細(xì)菌生長的影響因素、測量方法與科學(xué)應(yīng)用
細(xì)菌廣泛存在于自然界中，從人體微生物群到環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，它們在健康、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。研究細(xì)菌的生長過程不僅有助于理解微生物的生命活動，還對醫(yī)學(xué)、食品安全和生物技術(shù)等領(lǐng)域具有重要意義。那么，細(xì)菌是如何生長的？它們的生長過程受哪些因素影響？科學(xué)家們又是如何測量細(xì)菌生長的？本文將帶您探討細(xì)菌生長的基本原理及其測量方法。
1、細(xì)菌生長：概述及測量方法
細(xì)菌是生命的基礎(chǔ)，在健康、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。細(xì)菌的生命過程可以劃分為不同的階段（圖1）。當(dāng)細(xì)菌被引入新的培養(yǎng)基或環(huán)境時，其生長通常經(jīng)歷三個主要階段。在遲滯期（Lag phase），細(xì)菌適應(yīng)新的環(huán)境，但不進行細(xì)胞分裂。在指數(shù)生長期（Exponential phase），細(xì)菌開始分裂，種群數(shù)量以恒定速率倍增。經(jīng)過一段時間的快速增殖后，細(xì)菌的生長速度趨于平衡，即穩(wěn)定期（Stationary phase），此時細(xì)胞分裂速率與死亡速率相當(dāng)。最終，細(xì)菌進入衰亡期（Death phase），細(xì)胞死亡率超過分裂率。
圖1：微生物生長曲線——批次培養(yǎng)條件下微生物數(shù)量變化的典型趨勢。2、影響細(xì)菌生長的因素
環(huán)境條件對細(xì)菌的生命周期有顯著影響。營養(yǎng)、溫度、pH值、氧氣、濕度和滲透壓等因素需加以評估，以明確其對細(xì)菌生長的影響，或加以控制，以便在細(xì)菌檢測中進行精確的生物學(xué)測量。
此外，細(xì)菌之間的相互作用也可能影響生長。例如，群體感應(yīng)（Quorum sensing） 是一種依賴于細(xì)菌分泌的化學(xué)信號分子、細(xì)胞密度及基因表達變化的細(xì)胞間通訊方式。
3、細(xì)菌生長的測量方法
細(xì)菌生長的測定方法可分為直接測量和間接測量兩大類。直接測量法包括顯微鏡下細(xì)胞計數(shù)及瓊脂平板菌落計數(shù)，而間接測量方法則通過檢測與細(xì)菌生長相關(guān)的參數(shù)變化來評估生長情況，如600 nm光密度（OD600）測定、光散射、熒光或發(fā)光信號檢測等。
600 OD值在許多實驗室中經(jīng)常使用。該方法測量的是細(xì)菌懸浮液的光散射量，而非其吸收率。隨著細(xì)菌的生長和分裂，懸浮液的濁度增加，光傳輸相應(yīng)減少，細(xì)菌散射的光也相應(yīng)增加。您可以在BMG LABTECH的博客中閱讀更多關(guān)于使用OD600測量微生物生長情況的信息。
濁度儀是一種測量光散射的專用儀器，也是測量細(xì)菌生長的替代方法（圖2），其靈敏度高于基于吸收的方法。BMG LABTECH的NEPHELOstar Plus是一款專用讀數(shù)器，可按照應(yīng)用說明“通過激光散射比濁法監(jiān)測微生物生長曲線”所述，以高靈敏度測量細(xì)菌生長曲線的早期階段。
圖2：NEPHELOstar Plus 的測量原理示意圖。熒光和化學(xué)發(fā)光測定同樣可用于細(xì)菌生長分析，例如，利用目標(biāo)細(xì)菌中可表達的熒光蛋白以進行生長監(jiān)測。在 BMG LABTECH 的應(yīng)用研究《表達穩(wěn)定綠色熒光蛋白突變體的B組鏈球菌生長檢測與監(jiān)測》中，研究人員使用 GFP 生物標(biāo)記對液體培養(yǎng)基中的細(xì)菌生長進行追蹤，CLARIOstar® 讀板儀可同時測量熒光、吸光度及熒光偏振（圖3）。這些測量結(jié)果為傳統(tǒng)的OD600提供了更靈敏的替代方案。
