不同浓度营养物质对细菌菌落分形生长的影响
() March 1998 1998 年 3 月自然科学版安徽大学学报
第 22 卷 第 1 期 Vol . 22 No . 1 Journal of Anhui U niversity Nat ural Science Editio n
不同浓度营养物质
对细菌菌落分形生长的影响
荚荣王靖 吴福华孙传香
() 安徽大学生物系 合肥 230039
摘 要 枯草芽孢杆菌于 37 ?条件下培养 ,在不同浓度的蛋白胨琼脂培养基上菌落形
态发生变化 ,体现了生物体的形态分形现象 ,初步研究其分形的生物学原因和规律 。
关键词 枯草芽孢杆菌 ,营养物质 ,菌落 ,分形
中图分类号 Q 934
自然界中充满了许多由非平衡生长而自发形成的美妙图案 ,如冬天的雪花 ,生长在野外的大树 ,珊瑚礁的形成等等 。长期以来 ,科学家就一直研究这些图案的形成过程及本 质 ,推测这些相似性的图案是否具有共 同 的 形 成 原 因 或 效 应 。近 年 来 , 随 着 分 形 几 何 1 学 的研究深入和计算机模拟技术的日趋成熟 ,科学家引入“分形”这一概念并相应提出
2 3 4 DL A 模型,DBM 模型和 Eden 模型等来解释上述现象 。生物学 ,有一种全新的观5 点,认为 DNA 自身就是一个分形体 ,内部包含不同层次的“DNA”,复制仅是信息和功
能的分形
现 ,当 DNA 受到损伤发生变异 , 出现不对称 、不平衡 , 影响到生物体的分形性 ,从而阻碍了其作为信息模板的表述 。癌 ,目前仍是未能被完全征服的令人恐怖的疾病 之一 ,将分形理论用于癌的研究 ,是近年来才开辟的新方向 。目前 ,关于细菌的分形生长
6 7 国外已有报道,国内的报道较少 ,本文通过比较细菌菌落形态的分形生长 ,以期获得
对分形这种自然界普遍存在的现象一个深入的了解 。
1
与
1 . 1 菌 种
枯草芽孢杆菌 A S1 . 140
1 . 2 培养基及配方
1 . 2 . 1 5 种浓度的蛋白胨 - 琼脂培养基 : 蛋白胨 10g 、5g 、2g 、0 . 5g 、0 . 25g5 种 , Nac15g , KHPO5g ,琼脂 15g ,蒸馏水 1000 ml , P H7 - 7 . 1 ,15 磅 20 分钟灭菌 。倒平板 ,冷却 ,置室 2 4
温下 12 - 14 h ,随后将表面皿转移至温箱中 50 ?倒置 ,干燥 40 - 50 min ,待接种 。
1 . 2 . 2 淀粉 - 琼脂培养基 :可溶性淀粉 2g ,琼脂 15g ,蒸馏水 1000 mL ,自然 p H ,15 磅 20
分钟灭菌 ,倒平板 。 ( ) 甘 油 葡 萄 糖 蛋 白 胨1 . 2 . 3 琼 脂 培 养 基 : 甘 油 4 mL , 蛋 白 胨 0 . 25g ,
收稿日期 :1997 - 04 - 09
NaCl 5g , KHPO5g , 琼脂 15g , 蒸馏水 1000 mL ,p H 7 - 7 . 1 ,葡萄糖 5g , 蛋白胨 0 . 25g , 2 4
NaCl 5g , KHPO5g ,琼脂 15g ,蒸馏水 1000 mL ,p H 7 - 7 . 1 灭菌 ,倒平板 。2 4
1 . 3 接种培养
1 . 3 . 1 用特制的具球状结构的接种针在不同的蛋白胨浓度平皿上接种 ,要求每接种点位 于正中央 ,接种后 ,送至 37 ?恒温箱中培养 ,三天后观察结果 。
1 . 3 . 2 做 10g ,5g ,0 . 5g ,0 . 25g 蛋白胨的液体培养基 ,灭菌 ,接种 ,摇床培养 2 - 3 天 。将 直径一致的圆形滤纸片浸润蛋白胨培养液 ,贴放在淀粉平板正中央 ,37 ?培养 48 小时 ,用 碘液显色 。 () 1 . 3 . 3 甘油 葡萄糖蛋白胨 琼脂培养基 :在 0 . 25g 蛋白胨 琼脂培养基中加入 4 mL 甘油 ,在另一个 0 . 25g 蛋白胨 琼脂培养基中加入 5g 葡萄糖 ,接种至 37 ?恒温箱中培养
3 天 ,待观察 。
1 . 3 . 4 染色镜检 芽孢染色镜检其菌体和芽孢大小 。
2 结果与讨论
2 . 1 菌落形态 枯草芽孢杆菌 A S1 . 140 在不同蛋白胨 琼脂培养基上菌落形态出现其规律性 。见图 1 。
10g 5g 2g 0 . 5g 0 . 25g
图 1 枯草芽孢杆菌的菌落形态
Fujikawa 等认为 DL A 模型可以解释这种分形现象 ,营养物质浓度高时比如 10g 蛋白胨浓度 ,细菌是按 Eden 模型描述方式生长的 ,因而形成密集的圆形 ,营养物质浓度低 ,细 菌分形生长方式符合 DL A 模型 。然而国内有一种观点认为 ,细菌生长是通过其自身一代
一代地繁殖 ,由内向外发展过程 ,而 DL A 模型描述的远处粒子 向中心随机扩散凝聚的结
果 ,尽管在营养浓度较低时 ,菌落生长形貌与 DL A 模型相似 ,但两者形成过程不同 ,菌落
