Sanitär und Drainage, Trinkwasser

Wirken Wasserrohre aus Kupfer antibakteriell?

Kupferrohre an einer Kellerwand

Kupfer hat eine antibakterielle Wirkung1, 2, 3, die schon sehr lange bekannt ist und in medizinischen Bereichen z. B. für Türgriffe, Lichtschalter und anderen Oberflächen genutzt wird, um eine bessere Sterilität zu erzielen und so Krankheitsübertragungen vorzubeugen. Die antibakterielle Wirkung des Kupfers wird durch die Abgabe von Ionen aus dem Kupfer erzielt, wodurch freie Radikale entstehen, welche unter anderem mit der Hülle oder der DNA und Enzymen von Bakterien reagieren und diese so zerstören. Die Bakterien sterben dabei ab. Auf kupferhaltigen Oberflächen, wie Türklinken oder Geländern, ist dieser Effekt seit langem belegt und wissenschaftlicher Konsens4. Diese Eigenschaft macht man sich auch in der Trinkwasserversorgung zunutze und verwendet in Gebäuden auch heute noch häufig Kupferrohre für Trinkwasserleitungen.

Wie wirksam sind Kupferrohre gegen Bakterien, Pilze und Viren?

Ob die Wirkung bei Kupferrohren ähnlich stark ausgeprägt ist, wie bei Kupferoberflächen an der Luft, ist von vielen Faktoren abhängig, die einen Einfluss auf die antibakterielle Wirksamkeit haben können. Zu diesen Faktoren gehören z. B. die Kupferlegierung, die Art des Mikroorganismus (Pilze, Bakterien, Viren etc.), die Oberflächenbeschaffenheit des Rohres, die Zusammensetzung des Mediums und die Expositionszeit der Mikroorganismen innerhalb der Leitung. Je länger der Kontakt mit den Kupferionen besteht und je mehr Kupferionen vorhanden sind, desto stärker fällt der Sterilisationseffekt aus.5, 6

Kupferrohre und Rohre aus Kupferlegierungen, wie z. B. Messing geben ebenfalls Kupferionen an das Medium (meist Wasser) ab und können so einen zusätzlichen Schutz vor Bakterien und Pilzen7 bieten und den Einsatz von Desinfektionsmitteln reduzieren. Je höher der Kupferanteil innerhalb einer Legierung, desto besser die Wirkung.

Warum wirken Kupferrohre antimikrobiell?

Es handelt sich bei der antimikrobiellen Wirkung um einen komplexen chemischen Prozess. Die Hauptursache der antibakteriellen Wirkung von Kupfer liegt in den Kupferionen8, 9, welche das Kupfer an das Medium abgibt. Die Ionen sind dabei nicht lokal an der Rohrwand gebunden, sondern werden auch in das Medium, wie z. B. Wasser abgegeben und gelangen so an die darin enthaltenen Bakterien, welche ebenfalls abgetötet werden. Anders als lange Zeit angenommen, ist ein direkter Kontakt der Mikroorganismen mit der Oberfläche des Kupferrohres nicht zwingend notwendig.

Die wichtigsten Mechanismen dabei sind:

  1. Schädigung der Zellmembran: Die Kupferionen schädigen oder zerstören die Zellmembran, wodurch diese durchlässig wird und die Zelle ausläuft. Infolgedessen, stirbt die Zelle.10
  2. Störung des Stoffwechsels: Durch die Kupferionen kann der Stoffwechsel der Zellen beeinträchtigt werden und sogar ganz zum Erliegen kommen, wodurch die Zelle abstirbt. Dies geschieht, indem die Kupferionen Enzyme blockieren und die DNA schädigen.11
  3. Oxidativer Stress: Kupferionen erzeugen reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die die Zellen der Mikroorganismen oxidieren und so zerstören. Hier ist die Konzentration entscheidend, da ROS auch durch den Stoffwechsel auf natürlichem Weg in Zellen entstehen, als Signalmoleküle wirken und verschiedene Zellfunktionen, wie das Zellwachstum, die Differenzierung (unterschiedliche Zelltypen u. Funktion) und die Apoptose (programmierter u. gezielter Zelltod) regulieren.12, 13, 14

