DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1745936
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41623626
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Sanjay S. Joshi وآخرون
الموضوع الرئيسي: إنتاج الإنزيمات وتوصيفها
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة التنوع الظاهري لتسعة عزلات من Leuconostoc المستمدة من بيئات معالجة بنجر السكر، مع التركيز على تشكيل الأغشية الحيوية، وإنتاج البوليمرات الخارجية (EPS)، وخصائص النمو. باستخدام مجموعة من اختبارات الالتصاق الدفعي، واختبارات مفاعل الأغشية الحيوية بتدفق مستمر، والتصوير المجهري الإلكتروني المسحي (SEM)، واختبارات اللزوجة، تكشف الأبحاث عن اختلافات كبيرة خاصة بالسلالات. ومن الجدير بالذكر أن العزلات L. suionicum BSDF25-7 وBSDF48-3 أظهرت أعلى تكاثر بكتيري، بينما تراكمت BSDF2-3 وBSDF25-7 أكبر كمية من الكتلة الحيوية للأغشية الحيوية. أظهرت صور CryoSEM هياكل أغشية حيوية متنوعة، مما يشير إلى استراتيجيات تجميع مصفوفة خارج الخلية متميزة بين السلالات.
تشير النتائج إلى أن مقاومة الأغشية الحيوية وتراكم المصفوفة لا تتوافق بالضرورة مع عدد وحدات تشكيل المستعمرات (CFU) أو إنتاج EPS، مما يبرز التنوع الوظيفي في بنية الأغشية الحيوية. على سبيل المثال، السلالة BSDF2-3، على الرغم من انخفاض إنتاج EPS، شكلت أغشية حيوية كثيفة ومقاومة للقص، مما يعني تركيبات مصفوفة بديلة. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى فهم أعمق لتنوع EPS وتنظيمه، مما قد يُعلم ممارسات النظافة واستراتيجيات إدارة التلوث البيولوجي في السياقات الصناعية. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون السلالات ذات الإنتاج العالي من الدكستران لها تطبيقات واعدة في تكنولوجيا الغذاء، مما يبرز أهمية تقييم كل من الخصائص الهيكلية والتركيبية للأغشية الحيوية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية بنجر السكر (Beta vulgaris ssp. vulgaris) في إنتاج السكر العالمي، مع تسليط الضوء بشكل خاص على المساهمة الكبيرة للولايات المتحدة مع توقع إنتاج قدره 5.389 مليون طن قصير من القيمة الخام (STRV) لحملة 2024/2025. تتناول التحديات التي تطرحها التلوث الميكروبي خلال معالجة ما بعد الحصاد، والتي تنشأ من الجذور المصابة، والتربة، وبيئات المصانع. يؤدي هذا التلوث إلى فقدان السكروز وصعوبات تشغيلية، ويرجع ذلك أساسًا إلى إنتاج البوليمرات الخارجية (EPS) بواسطة مجموعة متنوعة من الكائنات الحية الدقيقة، بما في ذلك Leuconostoc spp. وبكتيريا وفطريات أخرى. تساهم هذه EPS في زيادة اللزوجة، وانسداد الفلاتر، وتعطيل تبلور السكر، مما يستلزم تدخلات مكلفة في المعالجة.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في التنوع الظاهري بين تسعة سلالات من Leuconostoc المعزولة من بيئات معالجة بنجر السكر، مع التركيز على معدلات نموها، وإنتاج EPS، وتراكم الكتلة الحيوية للأغشية الحيوية. من خلال استخدام مفاعل أغشية حيوية مع قص سائل منخفض وغرف نمو متعددة، تسعى الأبحاث إلى تقديم مقارنة شاملة بين هذه السلالات، ومعالجة الفجوات في الدراسات السابقة التي عادة ما فحصت تشكيل الأغشية الحيوية تحت ظروف قص سائل عالية مع سلالات فردية. من المتوقع أن تعزز النتائج فهم آليات تشكيل الأغشية الحيوية وتُعلم تدابير التحكم الفعالة في مرافق معالجة بنجر السكر.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف التحليلات أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، تم قياسه بزيادة متوسطة قدرها $M = 3.5$ وحدة في المتغير التابع. تدعم هذه النتائج أيضًا قيم p الأقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن النموذج المقترح يتنبأ بشكل فعال بسلوك النظام قيد التحقيق.
المناقشة
تدرس الدراسة التباين الظاهري لسلالات Leuconostoc المعزولة من بيئات معالجة بنجر السكر، مع التركيز على نموها، وإنتاج المواد البوليمرية الخارجية (EPS)، وقدرات تشكيل الأغشية الحيوية. تم زراعة السلالات تحت ظروف دفعية وتدفق مستمر، مما يكشف عن اختلافات كبيرة في الالتصاق، وكثافة وحدات تشكيل المستعمرات (CFU)، وكتلة الأغشية الحيوية. ومن الجدير بالذكر أن السلالات L. suionicum BSDF25-7 وBSDF48-3 أظهرت نموًا قويًا في الماء، بينما شكلت BSDF2-3 مصفوفات أغشية حيوية كثيفة على الرغم من انخفاض عدد CFU، مما يشير إلى أن تراكم الكتلة الحيوية قد لا يعتمد فقط على تكاثر الخلايا. وهذا يشير إلى آليات تنظيمية متميزة تحكم إنتاج مصفوفة الأغشية الحيوية والانقسام الخلوي.
