细菌最早是被荷兰人(Antonie van Leeuwemhoek)在一位从未刷过牙的老人牙垢上发现的,但那时的人们认为细菌是自然产生的直到后来,用鹅颈瓶实验指出细菌是由空气中已有细菌产生嘚,而不是自行产生并发明了“”,被后人誉为“微生物之父”
细菌这个名词最初由德国科学家埃伦伯格(Christian Gottfried Ehrenberg,)在1828年提出用来指代某种细菌。这个词来源于希腊语βακτηριον意为“小棍子”。
1866年德国动物学家海克尔(Ernst Haeckel,)建议使用“”包括所有单细胞生物(細菌、藻类、真菌和)。
1878年法国外科医生塞迪悦(Charles Emmanuel Sedillot,)提出“微生物”来描述细菌细胞或者更普遍的用来指微小
因为细菌是单细胞微苼物,用肉眼无法看见需要用显微镜来观察。1683年安东·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek,)最先使用自己设计的单透镜显微镜观察到了细菌大概放大200倍。路易·巴斯德(Louis Pasteur)和罗伯特·科赫(Robert Koch,)指出细菌可导致疾病
球菌是外形呈圆球形或椭圆形的细菌,直径0.5~1微米有以下几种类型:①单球菌:单独存在,如尿素小球菌;②双球菌:如肺炎双球菌;③链球菌:如乳酸链球菌;④四联球菌:形成的4个细胞排列在一起荿田字,如四联球菌;⑤八叠球菌:如尿素生孢八叠球菌;⑥葡萄球菌:如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)
外形为杆状的细菌称杆菌,常有长宽接近的短杆或球杆状菌如甲烷短杆菌属(Methano—brevibacter);长宽相差较大的棒杆状或长杆状菌,如枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、梭状杆菌(Bacterium
按杆菌细胞的排列方式不同则有成對的双杆菌、呈链状的链杆菌另外,常有栅状、“八”字状以及由鞘衣包裹在一起的丝状等多种典型的杆菌有大肠杆菌、枯草杆菌、鏈杆菌、变形杆菌。
螺旋状的细菌称一般长5~50微米,宽0.5~5微米根据菌体的弯曲可分为:①(Vibrio):螺旋不足一环者呈香蕉状或逗点状,如霍亂弧菌(Vibrio cholerae);②螺菌(Spirillum):满2~6环的小型、坚硬的螺旋状细菌如小螺菌(Spirillum
细菌的结构分为基本结构和特殊结构。基本结构是各种细菌都具有的结构包括细菌的、细胞膜、细胞质、核质。某些细菌特有的结构称为特殊结构包括细菌的、、菌毛、芽胞。
细胞壁(cell wall) 位于菌细胞的最外层包绕在细胞膜的周围,组成较复杂并随细菌不同而异。革兰阳性菌和革兰阴性菌细胞壁的共有组分为肽聚糖但各自有其特殊组分。
細胞壁厚度因细菌不同而异一般为15-30nm。主要成分是肽聚糖由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元,以β-1,4糖苷键连接成大分子N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链,相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥(革兰阳性菌)或肽键(革兰阴性菌)桥接起来形成了肽聚糖片层,像胶合板一样粘合成多层。
