Bacillus cereus spores and cereulide in food-borne illness

B. cereus is a gram-positive bacterium that possesses two different forms of life:the large, rod-shaped cells (ca. 0.002 mm by 0.004 mm) that are able to propagate and the small (0.001 mm), oval shaped spores. The spores can survive in almost any environment for up to centuries without nourishment or water. They are insensitive towards most agents that normally kill bacteria: heating up to several hours at 90 ºC, radiation, disinfectants and extreme alkaline (≥ pH 13) and acid (≤ pH 1) environment. The spores are highly hydrophobic and therefore make them tend to stick to all kinds of surfaces, steel, plastics and live cells. In favorable conditions the spores of B. cereus may germinate into vegetative cells capable of producing food poisoning toxins. The toxins can be heat-labile protein formed after ingestion of the contaminated food, inside the gastrointestinal tract (diarrhoeal toxins), or heat stable peptides formed in the food (emesis causing toxin, cereulide). Cereulide cannot be inactivated in foods by cooking or any other procedure applicable on food. Cereulide in consumed food causes serious illness in human, even fatalities. In this thesis, B. cereus strains originating from different kinds of foods and environments and 8 different countries were inspected for their capability of forming cereulide. Of the 1041 isolates from soil, animal feed, water, air, used bedding, grass, dung and equipment only 1.2 % were capable of producing cereulide, whereas of the 144 isolates originating from foods 24 % were cereulide producers. Cereulide was detected by two methods: by its toxicity towards mammalian cells (sperm assay) and by its peculiar chemical structure using liquid-chromatograph-mass spectrometry equipment. B. cereus is known as one of the most frequent bacteria occurring in food. Most foods contain more than one kind of B. cereus. When randomly selected 100 isolates of B. cereus from commercial infant foods (dry formulas) were tested, 11% of these produced cereulide. Considering a frequent content of 103 to 104 cfu (colony forming units) of B. cereus per gram of infant food formula (dry), it appears likely that most servings (200 ml, 30 g of the powder reconstituted with water) may contain cereulide producers. When a reconstituted infant formula was inoculated with >105 cfu of cereulide producing B. cereus per ml and left at room temperature, cereulide accumulated to food poisoning levels (> 0.1 mg of cereulide per serving) within 24 hours. Paradoxically, the amount of cereulide (per g of food) increased 10 to 50 fold when the food was diluted 4 - 15 fold with water. The amount of the produced cereulide strongly depended on the composition of the formula: most toxin was formed in formulas with cereals mixed with milk, and least toxin in formulas based on milk only. In spite of the aggressive cleaning practices executed by the modern dairy industry, certain genotypes of B. cereus appear to colonise the silos tanks. In this thesis four strategies to explain their survival of their spores in dairy silos were identified. First, high survival (log 15 min kill ≤ 1.5) in the hot alkaline (pH >13) wash liquid, used at the dairies for cleaning-in-place. Second, efficient adherence of the spores to stainless steel from cold water. Third, a cereulide producing group with spores characterized by slow germination in rich medium and well preserved viability when exposed to heating at 90 ºC. Fourth, spores capable of germinating at 8 ºC and possessing the psychrotolerance gene, cspA. There were indications that spores highly resistant to hot 1% sodium hydroxide may be effectively inactivated by hot 0.9% nitric acid. Eight out of the 14 dairy silo tank isolates possessing hot alkali resistant spores were capable of germinating and forming biofilm in whole milk, not previously reported for B. cereus. In this thesis it was shown that cereulide producing B. cereus was capable of inhibiting the growth of cereulide non-producing B. cereus occurring in the same food. This phenomenon, called antagonism, has long been known to exist between B. cereus and other microbial species, e.g. various species of Bacillus, gram-negative bacteria and plant pathogenic fungi. In this thesis intra-species antagonism of B. cereus was shown for the first time. This brother-killing did not depend on the cereulide molecule, also some of the cereulide non-producers were potent antagonists. Interestingly, the antagonistic clades were most frequently found in isolates from food implicated with human illness. The antagonistic property was therefore proposed in this thesis as a novel virulence factor that increases the human morbidity of the species B. cereus, in particular of the cereulide producers.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Diffusive and ship-mediated spread of dinoflagellates in the Baltic Sea with Prorocentrum minimum as a special case

In this thesis the role played by expansive and introduced species in the phytoplankton ecology of the Baltic Sea was investigated. The aims were threefold. First, the studies investigated the resting stages of dinoflagellates, which were transported into the Baltic Sea via shipping and were able to germinate under the ambient, nutrient-rich, brackish water conditions. The studies also estimated which factors favoured the occurrence and spread of P. minimum in the Baltic Sea and discussed the identification of this morphologically variable species. In addition, the classification of phytoplankton species recently observed in the Baltic Sea was discussed. Incubation of sediments from four Finnish ports and 10 ships ballast tanks revealed that the sediments act as sources of living dinoflagellates and other phytoplankton. Dinoflagellates germinated from all ports detected and from 90% of ballast tanks. The concentrations of cells germinating from ballast tank sediments were mostly low compared with the acceptable cell concentrations set by the International Maritime Organization s (IMO s) International Convention for the Control and Management of Ships Ballast Water and Sediments. However, the IMO allows such high concentrations of small cells in the discharged ballast water that the total number of cells in large ballast water tanks can be very high. Prorocentrum minimum occurred in the Baltic Sea annually but with no obvious trend in the 10-year timespan from 1993 to 2002. The species occurred under wide ranges of temperatures and salinities and the abundance of the species was positively related especially to the presence of organic nitrogen and phosphorus. This indicated that the species was favoured by increased organic nutrient loading and runoff from land and rivers. The cell shape of P. minimum varied from triangular to oval-round, but morphological fine details indicated that only one morphospecies was present. P. minimum also is, according to present knowledge, the only potentially harmful phytoplankton species that has recently expanded widely into new areas of the Baltic Sea.

