黏液形成菌运动特性分析

李星潼 王云汉 吕昌旗（东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林 132012）

黏液形成菌运动特性分析

李星潼 王云汉 吕昌旗
（东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林 132012）

微生物污垢普遍存在于工业循环冷却水系统中，降低换热设备的换热效率，腐蚀生产设备与监测设备，是工业生产的安全隐患，造成能源与经济损失。为了抑制微生物污垢的形成，需要对致垢微生物迁移过程进行研究。本文以电厂循环冷却塔塔底黏泥中分离纯化出的黏液形成菌为实验菌种，综合考虑随机布朗运动与趋化性，对微生物运动特性进行分析。

黏液形成菌 布朗运动 趋化运动

在循环冷却水中，由于碳源和氮源的存在，加之含盐量较大，为微生物滋生提供了营养物质。微生物污垢有助于其它污垢的综合积聚，造成流动阻力增大，传热效率下降，管壁热阻增加，换热设备腐蚀速度加快等安全隐患。为解决循环冷却水系统中微生物过量繁殖、腐蚀、结垢等危害，提高换热设备效率，需要对致垢微生物的迁移过程进行研究。Adler［1］证实细菌的趋化作用是由特异性受体所介导，才开始了细菌趋化反应的现代研究。Berg［2］证明了沿着吸引剂梯度上升的方向，细菌泳动长度明显变大，细菌运动方向的改变和梯度的方向关系不大。Hyon［3］证明了细菌具有自主运动能力，可以通过鞭毛改变运动方向。至今为止，还没有相关文献针对循环冷却水中的致垢细菌的运动行为进行研究。为此，本文针对循环冷却水中黏液形成菌的运动特性进行分析。

1　细菌运动机理

1.1细菌趋化性

细菌对化学物质的浓度梯度产生趋向或离避的反应叫细菌趋化性。细菌有两种运动方式：泳动和翻滚。遇到化学吸引剂时，细菌向高浓度吸引剂的方向直线泳动，不出现翻滚现象，这种朝向刺激源的运动称为正向趋化性。遇到趋避剂时，细菌立即产生翻滚运动并沿其递减的浓度梯度泳动，这种与刺激源反向的运动称为负向趋化性。在浓度相同的化学环境中，细菌保持一定的翻滚频率，呈常态运动。

1.2细菌布朗运动

粒径小于5mμ的颗粒在溶液中随机游走被称为布朗运动。每个液体分子对小颗粒有一定的瞬时冲力。由于分子运动的无规则性，每个分子撞击时对小颗粒的冲力大小、方向都各不相同，因此布朗运动的方向也是无规则的。细菌在水中运动不免会受到布朗运动的干扰。

2　细菌运动实验

2.1实验材料

2.1.1菌株

从电厂循环冷却塔塔底黏泥中分离纯化得到黏液形成菌。

2.1.2培养基

液体培养基：牛肉膏，0.75g；蛋白胨，2.5g；氯化钠，1.25g；加水至250mL；调节pH值为7。

固体培养基：蛋白胨，2.5g；琼脂，5g；加水至250mL。高压灭菌后倒入培养皿中冷却至凝固。

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吸引剂溶液：蛋白胨，0.3g；加水至100mL。

2.2实验仪器

生物光学显微镜、电子分析天平、YXQ-SG46280S型压力蒸汽灭菌锅、LRH-70型生化培养箱、pH计、玻璃器皿等。

2.3实验方法

2.3.1平板菌落计数法

采用平板菌落计数法中的涂布法对菌悬液的细菌浓度进行测量。

2.3.2显微摄影法

2.3.3半固体琼脂平板法

采用半固体琼脂平板法实验观察黏液形成菌对营养物质的趋化现象。本文选择蛋白胨为营养物质，较少量的琼脂作为培养基的凝固剂。用滴管取0.05mL细菌于半固体培养基上，在生化培养箱中恒温培养48h，观察细菌的生长状态，评估黏液形成菌对蛋白胨的趋化反应。

3　实验结果

3.1细菌平均运动速度

在连续50s内，采样时间间隔为1s，对30个运动细菌的位置信息进行采集。经过对细菌位置数据的分析处理，黏液形成菌的平均运动速度为。

3.2细菌运动分析

3.2.1趋化行为

通过实验发现，菌斑处菌群呈现出边缘密集而中间稀薄的递进状态。若菌斑形成完全由扩散控制，菌斑密度应该从中心到四周不断降低，形成一个连续的从内到外浓度降低的发散形状，与实际形成的菌斑相比，说明在半固体琼脂平板中的黏液形成菌此时并不是完全由扩散控制。而是因为细菌生长繁殖将中间的营养物质消耗后，为了能够继续生存下去，黏液形成菌菌群朝着营养物浓度相对较高的地方迁移，致使菌斑周边的密度较高。通过这一现象，可以证明黏液形成菌对蛋白胨具有趋化行为。

3.2.2细菌能动性

在菌斑外围形成白圈，是由于半固体琼脂培养基中琼脂含量很低，致使黏液形成菌的运动阻力较小，这必然会导致黏液形成菌中一些运动能力更强的细菌在平板中迁移到营养物质更丰富的地方，只是这样的细菌相对于整个黏液形成菌菌斑中的细菌量是少数的，因此形成了图中菌斑外侧的二次菌环，证明了黏液形成菌的能动性。

4　结果与讨论

（1）通过半固体琼脂平板法，发现黏液形成菌对蛋白胨产生明显的趋化响应，在半固体培养基上形成明显的趋化圈。

（2）利用高倍光学显微镜，采集了黏液形成菌在溶液中运动图像，并跟踪单个细菌粒子，测得黏液形成菌的运动速度。

（3）通过机理分析，揭示细菌在溶液中运动特性，为解决循环冷却水中微生物污垢提出了一种新的可能。

［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.