Isolation and identification of polysaccharide (gum)-producing bacteria from a sugarcane factory and strategies to prevent their growth
Date
2020-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Contrary to expectations, Leuconostoc mesenteroides was not the major gum-producing bacterium isolated from sugarcane. Instead, high cell numbers of W. confusa and W. cibaria were recorded. The dominance of Weissella spp. on the prepared cane is significant because these bacteria are not usually associated with deteriorated sugarcane and have not previously been isolated from a sugarcane processing factory. This study also report, for the first time, on the isolation of B. amyloliquefaciens from a sugarcane processing factory.
The second aim of the study was to evaluate the efficacy of biocides to prevent/limit microbial growth in the factory. Two dithiocarbamate biocides, Busan®1021 and Preventol®Z, each at a 20 ppm dose, were tested against seven gum-producing bacteria. Preventol®Z demonstrated a bactericidal (killing) effect against Le. mesenteroides A16-9, Le. lactis B9-3,
B. subtilis B7-19 and B. amyloliquefaciens B7-51 after 6 h of contact, but had only a bacteriostatic (growth inhibiting) effect on W. cibaria A1-17, W. confusa B1-24 and Lb. fermentum B19-18 when tested under the same conditions. Busan®1021 had a bactericidal effect on all seven species. Bacillus subtilis B7-19 and B. amyloliquefaciens B7-51 were susceptible to both biocides, but only for the first 2 h of exposure, after which the killing effect remained constant. Based on results obtained in this study, the concentrations of Preventol®Z and Busan®1021 may need to be increased, or dosage intervals altered, to kill all gum-producing bacteria. Although sugarcane processing factories have little to no control over the quality of cane entering the factory, poor sanitation in the factory and incorrect process control can also contribute to sucrose loss due to microbial activities and subsequent gum formation. Factories should therefore be mindful of correctly controlling high-temperature processes and reduce the recirculation of sump contents which are not treated with biocides. This study provided valuable knowledge on the identities of gum-producing bacteria in sugarcane processing factories, and their susceptibility to two commercial biocides.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die biodeteriorasie (of mikrobiese afbraak) van suikerriet kos die Suid-Afrikaanse suikerbedryf na raming meer as R 1 miljard per jaar in teoreties vermybare verliese. Die aktiwiteite van polisakkaried (slym)-produserende bakterieë is veral verantwoordelik vir aansienlike ekonomiese verliese. Die Suid-Afrikaanse suikerbedryf beleef tans 'n hele paar uitdagings wat die volhoubaarheid daarvan bedreig. Die fokus moet dus wees op die verbetering van suikergehalte (om voorkeurmarkte te verseker) en produksie doeltreffendheid te verbeter sodat die maksimum waarde uit die suikerriet oes verhaal kan word. Beperkte data is beskikbaar aangaande die identiteite van slym-produserende bakterieë in suikerrietverwerkingsfabrieke. Die eerste doel van hierdie studie was om die diversiteit van slym-produserende bakterieë in suikerrietverwerkingstrome (van geoeste suikerriet en in verskeie fabriekstrome) te bepaal en te vergelyk tydens "goeie" (m.a.w geen slym-verwante probleme deur die fabriek ondervind nie) en "slegte" toestande (hoë dekstraanvlakke in rou suiker soos gerapporteer deur die fabriek). ‘n Totaal van 430 slym-produserende bakterieë is geïsoleer; 110 stamme in die lente, tydens die voorkoms van lae dekstraan konsentrasies in onverwerkte suiker en 320 stamme in die somer, tydens die voorkoms van hoë-dekstraan in die onverwerkte suiker. ‘n Overwagte bevinding was dat dieselfde spesies geïsoleer is tydens beide monsternemingsgeleenthede. Die isolate, geïdentifiseer deur filogenetiese analise van 16S rRNS basisopeenvolgingsbepaling, vorm deel van die genus Weissella (47%), gevolg deur lede van Bacillus (24%), Leuconostoc (19%) en Lactobacillus (10%). Die inkomende suikerriet was die hoofbron van slym-produserende bakterieë tydens die produksie van hoë- dekstraan onverwerkte