什麼是菌膜(biofilm)!有何影響!

在工作中,我們常被問到下列的問題:

  1.  “什麼是菌膜(biofilm)!為什麼以前沒有聽過?”
  2.  “我不做微生物或生命科學方面的實驗,所以純水系統被微生物污染對我無所謂?”

首先,在我們需要先說明菌膜之前,先需要了解在環境中,微生物是如何生存的,它的生存策略是什麼!
Biofilm是由微生物所分泌的黏液所聚集在生物或非生物的表面,例如 : 牙垢, 河床石頭上濕滑的軟泥, 裝水一星期的花瓶內表面等等.
任何接觸水的表面都會形成 Biofilm
所有的純水系統,99%以上都會有微生物在水系統內部表面形成Biofilm的方式繁殖.
Biofilm來源是許多自來水中微生物, 部分會感染實驗動物或導致發病,或產生內毒素及各種分解性酵素.
在水中最常見的是Pseudomonas aeruginosa (綠膿桿菌)
自然界的微生物,99%都會以biofilm的方式生存,其生存策略如下:

Biofilm的微生物細胞璧外部具有絨毛狀的多醣體聚合物, 有助於黏附在物體表面, 可濃縮養分,並保護細胞不容易被各種殺菌方式毀滅,所以微生物在物體表面形成Biofilm是一種生存機制,其生存優勢如下:

  1. 利於攝取養分,微量養分或有機物在物體表面濃度較高, 而微生物體外具黏性的Polysaccharide使得養分更集中.
  2. 微生物和微生物間的代謝物可以互相利用,並且許多酵素或生化反應互相合作, 形成共生體系.
  3. 抵抗各種消毒殺菌的效力,微生物形成Biofilm可以增加抵抗氯氣(及其他殺菌劑)的殺菌力, 相較於懸浮的微生物多150~3000倍,通常殺菌都作用在Biofilm的表面, 其殺菌(氧化)能力通常只達到表面, 而微生物並非增加抵抗氯氣的能力, 而是在表面利用Polysaccharide形成了保護罩(殺菌劑不易穿透),並且在使用殺菌劑之後, 沒被殺死了微生物會分泌更多細胞外聚合物來保護自己.


在純水系統中,影響Biofilm發展的因素如下:

  1. 不同的材質, 如不鏽鋼和塑膠, 微生物都很容易附著, 差異不大.
  2. RO膜, 離子交換樹脂, 儲槽, 濾材, 或管壁, 有廣大的生活面積, 提供很好的biofilm形成環境.
  3. 平滑的表面可以延遲微生物的附著, 但長時間仍無法避免biofilm的形成.
  4. 水的流速無法避免微生物附著, 也無法完全移除Biofilm, 但卻可以限制 Biofilm的厚度.
  5. 養分的多寡, 會影響微生物的繁殖生長,1 ppb的有機物, 可以繁殖生長出9,500 bacteria/ml.
    目前沒有任何技術可以完全去除水中養分來源, 但是利用一些技術例如RO, 卻可以儘量使養分貧瘠.
  6. 表面粗糙度越大, 微生物越有機會在上面形成 Biofilm

現今沒有任何方法可以完全去除微生物, 對於水質的控制, 我們能做的, 只能不斷的:

  1. 持續水質純化,使養分來源控制在極低的濃度之下.
  2. 持續高流速沖洗 : 控制Biofilm的厚度.
  3. 使用平滑的表面 : 減少使用接頭和使用表面粗糙的管材.
  4. 合理的用水量或系統最低的運作時間: 避免純水系統中任何部位有停滯水的情況發生.

如果純水系統被微生物(菌膜)污染時,純水系統的運作會產生什麼樣的問題?

  1. 如果純水系統被菌膜所污染甚至包覆時,首當其衝就是逆滲透膜(RO),因為菌膜會很快分解這個高分子薄膜,導致對水中雜質的去除能力大打折扣,使整體的產出水質影響巨大
  2. 其次,菌膜對純水系統不可或缺的離子交換樹脂的效能,發生致命的影響,理由很簡單,被菌膜包覆的離子交換樹脂將損失九成以上的交換表面積,不只耗材受命變短,它本身也變成微生物的溫床,影響至鉅.
  3. 還有,因為純水系統會使用大量不同種類的濾膜,所以,這些濾膜成功的阻擋了細菌之後,也造成對水流流動的阻礙,所以製水速度立即受到影響,尤有甚者,因為純水系統是靠加壓幫浦來驅動水的流動,如果水流流速遇到阻礙,加壓幫浦自然就會提高驅動壓力,如此就會有兩種後果.

       a.內壓升高,使加壓幫浦的工作負擔加大,加速磨耗或過熱,縮短幫浦壽命.

       b.因內壓升高,使純水系統內部超過20個管線接頭提高了潛在的風險-漏水,並且,這種漏水因含有  壓力,所以可能會噴到危險的地方-電路板,這樣不只會造成荷包損失,也會有整個機台毀損的風險,所以不能等閒視之.

所以,即使用水者所進行的實驗與生命科學無關,但微生物對純水系統的運作及純化能力,影響深遠,所以如何管理系統中的微生物,應是實驗室最新的課題!

參考資料

elga labwater