Импедансная микробиология

Импедансная микробиология — это микробиологический микробов метод, используемый для измерения численности (в основном бактерий, но также и дрожжей ) в образце путем мониторинга электрических параметров питательной среды . Способность микробного метаболизма изменять электропроводность питательной среды была открыта Стюартом. и далее изучен другими учеными, такими как Окер-Блом, Парсон и Эллисон в первой половине 20 века. Однако только в конце 1970-х годов, благодаря системам с компьютерным управлением, используемым для контроля импеданса , этот метод показал свой полный потенциал, как обсуждается в работах Фистенберг-Идена и Идена. Ур и Браун и Кэди.

Принцип работы

Рисунок 1. Эквивалентная электрическая схема для моделирования пары электродов, находящихся в непосредственном контакте с жидкой средой.

Когда пара электродов погружена в ростовую среду, систему, состоящую из электродов и электролита, можно смоделировать с помощью электрической схемы рис. 1, где R _m и C _m — сопротивление и емкость объемной среды, а R _i C _i — сопротивление и емкость границы раздела электрод-электролит. Однако, когда частота синусоидального тестового сигнала , подаваемого на электроды, относительно мала (менее 1 МГц), объемной емкостью C _m можно пренебречь и смоделировать систему с помощью более простой схемы, состоящей только из сопротивления R _s и емкости Cs _{последовательно} . Сопротивление R _s отвечает за электропроводность объемной среды, а емкость C _s обусловлена ​​двойным емкостным слоем на границе раздела электрод-электролит. В фазе роста бактериальный метаболизм превращает незаряженные или слабозаряженные соединения объемной среды в высокозарядные соединения, изменяющие электрические свойства среды. Это приводит к уменьшению сопротивления R _s и увеличению емкости C _s .

Метод импедансной микробиологии работает следующим образом: образец с начальной неизвестной концентрацией бактерий (C ₀ ) помещают при температуре, способствующей росту бактерий (в диапазоне от 37 до 42 ° C, если целью является мезофильная микробная популяция), а электрические параметры R _s и C _s измеряются через регулярные промежутки времени 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 по существу постоянными (на своих 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 10 ⁶ до 10 ⁷ КОЕ/мл.

Когда концентрация бактерий превышает CTH _, электрические параметры отклоняются от своих исходных значений (обычно в случае бактерий происходит уменьшение Rs _и увеличение Cs _, в случае дрожжей происходит обратное).

Время, необходимое для отклонения электрических параметров R _s и C _s от их базового значения, называется временем обнаружения (DT) и является параметром, используемым для оценки начальной неизвестной концентрации бактерий C ₀ .

Рисунок 2: Кривая R _s и кривая концентрации бактерий как функция времени

На рис. 2 представлена ​​типичная кривая зависимости R _s , а также соответствующей концентрации бактерий от времени. На рис. 3 показаны типичные кривые R _s от времени для образцов, характеризующихся различной концентрацией бактерий. Поскольку DT – это время, необходимое для роста концентрации бактерий от исходного 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 трех образцов с C ₁ > C ₂ > C ₃ , она равна DT ₁ < DT ₂ < DT ₃ . Данные литературы показывают, что DT является линейной функцией логарифма C ₀ :

$DT=A\cdot \log _{10}(C_{0})+B$

где параметры A и B зависят от конкретного типа тестируемых образцов, штаммов бактерий, типа используемой обогащающей среды и т. д. Эти параметры можно рассчитать 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.

Рисунок 3: Кривые R _s для образцов с различной концентрацией бактерий в зависимости от времени

Импедансная микробиология имеет различные преимущества по сравнению со стандартным методом подсчета чашек для измерения концентрации бактерий. Он характеризуется более быстрым временем отклика. В случае мезофильных бактерий время реагирования составляет 2–3 часа для сильно загрязненных образцов (10 ⁵ - 10 ⁶ КОЕ/мл) до более 10 часов для образцов с очень низкой концентрацией бактерий (менее 10 КОЕ/мл). Для сравнения: для тех же бактериальных штаммов метод чашечного подсчета характеризуется временем ответа от 48 до 72 часов.

Импедансная микробиология — это метод, который можно легко автоматизировать и внедрить как часть промышленного оборудования или реализовать в виде встроенного портативного датчика, тогда как подсчет чашек — это ручной метод, который должен выполняться в лаборатории опытным персоналом.

Инструментарий

За последние десятилетия были созданы различные инструменты (как лабораторные, так и коммерчески доступные) для измерения концентрации бактерий с использованием импедансной микробиологии. Одним из самых продаваемых и хорошо принятых приборов в отрасли является бактометр. от Биомерье. Оригинальный прибор 1984 года оснащен мультиинкубаторной системой, способной контролировать до 512 образцов одновременно и устанавливать 8 различных температур инкубации. Другими приборами с характеристиками, сравнимыми с бактометром, являются Malthus от Malthus Instruments Ltd (Бери, Великобритания), КРОЛИК от Don Whitley Scientific (Шипли, Великобритания) и Bac Trac от Sy-Lab (Пуркенсдорф, Австрия). Недавно была предложена портативная встраиваемая система для измерения концентрации микробов в жидких и полужидких средах с использованием импедансной микробиологии. Система состоит из терморегулируемой инкубационной камеры, в которой хранится испытуемый образец, и контроллера для терморегуляции и измерения импеданса.

Приложения

Импедансная микробиология широко использовалась в последние десятилетия для измерения концентрации бактерий и дрожжей в различных типах проб, главным образом для обеспечения качества в пищевой промышленности. Некоторые приложения: определение срока годности пастеризованного молока. и показатель общей концентрации бактерий в сыром молоке, замороженные овощи, зерновые продукты, мясные продукты и пиво. Этот метод также использовался при мониторинге окружающей среды для обнаружения концентрации колиформ в пробах воды, а также других бактериальных патогенов, таких как кишечная палочка, присутствующих в водоемах. в фармацевтической промышленности для проверки эффективности новых антибактериальных средств и тестирование конечной продукции.