suiker. Taksonomiese metodes met 'n hoë diskriminerende krag is gebruik om die geïsoleerde bakterieë tot op spesie vlak te identifiseer. Weissella confusa en Weissella cibaria is geïdentifiseer op grond van filogenetiese analise van huishoudingsgene pheS (wat kodeer vir die fenielalaniel o-RNS sintase alfa-subeenheid), dnaA (wat kodeer vir die chromosomale replikasie inisiasie proteïen) en atpA (wat kodeer vir die alfa-subeenheid van adenosientrifosfaatsintase). Bacillus amyloliquefaciens en Bacillus subtilis is onderskei op grond van die rpoB geen (wat kodeer vir die beta-subeenheid van DNS-gerigte RNS- polimerase) en amplifiserende ribosomale DNS beperkingsanalises. Multilokus volgorde ontleding van die huishoudingsgene rpoA (wat kodeer vir RNS-polimerase alfa-subeenheid), dnaA, pheS en tuf (wat kodeer vir die verlengingsfaktor Tu) is gebruik om lede van die genera Leuconostoc en Lactobacillus te identifiseer. Teenstrydig met verwagtinge was Leuconostoc mesenteroides nie die hoof slym- produserende bakterie wat van suikerriet geïsoleer is nie. In plaas daarvan is hoë selgetalle van W. confusa en W. cibaria aangeteken. Die oorheersing van Weissella spp. op die suikerriet is belangrik omdat hierdie bakterieë nie gewoonlik met vrot suikerriet geassosieer word nie en is ook nog nie voorheen uit 'n suikerrietverwerkingsfabriek geïsoleer nie. Hierdie studie doen ook vir die eerste keer verslag oor die isolering van B. amyloliquefaciens uit 'n suikerrietverwerkingsfabriek. Die tweede doel van die studie was om die doeltreffendheid van kommersiële antibakteriële middels wat mikrobiese groei verhoed of beperk te evalueer. Twee ditiokarbamaat middels, Busan®1021 en Preventol®Z, elkeen teen 'n 20 dpm dosis, is getoets teen sewe slym- produserende bakterieë. Preventol®Z het ‘n dodende effek teen Le. mesenteroides A16-9, Le. lactis B9-3, B. subtilis B7-19 en B. amyloliquefaciens B7-51 na 6 ure van kontak getoon, maar het net 'n bakteriostatiese (groei inhiberende) effek op W. cibaria A1-17, W. confusa B1-24 en Lb. fermentum B19-18 gehad wanneer onder dieselfde toestande getoets is. Busan®1021 het 'n dodende uitwerking op al sewe spesies gehad. Bacillus subtilis B7-19 en B. amyloliquefaciens B7-51 was vatbaar vir beide middels, maar net vir die eerste 2 ure van blootstelling, waarna die dodende effek konstant gebly het. Gebaseer op die resultate van hierdie studie moet die konsentrasies van Preventol®Z en Busan®1021 verhoog, of doseringsintervalle verander word, om alle slym-produserende bakterieë dood te maak. Hoewel suikerrietverwerkingsfabrieke min of geen beheer het oor die kwaliteit van die suikerriet wat hul ontvang nie, kan swak sanitasie in die fabriek en verkeerde prosesbeheer ook bydra tot sukrose verliese as gevolg van mikrobiese aktiwiteite en die geassosieerde slym produksie. Fabrieke moet dus bewus wees van die korrekte beheer, veral van hoë- temperatuur prosesse en die hersirkulasie van onbehandelde stortingstrome verminder. Hierdie studie verskaf waardevolle inligting oor die identiteite van slym-produserende bakterieë in suikerrietverwerkingsfabrieke, en hul vatbaarheid vir twee kommersiële antibakteriële middels.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die biodeteriorasie (of mikrobiese afbraak) van suikerriet kos die Suid-Afrikaanse suikerbedryf na raming meer as R 1 miljard per jaar in teoreties vermybare verliese. Die aktiwiteite van polisakkaried (slym)-produserende bakterieë is veral verantwoordelik vir aansienlike ekonomiese verliese. Die Suid-Afrikaanse suikerbedryf beleef tans 'n hele paar uitdagings wat die volhoubaarheid daarvan bedreig. Die fokus moet dus wees op die verbetering van suikergehalte (om voorkeurmarkte te verseker) en produksie doeltreffendheid te verbeter sodat die maksimum waarde uit die suikerriet oes verhaal kan word. Beperkte data is beskikbaar aangaande die identiteite van slym-produserende bakterieë in suikerrietverwerkingsfabrieke. Die eerste doel van hierdie studie was om die diversiteit van slym-produserende bakterieë in suikerrietverwerkingstrome (van geoeste suikerriet en in verskeie fabriekstrome) te bepaal en te vergelyk tydens "goeie" (m.a.w geen slym-verwante probleme