ФОРМУВАННЯ БІОПЛІВКИ E.coli НА ПОВЕРХНІ НЕРЖАВІЮЧОЇ СТАЛІ AISI 321, ЗАЛЕЖНО ВІД ШОРСТКОСТІ ПОВЕРХНІ

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 637.1. 075. 579. 66
Х.Ю. КРАВЧЕНЮК, М.Д. КУХТИН, В.В. ЛАЗАРЮК
Терношльський нацiональний технiчний унiверситет iMeHi 1вана Пулюя
ФОРМУВАННЯ Б1ОПЛ1ВКИ E. coli НА ПОВЕРХН1 НЕРЖАВ1ЮЧО1 СТАЛ1 AISI 321, ЗАЛЕЖНО В1Д ШОРСТКОСТ1 ПОВЕРХН1
У cmammi наведено результати до^джень впливу шорсткостi noeepxHi нержавтчо'-1 cmcmi марки AISI 321 на формування бiоплiвки E. coli. Встановлено, що за 6 год. Шкубацп на пластинах з шорсттстю вiд 0,95 до 0,30 мкм E. coli формуе бiоплiвку, якарозташовуеться у всх западинах поверхн стmi, а на виступах ii не вiдмiчcем. На пластинах з шорсттстю вiд 0,25 i до 0,16 мкм вiдмiчcем розташування бiоплiвки невеликими колонiями, як розташувалися по всш поверхнi, як у западинах, так i на виступах. Проте, 1'-х юльюсть незначна. Якщо nорiвняти сформовану бiоплiвку E. coli на поверхт стmi з шорсттстю 0,95 — 0,63 мкм з 0,25 — 0,16 мкм упродовж 6 год., то можна вiдмiтити, що саме вiд розмiру западин шорcткоcтi залежить початковий процес адгези E. coli i ii плiвкоутворення. За шють годин ткубаци Е. соН величина оптично'-1'- густини спиртовихрозчинiв з пластинок i-з шорсттстю вiд 0,955 до 0,30 мкм складала вiд 0,098 до 0,095 од. оптично'-1'- щiльноcтi i поступово зменшувалася в 1,2 раза до 0,082 — 0,078 од. у пластинок з шорсттстю вiд 0,25 до 0,16 мкм. Це тдтвердило те, що чим менша шорсттсть поверхнi нержавiючоi cталi, тим слабше проходить на тй адгезiя i формування бiоплiвки кишковою паличкою.
Ключовi слова: Escherichia соИ, нержавтча сталь, шорсттсть, адгезiя, бiоплiвка.
Х.Ю. КРАВЧЕНЮК, М.Д. КУХТИН, В.В. ЛАЗАРЮК
Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя
ФОРМИРОВАНИЕ БИОПЛЕНКИ E. coli НА ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ AISI 321, В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
В статье приведены результаты исследований влияния шероховатости поверхности нержавеющей стали марки AISI 321 на формирование биопленки E. coli. Установлено, что за 6 ч. инкубации на пластинах с шероховатостью от 0,95 до 0,30 мкм E. coli формирует биопленку, которая располагается во всех впадинах поверхности стали, а на выступлениях её нет. На пластинах с шероховатостью от 0,25 и до 0,16 мкм отмечают расположение биопленки небольшими колониями, которые расположились по всей поверхности, как во впадинах, так и на выступлениях. Однако, их количество незначительно. Если сравнить сложившуюся биопленку E. coli на поверхности стали с шероховатостью 0,95 — 0,63 мкм с 0,25 — 0,16 мкм в течение 6 ч., то можно отметить, что именно от размера впадин шероховатости зависит начальный процесс адгезии E. coli и ее пленкообразования. За 6 часов инкубации E. coli величина оптической плотности спиртовых растворов из пластинок с шероховатостью от 0,955 до 0,30 мкм составляла от 0,098 до 0,095 ед. оптической плотности и постепенно уменьшалась в 1,2 раза до 0,082 — 0,078 ед. в пластинок с шероховатостью от 0,25 до 0,16 мкм. Это подтвердило то, что чем меньше шероховатость поверхности нержавеющей стали, тем слабее проходит на ней адгезия и формирование биопленки кишечной палочкой.
Ключевые слова: Escherichia coli, нержавеющая сталь, шероховатость, адгезия, биопленка.
