Reinstwasser). L. pneumophila
entzog sich bei Nährstoffmangel noch schneller dem kulturellen Nachweis.
Bakterien im VBNC-Zustand können unter günstigen Bedingungen wieder "erwachen". Daher ist es eine wichtige Frage für die Praxis, wie lange Bakterien "schlummern" und dann wieder erwachen können. Für P. aeruginosa konnte dies noch nach einer Versuchsdauer von 1,5 Jahren nachgewiesen werden. Selbst nach diesem langen Zeitraum konnten sie im Biofilm aus dem VBNC-Zustand wieder in den kultivierbaren Zustand übergehen. Dies zeigt ein besonderes Gefahrenpotenzial für die Praxis auf: Bauteile, die vom Hersteller mit kontaminiertem Wasser auf ihre Funktion geprüft wurden, können selbst nach einer längeren Lager- oder Transportzeit und trotz eines fehlenden kulturellen Nachweises vermehrungsfähige P. aeruginosa aufweisen.
Insofern ist die Forderung von Hygienikern nachvollziehbar, herstellerseitig alle Bauteile nur trocken auf Dichtigkeit zu prüfen. Bei notwendigen Funktionsprüfungen sind hohe Anforderungen an die Qualität des Wassers zu stellen und weitere Maßnahmen wie eine technische Trocknung bei erhöhten Temperaturen vorzunehmen. Für Trinkwasser-Installationen leitet sich daraus die Forderung ab, den bestimmungsgemäßen Betrieb in Gebäuden mit einem längeren Leerstand durch Spülmaßnahmen aufrechtzuerhalten. Denn eine Entleerung ist in modernen Gebäuden kaum mehr möglich, und es könnten besondere hygienische Risiken in teilentleerten Installationsabschnitten entstehen. Bakterien würden zunächst mit einer erhöhten Biofilmbildung auf den entstehenden Austrocknungsstress reagieren, später in den VBNC-Zustand übergehen und bei Kontrolluntersuchungen unmittelbar nach der erneuten Befüllung noch nicht nachweisbar, aber vorhanden sein. Daher sollte eine weitere Kontrolluntersuchung mit einem zeitlichen Abstand von einigen Wochen erfolgen.
Generell weisen die Untersuchungsergebnisse bei ein und demselben Bakterium je nach Untersuchungsbedingungen eine breite Variabilität für den Übergang in den VBNC-Zustand von "kaum" bis "erhöht" auf. Klare Regeln für die Praxis darf man jedoch auch nicht erwarten. Zu vielfältig sind die Faktoren, die zum übermäßigen Wachstum oder zum Übergang in den VBNC-Zustand führen können. Es ist aber das Verdienst der an diesem Projekt beteiligten Wissenschaftler, den VBNC-Zustand erstmals in dieser Intensität untersucht und dabei wertvolle Erkenntnisse für die Praxis zum Beispiel durch die Kombination kultureller und nichtkultureller Methoden gewonnen zu haben.

Betriebstemperaturen im Kaltwasser (PWC)

Das Regelwerk sieht im Kaltwasserbereich Temperaturen von maximal 25 °C als vertretbar an. Generell sind jedoch geringere Temperaturen anzustreben. Die Ergebnisse der Wissenschaftler im Projekt zeigen, dass bei einem erhöhten Nährstoffgehalt der Anteil an P. aeruginosa im Biofilm schon ab einer Temperatur von 16 °C zunimmt. Eine Nährstofflimitierung ist in der Installation außer durch sauberes Arbeiten kaum möglich, wohl aber die Verwendung DVGW/KIWA/BS-geprüfter nährstoffarmer Werkstoffe. Denn bei einem normalen Nährstoffgehalt nimmt die Anzahl von P. aeruginosa im Biofilm mit zunehmender Betriebszeit auch wieder ab, wie in einem Teilprojekt gezeigt werden konnte. In der Praxis kann oftmals Ähnliches beobachtet werden: Wenn die Ursache einer Kontamination beseitigt ist, führt unter Umständen schon ein vollständiger, über die normalen Betriebsbedingungen hinaus erhöhter Wasserwechsel über mehrere Wochen zum Erfolg. Vorher sollten jedoch die Biofilme in der Installation durch einen Reinigungsprozess (zum Beispiel im Impulsspülverfahren) verringert und Sanitärarmaturen gesondert behandelt werden.
Eine solche Reinigung ist der Schlüssel zum Erfolg. Beispielsweise hängt die Anzahl an Legionellen im Biofilm von der Dicke des Biofilms ab, wobei dicke Biofilme mehr Legionellen enthielten als dünne. Ein bestehender Biofilm wird von Legionella pneumophila schon bei Kaltwassertemperaturen um 18 bis 20
°C erobert. Sind Legionellen einmal im Biofilm, können sie dort über längere Zeiträume bestehen bleiben (persistieren). Diese Untersuchungsergebnisse wären eine Erklärung dafür, warum es bei einer saisonalen Erwärmung des Kaltwassers manchmal überraschend schnell zu überhöhten Koloniezahlen kommt.

