Der VBNC Zustand bei Legionellen und Pseudomonas aeruginosa 

Bakterien sind einzellige Organismen, die wesentlich einfacher als eukaryotische Zellen aufgebaut sind. Trotz ihres einfachen Aufbaus  besitzen Bakterien zahlreiche besondere Eigenschaften, die ihr Überleben und ihre Anpassung an ungünstige Wachstumsbedingungen ermöglichen. 

Eine dieser Eigenschaften, die einerseits beeindruckend und andererseits direkt hygienisch relevant ist, ist die Fähigkeit vieler Bakterien, unter Stressbedingungen in einen vorübergehenden „Schlafzustand“ überzugehen, den sogenannten „viable-but-nonculturable state“ (VBNC Zustand), also „lebend-aber-nicht-kultivierbaren Zustand“. 

Der VBNC Zustand  ist ein Zustand, in dem Mikroorganismen unter üblichen Kulturbedingungen nicht mehr wachsen, obwohl sie unter diesen Bedingungen normalerweise kultivierbar wären. Dabei behalten sie die messbaren Indikationen des Lebendseins, wie z. B. respiratorische Aktivität, das Vorliegen von rRNA und die Integrität der Zellmembran.^1,2  

Der Übergang von Bakterien in den VBNC Zustand stellt unter bestimmten Stressbedingungen eine reversible Überlebensstrategie dar.^1,3-7  Der VBNC Zustand wird als vorübergehend und reversibel beschrieben, da das „Wiederaufwachen“ unter geeigneten Bedingungen möglich ist. ⁷  Dies ist allerdings nicht bei allen Bakterien der Fall. 

„.. Zellen können absterben, es ist aber auch möglich, dass einige von ihnen ihren Metabolismus zu einem Punkt des Schlafens verlangsamen, in dem sie VBNC werden – die sind nicht so tot letztendlich. Die „schlafenden“ Organismen können als eine Backup- Population betrachtet werden, da sie wesentlich resistenter gegenüber Desinfektionsmitteln und Antibiotika sind, und könnten wiedererwachen nach der Antimikroben-Behandlung, wenn die vielen lebenden und anfälligen Teile der Community eliminiert worden sind“ schreibt Prof. Hans Curt Flemming.⁸ 

Bakterien im VBNC Zustand können mit Kultur-unabhängigen Analytikmethoden nachgewiesen werden, wie z.B. Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH), Polymerase Kettenreaktion (PCR)und  ATP Bioluminszenz.⁹ 

VBNC Mikroorganismen existieren im Trinkwasser, in Trinkwasserbiofilmen, in Nahrungsmitteln, auf Oberflächen und im menschlichen Körper und können einen vielfältigen Effekt auf die öffentliche Gesundheit haben.⁹ 

Sowohl Legionella als auch Pseudomonas aeruginosa können unter Stressbedingungen in den VBNC Zustand übergehen und nach Aufhebung der Stressfaktoren erneut kultivierbar werden. ³  Zu diesen Stressfaktoren gehören u.a. hohe Temperaturen, Schwermetalle, niedrige Sauerstoffkonzentration, geringe Nährstoffverfügbarkeit, Veränderungen des pH-Wertes sowie bestimmte chemische Einwirkungen. 

Sobald  sich die VBNC Bakterien erneut unter günstigen Bedingungen befinden,  können sie ihre Kultivierbarkeit  wiedererlangen („Resuscitation“). ^4,6

Welche Stressfaktoren können den VBNC Zustand bei Legionellen und Pseudomonas aeruginosa auslösen? 

Der VBNC Zustand kann bei Legionellen und Pseudomonas aeruginosa durch verschiedene Faktoren auslöst werden, u.a. 

• Kupferionen (Cu²⁺) 
• Silberionen (Ag⁺), Nanosilber 
• hohe Temperaturen
• niedrige Temperaturen
• geringe Nährstoffverfügbarkeit
• Vorhandensein von Desinfektionsmitteln, z. B. Chlorierung ^2,5,10

Die Fähigkeit zum Übergang in den VBNC Zustand sowie die Bedingungen für die Wiedererlangung der Kultivierbarkeit unterscheiden sich zwischen den Bakterienarten bzw. ihren Stämmen. 

