Μελέτη του σχηματισμού βιοφίλμ από μικροοργανισμούς σε παραγωγικές μονάδες
Study of biofilm formation from microorganisms in production units
![Thumbnail](/xmlui/bitstream/handle/11400/1243/%ce%a0%ce%9c%ce%a3_%ce%a3%ce%a4%ce%95%ce%a4%ce%a1%ce%9f%ce%94_19002.pdf.jpg?sequence=4&isAllowed=y)
Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία
Συγγραφέας
Αλεξοπούλου, Νικολίτσα
Ημερομηνία
2021-06-15Επιβλέπων
Batrinou, AnthimiaΛέξεις-κλειδιά
Βιομεμβράνες ; Extracellular Polymeric Substances (EPS) ; BiofilmsΠερίληψη
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.
Περίληψη
The study of the structure and composition and biofilms has been, is and will be an ever-evolving scientific field as is related to a wide range of applications including the food industry. The importance of biofilms in the food industry is unique as it relates both to issues associated to the safety of products produced and to issues related to economic and other criteria. More specific, most biomembranes show increased resistance to antimicrobial agents, which complicates existing cleaning process. Among the other things, the layers that form on the surfaces of food are responsible for a significant part of heat loss, reduced efficiency and in some cases corrosion of the equipment. They also promote the formation of more complex microbial communities including important pathogenic microorganisms characterized by a different phenotype.
According to the latest scientific data, the term of biofilm or in some cases biological film is used to describe a microbial community of cells that are intero-connected or through a substrate-surface embedded in an extracellular matrix composed of polymeric substances that the microorganisms themselves have produced (Extracellular Polymeric Substances, EPS). The aim of this master thesis is: (a) an in depth literature review on the factors that affect the formation of biofilms in the food industry, (b) the investigation of the species of microorganisms involved in these biofilms and (c) the promotion of the need to find new effective cleaning methods and preventive measure. It seems that one of the main conditions for the formation of biomembranes are the existence of microbial communities in their free form (planktonic), the existence of a relatively moist surface, the adequate availability of nutrients and the development of a multilevel communication system between cells and the environment.
In general, biomembranes are found in most ecosystems and thus, under certain conditions can be detected in food industry. Their formation includes five stages, starting from the attachment of free cells to the surface while in the second level the chemical steps are formed and consequently the production of the extracellular matrix. Then, microcolonies are gradually created with the biofilm system followed by the maturation of the biofilm during which, minimal physicochemical changes are taking place. Finally, since the formation of biomembranes can be considered a cyclic process, the last step is defined as the dispersion of the system which refers to the new life cycle of a biomembranes through the release of free (planktonic) cells. As far the microorganisms that can be involved in the formation of biofilm is concerned, both simple and complex biofilms are observed. It also seems that there is a direct colleration between the type of food and the typical allogeneic flora. However, interactions between microorganisms that can either promote or prevent the formation of biofilms are also considered important. For example, in the meat industry, Acinetobacter has been found to promote the formation of E. Coli. Another dairy study found that a combination of P. Fluorescens with B. Cereus was up to five times more metabolically active than their respective single-variety biofilms. Similar were the finding from a fishery study in which, strains of the genus Vibrio favored the formation of other biofilm species such as P. Aeruginosa. These interactions are due to signal response modulators and consequently the multilevel cellular communication system (quorum-sensing).
In view of all the above, it is necessary to find additional solutions regarding effective strategies for the prevention and removal of biomembranes. Most researchers say that each case of biofilm formation can be unique as it is influenced by a set of different factors related to the food itself (type and substrate), the involved microorganisms (morphology and interactions) and the environment (surface type and other physicochemical parameters). In general, due to the resistance of biofilms to several chemical and antimicrobial agents, there is a tendency to implement alternative preventive strategies and cleaning methods which on the one hand will be effective but on the other hand will be characterized by a number of advantages such us their friendlier approach to the environment, their lowest toxicity and cost and their higher selectivity.