Моделювання процесу формування мікробних біоплівок на нержавіючій сталі з різною шорсткістю поверхні

Автор(и)

  • Mykola Kukhtyn Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя вул. Руська, 56, м. Тернопіль, Україна, 46001, Україна https://orcid.org/0000-0002-0195-0767
  • Khrystyna Kravcheniuk Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя вул. Руська, 56, м. Тернопіль, Україна, 46001, Україна https://orcid.org/0000-0002-7547-6834
  • Ludmila Beyko Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя вул. Руська, 56, м. Тернопіль, Україна, 46001, Україна https://orcid.org/0000-0001-6211-8010
  • Yulia Horiuk Подільський державний аграрно-технічний університет вул. Шевченка, 13, м. Кам'янець-Подільський, Україна, 32300, Україна https://orcid.org/0000-0002-7162-8992
  • Oleksandr Skliar Сумський національний аграрний університет вул. Герасима Кондратьєва, 160, м. Суми, Україна, 40021, Україна https://orcid.org/0000-0002-0111-1277
  • Serhii Kernychnyi Подільський державний аграрно-технічний університет вул. Шевченка, 13, м. Кам'янець-Подільський, Україна, 32300, Україна https://orcid.org/0000-0001-9533-684X

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.160142

Ключові слова:

мікробна адгезія, формування біоплівок, шорсткість поверхні нержавіючої сталі, процес плівкоутворення

Анотація

Наведено дослідження процесу адгезії бактерій до поверхні з різною шорсткістю залежно від розмірів і форми. Встановлено, що на поверхні нержавіючої сталі з шорсткістю 2,687±0,014 мкм, процес плівкоутворення у E. coli та S. aureus проходив однаково упродовж з 3 до 24 години та не залежав від розмірів бактерій. Це дозволяє стверджувати, що паличковидні і кокові бактерії вільно прикріпляються у западинах шорсткості та розпочинається початковий процес першої стадії формування біоплівки. Під час санітарної обробки у западинах шорсткості можуть залишатися, як кокові, так паличковидні бактерії. На поверхні сталі з шорсткістю 0,95±0,092 мкм процес плівкоутворення у S. aureus проходив інтенсивніше, ніж у E. coli. Упродовж 3 год інкубації щільність сформованих біоплівок S. aureus була в 1,2 раза більша, порівняно з біоплівками E. coli. У наступні 15 годин інкубації сформовані біоплівки S. aureus були, в середньому в 1,3 раза щільніші. Це дає підставу вважати, що S. aureus завдяки кулястій формі здатний розміщуватися у западинах шорсткості 0,95±0,092 мкм і швидше адгезуватися до поверхні. Водночас E. coli, завдяки паличковидній формі, за такої шорсткості поверхні може адгезуватися у западини тільки повздовж. Доведено, що за шорсткості поверхні 0,63±0,087 мкм інтенсивність плівкоутворення S.aureus була, в середньому в 1,4 раза швидша, ніж у E. coli. Водночас, за шорсткості 0,16±0,018 мкм процес плівкоутворення проходив однаково у S. aureus і E. coli, але біоплівки були нижчої щільності, порівняно з такими, які формувалися за шорсткості 0,63±0,087 мкм.

Отже, використання обладнання у молочній промисловості з шорсткістю менше 0,5 мкм дозволить зменшення прикріплення мікроорганізмів до поверхні і зниження контамінації молочних продуктів

Біографії авторів

Mykola Kukhtyn, Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя вул. Руська, 56, м. Тернопіль, Україна, 46001

Доктор ветеринарних наук, професор

Кафедра харчової біотехнології і хімії 

Khrystyna Kravcheniuk, Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя вул. Руська, 56, м. Тернопіль, Україна, 46001

Аспірант

Кафедра харчової біотехнології і хімії

Ludmila Beyko, Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя вул. Руська, 56, м. Тернопіль, Україна, 46001

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра харчової біотехнології і хімії 