Legionella und der VBNC Zustand 

Legionella pneumophila kann unter Stressbedingungen, z. B. hohen Temperaturen, vorübergehend  in den VBNC Zustand übergehen. 

Nach einer Behandlung der Bakterien bei 70 °C für 30 min und dem Erreichen des VBNC Zustands konnten einige Legionella Stämme erneut kultivierbar und infektiös werden, wenn sie innerhalb von Amöben bzw. Lungenmakrophagen kultivierbar wurden.^2,4,5,11 

Auch nach Behandlung mit Natriumhypochlorit (NaOCl) wurde die Wiedererlangung der Kultivierbarkeit von Legionella pneumophila durch  Kokultivierung mit Amöben beschrieben.¹¹ Diese Ergebnisse  zeigen, dass der Verlust der Kultivierbarkeit nicht zwangsläufig mit dem  vollständigen Absterben der Bakterien gleichzusetzen ist. 

Dietersdorfer et al. konnten zum ersten Mal zeigen, dass verschiedene ausgehungerte Legionella Stämme (4 Legionella pneumophila Serogruppe 1 Stämme, ein Serogruppe 6 Stamm und ein Legionella micdadei Stamm) auch nach einjähriger Nährstofflimitierung in ultrapuren Wasser unterschiedliche Typen humaner Makrophagen und Amöben infizieren konnten.  Ob solche Zellen eine Legionellose bei Menschen auslösen können, ist noch offen.¹¹ 

Pseudomonas aeruginosa und der VBNC Zustand

Beim Vorliegen bestimmter Konzentration von Kupfer- (Cu²⁺) und Silber- (Ag⁺) Ionen kann Pseudomonas aeruginosa in den VBNC Zustand übergehen.^9,13  

Cu²⁺ Konzentrationen, die im Zusammenhang mit Trinkwasserinstallationen mit Kupfer als Rohrmaterial bestehen, reichen aus, um den VBNC Zustand von Pseudomonas aeruginosa einzuleiten.⁹ Die sich im VBNC Zustand befindenden Pseudomonas aeruginosa Bakterien hatten keinen zytotoxischen oder genotoxischen Effekt auf humanen Bronchialepithelzellen.¹⁴ Die anschließende Inaktivierung der Cu²⁺ durch die Zugabe von Chelatoren induzierte die erneute Kultivierbarkeit der VBNC Pseudomonas aeruginosa innerhalb von 14 Tagen.⁹ Bei den erneut kultivierbaren Zellen wurde ein  zytotoxischer Effekt nachgewiesen.^9,14  

Somit können Pseudomonas aeruginosa, die nach Aufhebung bestimmter Stressbedingungen erneut kultivierbar geworden sind, auch wieder Eigenschaften aufweisen, die eine hygienische Relevanz für die menschliche Gesundheit haben.¹⁴ 

Auch chemische Desinfektionsmaßnahmen können den VBNC Zustand bei Pseudomonas aeruginosa auslösen. Pseudomonas aeruginosa Zellen, die aufgrund einer Behandlung mit 2 mg/L Chlor  (Cl₂) für 24 Stunden in den VBNC Zustand übergegangen sind, konnten nach Entfernung des Cl₂ innerhalb von 24 Stunden ihre Kultivierbarkeit wiederelangen.¹⁵ 

Der VBNC Zustand und seine Relevanz für die Effektivität von Desinfektionsmaßnahmen 

Wenn der VBNC Zustand von Bakterien als eine normale (Über)lebensform betrachtet wird, stellt sich die Frage nach der Aussagekraft kultureller Nachweisverfahren als Grundlage für die Risikobewertung von Kontaminationsfällen.² 

Kulturelle Nachweisverfahren sind für die Untersuchung von Legionella spec und Pseudomonas aeruginosa  nach den Anforderungen der Trinkwasserverordnung (2023) maßgeblich. Gemäß Trinkwasserverordnung sind hierfür DIN EN ISO 11731  bzw. DIN EN ISO 16266 anzuwenden.¹⁶  

Bei Kontaminations- oder Infektionsfällen sowie im Rahmen weitergehender mikrobiologischer Untersuchungen können kulturunabhängige Verfahren ergänzend eingesetzt werden. Dies gilt insbesondere, wenn zusätzliche Informationen für die Risikobewertung benötigt werden. Auch für die Genotypisierung können kulturunabhängige Verfahren eingesetzt werden. 