Die antibakterielle Wirkung ist abhängig von äußeren Einflüssen

Die Kupferionen werden durch Reaktionen mit dem Medium (z. B. Chlor, Sauerstoff oder Säuren) oder über den Luftkontakt (Oxidation mit Sauerstoff) erzeugt, indem das Kupfer Elektronen abgibt und so die Kupferionen entstehen, welche positiv geladen sind. Meist handelt es sich dabei um die nicht wasserlöslichen Ionen Cu+ bzw. Kupfer(I)) oder die wasserlöslichen und damit bioverfügbaren Cu2+ bzw. Kupfer (II)-Ionen, welche anschließend Elektronen benötigen, um wieder einen neutralen Zustand zu erhalten. Dieser wird z. B. durch die Reaktion mit Bestandteilen der Zellmembran der Bakterien hergestellt, welche dadurch wiederum zersetzt werden. Durch die Reaktionen mit den Kupferionen bilden sich innerhalb der Zellen hochreaktive und für die Zelle schädigende Superoxid-Anionen oder das als Desinfektionsmittel bekannte Wasserstoff-Peroxid, welches letztlich die Zellstrukturen auflöst und die Zelle somit zerstört.15, 16 Obwohl die antibakterielle Wirkung von Kupfer Konsens ist, kann diese durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden. Im Wesentlichen wird die antibakterielle Wirkung der Kupferrohre durch die folgenden Faktoren beeinflusst:

  1. Temperatur: Höhere Temperaturen beschleunigen die Reaktionen und damit die Inaktivierung der Organismen. Zugleich ist allerdings zu beachten, dass höhere Temperaturen auch die Bakterienreproduktion beschleunigen können, weshalb bei Trinkwasserleitungen möglichst kaltes Wasser zum Einsatz kommt. Bei lange stehendem Wasser (z. B. nach einem Urlaub) sollte der Wasserhahn mindestens 30 Sekunden laufen, ohne das Wasser zu nutzen.17
  2. pH-Wert: Ein leicht saurer pH-Wert kann die antibakterielle Wirkung verstärken, indem mehr Kupferionen gebildet werden. Zudem kann der Sauerstoffgehalt des Mediums die Ionenbildung ebenfalls beschleunigen.18 Es ist zu beachten, dass zu viel Kupfer für Kleinkinder und Tiere, wie etwa Aquarienbewohner gesundheitsschädlich sein kann.19
  3. Wasserhärte: Hartes Wasser kann zu einer stärkeren Kalkablagerung führen, wodurch der Kontakt zwischen Medium und Kupferrohr unterbunden wird. Hierdurch werden weniger Kupferionen gebildet und die Kupferionen können schlechter in das Medium gelangen. Die antibakterielle Wirkung kann so eingeschränkt werden.
  4. Fließgeschwindigkeit: Eine hohe Fließgeschwindigkeit sorgt dafür, dass die Bakterien weniger häufig mit den Kupferionen in Kontakt kommen und so seltener reaktionen eingehen, wodurch die Wirkung verringert wird. Hier ist allerdings auch die Länge der Leitung entscheidend, da diese ebenfalls die Kontaktzeit beeinflusst. Es ist jedoch anzumerken, dass eine hohe Fließgeschwindigkeit und damit einhergehend regelmäßiger Wasseraustausch im Allgemeinen eine geringere Konzentration an Bakterien bewirkt, da diese schnell aus der Leitung gespült werden.20

Biofilme in Kupferrohren

Biofilme sind Kolonien aus Bakterien, Pilzen und anderen Mikroben, die sich an der Innenseite von Rohrleitungen ansiedeln und dort eine schleimige Schicht bilden, welche die Bakterien vor äußeren Einwirkungen, wie etwa Desinfektionsmitteln schützt.21 Während Eisenrohre und Stahlrohre anfällig sind für solche Biofilme, bilden sich diese bei Kupferrohren weniger stark aus.22 Direkt an der Oberfläche des Kupfers sind die Konzentrationen der Kupferionen besonders hoch, weshalb nur sehr wenige Bakterien überleben können. Kupferrohre verhindern die Biofilmbildung weitestgehend.23

Wie wirkt sich eine Patina auf die antibakerielle Wirkung von Kupferrohren aus?

