细菌是生态系统的重要组成部分。它们对于我们的健康和环境至关重要，在粮食生产中起着重要作用，并为生物工程提供了利用其特性和制造化合物的工具。但是，它们也可能有害，造成损害和疾病。因此，增长这些微生物的能力是能够利用其力量，确定有害罪魁祸首并提高我们的理解和能力的重要步骤。在本文中，我们考虑了什么是细菌培养，是影响文化条件，常见问题以及众多应用中的某些因素。

什么是细菌文化？

细菌培养是一种允许在受控实验室条件下或在培养基中或在培养基上的细菌细胞繁殖的方法。最佳复制所需的确切条件将取决于目标细菌物种。

有氧培养与厌氧培养

大多数细菌可以在某种程度上生长在氧气中，称为有氧培养。但是为了获得最佳生长，应调整条件以适合目标细菌。在大气条件下发现的物种，例如在皮肤表面或上呼吸道中，通常在氧气存在下生长良好。在低氧气环境中自然发现的物种，例如在深伤或脓肿或深海中，通常会在没有氧气的情况下生长最佳厌氧文化。有些根本无法在氧气存在下生长，这些被称为强制性厌氧。示例包括梭菌和细菌。¹Likewise, those that cannot grow in the absence of oxygen are calledobligate aerobes。出于文化目的的例子包括革兰氏负铜绿假单胞菌²和Mycobacterium tuberculosis，，，，³结核病的病因。但是，研究表明，在某些情况下，两者都可以进行厌氧呼吸。在有氧或厌食症条件下可以生长的细菌，如果没有氧气，则从有氧呼吸转变为发酵或厌氧呼吸。兼性厌氧。示例包括the克阳性葡萄球菌，⁴大肠杆菌（（大肠杆菌),⁵沙门氏菌⁶和李斯特菌spp ..⁷

细菌培养方法

要成功培养，细菌需要在培养基中提供营养。有许多不同的配方可满足细菌物种的不同营养需求。这培养基类型您选择将取决于文化的目的。丰富，营养或完整的媒体can be helpful when trying to bulk up a pure culture and get the bacterial cells in good condition.最小媒体另一方面，仅提供生存的必要性，并且可以在操纵细菌中打开哪些途径。

媒体也可能被归类为定义要么不明确的。正如名称所暗示的那样，在定义的介质中，所有成分都是已知的。未定义的培养基倾向于以未知比例（例如酵母提取物）的比例含有复杂的营养和化学物种混合物。

无论选择哪种培养基，都可以以液态形式为broth文化，或琼脂可以添加以设置培养基并允许细菌细胞在固体表面生长。

Culture broth

与静态细菌菌落相比，液体培养基中的培养物（也称为肉汤培养物）使细菌可容易获得可用的营养素。温和的搅拌以使细菌在孵育过程中通过培养基分散，可以进一步帮助这种通道。液体介质还将在形成的废物中稀释废物，并通过文化分配它们。因此，与固体培养基相反，可以获得相当数量的液体的质量更大的细菌。

因此，您可能需要在旨在散装培养物的目的时使用肉汤培养物，例如，在使用细菌产生理想的化合物，在食品生产中或从中提取DNA或质粒时。

寻找store bacterial strains long term，它们可能在液体媒体中长大。然后添加甘油，这将防止完全冷冻并因此裂解细菌细胞，使其储存在-80°C. Long-term storage in this manner preserves strains-长时间收集菌株时有帮助-防止损失有价值的菌株，并降低反复传播可能发生的突变风险。

营养琼脂

将琼脂添加到液体介质中，可以将其设置在培养皿中，例如斜坡或插头。当您希望从混合培养物中选择单个菌落，例如在净化诊断样品时，固体培养基很有用。如果您希望在给定的液体样品中列举菌落形成单元（CFU）的数量，则在固体介质上的镀和孵育也可以允许这一点。接种到斜坡或刺文也可以是将菌株从实验室运输到实验室的方便方法，而不会出现潜在感染材料的危险。

Selective and differential media

选择性媒体⁸也可用可促进或抑制具有特定特性的某些物种，一组或菌株的生长。这可能是基于菌株利用特定营养物质，产生某些副产物或对某些抗生素的耐药性的能力。选择可以用于肉汤和固体培养基。

菌株生长或不生长的能力可以通过差异介质中的颜色变化来表明，并且通常用于鉴定细菌物种或亚型。例如，在分析曲线指数（API）测试条的情况下，细菌是用一系列底物培养的，根据其代谢产生不同的色彩变化模式，从而实现鉴定。

菌株在哪里溶血性，血琼脂上的生长可以评估溶血的类型，有助于鉴定存在的物种（图1）。

图1： Blood agar culture showing alpha (left), beta (center) and gamma (right) hemolysis.学分：Mibilehre，在Creative Commons归因共享4.0国际执照。

