Search

Special Issue Water and Human Settlements of the Future.-- 16 pages, 4 figures, 4 tables, supplementary materials https://www.mdpi.com/article/ 10.3390/w13192731/s1, Cork matrices biofunctionalized with Moringa oleifera seed extracts (MoSe) have potential for use as a biofilter with antibacterial properties to reduce waterborne pathogens. The aim of this study was to evaluate the effect of cork biofunctionalized with active antimicrobial compounds of MoSe (f-cork) on the inhibition of Escherichia coli (InhEc). The LacZ gene from a strain of E. coli was used as the target sequence using viability quantification Polymerase Chain Reaction (qPCR) and differentiation of viable and dead bacteria through selective cell viability PMA staining. To perform this, a 27−4 fractional factorial design and a biofiltration system were used to evaluate the effect of the active protein in MoSe immobilized in granulated cork on InhEc. We found that the potential for antimicrobial activity increased with f-cork for an effective maximal bacterial reduction (99.99%; p < 0.05). The effect of f-cork functionalized with MoSe on E. coli viability was of 0.024% and 0.005% for the cells exposed to PMA, respectively, being the relevant conditions in treatment 2: (0 L/min) without aeration, (5%) MoSe and (5 mm) cork particle. In conclusion, the f-cork functionalized with MoSe presented biosorbent and antibacterial properties that effectively reduced the E. coli growth, This research was funded by Mexico-CONACYT, grant number 3006060 and grant by the UNESCO Chair on Sustainability of the Polytechnic University of Catalonia (Spain), With the institutional support of the ‘Severo OchoaCentre of Excellence’ accreditation (CEX2019-000928-S).

Bacterial biofilms are an issue in several sectors such as health, agri-food and industry. Biofilms are composed of a community of microorganisms attached to a surface, and maintained and protected by an extracellular matrix of different bio-polymers. Conventional biofilm eradication methods involve the use of chemical or thermal treatments. More recently, new physical techniques with lower environmental impacts such as cold plasma jets and light emitting diodes (LED) emitting in the UV, have been studied for the decontamination/sterilization of surfaces. Due to the structural complexity of biofilms and the diversity of physical parameters of the device, developing such innovative and sustainable technologies for anti-biofilm applications require major methodological improvements in order to correctly quantify or qualify their biological effects. In this study, two bacterial strains exposing different parietal and extracellular matrix characteristics were chosen: Leuconostoc citreum NRRL B-1299 (Gram +, controllable production of an exopolysaccharide matrix) and Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 (Gram-, protein and e-DNA rich complex matrix). The treatment devices involved the use of a prototype cold plasma jet able to generate reactive nitrogen species (RNS) and oxygen (ROS), and a home-made LED device emitting in the UVC at 280 nm. Firstly, a methodology was defined to obtain reproducible and standardized surface biofilms (on membranes) in terms of cell density and extracellular matrix. The biocidal effect of UV-C LED applications and plasma jet treatments were measured by conventional bacterial counts, and comparing values between membrane-deposited cells and 24-hour grown biofilms. The results of the plasma jet treatment suggested that the extracellular matrix had a protective role and this in relation to its biochemical composition (amount and composition of the bio-polymers). In the case of UV- C LED treatment, and in relation to the absorbance properties of the matrix components, the protective effect of the matrix was demonstrated only for P. aeruginosa. Another feature of this work has been the exploitation of methods to more accurately assess the effects of the physical treatments on the cellular compartment of biofilms. The qPCR viability method (or PMA / EMA-qPCR) did not lead to satisfactory quantifications of P. aeruginosa or L. citreum cells. In contrast, a method based on metabolic reduction of resazurin by cells could be proposed. This study highlights the importance of considering cell density and characterizing extracellular matrix compounds when evaluating bacterial biofilm eradication methods, and moreover underlines the need to further develop analytical tools adapted