Effizienzsteigerung bei der Betrachtung und Analyse von Mikroorganismen wie Schimmelpilzen und Bakterien

Bakterien sind einzellige Organismen, die jeweils aus einer einzigen biologischen Zelle bestehen. Sie sind Prokaryoten, bei denen die Chromosomen (DNA) in einer Zelle nicht von einer Kernhülle umschlossen sind. Bakterien vermehren sich, indem sie sich selbst replizieren, solange sie eine Nährstoffquelle haben. Diese Form der Vermehrung ist ein wichtiger Prozess in der Mikrobiologie. Dies wird Fähigkeit zur Selbstreplikation genannt. Typische Bakterien sind etwa 1 μm groß und können mit Mikroskopen betrachtet werden. Zu den für den Menschen nützlichen Bakterien gehören Milchsäurebakterien, Bacillus subtilis natto und Essigsäurebakterien. Typische Bakterien, die beim Menschen Krankheiten hervorrufen können, sind Escherichia coli, Staphylococcus aureus und Mycobacterium tuberculosis. Medikamente, die diese Bakterien nach der Infektion abtöten, sind Bakterizide wie Antibiotika. Bei der Qualitätskontrolle werden Lebensmittel und andere ähnliche Produkte daraufhin überprüft, ob sie Bakterien enthalten, die Krankheiten verursachen können, und wie diese Bakterien mit der Zeit wachsen. Diese Untersuchungen sind wichtig, um die Sicherheit der Produkte zu gewährleisten.

Pilze, zu denen pathogene Schimmelpilze, Hefen und andere Pilze gehören, sind Eukaryoten, deren Chromosomen (DNA) von einer Kernhülle umschlossen sind. Pilze sind etwa 5 μm groß und liegen damit in der Mitte zwischen einer menschlichen Zelle und einem Bakterium. Diese Größenunterschiede beeinflussen die mikrobiologische Untersuchung.

Fadenpilze entstehen durch das Zusammenwachsen von Hyphen, wie zum Beispiel Schimmelpilze und Pilze. Eine Hyphe ist eine lange fadenförmige Struktur, die einen Pilzkörper bildet.

Hefen sind eine Art von Fadenpilzen, aber sie haben eine kugelförmige Gestalt, anstatt aus Hyphen zu bestehen. Viele Hefen zersetzen Zucker in Abwesenheit von Sauerstoff in Alkohol und Kohlendioxid, während sie in Gegenwart von Sauerstoff verschiedene Aminosäuren synthetisieren. Dank dieser Fähigkeiten werden Hefen schon seit langer Zeit zum Brauen und zur Herstellung von Miso, Sojasauce, Brot und anderen fermentierten Lebensmitteln verwendet. Zu den in der Praxis verwendeten Hefen gehören Bierhefen, Sakehefen, Weinhefen, Brothefen und medizinische Hefen (Trockenhefen).

Koji-Schimmelpilze, die ihren Ursprung in Ost- und Südostasien haben, sind Arten von Fadenpilzen, die für die Verwendung als Koji (ein malzähnliches Material) zum Wachstum angeregt werden. Zusammen mit Hefen wird Koji beim Brauen von Sake und bei der Herstellung anderer Lebensmittel und Getränke verwendet. Koji-Schimmelpilze zersetzen Getreide wie Reis, Gerste und Sojabohnen in Zucker und Aminosäuren, die dann von Hefepilzen zersetzt werden. In Japan werden schon seit langer Zeit verschiedene fermentierte Lebensmittel und Getränke – wie Sake, Miso, Sojasauce und Essig – unter Verwendung der mikrobiologischen Eigenschaften von Koji-Schimmelpilzen hergestellt.

Sporenbildende Bakterien sind resistent gegen Hitzebehandlung und werden daher auch thermodurische Bakterien genannt. Typische sporenbildende Bakterien, die Lebensmittelvergiftungen verursachen können, sind Bacillus cereus, Clostridium perfringens und Clostridium botulinum. Eine Spore in Bakterien ist in einer harten Hülle eingekapselt. Sporen bilden sich in Umgebungen, die für Schimmelpilze ungünstig sind, wie z. B. trockene Umgebungen und solche mit hohen Temperaturen oder schlechter Ernährung für Schimmelpilze. Sporen, die nach dem Waschen, Kochen oder der Hitzesterilisation noch in Lebensmitteln vorhanden sind, können diese verderben oder Lebensmittelvergiftungen verursachen.

Bakterien und Pilze sind allesamt sehr kleine Mikroorganismen mit einer Größe von 1 μm bis 5 μm, was die mikrobiologische Untersuchung erschwert. Um sie zu bewerten, sind präzise Verfahren erforderlich, wie die vergrößerte Betrachtung der kultivierten Organismen mit Hilfe von Mikroskopen und die Berechnung der Anzahl der Organismen durch genaues Zählen der gebildeten mikroskopischen Kolonien. Bei diesen Verfahren geht es zunächst darum, klare Bilder des Messobjekts bei hohen Vergrößerungen und optimalen Lichtverhältnissen aufzunehmen. Viele Mikroorganismen sind jedoch hochtransparent, so dass ihr Kontrast zum Hintergrund abnimmt. Fadenpilze wachsen in drei Dimensionen, was es schwierig macht, das gesamte Sichtfeld zu fokussieren, um das Messobjekt klar zu betrachten. Die Bestimmung der Bedingungen für die Betrachtung mit hoher Vergrößerung und die genaue quantitative Analyse sind bei kleinen Bakterien noch schwieriger.