Yulia Horiuk, Подільський державний аграрно-технічний університет вул. Шевченка, 13, м. Кам'янець-Подільський, Україна, 32300

Кандидат ветеринарних наук, старший викладач

Кафедра інфекційних та інвазійних хвороб

Oleksandr Skliar, Сумський національний аграрний університет вул. Герасима Кондратьєва, 160, м. Суми, Україна, 40021

Доктор ветеринарних наук, професор

Кафедра терапії, фармакології, клінічної діагностики та хімії

Serhii Kernychnyi, Подільський державний аграрно-технічний університет вул. Шевченка, 13, м. Кам'янець-Подільський, Україна, 32300

Кандидат ветеринарних наук, доцент

Кафедра ветеринарного акушерства, внутрішньої патології та хірургії 

Посилання

  1. Kukhtyn, M., Berhilevych, O., Kravcheniuk, K., Shynkaruk, O., Horyuk, Y., Semaniuk, N. (2017). Formation of biofilms on dairy equipment and the influence of disinfectants on them. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (11 (89)), 26–33. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.110488
  2. Kukhtyn, M., Berhilevych, O., Kravcheniuk, K., Shynkaruk, O., Horyuk, Y., Semaniuk, N. (2017). The influence of disinfectants on microbial biofilms of dairy equipment. EUREKA: Life Sciences, 5, 11–17. doi: https://doi.org/10.21303/2504-5695.2017.00423
  3. Shaheen, R., Svensson, B., Andersson, M. A., Christiansson, A., Salkinoja-Salonen, M. (2010). Persistence strategies of Bacillus cereus spores isolated from dairy silo tanks. Food Microbiology, 27 (3), 347–355. doi: https://doi.org/10.1016/j.fm.2009.11.004
  4. Council directive 93/43/EEC on the hygiene of foodstuffs (1993). Official Journal of the European Communities, No L 175/1.
  5. Whitehead, K. A., Verran, J. (2007). The effect of surface properties and application method on the retention of Pseudomonas aeruginosa on uncoated and titanium-coated stainless steel. International Biodeterioration & Biodegradation, 60 (2), 74–80. doi: https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2006.11.009
  6. Verran, J., Packer, A., Kelly, P., Whitehead, K. A. (2010). The retention of bacteria on hygienic surfaces presenting scratches of microbial dimensions. Letters in Applied Microbiology, 50 (3), 258–263. doi: https://doi.org/10.1111/j.1472-765x.2009.02784.x
  7. Rajab, F. H., Liauw, C. M., Benson, P. S., Li, L., Whitehead, K. A. (2018). Picosecond laser treatment production of hierarchical structured stainless steel to reduce bacterial fouling. Food and Bioproducts Processing, 109, 29–40. doi: https://doi.org/10.1016/j.fbp.2018.02.009
  8. Finkel, J. S., Mitchell, A. P. (2010). Genetic control of Candida albicans biofilm development. Nature Reviews Microbiology, 9 (2), 109–118. doi: https://doi.org/10.1038/nrmicro2475
  9. Monds, R. D., O’Toole, G. A. (2009). The developmental model of microbial biofilms: ten years of a paradigm up for review. Trends in Microbiology, 17 (2), 73–87. doi: https://doi.org/10.1016/j.tim.2008.11.001
  10. Zhao, K., Tseng, B. S., Beckerman, B., Jin, F., Gibiansky, M. L., Harrison, J. J. et. al. (2013). Psl trails guide exploration and microcolony formation in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Nature, 497 (7449), 388–391. doi: https://doi.org/10.1038/nature12155
  11. Oliveira, N. M., Martinez-Garcia, E., Xavier, J., Durham, W. M., Kolter, R., Kim, W., Foster, K. R. (2015). Correction: Biofilm Formation As a Response to Ecological Competition. PLOS Biology, 13 (8), e1002232. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002232
