Μελέτη του σχηματισμού βιοφίλμ από μικροοργανισμούς σε παραγωγικές μονάδες

Abstract

Η μελέτη της δομής και της σύστασης των βιομεμβρανών αποτελούσε, αποτελεί και θα αποτελεί έναν διαρκώς αναπτυσσόμενο επιστημονικό πεδίο καθώς σχετίζεται με ένα ευρύ κλάδο εφαρμογών συμπεριλαμβανομένου και αυτού των τροφίμων. Η σημαντικότητα των βιομεμβρανών στις βιομηχανίες τροφίμων είναι ιδιαίτερη καθώς σχετίζεται τόσο με θέματα που αφορούν την ασφάλεια των παραγόμενων προϊόντων όσο και με θέματα που αφορούν οικονομικά και άλλα κριτήρια. Πιο συγκεκριμένα, οι περισσότερες βιομεμβράνες εμφανίζουν αυξημένη αντοχή σε αντιμικροβιακούς παράγοντες γεγονός που δυσχεραίνει τις υπάρχουσες διαδικασίες καθαρισμού. Μεταξύ των άλλων, τα στρώματα που δημιουργούνται στις επιφάνειες των τροφίμων ευθύνονται για σημαντικό μέρος των θερμικών απωλειών, της μειωμένης απόδοσης και σε κάποιες περιπτώσεις την διάβρωση του εξοπλισμού. Ακόμη, προάγουν τη δημιουργία πιο σύνθετων μικροβιακών κοινοτήτων συμπεριλαμβανομένων σημαντικών παθογόνων μικροοργανισμών οι οποίες χαρακτηρίζονται από έναν διαφορετικό φαινότυπο. Σύμφωνα και με τα πιο πρόσφατα επιστημονικά δεδομένα, ο όρος βιοφίλμ ή σε κάποιες περιπτώσεις βιολογικό υμένιο χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει μια μικροβιακή κοινότητα από κύτταρα τα οποία συνδέονται μεταξύ τους ή μέσω μιας επιφάνειας-υποστρώματος που βρίσκονται ενσωματωμένα σε μια εξωκυττάρια μήτρα δομημένη από πολυμερείς ουσίες που οι ίδιοι οι μικροοργανισμοί έχουν παράξει (Extracellular Polymeric Substances, EPS). Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι: (α) η σε βάθος βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με τους παράγοντες που επηρεάζουν το σχηματισμό βιοφίλμ στις βιομηχανίες τροφίμων, (β) η διερεύνηση τους είδους των μικροοργανισμών που συμμετέχουν σε αυτά τα βιοφίλμ και (γ) η ανάδειξη της αναγκαιότητας εύρεσης νέων αποτελεσματικών μεθόδων καθαρισμού αλλά και προληπτικών μέτρων. Φαίνεται ότι από τις βασικότερες προϋποθέσεις για το σχηματισμό βιομεμβρανών αποτελούν η ύπαρξη μικροβιακών κοινοτήτων στην ελεύθερη τους μορφή (planktonic), η ύπαρξη μιας σχετικά υγρής επιφάνειας, η επαρκής διαθεσιμότητα σε θρεπτικά συστατικά αλλά και η ανάπτυξη ενός πολυεπίπεδου συστήματος επικοινωνίας μεταξύ των κυττάρων και του περιβάλλοντος. Γενικά, οι βιομεμβράνες απαντώνται στα περισσότερα οικοσυστήματα και έτσι υπό προϋποθέσεις μπορούν να ανιχνευθούν και στις βιομηχανίες τροφίμων. Ο σχηματισμός τους περιλαμβάνει πέντε στάδια, ξεκινώντας από τη προσκόλληση των ελεύθερων κυττάρων στην επιφάνεια ενώ σε δεύτερο επίπεδο σχηματίζονται οι χημικές βαθμίδες και κατ’ επέκταση η παραγωγή της εξωκυττάριας μήτρας. Κατόπιν, σταδιακά δημιουργούνται μικροαποικίες εντός του συστήματος της βιομεμβράνης ενώ ακολουθεί η ωρίμανση του βιοφίλμ κατά την οποία ελάχιστες φυσικοχημικές μεταβολές λαμβάνουν πλέον χώρα. Τέλος από τη στιγμή που ο σχηματισμός βιομεμβρανών μπορεί να θεωρηθεί μια κυκλική διαδικασία, ως τελευταίο στάδιο ορίζεται η διασπορά του συστήματος η οποία αφορά το νέο κύκλο ζωής μιας βιομεμβράνης μέσω της απελευθέρωσης ελεύθερων (πλαγκτονικών) κυττάρων. Όσον αφορά τους μικροοργανισμούς οι οποίοι μπορούν να εμπλακούν στο σχηματισμό βιομεμβρανών παρατηρούνται τόσο απλά όσο και σύνθετα βιοφίλμ. Φαίνεται επίσης πως υπάρχει άμεση συσχέτιση μεταξύ του είδους του τροφίμου (άρα και του υποστρώματος) και της τυπικής αλλοιογόνου χλωρίδας. Σημαντικές ωστόσο θεωρούνται και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικροοργανισμών οι οποίες μπορούν είτε να προάγουν είτε να αποτρέψουν το σχηματισμό βιομεμβρανών. Για παράδειγμα στις βιομηχανίες κρέατος, έχει βρεθεί ότι το Acinetobacter calcoaceticus ευνόησε το σχηματισμό E. coli. Σε άλλη έρευνα που αφορούσε γαλακτοκομικά προϊόντα φάνηκε πως ένας συνδυασμός P. fluorescens με B. cereus ήταν έως και πέντε φορές μεταβολικά ενεργός απ’ ότι τα αντίστοιχα μονοποικιλιακά βιοφίλμ τους. Παρόμοια είναι και τα ευρήματα που προέρχονται από προϊόντα ιχθυηρών στα οποία στελέχη του γένους Vibrio ευνόησαν το σχηματισμό άλλων ειδών βιοφίλμ όπως το P. aeruginosa. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις οφείλονται σε μεγάλο σε ρυθμιστές απόκρισης σημάτων και κατ’ επέκταση του πολυεπίπεδου συστήματος κυτταρικής επικοινωνίας. Σύμφωνα με όλα τα παραπάνω, είναι αναγκαία η εύρεση επιπλέον λύσεων αναφορικά με αποτελεσματικές στρατηγικές πρόληψης και απομάκρυνσης των βιομεμβρανών. Οι περισσότεροι ερευνητές αναφέρουν πως κάθε περίπτωση μπορεί να είναι μοναδική καθώς επηρεάζεται από ένα σύνολο παραγόντων που αφορούν το ίδιο το τρόφιμο (είδος-θρεπτικό υπόστρωμα), τους εμπλεκόμενους μικροοργανισμούς (μορφολογία, αλληλεπιδράσεις) και το περιβάλλον (τύπος επιφάνειας, φυσικοχημικές παράμετροι). Σε γενικές γραμμές, εξαιτίας της ανθεκτικότητας των βιομεμβρανών σε αρκετούς χημικούς παράγοντες παρατηρείται η τάση εφαρμογής εναλλακτικών προληπτικών στρατηγικών και καθαρισμούς οι οποίες αφενός θα είναι αποτελεσματικές αλλά αφετέρου θα χαρακτηρίζονται και από μια σειρά πλεονεκτημάτων όπως τη φιλικότερη προσέγγιση τους προς το περιβάλλον, τη χαμηλότερη τοξικότητα τους, το χαμηλότερο κόστος και την υψηλότερη εκλεκτικότητα τους.