Prof Dr. İrfan TÜRETGEN
İstanbul Üniversitesi, Fen Fakültesi, Biyoloji Bölümü, Vezneciler – İstanbul
SU ŞEBEKE SİSTEMLERİNDE MİKROBİYAL BİYOFİLM TABAKASI:
Özet:
Biyofilm tabakası, birbirlerine ve yüzeye tutunmuş mikroorganizma topluluğu olarak tanımlanır. Biyofilm tabakası besin maddelerini biriktirmesi, içindeki mikroorganizmaları dezenfektanlardan, bakterileri yiyerek beslenen canlılardan, virüslerden ve pH dalgalanmalarından koruması gibi birçok avantajı sunmaktadır.
Su sistemlerinde bakterilerin çoğalması ve biyofilm tabakasının oluşumu halk sağlığı ve endüstri açısından büyük bir problem oluşturur.
Biyofilm tabakası, şebeke suyu ileten boru ve depolarda su kalitesinin bozulması ve işletim ile ilgili sorunları beraberinde getirir.
Dezenfektanlara toleransına ek olarak karmaşık fiziksel yapısı ve dinamik doğasından ötürü ölçümü, izlenmesi, kontrolü zor olmakta ve mücadele stratejilerinin etkinliğini azaltmaktadır.
Biyofilm tabakasının kontrolü, su şebeke sistemlerinin sağlıklı işletilmesinde çok büyük bir paya sahiptir.
Anahtar kelimeler: Biyofilm, şebeke suyu sistemi, mikrobiyal ekoloji, dezenfektan.
GİRİŞ;
Biyofilm, canlı veya cansız bir yüzeye yapışarak kendi ürettikleri polimerik yapıda jelsi bir tabaka içinde yaşayan mikroorganizmaların oluşturdu ğu topluluk olarak tanımlanabilir [1]. Bu jelsi taba ka, bakteri hücreleri tarafından üretilen EPS adı verilen polisakkarit bazlı bir kafestir [2]. EPS, ter minolojide “extracellular polymeric substances”, “exopolysaccharides” ya da “exopolymers” terim lerinin karşılığı olarak kullanılmaktadır. EPS’yi biyofilm tabakasında bakterilerin hücre dışına saldıkları ve onları bir arada tutan çimento gibi düşünebiliriz. Birçok araştırıcı tarafından farklı tarif edilmesine karşılık biyofilm tabakasından söz edilmesi için gereken 3 temel eleman yüzey, mikroorganizma ve EPS’dir. Biyofilm tabakası çok farklı çevrelerde oluşabilirken, en basit biyofilm tabakası bile karmaşık bir dinamiğe sahiptir (Şe kil 1). 1930’lu yıllardan bugüne dek yoğun olarak araştırılan biyofilm tabakası, endüstriyel / evsel su sistemlerinde, ısı değiştiricilerde, su ileten bo rularda, gemi karinalarında, su arıtma, depolama, işleme ve dağıtım tesislerinde biyofauling olarak da adlandırılan istenmeyen tortu ve tabakalaş malara yol açarak önemli derecede ekonomik ka yıplara yol açar [3]. 2. BİYOFİLM TABAKASI Yaşam alanlarının çeşitliliği ve genişliği açısın dan bakteriler dünyanın en başarılı yaşam form larıdır. Su depo ve borularında az sayıda da olsa besin maddeleri ve mikroorganizmalar devamlı olarak bulunur. Bir çok çalışma, su şebekelerin de bakteriyel üreme ile suyun estetik ve hijyenik kalitesini bozulduğunu belirtmektedir. Lejyoner hastalığı, kistik fibroz, kalp kası enfeksiyonu, orta kulak iltihabı, periyodontit, osteomiyelit, kronik prostat gibi hastalıkların etkenlerinin biyofilm iliş kili mikroorganizmalar olduğu göz önüne alınırsa tehlikenin ne kadar büyük olduğu anlaşılabilir [1]. Endüstriyel ya da evsel su sistemlerine gelen şe beke suyu kilometrelerce uzunlukta borulardan geçerek, bazen depolarda bekledikten sonra kul lanılmaktadır. Suyun boru içindeki akış hızının azalması ya da durmasıyla biyofilm oluşumun daha hızlı gerçekleştiği bilinmektedir. Bu neden le az kullanılan su sistemlerinde ya da bina içi te sisattaki ölü uçlara giden borularda mikroorganiz malar daha kolay çoğalmaktadırlar.