  12. Monds, R. D., O’Toole, G. A. (2009). The developmental model of microbial biofilms: ten years of a paradigm up for review. Trends in Microbiology, 17 (2), 73–87. doi: https://doi.org/10.1016/j.tim.2008.11.001
  13. Moriarty, T. F., Poulsson, A. H. C., Rochford, E. T. J., Richards, R. G. (2011). Bacterial Adhesion and Biomaterial Surfaces. Comprehensive Biomaterials, 75–100. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-08-055294-1.00007-6
  14. Hoevar, M., Jenko, M., Godec, M., Drobne, D. (2014). An overviev of the influence of stainless-steel surface properties on bacterial adhesion. Materials and technology, 48 (5), 609–617.
  15. Crawford, R. J., Webb, H. K., Truong, V. K., Hasan, J., Ivanova, E. P. (2012). Surface topographical factors influencing bacterial attachment. Advances in Colloid and Interface Science, 179-182, 142–149. doi: https://doi.org/10.1016/j.cis.2012.06.015
  16. Merritt, K., An, Y. H. (2000). Factors Influencing Bacterial Adhesion. Handbook of Bacterial Adhesion, 53–72. doi: https://doi.org/10.1385/1-59259-224-4:53
  17. García, S., Trueba, A., Vega, L. M., Madariaga, E. (2016). Impact of the surface roughness of AISI 316L stainless steel on biofilm adhesion in a seawater-cooled tubular heat exchanger-condenser. Biofouling, 32 (10), 1185–1193. doi: https://doi.org/10.1080/08927014.2016.1241875
  18. Maruschak, P., Panin, S., Chausov, M., Bishchak, R., Polyvana, U. (2018). Effect of long-term operation on steels of main gas pipeline: Structural and mechanical degradation. Journal of King Saud University - Engineering Sciences, 30 (4), 363–367. doi: https://doi.org/10.1016/j.jksues.2016.09.002
  19. Whitehead, K. A., Verran, J. (2009). The Effect of Substratum Properties on the Survival of Attached Microorganisms on Inert Surfaces. Marine and Industrial Biofouling, 13–33. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-540-69796-1_2
  20. An, Y. H., Dickinson, R. B., Doyle, R. J. (2000). Mechanisms of Bacterial Adhesion and Pathogenesis of Implant and Tissue Infections. Handbook of Bacterial Adhesion, 1–27. doi: https://doi.org/10.1385/1-59259-224-4:1
  21. Partington, E. (2006). Stainless Steel in the Food & Beverage Industry. Materials and Applications, 24.
  22. Jullien, C., Bénézech, T., Carpentier, B., Lebret, V., Faille, C. (2003). Identification of surface characteristics relevant to the hygienic status of stainless steel for the food industry. Journal of Food Engineering, 56 (1), 77–87. doi: https://doi.org/10.1016/s0260-8774(02)00150-4
  23. Dantas, L. C. de M., Silva-Neto, J. P. da, Dantas, T. S., Naves, L. Z., das Neves, F. D., da Mota, A. S. (2016). Bacterial Adhesion and Surface Roughness for Different Clinical Techniques for Acrylic Polymethyl Methacrylate. International Journal of Dentistry, 2016, 1–6. doi: https://doi.org/10.1155/2016/8685796
  24. Whitehead, K. A., Benson, P. S., Verran, J. (2015). Developing application and detection methods for Listeria monocytogenes and fish extract on open surfaces in order to optimize cleaning protocols. Food and Bioproducts Processing, 93, 224–233. doi: https://doi.org/10.1016/j.fbp.2014.07.007
  25. Whitehead, K. A., Verran, J. (2006). The Effect of Surface Topography on the Retention of Microorganisms. Food and Bioproducts Processing, 84 (4), 253–259. doi: https://doi.org/10.1205/fbp06035
  26. Hilbert, L. R., Bagge-Ravn, D., Kold, J., Gram, L. (2003). Influence of surface roughness of stainless steel on microbial adhesion and corrosion resistance. International Biodeterioration & Biodegradation, 52 (3), 175–185. doi: https://doi.org/10.1016/s0964-8305(03)00104-5
