Войти
Импедансная микробиология - это микробиологический метод, используемый для измерения микробной числовой плотности (в основном бактерий, но также дрожжей ) образца путем мониторинга электрических параметров питательной среды . Способность микробного метаболизма изменять электрическую проводимость питательной среды была обнаружена Стюартом и дополнительно изучена другими учеными, такими как Окер-Блом, Парсон и Эллисон, в первой половине 20 век. Однако только в конце 1970-х годов, благодаря компьютерным -управляемым системам, используемым для мониторинга импеданса, этот метод показал весь свой потенциал, как это обсуждалось в работах Фистенберга-Идена. Eden, Ur Brown и Cady.
Рисунок 1: Эквивалентная электрическая схема для моделирования пары электродов, находящихся в непосредственном контакте с жидкой средой Когда пара электродов погружена в питательную среду, можно смоделировать систему, состоящую из электродов и электролита. с электрической схемой на фиг.1, где R m и C m - это сопротивление и емкость объемной среды, в то время как R i и C i - это сопротивление и емкость поверхности раздела электрод-электролит. Однако, когда частота синусоидального тестового сигнала , подаваемого на электроды, относительно мала (ниже 1 МГц), объемной емкостью C m можно пренебречь и Система может быть смоделирована более простой схемой, состоящей только из последовательно соединенных сопротивления R s и емкости C s. Сопротивление R s учитывает электропроводность объемной среды, в то время как емкость C s обусловлена емкостным двойным слоем на границе раздела электрод-электролит. Во время фазы роста бактериальный метаболизм превращает незаряженные или слабо заряженные соединения основной массы в сильно заряженные соединения, которые изменяют электрические свойства среды. Это приводит к уменьшению сопротивления R s и увеличению емкости C s.
. В методике импедансной микробиологии, образец с исходной неизвестной концентрацией бактерий (C 0) помещают при температуре, благоприятствующей росту бактерий (в диапазоне от 37 до 42 ° C, если целью является популяция мезофильных микробов), и электрические параметры R s и C s измеряют при регулярном с интервалом в несколько минут с помощью пары электродов, находящихся в непосредственном контакте с образцом.
Пока концентрация бактерий не станет ниже критического порога C TH, электрические параметры R s и C s остаются практически постоянными (при их базовых значениях). C TH зависит от различных параметров, таких как геометрия электрода, штамм бактерий, химический состав питательной среды и т.д., но всегда находится в диапазоне от 10 до 10 КОЕ / мл.
Когда концентрация бактерий увеличивается выше C TH, электрические параметры отклоняются от своих исходных значений (обычно в случае бактерий наблюдается уменьшение R s и увеличение C s, в случае дрожжей происходит обратное).
Время, необходимое для отклонения электрических параметров R с и C с от их базового значения, называется временем обнаружения (DT) и является параметром, используемым для оценить исходную неизвестную концентрацию бактерий C 0.
Фиг. 2: Кривая R s и кривая концентрации бактерий как функция времени На Фиг. 2 типичная кривая для R s как а также соответствующая концентрация бактерий в зависимости от времени. На фиг. 3 показаны типичные кривые R s в зависимости от времени для образцов, характеризующихся различной концентрацией бактерий. Поскольку DT - это время, необходимое для роста концентрации бактерий от начального значения C 0 до C TH, сильно загрязненные образцы характеризуются более низкими значениями DT, чем образцы с низкой концентрацией бактерий.. Учитывая C 1, C 2 и C 3 бактериальную концентрацию в трех образцах с C 1>C2>C3, это DT 1< DT2< DT3. Литературные данные показывают, что DT является линейной функцией логарифма C 0:
где параметры A и B зависят от конкретного типа исследуемых образцов, бактериальных штаммов, типа используемой обогащающей среды и так далее. Эти параметры могут быть рассчитаны путем калибровки системы с использованием набора образцов, концентрация бактерий в которых известна, и расчета линии линейной регрессии, которая будет использоваться для оценки концентрации бактерий на основе измеренного DT.
Фигура 3: Кривые R s для образцов, характеризующихся различной концентрацией бактерий в зависимости от времени. Импедансная микробиология имеет различные преимущества по сравнению со стандартным методом подсчета на планшете для измерения концентрации бактерий. Он отличается более быстрым откликом. В случае мезофильных бактерий время отклика колеблется от 2–3 часов для сильно загрязненных образцов (10–10 КОЕ / мл) до более 10 часов для образцов с очень низкой концентрацией бактерий (менее 10 КОЕ / мл). Для сравнения, для тех же штаммов бактерий метод подсчета на чашках характеризуется временем отклика от 48 до 72 часов.
Импедансная микробиология - это метод, который можно легко автоматизировать и внедрить как часть промышленного оборудования или реализовать как встроенный портативный датчик, а подсчет планшетов - это ручной метод, который должен выполняться в лаборатории обученным персоналом.
За последние десятилетия были созданы различные приборы (лабораторные или коммерчески доступные) для измерения концентрации бактерий с использованием импедансной микробиологии. Одним из самых продаваемых и широко применяемых в отрасли приборов является бактометр от Biomerieux. Оригинальный прибор 1984 года оснащен мультиинкубаторной системой, способной контролировать до 512 образцов одновременно с возможностью установки 8 различных температур инкубации. Другие инструменты с характеристиками, сопоставимыми с бактометром, - это Malthus от Malthus Instruments Ltd (Бери, Великобритания), RABIT от Don Whitley Scientific (Шипли, Великобритания) и Bac Trac от Sy-Lab (Пуркенсдорф, Австрия). Недавно была предложена портативная встроенная система для измерения концентрации микробов в жидких и полужидких средах с использованием импедансной микробиологии. Система состоит из терморегулируемой инкубационной камеры, в которой хранится тестируемый образец, и контроллера для терморегуляции и измерения импеданса.
Импедансная микробиология широко использовалась в последние десятилетия для измерения концентрации бактерий и дрожжей в различных типах образцов, в основном для обеспечения качества в пищевой промышленности. К некоторым приложениям относятся определение срока годности пастеризованного молока и измерение общей концентрации бактерий в сыром молоке, замороженных овощах, зерновых продуктах, мясных продуктах и пиве. Этот метод также использовался в мониторинге окружающей среды для определения концентрации кишечной палочки в образцах воды, а также других бактериальных патогенов, таких как кишечная палочка, присутствующих в водоемах, в фармацевтической промышленности для проверки эффективности новых антибактериальных агентов и тестирования конечных продуктов..