K.U. KRAVCHENYUK, M.D. KUCHTYN, V.V. LAZARYUK
Ternopil Ivan Puluj National Technical University
E. coli BIOFILM FORMATION ON THE STAINLESS STEEL AISI 321 SURFACE IN TERMS OF
SURFACE ROUGHNESS
The results of the research of stainless steel AISI 321 surface roughness impact on E. coli biofilm fofmation have been given. It was found that within 6 hours of intubation E. coli is forming a biofilm on the plates of roughness from 0,95 to 0,30 mkm. The biofilm is formed on all steel surface hollows except its knobs. On the plates of roughness from 0,25 to 0,16 mkm small colonies of biofilm can be found on the whole surface both in hollows and in knobs. Though there aren'-t many of them. Having compared the obtained E. coli biofilm on the steel surface of roughness 0,95- 0,63 mkm with 0,25 — 0,16 mkm during 6 hours, we can admit that the initial process of E. coli adhesion and its film formation depends on the very size of roughness hollows. After 6 hours of E. coli intubation the value of optical density of alcohol liquids, washed of the plates of roughness 0,955 to 0,30 mkm approached 0,098 to 0,095 units of optical density and was gradually 1,2 times decreasing to 0,082 —
0,078 units in the plates of roughness from 0,25 to 0,16 mkm. Once again this experiment has proved the fact, that the less roughness of stainless steel surface, the weaker its adhesion and biofilm forming by E. coli.
Keywords: Escherichia coli, stainless steel, roughness, adhesion, biofilm.
Постановка проблеми
Згвдно з сучасним уявленням, мжробна адгез1я е складним бюлопчним процесом i залежить вщ багатьох факторiв, у тому числ характеристик поверхш матерiалу, таких як шорсткiсть, топографiя, хiмiчний склад i поверхнева вiльна енергiя [1,2]. Крiм того, шорстк1сть noBepxHi може сприяти або перешкоджати адгези i росту бактерiй.
Шорстк1сть поверxнi i рельеф е важливими параметрами, коли йдеться про порiвняння поверxнi з розмiром бактери. Збiльшення шорсткостi поверхш зб! льшуе площу, цим самим покращуеться адгезiя мiкроорганiзмiв. Чим бiльша шорстшсть, тим краще поверхня захищае мжрооргашзми в! д факторiв навколишнього середовища, мехашчних сил i дезiнфiкуючиx засобiв. Хiмiчний склад поверxнi i поверхнева енерпя матерiалу можуть також вплинути на мжробну адгезiю. Поверхнева енергiя е також важливим чинником у початковш адгези, тому матерiал з високою поверхневою енерпею, такий як нержавшча сталь, в основному гiдрофiльний, часто негативно заряджений i легко забруднюеться [3,4].
AH^i3 останшх досл1джень i публiкацiй
В xарчовiй промисловостi найчастше використовують для обладнання i устаткування нержавiючi корозiйно-стiйкi xромистi та xромонiкелевi сталi наступних марок (та !х вiтчизнянi аналоги) AISI-304 (аналог 08Х18Н10), AISI-316 (аналог 03Х16Н15М3), AISI-321 (аналог 08Х18Н10Т), AISI-410 (аналог 12Х13), AISI-409 (аналог 08Х13), AISI-329 (аналог 08X25H4M2) [5, 6]. Даш стал! в сташ поставки можуть мати рiзну шорстшсть поверхш Rz=0,2−3,2 мкм. Вщповщно, до критерiю оцiнки гiгiенiчностi обладнання [7], велик! д! лянки поверxнi, як контактують з продуктом, повиннi мати шорстшсть, що не перевищуе Rz=0,8 мкм [8, 9]. Здатнiсть до очищення поверxнi залежить в! д застосовано! технологи обробки поверxнi.
Додаткова обробка поверхш може змшити ф! зико-х1м!чш властивосп поверxнi. Вплив властивостей поверxнi нержавшчо! сталi на формування мжробних бюпл! вок складае науковий iнтерес для харчово! промисловосп, з технолопчно! точки зору поверхня обладнання повинна бути такою, яка б максимально добре шддавалася саштаршй обробщ з видаленнями не пльки мехашчних забруднень, а й р! зних м! крооргашзм!в. Тому ниш науковщ [3, 10−14] вивчають вплив на процес пл! вкоутворення у бактерш в харчовш промисловосп, кр! м !х бюлопчних властивостей, ще й техшчш властивосп матер! алу до якого вщбуваеться адгез! я (шорстк1сть, поверхнева в! льна енерпя, змочувашсть та ш.).
Таким чином, бшьш глибше розкриття мехашзм! в i законом! рностей формування мжробних бюпл! вок на абюгенних поверхнях в харчовш промисловосп дозволить розробити превентивш заходи боротьби з ними.
