Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 4 FacHartikEl FacHartikEl Emulgatoren als Booster antimikrobieller Strategien in KSS: Testverfahren für synthetische und Bio-Emulgatoren Dr. rer. nat Volker R. Stoldt, Diplombiologe; Dr. Stoldt BiSafe Emulgatoren sind mehr als Stabilisatoren - sie können Kühlschmierstoffe aus dem Engpass der Biozidverordnung (BiozidV) weisen. Als neutrale, hemmende oder Booster-Additive beeinflussen sie entscheidend die Mikrobiologie. Bioaktive Typen wie Alasan und Emulsan sind biofilm-aktiv und hemmen Mikroben. Tests wie Impfzyklus und Biomonitoring zeigen ihre Wirkung - Letzterer vor allem auch beim Biofilm. 1. Einleitung Die Havarie der Deepwater Horizon im April 2010 stellte einen bedeutenden Impuls für die mikrobiologische Forschung im Bereich oberflächenaktiver Substanzen (Surfactants) dar. Der Einsatz des Dispergiermittels Corexit 9500/ 9527 in den Tagen nach dem Unfall lenkte die wissenschaftliche Aufmerksamkeit auf die darin enthaltenen Emulgatoren, insbesondere auf das anionische Dioctyl-Natrium-Sulfosuccinat (DOSS) sowie auf nichtionische Sorbitanester und Polysorbate (Span- und Tween-Typen). In den Folgejahren wurde das Spektrum der untersuchten Emulgatoren erheblich erweitert.[1] Ein zentrales Ergebnis der Forschung ist, dass die Emulgierung von Öl zu fein verteilten Tröpfchen die spezifische Oberfläche erhöht und dadurch das Potenzial für mikrobielle Besiedlung und so das Wachstum von Mikroorganismen deutlich steigert. Gleich- Dr. Volker R. Stoldt Nach seinem Abschluss Diplombiologie 1991 promovierte Volker Stoldt bis 1995 in der Molekular- und Mikrobiologie in Düsseldorf. Dann schlossen sich die PostDoc- Jahre in der Immunologie und der Hämostaseologie am Universitätsklinikum Düsseldorf (UKD) bis 2016 an. Seit 2017 leitet Dr. Stoldt das mikrobiologische Labor der Allgemein Chirurgie am UKD. Dort beschäftigt ihn im Schwerpunkt das Thema der bakteriellen Unempfindlichkeit gegenüber klinikrelevanten Bioziden - speziell bei den nosokomialen Infektionserreger. 2011 gründete er „Dr. Stoldt BiSafe“. Hier beschäftigt er sich vorrangig mit Fragen der mikrobiellen Zerstörung und der Entwicklung antimikrobieller Strategien in diversen industriellen Systemen. FORSCHUNG ENTWICKLUNG mit modernster Labortechnologie EFFIZIENTE PRODUKTION als vielseitiger Systemlieferant FLEXIBLE DISTRIBUTION mit servicestarker Logistik METALLBEARBEITUNGSFLUIDS DER NEUESTEN GENERATION www.oestgroup.com Free from critical co mponents LONG-TE RM SAFE FORM ULA future future proof proof Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 6 Fachartikel | Emulgatoren als Booster antimikrobieller Strategien in KSS zeitig ist jedoch auch belegt, dass bestimmte Emulgatoren eine wachstumshemmende Wirkung auf Mikroorganismen entfalten können - ein Aspekt, der insbesondere im Zusammenhang mit konservierten Kühlschmierstoffen (KSS) von Relevanz ist. Die Wirkung von Emulgatoren auf das mikrobielle Wachstum ist jedoch nicht binär im Sinne eines klaren „fördernd“ oder „hemmend“ zu bewerten. Vielmehr ist sie kontextabhängig und wird durch eine Vielzahl von Einflussfaktoren moduliert, darunter der chemische Typ des Emulgators, die Art des verwendeten Öls, die Konzentration, physikochemische Rahmenbedingungen wie Temperatur und pH- Wert sowie die Beschaffenheit der vorhandenen mikrobiellen Gemeinschaft, die selbst hochdynamisch und komplex ist. 2. Modulation der Mikrobiologie durch Additive Zur systematischen Bewertung des Einflusses von Additiven - insbesondere Emulgatoren - auf das mikrobielle Wachstum oder die Wirksamkeit von Bioziden in KSS lassen sich drei funktionale Kategorien unterscheiden, wie die Abbildung 1 durch das Modell einer „Additiv-Waage“ visualisiert: I. Neutrale Additive Diese Substanzen beeinflussen das Wachstum oder die Wirkung des Biozids nicht. Das Biozid kann seine zu erwartende antimikrobielle Aktivität entfalten. II. Inhibitor-Additive Diese Substanzen zeigen eine antagonistische Wirkung gegenüber dem Biozid. Entweder fördern sie das mikrobielle Wachstum aktiv oder sie beeinträchtigen die Wirksamkeit des Biozids negativ. Dies kann zu einer verkürzten Standzeit des KSS führen. III. Booster-Additive Hierbei handelt es sich um Additive, die die Wirkung von Bioziden synergistisch unterstützen, ohne selbst biozidale Eigenschaften aufzuweisen. Sie fördern die Wirkung des Biozids entweder durch eine Wachstumshemmung der Mikroorganismen oder durch Erhöhung der Biozidverfügbarkeit bzw. Steigerung der Wirkweise. Ihr Einsatz kann signifikant zur Verlängerung der Standzeit konservierter KSS beitragen. Vor diesem Hintergrund ist es ein vorrangiges Ziel der Formulierungsentwicklung, potenzielle Booster-Additive zu identifizieren und gezielt in die Konservierungsstrategie einzubinden. 3. Bedeutung mikrobieller Biofilme auf Wirkung von Bioziden Die Abbildung 2 illustriert die sukzessive Etablierung mikrobieller Gemeinschaften in einer Anlage nach Erstbefüllung mit einem KSS. Ausgangspunkt dieses Prozesses sind planktonische Einzelzellen, die z. B. regelhaft durch verunreinigtes Anmischwasser eingetragen werden, und sich im KSS vermehren, um dann an den inneren Oberflächen der Anlage zu adhärieren und nachfolgend dort eine geschlossene, monolagige Zellschicht zu bilden. Im weiteren Verlauf kommt es infolge zellulärer Differenzierungs- und Gestaltveränderungen zur Ausbildung kleiner mikrobieller Mikrokolonien. Innerhalb dieser Mikrokolonien etabliert sich eine hochregulierte Form der interzellulären Kommunikation, z. B. das sogenannte Quorum Sensing. Dieses Dichtesignalmechanismus-basierte Kommunikationssystem ermöglicht eine populationsweite Koordination physiologischer Prozesse und induziert unter anderem die verstärkte Synthese und Ablagerung einer extrazellulären polymeren Matrix (EPM). Die Bildung dieser Matrix stellt einen zentralen Schritt in der Reifung des Biofilms dar, da sie sowohl strukturelle Stabilität als auch eine funktionelle Schutzbarriere gegenüber physikalischen und chemischen Stressoren gewährleistet. Im Zuge der Biofilmentwicklung verändert sich die Empfindlichkeit der eingebetteten Mikroorganismen gegenüber antimikrobiellen Substanzen bzw. Strategien signifikant. In Abb. 1: „Additiv-Waage“ der Biozidwirkung - in Ampelfarben dargestellte Varianten des Wirkprinzips der Additive. Während beim „Booster“-Additiv das Absterben der Mikroorganismen überwiegt und so für lange Standzeit sorgt (grün), vermittelt ein „Inhibitor“-Additiv ein besseres Wachstum und verkürzt so die Standzeit des KSS in einer Anlage (rot). 7 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 Fachartikel-|-Emulgatoren als Booster antimikrobieller Strategien in KSS reifen Biofilmen kann die Unempfindlichkeit gegenüber biotischen und abiotischen Einflüssen um den Faktor 10 bis 1000 im Vergleich zu planktonischen Zellformen erhöht sein. Diese ausgeprägte Toleranz erklärt, warum der Biofilm die bevorzugte Lebensform zahlreicher Mikroorganismen darstellt: Er ermöglicht nicht nur einen effizienten Schutz vor Umwelteinflüssen, sondern auch eine optimierte und kontinuierliche Nährstoffversorgung innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft. Sowohl das Quorum Sensing als auch die extrazelluläre Matrix des Biofilms stellen daher vielversprechende Angriffspunkte für die Entwicklung innovativer antimikrobieller Strategien dar. Besonders Additive mit sogenannter „Booster-Wirkung“ bieten ein hohes Potenzial, um biofilmbasierte mikrobiologische Prozesse gezielt zu modulieren oder deren Etablierung effektiv zu unterbinden, ohne selbst eine biozidale Wirkung zu entfalten. 4. Booster-Emulgatoren: Synthetische und biologische Emulgatoren mit antimikrobieller oder wachstumshemmender Wirkung 4.1 Synthetische Emulgatoren Synthetische Emulgatoren können durch gezielte chemische Modifikationen so angepasst werden, dass sie neben ihrer Hauptfunktion als Grenzflächenvermittler auch antimikrobielle Eigenschaften aufweisen. Solche Funktionserweiterungen erfolgen in der Regel durch die Einführung spezifischer funktioneller Gruppen, insbesondere kationischer Strukturen wie quartären Ammoniumverbindungen. Diese kationischen Verbindungen, die häufig auch als Tenside klassifiziert werden, besitzen die Fähigkeit, mit bakteriellen Zellmembranen zu interagieren und deren Integrität zu stören, was letztlich zur Zerstörung mikrobieller Zellen führt. Gleichzeitig können sie auch als Emulgatoren wirken. Die antimikrobielle Wirksamkeit dieser modifizierten Emulgatoren lässt sich durch strukturelle Variationen gezielt optimieren. So beeinflussen beispielsweise Länge und Verzweigung der Alkyl- Abb. 2: Entwicklung der Mikrobiologie in einer Anlage und Steigerung der Unempfindlichkeit gegenüber z. B. Bioziden (modifiziert nach Otter et al. [2]). Anzeige rhenus FU 855 - Kühlschmierstoffe für die Aluminiumbearbeitung WIR LIEBEN FLECKEN - Aber nicht auf Aluminium. Sprechen Sie uns an: +49 2161 5869 0, vertrieb@rhenusweb.de, www.rhenuslub.de Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 8 Fachartikel | Emulgatoren als Booster antimikrobieller Strategien in KSS seitenketten die Fähigkeit, in mikrobielle Membranen einzudringen, und erhöhen gleichzeitig die Resistenz gegenüber mikrobiellen Abbauprozessen. Auch die gezielte Integration hydrophiler oder hydrophober Segmente kann die Wechselwirkung mit Mikroorganismen und damit die bioaktive Wirkung steigern. Typische chemische Grundstrukturen solcher Emulgatoren umfassen sulfonierte oder sulfierte Fettsäurederivate, ethoxylierte Fettalkohole sowie Amin- und Amid-Derivate von Fettsäuren. Dabei ist zu beachten, dass nicht alle dieser Substanzklassen per se antimikrobiell wirken. Erst durch geeignete funktionelle Modifikationen kann eine bioaktive Wirkung erzielt oder verstärkt werden. Die Anlagerung von Ethylenoxid- und Propylenoxid-Gruppen trägt zur Steuerung des hydrophilen Anteils bei und kann je nach Struktur auch die chemische Stabilität verbessern. Zusätzlich können sulfonierte Gruppen oder bestimmte Esterbindungen die Resistenz gegenüber hydrolytischem oder enzymatischem Abbau erhöhen. [3 und 4] Bei der Anwendung solcher multifunktionalen Emulgatoren ist neben der technischen Kompatibilität mit anderen Formulierungskomponenten auch eine sorgfältige rechtliche Bewertung unerlässlich. Insbesondere muss geprüft werden, ob eine Einstufung als Biozid gemäß der europäischen Biozidverordnung (Verordnung (EU) Nr. 528/ 2012, revidiert am 1. Januar 2025) erforderlich ist. 4.2 Bioemulgatoren (Biosurfactant) Bioemulgatoren sind oberflächenaktive Verbindungen biologischen Ursprungs, die dank ihrer amphiphilen Molekülstruktur Emulsionen stabilisieren. Neben dieser physikalisch-chemischen Funktion zeigen viele Bioemulgatoren eine ausgeprägte antimikrobielle bzw. wachstumshemmende Wirkung, die sie zu multifunktionalen Wirkstoffen in pharmazeutischen, kosmetischen und technischen Anwendungen macht. Eine Übersicht zeigt Tabelle 1. Ein prominentes Beispiel sind Rhamnolipide, die hauptsächlich von Pseudomonas aeruginosa produziert werden. Sie zählen zu den effektivsten bekannten Bioemulgatoren und weisen eine breite wachstumshemmende Wirkung gegenüber Bakterien und Pilzen auf, indem sie die Zellmembranen mikrobieller Zellen destabilisieren. Ebenfalls von großer Bedeutung sind Sophorolipide, die von der Hefe Starmerella bombicola synthetisiert werden. Diese Substanzen sind biologisch gut abbaubar, verfügen über ein hohes Emulgiervermögen und zeigen wachstumshemmende Effekte insbesondere gegenüber pathogenen Hefen wie Candida albicans . Zu den strukturell und funktionell vielseitigsten Bioemulgatoren zählt das Lipopeptid Surfactin, das von Bacillus subtilis gebildet wird. Es zeichnet sich durch eine starke Schaumbildung sowie eine breit gefächerte antimikrobielle Aktivität aus, die antibakterielle, antimykotische und sogar antivirale Eigenschaften umfasst. Die Wirkweise basiert auf der Bildung von Poren in biologischen Membranen, wodurch der intrazelluläre Stoffaustausch gestört wird. Weitere Lipopeptide aus B. subtilis , wie Iturin A und Fengycin, zeigen vor allem antimykotische Effekte, wobei Fengycin bevorzugt gegen filamentöse Pilze wirkt. Ein weiteres hochwirksames Lipopeptid ist Lichenysin, produziert von Bacillus licheniformis , das strukturelle Ähnlichkeit zu Surfactin aufweist und sowohl bakterizide als auch fungizide Eigenschaften besitzt. Ebenfalls erwähnenswert sind die Mannosylerythritol-Lipide (MELs), gebildet durch Pseudozyma -Arten, Biosurfactant Produzent Strukturtyp Emul. funktion Hemmung von Rhamnolipide Pseudomonas aeruginosa Glykolipid +++ Bakt./ Pilze Sophorolipide Starmerella bombicola Glykolipid ++ Bakt./ Hefe Surfactin Bacillus subtilis Lipopeptid +++ Bakt./ Pilzee Iturin A Bacillus subtilis Lipopeptid + Pilze Fengycin Bacillus subtilis Lipopeptid +/ - Pilze Lichenysin Bacillus licheniformis Lipopeptid +++ Bakt./ Pilze MEL (Mannosylerythritol-Lipide) Pseudozyma spp. Glykolipid ++ Pilze Trehalose-Lipide Rhodococcus, Mycobacterium Glykolipid +++ Bakt./ Pilze Alasan Acinetobacter radioresistens Glyko-Lipopeptid ++ Biofilm, Bakt. Emulsan Acinetobacter calcoaceticus Polysacch. Lipid-Komplex +++ Biofilme, Bakt./ Pilze Tabelle 1: Beispiele wichtiger Bioemulgatoren (Biosurfactant) die neben einem guten Emulgierverhalten auch gezielte antimykotische Aktivitäten zeigen. Trehalose-Lipide, synthetisiert von Bakterien wie Rhodococcus oder Mycobacterium , zeichnen sich durch starke oberflächenaktive Eigenschaften sowie kombinierte antibakterielle und antimykotische Wirkungen aus. Ein weiterer innovativer Bioemulgator ist Alasan, ein glyko-lipopeptidischer Komplex von Acinetobacter radioresistens , der insbesondere durch die Hemmung von Biofilmbildung eine antibakterielle Wirkung entfaltet. Abschließend ist Emulsan zu nennen, ein Polysaccharid-Lipid-Komplex, der von Acinetobacter calcoaceticus produziert wird. Emulsan ist ein besonders starker Emulgator mit indirekter antimikrobieller Wirkung, die sich primär durch Störungen mikrobieller Oberflächenstrukturen sowie der Kompetition um Biofilmnischen manifestiert. [5 und 6] 5. Gängige Testverfahren für KSS 5.1 Impfzyklen-Test Der Impfzyklen-Test gemäß ASTM E2275-24 dient der Bewertung, wie beständig ein Kühlschmierstoff (KSS) gegenüber Bakterien und Pilzen ist. Dazu wird im Labor eine KSS-Probe mit typischen Mikroorganismen aus dem KSS-Umfeld beimpft und unter definierten Bedingungen inkubiert. Nach jeweils einer Woche erfolgt eine erneute Beimpfung mit frischen Keimen. Dieser Vorgang wird über mehrere Wochen hinweg wiederholt, um eine mikrobielle Belastung zu simulieren, wie sie auch im praktischen Einsatz auftreten kann. Während des Tests wird die Probe regelmäßig auf folgende Parameter untersucht: > Ge ruchsentwicklung > pH-Wert-Veränderungen > Stabilität der Emulsion > Korrosionsverhalten an eingelegten Metallstreifen > Bestimmung der Koloniebildenden Einheiten pro ml (KBE/ ml) Bleibt der Kühlschmierstoff auch nach mehreren Beimpfungen stabil, gilt er als mikrobiologisch beständig und somit als langlebig. Zeigen sich jedoch bereits nach kurzer Zeit negative Veränderungen - etwa unangenehmer Geruch, pH-Wert-Abfall oder Entmischung der Emulsion -, ist von einer verkürzten Standzeit im praktischen Einsatz auszugehen. In der Praxis werden in verschiedenen Laboren modifizierte Varianten des Verfahrens eingesetzt. So kommen andere Keime oder Mischkulturen aus gebrauchten KSS zum Einsatz. Während die ASTM 2275-24 eindeutig Vorteile bei der Simulation der Anwendung hat, sind der Aufwand und die lange Inkubationszeit ein Nachteil. Auch wird die Biofilmbildung nicht quantitativ erfasst. Salvo, Taurus, Trebor drei geschützte Marken überzeugen beim Schleifen und Zerspanen von Kunststoff, Keramik, Composite, Stahl, Alu und Buntmetall Natürlich gibt es auch andere, aber wer will das schon wenn er haben kann. Think different! Think different! www.gogreen.co.at 0043 664/ 1644217 office@gogreen.co.at Nur wo „unser“ drauf steht ist auch „unser“ drin! Kühlschmierstoffe von GoGreen die Problemlöser bei Hautreaktionen. Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 10 Fachartikel | Emulgatoren als Booster antimikrobieller Strategien in KSS 5.2 Biomonitoring Das Biomonitoring von Kühlschmierstoffen wird als schnelles Screening-Verfahren zur Bewertung des antimikrobiologischen Potentials eingesetzt. Die Abbildung 3 illustriert das Ergebnis des Biomonitorings. In quadratischen Agarplatten wird hierzu ein linearer Konzentrationsgradient des zu prüfenden Kühlschmierstoffs hergestellt. Auf die Agaroberfläche werden Vorkulturen verschiedener Bioindikatoren, d. h. definierter Referenzkeime, aufgetragen. Neben den standardgemäß verwendeten acht Bioindikatoren können zusätzlich gebrauchte Lösungen oder Emulsionen sowie Isolate aus laufenden Anlagen (sogenannte „Hauskeime“) in das Verfahren integriert werden, um praxisrelevante mikrobiologische Unempfindlichkeiten zu erfassen und richtig zu bewerten. Nach einer Inkubationszeit von 24 Stunden bei Bakterien bzw. 48 Stunden bei Pilzen/ Hefen bei 30 °C bilden die Bioindikatoren sichtbare Wachstumsstreifen längs zum KSS-Gradienten auf der Agaroberfläche aus. Innerhalb dieser vorgegebenen Zeit werden reife Biofilme ausgebildet. Das Wachstum endet dort, wo die wachstumshemmende bzw. biozidale Wirkung des KSS zu wirken beginnt. Das Wachstum wird anschließend mithilfe eines Lineals quantitativ erfasst. Aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit und Standardisierung des Verfahrens können Kühlschmierstoffe mit unterschiedlichen Additivformulierungen parallel untersucht und miteinander verglichen werden. Insgesamt ist die Bearbeitung von bis zu 100 Proben pro Woche möglich. Literatur [1] Dierk-Steffen Wahrendorf. Deepwater Horizon - Erkenntnisse aus der Havarie und den Maßnahmen für die nationale Vorsorge- und Bekämpfungsstrategie Umweltexpertengruppe „Folge von Schadstoffunfällen“, Projektgruppe „Deepwater Horizon“, Bundesanstalt für Gewässerkunde Bf R Koblenz/ Hamburg, 2011, DOI: 10.5675/ PG_Deepwater_Horizon_2011_1 [2] Otter JA, Vickery K, Walker JT, deLancey Pulcini E, Stoodley P, Goldenberg SD, Salkeld JA, Chewins J, Yezli S, Edgeworth JD. Surface-attached cells, biofilms and biocide susceptibility: implications for hospital cleaning and disinfection. J Hosp Infect. 2015, 89(1): S. 16- 27, DOI: 10.1016/ j.jhin.2014.09.008 [3] Zan P, Mecozzi F, Wessel S, Fieten B,Driesse M, Woudstra W, Busscher HJ, van der Nei HC, and Lontjens TJA. Preparation and Evaluation of Antimicrobial Hyperbranched Emulsifiers for Waterborne Coatings. Langmuir 2019, 35,17, S. 5779-5786, DOI: 10.1021/ acs.langmuir.8b03584 [4] Crnčević D, Krce L, Brkljača Z, Cvitković M, Babić Brčić S, Čož-Rakovac R, Odžak R, Šprung M. A dual antibacterial action of soft quaternary ammonium compounds: bacteriostatic effects, membrane integrity, and reduced in vitro and in vivo toxicity. RSC Adv. 2025 ; 15(2): S. 1490-1506. doi: 10.1039/ d4ra07975b. [5] Banat IM, Franzetti A, Gandolfi I, Bestetti G, Martinotti MG, Fracchia L, Smyth TJ, Marchant R. Microbial biosurfactants production, applications and future potential. Appl Microbiol Biotechnol. 2010; 87(2): 427-44. doi: 10.1007/ s00253-010-2589-0. [6] Dini S, Bekhit AEA, Roohinejad S, Vale JM, Agyei D. The Physicochemical and Functional Properties of Biosurfactants: A Review. Molecules. 2024 May 28; 29(11): 2544. doi: 10.3390/ molecules29112544. PMID: 38893420; PMCID: PMC11173842. »« Eingangsabbildung: © kaliel - stock.adobe.com Abb. 3: Biomonitoring mit schematisierter Darstellung und Auswertung des Wachstums. KSS-Gradient beginnt bei 2 cm mit 0 % und endet mit 4 % bei 12 cm. Neben den acht Bioindikatoren sind drei gebrauchte Emulsion aufgetragen. Die roten Balken markieren das Ende des Wachstums. Der verwendete KSS ist, das zeigen die Bioindikatoren und Keime der zwei gebrauchten Emulsionen, sehr gut konserviert. Die Diffusion der Biozide in den KSS-freien Bereich oberhalb der grünen Linie hemmt dort bereits das Wachstum der Bioindikatoren. Bei der dritten gebrauchten Emulsion liegen Unempfindlichkeiten vor. Die antimikrobielle Strategie des KSS wirkt hier nicht. 4 % Standard Bioindikatoren (Bakterien/ Hefen oder Pilze) 0 %