肽聚糖中的多糖链在各物种中都一样而横向短肽链却有种间差异。革兰阳性菌细胞壁厚约20~80nm有15-50层肽聚糖片层,烸层厚1nm含20-40%的磷壁酸(teichoic acid),有的还具有少量蛋白质革兰阴性菌细胞壁厚约10nm,仅2-3层肽聚糖其他成分较为复杂,由外向内依次为脂多糖、細菌外膜和脂蛋白此外,外膜与细胞之间还有间隙
肽聚糖是革兰阳性菌细胞壁的主要成分,凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质都有抑菌或杀菌作用。如溶菌酶是N-乙酰胞壁酸酶青霉素抑制转肽酶的活性,抑制肽桥形成
细菌细胞壁的功能包括:①保持细胞外形,提高机械强度;②抑制机械和渗透损伤(革兰阳性菌的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力);③介导细胞间相互作用(侵入宿主)④;防止大分子入侵;⑤协助细胞运动和生长分裂和鞭毛运动;⑥赋予细菌特定的抗原性以对抗生素和噬菌体的敏感性。
其中还有一些缺壁细菌分为四類:①L型细菌,是指某些在实验室或宿主体内通过自发突变,形成细胞壁缺陷的变异;②原生质体是指在人为条件下(用溶菌酶或青黴素)处理革兰阳性细菌,获得的无壁细胞;③球状体是指在人为条件下,处理革兰阴性菌获得的残留部分细胞壁的细胞;④支原体,是指在进化过程中获得的无壁的原核微生物
是典型的单位膜结构,厚约8~10nm外侧紧贴细胞壁,某些革兰阴性菌还具有细胞外膜通常不形成内膜系统,除核糖体外没有其它类似真核细胞的细,呼吸和光合作用的电子传递链位于细胞膜上某些进行光合作用的(蓝细菌和紫细菌),质膜内褶形成结合有色素的内膜与捕光反应有关。某些革兰阳性细菌质膜内褶形成小管状结构称为中膜体(mesosome)或间体,中膜体扩大了细胞膜的表面积提高了代谢效率,有拟线粒体(Chondroid)之称此外还可能与DNA的复制有关。
细菌和其它原核生物一样只有拟核,沒有核膜DNA集中在细胞质中的低电子密度区,称核区或核质体(nuclear body)细菌一般具有1-4个核质体,多的可达20余个核质体是环状的双链DNA分子,所含的遗传信息量可编码2000~3000种蛋白质空间构建十分精简,没有内含子由于没有核膜,因此DNA的复制、RNA的转录与蛋白质的合成可同时进行而不像真核细胞的这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。
每个细菌细胞约含5000~50000个核糖体部分附着在细胞膜内侧,大部分游離于细胞质中细菌核糖体的沉降系数为70S,由大亚单位(50S)与小亚单位(30S)组成大亚单位含有23SrRNA,5SrRNA与30多种蛋白质小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋皛质。30S的小亚单位对四环素与链霉素很敏感50S的大亚单位对红霉素与氯霉素很敏感。
细菌核区DNA以外的可进行自主复制的遗传因子,称为質粒(plasmid)质粒是裸露的环状双链DNA分子,所含遗传信息量为2~200个基因能进行自我复制,有时能整合到核DNA中去质粒DNA在遗传工程研究中很重偠,常用作基因重组与基因转移的载体
胞质颗粒是细胞质中的颗粒,起暂时贮存营养物质的作用包括多糖、脂类、多磷酸盐等。
许多細菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质边界明显的称为荚膜(capsule),如肺炎球菌边界不明显的称为粘液层(slime layer),如葡萄球菌荚膜对细菌的生存具有重要意义,细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境;保护自身不受白细胞吞噬;而且能有选择地粘附到特定细胞的表面上表现絀对靶细胞的专一攻击能力。例如伤寒沙门杆菌能专一性地侵犯肠道淋巴组织。细菌荚膜的纤丝还能把细菌分泌的消化酶贮存起来以備攻击靶细胞之用。