Desinfektion ist keine Reinigung

Diese wichtige und mittlerweile in Regelwerken wie dem DVGW-Arbeitsblatt W557 verankerte Aussage hat in den letzten Jahren immer mehr an Zustimmung gewonnen. Dennoch wird sie in der Praxis oftmals ignoriert oder gar geleugnet. Aber umfangreiche Untersuchungen und auch dieses Projekt bestätigen immer wieder: Eine Desinfektion ohne Beseitigung der Kontaminationsursachen und Reinigung ist nicht nachhaltig. Selbstverständlich sind aber Desinfektionsmaßnahmen zur unmittelbaren Gefahrenabwehr unverzichtbar. Man muss sich aber bewusst sein, dass man die Ursachenherde während einer Desinfektionsmaßnahme mit kulturellen Methoden nicht mehr identifizieren kann. Daher sind zur unmittelbaren Gefahrenabwehr oftmals Sterilfilter eine sinnvolle Alternative, um Menschen zu schützen und dennoch die Identifikation von Problembereichen mittels kulturellen Methoden (bei entfernten Filtern) zu ermöglichen.
Ein weiterer Nachteil von voreilig eingesetzten Desinfektionsmaßnahmen ist, dass sie immer auch massiv in das biologische Gleichgewicht der Trinkwasser-Installation eingreifen.
So bekommen weniger empfindliche Bakterien wie P. aeruginosa unter Umständen einen Selektionsvorteil und gewinnen den Wettbewerb um die wenigen Nährstoffe im Trinkwasser.
Wichtig ist auch, dass falsch angewendete Desinfektionsmittel (Konzentrationen und Einwirkzeiten) die Toleranzen von Mikroorganismen in Biofilmen erhöhen und die Ausbildung von VBNC-Stadien begünstigen bzw. induzieren. Wenn also eine Anlagendesinfektion vorgenommen wird, ist nicht nur an der Dosierstelle auf die maximal zulässige Konzentration (Materialverträglichkeit) zu achten, sondern auch auf eine Mindestkonzentration an Endpunkten einer Installation sowie auf eine Mindesteinwirkzeit. Denn Desinfektionsmittel erschöpfen sich bei ihrem Weg durch die Installation. Je länger der Weg und die organische Fracht sind, je geringer ist die Endkonzentration an der Entnahmestelle – insbesondere in weitverzweigten, vernetzten Installationen und in Warmwasserinstallationen.

Überwachung von Trinkwasser-Installationen auf Legionellen

In statistisch abgesicherten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die regelkonforme Überwachung von Trinkwasser-Installationen nicht immer eine Kontamination von Legionellen anzeigt. In den untersuchten Gebäuden war das Vorkommen von Legionella pneumophila in einer kontaminierten Installation einer starken räumlichen und zeitlichen Variabilität unterworfen. Mit anderen Worten: An ein und der selben Entnahmearmatur lagen die Legionellenzahlen im Verlaufe eines Tages mal hoch und mal niedrig. Weiterhin konnte an einzelnen, bei der Routineuntersuchung nicht erfassten Strängen, eine hohe Anzahl an Legionellen nachgewiesen werden, während gleichzeitig die regelkonform beprobten Stränge unauffällig waren. Wurden bei der Auswahl der Probennahmestellen jedoch die Parameter Stagnation, Temperatur und Temperaturkonstanz (5 Kelvin) mit berücksichtigt, konnte eine hohe Anzahl richtig klassifizierter Gebäude erreicht werden. Diese Erkenntnisse konnten in ein mathematisches Modell übertragen werden. Später einmal könnte diese Methode die Zahl der Probennahmestellen in Gebäuden minimieren. Bis dahin wird zukünftig bei der Auswahl der Probennahmestellen die Nutzungshäufigkeit mit zu berücksichtigen sein. Eine selten genutzte, aber speichernahe Entnahmestelle kann eine höhere Aussagekraft bezüglich einer Kontamination mit Legionellen haben, als eine weit entfernte Entnahmestelle mit häufiger Nutzung. Voraussetzung für niedere Legionellenzahlen bleibt aber das etablierte Schutzkonzept 60/55 °C, ein durchgeführter hydraulischer Abgleich der Zirkulationsstränge und die richtige Einstellung der Zieltemperaturen an den Zirkulationsregulierventilen.

Schlussbemerkung

Die hier exemplarisch wiedergegebenen Erkenntnisse aus dem Verbundprojekt weisen eine hohe Praxisrelevanz auf. So sollte das Regelwerk zur Untersuchung von kontaminierten Trinkwasser-Installationen zukünftig auch Methoden zur Detektion von Bakterien im VBNC-Zustand enthalten. Diese sind dann insbesondere bei Desinfektionsmaßnahmen ergänzend einzusetzen. Es wurde aber auch gezeigt, dass vor einer Desinfektionsmaßnahme eine Installation immer gründlich zu reinigen und die Kontaminationsursache zu beseitigen ist. Anschließend reicht oftmals ein erhöhter Wasserwechsel aus, um die Anzahl von P. aeruginosa im Biofilm auch ohne Desinfektionsmaßnahme zu verringern.
Bei der routinemäßigen Überwachung von Trinkwasser-Installationen auf Legionellen sind zukünftig die Probennahmestellen in Gebäuden nach erweiterten Gesichtspunkten auszuwählen. Dabei kommen der Nutzung und der Einhaltung der bekannten Temperaturen in der Peripherie von Gebäuden eine besondere Bedeutung zu.