細菌生長的影響因素、測量方法與科學應用
細菌廣泛存在于自然界中，從人體微生物群到環境生態系統，它們在健康、工業、農業等多個領域都發揮著至關重要的作用。研究細菌的生長過程不僅有助于理解微生物的生命活動，還對醫學、食品安全和生物技術等領域具有重要意義。那么，細菌是如何生長的？它們的生長過程受哪些因素影響？科學家們又是如何測量細菌生長的？本文將帶您探討細菌生長的基本原理及其測量方法。
1、細菌生長：概述及測量方法
細菌是生命的基礎，在健康、工業、農業及環境等領域發揮著至關重要的作用。細菌的生命過程可以劃分為不同的階段（圖1）。當細菌被引入新的培養基或環境時，其生長通常經歷三個主要階段。在遲滯期（Lag phase），細菌適應新的環境，但不進行細胞分裂。在指數生長期（Exponential phase），細菌開始分裂，種群數量以恒定速率倍增。經過一段時間的快速增殖后，細菌的生長速度趨于平衡，即穩定期（Stationary phase），此時細胞分裂速率與死亡速率相當。最終，細菌進入衰亡期（Death phase），細胞死亡率超過分裂率。
圖1：微生物生長曲線——批次培養條件下微生物數量變化的典型趨勢。2、影響細菌生長的因素
環境條件對細菌的生命周期有顯著影響。營養、溫度、pH值、氧氣、濕度和滲透壓等因素需加以評估，以明確其對細菌生長的影響，或加以控制，以便在細菌檢測中進行精確的生物學測量。
此外，細菌之間的相互作用也可能影響生長。例如，群體感應（Quorum sensing） 是一種依賴于細菌分泌的化學信號分子、細胞密度及基因表達變化的細胞間通訊方式。
3、細菌生長的測量方法
細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胞計數及瓊脂平板菌落計數，而間接測量方法則通過檢測與細菌生長相關的參數變化來評估生長情況，如600 nm光密度（OD600）測定、光散射、熒光或發光信號檢測等。
600 OD值在許多實驗室中經常使用。該方法測量的是細菌懸浮液的光散射量，而非其吸收率。隨著細菌的生長和分裂，懸浮液的濁度增加，光傳輸相應減少，細菌散射的光也相應增加。您可以在BMG LABTECH的博客中閱讀更多關于使用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是一款專用讀數器，可按照應用說明“通過激光散射比濁法監測微生物生長曲線”所述，以高靈敏度測量細菌生長曲線的早期階段。
圖2：NEPHELOstar Plus 的測量原理示意圖。熒光和化學發光測定同樣可用于細菌生長分析，例如，利用目標細菌中可表達的熒光蛋白以進行生長監測。在 BMG LABTECH 的應用研究《表達穩定綠色熒光蛋白突變體的B組鏈球菌生長檢測與監測》中，研究人員使用 GFP 生物標記對液體培養基中的細菌生長進行追蹤，CLARIOstar® 讀板儀可同時測量熒光、吸光度及熒光偏振（圖3）。這些測量結果為傳統的OD600提供了更靈敏的替代方案。
此外，在應用研究《InToxSa測定法：定量評估細胞內金 huang se葡萄球菌（S. aureus） 細胞毒性表型》中，研究人員利用碘化丙啶（PI）分析S. aureus對細胞系的細胞毒性作用。
其他細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 培養基中的吸光度（A）、熒光強度（B）及偏振熒光（C）變化曲線。4、細菌生長研究的應用及微孔板檢測技術
細菌生長測定在多個領域具有重要應用，包括醫學與健康、食品及環境監測等。
- 食品行業：研究人員正致力于開發具有抗菌性能的食品包裝材料。
- 生物醫學：醫療器械和植入物的抗菌涂層或保護性生物膜的研發也受到了廣泛關注。
- 環境監測：細菌生長測定可用于評估水質、檢測污染物及監測生物修復過程。
- 生物技術：細菌廣泛應用于生物燃料、酶及其他生物產品的生產。例如，蛋白質的基因工程改造及新型藥物的生產過程往往涉及細菌表達系統。
研究人員多年來一直在液體培養基中培養細菌，通常使用燒瓶。帶有溫度控制和振蕩功能的酶標儀可用于細菌生長的動力學研究，在不同的持續時間內幾乎不需要用戶干預。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，多功能酶標儀在細菌生長的常規測量中具有速度、可再現性和規模方面的優勢。
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，從而滿足特定氣體條件下的細菌生長需求。例如，腦膜炎奈瑟菌在5%的二氧化碳2濃度下生長旺盛。在應用筆記《BMG LABTECH酶標儀與大氣控制單元（ACU）中的腦膜炎奈瑟菌生長》中，證明了這種對環境要求苛刻的細菌可以在BMG LABTECH酶標儀上很好地生長，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酶標儀可測量細菌生長，支持多種應用，ACU的使用也為其提供了便利。這些應用包括從動力學生長研究到群體感應研究，以及對抗菌素耐藥性和生物膜的干預措施。
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）。
熒光與化學發光檢測
BMG LABTECH 提供多模式檢測設備，適用于高靈敏度熒光及化學發光測量。
溫度與振蕩控制
BMG LABTECH的所有酶標儀均可提供精確的溫度調節，最高可達45°C（可選配65°C）及三種可調速振蕩模式（最高700 rpm，可選配1100 rpm），以優化細菌培養環境。此外，VANTAstar、CLARIOstar Plus、Omega 系列及 SPECTROstar Nano 還可配備高強度耐用震蕩系統，支持24/7連續實驗。
BMG LABTECH 的多功能酶標儀憑借高質量測量、微量實驗體系、短時間檢測及實驗成本節約，成為細菌生長研究的理想選擇。
轉載自：BMG LABTECH
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