Kupfer bildet im Laufe der Zeit eine natürliche Schutzschicht, welche als Patina bezeichnet wird. Diese grünliche Schicht entsteht durch Oxidation und besteht aus Kupferoxiden und Kupfercarbonaten. Die Patina hat keinen negativen Einfluss auf die antibakterielle Wirkung von Kupfer. Die Patina selbst wirkt zwar weniger antibakteriell, allerdings vergrößert diese gleichzeitig die Oberfläche, da sie porös ist, wodurch eine verbesserte Wirkung eintreten kann. Dies erfordert allerdings weitere Forschung. Eine sehr dicke Kupferoxidschicht wirkt sich indes ungünstig auf die antibakterielle Wirkung aus.24

Wirken Kupferlegierungen ähnlich antibakteriell?

In der Wassertechnik kommen häufig Ventile oder Gewindeverbindungen aus Kupferlegierungen wie Messing oder Bronze zum Einsatz. Messing ist ein Gemisch aus verschiedenen Metallen (Legierung), wobei die Hauptbestandteile Kupfer und Zink sind. Auch Messing hat eine antibakterielle Wirkung. Da die Wirkung allerdings vorallem durch das Kupfer gegeben ist, ist die Wirkung vom Anteil des Kupfers abhängig. Je mehr Kupfer die Legierung enthält, desto stärker fällt die antibakterielle Wirkung aus.25, 26

Reicht die antibakterielle Wirkung des Kupfers in Trinkwasserleitungen aus, um Desinfektionen zu vermeiden?

Nein. Kupferrohre tragen zwar zur Hygiene in Trinkwasserleitungen bei, indem sie das Wachstum der Bakterien hemmen, können eine Desinfektion allerdings nicht völlig ersetzen. Wie auch beim medizinischen Einsatz von Antibiotika, welche darauf abzielen, den Stoffwechsel der Bakterien zu stören, überleben auch beim Kupfer immer wieder einige Bakterien und scheinen immun zu sein. Diese sogenannten „Persister-Bakterien“ fallen in eine Art Winterschlaf und drosseln den Stoffwechsel so stark herab, dass die Kupferionen nicht mehr aufgenommen werden, wodurch sie überleben.27 In bestimmten Fällen und bei einer starken Verkeimung kann eine zusätzliche Desinfektion und Reinigung der Rohrleitungen erforderlich sein.

Die Vorteile der Kupferrohre in Trinkwasserleitungen liegen allerdings auf der Hand. Kupfer wirkt, anders als chemische Desinfektionsmittel, die sich nach einiger Zeit abbauen oder ausgespült werden, dauerhaft antibakteriell28. Zudem sind Kupferrohre hitzebeständig, sehr langlebig und sehr gut recycelbar.

Warum werden für Trinkwasserleitungen häufig PE-Rohre statt Kupferrohre verwendet?

In der Trinkwasserleitungen vom Wasserversorger bis zum Abnehmer, kommen fast ausschließlich PE-Rohre (meist PE100) zum Einsatz, da diese wesentlich kostengünstiger und einfacher zu verarbeiten sind. Innerhalb von Gebäuden kommen häufig Kupferrohre zum Einsatz, auch wenn PE-Rohre immer mehr an Bedeutung gewinnen. PE-Rohre haben zwar keine antibakterielle Wirkung, zeichnen sich aber durch eine sehr glatte Innenseite aus, welche das Anheften von Bakterien und das Entstehen von Biofilmen vermindert. Bei Wasser, welches ständig in Bewegung ist, sind PE-Rohre absolut ausreichend. Kupferrohre können jedoch bei stagnierendem Wasser innerhalb einer Rohrleitung die Bakterienbildung präventiv unterbinden. Sie bieten also eine proaktive Hygiene durch das Abtöten der Mikroorganismen.

