[논문 리뷰] Application of an interspecific competition model to predict the growth of Aeromonas hydrophila on fish surfaces during the refrigerated storage

Alessandro Giuffrida, Graziella Ziino외 3명|ArXiv.org|2008. 11. 17.

Listeria monocytogenes in Food Safety참고 문헌 29인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 냉장 저장 중(21일) 주남도어류 표면에서 *Aeromonas hydrophila* 및 천연 혐기성 미생물 군집(APC)의 성장 예측을 위해 Lotka-Volterra 종간 경쟁 모델을 적용한다. 박테리아 상호작용 계수와 환경 변화를 통합함으로써 기존 모델에 비해 예측 정확도가 크게 향상되었으며(RMSE: *A. hydrophila* 0.09, APC 0.28).

ABSTRACT

The growth of Aeromonas hydrophila and aerobic natural flora (APC) on gilthead seabream surfaces was evaluated during the refrigerated storage (21 days). The related growth curves were compared with those obtained by a conventional third order predictive model obtaining a low agreement between observed and predicted data (Root Mean Squared Error = 1.77 for Aeromonas hydrophila and 0.64 for APC). The Lotka-Volterra interspecific competition model was used in order to calculate the degree of interaction between the two bacterial populations (β_{Ah/APC} and β{APC/Ah}, respectively, the interspecific competition coefficients of APC on Aeromonas hydrophila and vice-versa). Afterwards, the Lotka-Volterra equations were applied as tertiary predictive model, taking into account, simultaneously, the environmental fluctuations and the bacterial interspecific competition. This approach allowed to obtain a best fitting to the observed mean growth curves with a Root Mean Squared Error of 0.09 for Aeromonas hydrophila and 0.28 for APC. Finally, authors carry out some considerations about the necessary use of competitive models in the context of the new trends in predictive microbiology.

연구 동기 및 목표

• 냉장 저장 중 어류 표면에서 *Aeromonas hydrophila* 및 혐기성 천연 미생물 군집(APC)의 성장 예측 정확도 향상.
• 미생물 상호작용을 고려하지 못하는 기존 예측 모델의 한계를 해결하기 위해.
• *A. hydrophila* 및 APC 간 종간 경쟁이 성장 역학에 미치는 영향 평가.
• 환경 변화와 경쟁 상호작용을 통합한 삼차 예측 모델 개발.
• 예측 미생물학 분야의 신규 추세를 뒷받침하기 위해 경쟁 모델의 필요성 강조.

제안 방법

• 냉장 조건에서 21일 동안 주남도어류 표면에서 *Aeromonas hydrophila* 및 APC의 성장 곡선 측정.
• Lotka-Volterra 모델을 사용하여 종간 경쟁 계수(β_Ah/APC 및 β_APC/Ah) 계산하여 상호 억제 정도 정량화.
• 환경 변화와 경쟁 효과를 모두 통합한 Lotka-Volterra 방정식을 삼차 예측 모델로 적용.
• 예측 성능 평가 지표로 근미제곱오차의 제곱근(RMSE)을 사용하여 모델 예측치를 관측 데이터와 비교.
• 정확도 향상 여부 평가를 위해 기존 삼차 예측 모델과의 성능 비교 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 *Aeromonas hydrophila* 및 APC 간 종간 경쟁 계수는 어류 표면에서의 성장 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 미생물 상호작용을 통합할 경우 기존 모델 대비 예측 정확도 향상 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 환경 변화가 있는 냉장 저장 조건 하에서 Lotka-Volterra 모델이 *A. hydrophila* 및 APC의 성장을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 환경 변화는 경쟁 기반 모델의 예측 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 경쟁 상호작용 통합이 현재 예측 미생물학 분야의 추세와 얼마나 부합하는가?

주요 결과

• 기존 삼차 예측 모델은 관측 데이터와의 일치도가 낮았으며, *A. hydrophila*의 경우 RMSE가 1.77, APC의 경우 0.64로 나타났다.
• Lotka-Volterra 종간 경쟁 모델은 예측 정확도를 크게 향상시켜 *A. hydrophila*의 경우 RMSE 0.09, APC의 경우 0.28를 달성하였다.
• 모델은 냉장 저장 중 *A. hydrophila* 및 APC 간 상호 동적 상호작용을 성공적으로 반영하였으며, 상호 억제가 뚜렷한 것으로 나타났다.
• 경쟁 계수(β_Ah/APC 및 β_APC/Ah)는 각각의 개체군이 상대방에 미치는 억제 정도를 정량화하였다.
• 환경 변화와 경쟁 효과를 모두 통합한 삼차 모델은 미생물 성장의 보다 현실적이고 정확한 시뮬레이션을 제공하였다.
• 본 연구는 복잡한 식품 시스템에서 정확한 예측 미생물학을 위해 경쟁 모델의 필수성을 입증하였다.