此外，在應(yīng)用研究《InToxSa測定法：定量評估細(xì)胞內(nèi)金 huang se葡萄球菌（S. aureus） 細(xì)胞毒性表型》中，研究人員利用碘化丙啶（PI）分析S. aureus對細(xì)胞系的細(xì)胞毒性作用。
其他細(xì)菌生長的替代性測量方法包括代謝活性檢測（熒光重氮青檢測和ATP測量）、遺傳學(xué)方法和呼吸測量（評估耗氧量）。
圖3：B組鏈球菌（GBS）熒光（GFP+，綠色；GFP-，黑色）在 THB 培養(yǎng)基中的吸光度（A）、熒光強度（B）及偏振熒光（C）變化曲線。4、細(xì)菌生長研究的應(yīng)用及微孔板檢測技術(shù)
細(xì)菌生長測定在多個領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)與健康、食品及環(huán)境監(jiān)測等。
- 食品行業(yè)：研究人員正致力于開發(fā)具有抗菌性能的食品包裝材料。
- 生物醫(yī)學(xué)：醫(yī)療器械和植入物的抗菌涂層或保護性生物膜的研發(fā)也受到了廣泛關(guān)注。
- 環(huán)境監(jiān)測：細(xì)菌生長測定可用于評估水質(zhì)、檢測污染物及監(jiān)測生物修復(fù)過程。
- 生物技術(shù)：細(xì)菌廣泛應(yīng)用于生物燃料、酶及其他生物產(chǎn)品的生產(chǎn)。例如，蛋白質(zhì)的基因工程改造及新型藥物的生產(chǎn)過程往往涉及細(xì)菌表達系統(tǒng)。
研究人員多年來一直在液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)細(xì)菌，通常使用燒瓶。帶有溫度控制和振蕩功能的酶標(biāo)儀可用于細(xì)菌生長的動力學(xué)研究，在不同的持續(xù)時間內(nèi)幾乎不需要用戶干預(yù)。它們還能夠在各種條件下使用不同的探測模式進行并行測量。因此，多功能酶標(biāo)儀在細(xì)菌生長的常規(guī)測量中具有速度、可再現(xiàn)性和規(guī)模方面的優(yōu)勢。
5、大氣控制
BMG LABTECH的大氣控制單元（ACU）為研究人員提供了一個能夠控制氧氣和二氧化碳濃度的系統(tǒng)，從而滿足特定氣體條件下的細(xì)菌生長需求。例如，腦膜炎奈瑟菌在5%的二氧化碳2濃度下生長旺盛。在應(yīng)用筆記《BMG LABTECH酶標(biāo)儀與大氣控制單元（ACU）中的腦膜炎奈瑟菌生長》中，證明了這種對環(huán)境要求苛刻的細(xì)菌可以在BMG LABTECH酶標(biāo)儀上很好地生長，同時ACU可以提供5%的二氧化碳（圖4）。
圖 5：BMG LABTECH 酶標(biāo)儀配備的試劑注入器能夠以所需的注射速度和注射量進行試劑輸送。BMG LABTECH酶標(biāo)儀可測量細(xì)菌生長，支持多種應(yīng)用，ACU的使用也為其提供了便利。這些應(yīng)用包括從動力學(xué)生長研究到群體感應(yīng)研究，以及對抗菌素耐藥性和生物膜的干預(yù)措施。
為何選擇BMG LABTECH解決方案？
吸光度測量
BMG LABTECH的全系列酶標(biāo)儀均配備超快分光計，可用于 OD600 測定（NEPHELOstar® Plus 除外，該儀器專用于光散射及濁度測定）。
熒光與化學(xué)發(fā)光檢測
BMG LABTECH 提供多模式檢測設(shè)備，適用于高靈敏度熒光及化學(xué)發(fā)光測量。
溫度與振蕩控制
BMG LABTECH的所有酶標(biāo)儀均可提供精確的溫度調(diào)節(jié)，最高可達45°C（可選配65°C）及三種可調(diào)速振蕩模式（最高700 rpm，可選配1100 rpm），以優(yōu)化細(xì)菌培養(yǎng)環(huán)境。此外，VANTAstar、CLARIOstar Plus、Omega 系列及 SPECTROstar Nano 還可配備高強度耐用震蕩系統(tǒng)，支持24/7連續(xù)實驗。
BMG LABTECH 的多功能酶標(biāo)儀憑借高質(zhì)量測量、微量實驗體系、短時間檢測及實驗成本節(jié)約，成為細(xì)菌生長研究的理想選擇。
轉(zhuǎn)載自：BMG LABTECH
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