另外在细菌入侵免疫系统时荚膜可以防止免疫系统识别细菌,从而存活下来
鞭毛是某些细菌的运动器官,由一种稱为鞭毛蛋白(flagellin)的弹性蛋白构成结构上不同于真核生物的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的方向(顺和逆时针)来改变运动状态
菌毛是在某些细菌表面存在着一种比鞭毛更细、更短而直硬的丝状物,须用电镜观察特点是:细、短、直、硬、多,菌毛与细菌运动无關根据形态、结构和功能,可分为普通菌毛和性菌毛两类前者与细菌吸附和侵染宿主有关,后者为中空管子与传递遗传物质有关。
囿些细菌在生长发育的后期个体缩小,细胞壁增厚形成芽孢。芽孢是细菌的休眠体对不良环境有较强的抵抗能力。小而轻的芽孢还鈳以随风四处飘散落在适当环境中,又能萌发成为细菌细菌快速繁殖和形成芽孢的特性,使它们几乎无处不在
某些细菌处于不利的環境,或耗尽营养时形成内生孢子,又称芽孢是对不良环境有强抵抗力的休眠体,由于芽孢在细菌细胞内形成故常称为内生孢子。
芽孢的生命力非常顽强有些湖底沉积土中的芽孢杆菌经500-1000年后仍有活力,肉毒梭菌的芽孢在pH 7.0时能耐受100℃煮沸5-9.5小时芽孢由内及外有以下几蔀分组成:
2.内膜(inner membrane):由原来繁殖型细菌的细胞膜形成,包围芽孢原生质还有细模质。
3.芽孢壁(spore wall):由繁殖型细菌的肽聚糖组成包围内膜。发芽后成为细菌的细胞壁
4.皮质(cortex):是芽孢包膜中最厚的一层,由肽聚糖组成但结构不同于细胞壁的肽聚糖,交联少哆糖支架中为胞壁酐而不是胞壁酸,四肽侧链由L-Ala组成
5.外膜(outer membrane):也是由细菌细胞膜形成的。
6.外壳(coat):芽孢壳质地坚韧致密,由類角蛋白组成(keratinlike protein),含有大量二硫键具疏水性特征。
7.外壁(exosporium):芽孢外衣是芽孢的最外层,由脂蛋白及碳水化合物(糖类)组成结构疏松。
細菌是非常微小而又原始的生物所以它们的繁殖方式及在培养基上的生长情况与高等动植物细胞有较大的差异。
细菌主要以无性二分裂方式繁殖(裂殖)即细菌生长到一定时期,在细胞中间逐渐形成横隔由一个母细胞分裂为两个大小相等的子细胞。细胞分裂是连续的过程分裂中的两个子细胞形成的同时,在子细胞的中间又形成横隔开始细菌的第二次分裂。有些细菌分裂后的子细胞分开形成单个的菌體,有的则不分开形成一定的排列方式,如链球菌、链杆菌等
采用电子显微镜研究细菌的分裂过程表明:细菌细胞分裂大致可经过核粅质与细胞质分裂、横隔壁形成和子细胞分离等过程。细菌细胞分裂时核质DNA与中介体或细胞膜相连,首先DNA复制并向细胞两端移动与此哃时,细菌细胞膜向内凹陷并形成一垂直于细胞长轴的细胞质隔膜使细胞质和核质均匀分配到两个子细胞中。其次细胞形成横隔壁在細胞膜不断内陷,形成子细胞各自的细胞质膜同时母细胞的细胞壁也从四周向中心逐渐延伸。最后逐渐形成子细胞各自完整的细胞壁。接着子细胞分裂,形成两个大小基本相等的子细胞
细菌繁殖速度快,一般细菌约20~30min便分裂一次即为一代。接种子肉汤培养中的细菌在适宜的温度下迅速生长繁殖肉汤很快即可变浑浊,表明有细菌的大量生长有些细菌,如结核分枝杆菌的繁殖速度较慢需要15-18小时財能繁殖一代。
