Description (en)
Biofilms are composed of microorganisms embedded in a self-produced matrix, most often adhering to a surface. The protecting matrix leads to a different gene expression than the microorganisms’ planktonic counterparts show. Through the altered phenotypes and the biofilm matrix, microorganisms living in biofilms are protected from various environmental stresses such as UV-radiation, desiccation, antimicrobial agents, and disinfection measures. In the food producing environment biofilm formation is particularly important as it leads to various issues including clogging of pipes, hindering of production processes and contamination of food products. The transfer of spoilage or pathogenic microorganisms through biofilms leads to a reduced shelf life of the product and the transmission of foodborne pathogens, thereby endangering consumers’ safety as well as causing huge economic losses. Despite this dramatic impact on food safety of biofilms in the food production environment, biofilms are still poorly investigated. In this thesis we identified biofilm hotspots in different food processing environments. Biofilm investigation was conducted by detecting microorganisms, along with the chemical characterisation of their associated matrix in terms of presence of important matrix components such as polysaccharides, proteins, and extracellular DNA. By investigating possible biofilm hotspots in a meat processing environment, we could show that multi-species biofilms consisting of resident and meat spoilage-associated microorganisms were present on food contact surfaces and non-food contact surfaces during production as well as after cleaning and disinfection measures. These results show that currently applied hygiene measures are not sufficient to eliminate the overall biofilm burden. Especially non-food contact sites such as drains, and water hoses represent biofilm hotspots which could facilitate an unintentional transfer of spoilage and pathogenic bacteria during cleaning measures. Isolates from biofilm-associated sites were able to form biofilms in a static mono-species biofilm model representing conditions found in the food processing environment (i.e. stainless steel coupons at 10°C). Phenotypic characterisation showed that differences in the matrix composition and the motility of the strains occur. Further investigation of the genomic features allowed identification of various molecules involved in biofilm formation such as adhesion, matrix production and quorum sensing. In another food processing environment, namely a can filling line for beer, we could demonstrate that an automated cleaning and sanitation procedure was not sufficient to remove all microorganisms and product residuals, leading to sites favouring biofilm formation. Furthermore, one biofilm hotspot at the struts below the filler was identified. This site could represent a good spot for on-line biofilm monitoring. We could demonstrate that monitoring of biofilm formation using a robust ultracompact near-infrared spectrometer is possible. This monitoring strategy provides a promising approach to sense biofilm build-up and allows for targeted cleaning and disinfection measures. Together these results provide important insights into biofilms in the food processing environment. Understanding these biofilms is crucial to develop intervention and removal strategies which will be needed for a safe and sustainable food production in the future.
Description (de)
Biofilme bestehen aus Mikroorganismen, die in einer selbst-produzierten Matrix eingebettet sind und häufig an einer Oberfläche sitzen. Im Gegensatz zu planktonischen Zellen, erlaubt die schützende Matrix adaptierte Genexpressionsmuster. Durch diesen veränderten Phänotyp und die Biofilmmatrix sind Mikroorganismen vor verschiedenen Stressfaktoren wie UVStrahlung, Austrocknung, antimikrobiellen Substanzen und Desinfektionsmitteln, geschützt. Vor allem im Lebensmittelumfeld können Biofilme zu verschiedenen Problemen führen, wie dem Verstopfen von Rohren, dem Hemmen von Produktionsprozessleistungen und der Kontamination von Lebensmitteln. Der Transfer von Verderbniserregern oder Lebensmittelpathogenen durch Biofilme führt zu reduzierter Haltbarkeit von Lebensmitteln und der Verbreitung von lebensmittelassoziierten Pathogenen. Dies hat Konsequenzen für die Lebensmittelsicherheit und führt zu hohen wirtschaftlichen Verlusten. Trotz dieser drastischen Auswirkungen auf die Lebensmittelsicherheit sind Biofilme im lebensmittelproduzierenden Umfeld noch kaum erforscht. Innerhalb dieser Arbeit konnten wir Biofilm-positive Stellen in verschiedenen Umfeldern der Lebensmittelproduktion identifizieren. Die Biofilme wurden anhand der Detektion von Mikroorganismen und einer chemischen Charakterisierung der assoziierten Matrix, in Form von Anwesenheit der wichtigen Matrixkomponenten, wie Polysacchariden, Proteinen und extrazellulärer DNA, nachgewiesen. Durch das Auffinden von sogenannten “Biofilm-Hotspots” in einem fleischverarbeitenden Betrieb konnten wir zeigen, dass verschiedene Spezies in einem Biofilm vorhanden sind. Unter anderem häufig beschriebene und fleischverderbende Mikroorganismen. Diese konnten auf Lebensmittelkontaktflächen und Nicht-Lebensmittelkontaktflächen während der Produktion und nach dem standardmäßigen Reinigungs- und Desinfektionsprozedere nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die momentan angewandten Hygieneverfahren nicht ausreichend sind, um Biofilme vollkommen zu entfernen. Besonders Biofilm-positive Nicht- Lebensmittelkontaktflächen, wie Gullys oder Wasserschläuche sind Stellen, die einen unerwarteten Transfer von Pathogenen und Verderbniserregern während Reinigungsverfahren ermöglichen. Isolate von Biofilm-assoziierten Stellen waren in der Lage Biofilme in einem statischen Mono-spezies Biofilmmodell zu bilden. Das Modell wurde verwendet, um Konditionen aus dem Lebensmittelumfeld zu imitieren (z.B. rostfreier Edelstahl als Substrat bei 10°C). Die phänotypische Charakterisierung von elf repräsentativen Isolaten zeigte, dass es Unterschiede in der Matrixproduktion und der Motilität der Stämme gibt. Genetische Analysen erlaubten die Identifizierung von verschiedenen Genen, die in der Biofilmbildung eine potenzielle Rolle spielen, z.B. beim Adhärieren, der Matrixproduktion und der Kommunikation (z.B. Quorum Sensing). In einer Dosenabfüllanlage für Bier konnten wir ebenso zeigen, dass das automatische Reinigungs- und Desinfektionsprogramm nicht erfolgreich war, um alle Mikroorganismen und Produktrückstände zu entfernen. Diese Rückstände können die Biofilmbildung fördern. Unterhalb des Füllers, an den Streben, konnte eine Biofilm-positive Stelle identifiziert werden. Diese Stelle eignet sich somit besonders, um on-line Biofilmmonitoring zu betreiben. Wir konnten zeigen, dass es mittels eines robusten, ultrakompakten Nahinfrarotspektrometers möglich ist die Biofilmbildung festzustellen. Diese Monitoring-Strategie stellt einen vielversprechenden Ansatz für das Messen von Biofilmakkumulationen dar und ermöglicht eine zielgerichtete Anwendung von Reinigung und Desinfektion. Die Ergebnisse unserer Forschung geben wichtige Einblicke in Biofilme im lebensmittelproduzierenden Umfeld und tragen zu einem besseren Verständnis dieser Biofilme bei. Dies bildet die Basis für effiziente Interventions- und Beseitigungsstrategien, um eine sichere und nachhaltige Lebensmittelproduktion in Zukunft zu ermöglichen.