生物膜的風(fēng)險(xiǎn)與控制

文/張佳騮

本文作者系藝康（中國）投資有限公司全球技術(shù)顧問。

生物膜（也被稱為生物被膜）是微生物分泌于體外的高分子聚合物——它常見于制藥、食品與個(gè)人護(hù)理品行業(yè)的生產(chǎn)或水系統(tǒng)中，其存在可顯著提高微生物對(duì)惡劣環(huán)境和消毒劑的抗性。而且生物膜較難被徹底清除，所以一旦生產(chǎn)或水系統(tǒng)遭受微生物污染，并產(chǎn)生了生物膜，就極易導(dǎo)致系統(tǒng)在常規(guī)清洗、消毒后，微生物依然頻繁超標(biāo)，并帶來相應(yīng)的質(zhì)量隱患。本文介紹了生物膜的形成過程，并分析了生物膜污染控制與預(yù)防的注意點(diǎn)。

1.生物膜的形成

一般來說，生物膜的形成可以分為以下幾個(gè)階段（如圖1所示）：

圖1 生物膜的形成過程

（1）沉降。浮游的微生物是無法產(chǎn)生生物膜的，只有當(dāng)微生物沉降于設(shè)備表面，才會(huì)產(chǎn)生生物膜。而設(shè)備中沉降的菌落數(shù)與設(shè)備表面的粗糙度、生產(chǎn)環(huán)境、清潔和消毒頻率有直接關(guān)系。

（2）細(xì)菌間的粘附。當(dāng)設(shè)備表面有大量的沉降菌時(shí)，能夠產(chǎn)生生物膜的綠膿桿菌、芽孢桿菌以及葡萄球菌等細(xì)菌便開始分泌胞外聚合物。由多糖、纖維蛋白、核苷酸及磷脂組成的胞外多聚物會(huì)形成莢膜，并相互粘附，逐漸形成黏液層。

（3）繁殖。黏液層中微生物不斷繁殖，胞外聚合物增多并逐漸形成生物膜。

（4）生長/成熟。生物膜幫助膜下的微生物進(jìn)行能量、物質(zhì)與信息的傳遞。生物膜成熟后會(huì)逐漸吸附更多浮游微生物，并幫助生物膜下的微生物抵御惡劣環(huán)境。

（5）釋放。隨著生物膜下微生物的不斷增生，生物膜會(huì)在剪切力的作用下，逐漸向環(huán)境中釋放微生物。

2.生物膜帶來的隱患

生物膜是微生物污染的一個(gè)關(guān)鍵且較容易被忽視的來源。系統(tǒng)中的生物膜會(huì)引發(fā)諸多生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量與設(shè)備維護(hù)方面的風(fēng)險(xiǎn)，具體來說，它帶來的隱患有以下幾點(diǎn)：

（1）生物膜在成熟后，會(huì)不斷向環(huán)境中釋放微生物，導(dǎo)致產(chǎn)品或生產(chǎn)用水微生物頻繁超標(biāo)。諸多微生物分泌物可能會(huì)影響產(chǎn)品配方體系、損害產(chǎn)品質(zhì)量、加速產(chǎn)品變質(zhì)。如果生物膜下含有致病菌，那么就可能會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量事故，危及使用者的健康。

（2）生物膜下的微生物對(duì)惡劣環(huán)境有較強(qiáng)的抵御能力，在諸多極端條件（如-10℃以下、110℃以上，pH 1以下、pH13以上）依然可以穩(wěn)定存活。而且生物膜下的微生物可遷移至其他設(shè)備表面，生成新的生物膜。這導(dǎo)致設(shè)備中的生物膜問題難以被徹底清除。

（3）設(shè)備表面長期存在生物膜時(shí)，易導(dǎo)致微生物腐蝕。生物膜可加速不銹鋼表面的腐蝕，使之產(chǎn)生銹斑。塑料表面長期存在生物膜則易發(fā)生色變，最終會(huì)被腐蝕至不可使用。這種生物腐蝕往往發(fā)現(xiàn)較晚，最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生高昂的維修成本。

