Identifizierung geeigneter Surrogate für Aspergillus-Spezies zur mikrobiologischen Validierung UV-basierter Entkeimung

Oberflächenentkeimung schützt Verbraucher und Produkte

Die Entkeimung oder Sterilisation von Oberflächen ist eine zentrale Aufgabe in vielen Bereichen des öffentlichen Lebens und der Industrie, um Gesundheit, hygienische und sichere Produktion zu gewährleisten. Insbesondere für die Brachen Lebensmittel, Medizin, Pharma aber auch öffentliche Bereiche wie Verkehrsmittel oder öffentliche Toiletten, um nur einige Bereiche zu nennen, sind hygienische Oberflächen absolut essentiell und für die Gesunderhaltung der gesamten Menschheit notwendig. Unterschiedlichste Oberflächen wie Verpackungsmaterialien, Rohrleitungen, aseptische Verpackungsmaschinen, Förderbänder, Lebensmittel, Operationsutensilien, Wände, Türklinken, Haltegriffe, Touchpads (die Liste ließe sich fast beliebig fortsetzen), werden in z.T. extrem großem Stil mit unterschiedlichsten Methoden entkeimt. So werden jährlich allein weit über hunderttausend Quadratkilometer an Verpackungsmaterialen entkeimt, um das Füllgut vor Verderb und den Verbraucher vor gesundheitlichen Risiken zu schützen. Dies zeigt, wie wichtig und weit verbreitet die Oberflächenentkeimung tatsächlich ist.

UV-strahlungsbasierte Entkeimungsmethoden sind effektiv und kostengünstig

So vielfältig die Anwendungen der Oberflächenentkeimung, so unterschiedlich sind auch die dazu eingesetzten Verfahren. Grundsätzlich lassen sich thermische, chemische und physikalische Methoden unterscheiden. UV-strahlungsbasierte Methoden stellen dabei eine wichtige und weit verbreitete Möglichkeit dar, mit relativ einfachen, zum Teil günstigen Geräten, ohne nasschemische Substanzen zu arbeiten. In diesem Segment der physikalischen Oberflächenentkeimung gibt es diverse etablierte Verfahren wie Niederdruck- oder Mitteldruckstrahler aber auch Neuentwicklungen wie Blitz-Technologien, UV-LEDs und viele andere mehr.

Quantifizierung und Validierung durch Challenge-Tests

Um die antimikrobielle Wirkung unterschiedlichster Entkeimungsverfahren zu quantifizieren, bedient man sich sog. Challenge-Tests. Hierbei werden Testmikroorganismen eingesetzt, um die Effizienz der Verfahren zu untersuchen. Dieses relativ aufwändige Prozedere ist aus diversen Gründen notwendig. Zum einen lässt sich UV-Strahlung im industriellen Umfeld nur schwer quantitativ bestimmen, weiterhin lassen sich äußere Randparameter wie Reflektion, Streuung, Abschattung, Luftfeuchte etc. und deren Einfluss auf die Entkeimungsleistung nicht abschätzen und nicht zuletzt haben die Geometrien der zu entkeimenden/bestrahlenden Objekte oder deren Materialien großen Einfluss auf die mikrobiologische Wirkung der Strahlung.

Diese Challenge-Tests werden beispielsweise auch vom VDMA für die mikrobiologische Überprüfung von hygienischen Abfüllanlagen für Lebensmittel empfohlen (z. B. VDMA FS NuV Nr. 10; 2016).

Nun ist das Ergebnis solcher Validierungen naturgemäß abhängig von der Resistenz der verwendeten Testorganismen, weshalb diese genau definiert sein müssen. Insbesondere für UV-basierte Verfahren sind Sporen der Schimmelpilzstämme von Aspergillus niger (DSM 1957) insbesondere aber Aspergillus brasiliensis (DSM 1988) allgemein in Europa anerkannte und langjährig verwendete Testorganismen.

Forschung – Neue geeignete Testkeime für industrielle Anlagen

Im Jahr 2016 wurde Aspergillus brasiliensis DSM 1988, der bisher vom VDMA als Bioindikator für die mikrobiologische Validierung der Wirksamkeit von UV-basierten Entkeimungsverfahren empfohlen wird, in den »Technischen Regeln für Biologische Arbeitsstoffe (TRBA 460)« von der Risikostufe 1 in Risikostufe 2 hochgestuft. Seitdem ist es nicht mehr erlaubt, mit diesem Schimmelpilz und seinen Sporen außerhalb von zugelassenen Laboren zu arbeiten und somit ist es unmöglich, diesen Keim vor Ort auf industriellen Anlagen als Testkeim zu verwenden.

Der Suche nach einem adäquaten Surrogat-Keim für die Aspergillus brasiliensis DSM 1988 widmete sich dieses Projekt.

Identifizierung von Surrogaten für Aspergillus-Spezies

Im Rahmen des Vorhabens wurde zunächst eine umfassende Literaturrecherche sowie ein umfangreiches Resistenz-Screening durchgeführt mit dem Ziel, eine Auswahl potentiell geeigneter Kandidaten zu ermitteln. Es wurden Anzuchten ausgewählter Schimmelpilze und Bakterienstämme unter definierten Bedingungen hergestellt und zur Resistenzbestimmung Inaktivierungskinetiken unter Verwendung von UV-C-Strahlern (Niederdruck- und Mitteldruckstrahler) und einer Xenon-Blitzlampe erarbeitet.

Darüber hinaus wurden im Projekt weitere praxisrelevante Aspekte wissenschaftlich untersucht und bewertet:

• Lagerfähigkeit der Surrogatkeime in Suspension aud als Bioindikatoren vor und nach den Entkeimungsprozessen
  
• Veränderung der Resistenz über der Lagerdauer,
• Optimale Verkeimungsmethoden für Oberflächen
• Einfluss des Trägermaterials

Eine der wichtigsten Erkenntnisse des Vorhabens war die Resistenzmodifikation durch die Zugabe von Dimethylsulfoxid (DMSO) zum Sporulationsmedium von Aspergillus carbonarius DSM 872. Dies hat die Melaninsynthese der Sporen beeinflusst und dadurch konnte mit einer passenden DMSO-Konzentration die Resistenz vom Aspergillus carbonarius DSM 872 an die von Aspergillus brasiliensis DSM 1988 angeglichen werden.

Die folgenden Surrogatkeime wurden durch ihre geeignete Resistenz, einfache Herstellung und Handhabung sowie ihr stabiles Lagerverhalten bei den verschiedenen Lagerbedingungen identifiziert und werden als neue Testkeime empfohlen:

• Penicillium rubens DSM 848 für Xenon-Blitzlicht
• Aspergillus carbonarius DSM 872, modifiziert mit DMSO, für UV-C Niederdruck- bzw. Mitteldruckstrahler

Diese Surrogate für Aspergillus-Spezies können künftig zur Wirksamkeitsprüfung UV-basierter Entkeimungsverfahren eingesetzt werden.