理解细菌培养：综合指南

细菌培养是微生物学、生物技术、医学和环境科学等多个科学领域的基础工具。本综合指南旨在探索细菌培养的原理、技术和应用，为专业人士和学生提供具有全球相关性的概述。

什么是细菌培养？

从本质上讲，细菌培养是在受控环境中增殖细菌细胞的方法。这包括为细菌提供合适的生长培养基（如琼脂或肉汤），其中含有支持其繁殖所需的营养物质和环境条件（温度、pH值、氧气水平）。其目标是获得大量的细菌群体，以便进行研究或用于各种应用。

为什么细菌培养很重要？

细菌培养在以下方面发挥着至关重要的作用：

• 细菌鉴定： 培养可以分离和鉴定特定的细菌种类，这对于诊断传染病和理解微生物生态至关重要。例如，在日本的食品样本中鉴定沙门氏菌，或在加拿大的患者体内鉴定大肠杆菌O157:H7，都依赖于初步培养和后续的鉴定技术。
• 抗生素敏感性测试： 确定抗生素对特定细菌的有效性对于指导治疗决策和对抗抗生素耐药性这一全球健康威胁至关重要。像Kirby-Bauer法这样的测试程序使用细菌培养来评估抗生素的功效。
• 研究与开发： 细菌培养对于研究细菌的生理学、遗传学和致病机理是不可或缺的。它们被用于开发新药、疫苗和诊断工具。全球的制药公司都依赖细菌培养来生产抗生素和其他治疗性化合物。
• 生物技术应用： 细菌被用于各种生物技术过程，如生产酶、生物燃料和生物塑料。例如，在德国和中国等国家，芽孢杆菌属的菌种被广泛用于酶的工业生产。
• 食品与环境安全： 培养被用来检测和量化食品、水和环境样本中的细菌，以确保安全并防止污染。在澳大利亚和新西兰等国家，对水源的定期检测包括细菌培养分析。

培养基的类型

培养基的选择取决于所培养的特定细菌和培养的目的。常见的培养基类型包括：

• 营养肉汤： 一种含有基本营养物质的液体培养基，适用于通用细菌的生长。
• 营养琼脂： 通过向营养肉汤中添加琼脂制备的固体培养基。它用于在表面上生长细菌菌落。
• 选择性培养基： 含有特定成分，能抑制某些细菌的生长，同时允许其他细菌生长。例如，麦康凯琼脂（MacConkey agar）用于选择性培养革兰氏阴性菌，并区分乳糖发酵菌。
• 鉴别性培养基： 含有能根据细菌的代谢活动区分不同细菌的成分。例如，血琼脂（blood agar）根据细菌裂解红细胞（溶血）的能力来区分它们。在阿根廷和巴西的医疗机构中，血琼脂常被用来鉴定链球菌感染。
• 增菌培养基： 含有特定营养物质，能促进混合菌群中特定细菌的生长。亚硒酸盐肉汤（Selenite broth）用于增菌培养沙门氏菌。

细菌培养的基本技术

成功的细菌培养依赖于遵守无菌技术，以防止污染并确保结果准确。

无菌技术

无菌技术涉及一套旨在最大限度减少将不需要的微生物引入培养物的程序。关键原则包括：

• 灭菌： 使用高压蒸汽灭菌器（autoclave）、干热或过滤等方法，消除设备和培养基中的所有微生物。从尼日利亚的大学研究实验室到韩国的诊断诊所，高压灭菌器是全球微生物实验室的必备设备。
• 消毒： 使用化学消毒剂减少表面上的微生物数量。定期对实验室工作台和设备进行消毒至关重要。
• 手部卫生： 用肥皂和水彻底洗手，或使用含酒精的洗手液。这是所有微生物实验室的基本实践。
• 火焰灭菌： 在使用前后，将接种环和接种针通过火焰进行灭菌。
• 在无菌环境中工作： 在层流罩或生物安全柜中进行培养，以最大限度地减少空气中的污染。这些设备为工作台面提供无菌气流。

