Wir stellen uns Bakterien oft als einzelne, frei bewegliche Zellen vor. Dieses Bild ist hilfreich, zeigt aber nur einen Teil ihres Lebens. In vielen Umgebungen heften sich Mikroorganismen an eine Oberfläche, bilden Gruppen und umgeben sich mit einer selbst hergestellten Schicht.
Eine solche organisierte Gemeinschaft heißt Biofilm. Sie kann auf einem Stein im Bach, in einer Wasserleitung, auf einem Zahn, einem Industriegerät oder einem medizinischen Material entstehen.
Die Frage was ist ein bakterieller Biofilm interessiert Mikrobiologen, Ärzte, Zahnärzte, Lebensmitteltechnologen, Ingenieure und Fachleute der Wasseraufbereitung. Ein Biofilm ist weder ein bestimmter Mikroorganismus noch eine einzelne Krankheit. Er ist eine Organisationsform von Mikroorganismen.
Nicht jeder Biofilm ist gefährlich. In der Natur sind solche Gemeinschaften an Stoffkreisläufen und Ökosystemen beteiligt. Für manche industrielle Anwendungen werden sie gezielt genutzt. Probleme können entstehen, wenn ein Biofilm an einem unerwünschten Ort wächst oder von krankheitsassoziierten Mikroorganismen gebildet wird.
Einfach gesagt ist ein Biofilm eine Ansammlung von Mikroorganismen, die mit einer Oberfläche verbunden und von einer selbst produzierten extrazellulären Matrix umgeben sind.
Die Matrix kann unter anderem Polysaccharide, Proteine, Lipide und extrazelluläre DNA enthalten. Ihre Anteile hängen von Art, Umweltbedingungen, Nährstoffangebot und Entwicklungsphase des Biofilms ab.
Die Matrix wirkt wie ein Gerüst. Sie hilft Zellen, zusammenzubleiben, sich an den Untergrund zu heften und eine räumliche Struktur zu bilden. Sie hält Wasser und einen Teil der Stoffe aus der Umgebung zurück.
Ein Biofilm ist aber keine einheitliche gallertartige Masse. Er kann Kanäle und Bereiche mit unterschiedlichen Mengen an Sauerstoff, Nährstoffen und Stoffwechselprodukten enthalten. Bakterien an der Oberfläche können anders arbeiten als Zellen in tieferen Schichten.
Die Bildung eines Biofilms wird meist in mehreren Phasen beschrieben. Tatsächlich sind die Grenzen fließend; Einzelheiten unterscheiden sich je nach Art und Umgebung.
Am Anfang steht der Kontakt mit einer Oberfläche. Ein Bakterium kann durch strömendes Wasser, Speichel, Luft oder eine andere Flüssigkeit zufällig in ihre Nähe gelangen.
Die erste Anheftung kann umkehrbar sein. Sind die Bedingungen ungünstig, kann sich die Zelle wieder lösen. Bleibt sie, können die Mechanismen der Anhaftung stärker werden.
Anschließend vermehren sich Bakterien und bilden kleine Gruppen. Die Produktion von Matrixbestandteilen steigt. Mit der Zeit wird die Struktur komplexer.
In einem reifen Biofilm gibt es verschiedene Mikrobereiche. Manche Zellen wachsen rasch, andere sind weniger aktiv. Später lösen sich einige Mikroorganismen ab und gelangen an neue Orte.
Ein freies Leben in Flüssigkeit hat Vorteile: Bakterien können sich schnell bewegen und neue Lebensräume suchen. Es birgt aber auch das Risiko, weggespült zu werden, auszutrocknen oder plötzlich veränderte Bedingungen vorzufinden.
Eine Oberfläche kann einen stabileren Ort bieten. Wenn Nährstoffe in der Nähe auftauchen, kann die Gemeinschaft sie nutzen. Die Matrix erschwert das mechanische Entfernen und hilft, örtliche Bedingungen zu erhalten.
Damit ist ein Biofilm keine unverwundbare Festung. Er kann entfernt, ausgetrocknet, beschädigt oder von notwendigen Stoffen abgeschnitten werden. Er ist jedoch komplexer als einzelne, frei in Flüssigkeit schwebende Zellen.
Biofilme zu bilden ist eine Möglichkeit für Mikroorganismen, sich an eine wechselnde Umgebung anzupassen.
Die extrazelluläre Matrix wird manchmal mit Baumaterial für eine Stadt verglichen. Sie trägt die Struktur, ist aber nicht nur ein passiver Schutzschild.
Ihre Bestandteile können Anhaftung, Wasserbindung und Molekültransport beeinflussen. In ihr können Enzyme und Stoffe gespeichert sein, die Mikroorganismen nutzen.
Manche Bestandteile beteiligen sich an chemischen Reaktionen im Biofilm. Die Matrix kann außerdem bestimmte Moleküle aus der Umgebung binden.
Ihre Bedeutung hängt vom jeweiligen Biofilm ab. Nicht alle Gemeinschaften bilden dieselbe Struktur. Selbst innerhalb einer Art kann sich die Zusammensetzung mit Temperatur, pH-Wert und Nährstoffangebot ändern.