Формулювання мети дослщження
Метою роботи було вивчити формування бюпл! вки шт. Escherichia coli АТСС 25 299 на поверхш нержаыючо! стал! марки AISI 321 з р! зною шорстшстю протягом певного часу.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Для дослвдження були використаш пластинки з нержавшчо! корозшно-стшко! шкель-хромово! аустенггно! стал! марки AISI 321 (стандарт Американського шституту стал! та сплав! в) розм! ром 30*30 мм та товщиною 5 мм, з р! зною шорстк1стю поверхш, яш зображеш на рис. 1.
Шорстшсть поверхонь пластин нержавшчо! стал! визначали за допомогою профшометра марки 296, зпдно ГОСТ 2789–73 [15].
Для визначення здатносп формувати мжробну бюпл! вку культурою E. coli. на поверхнях нержавшчо! стал! з р! зною шорстшстю, ми стерильш пластини помщали в стерильш чашки Петр!, заливали МПБ та додавали 1 см добово! тест-культури E. coli у концентрацп 105 КУО/см3. 1нкубацш проводили за температур! 37 оС упродовж 6, 12 та 24 годин.
Шсля шкубацп пластинки витягували! з чашок Петр!, триразово вщмивали в! д планктонних (неприкршлених) мжрооргашзм! в фосфатним буфером.
Фжсували утвореш бюпл! вки E. coli на пластинках 96о етиловом спиртом. Шсля фжсування бюпл! вки фарбували, для цього пластинки занурювали у 0,1% розчин кристал! чного фюлетового. Шсля фарбування пластинки триразово вщмивали фосфатним буфером i висушували.
Попм кожну пластинку окремо заливали 7,0 см³ 96о етиловим спиртом та залишали на 20 хв.
Шсля 20 хв. вщбирали 5 см³ цього розчину у кювету для вим! рювання оптично! густини промивного розчину спирту спектрофотометрично.
б)
б)
а)
Ra= (0,25 ± 0,035) мкм
Ra= (0,24 ± 0,026) мкм Ra= (0,16 ± 0,018) мкм
Рис. 1. Вигляд пластинок з нержавмчоТ сталi марки AISI 321 з рiзною шорсткiстю:
а) нативний вигляд пластин- б) вигляд пластин шд мшроскопом (збiльшення 1500 раз)
Результати та! х обговорення. Результати мжроскошчних дослвджень формування мшробно! бюпл! вки E. coli на поверхш зразк1 В нержавшчо! стал марки AISI 321 протягом 6,12 та 24 годин показан! на рис. 2, рис. 3 та рис. 4.
Ra= (0,955 ± 0,22) мкм
Ra= (0,63 ± 0,087) мкм
Ra= (0,30 ± 0,065) мкм
Ra= (0,25 ± 0,035) мкм Ra= (0,24 ± 0,026) мкм Ra= (0,16 ± 0,018) мкм
Рис. 2. Формування мжробноТ бiоплiвки E. coli на поверхш пластинок з нержавмчоТ сталi за температури 37 оС упродовж 6 годин (вигляд пластинок з E. coli шд мшроскопом)
Ra= (0,25 ± 0,035) мкм Ra= (0,24 ± 0,026) мкм Ra= (0,16 ± 0,018) мкм
Рис. 3. Формування мжробноТ бioплiвки E. coli на поверхш пластинок з нержавмчоТ cталi за температури 37 оС упродовж 12 годин (вигляд пластинок з E. coli пщ мжроскопом)
За 6 год. шкубацп на пластинах з шорсткютю ввд 0,95 до 0,30 мкм E. coli формуе б1опл1вку, яка розташовуеться у вах западинах поверхш стал1, а на виступах ii не в1дм1чаем.
На пластинах з шорсткютю ввд 0,25 i до 0,16 мкм в1дм1чаем розташування б1опл1вки невеликими колошями, якi розташувалися по всш поверхш, як у западинах, так i на виступах. Проте 1х кшьшсть незначна. Якщо порiвняти сформовану бiоплiвку E. coli на поверхнi сталi з шорстк1стю 0,95 — 0,63 мкм з 0,25 — 0,16 мкм упродовж 6 год., то можна ввдмггити, що саме ввд розмiру западин шорсткостi залежить початковий процес адгезil E. coli i ii плiвкоутворення. Адже розмiр E. coli дозволяе проникати у западини i в подальшому заповнювати усi мiкронерiвностi.