接种

接种是将细菌引入培养基的过程。常用方法包括：

• 划线平板法： 一种用于在琼脂平板上分离单个细菌菌落的技术。使用无菌接种环以特定模式在琼脂表面上涂布细菌，每次划线都稀释样品。
• 倾注平板法： 一种将细菌与熔化的琼脂混合并倒入培养皿中的技术。菌落会在琼脂表面和内部生长。
• 涂布平板法： 一种使用无菌涂布器将少量细菌悬液均匀涂布在琼脂平板表面的技术。
• 肉汤培养物接种： 使用无菌接种环或移液管将细菌引入液体培养基。

孵育

孵育是将接种后的培养物放置在具有最佳温度、湿度和大气条件的受控环境中，以促进细菌生长。最佳温度因细菌种类而异，但大多数细菌在25°C至37°C的温度下生长最佳。一些细菌还需要特定的大气条件，如厌氧（无氧）条件或增加的二氧化碳水平。孵育箱是所有微生物实验室的标准化设备，为最佳细菌生长维持精确的温度和湿度水平。

观察与分析细菌培养物

孵育后，观察和分析细菌培养物以鉴定和表征细菌。

菌落形态

菌落形态指在固体培养基上生长的细菌菌落的特征。这些特征包括：

• 大小： 菌落的直径。
• 形状： 菌落的整体形状（例如，圆形、不规则、丝状）。
• 边缘： 菌落的边缘（例如，光滑、完整、波浪状、叶状）。
• 隆起： 菌落高出琼脂表面的高度（例如，扁平、凸起、凸面、脐状）。
• 质地： 菌落的表面外观（例如，光滑、粗糙、闪亮、粘液状）。
• 颜色： 菌落的色素沉着。一些细菌会产生色素，使菌落带有颜色（例如，粘质沙雷氏菌会产生红色色素）。

菌落形态可以为鉴定细菌种类提供有价值的线索。例如，粘液状菌落通常由产生荚膜的细菌产生。观察菌落形态通常是全球实验室进行细菌鉴定的第一步。

革兰氏染色

革兰氏染色是一种鉴别性染色技术，用于将细菌分为两大类：革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。该技术基于细菌细胞壁结构的差异。

1. 革兰氏阳性菌的细胞壁中有一层厚的肽聚糖层，能保留结晶紫染料，呈现紫色。
2. 革兰氏阴性菌的肽聚糖层较薄，并有一层外膜，这使得结晶紫染料无法被保留。它们用番红进行复染，呈现粉红色。

革兰氏染色是一种快速且廉价的技术，为细菌鉴定和指导抗生素治疗提供了宝贵信息。它是全球临床微生物实验室进行细菌鉴定的基石，有助于快速缩小传染性病原体的可能性范围。

显微镜检查

对细菌细胞进行显微镜检查可以提供有关其形态的更多信息，包括细胞形状（例如，球菌、杆菌、螺旋菌）、细胞排列（例如，单细胞、链状、簇状）以及是否存在芽孢或荚膜等结构。显微镜检查，特别是与革兰氏染色结合使用时，是表征细菌培养物的重要工具。

生化测试

生化测试用于根据细菌的代谢活动来鉴定细菌，例如它们发酵糖、产生酶或利用特定底物的能力。常见的生化测试包括：

• 过氧化氢酶测试： 检测过氧化氢酶的存在，该酶能将过氧化氢分解为水和氧气。
• 氧化酶测试： 检测细胞色素c氧化酶的存在，该酶参与电子传递。
• 凝固酶测试： 检测凝固酶的存在，该酶能使血浆凝固。
• 尿素酶测试： 检测尿素酶的存在，该酶能将尿素水解为氨和二氧化碳。
• 糖发酵测试： 确定细菌发酵特定糖（如葡萄糖、乳糖、蔗糖）的能力，产生酸或气体作为副产品。

生化测试的结果与革兰氏染色和菌落形态相结合，用于鉴定细菌种类。自动化微生物鉴定系统在临床实验室中越来越多地被用于简化这一过程。

分子方法

分子方法，如聚合酶链式反应（PCR）和DNA测序，越来越多地被用于细菌的鉴定和表征。与传统方法相比，这些方法具有更高的速度、准确性和灵敏度。PCR可以扩增特定的DNA序列，从而能够检测到极少量的细菌。DNA测序可以确定细菌的完整遗传密码，提供明确的鉴定，并能够检测抗生素耐药基因。分子诊断在公共卫生实验室中对于快速检测疫情暴发和新发病原体变得越来越重要。

细菌培养的应用

如前所述，细菌培养在不同领域有着广泛的应用。

医学微生物学

在医学微生物学中，细菌培养用于诊断传染病、确定抗生素敏感性以及监测抗生素耐药性的传播。例子包括：

• 诊断尿路感染（UTIs）： 尿液培养用于鉴定引起尿路感染的细菌，并确定哪些抗生素对治疗有效。
• 诊断肺炎： 痰培养用于鉴定引起肺炎的细菌，并指导抗生素治疗。
• 诊断血流感染： 血液培养用于鉴定血液中的细菌，这可能导致败血症。

基于细菌培养的快速诊断测试对于改善患者预后至关重要，尤其是在资源有限的环境中。

环境微生物学

在环境微生物学中，细菌培养用于监测水质、评估土壤健康和研究微生物生态。例子包括：

• 监测水质： 培养用于检测水样中的粪大肠菌群，这表明可能存在污水污染。
• 评估土壤健康： 培养用于鉴定土壤中促进植物生长和养分循环的有益细菌。
• 研究生物修复： 培养用于分离和研究能够降解环境中污染物的细菌。

细菌培养在全球范围内的环境监测和保护工作中发挥着关键作用。

食品微生物学

在食品微生物学中，细菌培养用于确保食品安全、监测食品腐败和开发新食品。例子包括：

• 检测食源性病原体： 培养用于检测食品样本中的沙门氏菌、大肠杆菌O157:H7和单核细胞增生李斯特菌等细菌。
• 监测食品腐败： 培养用于鉴定导致食品腐败、产生异味和异臭的细菌。
• 开发发酵食品： 有益细菌的培养物用于生产酸奶、奶酪和酸菜等发酵食品。

细菌培养对于维持全球食品安全标准和确保食品质量至关重要。

工业微生物学

在工业微生物学中，细菌培养用于生产各种产品，包括抗生素、酶、生物燃料和生物塑料。例子包括：

• 抗生素生产： 链霉菌属的培养物被用于生产许多常用抗生素。
• 酶生产： 芽孢杆菌属的培养物被用于生产用于洗涤剂、食品加工和其他行业的酶。
• 生物燃料生产： 细菌和酵母的培养物被用于生产乙醇和生物柴油等生物燃料。
• 生物塑料生产： 细菌的培养物被用于从可再生资源中生产可生物降解的塑料。

工业微生物学严重依赖细菌培养来生产有益于社会的宝贵产品。

挑战与未来方向

虽然细菌培养仍然不可或缺，但也存在一些挑战。这些挑战包括：

• “大平板计数异常”： 环境中的许多细菌难以或无法使用标准技术进行培养。这限制了我们对微生物多样性和功能的理解。宏基因组学和其他非培养方法正在被开发以解决这个问题。
• 抗生素耐药性： 抗生素的过度使用和滥用导致了抗生素耐药菌的出现，这对公共卫生构成了严重威胁。使用细菌培养进行快速准确的抗生素敏感性测试对于对抗抗生素耐药性至关重要。
• 生物膜形成： 细菌可以形成生物膜，即被保护性基质包裹的细胞群落。生物膜对抗生素和消毒剂具有抗性，使其难以根除。开发预防和破坏生物膜形成的新策略是一个活跃的研究领域。
• 对快速诊断的需求： 传统的细菌培养方法可能需要几天才能得出结果。需要更快、更准确的诊断测试，特别是对于危及生命的感染。分子诊断和其他快速方法正在被开发以满足这一需求。

未来的研究将侧重于开发新的培养方法、改进诊断技术以及寻找对抗抗生素耐药性和生物膜形成的新方法。理解细菌与其环境之间复杂的相互作用对于应对这些挑战并利用细菌培养的潜力造福社会至关重要。

结论

细菌培养是广泛的科学和工业领域中不可或缺的工具。从鉴定病原体到生产拯救生命的药物，细菌培养为我们理解微生物世界做出了重大贡献，并改善了人类的健康和福祉。尽管挑战依然存在，但持续的研究和技术进步不断增强细菌培养的力量和多功能性，确保其在未来岁月中的持续重要性。在全球范围内应对与细菌培养相关的挑战并最大化其益处，全球视野和协作方法至关重要。