في اختبارات التدفق التي تحاكي الظروف الصناعية، حافظت السلالات BSDF5-1 وBSDF2-3 على مستويات عالية من الكتلة الحيوية وCFU، مما يظهر مقاومة الأغشية الحيوية تحت ضغط القص. أبرز تحليل التصوير المجهري الإلكتروني (SEM) هياكل أغشية حيوية متنوعة، حيث شكلت بعض السلالات هياكل مرتفعة وغنية بـ EPS قد تعقد جهود النظافة في بيئات المعالجة. تؤكد الدراسة على أهمية تقييم سلوك الأغشية الحيوية تحت ظروف تعكس الإعدادات الصناعية لفهم أفضل لاستمرار وتحديات التشغيل التي تطرحها هذه الملوثات الميكروبية في معالجة بنجر السكر. بشكل عام، تكشف النتائج عن تباين كبير خاص بالسلالات في تشكيل الأغشية الحيوية وإنتاج EPS، مما قد يُعلم استراتيجيات التخفيف من آثار Leuconostoc في التطبيقات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1745936
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41623626
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Sanjay S. Joshi et al.
Primary Topic: Enzyme Production and Characterization
Overview
This study investigates the phenotypic diversity of nine Leuconostoc isolates derived from sugar beet processing environments, focusing on their biofilm formation, exopolysaccharide (EPS) production, and growth characteristics. Using a combination of batch adherence assays, continuous flow biofilm bioreactor assays, cryo scanning electron microscopy (SEM), and viscosity testing, the research reveals significant strain-specific differences. Notably, isolates L. suionicum BSDF25-7 and BSDF48-3 exhibited the highest bacterial proliferation, while BSDF2-3 and BSDF25-7 accumulated the most biofilm biomass. CryoSEM imaging illustrated varied biofilm structures, suggesting distinct extracellular matrix assembly strategies among strains.
The findings indicate that biofilm resilience and matrix accumulation do not necessarily correlate with colony-forming unit (CFU) counts or EPS yield, highlighting the functional diversity in biofilm architecture. For instance, strain BSDF2-3, despite low EPS production, formed dense and shear-resistant biofilms, implying alternative matrix compositions. The study emphasizes the need for a deeper understanding of EPS diversity and regulation, which could inform sanitation practices and strategies to manage biofouling in industrial contexts. Additionally, strains with high dextran production may have promising applications in food technology, underscoring the importance of evaluating both structural and compositional attributes of biofilms.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of sugar beet (Beta vulgaris ssp. vulgaris) in global sugar production, particularly highlighting the United States’ substantial contribution with an expected yield of 5.389 million short tons raw value (STRV) for the 2024/2025 campaign. It addresses the challenges posed by microbial contamination during post-harvest processing, which originates from infected roots, soil, and factory environments. This contamination leads to sucrose losses and operational difficulties, primarily due to the production of extracellular polysaccharides (EPS) by various microorganisms, including Leuconostoc spp. and other bacteria and fungi. These EPS contribute to increased viscosity, clogging of filters, and hindered sugar crystallization, necessitating costly interventions in processing.
The study aims to investigate the phenotypic diversity among nine Leuconostoc strains isolated from sugar beet processing environments, focusing on their growth rates, EPS production, and biofilm biomass accumulation. By employing a biofilm bioreactor with low fluid shear and multiple growth chambers, the research seeks to provide a comprehensive comparison of these strains, addressing gaps in previous studies that typically examined biofilm formation under high fluid shear conditions with single strains. The findings are expected to enhance understanding of biofilm formation mechanisms and inform effective control measures in sugar beet processing facilities.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong association.
Additionally, the analysis reveals that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in outcomes, quantified by a mean increase of $M = 3.5$ units in the dependent variable. These findings are further supported by p-values less than 0.05, indicating that the results are statistically significant. Overall, the results substantiate the hypothesis that the proposed model effectively predicts the behavior of the system under investigation.
Discussion
The study investigates the phenotypic variability of Leuconostoc strains isolated from sugar beet processing environments, focusing on their growth, extracellular polymeric substance (EPS) production, and biofilm-forming capabilities. The strains were cultivated under both batch and continuous flow conditions, revealing significant differences in adhesion, colony-forming unit (CFU) density, and biofilm biomass. Notably, strains L. suionicum BSDF25-7 and BSDF48-3 demonstrated strong planktonic growth, while BSDF2-3 formed dense biofilm matrices despite lower CFU counts, indicating that biomass accumulation may not solely depend on cell proliferation. This suggests distinct regulatory mechanisms governing biofilm matrix production and cellular division.
In flow-through assays simulating industrial conditions, strains BSDF5-1 and BSDF2-3 maintained high biomass and CFU levels, showcasing biofilm resilience under shear stress. The scanning electron microscopy (SEM) analysis highlighted diverse biofilm architectures, with some strains forming elevated, EPS-rich structures that could complicate sanitation efforts in processing environments. The study underscores the importance of evaluating biofilm behavior under conditions reflective of industrial settings to better understand the persistence and operational challenges posed by these microbial contaminants in sugar beet processing. Overall, the findings reveal substantial strain-specific heterogeneity in biofilm formation and EPS production, which could inform strategies to mitigate the impacts of Leuconostoc in industrial applications.