在液体培养基中添加抗生素将防止非抗性菌株的生长。在培养工程菌株时，这可能会有所帮助，该菌株已添加了抗生素耐药性基因作为标记。因此，将选择不成功的污染物种或菌落的生长。

Antibiotics may be added to solid media during preparation, fulfilling a similar role to that in liquid media. Alternatively,抗生素注入的磁盘可以将其接种感兴趣的污渍放在固体介质上。如果菌株对抗生素敏感，则随着细菌草坪的生长，将在椎间盘周围看到一个没有生长的清晰区域，例如，可以选择合适的抗生素以治疗感染（图2）。

图2： 抗生素耐药性测试；左侧培养物中的细菌对白皮盘中包含的抗生素敏感。右侧的细菌对大多数抗生素具有抗性。Credit: Dr Graham Beards, reproduced underCreative Commons归因共享4.0国际执照。

除了已经讨论过的氧气条件和养分需求外，不同物种的温度和湿度也最佳地变化，反映了其自然栖息地。通常发现体内深处的物种，例如肠道或下呼吸道，可能会在37中生长最好°C - 体温。相反，例如在土壤中发现的物种可能需要较冷的温度。在对细菌进行遗传操作时，温度可以用作控制温度敏感质粒的整合并因此促进所需结果的开关。

细菌生长曲线

尽管细菌物种之间的分裂率会有所不同，但它们通常会遵循肉汤培养的相同的一般生长模式。培养物中细菌细胞的数量可以通过各种手段来估计，包括镀和菌落计数，或通过测量培养物的浊度紫外可见光谱。When this is plotted (typically on a logarithmic scale) against time, it is known as a growth curve,⁹如图3所示。

图3： 细菌生长曲线的示例显示1）滞后相，2）指数/对数相，3）固定相和4）死亡阶段。

1。 滞后阶段 - 细菌正在适应其新生长条件。该阶段的长度将取决于这些阶段与它们以前的条件和细胞状况的相似程度。细菌可能需要修复自身，产生酶和RNA，以复制或合成周围环境中缺少的分子。

2。 指数阶段 - 一旦细胞适应了其状况并具有所需的分子，细胞分裂就会认真开始。这遵循可预测的加倍模式，其持续时间将取决于条件对细菌物种的适应程度。在条件接近最佳状态的情况下，将发生快速生长，因此将发生陡峭的斜坡。这是细菌细胞最健康的点，因此通常是将细胞用于其他实验的相。

3。 固定阶段 - 养分变得精疲力尽，废物产生并可能短暂地运行，从而减慢了进一步的划分，因此产生的新细胞数量等于死亡的数量。这被视为从生长曲线中脱离的。新的细菌细胞发生生理变化，以适应饥饿条件。对于产生孢子的物种，也可能开始孢子形成。

4。 Death or decline phase - 由于条件不再有利于生长，因此观察到细胞状况的稳定恶化导致生长曲线下降。不可生存的细胞仍可能有助于浊度度量来估计细胞数量，使值保持高于真正可行的细胞数量。通常，某些细胞在突变或进入休眠状态以生存时始终保持生存。

获得纯文化

纯文化是一种仅包含您希望种植的细菌物种。可以实现这一目标的易度性可能在很大程度上取决于样本的来源，与其他物种和目标物种本身相比，目标物种的丰度。如果您的来源是隔离并存储在冰箱中的另一种纯文化或菌株，那么文化可能已经是纯净的。但是，如果来源是临床或环境样本，那么可能还有许多其他细菌物种，并且可能存在的真菌在您的培养条件下也会快乐。选择性培养基和受限制的生长条件（例如有氧和无厌食培养）可以帮助消除非目标物种并缩小田地。将样品划分到固体培养基而不是肉汤培养物上，将允许从一般背景中目光识别感兴趣的菌落。可能有必要在获得纯培养物之前几次将感兴趣的细菌菌落挑选到新鲜琼脂板上。一旦实现了这一目标，就可以根据需要在液体培养中生长。如果目标物种仅以较少的数量存在，则可能有必要从原始样品中条纹多个板以隔离它们。有些物种比其他物种更快，更有力地生长，因此这也是要考虑的因素。

根据您的实验目的，获得纯文化可能并不总是必要的。如果可以在其他背景之间识别目标物种，而这足以满足您的目的，那么可能不需要获得纯文化。但是，例如，如果您希望进行进一步的有针对性的测定或为生产或食物目的培养细菌，那么获得和维持纯文化可能是必不可少的。

细菌培养的常见问题

• 污染- 细菌培养物的污染可能非常有问题，尤其是在未被发现的情况下。充其量，这可能意味着需要重新分配纯文化，但最糟糕的是，如果要在食物或生产环境中进行，可能会导致疾病和非常昂贵的补救工作。文化污染可能来自许多来源，从原始样本本身到培养甚至存储的过程。好的无菌技术可以帮助避免细菌培养物的污染。
  