Selbst für erfahrene Bediener ist die mikrobiologische Analyse sehr zeit- und arbeitsaufwendig, um die passenden Bedingungen zu ermitteln und korrekte Ergebnisse zu erhalten. Daher ist es schwierig, Personalressourcen zu sichern und den Zeitaufwand zu kontrollieren.

Einige Bakterien, wie z. B. Escherichia coli und Staphylococcus aureus, können die Gesundheit beeinträchtigen, wenn sie in den menschlichen Körper gelangen. Die Bakterien haben jeweils nur eine einzige Zelle. Sie sind 1 μm groß und erfordern daher eine starke Vergrößerung und einen hohen Kontrast, um ihre Kolonien in der Kultivierung zu betrachten. Allerdings erschweren transparente Bakterien die Bestimmung der Lichtverhältnisse, so dass ihre Betrachtung ein hohes Maß an Geschicklichkeit und einen erheblichen Zeitaufwand erfordert.

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX ermöglicht verschiedene Beleuchtungen in einem kompakten System. Die Modellreihe VHX ermöglicht dank der Multi-Lighting-Funktion die Aufnahme mehrerer Bilder mit omnidirektionaler Beleuchtung. Diese Funktion vereinfacht nicht nur die schwierige Bestimmung der Bedingungen für die mikrobiologische Untersuchung, sondern reduziert auch den Zeitaufwand dafür erheblich. Für die Betrachtung von Bakterien mit geringem Kontrast zum Hintergrund, die bisher nur schwer zu betrachten waren, stehen verschiedene Beleuchtungsbedingungen zur Verfügung, wie z. B. eine Durchlicht-Polarisationsbeleuchtung und eine koaxiale Teilbeleuchtung. Darüber hinaus ermöglicht die HDR-Funktion (High Dynamic Range), die mehrere mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommene Bilder zu einem Bild mit hoher Farbabstufung kombiniert, die Betrachtung von Bakterien mit hochauflösenden, kontrastreichen Aufnahmen.

Betrachtung von Bakterien mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX kann nahtlos von der Betrachtung von Bakterien in hoher Vergrößerung und einer 4K-Auflösung zur automatischen Analyse übergehen. Die Funktion zur automatischen Flächenmessung und -zählung misst und berechnet automatisch detaillierte Werte – wie z. B. die durchschnittliche Fläche, den Maximalwert, den Minimalwert, das Flächenverhältnis und andere Elemente in Bezug auf die Bakterien in der ausgewählten Fläche. Darüber hinaus kann die genaue Anzahl, die Fläche, der Umfang, der maximale und der minimale Durchmesser der Bakterien angezeigt und in einem Bericht ausgegeben werden. Im ausgewählten Bereich können nicht benötigte Messobjekte ausgeschlossen, überlappende Messobjekte getrennt und Messobjekte mit beliebigen Schwellenwerten binarisiert werden, was eine präzise Analyse und quantitative Auswertung auf einfache Weise ermöglicht.

Darüber hinaus kann Excel direkt auf der Modellreihe VHX installiert werden, so dass Aufnahmen und Werte in einer beliebigen Vorlage ausgegeben und ein Bericht automatisch erstellt werden kann. Diese Funktionen rationalisieren die Vorgänge, die bisher viel Zeit und Mühe erforderten, erheblich.

Betrachtung und automatische Analyse von Bakterien mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX unterstützt verschiedene Betrachtungsbedingungen mit einem einzigen System und ermöglicht die Betrachtung mit hochauflösenden 4K-Aufnahmen. Die Multi-Lighting-Funktion ermöglicht die Betrachtung unter verschiedenen Lichtverhältnissen mit einem einfachen Tastendruck. Die hohe Tiefenschärfe ermöglicht es, die Gesamtheit eines dreidimensionalen Messobjekts, wie z. B. Sporen und Hyphen, in den Fokus zu bringen. Im Folgenden werden Beispiele für die Betrachtung von Schimmelpilzen, ihren Sporen und Hyphen unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen und unter Verwendung hochfunktionaler Objektive und des 4K-CMOS-Bilderfassungssensors der Modellreihe VHX vorgestellt.

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX kann hochauflösende 4K-Aufnahmen mit hoher Vergrößerung selbst von mikroskopischen Messobjekten wie Hefekolonien aufnehmen. Die Verwendung der automatischen Flächenmessung/Koloniezählung für ein aufgenommenes hochauflösendes Bild ermöglicht die automatische Auswertung in einem bestimmten Bereich mit hoher Reproduzierbarkeit. Für die Darstellung der aufgenommenen Bilder stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, wie z.B. der Nachweis der Kolonien in einem bestimmten Bereich oder die Erstellung eines Balkendiagramms der Flächenverteilung, was die Effizienz der mikrobiologischen Analysearbeit erheblich verbessert.

Excel kann direkt auf der Modellreihe VHX installiert werden, so dass die Datenausgabe direkt über das Mikroskop möglich ist. Ein Bericht kann automatisch erstellt werden, indem die anhand der gezählten Kolonien berechnete Anzahl der Bakterien zusammen mit einem entsprechenden Bild an eine im Voraus vorbereitete Vorlage ausgegeben wird. Die Modellreihe VHX ermöglicht diese Funktionen mit nur wenigen Klicks und unterstützt eine schnelle Analyse mit nur einem System.

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX können Mikroorganismen in Flüssigkeiten dank der eingebauten Hintergrundbeleuchtung deutlich betrachtet werden, solange sie sich in einem lichtdurchlässigen Behälter wie einer Glasbodenschale befinden. Dank der hohen Tiefenschärfe können aussagekräftige Aufnahmen von Mikroorganismen erstellt werden, selbst wenn diese mit einer geringen Menge an Fremdkörpern in Flüssigkeiten vermischt sind.