За 12 год. шкубацп культури E. coli вiдмiчаемо практично однакову бiоплiвку на вах пластинах нержавiючоi сталi незалежно вщ шорсткостi. Бiоплiвка мала вигляд сушльно! маси, яка покривае всю площу пластини, проте ще проглядаються свгт дiлянки поверхнi не покритi матриксом бiоплiвки.
Ra= (0,955 ± 0,22) мкм Ra= (0,63 ± 0,087) мкм Ra= (0,30 ± 0,065) мкм
Яа= (0,25 ± 0,035) мкм
Яа= (0,24 ± 0,026) мкм Яа= (0,16 ± 0,018) мкм
Рис. 4. Формування мжробноТ бiоплiвки Е. свН на поверхнi пластинок з нержавмчоТ сталi за температури 37 оС упродовж 24 годин (вигляд пластинок з Е. свН пщ мжроскопом)
З продовженням шкубаци до 24 год. бiоплiвка Е. свН ставала щ№шша i закривала всю поверхню пластин.
Таким чином, данi дослiдження вказують, що iз зменшенням шорсткостi поверхш нержавшчо! сталi збiльшуeться початковий процес адгезп i формування бiоплiвки культурою Е. свН.
Результати залежносп шорсткостi поверхш ввд оптично! щiльностi змитих розчишв з поверхонь пластинок нержавшчо! стал^ на яких сформованi бiоплiвки Е. свН протягом 6, 12 та 24 годин показано на графку рис. 5.
о р
а «
ио в
о
И ^
В ^ с
.в М
Н ® О ^
& quot-В '-Ч
3 В
4 .2 • |
а н ч и т п
О
0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
0,1 38 0, 14 0,1 39
к 1 1- 0,118
0,125 23 0,124 1 к--- -0,11 1−0 6 ---1 1 0,115 1
4 0,097, 101 -0, 095 0, 0, 105 0,105
)8 > 0,078



0,955 0,63 0,3 0,25 0,24
Шорстккть поверхш, мкм
-¦ - Мжробна бiоплiвка Б. еоИ сформована протягом 6 год.
Ш Мжробна бiоплiвка Б. еоИ сформована протягом 12 год. — т^п — Мжробна бiоплiвка Б. еоИ сформована протягом 24 год.
0,16
Рис. 5. График залежносп оптичноТ щiльностi спиртових розчишв з бiоплiвок Е. свН за рiзного часу шкубаци вiд шорсткосп поверхш нержавмчоТ сталi марки А1Ш 321
На рис. 5 показано, що оптична щiльнiсть змитих спиртових розчишв з поверхонь пластин нержавшчо! стал^ на яких сформована бiоплiвка Е. свН залежала вiд часу вирощування та шорсткостi поверхнi пластин.
За шiсть годин шкубаци Е. свН величина оптично! густини спиртових розчинiв з пластинок iз шорстк1стю вiд 0,955 до 0,30 мкм складала вщ 0,098 до 0,095 од. оптично! щ№носп i поступово зменшувалася в 1,2 раза до 0,082 — 0,078 од. у пластинок з шорстшсю вщ 0,25 до 0,16 мкм. Це ще раз тдтвердило те, що чим менша шорстшсть поверхнi нержавiючо! сталi, тим слабше проходить на нiй адгезiя i формування бiоплiвки кишковою паличкою.
Упродовж 12 год. шкубаци Е. свН на пластинках нержавшчо! сталi виявили збшьшення оптично! густини в 1,3 раза (р& lt-0,05), порiвняно з шестигодинною шкубашею, проте, закономiрностi формування
6ioraiBKH були так caMi як i за 6 годин, яш характеризувалися збiльшенням оптично! густини розчишв з пластинок з б№шою шорстк1стю, порiвняно з пластинками з меншою шорстк1стю.
За 24 год. шкубаци E. coli бiоплiвкa ставала щ№шша на вciх пластинах i досягала найб№шого значения 0,40 од. на пластиш з шорстк1стю 0,63 мкм i найменшого 0,115 од. на пластиш шорстк1сть яко! 0,16 мкм, що в 1,2 раза менше.
Висновки
1. Встановлено, що за 6 год. шкубаци на пластинах з шорстшстю ввд 0,95 до 0,30 мкм E. coli формуе
бiоплiвку, яка розташовуеться у вciх западинах поверхш стал^ а на виступах ii не вiдмiчaли.
