Antibiotic and probiotic activity of lactic acid bacteria isolated from honeybee gut and beebread

Lactic acid bacteria constitute a broad heterogeneous group of microorganisms historically used for their important properties. It suffices to think of the different sectors in which they are used: food and drink industry for the production of traditional and innovative fermented and non-fermented products, production of industrially relevant metabolites, and finally as probiotic organisms to improve health and strengthen of the host immune system. In the last years, this last aspect has been evaluated also in the beekeeping sector, integrating these microorganisms in the diet of bees by means of sugar syrups, in order to evaluate a possible increase in the resistance to pathogenic organisms. In this PhD thesis, lactic acid bacteria belonging to the species Lactobacillus plantarum, recently reclassified as Lactiplantibacillus plantarum, previously isolated from bee bread and from the digestive tract of Apis mellifera ligustica, were used A preliminary screening was based on the of ability of 61 L. plantarum strains to inhibit some of the main pathogens for bees, such as Peanibacillus larvae and Ascosphaera apis, responsible for the American Foulbrood disease and the Chalkbrood Disease, respectively. Based on the results obtained by this test, five strains were subsequently selected and used to evaluate their possible applicability in the beekeeping sector as probiotics. Data registered in this study highlighted the ability of these strains, with different degrees, to inhibit the two pathogens, to produce EPS and to form biofilm in different conditions and sugar concentrations. The biochemical characterization of the strains showed the presence of enzymatic patterns and carbohydrates assimilation that can improve the digestion and assimilation on nutrients by bees. Moreover, two out of five tested strains showed high auto-aggregation and adhesion to hydrocarbons, two important prerequisites for colonization and protection of the host digestive tract. Finally, almost all tested strains were able to survive the stress conditions given by high sugar concentrations. Based on this knowledge, new biotechnological approaches could be developed to improve the bee health and the quality of hive products.

I batteri lattici costituiscono un ampio ed eterogeneo gruppo di microrganismi storicamente utilizzati per le loro importanti proprietà. Basti pensare ai diversi settori in cui vengono utilizzati: industria alimentare e delle bevande per la produzione di prodotti tradizionali e innovativi fermentati e non, produzione di metaboliti rilevanti a livello industriale e, infine, come organismi probiotici per migliorare la salute e rafforzare il sistema immunitario dell'ospite. Negli ultimi anni quest'ultimo aspetto è stato valutato anche nel settore dell'apicoltura, integrando questi microrganismi nella dieta delle api mediante sciroppi di zucchero, al fine di valutare un possibile aumento della resistenza agli organismi patogeni. In questa tesi di dottorato sono stati utilizzati batteri lattici appartenenti alla specie Lactobacillus plantarum, recentemente riclassificata come Lactiplantibacillus plantarum, isolati dal pane d'api e dal tratto digestivo di Apis mellifera ligustica. Uno screening preliminare si è basato sulla capacità di 61 ceppi di L. plantarum di inibire alcuni dei principali patogeni per le api, come Peanibacillus larvae e Ascosphaera apis, responsabili rispettivamente della peste americana e della malattia di Chalkbrood. Sulla base dei risultati ottenuti da questo test, sono stati successivamente selezionati cinque ceppi e utilizzati per valutare la loro possibile applicazione nel settore dell'apicoltura come probiotici. I dati registrati in questo studio hanno evidenziato la capacità di questi ceppi, con gradi diversi, di inibire i due patogeni, di produrre EPS e di formare biofilm in condizioni e concentrazioni di zucchero differenti. La caratterizzazione biochimica dei ceppi ha mostrato la presenza di pattern enzimatici e di assimilazione dei carboidrati in grado di migliorare la digestione e l'assimilazione dei nutrienti da parte delle api. Inoltre, due dei cinque ceppi testati hanno mostrato un'elevata auto-aggregazione e adesione agli idrocarburi, due importanti prerequisiti per la colonizzazione e la protezione del tratto digestivo dell'ospite. Infine, quasi tutti i ceppi testati sono riusciti a sopravvivere alle condizioni di stress date da elevate concentrazioni di zucchero. Sulla base di queste conoscenze, potrebbero essere sviluppati nuovi approcci biotecnologici per migliorare la salute delle api e la qualità dei prodotti dell'alveare.