培养皿：微生物学与细胞生物学的基石工具

引言

自19世纪末，Julius Richard Petri的创新设计——培养皿，开启了微生物学和细胞生物学研究的新篇章。这一小巧而实用的工具，以其独特的构造和功能，不仅简化了实验操作，更提升了实验精度，成为了科研领域中不可或缺的基础装备。本文将介绍培养皿的历史、组成部分、种类、应用及相关注意事项。

图1、培养皿

培养皿的历史

培养皿是一种小型、浅而透明的带盖容器，主要用于生物实验中的细胞培养。例如，在微生物学实验中，培养皿作为容器用来在其中放置生长培养基，以培养微生物。它得名于其发明者，德国细菌学家Julius Richard Petri，因此也被称为Petri盘或培养平板。

培养皿的历史可以追溯到19世纪，当时德国细菌学家Julius Richard Petri在著名微生物学家Robert Koch的实验室工作时首次发明了培养皿。在那个时期，细菌通常在装有固体培养基的试管或烧瓶中培养，这使得处理和观察都相当困难。

Petri通过改进旧方法并设计出一种浅而平的容器来解决这一问题，这种容器便于观察和操作细菌菌落。1887年，他发表了题为《Eine kleine Modification des Kochschen Platten Verfahrens》（对Koch平板方法的小型改良）的工作，在这篇论文中描述了这种新容器的设计和用途，后来这个容器就被称为Petri培养皿。

培养皿的组成部分

培养皿的主要组成部分包括一个透明的容器以及与其相配的盖子。通常使用石蜡膜(parafilm)来密封培养皿，防止内部环境与外界交流。底碟是较大的部分，用于盛放培养基，并提供一个稳定的基座。底碟通常是平坦的，边缘略带凸起，以防培养基溢出。在底碟上会进行标记，如日期、样品名称、使用的培养基类型或其他相关信息。

同样地，盖子是培养皿较小的部分，能够紧密地覆盖在底碟之上。它保护培养基免受污染并减少水分蒸发。盖子的尺寸略大于底碟。和底碟一样，盖子也是透明的，这样就可以方便地观察到培养皿内部的样本情况。

图2、培养皿的组成部分

培养皿的种类

根据形状分类： 通常，培养皿是圆柱形的，直径范围从30到200毫米不等。此外，也有正方形和矩形的培养皿可供选择。

根据使用性分类： 它们可能是可重复使用的或一次性使用的，这取决于制造材料的类型。可重复使用的培养皿在耐用性方面表现良好，能够承受反复的干湿灭菌程序。

根据材质分类： 它们可以由玻璃、聚苯乙烯、聚丙烯或醋酸纤维素制成。

1、玻璃：常使用的是硼硅酸盐玻璃，这种材料耐热，适合在高压灭菌器或实验室烘箱中进行高温灭菌，温度可达120-160°C。

2、塑料：如果交叉污染是一个问题，塑料培养皿是很好的选择，因为它们是一次性的。然而，它们在低温下的性能较差。

3、聚苯乙烯培养皿是一次性的，价格便宜，在工业和临床环境中常规微生物检测中应用广泛。聚丙烯培养皿轻便，耐热且耐化学腐蚀，比玻璃培养皿更耐用。醋酸纤维素：这种类型的培养皿特别适用于需要大量氧气和二氧化碳的场合，因为它具有良好的气体渗透性。丁腈橡胶培养皿适合低温应用，温度范围从-30°F到275°F。

根据隔间分类： 培养皿中的隔间允许在一个单个培养皿中准备多种培养基。隔间的数量可以从2个到4个不等。这些隔间有助于同时进行多个实验或培养不同种类的微生物，而不会相互干扰。

培养皿的应用

培养皿的应用非常广泛，主要用途之一是在其存储空间内培养细胞。使用此方法的一个原因是保护细胞免受污染。另外，玻璃或塑料的透明性有助于观察生物体的生长，而不会干扰它们。有时，培养皿也可以在学校和学院的科学项目中使用，比如观察种子发芽的过程。