Deshalb gibt es keine einheitliche Beschreibung oder Entfernungsmethode für alle Biofilme.
Bakterien können kleine Signalmoleküle in ihre Umgebung abgeben. Mit wachsender Zellzahl steigt die Konzentration dieser Signale.
Erreicht sie einen bestimmten Wert, ändern manche Bakterien die Aktivität ausgewählter Gene. Dieses Phänomen heißt Quorum Sensing, also Kommunikation in Abhängigkeit von der Populationsdichte.
Es kann die Produktion von Matrixbestandteilen, Beweglichkeit, Stoffwechsel und andere Zelleigenschaften beeinflussen.
Man sagt manchmal, Bakterien würden „reden“. Das ist anschaulich, sollte aber keine bewusste Entscheidung nahelegen. Es handelt sich um chemische Reaktionen und Genregulation.
Nicht jeder Biofilm hängt gleich stark vom Quorum Sensing ab. Arten nutzen verschiedene Signale; viele weitere Faktoren regulieren die Bildung der Gemeinschaft.
Ein Biofilm kann aus einer einzigen Mikroorganismenart bestehen. In natürlichen Umgebungen findet man aber häufig Gemeinschaften mit mehreren Arten.
Ihre Mitglieder können um Raum und Nährstoffe konkurrieren. Sie können auch Stoffwechselprodukte anderer Mikroorganismen nutzen oder gemeinsam die örtliche Umgebung verändern.
Die Beziehungen sind also nicht immer harmonisch. In einem Bereich kann Zusammenarbeit herrschen, in einem anderen starker Wettbewerb.
Die Komplexität solcher Gemeinschaften ist ein Grund dafür, dass Ergebnisse eines einfachen Versuchs mit einem einzigen Stamm nicht immer auf den Körper oder die Umwelt übertragbar sind.
Zahnbelag ist eines der bekanntesten Beispiele. Auf der Zahnoberfläche entsteht eine dünne Schicht, an die sich weitere Mikroorganismen anheften.
Der Belag ist keine zufällige Bakterienmischung. Zusammensetzung und Struktur verändern sich mit der Zeit und hängen unter anderem von Mundhygiene, Ernährung, Speichelfluss und der Stelle im Mund ab.
Regelmäßiges mechanisches Entfernen ist ein grundlegender Teil der Mundhygiene. Bei Zähnen zeigt sich auch, warum einfaches Abspülen mit Wasser nicht genügt: Die angeheftete Gemeinschaft muss mechanisch aufgebrochen werden.
Nicht jedes Vorkommen von Bakterien im Mund ist eine Krankheit. Der Mund hat eine eigene Mikrobiota. Probleme hängen mit gestörtem örtlichem Gleichgewicht, angesammeltem Belag und weiteren Faktoren zusammen.
Mikroorganismen können sich an natürliche und künstliche Oberflächen heften. Biofilme findet man in Wasserleitungen, Behältern, Industrieanlagen, medizinischen Geräten und auf Implantaten.
Die Materialart beeinflusst das Anheften, ist aber nicht der einzige Faktor. Rauheit, organische Stoffe, Temperatur, Flüssigkeitsströmung und Zeit spielen ebenfalls eine Rolle.
Im Gesundheitswesen können Biofilme auf körperberührenden Oberflächen besonders bedeutsam sein. Dann sind professionelle Hygiene-, Diagnose- und Behandlungsverfahren nötig.
Ein Informationsartikel sollte nicht nahelegen, dass ein Hausmittel oder Nahrungsergänzungsmittel Biofilme von medizinischen Geräten entfernen oder damit verbundene Infektionen behandeln kann.
Beide Begriffe hängen zusammen, bedeuten aber nicht genau dasselbe.
Antibiotikaresistenz beruht auf genetischen Eigenschaften, mit denen ein Bakterium ein bestimmtes Arzneimittel überlebt. Resistenzgene können durch Mutation entstehen oder zwischen Zellen weitergegeben werden.
Die Toleranz eines Biofilms kann zusätzlich aus seiner Struktur und den unterschiedlichen Zuständen seiner Zellen folgen. Manche Stoffe dringen langsamer durch die Matrix. Bakterien in tieferen Schichten können langsam wachsen, während einige Medikamente besonders gut gegen aktiv teilende Zellen wirken.
Nach Auflösung des Biofilms behalten Bakterien nicht immer denselben Grad an Toleranz. Ein Biofilm kann trotzdem auch genetisch resistente Stämme enthalten.
Die Unterscheidung ist für Forschung und Behandlung wichtig.
Ein einfacher Labortest bringt einen untersuchten Stoff häufig mit frei wachsenden Bakterien in Kontakt. Dieses Modell bildet die räumliche Struktur eines Biofilms nicht nach.
Forschende verwenden für Biofilmstudien Platten, Durchflusskammern, künstliche Oberflächen und Gewebemodelle. Sie messen die Masse der Struktur, die Zahl lebender Zellen, die Zusammensetzung der Matrix oder Veränderungen unter dem Mikroskop.