Biyofilm taba kası endüstriyel su sistemlerinde ısı değiştirici lerde sıcaklık transfer veriminin düşmesine, boru çapının daralmasıyla sistem basıncının artması na ve bunun sonucu olarak bağlantı noktalarında sızdırmaya neden olmaktadır. Mikroorganizmala rın bu tabaka içinde yaşarken hücre dışına sal dıkları yan ve son ürünlerle mikrobiyolojik olarak indüklenen korozyon başlamakta, bu sorunlara maruz kalan enerji santrallerinin soğutma kuleleri bakım ve onarım için günlerce kapalı kalmakta ve çok büyük ekonomik kayıplara yol açmaktadır. Benzer bir korozyon problemi mikroorganizmalar tarafından gemilerin yakıt ileten borularında ger çekleştiğinde bakım için gemi karaya çekilmekte ve haftalarca sefere çıkamamaktadır. Bakteriler, şebeke suyu gibi besin varlığı açısın dan zayıf bir ortamda yaşamak ve çoğalmak için her zaman daha avantajlı bir ortam ararlar. Özel likle metabolik açıdan aktif bakteriler yüzeye tu tunmak için olağanüstü bir istek gösterirler. Ta nımlanmış olan bakterilerin %99’u bu biyofilm ta bakası içinde yaşayabilmektedir [1]. Sucul or tamlarda besin maddeleri de katı yüzeylerin yakı nında birikme eğilimi gösterirler. Ancak sucul or tam içindeki yüzeylerde oluşan biyofilm tabakası nın büyüklüğü, hücre çoğalması ve EPS üretimi için gerekli besin miktarı ile sınırlıdır. Besin mik tarının çok az olduğu ortamlarda bölgesel biyo film gelişimi olur. Biyofilm tabakasının oluşumu sıcaklık, su akış hızı, suyun kimyasal ve mikro biyolojik parametreleri, dezenfektan maddeler ya da kalıntılarına bağlı olduğu gibi depo ve boru malzemelerinin tipine de bağlıdır. Hallam ve arkadaşları [3] su şebeke sistemlerin de yaptıkları bir çalışmayı şu ana başlıklarla özetlemektedirler:
Biyofilm tabakası, gözle görülebilir büyüklükte ki organizmaların bile çoğalmasına imkan ve rebilecek besin zincirinde başlangıç noktası konumundadırlar. – Bakteriyel üreme şebeke suyunda bulanıklık,
kötü tat, koku ve renk değişimine neden ola bilir. – Biyofilm tabakası içinde sağlık riski oluştura bilecek mikroorganizmalar barınabilir. – Bakteriyel üreme sonucunda metal depo ve borularda korozyon meydana gelmektedir.
Biyofilmin doğal oluşum sürecinde tabaka içine farklı türlerde mikroorganizmalar katılmakta ve heterojen bir yapı hüküm sürmektedir. Çoğunluk la bakterilerin baskın olduğu biyofilm tabakaların da mantar ve çok hücreli canlılara da rastlanmak borularda korozyon meydana gelmektedir.
