黏液形成菌運動特性分析

李星潼 王云漢 呂昌旗（東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林 132012）

黏液形成菌運動特性分析

李星潼 王云漢 呂昌旗
（東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林 132012）

微生物污垢普遍存在于工業循環冷卻水系統中，降低換熱設備的換熱效率，腐蝕生產設備與監測設備，是工業生產的安全隱患，造成能源與經濟損失。為了抑制微生物污垢的形成，需要對致垢微生物遷移過程進行研究。本文以電廠循環冷卻塔塔底黏泥中分離純化出的黏液形成菌為實驗菌種，綜合考慮隨機布朗運動與趨化性，對微生物運動特性進行分析。

黏液形成菌 布朗運動 趨化運動

在循環冷卻水中，由于碳源和氮源的存在，加之含鹽量較大，為微生物滋生提供了營養物質。微生物污垢有助于其它污垢的綜合積聚，造成流動阻力增大，傳熱效率下降，管壁熱阻增加，換熱設備腐蝕速度加快等安全隱患。為解決循環冷卻水系統中微生物過量繁殖、腐蝕、結垢等危害，提高換熱設備效率，需要對致垢微生物的遷移過程進行研究。Adler［1］證實細菌的趨化作用是由特異性受體所介導，才開始了細菌趨化反應的現代研究。Berg［2］證明了沿著吸引劑梯度上升的方向，細菌泳動長度明顯變大，細菌運動方向的改變和梯度的方向關系不大。Hyon［3］證明了細菌具有自主運動能力，可以通過鞭毛改變運動方向。至今為止，還沒有相關文獻針對循環冷卻水中的致垢細菌的運動行為進行研究。為此，本文針對循環冷卻水中黏液形成菌的運動特性進行分析。

1　細菌運動機理

1.1細菌趨化性

細菌對化學物質的濃度梯度產生趨向或離避的反應叫細菌趨化性。細菌有兩種運動方式：泳動和翻滾。遇到化學吸引劑時，細菌向高濃度吸引劑的方向直線泳動，不出現翻滾現象，這種朝向刺激源的運動稱為正向趨化性。遇到趨避劑時，細菌立即產生翻滾運動并沿其遞減的濃度梯度泳動，這種與刺激源反向的運動稱為負向趨化性。在濃度相同的化學環境中，細菌保持一定的翻滾頻率，呈常態運動。

1.2細菌布朗運動

粒徑小于5mμ的顆粒在溶液中隨機游走被稱為布朗運動。每個液體分子對小顆粒有一定的瞬時沖力。由于分子運動的無規則性，每個分子撞擊時對小顆粒的沖力大小、方向都各不相同，因此布朗運動的方向也是無規則的。細菌在水中運動不免會受到布朗運動的干擾。

2　細菌運動實驗

2.1實驗材料

2.1.1菌株

從電廠循環冷卻塔塔底黏泥中分離純化得到黏液形成菌。

2.1.2培養基

液體培養基：牛肉膏，0.75g；蛋白胨，2.5g；氯化鈉，1.25g；加水至250mL；調節pH值為7。

固體培養基：蛋白胨，2.5g；瓊脂，5g；加水至250mL。高壓滅菌后倒入培養皿中冷卻至凝固。

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吸引劑溶液：蛋白胨，0.3g；加水至100mL。

2.2實驗儀器

生物光學顯微鏡、電子分析天平、YXQ-SG46280S型壓力蒸汽滅菌鍋、LRH-70型生化培養箱、pH計、玻璃器皿等。

2.3實驗方法

2.3.1平板菌落計數法

采用平板菌落計數法中的涂布法對菌懸液的細菌濃度進行測量。

2.3.2顯微攝影法

2.3.3半固體瓊脂平板法

采用半固體瓊脂平板法實驗觀察黏液形成菌對營養物質的趨化現象。本文選擇蛋白胨為營養物質，較少量的瓊脂作為培養基的凝固劑。用滴管取0.05mL細菌于半固體培養基上，在生化培養箱中恒溫培養48h，觀察細菌的生長狀態，評估黏液形成菌對蛋白胨的趨化反應。

3　實驗結果

3.1細菌平均運動速度

在連續50s內，采樣時間間隔為1s，對30個運動細菌的位置信息進行采集。經過對細菌位置數據的分析處理，黏液形成菌的平均運動速度為。

3.2細菌運動分析

3.2.1趨化行為

通過實驗發現，菌斑處菌群呈現出邊緣密集而中間稀薄的遞進狀態。若菌斑形成完全由擴散控制，菌斑密度應該從中心到四周不斷降低，形成一個連續的從內到外濃度降低的發散形狀，與實際形成的菌斑相比，說明在半固體瓊脂平板中的黏液形成菌此時并不是完全由擴散控制。而是因為細菌生長繁殖將中間的營養物質消耗后，為了能夠繼續生存下去，黏液形成菌菌群朝著營養物濃度相對較高的地方遷移，致使菌斑周邊的密度較高。通過這一現象，可以證明黏液形成菌對蛋白胨具有趨化行為。

3.2.2細菌能動性

在菌斑外圍形成白圈，是由于半固體瓊脂培養基中瓊脂含量很低，致使黏液形成菌的運動阻力較小，這必然會導致黏液形成菌中一些運動能力更強的細菌在平板中遷移到營養物質更豐富的地方，只是這樣的細菌相對于整個黏液形成菌菌斑中的細菌量是少數的，因此形成了圖中菌斑外側的二次菌環，證明了黏液形成菌的能動性。

4　結果與討論

（1）通過半固體瓊脂平板法，發現黏液形成菌對蛋白胨產生明顯的趨化響應，在半固體培養基上形成明顯的趨化圈。

（2）利用高倍光學顯微鏡，采集了黏液形成菌在溶液中運動圖像，并跟蹤單個細菌粒子，測得黏液形成菌的運動速度。

（3）通過機理分析，揭示細菌在溶液中運動特性，為解決循環冷卻水中微生物污垢提出了一種新的可能。

［1］Adler J， Dahl M， Margert. A method for measuring the motility of bacteria and for comparing random and non-random motility.J Gen Microbiol，1967，46：161-173.

［2］Berg H C， Brown D A. Chemotaxis in Escherichia coli analysed by three-dimensional tracking.Nature，1972，239：500-504.

［3］Hyon Y， Marcos， Powers T R， et al. The wiggling trajectories of bacteria. Journal of fluid mechanics， 2012，705（S1）：58-76.

［4］Keller E F， Segel L A. Model for chemotaxis. J Theor Biol，1971，30：225-234.