Koulun kestävän kehityksen työn merkitys kiinteistön jätehuollossa Case: Helsingin peruskoulujen jätekustannukset ja -määrät

Koulujen kestävän kehityksen työllä tarkoitetaan ekologiseen, taloudelliseen, sosiaaliseen ja kulttuuriseen kestävyyteen pohjautuvaa ympäristökasvatusta. Helsingissä peruskoulujen kestävän kehityksen työvälineet (ympäristökartoitukset ja – ohjelmat) ovat perustuneet koulujen ympäristöasioiden suunnitteluun, opetussuunnitelmien toteutumiseen ja ylläpitotoimintoihin, kuten jätehuoltoon. Opetusvirasto käytti vuosina 2005 ja 2009 ympäristötoiminnan arvioinnissa ympäristötasokuvauksia 1-3, joista arvosana 3 kuvaa ympäristöasioissa edistyneintä koulua. Tutkielman tavoitteena on tutkia ympäristötoiminnan tasojen perusteella ryhmiteltyjen peruskoulujen välisiä eroja jätekustannuksissa ja – määrissä (euroa/henkilö ja kg/henkilö) ja löytää mahdollisesti eroihin vaikuttavia tekijöitä. Tutkielman toimeksiantajana on 4V-Välitä, vaikuta, viihdy, voi hyvin – hanke, jonka yhtenä toiminnan osa-alueena on koulujen kestävän kehityksen työ. Tuloksista tullaan johtamaan tietoa Opetusviraston sekä muiden tahojen, kuten HSY:n ja Palmian ympäristötyöhön sekä Kiinteistöviraston Tilakeskuksen hallinnassa olevien koulukiinteistöjen jätehuollon kehittämiseen. Tutkimusaineistoina käytettiin Helsingin peruskoulujen vuoden 2009 jätekustannuksia ja tutkielman yhteydessä kerätyn jäteseurannan tuloksia vuodelta 2010. Jätekustannus- ja jätemääräaineistot yhdistettiin vuoden 2009 ympäristötoiminnan tasoluokitusten perusteella otokseksi (n=64). Lopullinen jätekustannus- ja jätemääräanalyysi tehtiin 29 koulun otoksella, josta oli rajattu pois kiinteistöt, joilla on koulun toiminnan lisäksi muita käyttötarkoituksia. Analyysiin sisällytettiin myös tarkempi tarkastelu koulujen seka- ja biojätejakeiden kustannuksista ja määristä. Tutkimuksen johtopäätöksenä todettiin, että eri ympäristötasoisten peruskoulujen välillä on huomattavia euro- ja kilomääräisiä eroja henkilöä kohden lasketuissa jätekustannuksissa ja –määrissä. Kokonaisjätemäärässä ei ole tapahtunut merkittävää muutosta tarkasteluvuosien välillä, mutta lajittelu näyttäisi kuitenkin tehostuneen. Tulosten perusteella ympäristöasioissa edistyneiden tason 3 koulujen keskimääräiset sekajätemäärät ja -kustannukset olivat pienimmät tasojen 1 ja 2 kouluihin verrattuna. Biojätemäärät ja –kustannukset olivat suurimmat tason 2 kouluissa. Jätekustannuksiin ja – määriin näyttäisivät vaikuttavan jäteastioiden määrien, kokojen ja tyhjennysrytmien optimointi sekä jäteastioiden täyttöasteet. Peruskoulujen tulisi keskittyä kestävän kehityksen työn avulla jätteiden synnyn ehkäisyyn ja vähentämiseen, jotta jätekustannuksetkin vähentyisivät jätehuollon kehittämistoimenpiteiden seurauksena.

Systems between information and knowledge : In a memory management model of an extended enterprise

The research question of this thesis was how knowledge can be managed with information systems. Information systems can support but not replace knowledge management. Systems can mainly store epistemic organisational knowledge included in content, and process data and information. Certain value can be achieved by adding communication technology to systems. All communication, however, can not be managed. A new layer between communication and manageable information was named as knowformation. Knowledge management literature was surveyed, together with information species from philosophy, physics, communication theory, and information system science. Positivism, post-positivism, and critical theory were studied, but knowformation in extended organisational memory seemed to be socially constructed. A memory management model of an extended enterprise (M3.exe) and knowformation concept were findings from iterative case studies, covering data, information and knowledge management systems. The cases varied from groups towards extended organisation. Systems were investigated, and administrators, users (knowledge workers) and managers interviewed. The model building required alternative sets of data, information and knowledge, instead of using the traditional pyramid. Also the explicit-tacit dichotomy was reconsidered. As human knowledge is the final aim of all data and information in the systems, the distinction between management of information vs. management of people was harmonised. Information systems were classified as the core of organisational memory. The content of the systems is in practice between communication and presentation. Firstly, the epistemic criterion of knowledge is not required neither in the knowledge management literature, nor from the content of the systems. Secondly, systems deal mostly with containers, and the knowledge management literature with applied knowledge. Also the construction of reality based on the system content and communication supports the knowformation concept. Knowformation belongs to memory management model of an extended enterprise (M3.exe) that is divided into horizontal and vertical key dimensions. Vertically, processes deal with content that can be managed, whereas communication can be supported, mainly by infrastructure. Horizontally, the right hand side of the model contains systems, and the left hand side content, which should be independent from each other. A strategy based on the model was defined.

Teknillistaloudellinen tutkimus vesisäiliöistä

Engineering economics study on water tanks and towers.