Biyofilm tabakası, bakterileri başta klor olmak üzere dezenfektanlardan, besinsizlikten, kuraklık tan, pH dalgalanmalarından, toksinlerden, virüs lerden korur; hücreleri bir arada tutar. Biyofilm ta bakası bir difüzyon kalkanı ya da moleküler filtre gibi davranarak barındırdığı mikroorganizmaları korur. Özellikle temizliği göz ardı edilen su tankla rı ve depolarda biyofilm tabakası bakterilerin yer leşmesi için ideal bir sığınak durumuna gelir [4]. Bakteriler, sucul ortamlarda serbest yüzmek yeri ne bir yüzeye tutunmayı tercih ederler. Bunun se bepleri; tutunduğu yüzeyin besin kaynağı olması, suyun akışıyla tutunduğu yere besin maddesi ta şınması ya da su akışı sayesinde bol oksijen bulunması olabilir. Biyofilm tabakasının oluşu mundaki ilk basamak yaklaşmadır. Bakteri, tutu nacağı yüzeye aktif hareket ya da konveksiyon ile yaklaşır. Yüzeye kritik uzaklıkta olduğu anda [yaklaşık 1 nanometre], bakteri itici ve çekici güç lerin etkisiyle ya yüzeye yapışır ya da itilir. Bu iti ci ve çekici güçler; elektrostatik ve hidrofobik etki leşimler, van der Walls bağlarının kuvveti, sıcak lık, hidrodinamik güçler olarak tanımlanmaktadır. Elektrostatik etkileşimler daha çok itici güçlerdir, çünkü bakteriler ve katı yüzeyler negatif yüklüdür. Yüzeyle ilk temasın gerçekleşmesinde hidrofobik etkileşimlerin katkısı büyüktür. Bunun yanında bakterinin tutunmasını kolaylaştıran hücre dışı yapıları, pH, besin miktarı, sıcaklık da yüzeye ya pışmada etkili role sahiptir. Bakteri, sahip olduğu hücre dışı uzantılar ya da saldığı polimerler ile yüzeye sıkıca bağlanır. Bu bağlanma geri dönü şümsüzdür. Yüzeye sıkıca tutunan bakteri bura da çoğalarak önce mikrokolonileri, mikrokoloniler de büyüyerek ve genişleyerek biyofilm tabakası nı oluşturur. Bakterilerin hücre dışına saldıkları EPS, kimyasal ve fiziksel özellikleri bakımından farklılık gösterse de polisakkarit yapıda bir poli merdir ve biyofilm tabakası içindeki total organik karbon miktarının % 50 ila 90’ını temsil eder. Ya pı olarak, ortam şartlarına bağlı olarak değiş kenlik gösterebilen, bünyesinde oldukça fazla su tutabilen yarı katı bir tabakadır. Biyofilm tabakası nın %97’si su olması özelliği ile barındırdığı mik roorganizmaları kuruluğa karşı bir derece koruyabilmektedir [1].
Su sistemlerinde bakteri sayısı tayini su kalitesini belirleyen kriterlerden biridir ve bakterilerin bir kısmı fırsatçı patojen oldukları için sağlık riski oluşturabilmektedir. Kısıtlı risk değerlendirme çalışmaları ve yetersiz salgın hastalık verileri ne deniyle bakterilerin insan sağlığına olan olumsuz etkileri arasında tam bir bağlantı kurulamamıştır. Bakteri sayısı tayini ile depo ve sirkülasyon sula rındaki mikrobiyal değişimler kolayca izlenebilir. Ayrıca su sistemlerinin yapımında kullanılan mal zemeler üzerindeki mikrobiyal populasyonun öl çümü için de kullanılır. Biyofilm tabakası içinde barınan bakteriler, su fazında serbest yüzenler den sayıca üstündür [7]. Toplam bakteriyel yükün %95’i biyofilm tabakasının içinde bulunur. Suda serbest yüzen bakterilerin ölçülmesiyle yapılan analizler çok küçük bir kısmı yansıttığından, ger çek bir değerlendirme için suyun temas ettiği yü zeyden biyofilm örneği de alınarak yorum yapıl malıdır. Doğal ya da insan yapımı su sistemlerinde geli şen biyofilm tabakasındaki bakteriler, düşmanla rı olan organizmalara karşı korunurken aynı za manda çeşitli özelliklere sahip farklı dezenfek tanlara da direnç gösterirler [8]. Bu mücadelede farklı mekanizmalar iş görürler. Bunlardan biri, biyofilm tabakasının dip kısımlarına dezenfektan ların erişiminin zor olması ya da olmayışıdır. Ta baka, dezenfektan geçişini yavaşlattığı gibi on ların sudaki çözünme hızını yavaşlatır. Bir hipo teze göre, az besin bulunan su şebeke sistemin deki biyofilm bakterileri açlık nedeniyle yavaş üreme ya da durgunluk evresine geçer ve bu me tabolik değişiklik onu dezenfektanlara daha di rençli kılar. Daha farklı bir hipoteze göre, biyofilm tabakası içindeki bakteri farklı bir yaşama tarzı na adapte olur. Bu durum besin azlığına karşı yapılan bir davranış değil, yüzeye yapışarak üremek için biyolojik olarak programlanmış bir cevaptır.
