Title (eng)

Whole microbial community analysis as a tool to study contamination scenarios during raw meat processing

Advisor

Eveline Selberherr

Alexander Loy

Martin Wagner

Author

Benjamin Zwirzitz

Description (eng)

Dissertation - University of Veterinary Medicine Vienna - 2020

Description (eng)

Microbial spoilage of food is a global health and economic concern that continues to burden public authorities. Although hygiene standards in industrial food production have been vastly improved over the last few decades, foodborne diseases are still on the rise. The surge in foodborne disease outbreaks despite increasing efforts to combat them, challenges the existing risk assessments and underlines the need for new modes of action to control and monitor microbial contamination in food processing environments. In principal, contamination of food by microorganisms is difficult to control, because of the manifold possibilities of transmission during production, processing, storage, and distribution of the product. Microbial contamination levels are routinely monitored using microbiological plating techniques, which offer only limited information, because the majority of microorganisms remain uncultivable. Therefore, these traditional methods do not capture many important microbial community members and do not reflect the actual contamination status. Recent advancements in DNA sequencing technologies now offer the opportunity to study whole microbial communities in their natural environment at an unprecedented depth.
In this thesis, we apply quantitative traditional microbiology and molecular biology techniques as well as high throughput full-length 16S rRNA gene sequencing to characterize whole microbial communities throughout the raw meat processing chain. We further evaluate this method as a tool to study contamination scenarios and transmission routes of microbial populations during processing, and elucidate our findings in the broader context of microbial community ecology. The ecological aspects of microorganisms living and interacting within the context of complex communities other has been largely neglected in the field of food microbiology. Here, we show that food processing environments harbour complex microbiomes and point out specific microbial interactions that potentially promote the survival of pathogens or spoilage microorganisms in regularly disinfected environments. Specifically, we focused on Listeria monocytogenes and its putative interactions with the resilient microbiota in a meat processing plant, which are linked to a consortia of common microorganisms with known biofilm-forming capabilities. Our results demonstrate that high-throughput full-length 16S rRNA gene sequencing has great potential to uncover previously unknown microbial transmission routes and interactions that contribute to persistence. The acquired knowledge informs stakeholders with valuable information to combat microbial contamination of food to ensure a microbiologically safe food production.


Description (deu)

Dissertation - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2020

Description (deu)

Obwohl die Hygienestandards in der industriellen Lebensmittelproduktion in den letzten Jahrzehnten erheblich verbessert wurden, nehmen durch verdorbene Lebensmittel verursachte Krankheiten immer noch zu. Diese Entwicklung stellt die bestehenden Risikobewertungen in Frage und unterstreicht die Notwendigkeit neuer Maßnahmen zur Kontrolle und Überwachung mikrobieller Übertragungswege während der Lebensmittelverarbeitung. Grundsätzlich ist die Kontamination von Lebensmitteln durch Mikroorganismen aufgrund der vielfältigen Übertragungsmöglichkeiten während der Herstellung, Verarbeitung, Lagerung und Verteilung des Produkts schwer zu kontrollieren. Bisher wird die mikrobielle Belastung routinemäßig mit mikrobiologischen Plattierungstechniken überwacht. Da der Großteil der Mikroorganismen aber nicht kultivierbar ist, liefern diese Methoden nur begrenzte Informationen. Viele potenziell wichtige Mitglieder der mikrobiellen Gemeinschaft werden damit nicht detektiert und der tatsächliche Kontaminationsstatus wird nicht komplett erfasst. Die jüngsten Fortschritte bei DNA-Sequenzierungstechnologien bieten nun die Möglichkeit, ganze mikrobielle Gemeinschaften in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen.
In dieser Arbeit wenden wir quantitative mikro- und molekularbiologische Techniken an und kombinieren diese mit einer innovativen Methode um das 16S-rRNA-Gen, welches alle Bakterien besitzen, mit hohem Durchsatz in voller Länge zu sequenzieren. Damit konnten wir mikrobielle Gemeinschaften in der gesamten Verarbeitungskette für rohes Fleisch in einer beispiellosen Tiefe charakterisieren. Darüber hinaus bewerten wir diese Methode weiter als Instrument zur Untersuchung von Kontaminationsszenarien und Übertragungswegen von Mikroorganismen während der Verarbeitung und erläutern unsere Ergebnisse im breiteren Kontext der mikrobiellen Ökologie. Dieser ökologische Aspekt, dass Mikroorganismen in komplexen Gemeinschaften leben die ständig miteinander interagieren, wurde im Bereich der Lebensmittelmikrobiologie bisher weitgehend vernachlässigt. Hier zeigen wir, dass Lebensmittelverarbeitungsbetriebe komplexe Mikrobiome beherbergen und weisen auf spezifische mikrobielle Interaktionen hin, die möglicherweise das Überleben von Krankheitserregern oder verdergbniserregenden Mikroorganismen in regelmäßig desinfizierten Umgebungen fördern. Insbesondere konzentrieren wir uns auf Listeria monocytogenes und seine Wechselbeziehungen mit anderen Mikroorganismen, die für gewöhnlich in lebensmittelverarbeitenden Betrieben weit verbreitet sind. Auf diese Weise konnten wir ein Konsortium prominenter Mikroorganismen mit bekannten Fähigkeiten zur Bildung von Biofilmen identifizieren, deren Einfluss auf die Überlebensfähigkeit von L. monocytogenes genauer untersucht werden soll. Unsere Ergebnisse zeigen, dass DNA- Sequenzierungstechnologien ein großes Potenzial haben, bisher unbekannte mikrobielle Übertragungswege und Wechselwirkungen aufzudecken, die zur Persistenz von potentiell gefährlichen Bakterien beitragen. Eine Integration dieser Technologien in bestehende Überwachungssysteme kann wertvolle Informationen zur Bekämpfung der mikrobiellen Kontamination von Lebensmitteln liefern und dazu beitragen eine mikrobiologisch sichere Lebensmittelproduktion zu gewährleisten.

Object languages

English

Date

2020

Rights

© All rights reserved

Member of the Collection(s) (1)

o:72 Theses / University of Veterinary Medicine Vienna

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