生物膜的風險與控制

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、食品與個人護理品行業的生產或水系統中，其存在可顯著提高微生物對惡劣環境和消毒劑的抗性。而且生物膜較難被徹底清除，所以一旦生產或水系統遭受微生物污染，并產生了生物膜，就極易導致系統在常規清洗、消毒后，微生物依然頻繁超標，并帶來相應的質量隱患。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防的注意點。

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生生物膜的，只有當微生物沉降于設備表面，才會產生生物膜。而設備中沉降的菌落數與設備表面的粗糙度、生產環境、清潔和消毒頻率有直接關系。

（2）細菌間的粘附。當設備表面有大量的沉降菌時，能夠產生生物膜的綠膿桿菌、芽孢桿菌以及葡萄球菌等細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行能量、物質與信息的傳遞。生物膜成熟后會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境。

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

2.生物膜帶來的隱患

生物膜是微生物污染的一個關鍵且較容易被忽視的來源。系統中的生物膜會引發諸多生產、產品質量與設備維護方面的風險，具體來說，它帶來的隱患有以下幾點：

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

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

（3）設備表面長期存在生物膜時，易導致微生物腐蝕。生物膜可加速不銹鋼表面的腐蝕，使之產生銹斑。塑料表面長期存在生物膜則易發生色變，最終會被腐蝕至不可使用。這種生物腐蝕往往發現較晚，最終會導致產生高昂的維修成本。

3.生物膜的清除方法

因為生物膜對膜下的微生物有保護作用，而傳統的清潔、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成的生物膜，所以如果在清潔消毒后，系統中微生物依然頻繁超標，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、鎂離子相結合，對生物膜起到關鍵的支撐作用。通過檢測糖醛酸的含量，可初步判斷生物膜是否可能存在于生產或水系統中。當系統中可能存在生物膜時，可參考如圖2所示的步驟對其進行徹底清除。

圖2 生物膜的清除步驟

防止微生物頻繁超標的關鍵在于及時清除由胞外多聚物構成的生物膜。當系統中已出現生物膜時，應首先清除對微生物起保護作用的生物膜，使微生物直接暴露于環境中，再對設備表面進行消毒。因為生物膜可以為微生物提供對消毒劑的抗性，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，那么在后續生產中浮游微生物可不斷粘附于生物膜上，再次造成系統中微生物超標等質量問題。

藝康開發的針對生物膜的SEEC剝離法就是采用了這個步驟，相比于傳統的用酸性/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剝離法與傳統酸堿法清洗生物膜對比

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

4.生物膜的預防要點

在徹底清除生物膜后，首先需要重新評估設備的污染控制策略，以防止生物膜再次產生。在生物膜產生過程中，系統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中存在的有機物，避免生物膜的生成。

在確定清洗工藝后，還需重新評估系統的清洗、消毒方式與頻率。同時應避免生產系統中存在積水或盲端等相關設計缺陷。在長期運行的水系統中，如果存在大量紅銹，則會增加設備表面的粗糙度，導致微生物沉積，并逐漸生成生物膜。所以推薦對水系統進行定期的除銹、消毒。

總而言之，生物膜是導致生產和水系統中微生物污染的一個關鍵且較容易被忽視的源頭，如果不能有效清除生物膜，對企業的生產、產品質量與設備維護等多方面都會造成負面的影響，因此選擇專業有效的生物膜控制和預防方案非常關鍵。