Μελέτη και ποσοτική περιγραφή της ικανότητας σχηματισμού βιοϋμενίου από στελέχη Salmonella enterica.:
Creators: name: Δημακοπούλου-Παπάζογλου, Δάφνη Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: Salmonella enterica
Σχηματισμός βιοϋμενίου
Μαθηματικά μοντέλα
Biofilm formation
Mathematical models

description: Πολλοί παθογόνοι μικροοργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων και των στελεχών Salmonella, έχουν τη δυνατότητα να σχηματίζουν βιοϋμένιο. Ο σχηματισμός βιοϋμενίου αποτελεί ένα κυρίαρχο πρόβλημα στις βιομηχανίες τροφίμων διότι αυξάνει την επιμόλυνση των τροφίμων και τον κίνδυνο για τη δημόσια υγεία. Παρόλα αυτά υπάρχουν λίγες έρευνες, οι οποίες περιγράφουν αυτή τη συμπεριφορά με μαθηματικά μοντέλα και περιγράφουν την πιθανότητα σχηματισμού βιοϋμενίου. Επομένως, η έρευνα αυτή είχε ως στόχο τη μελέτη του σχηματιζόμενου βιοϋμενίου του παθογόνου αυτού σε σχέση με τις διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η μελέτη πραγματεύεται την ανάπτυξη και αξιολόγηση μαθηματικών μοντέλων πρόβλεψης της επίδρασης του pH και της ενεργότητας νερού στην ικανότητα σχηματισμού βιοϋμενίου δύο στελεχών Salmonella enterica με στόχο τον δραστικότερο έλεγχο του παθογόνου στη βιομηχανία τροφίμων. Στο πειραματικό μέρος εξετάστηκε η ικανότητα σχηματισμού βιοϋμενίου από τα στελέχη S. enterica ser. Newport και S. enterica ser. Agona σε υγρό θρεπτικό υπόστρωμα, Tryptone Soy Broth, θερμοκρασία 37°C και διαφορετικές συνθήκες pH και αw. Συνολικά μελετήθηκε ο σχηματισμός βιοϋμενίου σε 890 δείγματα με διαφορετικούς συνδυασμούς pH από 3,3 έως 9,25 και αw από 0,994 έως 0,894. Οι μετρήσεις του σχηματιζόμενου βιοϋμενίου έγιναν με τη χρήση αυτοματοποιημένου συστήματος μέτρησης οπτικής πυκνότητας (Bioscreen C) σύμφωνα με τη μέθοδο των Lianou and Kousoumanis (2012). Στο πρώτο μέρος τα δεδομένα οπτικής πυκνότητας μετατράπηκαν σε δυαδική μεταβλητή (0:μη σχηματισμός βιοϋμενίου, 1:σχηματισμός βιοϋμενίου) χρησιμοποιώντας ως «τιμή κατώφλι» για τη μετατροπή το 10% της μέγιστης μετρούμενης οπτικής πυκνότητας, από την οποία έχει αφαιρεθεί ο μάρτυρας (ΔOD &lt;10%ΔODmax μη σχηματισμός, ΔOD ≥10%ΔODmax σχηματισμός βιοϋμενίου). Τα αποτελέσματα της παλινδρόμησης έδειξαν πολύ ικανοποιητική προσαρμογή ενώ ο βαθμός συμφωνίας μεταξύ των προβλεπόμενων πιθανοτήτων και των παρατηρήσεων κυμάνθηκε από 97,7% έως 99,8% για τα δύο στελέχη. Στο δεύτερο μέρος, τα δεδομένα οπτικής πυκνότητας προσαρμόστηκαν στο δευτερογενές μοντέλο Cardinal Parameter Model (CPM), με σκοπό την ανάπτυξη ενός συνδυαστικού μοντέλου που να περιγράφει την επίδραση του pH και του αw στην έκταση του σχηματισμού βιοϋμενίου. Για τον χαρακτηρισμό της έκτασης του βιοϋμενίου προτάθηκε ο Δείκτης Σχηματισμού Βιοϋμενίου (ΔΣΒ). Ο ΔΣΒ ορίστηκε ως η αναλογία της οπτικής πυκνότητας σε μία συγκεκριμένη συνθήκη περιβάλλοντος και της μέγιστης τιμής της οπτικής πυκνότητας που δίνει ένα στέλεχος σε άριστες συνθήκες σχηματισμού βιοϋμενίου και λαμβάνει τιμές από 0(μη σχηματισμός) έως 1(μέγιστος σχηματισμός βιοϋμενίου). Τα αποτελέσματα της προσαρμογής έδειξαν ότι το CPM μπορεί να περιγράψει με επιτυχία την επίδραση του pH και του αw στο ΔΣΒ δίνοντας συντελεστές συσχέτισης (R2) από 0,943 έως 0,972 για τα δύο στελέχη. Το CPM για τη συνδυαστική επίδραση του pH και του αw αξιολογήθηκε έπειτα μέσω της σύγκρισης των προβλέψεών του με παρατηρούμενες τιμές του ΔΣΒ σε συνδυασμούς συνθηκών pH και αw που δεν χρησιμοποιήθηκαν στην ανάπτυξη του μοντέλου. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης ήταν πολύ ικανοποιητικά με συντελεστές συσχέτισης μεταξύ προβλεπόμενων και παρατηρούμενων τιμών 0,933 και 0,835 για το στέλεχος S. enterica ser. Newport και S. enterica ser. Agona αντίστοιχα. Συμπερασματικά, αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν με επιτυχία τέσσερα μαθηματικά μοντέλα πρόβλεψης της επίδρασης του pH και του αw στην ικανότητα σχηματισμού βιοϋμενίου δύο στελεχών S. enterica. Αξίζει να σημειωθεί ότι ενώ τα μαθηματικά μοντέλα έχουν βρει ευρεία εφαρμογή στην πρόβλεψη της ανάπτυξης και επιβίωσης των μικροοργανισμών, η παρούσα εργασία αποτελεί την πρώτη απόπειρα εφαρμογής τους στην περίπτωση του σχηματισμού βιοϋμενίου. Τα δεδομένα και τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν μπορεί να αποτελέσουν χρήσιμα εργαλεία στη βιομηχανία τροφίμων για τον έλεγχο των βιοϋμενίων στις εγκαταστάσεις και κατ’ επέκταση τη μείωση της μικροβιακής επιμόλυνσης και τη βελτίωση της ασφάλειας των τροφίμων.
