Modeling the process of microbial biofilm formation on stainless steel with a different surface roughness

Abstract

This paper reports a study into the process of bacteria adhesion to surfaces of different roughness depending on sizes and shapes. It was determined that at the surface of stainless steel with a roughness of 2.687±0.014 µm, the film formation process in E. coli and S. aureus occurred equally over 3 to 24 hours and did not depend on the size of bacteria. This makes it possible to argue that rod-shaped and coccal bacteria freely attach themselves in the grooves of roughness, followed by the initial process related to the first stage of a biofilm formation. During sanitization, the hollows of roughness could host both the coccal and rod-shaped bacteria. At the surface of steel with a roughness of 0.95±0.092 μm the process of film formation in S. aureus occurred more intensely than in E. coli. Within 3 h of incubation, density of the formed biofilms S. aureus was 1.2 times larger compared to the biofilms E. coli. Over the following 15 hours of incubation, the biofilms S. aureus were on average 1.3 times denser. This suggests that S. aureus, due to a spherical form, can stay put in the hollows of roughness of 0.95±0.092 µm and quicker attach to the surface. At the same time, E. coli, owing to a rod-shaped shape, would attach at such a surface roughness to the hollows lengthwise only. It has been proven that at a surface roughness of 0.63±0.087 µm the intensity of the S. aureus film formation was on average 1.4 times faster than in E. coli. However, at a roughness of 0.16±0.018 μm the process of film formation occurred equally in E. coli and S. aureus, but the biofilms demonstrated lower density compared to those that formed at a roughness of 0.63±0.087 µm.stitis. У даній роботі наведено дослідження процесу прилипання бактерій до поверхонь різної шорсткості в залежності від розмірів і форм. Встановлено, що на поверхні нержавіючої сталі з шорсткістю 2.687 ± 0.014 мкм процес формування плівки в E. coli і S. aureus відбувався рівно протягом 3 - 24 годин і не залежав від розміру бактерій. Це дає можливість стверджувати, що паличкоподібні та кокові бактерії вільно прикріплюються до борозенки шорсткості, після чого починається початковий процес, пов'язаний з першою стадією утворення біоплівки. Під час санітарної обробки в дуплах шорсткості можуть міститися як кокальні, так і стрижневі бактерії. На поверхні сталі з шорсткістю 0,95 ± 0,099 мкм процес формування плівки в S. aureus відбувався більш інтенсивно, ніж у E. coli. Протягом 3 год інкубації щільність утворених біоплівки S. aureus була в 1,2 рази більшою порівняно з біоплівками Е. coli. Протягом наступних 15 годин інкубації біоплівки S. aureus були в середньому в 1,3 рази щільнішими. Це говорить про те, що S. aureus, завдяки сферичній формі, може залишатися в порожнинах шорсткості 0,95 ± 0,092 мкм і швидше прикріплюватися до поверхні. У той же час, E. coli, завдяки стрижневій формі, приєднувалася б до такої шорсткості поверхні тільки до вибоїв подовжньо. Доведено, що при шорсткості поверхні 0,63 ± 0,087 мкм інтенсивність формування плівки S. aureus в середньому в 1,4 рази швидше, ніж у E. coli. Однак при шорсткості 0,16 ± 0,018 мкм процес формування плівки відбувався однаково в E. coli і S. aureus, але біоплівки демонстрували меншу щільність порівняно з тією, що утворювалася при шорсткості 0,63 ± 0,087 мкм.