Das Vorliegen von Legionella oder Pseudomonas aeruginosa im VBNC Zustand kann zu einer Überbewertung der Effektivität von Desinfektionsmaßnahmen und dadurch zu einem unterschätzten Risiko für die hygienische Sicherheit von Trinkwasser führen.¹⁷ 

Der VBNC Zustand im Rahmen einer Risikobewertung

Der Übergang bestimmter Bakterien, u.a. Legionella und Pseudomonas aeruginosa in den VBNC Zustand ist mehrfach wissenschaftlich nachgewiesen worden. Genauso ihre Rückkehr in den kultivierbaren Zustand unter günstigen Umweltbedingungen. 

Die kritische Frage für die Risikobewertung solcher Kontaminationsfälle bleibt, ob die wieder kultivierbar gewordenen Legionella und Pseudomonas aeruginosa infektiös werden und unter welchen Bedingungen dies geschehen kann.  

Wie oben beschrieben, können sowohl Pseudomonas aeruginosa als auch Legionella unter bestimmten Bedingungen Eigenschaften aufweisen, die für die menschliche Gesundheit relevant sind. 

Außerdem können thermische oder chemische Desinfektionsmaßnahmen den VBNC Zustand herbeiführen. Nach Aufhebung dieser Stressbedingungen können sowohl Legionella als auch Pseudomonas aeruginosa wieder kultivierbar werden. 

Daraus lässt sich schließen, dass eine negative Wasserprobe nach einer Desinfektionsmaßnahme kein Nachweis für die vollständige Abwesenheit lebender Legionellen und Pseudomonas aeruginosa  darstellt. 

Dies bedeutet nicht, dass negative kulturelle Untersuchungsergebnisse ohne Aussagekraft sind. Vielmehr muss ihre Bewertung unter Berücksichtigung der angewandten Desinfektionsmaßnahmen, der mikrobiologischen Ausgangssituation und der Betriebsbedingungen der Trinkwasserinstallation erfolgen. 

Alle Sanierungs- und Desinfektionsmaßnahmen sollten deshalb Bestandteil der Risikobewertung einer Trinkwasserinstallation sein. 

Gleichzeitig sollen alle Kontroll- und Managementaktivitäten Bestandteile eines Wassersicherheitsplans sein, der sowohl die Systemwartung und die Schulung der Verantwortlichen sowie die Implementierung eines geeigneten Surveillance Systems umfasst. 

Haben Sie Fragen oder wünschen Sie sich Unterstützung bei der Risikobewertung Ihres Trinkwassersystems oder bei der Erstellung eines Wassersicherheitsplans? Kontaktieren Sie uns gerne hier: 

References 

1. Flemming HC et al., Nat Review Microb, 14, 563-575, 2016
2. Moritz MM et al., Int J Hyg Environ Health, 213, 190-197,2010
3. Ashbolt N, Pathogens, 4, 390-405, 2015
4. Oliver JD, FEMS Microbiol Rev, 34(4), 415-25, 2010 
5. García MT et al., Environ Microbiol, 9(5), 1256-77, 2007
6. Broomfield et al., GMS Hyg Infect Control, 10, 2015
7. Königs AM et al., Front Microb, 6, 395, 2015
8. Flemming HC, Colloids Surfaces B:Biointerfaces, 86, 251-259, 2011
9. Falkingham JO et al., Pathogens, 4, 373-386, 2015
10. Epalle et al., Microbiol Ecol, 69(1), 215-24, 2014
11. Dietersdorfer E. et al., Water Res, 141, 428-438, 2018
12. Dwisjiwojo Z. et al., Int J hyg Environ health, 214(6), 485-92, 2011 
13. Cullom AC et al., Pathogens, 9, 957-1001, 2020
14. Dopp E. et al., Int J Hyg Environ Health, 220(8), 1363-1369, 2017
15.  Bédard E. et al., FEMS Microbiol Lett., 356(2), 226-234, 2014
16.  Trinkwasserverordnung vom 20. Juni 2023 (BGBl. 2023 I Nr. 159, S. 2)
17. Flemming HC et al., „Erkenntnisse aus dem Projekt „Biofilm-Management“, 2010-2014

Bild mit AI generiert.