Biyofilm tabakasının oluşumunu önlemek için tek bir strateji vardır, o da biyofilm oluşmadan önce düzenli olarak uygun dozda dezenfeksiyon yap maktır. Büyük depoların mekanik olarak temizliği mümkün olmasına rağmen bina içindeki borular gibi uzak ve dar noktalara erişmek neredeyse im kansızdır. Biyofilm tabakası, suda belli bir oranda bulunan dezenfektan maddelerin, bakterilere ulaşmasını önler. Bu engelleme mekanik ya da elektrik yüklerindeki farklılıklar nedeniyle oluşur. Dezenfektan madde tabakanın içine girmeyi ba şarsa bile, jelsi yapı içinde seyrelirler. Yapılmış olan araştırmalardan bilindiği üzere besin açısın dan fakir ortamlarda yaşayan bakteriler, dezen fektanlara laboratuarda üreyenlerden kat kat faz çeşidi de biyofilm tabakasıyla mücadelede etkin bir role sahip olduğundan, amaca ve mekana uy gun seçim yapılması şarttır [9].
KAYNAKLAR 1. Costerton, J.W., Lewandowski, Z., Caldwell, D.E., Korber, D.R., Lappin-Scott, H.M. “Mic robial biofilms” Ann Rev Microbiol, 49, 711745, 1995. 2. Sutherland, I.W. “Biofilm exopolysaccharides: lara direnç gösterirler. Olumsuz şartlar altında ya şayan bakteriler ile mücadelenin çok daha zor olduğu sonucuna varabiliriz.
SONUÇ;
Biyofilm tabakasının doğurduğu hijyenik riskler göz ardı edilemeyecek kadar çeşitli ve büyük ol duğu için su sistemlerinde oluşmasını önlemek amacıyla tedbirler alınmalıdır. Bu tedbirlerin en başında sistemin en iyi şekilde dizayn edilmesi, kaliteli tesisat malzemesi kullanılması gelmekte dir. Suyun estetik kalitesini olumsuz etkileyecek faktörler kontrol altına alınmalıdır. Çünkü şebeke suyuna, kaynağında ne kadar temiz olursa olsun, taşındığı boru ve depolarda mikroorganizmalar karışacaktır. Uygulanan dezenfeksiyon sürecinin de takibinin yapılması şarttır. Uygulama nokta sında ölçülen dezenfektan dozu uzak uçlarda seyrelecek ve etkisini yitirecektir. Limitlerin üstün de kullanılacak dozların sistemde korozyona ne den olarak ekonomik kayıplara yol açacağı gibi suyun kullanıldığı yada deşarj edildiği ortamda canlılar üzerinde olumsuz etkilere yol açacağı unutulmamalıdır. Özellikle olgun biyofilm tabaka sına dezenfektanların etkisinin çok zayıf olduğu bilindiğinden mekanik temizlik yapılması gereke bilir. Mekanik temizliğin mümkün olmadığı sis temlerde “dispersan” özelliğe sahip ürünler kulla nılarak dezenfektanın biyofilm tabakasına erişi mi kolaylaştırılır. Biyofilm tabakasının kontrolü, su şebeke sistemlerinin sağlıklı işletilmesinde çok büyük bir paya sahiptir.
Sutherland, I.W. “Biofilm exopolysaccharides: a strong and sticky framework” Microbiol, 147, 3-9, 2001. 3. Hallam, N.B., West, J.R., Forster, C.F., Simms, J. “The potential for biofilm growth in water distribution systems” Wat Res, 35, 4063-4071, 2001 4. LeChevallier, M., Cawthon, C.D., Lee, R.G. “Factors promoting survival of bacteria in chlorinated water supplies” Appl Environ Mic robiol, 54, 649-654, 1988 5. Boe-Hansen, R., Albrechtsen, H.J., Arvin, E., Jorgensen, C. “Bulk water phase and biofilm growth in drinking water at low nutrient con ditions” Wat Res, 36, 4477-4486, 2002. 6. Codony, F., Morato, J., Ribas, F., Mas, J. “Ef fect of chlorine, biodegradable dissolved or ganic carbon and suspended bacteria on bi ofilm development in drinking water systems” J Basic Microbiol, 42, 311-319, 2002. 7. Donlan, R.M. “Biofilms: Microbial life on sur faces” Emerging Infect Dis, 8, 881-890. 2002. 8. Türetgen, I.. “Comparison of free residual chlorine and monochloramine for efficacy against biofilms in model and full scale cool ing towers” Biofouling 20:81-85, 2004 9. Türetgen, I. and A. Cotuk. “Formation of Bac terial Biofilms in Model Recirculating Water System” J. Environ. Micropaleo. Microbiol. Meiobenth. 2, 136-142, 2005.
KAYNAK: Tesisat Mühendisliği Dergisi Sayı: 92, s. 29-32, 2006