description: Many pathogen microorganisms, including Salmonella, have the ability to form biofilms. Biofilm formation is a significant problem for food industry as increases food contamination and risks for public health. Despite the importance of the problem, few studies model this behavior and predict the possibility of biofilm formation. Hence, the research attempted to study biofilm formation of the aforementioned pathogen in relation to different environmental conditions. The aim of this study was the development and evaluation of predictive mathematical models of the effect of pH and water activity of the biofilm forming capacity of the two strains of Salmonella enterica in order to control the effective pathogen in food industry. The experimental part examined the ability of biofilm formation by the strains S. enterica ser. Newport and S. enterica ser. Agona in liquid nutrient substrate, Tryptone Soy Broth, at a temperature of 37 °C and different combinations of pH and aw conditions. The study performed 890 biofilm formation treatments at different combinations of pH from 3.3 to 9.25 and aw from 0.994 to 0.894. The formed biofilm was measured using an automated system for measuring optical density (Bioscreen C) following Lianou and Kousoumanis, 2012. In the first part, data of optical density were converted into a binary variable (0:non biofilm formation /1:biofilm formation) using as a "threshold value" for conversion of 10% of the measured maximum optical density of the which has removed the witness (ΔOD&lt;10%ΔODmax non biofilm formation, ΔOD≥10%ΔODmax biofilm formation). The results of the regression indicated a good fit with the degree of agreement between the predicted probabilities and the observations range from 97.7% to 99.8% for the two strains. In the second part, data of optical density, were adjusted to secondary model Cardinal Parameter Model (CPM) to develop a combined model that describes the effect of pH and aw of the extent of biofilm formation. The Biofilm Formation Index (BFI) was suggested in order to characterize the extent of biofilm in this study. The BFI was defined as the ratio of the optical density at a specific ambient condition and maximum optical density that gives a strain in optimum conditions for biofilm forming and takes values from 0(non biofilm) to 1(maximum biofilm formation). The results showed that the adaptation for CPM can successfully describe the effect of pH and aw of the biofilm formation index allowing correlation coefficients (R2) of 0.943 to 0.972 for the two strains. The CPM for the combined effect of pH and aw evaluated by comparing predictions with observed values of BFI in combinations conditions pH and aw, which were not used to develop the model. The evaluation of the results was very satisfactory with correlation coefficients between predicted and observed values 0.933 and 0.835 for the strain S. enterica ser. Newport and S. enterica ser. Agona, respectively. In conclusion, four predictive mathematical models of the effect of pH and aw of the biofilm formation capacity of the two strains S. enterica were developed and evaluated successfully. It is worth noting that although the mathematical models find wide application in the prediction of the growth and survival of the microorganisms, the present study is the first attempt for their application in the case of biofilm formation. The data and the models, which were developed, can be seen as useful tools in the food industry for the control of biofilm on the premises and thereby for the reduction of microbial contamination and the improvement of food safety.