to this problematic.; Les biofilms bactériens posent de nombreux problèmes dans les domaines de la santé, de l'agro-alimentaire et de différents secteurs industriels. Un biofilm est une communauté de microorganismes fixés à une surface, maintenus et protégés par une matrice extracellulaire constituée de différents polymères. L'éradication de ces biofilms passe traditionnellement par l'utilisation de traitements chimiques ou thermiques. Récemment, des techniques physiques à faible impact environnemental tels que les jets de plasma froid et les diodes électroluminescentes (LED) émettant dans les UV ont été étudiées pour la décontamination/stérilisation de surfaces. Du fait de la complexité structurale des biofilms et de la diversité des paramètres physiques de ces dispositifs, l'essor de ces technologies innovantes et durables pour des applications anti-biofilms demandent de nombreuses améliorations méthodologiques permettant la quantification ou la qualification de leurs effets biologiques. Lors de cette étude, deux souches bactériennes ayant des caractéristiques pariétale et matricielle différentes ont été choisies : Leuconostoc citreum NRRL B-1299 (Gram+, production contrôlable d'une matrice exopolysaccharidique) et Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 (Gram-, matrice complexe riche en protéines et ADN). Les systèmes physiques utilisés correspondent à un prototype de jet de plasma froid qui génère des espèces réactives de l'azote (RNS) et de l'oxygène (ROS) et à un dispositif LED émettant dans les UV-C à 280 nm. Dans un premier temps, une méthodologie a été définie afin d'obtenir des biofilms aériens (sur des membranes) de façon reproductible et standardisée en termes de densité cellulaire et de matrice extracellulaire. L'effet biocide des traitements LED UV-C et jet de plasma appliqués, évalué par dénombrement bactérien classique, a été comparé entre des cellules déposées sur membrane et des biofilms de 24 heures. Les résultats du traitement au jet de plasma ont permis d'émettre l'hypothèse d'un rôle protecteur de la matrice extracellulaire, en lien avec sa composition (quantité et nature des polymères). Dans le cas du traitement LED UV-C, et en lien avec les propriétés d'absorbance des composants matriciels, l'effet protecteur de la matrice a été démontré pour P. aeruginosa. Un autre aspect de ces travaux a concerné l'exploitation de méthodes permettant d'évaluer de façon plus précise les effets des traitements physiques sur la composante cellulaire des biofilms. La méthode qPCR de viabilité (ou PMA/EMA-qPCR) n'a pas permis d'aboutir à une quantification satisfaisante des cellules de P. aeruginosa ou de L. citreum. En revanche, une méthode basée sur la réduction métabolique de la résazurine par les cellules a pu être proposée. Ces études contribuent à renseigner sur l'importance du paramètre de densité cellulaire et de caractérisation de la matrice extracellulaire dans l'évaluation de méthodes physiques d'éradication des biofilms bactériens et soulignent la nécessité de continuer à développer des outils d'analyses adaptés à cette problématique.

Bacterial biofilms are an issue in several sectors such as health, agri-food and industry. Biofilms are composed of a community of microorganisms attached to a surface, and maintained and protected by an extracellular matrix of different bio-polymers. Conventional biofilm eradication methods involve the use of chemical or thermal treatments. More recently, new physical techniques with lower environmental impacts such as cold plasma jets and light emitting diodes (LED) emitting in the UV, have been studied for the decontamination/sterilization of surfaces. Due to the structural complexity of biofilms and the diversity of physical parameters of the device, developing such innovative and sustainable technologies for anti-biofilm applications require major methodological improvements in order to correctly quantify or qualify their biological effects. In this study, two bacterial strains exposing different parietal and extracellular matrix characteristics were chosen: Leuconostoc citreum NRRL B-1299 (Gram +, controllable production of an exopolysaccharide matrix) and Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 (Gram-, protein and e-DNA rich complex matrix). The treatment devices involved the use of a prototype cold plasma jet able to generate reactive nitrogen species (RNS) and oxygen (ROS), and a home-made LED device emitting in the UVC at 280 