Analysis of Microbial Community Changes during Biofilm Formation using Seawater from Abalone Aquaculture and Processing Stages

Abstract

Biofilms exhibiting resistance to external environmental stress are recognized as fundamental contributors to microbial infections. Although a diverse array of microorganisms participates in the formation of biofilms in natural environments, predominant research has concentrated on those generated by single microorganisms. Given that abalones are exposed to submerged conditions throughout the aquaculture to distribution stages, the likelihood of biofilms formed by various microorganisms at each stage is high. Therefore, an investigation into biofilms during the abalone distribution process is imperative. In this study, employing 16S rRNA-based next-generation sequencing analysis, alterations in the microbial community of biofilms and planktonic cells formed over 3, 6, 12, 24, 48 hours, 5, 7, 14 days were analyzed using water samples collected from the abalone aquaculture and processing stages. In the biofilm formation process during the abalone aquaculture stage, Rodobacteraceae (2.12– 20.33%), known for attaching to surfaces and forming colonies, dominated. Vibrionaceae (1.91–39.95%) and Pseudomonadaceae (1.10–9.50%), representing infection risk, were consistently detected. The microbial dynamics within the biofilm exhibited similarity during both the early (3–48 h) and late (5–14 days) stages in the aquaculture phase. Even in planktonic cells, microbial communities underwent alterations between early and late stages. Microbial community analysis in the processing stage exhibited a similar trend to that observed in the aquaculture stage overall. Throughout the biofilm formation process in the abalone processing stage, Rhodobacteraceae (2.63–17.01%), Vibrionaceae (0.87–19.41%), and Pseudomonadaceae (0.28–10.99%) were consistently detected. Based on the biofilm formation, it was stratified into early and late stages, and the temporal changes in the microbial community of planktonic cells aligned with this division. This study, utilizing next-generation sequencing technology, represents the first analysis of the microbial ecosystem of biofilms generated during abalone aquaculture and processing. Its significance lies in the identification of microbial community changes according to biofilm formation time. These findings are anticipated to contribute to the optimization of microbiological management strategies related to biofilms in the abalone industry, offering a comprehensive understanding of biofilm microbial communities that may arise during abalone production.;외부 환경 스트레스에 대한 내성을 지닌 생물막은 미생물 감염을 일으키는 근본적인 요인으로 알려져 있다. 실제 자연환경에서의 생물막 형성에는 다양한 종류의 미생물이 관여하지만 지금까지 생물막에 대한 연구는 주로 단일 미생물에 의해 형성된 생물막에 중점을 두어 왔다. 특히, 전복은 양식부터 유통 단계까지 침수된 환경에 노출되어 있어, 각 단계에서 다양한 미생물에 의한 생물막이 형성될 가능성이 높으므로 전복 유통 과정에서의 생물막에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 16S rRNA 기반 차세대 염기서열 분석을 통해 전복 양식장에서 수집한 해수와 가공장에서 수집한 보관수로 3시간, 6시간, 12시간, 24시간, 48시간, 5일, 7일, 14일 동안 형성된 생물막과 부유균의 미생물 군집 변화를 관찰하였다. 전복 양식 단계에서의 생물막 형성 과정 중에는 표면에 부착하여 군집화하는 특성이 있는 Rhodobacteraceae (2.12–20.33%)가 우점하였으며, 감염 위험성이 있는 Vibrionaceae (1.91–39.95%)와 Pseudomonadaceae (1.10–9.50%)가 전반에 걸쳐 검출되었다. 양식장 해수로 생물막을 형성한 경우, 생물막 내 미생물 군집은 생물막 형성 초기 단계(3–48시간)와 후기 단계(5–14일)간 차이를 나타내었다. 이는 생물막이 형성되는 기간으로 밝혀진 약 48시간과 이후의 성숙 단계로 나누었을 때 미생물 군집이 변화하였다는 것을 의미한다. 부유균에서도 초기와 후기 단계를 기점으로 미생물 군집이 바뀌었다. 가공장에서 사용되는 보관수로 생물막을 형성한 경우의 미생물 군집 분석 결과는 전반적으로 양식 단계의 결과와 유사한 경향을 보였다. 전복 가공 단계에서의 생물막 형성 과정 중에는 Rhodobacteraceae (2.63–17.01%), Vibrionaceae (0.87–19.41%)와 Pseudomonadaceae (0.28–10.99%)가 전반에 걸쳐 검출되었다. 생물막 형성 시간에 따라 미생물 군집 유사성을 기준으로 초기 단계와 후기 단계로 구분되었으며 부유균의 미생물 군집도 변화 시점이 동일하였다. 본 연구는 차세대 염기서열 해독기술을 통해 전복 양식 및 가공 과정에서 생성되는 생물막의 미생물 생태계를 분석한 최초의 연구이며, 생물막 형성 시간에 따른 미생물 군집의 변화를 규명하였다는 점에서 의의가 있다. 위 연구결과는 전복 생산과정에서 형성될 수 있는 생물막 미생물 군집에 대한 총체적인 이해를 기반으로 전복 산업의 생물막 관련 미생물학적인 관리 전략을 최적화하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.