3.生物膜的清除方法

因?yàn)樯锬?duì)膜下的微生物有保護(hù)作用，而傳統(tǒng)的清潔、消毒方式雖然可以殺滅生物膜下的部分微生物，但卻無法有效去除由胞外聚合物構(gòu)成的生物膜，所以如果在清潔消毒后，系統(tǒng)中微生物依然頻繁超標(biāo)，那么很可能已存在生物膜污染。生物膜主要由多糖、纖維蛋白、核苷酸以及磷脂等胞外多聚物組成。其中由糖醛酸組成的多糖聚合物莢膜可以與鈣、鎂離子相結(jié)合，對(duì)生物膜起到關(guān)鍵的支撐作用。通過檢測(cè)糖醛酸的含量，可初步判斷生物膜是否可能存在于生產(chǎn)或水系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)中可能存在生物膜時(shí)，可參考如圖2所示的步驟對(duì)其進(jìn)行徹底清除。

圖2 生物膜的清除步驟

防止微生物頻繁超標(biāo)的關(guān)鍵在于及時(shí)清除由胞外多聚物構(gòu)成的生物膜。當(dāng)系統(tǒng)中已出現(xiàn)生物膜時(shí)，應(yīng)首先清除對(duì)微生物起保護(hù)作用的生物膜，使微生物直接暴露于環(huán)境中，再對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行消毒。因?yàn)樯锬た梢詾槲⑸锾峁?duì)消毒劑的抗性，所以直接使用消毒劑效果并不理想。且如果僅僅殺滅生物膜下的微生物，而不清除生物膜，那么在后續(xù)生產(chǎn)中浮游微生物可不斷粘附于生物膜上，再次造成系統(tǒng)中微生物超標(biāo)等質(zhì)量問題。

藝康開發(fā)的針對(duì)生物膜的SEEC剝離法就是采用了這個(gè)步驟，相比于傳統(tǒng)的用酸性/堿性清洗劑清洗由胞外聚合物組成的生物膜的方法來說，其效果更理想，如圖3所示。

圖3 SEEC剝離法與傳統(tǒng)酸堿法清洗生物膜對(duì)比

SEEC剝離法會(huì)先利用活性氧成分對(duì)生物膜表面進(jìn)行預(yù)浸潤，并對(duì)其進(jìn)行激活，在生物膜下產(chǎn)生眾多微小氣泡；隨后配合螯合劑破壞鈣、鎂離子對(duì)生物膜的支撐作用，將生物膜從設(shè)備表面徹底剝離；剝離生物膜后，再使用對(duì)生物膜下常見的能產(chǎn)生物膜的綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌有6個(gè)log殺滅效力的消毒液（已通過EPA認(rèn)證），對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行消毒。在對(duì)生物膜進(jìn)行有效清除并殺菌后，即可徹底根除系統(tǒng)中生物膜帶來的問題。

4.生物膜的預(yù)防要點(diǎn)

在徹底清除生物膜后，首先需要重新評(píng)估設(shè)備的污染控制策略，以防止生物膜再次產(chǎn)生。在生物膜產(chǎn)生過程中，系統(tǒng)往往長期缺乏有效的清洗和消毒。生物膜的生成需要大量的碳源與氮源。有效的清洗工藝可降低系統(tǒng)中存在的有機(jī)物，避免生物膜的生成。

在確定清洗工藝后，還需重新評(píng)估系統(tǒng)的清洗、消毒方式與頻率。同時(shí)應(yīng)避免生產(chǎn)系統(tǒng)中存在積水或盲端等相關(guān)設(shè)計(jì)缺陷。在長期運(yùn)行的水系統(tǒng)中，如果存在大量紅銹，則會(huì)增加設(shè)備表面的粗糙度，導(dǎo)致微生物沉積，并逐漸生成生物膜。所以推薦對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行定期的除銹、消毒。

總而言之，生物膜是導(dǎo)致生產(chǎn)和水系統(tǒng)中微生物污染的一個(gè)關(guān)鍵且較容易被忽視的源頭，如果不能有效清除生物膜，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量與設(shè)備維護(hù)等多方面都會(huì)造成負(fù)面的影響，因此選擇專業(yè)有效的生物膜控制和預(yù)防方案非常關(guān)鍵。