nm. Firstly, a methodology was defined to obtain reproducible and standardized surface biofilms (on membranes) in terms of cell density and extracellular matrix. The biocidal effect of UV-C LED applications and plasma jet treatments were measured by conventional bacterial counts, and comparing values between membrane-deposited cells and 24-hour grown biofilms. The results of the plasma jet treatment suggested that the extracellular matrix had a protective role and this in relation to its biochemical composition (amount and composition of the bio-polymers). In the case of UV- C LED treatment, and in relation to the absorbance properties of the matrix components, the protective effect of the matrix was demonstrated only for P. aeruginosa. Another feature of this work has been the exploitation of methods to more accurately assess the effects of the physical treatments on the cellular compartment of biofilms. The qPCR viability method (or PMA / EMA-qPCR) did not lead to satisfactory quantifications of P. aeruginosa or L. citreum cells. In contrast, a method based on metabolic reduction of resazurin by cells could be proposed. This study highlights the importance of considering cell density and characterizing extracellular matrix compounds when evaluating bacterial biofilm eradication methods, and moreover underlines the need to further develop analytical tools adapted to this problematic.; Les biofilms bactériens posent de nombreux problèmes dans les domaines de la santé, de l'agro-alimentaire et de différents secteurs industriels. Un biofilm est une communauté de microorganismes fixés à une surface, maintenus et protégés par une matrice extracellulaire constituée de différents polymères. L'éradication de ces biofilms passe traditionnellement par l'utilisation de traitements chimiques ou thermiques. Récemment, des techniques physiques à faible impact environnemental tels que les jets de plasma froid et les diodes électroluminescentes (LED) émettant dans les UV ont été étudiées pour la décontamination/stérilisation de surfaces. Du fait de la complexité structurale des biofilms et de la diversité des paramètres physiques de ces dispositifs, l'essor de ces technologies innovantes et durables pour des applications anti-biofilms demandent de nombreuses améliorations méthodologiques permettant la quantification ou la qualification de leurs effets biologiques. Lors de cette étude, deux souches bactériennes ayant des caractéristiques pariétale et matricielle différentes ont été choisies : Leuconostoc citreum NRRL B-1299 (Gram+, production contrôlable d'une matrice exopolysaccharidique) et Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 (Gram-, matrice complexe riche en protéines et ADN). Les systèmes physiques utilisés correspondent à un prototype de jet de plasma froid qui génère des espèces réactives de l'azote (RNS) et de l'oxygène (ROS) et à un dispositif LED émettant dans les UV-C à 280 nm. Dans un premier temps, une méthodologie a été définie afin d'obtenir des biofilms aériens (sur des membranes) de façon reproductible et standardisée en termes de densité cellulaire et de matrice extracellulaire. L'effet biocide des traitements LED UV-C et jet de plasma appliqués, évalué par dénombrement bactérien classique, a été comparé entre des cellules déposées sur membrane et des biofilms de 24 heures. Les résultats du traitement au jet de plasma ont permis d'émettre l'hypothèse d'un rôle protecteur de la matrice extracellulaire, en lien avec sa composition (quantité et nature des polymères). Dans le cas du traitement LED UV-C, et en lien avec les propriétés d'absorbance des composants matriciels, l'effet protecteur de la matrice a été démontré pour P. aeruginosa. Un autre aspect de ces travaux a concerné l'exploitation de méthodes permettant d'évaluer de façon plus précise les effets des traitements physiques sur la composante cellulaire des biofilms. La méthode qPCR de viabilité (ou PMA/EMA-qPCR) n'a pas permis d'aboutir à une quantification satisfaisante des cellules de P. aeruginosa ou de L. citreum. En revanche, une méthode basée sur la réduction métabolique de la résazurine par les cellules a pu être proposée. Ces études contribuent à renseigner sur l'importance du paramètre de densité cellulaire et de caractérisation de la matrice extracellulaire dans l'évaluation de méthodes physiques d'éradication des biofilms bactériens et soulignent la nécessité de continuer à développer des outils d'analyses adaptés à cette problématique.

