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.

Lipeäkäsitellyn vehnän vaikutus lypsylehmien syöntiin ja tuotokseen vapaalla seosrehuruokinnalla

Lipeä on vahva emäs, jonka on havaittu lisäävän hemiselluloosan ja ligniinin hydrolyysiä pötsissä. Näin ollen lipeäkäsittelyllä on mahdollista korvata viljan mekaaninen litistys ja jauhatus. Seosrehuruokinnalla, jonka osana on lipeäkäsitelty vilja, on mahdollista vähentää liiallisesta tärkkelyksestä aiheutuvia metabolisia ongelmia pötsissä. Tämän tutkielman tarkoituksena oli selvittää lipeäkäsitellyn vehnän vaikutusta lypsylehmien syöntiin ja tuotokseen ad libitum seosrehuruokinnoilla. Ruokinnoissa korvattiin kuivaa murskattua vehnää asteittain kokonaisella lipeäkäsitellyllä vehnällä. Kontrollina oli perinteisesti käytetty kuiva, murskattu ohra-kaura seos. Koe tehtiin Ruotsin maatalousyliopiston (SLU) maataloustieteiden laitoksella Uumajassa. Koe alkoi syyskuussa ja päättyi joulukuussa 2010. Kokeessa oli 17 useamman kerran poikinutta lehmää ja 6 ensikkoa (Ruotsin punainen -rotu). Lehmät olivat lämpimässä pihattonavetassa, jossa seosrehun syöntiä mitattiin vaakakuppien avulla. Koekäsittelyt olivat murskattu ohra-kaura seos (1:1), murskattu kuiva vehnä (1:0), murskatun kuivan vehnän ja kokonaisen lipeävehnän seos (1:1) ja kokonainen lipeävehnä (1:0). Ruokintojen kuiva-ainepitoisuudeksi asetettiin 370 g/kg ja raakavalkuaispitoisuudeksi 180 g/kg kuiva-ainetta. Näennäinen ravintoaineen sulavuus määritettiin happoon liukenemattoman tuhkan avulla. Typen hyväksikäyttöä arvioitiin laskennallisen typpitaseen avulla. Koe toteutettiin 4x4 latinalaisen neliön koemallin mukaisesti ja käsittelyjen väliset tilastolliset erot testattiin kontrastien avulla. Kuiva-aineen (PQ=0,02) ja orgaanisen aineen (PQ=0,02) syönnit lisääntyivät, samalla kun niiden sulavuudet paranivat korvattaessa puolet kuivasta vehnästä lipeävehnällä. Ruokintojen välillä ei ollut tilastollisesti merkitsevää eroa maitotuotoksessa eikä energiakorjatussa maitotuotoksessa. Maidon rasvatuotos lisääntyi vähän (PQ=0,04) ja rasvapitoisuus selvästi (PQ=0,004), kun kuivasta vehnästä korvattiin puolet lipeävehnällä. Kun kaikki kuiva vehnä korvattiin lipeävehnällä, maidon valkuaispitoisuus väheni (PL<0,001). Samoin kävi maidon ureapitoisuudelle (PL=0,002). Lipeäkäsittely ei tuottanut tässä kokeessa taloudellisesti kannattavaa tulosta, sillä maidon valkuaispitoisuus väheni ja syönti lisääntyi maitotuotoksen pysyessä samana. Vehnäruokinnoista paras tuotosvaste saatiin kuivan vehnän ja lipeävehnän seoksella.