一些带有底部网格的培养皿可用于测量培养物的密度。它们还被用于储存液体或颗粒形式的样本，或是小物体，如昆虫和种子。此外，培养皿也可用于样本的蒸发和干燥过程。

制作琼脂平板是培养皿的一种常见应用。下面是制作琼脂平板的简单步骤：

1、向适量的琼脂中加入适量体积的蒸馏水。

2、如果使用营养肉汤或其他生长培养基，将其添加到琼脂混合物中并充分搅拌。

3、将装有琼脂混合物的烧瓶放入高压灭菌器中进行灭菌。

4、小心地将烧瓶从高压灭菌器中取出，让它冷却至可以安全处理但仍保持液态的温度。长时间冷却可能导致烧瓶内的琼脂凝固。

5、在无菌环境下，将液态琼脂混合物倒入无菌的培养皿中。琼脂应填充到约1/4或1/2英寸深。倾倒后，轻轻摇晃培养皿以均匀分布琼脂，并让其凝固。

6、一旦琼脂凝固，用盖子盖住容器，并用石蜡膜包裹以避免干燥和污染。

7、在使用前，将平板存放在冰箱中。

通过以上步骤，你可以获得用于微生物培养的琼脂平板。

培养皿的优点

培养皿的优点如下：

1、提供细胞培养的空间：培养皿为细胞或微生物提供了生长和繁殖的场所。

2、防止污染：培养皿的盖子设计可以有效隔离外部环境，减少污染的机会，确保培养物的纯度。

3、多样化的尺寸和形状：培养皿有多种尺寸和形状可选，这增加了其适用范围，可以满足不同的实验需求。

4、透明特性：由于培养皿的透明属性，实验人员可以在不打开盖子的情况下直接观察内部细胞或微生物的生长情况，这不仅方便了观察，同时也减少了因频繁开启盖子导致的潜在污染风险。

5、可重复使用：经过适当的灭菌处理后，玻璃培养皿可以重复使用，这降低了实验成本，尤其是在频繁进行相同实验的情况下。

这些优点使培养皿成为微生物学、细胞生物学和相关领域研究中不可或缺的工具。

培养皿的局限性

使用培养皿的一些局限性包括：

1、技能要求：操作培养皿需要一定的技术熟练度，否则很容易造成污染。例如，不当的操作可能会引入外来微生物，影响实验结果的准确性和可靠性。

2、材质限制：制作培养皿的材料（如塑料或玻璃）可能不具备生物兼容性，或者可能对涉及敏感细胞的实验产生影响。某些材料可能释放化学物质，干扰细胞或微生物的正常生长。

3、无法模拟生理条件：培养皿中的环境无法完全复制细胞或微生物自然生长的生理条件。例如，体外培养缺乏体内复杂的微环境因素，如血液流动、机械应力和细胞间相互作用，这可能会影响细胞的行为和功能。

这些局限性意味着在解释培养皿实验结果时需要谨慎，特别是在试图将结果推广到体内情况或复杂生物系统时。为了克服这些局限，科学家们开发了更高级的细胞培养系统，如三维细胞培养、器官芯片和微流控设备，这些系统可以更好地模拟生理条件。

实验室内如何使用培养皿

在实验室中使用培养皿的基本步骤如下：

使用前的准备

1、消毒与灭菌：在使用培养皿之前，要确保它们已经彻底清洗并经过高压蒸汽灭菌（autoclaving），以杀死任何可能存在的微生物。这一步骤对于防止实验污染至关重要。