P. aeruginosa is one of the bacteria classified as multiresistant. This bacillus is an opportunistic pathogen that may be present in water networks. Contaminations are often located at the point of use and are at the origin of health and economic issues for health facilities and industries. Although different treatment processes are commonly applied, certain contaminations persist in the form of biofilm, alter the quality of EDCH and represent a reservoir of dissemination. The lack of effective treatments and the negative impact of biocides on the environment favor the development of new alternatives. Bacteriophages are exclusively bacterial viruses. These natural predators are ubiquitous in the environment, which allows us to have a great diversity, and have the advantage of self replicationin the presence of their host. In this context, this work explores the potential of these viruses as biocontrol agents to eliminate P. aeruginosa biofilms in addition to existing solutions. Nine strains of P. aeruginosa, including PAO1 reference strain and environmental strains were used to study the activity of nine phages belonging to the family Caudovirales. A screening was carried out allowing by the spottest method to select the most effective phages and sensitives trains. A screening was carried out allowing by the spot test method to select the most effective phages and sensitive strains. Bacteria were then cultivated in a mineral minimum medium and the efficiency of the phages was studied on an exponential culture phase. Monitoring of optical density has enabled to highlight three different activity profiles. On the basis of these results, two phages and two strains were kept for testing on 24-hour biofilms implanted on the surface of stainless steel coupons, representative of industrial or thermal surfaces. The efficacy of phage treatment for 14 h was evaluated by viable qPCR. A maximum reduction of 1.7 log equivalent UFC.cm2 / coupon was obtained according to the couple studied. The results also highlight a phage distribution in favor of planktonic cells, effectively controlling the release of biofilm into the environment. This study demonstrates a phage action that is dependent on the P. aeruginosa strain as well as the physiological state of the cells (planktonic or sessile). The complexity of the biofilms’ structure makes it difficult to eliminate them, even when young. In order to improve the infection of these structures it could be considered to associate the activity of several phages in a cocktail or to combine them with other molecules of interest., P. aeruginosa fait partie des bactéries classées comme multirésistantes. Ce bacille est un agent pathogène opportuniste susceptible d’être présent dans les réseaux d’eau. Les contaminations sont souvent localisées au niveau des points d’usage et sont à l’origine de risques sanitaires et économiques pour les établissements de santé et les industries. Bien que différents procédés de traitements soient couramment appliqués certaines contaminations persistent sous la forme de biofilm et altèrent la qualité de l’EDCH, tout en devenant un potentiel réservoir de dissémination. L’absence de traitements efficaces et l’impact négatif des biocides sur l’environnement sont en faveur du développement de nouvelles alternatives. Les bactériophages sont exclusivement des virus de bactéries. Ces prédateurs naturels sont omniprésents dans l'environnement, ce qui nous permet de disposer d'une grande diversité et ont l’avantage des’auto-répliquer en présence de leur hôte. Dans ce contexte, cette étude évalue le potentiel de ces virus en tant qu'agents de biocontrôle pour éliminer les biofilms de P. aeruginosa. Neuf souches de P. aeruginosa, incluant la souche référence PAO1 et des souches environnementales, ont été utilisées pour étudier l'activité de neuf phages appartenant à la famille des Caudovirales. Un screening a été réalisé permettant par la méthode des spots test de sélectionner les phages les plus efficaces et les souches sensibles. Les bactéries ont ensuite été cultivées dans un milieu mineral minimum et l'efficacité des phages a été étudiée sur une culture exponentielle. Le suivi de la densité optique a permis de mettre évidence trois profils d’activités différents. Sur la base de ces résultats, deux phages et deux souches ont été conservés pour réaliser des tests sur des biofilms de 24 h implantés à la surface de coupons en INOX, représentatif des surfaces industrielles ou thermales. L’efficacité du traitement par les phages durant 14 h a été évaluée par qPCR viable. Une réduction maximale de 1,7 équivalent Log UFC.cm2 /coupon a été obtenu selon le couple étudié. Les résultats mettent également en avant une répartition des phages en faveur des cellules planctoniques, contrôlant ainsi efficacement la dissémination du biofilm dans l’environnement. Cette étude met en évidence une action des phages qui est dépendante de la souche de P. aeruginosa ainsi que de l'état physiologiques des cellules (planctoniques ou sessiles) ce qui rend difficile l’élimination d’un biofilm, même jeune. Dans le but d’améliorer l’infection de ces structures il pourrait être envisagé d'associer l'activité de plusieurs phages dans un cocktail ou de les combiner à d'autres molécules d’intérêts.

P. aeruginosa is one of the bacteria classified as multiresistant. This bacillus is an opportunistic pathogen that may be present in water networks. Contaminations are often located at the point of use and are at the origin of health and economic issues for health facilities and industries. Although different treatment processes are commonly applied, certain contaminations persist in the form of biofilm, alter the quality of EDCH and represent a reservoir of dissemination. The lack of effective treatments and the negative impact of biocides on the environment favor the development of new alternatives. Bacteriophages are exclusively bacterial viruses. These natural predators are ubiquitous in the environment, which allows us to have a great diversity, and have the advantage of self replicationin the presence of their host. In this context, this work explores the potential of these viruses as biocontrol agents to eliminate P. aeruginosa biofilms in addition to existing solutions. Nine strains of P. aeruginosa, including PAO1 reference strain and environmental strains were used to study the activity of nine phages belonging to the family Caudovirales. A screening was carried out allowing by the spottest method to select the most effective phages and sensitives trains. A screening was carried out allowing by the spot test method to select the most effective phages and sensitive strains. Bacteria were then cultivated in a mineral minimum medium and the efficiency of the phages was studied on an exponential culture phase. Monitoring of optical density has enabled to highlight three different activity profiles. On the basis of these results, two phages and two strains were kept for testing on 24-hour biofilms implanted on the surface of stainless steel coupons, representative of industrial or thermal surfaces. The efficacy of phage treatment for 14 h was evaluated by viable qPCR. A maximum reduction of 1.7 log equivalent UFC.cm2 / coupon was obtained according to the couple studied. The results also highlight a phage distribution in favor of planktonic cells, effectively controlling the release of biofilm into the environment. This study demonstrates a phage action that is dependent on the P. aeruginosa strain as well as the physiological state of the cells (planktonic or sessile). The complexity of the biofilms’ structure makes it difficult to eliminate them, even when young. In order to improve the infection of these structures it could be considered to associate the activity of several phages in a cocktail or to combine them with other molecules of interest.; P. aeruginosa fait partie des bactéries classées comme multirésistantes. Ce bacille est un agent pathogène opportuniste susceptible d’être présent dans les réseaux d’eau. Les contaminations sont souvent localisées au niveau des points d’usage et sont à l’origine de risques sanitaires et économiques pour les établissements de santé et les industries. Bien que différents procédés de traitements soient couramment appliqués certaines contaminations persistent sous la forme de biofilm et altèrent la qualité de l’EDCH, tout en devenant un potentiel réservoir de dissémination. L’absence de traitements efficaces et l’impact négatif des biocides sur l’environnement sont en faveur du développement de nouvelles alternatives. Les bactériophages sont exclusivement des virus de bactéries. Ces prédateurs naturels sont omniprésents dans l'environnement, ce qui nous permet de disposer d'une grande diversité et ont l’avantage des’auto-répliquer en présence de leur hôte. Dans ce contexte, cette étude évalue le potentiel de ces virus en tant qu'agents de biocontrôle pour éliminer les biofilms de P. aeruginosa. Neuf souches de P. aeruginosa, incluant la souche référence PAO1 et des souches environnementales, ont été utilisées pour étudier l'activité de neuf phages appartenant à la famille des Caudovirales. Un screening a été réalisé permettant par la méthode des spots test de sélectionner les phages les plus efficaces et les souches sensibles. Les bactéries ont ensuite été cultivées dans un milieu mineral minimum et l'efficacité des phages a été étudiée sur une culture exponentielle. Le suivi de la densité optique a permis de mettre évidence trois profils d’activités différents. Sur la base de ces résultats, deux phages et deux souches ont été conservés pour réaliser des tests sur des biofilms de 24 h implantés à la surface de coupons en INOX, représentatif des surfaces industrielles ou thermales. L’efficacité du traitement par les phages durant 14 h a été évaluée par qPCR viable. Une réduction maximale de 1,7 équivalent Log UFC.cm2 /coupon a été obtenu selon le couple étudié. Les résultats mettent également en avant une répartition des phages en faveur des cellules planctoniques, contrôlant ainsi efficacement la dissémination du biofilm dans l’environnement. Cette étude met en évidence une action des phages qui est dépendante de la souche de P. aeruginosa ainsi que de l'état physiologiques des cellules (planctoniques ou sessiles) ce qui rend difficile l’élimination d’un biofilm, même jeune. Dans le but d’améliorer l’infection de ces structures il pourrait être envisagé d'associer l'activité de plusieurs phages dans un cocktail ou de les combiner à d'autres molécules d’intérêts.