deur die fabriek ondervind nie) en "slegte" toestande (hoë dekstraanvlakke in rou suiker soos gerapporteer deur die fabriek). ‘n Totaal van 430 slym-produserende bakterieë is geïsoleer; 110 stamme in die lente, tydens die voorkoms van lae dekstraan konsentrasies in onverwerkte suiker en 320 stamme in die somer, tydens die voorkoms van hoë-dekstraan in die onverwerkte suiker. ‘n Overwagte bevinding was dat dieselfde spesies geïsoleer is tydens beide monsternemingsgeleenthede. Die isolate, geïdentifiseer deur filogenetiese analise van 16S rRNS basisopeenvolgingsbepaling, vorm deel van die genus Weissella (47%), gevolg deur lede van Bacillus (24%), Leuconostoc (19%) en Lactobacillus (10%). Die inkomende suikerriet was die hoofbron van slym-produserende bakterieë tydens die produksie van hoë- dekstraan onverwerkte suiker. Taksonomiese metodes met 'n hoë diskriminerende krag is gebruik om die geïsoleerde bakterieë tot op spesie vlak te identifiseer. Weissella confusa en Weissella cibaria is geïdentifiseer op grond van filogenetiese analise van huishoudingsgene pheS (wat kodeer vir die fenielalaniel o-RNS sintase alfa-subeenheid), dnaA (wat kodeer vir die chromosomale replikasie inisiasie proteïen) en atpA (wat kodeer vir die alfa-subeenheid van adenosientrifosfaatsintase). Bacillus amyloliquefaciens en Bacillus subtilis is onderskei op grond van die rpoB geen (wat kodeer vir die beta-subeenheid van DNS-gerigte RNS- polimerase) en amplifiserende ribosomale DNS beperkingsanalises. Multilokus volgorde ontleding van die huishoudingsgene rpoA (wat kodeer vir RNS-polimerase alfa-subeenheid), dnaA, pheS en tuf (wat kodeer vir die verlengingsfaktor Tu) is gebruik om lede van die genera Leuconostoc en Lactobacillus te identifiseer. Teenstrydig met verwagtinge was Leuconostoc mesenteroides nie die hoof slym- produserende bakterie wat van suikerriet geïsoleer is nie. In plaas daarvan is hoë selgetalle van W. confusa en W. cibaria aangeteken. Die oorheersing van Weissella spp. op die suikerriet is belangrik omdat hierdie bakterieë nie gewoonlik met vrot suikerriet geassosieer word nie en is ook nog nie voorheen uit 'n suikerrietverwerkingsfabriek geïsoleer nie. Hierdie studie doen ook vir die eerste keer verslag oor die isolering van B. amyloliquefaciens uit 'n suikerrietverwerkingsfabriek. Die tweede doel van die studie was om die doeltreffendheid van kommersiële antibakteriële middels wat mikrobiese groei verhoed of beperk te evalueer. Twee ditiokarbamaat middels, Busan®1021 en Preventol®Z, elkeen teen 'n 20 dpm dosis, is getoets teen sewe slym- produserende bakterieë. Preventol®Z het ‘n dodende effek teen Le. mesenteroides A16-9, Le. lactis B9-3, B. subtilis B7-19 en B. amyloliquefaciens B7-51 na 6 ure van kontak getoon, maar het net 'n bakteriostatiese (groei inhiberende) effek op W. cibaria A1-17, W. confusa B1-24 en Lb. fermentum B19-18 gehad wanneer onder dieselfde toestande getoets is. Busan®1021 het 'n dodende uitwerking op al sewe spesies gehad. Bacillus subtilis B7-19 en B. amyloliquefaciens B7-51 was vatbaar vir beide middels, maar net vir die eerste 2 ure van blootstelling, waarna die dodende effek konstant gebly het. Gebaseer op die resultate van hierdie studie moet die konsentrasies van Preventol®Z en Busan®1021 verhoog, of doseringsintervalle verander word, om alle slym-produserende bakterieë dood te maak. Hoewel suikerrietverwerkingsfabrieke min of geen beheer het oor die kwaliteit van die suikerriet wat hul ontvang nie, kan swak sanitasie in die fabriek en verkeerde prosesbeheer ook bydra tot sukrose verliese as gevolg van mikrobiese aktiwiteite en die geassosieerde slym produksie. Fabrieke moet dus bewus wees van die korrekte beheer, veral van hoë- temperatuur prosesse en die hersirkulasie van onbehandelde stortingstrome verminder. Hierdie studie verskaf waardevolle inligting oor die identiteite van slym-produserende bakterieë in suikerrietverwerkingsfabrieke, en hul vatbaarheid vir twee kommersiële antibakteriële middels.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Bacterial diseases of plants, Sugarcane industry -- Sanitation, Sugarcane -- Diseases and pests -- Control, Bacterial polysaccharide -- Control, UCTD