Auch ein aufwendiges Modell bleibt eine Vereinfachung. Im Körper gibt es Proteine, Immunzellen, Flüssigkeitsströmungen, Temperaturveränderungen und komplexe Gemeinschaften von Mikroorganismen.
Außerdem hängt das Ergebnis davon ab, ob das erste Anhaften verhindert, das Wachstum eines jungen Biofilms gehemmt oder eine reife Struktur beeinflusst werden sollte. Das sind drei verschiedene Fragen.
Honig, Propolis und daraus gewonnene Extrakte werden in Laborversuchen mit Mikroorganismen untersucht. Forschende können prüfen, ob eine Probe frei wachsende Zellen, das Anhaften oder die Menge an Biofilm in einem bestimmten Modell beeinflusst.
Solche Versuche sind ein interessanter Forschungsschritt. Sie belegen jedoch nicht automatisch die Wirksamkeit eines fertigen Produkts beim Menschen.
Wichtig sind:
Eine Konzentration in einer Laborschale lässt sich nach Einnahme eines Nahrungsergänzungsmittels möglicherweise nicht erreichen. Der Stoff kann zudem verdaut und verstoffwechselt werden.
Wenn ein Laborversuch weniger Biofilm zeigt, lässt sich das Ergebnis nur im Rahmen des verwendeten Modells beschreiben.
Es bedeutet nicht, dass das geprüfte Produkt:
Für die Beurteilung einer Anwendung am Menschen braucht es geeignete klinische Studien zur konkreten Produktform, Dosis, Anwendung und Patientengruppe.
Bei Verdacht auf eine Infektion oder Probleme mit einem Implantat ist eine fachliche Diagnose erforderlich. Eigene Experimente können eine passende Behandlung verzögern.
Nein. Biofilme sind eine weit verbreitete Lebensform von Mikroorganismen und kommen in vielen Ökosystemen vor.
Bei manchen Verfahren zur Abwasserreinigung werden sie eingesetzt: Mikrobengemeinschaften helfen, Stoffe im Wasser umzuwandeln. In der Natur besiedeln sie Steine, Pflanzenwurzeln und Sedimente.
Auch mit dem Menschen verbundene Mikroorganismen können organisierte Gemeinschaften bilden, ohne eine Krankheit auszulösen. Entscheidend sind Zusammensetzung, Ort und Bedingungen.
„Biofilm“ sollte daher nicht bloß als bedrohlich klingendes Werbewort dienen. Der Begriff beschreibt, wie Mikroorganismen organisiert sind.
In Werbematerialien wird das Thema Biofilm manchmal genutzt, um zu behaupten, ein Produkt entferne „versteckte Bakterien“ oder „reinige den Körper von der Schutzschicht der Keime“.
Bei solchen Aussagen ist Vorsicht angebracht, besonders wenn nicht angegeben ist:
Ein wissenschaftlicher Ausdruck kann glaubwürdig klingen, ersetzt aber keine Belege. Gute Aufklärung erklärt den Wert und die Grenzen von Forschung.
Am sorgfältigsten ist es, den Artikel rein informativ zu halten. Er sollte Leser nicht direkt zum Kauf eines Nahrungsergänzungsmittels als Lösung für ein Biofilmproblem führen.
Wird die Marke erwähnt, sollte die Aussage neutral und auf Fakten begrenzt sein, etwa auf das wissenschaftliche Interesse an Rohstoffen aus der Bienenhaltung.
Neben einem Produkt sollten Formulierungen wie diese nicht stehen:
Laborergebnisse betreffen eine bestimmte Probe und Versuchsbedingungen, nicht jede Handelsform.
Auf die Frage was ist ein bakterieller Biofilm lautet die kurze Antwort: eine organisierte Gemeinschaft von Mikroorganismen, die mit einer Oberfläche verbunden und von einer eigenen Matrix umgeben ist.
Ein Biofilm entwickelt sich in Schritten: vom ersten Kontakt über Anhaften und Vermehrung bis zur Reifung der Struktur und zur Ausbreitung einzelner Zellen.
Die Matrix ist nicht nur eine Hülle. Sie ist Lebensraum, beeinflusst den Stofftransport und schafft unterschiedliche kleine Bereiche.
Studien zu Honig, Propolis und anderen Naturstoffen können interessante Laborphänomene zeigen. Daraus folgt aber nicht automatisch, dass eine Infektion behandelt werden kann oder ein Nahrungsergänzungsmittel wirkt.
Zu verstehen, was ein bakterieller Biofilm ist, hilft beim Einordnen wissenschaftlicher Meldungen. Mikroorganismen leben nicht immer als Einzelzellen, und ein einfacher Test muss das Verhalten einer komplexen Gemeinschaft nicht abbilden.
Mehr über Honig und Propolis erfahren Sie auf camelyn.eu.
Dieser Artikel dient der Information. Er ist keine Grundlage zur Diagnose oder Behandlung von Infektionen und ersetzt weder ärztlichen noch zahnärztlichen Rat.
Weiterführende Quellen: CDC: Biofilme und Infektionen im Zusammenhang mit Medizinprodukten · Forschungsübersicht zu Toleranz und Persistenz in bakteriellen Biofilmen.
