W systemach wodnych bardzo często występują biofilmy, czyli tzw. obrosty biologiczne. Te biologiczno-chemiczne struktury odkładające się na powierzchniach kontaktujących się z wodą stwarzają niebezpieczeństwo w wielu branżach przemysłu. Są zagrożeniem zarówno dla odbiorców produktów finalnych, jak i producentów. Powstawanie biofilmów to zjawisko dość częste, jednak głównym powodem, dla którego wiele przedsiębiorstw zwraca uwagę na skutki ich występowania jest pojawiający się wzrost liczby oznaczanych w wodzie bakterii grupy coli. Te wskaźniki stanu sanitarnego wody często towarzyszą innym bakteriom heterotroficznym tworzącym biofilmy.
Występowanie biofilmów może być związane z szeregiem czynników fizykochemicznych, wśród których najważniejsze są: sposób uzdatniania wody, rodzaj środka dezynfekującego, poziom przyswajalnego węgla organicznego oraz rodzaj materiału. Woda zawierająca wysoki poziom związków węgla (AOC) trudniej podlega procesom dezynfekcji. Np. w wodach chlorowanych z poziomem AOC wyższym niż 100 μg/L odnotowano znacznie więcej prób wykazujących obecność bakterii grupy coli. Rodzaj materiału instalacyjnego, a także nagromadzenie produktów korozji może radykalnie wpłynąć na tworzenie biofilmów w systemach wody pitnej. Warto zaznaczyć, że miejscowe uszkodzenia w materiale instalacyjnym mogą stanowić swoiste siedliska – nisze ochronne dla rozwoju bakterii. Powstawanie np. wżerów w rurach metalowych może być przyspieszone przez wysoki poziom chlorków i siarczanów. Stosunek poziomu chlorków i siarczanów do wodorowęglanów, znany jako tzw. wskaźnik Larsona, może wskazywać na tendencje instalacji do korozji wżerowej. Wartość wspomnianego indeksu Larsona może zmieniać się sezonowo, najwyższy poziom osiągając w miesiącach letnich, kiedy temperatura wody w instalacjach wody ulega zwykle podwyższeniu.
Efektem badań prowadzonych we współpracy z przemysłem i jednostkami PAN było gruntowne poznanie problemów związanych z funkcjonowaniem systemów dystrybucji wody. Opracowano skuteczne strategie antybiofilmowe, oparte o modyfikacje powierzchni aktywnymi polimerami krzemoorganicznymi – organosilanami, których łańcuchy związane są jednym końcem z powierzchnią materiału podlegającego modyfikacji. Charakter łańcuchów można odpowiednio zmieniać, poprawiając tym samym cechy powierzchniowe materiału instalacyjnego.
Zrealizowane projekty:
- KBN N205 129935 Modyfikacja powierzchni materiałów nieorganicznych celem nadania im własności adhezyjnych lub antyadhezyjnych dla drobnoustrojów.
- Praca-badawcza I31/323/B Badania czystości mikrobiologicznej wody oczyszczonej.
- Praca badawcza I31/326/B Badania mikrobiologiczne wody z ujęć głębinowych.
Uzyskany patent:
Kręgiel D., Rygała A, Nowacka M., Kowalewska A., Patent 235567 Zastosowanie polimerowych pochodnych N-acetylocysteiny.
Wyniki badań zostały przedstawione w cyklu oryginalnych i przeglądowych artykułów naukowych w renomowanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym:
- Kręgiel D., Advances in biofilm control for food and beverage industry using organo-silane technology: a review. Food Control, 2014, 40, 32–40.
- Kręgiel D., Niedzielska K., Effect of plasma processing and organo-silane modifications of polyethylene on Aeromonas hydrophila biofilm formation. BioMed Research International, 2014, ID 232514.
- Kruk T., Szczepanowicz K., Kręgiel D., Szyk-Warszyńska L., Warszyński P., Nanostructured multilayer polyelectrolyte films with silver nanoparticles as antibacterial coatings. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces. 2016, 1, 158-166.
- Nowacka M., Rygała A., Kręgiel D., Kowalewska A., Poly(silsesquioxanes) and poly(siloxanes) grafted with N-acetylcysteine for eradicating mature bacterial biofilms in water environment. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2018, 172, 627-63.
- Kręgiel D., Rygała A., Kolesińska B., Nowacka M., Herc A.S., Kowalewska A., Antimicrobial and antibiofilm N-acetyl-L-cysteine grafted siloxane polymers with potential for use in water systems. International Journal of Molecular Sciences, 2019, 20, 2011.
- Rygala A., Berłowska J., Kręgiel D., Heterotrophic plate count for bottled water safety management. Processes, 2020, 8, 739.
Korzyści społeczne i gospodarcze z wdrożenia wyników projektów:
Dzięki interdyscyplinarnym badaniom nastąpiło istotne wzmocnienie współpracy placówek naukowo-badawczych w obszarze modyfikacji powierzchni. Szeroka współpraca z wiodącymi jednostkami naukowymi PAN pozwoliła na opracowanie kompleksowych rozwiązań, usuwających już utworzone biofilmy oraz przeciwdziałające ich powstawaniu. Badania te mają istotne znaczenie gospodarcze i społeczne, zarówno w kraju jak i na świecie, bowiem straty wynikające z tworzenia biofilmów (zanieczyszczenie produktu, zakłócenia w przepływie, biodeterioracja) są olbrzymie i trudne do oszacowania.