第 1 期孙传香等 :不同浓度营养物质对细菌菌落分形生长的影响103
菌落生长过程中的随机性决定了其形貌特征 ,营养物质及扩散 ,温度 ,湿度等都会对其形
貌的发展产生重要影响 。
2 . 2 个体形态比较 琼 脂 培 养 基 上 分 形 生 长 的 枯 草 芽 孢 杆 菌将 10g ,5g , 2g , 0 . 5g , 0 . 25g 蛋 白 胨
A S1 . 140染色 ,在光学显微镜下可清楚的观察到 ,随蛋白胨浓度降低 ,菌体长度变小 ,芽孢
增大 。
2 . 3 淀粉平板水解活性比较 经碘液显色后 ,淀粉 琼脂培养基上 ,枯草芽孢杆菌 A S1 . 140 在不同浓度蛋白胨上
生长分解淀粉形成透明圈情况如图 2 。
图 2 枯草杆菌在不同浓度蛋白胨上分解淀粉的状况
从图 2 可以看出 10g 蛋白胨产生的水解透明圈最大 ,随蛋白胨浓度的减少呈递减趋
势 ,反映了菌体在不同蛋白胨浓度下产淀粉酶的能力 。
2 . 4 添加甘油 、葡萄糖对细菌分形的影响
0 . 25g 蛋白胨 , + 4mL 甘油0 . 25g 蛋白胨 + 5g 葡萄糖
图 3 枯草杆菌在添加剂的培养基中的菌落形态
将图 3 与图 2 比较 ,不难发现添加甘油 、葡萄糖后 ,分形生长都向蛋白胨浓度高的阶 琼段回复 。分形的形成正是依赖于浓度和繁殖率 ,枯草芽孢杆菌 A S1 . 140 在蛋白胨
脂培养基上生长 ,蛋白胨是唯一的碳 、氮源 ,菌体生长必然受到 C 、N 的双重制约 。当 0 .
25g 蛋白胨加入 4 ml 甘油或 5g 葡萄糖时 ,在枯草芽孢杆菌生长环境里添加了碳源 ,作为最适碳源的葡萄糖的补充 ,使细菌生长表现出典型的 DL A 模型 ,而枯草杆菌对甘油的利 用是有限的 ,作者认为正是一种生物的自组织现象 ,也就是说枯草杆菌随着增殖趋势 ,可
以由一种无序状态逐步向有序状态发展 ,包括由点 、带扩散成同心园 ,辐射状态花纹图案 。
() ( ) 1995 年前后 ,美国加州大学分校的奇姆 L . Tsimring莱文 H. L evine等人发现细菌围着一个它们自己排放的扩散型化学诱剂聚集 ,而图案的形成则来自于上述反应中复杂的相 互作用 ,以及细菌的蔓延速度 。
5 自然界中的分形现象是普遍存在的 ,环境对分形产生极大影响 ,生物系统更复杂, 生物体的分形现象多种多样 ,这是因为生物体对外界环境有更大的能动性和适应性 ,本文 只是对细菌分形生长作了初步研究及探讨 。
参 考 文 献
( ) 1 B . B . Mandelbrot : The Fractal Geo met ry of Nat ure Freeman ,san Francisco , 1982
()T. A. Witlen and L . M . Sander , Phys. Rev. let t ,47 , 1400 1981 2
()G. Deut scher and Y. L ereah , Phys. Rev. let t ,60 , 1510 1988 3
M . Eden , Proc ,4t h Ber keley Symp ,On Mat hematics , Statistics and Probability. vol . 4 F. Neyman , 4
()ed. P233 1961
()李后强 ,程光铖 . 分形与分维 . 成都 :四川教育出版社 ,68 1990 5
()Eshel Ben - jaco and Adam Tenenbaum ,Nat ure ,Vol 368 ,3 March1994 6
Effect s of t he Co ncent ratio n Field of N ut rient
o n Bacterial Colo ny Fo r matio n
J i a R on g W a n g J i n g W u Fu h u a S u n Ch u a n x i a n g
()Biology Depart ment Anhui U niversity Hefei 230039
Abstract A B aci l l us s ubt i l is st rain was incubated at 37 ?. It has been fo und to growwit h vario us colo nial mo rp hology under a certain amo unt of pep to ne - agar plates ,w hich em2 bo dies t he f ractal of o rganisms. The essay is a p riliminary st udy of t he biological law and rea2 so ns of t he f ractal .
Key words B aci l l us s ubt i l is ,nut rient ,colo ny , f ractal