  
• 某些物种过度生长- 一些细菌物种容易生长。当试图将物种与混合样品分离时，这些剧烈的物种可能会过度生长并掩盖较慢的靶物质物种的存在。使用选择性介质和目标物种的最佳生长条件（如果已知）可以帮助减轻这种情况。在采取样本后尽快培养样本以确保其尽可能代表性。
  
  
• 抽样之前的抗生素治疗- 在诊断环境中，重要的是要知道在采样之前是否已经对抗生素治疗进行了治疗。如果是这种情况，那么未能培养特定物种可能不会表明这不是感染的原因。
  
  
• 不正确的生长条件- 指某东西的用途不适当或次优的生长条件可能会阻碍或完全防止目标应变的生长。确保对生长需求进行仔细检查，或者使用抗生素选择确保为存在的抗性基因选择了正确的抗生素。
  
  
• 不可培养和生长缓慢的生物- 一些细菌物种即使在现在，也无法在实验室中生长。¹⁰其他人，例如分枝杆菌，¹¹增长非常缓慢，可能需要几个月的时间才能成功培养，这在尝试诊断感染时尤其有问题。

细菌培养的应用

培养细菌细胞可能需要或需要理想的原因有很多。在这里，我们考虑了一些常见目的。

Diagnose infection

尽管可以从样品中分离和鉴定细菌物种的时间长度，但细菌培养仍然是重要的诊断工具。¹²尽管PCR可以迅速识别特定病原体的存在，隔离罪魁祸首将确认其还活着，并提醒分析师潜在的传播风险并告知治疗。这也意味着可以进一步询问细菌菌株以获取信息antibiotic sensitivity，指导治疗选择。菌株也可以存储下来以供将来参考，例如用于疾病监测目的。

基因操纵

由于多种原因，可能需要操纵细菌菌株的基因组。试图理解基本生物学，在创建疫苗菌株，过度生产蛋白质并创建具有可检测标记的参考菌株时减弱它，仅命名一些。无论是突变，删除还是插入遗传物质，都有基本需要培养感兴趣的应变¹³基因工程过程之前，之中和之后。

流行病学研究

培养和表征细菌菌株对于流行病学研究至关重要。¹⁴这使科学家能够研究细菌种群如何随着时间而变化-which can inform therapeutic, vaccine and diagnostic design and updates-和study transmission events which can in turn inform things like public health policy and advice. The淋球菌分离株监测项目（GISP）是这样一个项目，以监测抗生素耐药性的菌株，有助于为药物治疗建议提供信息。疾病控制与预防中心（CDC）也经营主动细菌核心监视（ABC）系统，可提供对公共健康重要性侵入性细菌病原体的基于实验室和人群的监测。

扩展到启用OMICS研究

虽然可以用少量的遗传物质进行DNA和RNA的测序，即使在单细胞水平上，对于许多研究，next-generation sequencing (NGS)仍在许多细菌细胞的材料上进行，因此，细菌通常需要在DNA或RNA提取之前进行培养。¹⁵如果您对特定菌株感兴趣（与将包含混合物的微生物组研究不同），那么这很可能来自纯文化。

开发疫苗和治疗剂

In order to fight a bacterial pathogen, you typically need to be able to culture that pathogen too. During the development of vaccines,¹⁶it may be necessary to culture strains to understand their genomes, amplify their genes or manipulate them. Equally, in order to test out candidate vaccines or therapies, it is often necessary to perform challenge experiments¹⁷在患者中受到病原体的挑战，以查看治疗是否有效。为此，细菌菌株通常生长，并且在定义的挑战模型中，以控制和确定剂量受试者接受的情况。

食品和饮料生产

细菌是重要的一部分生产许多食物和are broadly split into probiotics and starter cultures.

Probiotics are generally cultured for their benefit to human health,¹⁸通常通过我们的肠道微生物组。虽然益生菌可能包含许多不同的细菌物种，但乳杆菌和双歧杆菌是文化的常见选择。

另一方面，开胃培养物通常用作食品生产过程的一部分，以发展风味，质地，营养价值或改善保存。示例包括酸面包， 萨拉米，¹⁹意大利辣香肠和干火腿。乳酸细菌（LAB）通常在开胃培养物中发现。但是，有些食物和饮料可以说，可以说是两个营地，例如酸奶和越来越受欢迎的泡菜²⁰和康普茶产品的味道以及益生菌的好处。

无论文化的目的是什么，保持健康的，无污染物的文化对于最佳生产和消费者安全至关重要。

检测食物污染物

虽然某些细菌在粮食生产中可能是可取的，但它们也可能是污染物，并且具有可能导致严重的食源性疾病。常见原因包括沙门氏菌sp.,李斯特菌，，，，弯曲杆菌空肠和大肠杆菌。It is therefore important that analysts are able to culture any potentially hazardous bacteria from food samples, even if they are present in low numbers.

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