2、准备工作区：在无菌环境中准备你的工作台，使用酒精棉球擦拭工作区域，确保所有工具和试剂也都是无菌的。

填充培养基

3、制备培养基：根据实验需求，配制适当的培养基，并将其加热融化。常见的培养基有LB培养基、麦康凯培养基等。

4、倒入培养皿：将熔化的培养基趁热倒入已灭菌的培养皿中，每个培养皿大约倒入15-20毫升，使其形成一层均匀的凝胶状表面。倒入后，轻轻旋转培养皿使培养基均匀分布。

5、凝固：等待培养基冷却并在室温下凝固。一旦凝固，即可使用。

实验操作

6、接种：使用无菌技术，将样品（如细菌悬液、细胞悬液等）接种到培养基上。可以采用涂布法、点种法或划线法等。

7、培养：将接种后的培养皿盖好，通常倒置放置以防止冷凝水滴落在培养基上。然后将它们放入恒温培养箱中，设置适当的温度和时间进行培养。

结果分析与处理

8、观察：定期检查培养皿，记录细胞或微生物的生长情况。

9、结果分析：根据观察到的现象分析实验结果，可能包括菌落数量、形态特征、生长速度等。

清洁与消毒

10、清洁与消毒：实验结束后，正确处理使用过的培养皿。首先，如果培养皿中含有病原体，应先用含氯消毒剂（如漂白剂）处理，然后进行高压灭菌，最后清洗干净以备下次使用。

11、储存：未使用的培养皿应储存在干燥、清洁的地方，最好倒置存放，以防止灰尘和微生物的污染。

通过遵循上述步骤，你可以在实验室中安全有效地使用培养皿进行细胞或微生物的培养和研究。

为什么培养微生物时培养皿要倒置

在培养过程中将培养皿倒置放置的原因主要有以下几点：

1、防止水分冷凝：培养时，水分会蒸发并在培养皿盖内侧冷凝。如果不倒置，这些水珠会滴落到培养基上，破坏菌落的完整性，导致微生物生长不均一，从而干扰微生物计数的准确性。

2、维持适宜的湿度：倒置放置可以降低水分蒸发速率，防止培养基过早干燥，为微生物创造一个理想的湿润环境，有利于其正常生长。

3、减少污染风险：空气中的杂质或微生物容易沉积在培养皿盖上。当培养皿倒置时，这些污染物更可能停留在盖子上，而不是接触到培养基，从而减少了污染的可能性。

4、便于操作：倒置放置的培养皿在移动或转移时更加稳定，减少了意外碰撞导致培养基溢出的风险，同时也便于观察和记录菌落的生长情况。

综上所述，倒置放置培养皿是微生物学实验中的一个标准操作步骤，旨在保证实验的准确性、一致性和安全性。

实验室内使用培养皿的注意事项

在使用培养皿进行实验时，需采取以下预防措施以确保实验的安全性和有效性：

1、灭菌或处置：在使用培养皿之前和之后，应当对其进行彻底的灭菌处理，或者按照正确的程序进行处置。这可以防止实验之间的交叉污染，同时也是生物安全的基本要求。

2、佩戴手套：在处理培养皿时，应该佩戴合适的手套，以避免皮肤上的微生物污染培养基。手套还能保护实验人员免受潜在有害微生物的影响。

3、无菌操作：所有的实验操作应在无菌环境中进行，通常是生物安全柜或洁净台中。这有助于维持实验材料的纯净，避免外部微生物的侵入，从而保证实验结果的准确性和可重复性。

4、使用个人防护装备（PPE）：除了手套，根据实验的具体性质，可能还需要佩戴护目镜、口罩和实验服等个人防护装备，以确保实验人员的安全。

5、正确处理废弃物：实验后产生的废弃物，包括使用过的培养皿，应按照实验室的废弃物处理规程进行处理，以防止环境污染和疾病传播。

6、遵循标准操作程序（SOP）：每项实验都应有详细的标准操作程序，实验人员必须严格遵守，以确保实验的一致性和安全性。

通过遵循这些预防措施，可以最大限度地减少实验过程中的风险，保障实验结果的有效性和实验人员的健康安全。

总结

培养皿，作为现代生物学研究的基石，自诞生以来便持续发挥着关键作用。它不仅为细胞和微生物提供了一个可控的生长环境，还通过其透明、可密封的特性，有效防止了污染，确保了实验的纯净性和安全性。随着科技的进步，虽然面临一定的局限性，但培养皿的不断优化和衍生技术的发展，继续推动着生命科学领域的探索与发现。

【相关资源】

名称：营养琼脂即用型平板

菌株编号：HZB875002

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更新日期：2024-07-11

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