На пластинах з шорстшстю ввд 0,25 i до 0,16 мкм вiдмiчaли розташування бiоплiвки невеликими колонiями, якi розташувалися по вciй поверхнi, як у западинах, так i на виступах. Проте 1х шльшсть незначна. Якщо порiвняти сформовану бiоплiвку E. coli на поверхш cтaлi з шорстк1стю 0,95 — 0,63 мкм з 0,25 — 0,16 мкм упродовж 6 год., то можна ввдмггати, що саме ввд розмiру западин шорсткосп залежить початковий процес aдгезii E. coli i ii плiвкоутворення. Адже розмiр E. coli дозволяе проникати у западини i в подальшому заповнювати ус мiкронерiвноcтi.
За 12 год. iнкубaцii культури E. coli вiдмiчaли практично однакову бiоплiвку на вciх пластинах нержaвiючоi cтaлi незалежно ввд шорcткоcтi. Бiоплiвкa мала вигляд cуцiльноi'- маси, яка покривала всю площу пластини, проте ще проглядалися cвiтлi дiлянки поверхнi не покрип матриксом бiоплiвки.
2. Встановлено, що за шють годин шкубаци E. coli величина оптичноi густини спиртових розчинiв з пластинок iз шорстшстю ввд 0,955 до 0,30 мкм складала вiд 0,098 до 0,095 од. оптичноi щiльноcтi i поступово зменшувалася в 1,2 раза до 0,082 — 0,078 од. у пластинок з шорстшсю ввд 0,25 до 0,16 мкм.
Упродовж 12 год. шкубаци E. coli на пластинках нержaвiючоi cтaлi виявили збшьшення оптичноi густини в 1,3 раза (р& lt-0,05), порiвняно з шестигодинною iнкубaцiею, проте, зaкономiрноcтi формування бiоплiвки були так1 c^i як i за 6 годин.
Список використано'-1 лiтератури
1. Merritt K., An Y. H., Factors Influencing Bacterial Adhesion, In: Y. H. An, R. Friedman (Eds.), Handbook of Bacterial Adhesion // Humana Press, New Jersey. — 2000. — Р. 53−72.
2. An Y. H., Friedman R. J., Journal of Biomedical Materials Research. — 1998. — 43. — Р. 338−348.
3. Hcevar M., Jenko M., Godec M., Drobne D. et al., An overview of the influence of stainless-steel surface properties on bacterial adhesion // Materials and technology. — 2014. — 48(5). — Р. 609−617.
4. Perni S., Callard Preedy E., Prokopovich P., Succes and failure of colloidal approaches in adhesion of microorganisms to surface // Advances in Colloid and Interface Science. — 2013. — P. 1−10.
5. Partington E., Stainless Steel in the Food & amp- Beverage Industry. Materials and Applications Series, Volume First Edition 2006. Euro Inox. 24 p.
6. Чепелюк О. О., Доломашн Ю. Ю. Ппешчш вимоги до проектування обладнання: Конспект лекцш для студ. спец. 7. 5 050 313 & quot-Обладнання переробних i харчових виробництв& quot- ден. i заочн. форм навчання. — К.: НУХТ, 2013. — 79 с.
7. Hygienic equipment design criteria (Guideline Document No. 8), Brussels: EHEDG 2004. ENEDG.
8. DIN 11 480, Deutsches Institut fur Normung, 1992, Dairy Machines- Tanks and Apparatus (Beuth Verlag GmbH, NSSN, Berlin, Germany).
9. Flint S.H., Brooks J.D. and Bremer P.J., Properties of the stainless steel substrate influencing the adhesion of thermo resistant Streptococci // J Food Eng. — 2000. — 43. — Р. 235−242.
10. Verran J., Testing surface cleanability in food processing, In: H. L. M. Lelieveld, A. Mostert, J. T. Holah (Eds.). Handbook of Hygiene Control in the Food Industry // CRC press, New York. -2005.- Р. 556−571.
11. Jullien C., Benezech T., Carpentier B., Lebret V., Faille C., Journal of Food Engineering. — 2003 — 56 -Р. 77−87.
12. Boulange-Petermann L., Biofouling. — 1996. — 10. — Р. 275−300.
13. Chiang W. C., Tseng I. S., Moller P., Hilbert L. R., Tolker-Nielsen T., Wu J. K., Materials Chemistry and Physics. — 2010. — 119 — Р. 123−130.
14. Whitehead K. A., Verran J., International Biodeterioration & amp- Biodegradation. — 2007. — 60. — Р. 74−80.
15. ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики [Текст]. — 1973. -Москва: Держстандарт СРСР. -. 6 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой