牛奶中三种细菌生物被膜特性探究
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现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014,Vo1.30,No.I 牛奶中三种细菌生物被膜特性探究 周文渊,张宏梅,姜燕,黄慧嫦,陈胜华,廖丁妹,郭凯,张文艳,杨安林 (广东工业大学轻工化工学院,广东广州510006) 摘要:生物被膜的形成给牛奶保藏和保鲜带来极大的隐患,探讨牛奶过程中生物被膜形成特性以及寻求有效的抑制生物被膜 的方法具有重要意义。本实验通过微孔板法模拟牛奶过程,研究食源性金黄色葡萄球菌、肠炎沙门氏茵和大肠杆菌在牛奶中生物 被膜形成能力、生物被膜中活菌数目与种间群体感应信号分AI.2活力三者之间的关系。随后利用AI.2抑制剂呋喃酮,检测三种细菌 生物被膜形成能力及AI.2活力变化。最后证明,三种细菌生物被膜形成能力、生物被膜中活菌数目以及AI-2活力顺序均是金黄色葡 萄球菌>大肠杆菌>沙门氏菌。添加呋喃酮之后,三种细菌的生物被膜形成能力以及AI.2活力均下降,其中金黄色葡萄球菌的生物被 膜形成能力下降为原来的25%。因此表明,此三种细菌生物被膜形成能力的大小可能是是通过调节生物被膜中AI一2的活力实现的。 关键词:金黄色葡萄球菌;大肠杆菌;沙门氏菌;细菌生物被膜 文章篇号:1673.9078(2014)1.87.90 Biofilm Characteristics of Several Foodborne Bacteria in Spoiling Milk ZHOU Wen-yuan,ZHANG Hong-mei,J1_ANG yan,HUANG Hui-chang,CHEN Sheng-hua,LIAO Ding-mei, GUO Kai,ZJ G Wen-yuan.YANG An-lin. (Faculty ofChemical Engineering and Light Industry,Guangdong Universiy tofTechnology,Guangzhou 510006,China) Abstract:Bacterial biofilm brought great threat in milk preservation.Thus it is very important to r℃sear_ch the formation features of biofilmduringmikcorruptilonandfind an effectwayto eliminatethebiofilm.The relationshipbetweenthebiofilmformation ability,theviable count in the biofilm and the AI-2 activity ofStaphylococcus auFelZ ̄,Salmonella and Escherichia coli in the process of milk spoilage were nvestiigated by the method ofmicrotitreplate.The change ofbiofilm and AI一2 activity after the addition offuranone was tested.Then the gradient concentrations offuranoneindicatedtherelevance betweenthefuranone andthequantiyofbatteriainthe biofilm.Theresults showed hattthe sequenceofthreebacteriaforbiofilmformation abiliy,ttheviable countinthebiofilmandtheAI-2 activiywasSttaphylococcusaureus >Escherichia coli>Salmonella.Besides,the biofilm formation abiliy atnd AI-2 activity both declned aftier adding furanone,and the biofilm formation abilityofStaphylococcusaureusreducedto 25%.Thusthe resultsindicatedthatthe abiliyofbitofilmformationmihtbeg regulatedby heAI-2 tactiviywhichwas tsecretedbytheviableisolatesinthebiofilm. Keywords:Staphylococcusaureus;Escherichiacoli;Salmoella;biofilm 生物被膜是微生物为适应胁迫环境、形成有利于 生存的特殊生长状态。是由自身分泌胞外粘质物(如 多糖基质、纤维蛋白、脂质蛋白等)包裹的,具有高 度组织化的多细胞群体结构【l 。生物被膜的形成机制 非常复杂,近来研究表明其形成与群体感应系统的调 控密切相关。1993年,在哈氏弧菌中发现信号分子 (Autoinducer-2,AI一2),其化学结构是呋喃酮酰硼酸二 酯【3J,其属于种间传递信号分子。目前发现该信号分 收稿日期:2013_0 23 基金项目:国家自然科学基金(31301480);广东省211重点学科广东工业大 学轻工化工学院创新人才项目;广东省大学生创新实验项目(2010044) 子及其合成酶LuxS保守且存在于超过60种微生物 中,大量研究已经证明AI一2不仅在细菌与细菌之间, 甚至在细菌与真菌之间的通讯也起到非常重要作用 。在Stankowska的研究中已经报道了 .2与生物被 膜形成的关系,探讨了群体感应抑制分子在其生物被 膜的形成中具有重要的作用[5】。由于生物被膜的形成 在卫生医疗以及食品安全等领域具有严重威胁,因此 前人做了大量的研究来抑制生物被膜形成,如利用抗 菌肽、香精油类等抑制生物被膜的研究 。近年来, 越来越多的科学家将目光投注到群体感应抑制分子呋 喃酮上,证实呋喃酮可以作为合成 .2中前提物质 DPD(4,5.dihydroxy-2,3-pentanedione)的结构类似物, 抑制群体感应信号分子AI.2的合成,在控制相关食源 菌生物被膜形成方面,具有重要的作用【8】。 牛奶是日常食品消费中最容易发生的食品之 87 作者简介:周文渊(1 990年一),男,硕士研究生,研究方向为食源微生物耐药 机制 通讯作者:张宏梅(1 975年一),女,博士,副教授,研究方向为食源微生物耐 药机翱J 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014,Vo1.30,No.1 一,其现象随处可见。控制牛奶的难点之一 是控制菌体生物被膜形成。很多学者在探索牛奶中生 物被膜形成时,分离鉴定出金黄色葡萄球菌,肠炎沙 门氏菌以及大肠杆菌是牛奶生物被膜中主要细 菌,在实验室条件下对其进行逐一研究 J。然而牛奶 过程中各组分变化复杂,可能都会对菌体生物被 膜形成能力造成影响。因此探讨牛奶中多种食源 性细菌生物被膜特性对于生物被膜研究而言,是十分 必要的。呋喃酮类物质广泛存在于草莓、葡萄、橙橘、 芒果等多种天然水果中,是一种食品中常见的安全香 精成分之~。因此,本实验选用牛奶中常见的食 源性病原菌(金黄色葡萄球菌,肠炎沙门氏菌以及大肠 杆菌)为研究对象,通过模拟牛奶过程,测定牛奶 中不同细菌生物被膜形成特征以及种问信号分子 AI一2活力变化,然后探讨牛奶中加入呋喃酮对AI.2 活力和生物被膜形成能力的影响,为在食品加工过程 中预防牛奶、控制生物成膜形成奠定研究基础。 1材料和方法 1.1 材料 金黄色葡萄球菌ATCC25923,肠炎沙门氏菌 ATCCl4028和大肠杆菌ATCC8739为作者实验室TSB 培养基(胰蛋白胨大豆肉汤培养基)一80℃下冻存; 哈氏弧菌BB170购自美国典型菌种保藏中心 (ATCC),于AB培养基【10]中培育孵化;胰蛋白胨大 豆肉汤培养基(TSB培养基)、Hektoen Enteric琼脂 培养基、Baird-Parker琼脂基础培养基以及伊红美蓝琼 脂培养基购自中国青岛海博微生物科技有限公司;呋 喃酮(4.羟基一2,5.二甲基.3(2H)呋喃酮)(纯度 9%) 购自阿拉丁试剂(中国上海)有限公司;牛奶(中国 伊利)购自中国广州大学城世博超市。 1.2 方法 1.2.1生物成膜形成能力(B值)测定 参考文献【llJ并稍作改进,将过夜培养的三种细 菌金黄色葡萄球菌ATCC25923,肠炎沙门氏菌 ATCCl4028和大肠杆菌ATCC8739活化,37℃下培养 20 h后,配成OD600值为0.1(约为1.5x10 cfu/mL),然 后按l:100接种于事先装有100 牛奶培养基的标准 96孔板中。分别在30℃过夜培养48 h后,用酶标仪(美 国,Bio.rad)测定波长630 am处的光密度值A1,未接 菌空白培养基的为A c,测试后,倒掉培养基,用蒸馏 水洗涤3次去除浮游菌,微孔板在室温下干燥2 h,加 入10 g,L结晶紫100 L/孔,放置20 min后,蒸馏水水 88 洗 7次去除孔壁染液直至水洗液为无色,孔板在室 温下干燥30 min,加入95%乙醇100 uL/孔,微量震荡 器上震荡30 min后,用酶标仪测定A2、A2c。实验平行 三次。粘附率B值计算为 : 二 £ 4—4 1.2.2生物被膜中活菌教检测 取三种细菌菌悬液(约为1.5×10 cfu/mL)10 uL 接种于含牛奶1 mL的24孔板中,同时放入不锈钢片 (0.5 crux0.5 cm),然后在30℃下分别培养48 h, 取出不锈钢片,放入盛有5 mL灭菌的PBS的无 菌溶液中进行冲洗,轻轻翻转5次,弃去PBS, 重复冲洗3次后取出,用无菌纱布吸干多余的液 体,洗掉浮游菌。用消过毒的棉棒轻轻擦刮,然 后将其与擦刮棒一起放入盛有4 mL灭菌的PBS 的试管中,将试管放在试管架上,浸没在超声水 浴中震荡10 min(42~47 Hz、20℃)后,再漩涡 震荡2 min。每个试管溶液在PBS中做系列l0倍 稀释,选择适宜稀释度,分别取1 mL稀释液加入 无菌培养皿中,并分别倾注冷却至45℃的Hektoen Enteric琼脂培养基、Baird Parker琼脂基础培养基以 及伊红美蓝琼脂培养基20 mL,37℃培养48 h,观 察菌落生长情况,作细菌计数。 1.2.3 细菌AI.2活力研究 本方法参考文献L12_J并加以改进,将已经活化的 AI一2报告菌株V.BB170挑至3 mL AB培养液中,于 3O℃摇床转速200 r/min培养16 h至OD60o为0.9左 右。用新鲜的AB培养基以1:5000稀释V.BB170培养 物。同时,将三种测试菌株分别在牛奶以及溶解10 gmol/mL呋喃酮的牛奶条件下,经过37℃培养48 h 后,接着在13000 r/min下离心5min后取上清,该上 清液用0.22 gm滤膜进行过滤后,同时将培养好的报 告菌哈氏弧菌V.BB170无细胞上清液作为阳性对照。 将各种细菌的无细胞上清lO 与稀释过的V.BB170 培养物100 混合,加入96孔板中,于30℃下震荡 孵育,用多功能酶标仪Infinite200(瑞士,Tecan公司) 每隔1 h测一次发光值,直至5 h,选出较稳定的发光 值,实验样品平行三份,重复三次。 1.2.4呋喃酮对细菌生物被膜形成能力的影响 参考文献[131并加以改进,首先将呋喃酮用灭 菌后双蒸水稀释成60和600 gmol/L,然后再进一 步稀释成1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0 gmol/L后取 100 gL加入96孔板中。取相同体积的灭菌后双蒸水 作为阴性对照,接种各种细菌后培养48 h。按方法1.2.1 和1.2.3测定其AI-2活力以及生物被膜形成能力。 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014,Vo1.30,No.1 1.3数据统计 统计学分析全部数据采用SPSS 1 7.0统计软件处 理,通过Grubbs检验法取舍适当数据。 2结果与分析 2.1 生物成膜能力(B值)及其活菌数目测定 牛奶中接种多种常见食源性细菌(金黄色葡萄球 菌、沙门氏菌和大肠杆菌),随后在3O℃下培养后观 察其过程,最后利用微孔板法测定其生物成膜能 力以及生物膜中活菌数目见表1。 表1各种在牛奶中成膜能力及其活菌计数情况 Table 1 The biofifm formation ability and the colony count of isolates in the milk 菌株 B值 B值(呋喃酮)活菌 ̄k/(1gcfu/mL) 1 1 O O 4 2 O 8 6 如表l所示,三种细菌中金黄色葡萄球菌的成膜 能力最大,其粘附率(B值)分别是大肠杆菌和沙门 氏菌的10倍和l6倍,这说明三种细菌中金黄色葡萄 球菌在牛奶中最容易形成生物被膜。随后,在牛奶中 添加一定浓度的呋喃酮之后,发现三种细菌的生物被 膜形成能力均有所下降,其中金黄色葡萄球菌的生物 被膜形成能力下降最大,变成原来的25%。通过菌落 计数法计算生物膜中活菌数目结果表明,三种细菌中 金黄色葡萄球菌在生物被膜中的活菌数目最大,沙门 氏菌的活菌数目最小。通过几种食源性细菌在牛奶中 生物成膜能力以及活菌数目测定结果可以看出,在生 物膜中具有较大活菌数目的菌株,其粘附率也较大。 同时,呋喃酮作为AJ.2的抑制剂,可以有效抑制三种 细菌生物被膜形成。 2.2 细菌AI一2活力研究 通过报告菌株V.BB170的生物发光,我们测定菌 株的AI.2活力。将沙门氏菌ATCC14028的AJ.2活力 作为基数1,计算三种细菌分别在牛奶以及牛奶与呋 喃酮混合物中培养后AI.2活力引起V.BB170发光相 对值,结果如图l所示。 从图l中可以看到,沙门氏菌的AI一2活力相对值 最小,金黄色葡萄球菌和大肠杆菌AI.2活力分别是沙 门氏菌的1.26和1.24倍。通过研究三种细菌AI.2活 力,我们发现三者的AI.2活力大小顺序是金黄色葡萄 球菌>大肠杆菌>沙门氏菌,此顺序与生物被膜形成能 力大小顺序以及活菌数目大小顺序一致。而且加入呋 喃酮后,三种细菌的AI.2活力均有所下降。并且,下 降之后其生物被膜形成能力以及AI一2活力依旧呈现 一致变化。在本实验的三种细菌中,大肠杆菌的生物 被膜形成能力以及AI一2活力受呋喃酮抑制效果最明 显。因此,笔者认为三种细菌的生物被膜形成能力均 通过生物被膜中活菌分泌的AI一2活力控制。 霞 蜒 O O O 4 2 O 沙门氏菌 金黄色葡萄球菌 大肠杆菌 菌株 图1不同细菌Al_2活力相对值 Fig.1 The AI・2 activity relative value of isolates 2.3 呋喃酮抑制细菌生物形成能力 呋哺酮浓度/( ̄nol/L) 图2不同浓度呋喃酮下沙门氏菌ATCC1 4028浓度 Fig.2TheconcentrationofSalmonellain diferent concentratioas of furanone 基于呋喃酮是菌体AI一2合成中的的4,5一羟基一2,3一 戊二酮(DPD)的结构类似物,可能抑制AI.2的生物 合成。于是我们通过在牛奶中添加不同浓度的呋喃酮, 检测了AI.2在三种食源性细菌生物被膜形成过程中 的作用。如图2、3、4所示,图中A1-Alc表示微孔 板中总菌数的OD630值,A2.A2c表示微孔板中生物被 膜中细菌的的O1963o值。结果表明呋喃酮并不影响沙 门氏菌、金黄色葡萄球菌以及大肠杆菌总菌数的变化, 但是,随着加入呋喃酮浓度的增加,沙门氏菌、金黄 色葡萄球菌以及大肠杆菌生物被膜内细菌浓度会不断 89 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014,Vo1.30,No.1 递减,其中大肠杆菌受呋喃酮影响最大。当加入32  ̄mol/L的呋喃酮时,金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及 沙门氏菌生物被膜中细菌浓度分别为不加入呋喃酮时 的0,53、0.59以及0.25倍。我们加入不同浓度的呋喃 酮,观察到呋喃酮会通过抑制生物膜中细菌的浓度 (A2一A2c),抑制生物成膜能力,而且,此过程中, 总菌数基本不会改变。关于呋喃酮抑制生物被膜中细 菌而对总菌数(A1.Ale)生长无影响的结果与L.K Vestby等人的研究一致Ll圳。 0 《 t-3 呋喃酮浓度/(rtrno ̄L) 图3不同浓度呋喃酮下金黄色葡萄球菌ATCC25923浓度 Fig.3 The concentration of ̄phylococcus aureus in different concentrations of furanone 0 《 怎 恶 呋喃酮浓度/( ̄mol/L) 图4不同浓度呋喃酮下大肠杆菌ATCC8739浓度 Fig.4 The concentration ofE.coli in different concentrations of furanone 3结论 采用微孔板法模拟牛奶条件,测定金黄色葡 萄球菌、沙门氏菌和大肠杆菌在牛奶过程中的生 物被膜形成能力、生物被膜中活菌数目。发现在生物 膜中具有较大活菌数目的菌株,其粘附率也较大。随 后在加入AI一2抑制剂呋喃酮后,观察到三种细菌的B 值以及AJ一2活力均有所下降。并且,下降之后其生物 被膜形成能力以及AI一2活力依旧呈现一致变化。因此 证明细菌生物被膜形成能力通过生物被膜中活菌分泌 AI.2。最后通过加入梯度浓度呋喃酮,检测到呋 喃酮可以抑制生物被膜中细菌数目,但对于总菌数变 化并无影响。 参考文献 [1] Bmgnoni LI,Lozano JE,Cubitto MA.Efifcacy of sodium hypochlofite and quaternary ammonimu compounds on yeasts isolated rfom apple juice[J】.Journal of Food Process Engineering,2012,35:104-l19 [2]Buffet-Bataillon S,Branger B,Cormier M,et a1.Effect of higher minimum inhibitory concentrations of quatemary ammonimu compounds in clniical E.coli isolates on natibiotic susceptibiliites and clinical outcomes[J】.The Journal ofhospital nifection,201 1,79:141-146 [3] Bassler B L,wrihgt M,Showalter RE,et a1.Intercellular signallnig in Vibrio harveyi:sequence and function of genes regulating expression of lmuinescence.Mol Microbiol【J]. 1993.9:773—786 [4] Ahmed NA,Petersen FC,Scheie AA.AI一2 quorum sensnig affects natibiotic susceptibility ni Streptococcus naginosus[J]. 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