Sind Kupferionen für Menschen oder Haustiere gefährlich?

Da sich die Kupferionen einer Kupfer-Trinkwasserleitung auch im Trinkwasser befinden, gelangen diese auch in den Menschen oder Tiere, wenn das Wasser aufgenommen wird. Je nach aufgenommener Menge, Vorerkrankungen, genetischen Eigenschaften oder Ernährung und Medikamenteneinnahme können verschiedene Krankheitsbilder entstehen oder begünstigt werden. Da die äußeren Rahmenbedingungen sehr vielseitig sind und von Person zu Person variieren, ist eine genaue Vorhersage über Krankheiten oder die empfohlene Aufnahmemenge an Kupfer nicht möglich.29, 30 Im Trinkwasser besitzen Kupferionen besitzen allerdings eine sehr geringe Konzentration, die für eine Toxizität nicht ausreicht.31, 32 Für Trinkwasser gelten bestimmte Grenzwerte, die eingehalten werden müssen. Die WHO nennt einen Grenzwert von 2 mg Kupfer pro Liter Wasser, welcher in die Trinkwasserverordnung übernommen wurde.33, 34

Für Kleinkinder und Säuglinge reichen wesentlich geringere Kupferkonzentrationen aus, um gesundheitliche Folgeerscheinungen auszulösen. Die Grenzwerte können bei einem verhältnismäßig geringerem Körpergewicht wesentlich schneller überschritten werden.35 Stehendes Wasser in Kupferleitungen sollte daher unbedingt vermieden werden. Spülen Sie die Leitungen immer mindestens 30 Sekunden bis zu einer Minute durch, indem Sie den Wasserhahn voll aufgedreht laufen lassen, bevor Sie das Wasser konsumieren, um die Kupferionen auszuspülen.

Aquarienbewohner sind häufig besonders empfindlich gegenüber erhöhten Kupferkonzentrationen. Bei Fischen können die Kiemen geschädigt werden, aber auch Schnecken, Krebse und Garnelen reagieren empfindlich auf erhöhte Kupfermengen und können sogar daran sterben. In der Regel sind die Kupferkonzentrationen allerdings so gering, dass keine Toxizität zu erwarten ist.36 Bei Unsicherheiten kann auch ein Wassertest durchgeführt werden.

