Βιοϋμένια (Biofilms): Η καθημερινότητα και η επικινδυνότητα

από τον επίκ. καθηγητή Μικροβιολογίας Τροφίμων Π.Ν. Σκανδάμη*, ειδικά για το foodbites

Με τον όρο βιοϋμένιο (biofilm) εννοούμε μια μικροβιακή κοινότητα κυττάρων προσκολλημένων μεμονωμένα ή ως συσσωματώματα σε αβιοτική/αδρανή επιφάνεια (π.χ. μεταλλικής, πλαστικής ή υάλινης) ή διεπιφάνεια, π.χ. μεταξύ αέρα και τροφίμου (υγρού ή στερεού), τροφίμου και επιφάνειας ή αέρα-τροφίμου-μεταλλικής επιφάνειας, εντός στρώματος εξωκυτταρικών πολυσακχαριτών.
Ο σχηματισμός των βιοϋμενίων είναι μία φυσική διαδικασία που ενυπάρχει σε πολλές πτυχές της καθημερινότητάς μας. Αν και επί σειρά ετών οι Μικροβιολόγοι ερευνητές ανά τον κόσμο θερωρούσαν ότι τα μικρόβια υπάρχουν υπό μορφή υδατικής καλλιέργειας, σε ελεύθερη διασπορά μεμονωμένων κυττάρων, έχει διαπιστωθεί ότι το 99.9% των μικροβιακών κυττάρων υπάρχει εκ του φυσικού τους και πολλαπλασιάζονται σε κοινότητες βιοϋμενίων. Πράγματι, βιοϋμένια σχηματίζονται σε διάφορες επιφάνειες εδώδιμες ή μη και απαντώνται πολύ συχνά στη ζωή μας, επί παραδείγματι ως γλοιώδης επιφάνεια σε ένα πολυκαιρισμένο ζαμπόν, στους αρμούς μεταλλικών σωλήνων ύδρευσης, στο εσωτερικό των ίδιων μεταλλικών αγωγών, σε πετρώματα που διαβρέχονται με υγρό φέρον υπολείμματα οργανικής ύλης, στην επιφάνεια των δοντιών μας υπό μορφή πέτρας, στους καθετήρες αλλά ακόμη και στα αιμοφόρα αγγεία μας. Να μην ξεχνάμε επίσης ότι μπορεί λοιπόν να σχηματιστούν σε επιφάνειες που βρίσκονται σε επαφή με τρόφιμα ακόμη και στην κουζίνα μας ΄ξη και σε σκεύη που δεν καθαρίζονται σωστά.
Οι βασικές προϋποθέσεις για την εμφάνιση των βιοϋμενίων είναι η δυνατότητα προσκόλλησης και η παρουσία υπολειμματικής οργανικής ύλης, ικανής να διατηρήσει εν ζωή και να επιτρέψει τον πολλαπλασιασμό των προσκολλημένων κυττάρων.
Στη βιομηχανία Τροφίμων τα βιοϋμένια αποτελούν μία σταθερή πηγή διασποράς της μικροβιακής επιμόλυνσης από τις επιφάνειες επεργεργασίας τροφίμων προς το περιβάλλον και τα παραγόμενα τρόφιμα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο σχηματισμός βιοϋμενίων σε αγωγούς μεταφοράς γάλακτος ή στους εναλλάκτες θερμότητας (biofouling) με αποτέλεσμα την μείωση της θερμικής αγωγιμότητας και την ανεπαρκή παστερίωση υγρών προϊόντων. Η διασπορά των βιοϋμενίων οφείλεται στον κύκλο ζωής και το μηχανισμό σχηματισμού τους, που περιλαμβάνει τις εξής τέσσερις διακριτές φάσεις:
(α) προσκόλληση,
(β) πολλαπλασιασμό των προσκολλημένων κυττάρων,
(γ) σχηματισμό τρισδιάστατης δομής και παραγωγή εξωπολυσακχαρίτη (εν πολλοίς γνωστός ως «γλυκοάκλυκας») και
(δ) αποκόλληση επιφανειακών κυττάρων.

Σχηματισμός βιοϋμενίου, Πηγή: http://www.hypertextbookshop.com/biofilmbook/v004/r003/index.html

Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι το βιοϋμένιο είναι ουσιαστικά μία σύνθετη πολυκυτταρική οντότητα μικροβίων διαφορετικής συστηματικής κατάταξης (αλλοιογόνων ή/και παθογόνων), αναμεμιγμένη με εξωπολυσακχαρίτες και υπολείμματα οργανικής ύλης.
Το κύριο χαρακτηριστικό των βιοϋμενίων που σχετίζεται με την ασφάλεια και την αλλοίωση των τροφίμων είναι η αυξημένη αντοχή αυτών σε διεργασίες απολύμανσης σε σχέση με την αντοχή ελεύθερων ή/και «πλωτών» (planktonic) μικροβιακών κυττάρων που δεν ανήκουν σε κοινότητα των βιοϋμενίων. Το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό οποίο πηγάζει από τον μηχανισμό σχηματισμού, τη φυσιολογία των περιεχόντων κυττάρων και την (τρισδιάστατη) δομή των βιοϋμενίων. Η φυσιολογία των βιοϋμενίων είναι ένα δυναμικό χαρακτηριστικό, εξαρτόμενο από τη χωροχρονική (spatio-temporal) αλληλεπίδραση των κυττάρων που τα απαρτίζουν, καθώς και με την αλληλεπίδραση αυτών με το περιβάλλον εντός του οποίου σχηματίζεται το βιοϋμένιο.
Επίσης, τα μικροβιακά κύτταρα εντός του βιοϋμενίου βιώνουν πολλαπλές καταστάσεις καταπόνησης στέρησης, λόγω έλλειψης θρεπτικών συστατικών, ανοξίας, μικροβιακού ανταγωνισμού και συσσώρευσης τοξικών μεταβολιτών. Αυτές οι καταστάσεις σηματοδοτούν πολλαπλές γενετικές, μεταγραφικές και πρωτεομικές αλλαγές και ενίοτε οδηγούν σε κυτταρικό τραυματισμό και θάνατο ή στο ακριβώς αντίθετο, δηλαδή στην «σκληραγώγηση» (hardening) των κυττάρων και την αύξηση της ανθεκτικότητάς τους σε μετέπειτα συνθήκες καταπόνησης. Ομοίως, η σκληραγώγηση των βιοϋμενίων αποτελεί και μία επιτυχής μέθοδο εγκατάστασης και επανεμφάνισης (persistence) αυτών στο χώρο επεξεργασίας τροφίμων.
Μία πολύ σημαντική ιδιότητα των βιοϋμενικών κυττάρων είναι η «κυτταρική δι-επικοινωνία» (Quorum Sensing) μέσω διάχυσης ειδικών μικρομοριακών ενώσεων (Signalling Compounds) από τα κύτταρα δότες προς τα κύττερα δέκτες. Αυτές οι ενώσεις πληροφορούν τα κύτταρα του ιδίου ή διαφορετικού είδους για την αύξηση της πληθυσμιακής πυκνότητας (π.χ. σύμπτωμα του πολυκαιρισμού των βιοϋμενίων) και ενδέχεται να σηματοδοτήσουν μηχανισμούς προσαρμογής σε συνθήκες καταπόνησης ή εκδήλωσης παθογένειας.
Η προσκόλληση κυττάρων σε επιφάνειες είναι μία μη εύκολα αναστρέψιμη διαδικασία, με αποτέλεσμα να μην είναι εφικτή πάντα η πλήρης απομάκρυνση αυτών. Η ισχύς της προσκόλλησης στις επιφάνειες εξαρτάται από τις υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις μεταξύ κυτταρικού τοιχώματος και επιφάνειας προσκόλλησης και τα καθεαυτά χαρακτηριστικά της επιφάνειας. Για παράδειγμα, τραχείες επιφάνειες με εσοχές και έντονο ανάγλυφο φιλοξενούν ευκολότερα τα κύτταρα και ευνοούν το σχηματισμό βιοϋμενίων σε σχέση με λείες επιφάνειες. Επίσης, η ανθεκτικότητα των βιοϋμενίων στις διεργασίες απολύμανσης αυξάνει με την παλαιότητα, δηλαδή την «ηλικία» ή την «ωριμότητα» του βιοϋμενίου. Ο κίνδυνος συσσώρευσης και παλαίωσης των βιοϋμενίων αυξάνει στις τραχείες επιφάνειες καθώς και στα «κρυφά» σημεία του εξοπλισμού, στα οποία δεν υπάρχει εύκολη πρόσβαση των καθαριστικών και απολυμαντικών μέσων. Τέλος, ένα ισχυρό βιοϋμένιο δεν απομακρύνεται εύκολα και οι κλασσικές τεχνικές μικροβιολογικής ανάλυσης ενδέχεται να μην επαρκούν να το ανακτήσουν, με αποτέλεσμα την πιθανή υποεκτίμηση της επικινδυνότητας λόγω παρουσίας παθογόνων σε επιφάνειες επεξεργασίας.
Ως εκ τούτου, η αποτελεσματικότερη μέθοδος αντιμτώπισης των βιοϋμενίων στο χώρο της βιομηχανίας τροφίμων είναι η πρόληψη και ο συχνός και σχολαστικός καθαρισμός και απολύμανση των επιφανειών που έρχονται σε επαφή με τα τρόφιμα.
Η χρήση κατάλληλων υλικών, μεθόδων και η σωστή συχνότητα που θα βασίζεται σε πραγματικά στοιχεία αναλύσεων είναι οι άμυνες που μπορεί να προβάλλει η βιομηχανία τροφίμων στην πρόληψη στην προστασία της επιμόλυνσης των παραγόμενων τροφίμων.

*Π.Ν. Σκανδάμης – Επ. Καθηγητής, Εργ. Ποιοτικού Ελέγχου & Υγιεινής Τρορίμων & Ποτών, Τμήμα Επιστήμης & Τεχνολογίας Τροφίμων, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών