Application of plant-based antimicrobials for the growth inhibition of clostridia in silage production

Seit Beginn der 1990er Jahre werden in der österreichischen Zuckerindustrie pflanzliche Wirkstoffe auf Basis von Hopfen-beta-Säuren und Harzsäuren zur Unterdrückung von Mikroorganismen im Extraktionsbereich eingesetzt. Ausgehend von verschiedenen Beobachtungen in diesem Bereich stellte sich nun die Frage, ob die Wirkstoffe zur Wachstumshemmung von Clostridien in Silagen geeignet sein könnten. Dazu wurden in vitro Studien mit im Silagebereich vorkommenden Mikroorganismen durchgeführt und die minimale Hemmkonzentration der Wirkstoffe mittels dreier mikrobiologischer Standardtestverfahren ermittelt. Die Substanzen zeigten sehr gute Hemmwirkung gegen grampositive Bakterien, insbesondere gegen Verderbskeime wie Clostridien. Gramnegative Bakterien, Hefen und Schimmelpilze wurden im Gegensatz dazu erst bei sehr hohen Konzentrationen oder gar nicht gehemmt. Anschließend wurden Silierversuche mit Rübenpressschnitzeln und mit Gras im Labormaßstab durchgeführt. Die Kontamination mit Clostridien erfolgte dabei über das Einmischen von Erde. Anschließend wurde das Material in Einweckgläser gefüllt und 90 Tage bei 25C im Klimaschrank gelagert. Eine Dokumentation des Silierverlaufs erfolgte in regelmäßigen Zeitabständen durch Untersuchung der Silagen auf pH-Wert, Trockensubstanzgehalt, Gärsäurespektrum und mikrobiologische Zusammensetzung. Neben den Wirkstoffen wurde der Effekt kommerzieller Silierhilfsmittel wie Silagestarterkulturen und Ameisensäure auf die Clostridienentwicklung untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine kombinierte Anwendung von Hopfen-beta-Säuren und Milchsäurebakterien die durch Clostridien hervorgerufenen Verderbsprozesse wesentlich besser zu unterdrücken vermag als Milchsäurebakterien alleine. Dieser Effekt war jedoch in Silagen aus Rübenpressschnitzeln stärker ausgeprägt als in Grassilagen. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass Hopfen-beta-Säuren den konservierenden Effekt von Milchsäurebakterien zur Unterdrückung des Clostridienwachstums in Silagen weiter verbessern können und zeigen Potential für kombinierte Siliermittel auf.Since the beginning of the 1990s, plant-based antimicrobials such as hop beta acids and rosin acids have been applied for combating microorganisms in the extraction area of sugar production in Austria. Various observations, which occurred during the use in sugar production, were the starting point to evaluate the potential of the substances to inhibit clostridial growth in silage production. Thus, in vitro studies were carried out in order to determine the minimum inhibitory concentration of the plant-based antimicrobials by means of three microbial standard test methods on a range of microorganisms typically found in silage. The substances inhibited Gram-positive bacteria already at very low concentrations, in particular spoilage microorganisms such as clostridia. On the contrary, Gram-negative bacteria, yeasts and moulds were inhibited only at very high concentrations or were unaffected. Subsequently, ensiling experiments with pressed beet pulp and grass were carried out in laboratory scale. Admixing of soil was used to artificially contaminate the plant material with clostridia. Laboratory silos were filled with the substrate and stored at 25C for 90 days. The impact on clostridial growth during silage fermentation was monitored in specified time intervals by determination of pH and dry matter content, as well as chemical analysis of the fermentation products and microbial composition. Throughout the experiments, the effect of the substances was compared with commercial silage additives such as formic acid and silage inoculants. Results indicated that the combined use of hop beta acids and lactic acid bacteria limited clostridial growth better in contrast to lactic acid bacteria alone. However, this effect was more pronounced in silages made from pressed beet pulp than in those made from grass. Based on these results it can be concluded that the application of hop beta acids improves the overall preservation effect of lactic acid bacteria in suppressing clostridial growth in silages and thus demonstrates some potential for the combined use with lactic acid bacteria.Florian EmerstorferAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersText teilw. in dt. u. teilw. in engl. SpracheZsfassung in dt. u. engl. SpracheWien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2011OeBB(VLID)193026

Monitoring the Antibacterial Effect of Rosin Acids in an Austrian Beet Sugar Plant by Amplicon-Based Sequencing and Flow Cytometry

For decades, microorganisms in beet sugar production have been studied using culture-based methods. However, these methods are not sufficient to describe such a complex bacterial community. In this study, therefore, an amplicon-based sequencing technique (Illumina MiSeq platform) was applied to characterize the bacterial community and its dynamics in the extraction area and juice purification station of an Austrian beet sugar plant. Depending on the process conditions thermophilic bacteria, such as Geobacillus spp., Caenibacillus spp., and Thermus spp., and mesophilic bacteria, such as Leuconostoc spp. and Bacillus spp., were found. Besides these microbiological characteristics, the antimicrobial effect of a rosin acid-based product (Defostab 220) on the bacterial communities was investigated in industrial and laboratory trials. The antimicrobial effect of a given concentration of rosin acid varies from bacteriostatic to bactericidal effects on different occurring groups of bacteria