Bakterienwachstum-Simulation

Über dieses Experiment

Vergleichen Sie Temperatur, Nährstoffkapazität und verstrichene Zeit in einer virtuellen Bakterienkultur. Legen Sie unabhängige virtuelle Verdünnungsplatten an, zählen Sie die Kolonien und schätzen Sie daraus die ursprüngliche Kulturpopulation.

Lernziele

Wachstumsrate und Tragfähigkeit voneinander trennen.
Erkläre, wie eine Verdünnung die Plattenzählung verändert, nicht aber die ursprüngliche Kultur.
Vergleiche eine verrauschte Schätzung der Kolonienzahl mit der Modellpopulation.

Anleitung

1Lass die Standardkultur über ihre Lag-Phase hinaus wachsen und speichere eine Populationsmessung.
2Plattiere eine virtuelle Probe und ändere anschließend die Verdünnung, ohne diese Platte zu ersetzen.
3Plattiere wiederholt Proben zum gleichen Zeitpunkt und vergleiche die Variabilität der Zählwerte.
4Vergleiche eine nährstofflimitierte Kultur mit einem Wachstumsexperiment mit Temperaturbegrenzung.

Das Modell

N (t) = \frac{K}{1 + ( K / N _{0} - 1 ) e ^{- r m a x (0, t - t_{l a g})}}

Während der Lag-Phase bleibt die Kultur auf ihrer anfänglichen Populationsgröße.

N^= \frac{C 1 0 ^{d} V _{c u l t u r e}}{V _{pl a t e}}

Ein Koloniezählergebnis wird anhand der Verdünnung und des ausgestrichenen Volumens korrigiert.

Annahmen

Für die virtuelle 10-mL-Kultur wird eine konstante effektive Tragfähigkeit angenommen, die der Tragfähigkeit bei voller Nährstoffversorgung multipliziert mit der Nährstoffverfügbarkeit entspricht.
Das Wachstum beginnt erst nach der gewählten Lag-Phase und folgt einer deterministischen logistischen Kurve. Die gaußförmige Temperaturantwort hat ein anschauliches Optimum bei 37 °C; sie ist nicht auf einen bestimmten Stamm kalibriert.
Es wird angenommen, dass jede lebensfähige Kultureinheit eine Kolonie hervorbringt. Die erwartete Kolonienzahl entspricht der Population multipliziert mit dem plattierten Volumen und dividiert durch das Kulturvolumen und den zehnfachen Verdünnungsfaktor.
Für Erwartungswerte unter 50 werden exakte, vorab festgelegte Poisson-Stichproben verwendet; oberhalb dieser Schwelle kommt eine nichtnegative gerundete Normalapproximation zum Einsatz. Durch die Stichprobenahme wird kein Kulturmaterial entfernt.
Der übliche zählbare Bereich von 30 bis 300 Kolonien dient als Orientierung für den Unterricht. Eine Überlappung der Kolonien bei mehr als 300 wird als geschlossene Fläche dargestellt; die numerische Zählung wird fortgesetzt.

Im Unterricht ausprobieren

Q1Warum ergibt eine stärker verdünnte Platte weniger Kolonien, aber eine ähnliche korrigierte Schätzung der Population?
Q2Warum können sich zwei zum selben Kulturzeitpunkt entnommene Platten unterscheiden?

Häufig gestellte Fragen

Verändert eine Änderung der Verdünnung die bereits vorhandene Platte?

Nein. Für jede Platte werden der Probenahmezeitpunkt, die Verdünnung, das Volumen und die Kolonienzahl gespeichert. Neue Einstellungen gelten nur für die nächste Probe.

Sind diese Bedingungen für die Kultivierung echter Bakterien geeignet?

Die Bedienelemente beschreiben ein mathematisches Lehrmodell, kein praktisches Kulturprotokoll und keinen gemessenen Organismus.