Einzelnachweise

  1. Ruhr Universität Bochum (RUB) – www.ruhr-uni-bochum.de: Kupfer wirkt effektiv gegen Sars-Cov-2 auf Oberflächen – Silber nicht
  2. Copper Development Association Inc. – www.antimicrobialcopper.org: Kupfer wirkt antimikrobiell (PDF)
  3. American Society for Microbiology (ASM) – asm.org: The Use of Copper as an Antimicrobial Agent in Health Care, Including Obstetrics and Gynecology
  4. Informationsdienst Wissenschaft e. V. (idw) – idw-online.de: Kupfer gegen Keime: Erwartungen wurden übertroffen
  5. MICHELS, Harold T.; MICHELS, Corinne A. Copper alloys-The new ‘old’weapon in the fight against infectious disease. Microbiology, 2016, 10. Jg., S. 23-45. (PDF): Copper alloys – The new ‘old’weapon in the fight against infectious disease
  6. Copper Development Association Inc. – www.antimicrobialcopper.org: Kupfer wirkt antimikrobiell (PDF)
  7. National Library of Medicine (NLM) – pmc.ncbi.nlm.nih.gov: Copper as an antimicrobial agent: recent advances
  8. Elguindi, J., Wagner, J., & Rensing, C. – Genes involved in copper resistance influence survival of Pseudomonas aeruginosa on copper surfaces
  9. American Society for Microbiology (ASM) – asm.org: Bacterial Killing by Dry Metallic Copper Surfaces
  10. Material Engineering Center Saarland (MECS) – www.mec-s.de: Antimikrobielle Oberflächen
  11. scinexx.de: Wirkt Kupfer gegen Bakterien?
  12. DocCheckFlexicon – flexikon.doccheck.com: Oxidativer Stress
  13. National Library of Medicine (NLM) – pmc.ncbi.nlm.nih.gov: Copper as an antimicrobial agent: recent advances
  14. Material Engineering Center Saarland (MECS) – www.mec-s.de: Antimikrobielle Oberflächen
  15. Copper Development Association Inc. – www.antimicrobialcopper.org: Kupfer wirkt antimikrobiell (PDF)
  16. Institut für Klinische Pharmakologie und Viszerale Forschung, Universität Bern: Kupfer – einem Spurenelement auf der Spur (PDF)
  17. National Library of Medicine (NLM) – pmc.ncbi.nlm.nih.gov: Effects of temperature and humidity on the efficacy of methicillin-resistant Staphylococcus aureus challenged antimicrobial materials containing silver and copper
  18. Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz – stmuv.bayern.de: Unter welchen Bedingungen können erhöhte Kupfergehalte auftreten?
  19. Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) – www.bfr.bund.de: Kupferrohre nicht für alle Trinkwasserinstallationen geeignet (02.03.1998)
  20. ZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser – www.dvgw.de: Hygienische Sicherheit im Verteilungsnetz – Teil 2: Erkennen und Beseitigen der Ursachen mikrobiologischer Güteveränderungen (PDF)
  21. Lenntech B.V.: Resistenzbildung von Mikroorganismen
  22. Mehtar, Shaheen & Wiid, I & Todorov, Svetoslav. (2008). The antimicrobial activity of copper and copper alloys against nosocomial pathogens and Mycobacterium tuberculosis isolated from healthcare facilities in the Western Cape: an in-vitro study. The Journal of hospital infection. 68. 45-51. 10.1016/j.jhin.2007.10.009 Resistenzbildung von Mikroorganismen
  23. baulinks.de: Kupferrohre laut niederländischer Studie bei Legionellenprophylaxe im Vorteil
  24. National Library of Medicine (NLM) – pmc.ncbi.nlm.nih.gov: Metallic Copper as an Antimicrobial Surface
  25. Michels, Harold T.; Michels, Corinne – Copper alloys – The new ‘old’ weapon in the fight against infectious disease (PDF)
  26. Elguindi, J., Wagner, J., & Rensing, C. – Genes involved in copper resistance influence survival of Pseudomonas aeruginosa on copper surfaces
  27. Martin-Luther-Universität-Halle-Wittenberg – www.uni-halle.de: Evolution im Reagenzglas: Bakterien überleben auf eigentlich tödlichen Kupferoberflächen
  28. Deutsche Gesellschaft für Krankenhaushygiene – www.krankenhaushygiene.de: Antimikrobielle Wirkung von Kupfer unter Einfluss von ausgewählten Desinfektionsmitteln (PDF)
  29. Institut für Klinische Pharmakologie und Viszerale Forschung, Universität Bern: Kupfer – einem Spurenelement auf der Spur (PDF)
  30. Lenntech B.V. – www.lenntech.de: Kupfer (Cu) und Wasser
  31. Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz – stmuv.bayern.de: Unter welchen Bedingungen können erhöhte Kupfergehalte auftreten?
  32. Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) – www.bfr.bund.de: Kupferrohre nicht für alle Trinkwasserinstallationen geeignet (02.03.1998)
  33. Institut für Klinische Pharmakologie und Viszerale Forschung, Universität Bern: Kupfer – einem Spurenelement auf der Spur (PDF)
  34. Lenntech B.V. – www.lenntech.de: Kupfer (Cu) und Wasser
  35. Institut für Klinische Pharmakologie und Viszerale Forschung, Universität Bern: Kupfer – einem Spurenelement auf der Spur (PDF)
  36. Lenntech B.V. – www.lenntech.de: Kupfer (Cu) und Wasser