解密细菌生长：影响因素、测量方法与科学应用

细菌广泛存在于自然界中，从人体微生物群到环境生态系统，它们在健康、工业、农业等多个领域都发挥着至关重要的作用。研究细菌的生长过程不仅有助于理解微生物的生命活动，还对医学、食品安全和生物技术等领域具有重要意义。那么，细菌是如何生长的？它们的生长过程受哪些因素影响？科学家们又是如何测量细菌生长的？本文将带您探讨细菌生长的基本原理及其测量方法。

细菌是生命的基础，在健康、工业、农业及环境等领域发挥着至关重要的作用。细菌的生命过程可以划分为不同的阶段（图1）。当细菌被引入新的培养基或环境时，其生长通常经历三个主要阶段。在迟滞期（Lag phase），细菌适应新的环境，但不进行细胞分裂。在指数生长期（Exponential phase），细菌开始分裂，种群数量以恒定速率倍增。经过一段时间的快速增殖后，细菌的生长速度趋于平衡，即稳定期（Stationary phase），此时细胞分裂速率与死亡速率相当。最终，细菌进入衰亡期（Death phase），细胞死亡率超过分裂率。

图1：微生物生长曲线——批次培养条件下微生物数量变化的典型趋势。

环境条件对细菌的生命周期有显著影响。营养、温度、pH值、氧气、湿度和渗透压等因素需加以评估，以明确其对细菌生长的影响，或加以控制，以便在细菌检测中进行精确的生物学测量。

此外，细菌之间的相互作用也可能影响生长。例如，群体感应（Quorum sensing） 是一种依赖于细菌分泌的化学信号分子、细胞密度及基因表达变化的细胞间通讯方式。

细菌生长的测定方法可分为直接测量和间接测量两大类。直接测量法包括显微镜下细胞计数及琼脂平板菌落计数，而间接测量方法则通过检测与细菌生长相关的参数变化来评估生长情况，如600 nm光密度（OD600）测定、光散射、荧光或发光信号检测等。

600 OD值在许多实验室中经常使用。该方法测量的是细菌悬浮液的光散射量，而非其吸收率。随着细菌的生长和分裂，悬浮液的浊度增加，光传输相应减少，细菌散射的光也相应增加。您可以在BMG LABTECH的博客中阅读更多关于使用OD600测量微生物生长情况的信息。

浊度仪是一种测量光散射的专用仪器，也是测量细菌生长的替代方法（图2），其灵敏度高于基于吸收的方法。BMG LABTECH的NEPHELOstar Plus是一款专用读数器，可按照应用说明“通过激光散射比浊法监测微生物生长曲线”所述，以高灵敏度测量细菌生长曲线的早期阶段。

图2：NEPHELOstar Plus 的测量原理示意图。

荧光和化学发光测定同样可用于细菌生长分析，例如，利用目标细菌中可表达的荧光蛋白以进行生长监测。在 BMG LABTECH 的应用研究《表达稳定绿色荧光蛋白突变体的B组链球菌生长检测与监测》中，研究人员使用 GFP 生物标记对液体培养基中的细菌生长进行追踪，CLARIOstar® 读板仪可同时测量荧光、吸光度及荧光偏振（图3）。这些测量结果为传统的OD600提供了更灵敏的替代方案。

此外，在应用研究《InToxSa测定法：定量评估细胞内金黄色葡萄球菌（S. aureus） 细胞毒性表型》中，研究人员利用碘化丙啶（PI）分析S. aureus对细胞系的细胞毒性作用。

其他细菌生长的替代性测量方法包括代谢活性检测（荧光重氮青检测和ATP测量）、遗传学方法和呼吸测量（评估耗氧量）。

图3：B组链球菌（GBS）荧光（GFP+，绿色；GFP-，黑色）在 THB 培养基中的吸光度（A）、荧光强度（B）及偏振荧光（C）变化曲线。

细菌生长测定在多个领域具有重要应用，包括医学与健康、食品及环境监测等。

• 食品行业：研究人员正致力于开发具有抗菌性能的食品包装材料。

• 生物医学：医疗器械和植入物的抗菌涂层或保护性生物膜的研发也受到了广泛关注。

• 环境监测：细菌生长测定可用于评估水质、检测污染物及监测生物修复过程。

• 生物技术：细菌广泛应用于生物燃料、酶及其他生物产品的生产。例如，蛋白质的基因工程改造及新型药物的生产过程往往涉及细菌表达系统。

  
  

研究人员多年来一直在液体培养基中培养细菌，通常使用烧瓶。带有温度控制和振荡功能的酶标仪可用于细菌生长的动力学研究，在不同的持续时间内几乎不需要用户干预。它们还能够在各种条件下使用不同的探测模式进行并行测量。因此，多功能酶标仪在细菌生长的常规测量中具有速度、可再现性和规模方面的优势。

BMG LABTECH的大气控制单元（ACU）为研究人员提供了一个能够控制氧气和二氧化碳浓度的系统，从而满足特定气体条件下的细菌生长需求。例如，脑膜炎奈瑟菌在5%的二氧化碳2浓度下生长旺盛。在应用笔记《BMG LABTECH酶标仪与大气控制单元（ACU）中的脑膜炎奈瑟菌生长》中，证明了这种对环境要求苛刻的细菌可以在BMG LABTECH酶标仪上很好地生长，同时ACU可以提供5%的二氧化碳（图4）。

图 5：BMG LABTECH 酶标仪配备的试剂注入器能够以所需的注射速度和注射量进行试剂输送。

BMG LABTECH酶标仪可测量细菌生长，支持多种应用，ACU的使用也为其提供了便利。这些应用包括从动力学生长研究到群体感应研究，以及对抗菌素耐药性和生物膜的干预措施。

BMG LABTECH 的多功能酶标仪凭借高质量测量、微量实验体系、短时间检测及实验成本节约，成为细菌生长研究的理想选择。