  27. Milledge, J. J. (2010). The cleanability of stainless steel used as a food contact surface: an updated short review. Food Sci. Technol., 24 (3), 18–20.
  28. Bos, R., Mei, H. C., Gold, J., Busscher, H. J. (2000). Retention of bacteria on a substratum surface with micro-patterned hydrophobicity. FEMS Microbiology Letters, 189 (2), 311–315. doi: https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2000.tb09249.x
  29. Fadeeva, E., Truong, V. K., Stiesch, M., Chichkov, B. N., Crawford, R. J., Wang, J., Ivanova, E. P. (2011). Bacterial Retention on Superhydrophobic Titanium Surfaces Fabricated by Femtosecond Laser Ablation. Langmuir, 27 (6), 3012–3019. doi: https://doi.org/10.1021/la104607g
  30. Privett, B. J., Youn, J., Hong, S. A., Lee, J., Han, J., Shin, J. H., Schoenfisch, M. H. (2011). Antibacterial Fluorinated Silica Colloid Superhydrophobic Surfaces. Langmuir, 27 (15), 9597–9601. doi: https://doi.org/10.1021/la201801e
  31. Dou, X.-Q., Zhang, D., Feng, C., Jiang, L. (2015). Bioinspired Hierarchical Surface Structures with Tunable Wettability for Regulating Bacteria Adhesion. ACS Nano, 9 (11), 10664–10672. doi: https://doi.org/10.1021/acsnano.5b04231
  32. Cunha, A., Elie, A.-M., Plawinski, L., Serro, A. P., Botelho do Rego, A. M., Almeida, A. et. al. (2016). Femtosecond laser surface texturing of titanium as a method to reduce the adhesion of Staphylococcus aureus and biofilm formation. Applied Surface Science, 360, 485–493. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.10.102
  33. Kukhtyn, M., Kravcheniuk, K., Beyko, L., Horiuk, Y., Skliar, O., Kernychnyi, S. (2019). Study of the influence of Savinase®Evity 16L enzyme on biofilms formation of staphylococcus aureus on stainless steel with different roughness. EUREKA: Life Sciences, 2, 26–32. doi: http://dx.doi.org/10.21303/2504-5695.2019.00858
  34. Vos, P., Garrity, G., Jones, D., Krieg, N. R. et. al. (Eds.) (2009). Bergey's manual of systematic bacteriology. The Firmicutes. Springer. doi: https://doi.org/10.1007/978-0-387-68489-5
  35. Marchand, S., De Block, J., De Jonghe, V., Coorevits, A., Heyndrickx, M., Herman, L. (2012). Biofilm Formation in Milk Production and Processing Environments; Influence on Milk Quality and Safety. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 11 (2), 133–147. doi: https://doi.org/10.1111/j.1541-4337.2011.00183.x
  36. Kukhtyn, M., Vichko, O., Berhilevych, O., Horyuk, Y., Horyuk, V. (2016). Main microbiological and biological properties of microbial associations of "Lactomyces tibeticus". Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, 7 (6), 1266–1272.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-03-19

Як цитувати

Kukhtyn, M., Kravcheniuk, K., Beyko, L., Horiuk, Y., Skliar, O., & Kernychnyi, S. (2019). Моделювання процесу формування мікробних біоплівок на нержавіючій сталі з різною шорсткістю поверхні. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(11 (98), 14–21. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.160142

Номер

Том 2 № 11 (98) (2019): Технології та обладнання харчових виробництв

Розділ

Технології та обладнання харчових виробництв

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Mykola Kukhtyn, Khrystyna Kravcheniuk, Ludmila Beyko, Yulia Horiuk, Oleksandr Skliar, Serhii Kernychnyi

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.