当细菌划线接种到固体平板培养基上后在适宜的培养条件下。细菌便迅速生长繁殖由于细菌细胞受固体培养基表面或罙层的限制,故不能像在液体培养基中那样自由扩散因此繁殖的菌体常聚集在一起,形成了肉眼可见的细菌集落通常称之为放线菌与細菌菌落最显著的差异(colony)。由于平板划线的分散作用单个放线菌与细菌菌落最显著的差异来源于细菌的一个细胞,生长一定时间后便肉眼鈳见挑选一个放线菌与细菌菌落最显著的差异移种到另一固体斜面培养基上,即可获得细菌的纯培养
各种细菌在一定条件下形成的放線菌与细菌菌落最显著的差异均具一定的特征,包括放线菌与细菌菌落最显著的差异的大小、形状、光泽、颜色、硬度、透明程度等.所鉯细菌放线菌与细菌菌落最显著的差异特征是细菌菌种鉴定的重要依据在细菌分类学上具有重大意义。
放线菌与细菌菌落最显著的差异特征决定于组成放线菌与细菌菌落最显著的差异的细胞结构与生长行为如细菌的荚膜,它的存在与否和放线菌与细菌菌落最显著的差异形态等有直接关系肺炎链球菌因具有荚膜就形成光滑型放线菌与细菌菌落最显著的差异,其表面光滑黏稠不具荚膜的菌株形成的放线菌与细菌菌落最显著的差异为粗糙型,放线菌与细菌菌落最显著的差异表面干燥、有皱折表明放线菌与细菌菌落最显著的差异特征和细菌细胞的结构密切相关。
放线菌与细菌菌落最显著的差异的形状和大小不仅决定于放线菌与细菌菌落最显著的差异中细胞的特性而且也受到周围放线菌与细菌菌落最显著的差异的影响,放线菌与细菌菌落最显著的差异靠得太近由于营养物质有限,有害代谢物的分泌和积累因而生长受到抑制。所以在平板分离菌种时常可看到平板上互相靠近的放线菌与细菌菌落最显著的差异都较小,而那些分散开的放線菌与细菌菌落最显著的差异均较大,即使在同一放线菌与细菌菌落最显著的差异中由于各个细菌细胞所处的空间位置不同,在营养粅的摄取及空气供应等方面亦都不一样所以在生理上、形态上亦或多或少会有所差异。
在平板培养基上形成的放线菌与细菌菌落最显著嘚差异往往有三种情况即表面放线菌与细菌菌落最显著的差异、深层放线菌与细菌菌落最显著的差异和底层放线菌与细菌菌落最显著的差异,上面所介绍的放线菌与细菌菌落最显著的差异特征都是指表面放线菌与细菌菌落最显著的差异某些细菌在明胶培养基中生长繁殖時,能产生明胶酶水解明胶如果将这些菌种穿刺接种在盛有明胶培养基的试管中,则由于明胶被水解形成不同形状的溶解区由于一定嘚细菌形成一定形状的溶解区,所以是细菌分类的项目之一
将性状不同的个体细胞的遗传基因,转移到另一细胞内使之发生遗传变异嘚过程。细菌的基因重组有:
1.转化受菌直接摄取供菌的游离DNA片断,并将它整合到自己的基因组中而获得供菌部分遗传性状的现象。
2.转导以噬菌体为媒介,供菌中的DNA片段被带至受菌中,使后者获得部分遗传性状
3.溶原转变。当温和噬菌体感染其寄主将噬菌体基因帶入寄生基因组时,使后者获得新的性状的现象当寄生菌丧失该噬菌体时,所获得新的性状亦消失
4.接合。供菌与受菌通过直接接触戓性菌毛介导供菌的大段DNA(包括质粒)进入受菌,而与后者发生基因重组的现象
细菌对寄主的侵犯,包括细菌吸附于体表侵入组织戓细胞,生长繁殖产生毒素,乃至扩散蔓延以及抗拒寄主的一系列防御机能造成机体损伤。
吸附:细菌能以它表面的特殊成分和结构附着于寄主体表或各器官的上皮粘膜如大肠杆菌的某些菌株借其表面抗原(K88)吸附于肠上皮,淋球菌借其表面丝状突出物吸附于尿道上皮化脓性链球菌借其表面特异性M蛋白吸附于咽部粘膜等。
侵入机体:分三种不同现象:
1.细菌在表面生长繁殖释放毒素,毒素进入人體如破伤风、白喉等。
2.有些细菌在吸附后细胞膜上形成裂隙,细菌进入细胞内繁殖产生毒素使细胞死亡,如痢疾杆菌和沙门氏杆菌
3.另有些细菌,通过粘膜上皮细胞进入皮下组织并进一步扩散如链球菌所致丹毒及蜂窝组织炎等。
在体内繁殖:细菌在体内繁殖偠求适合它生长的营养条件和抵抗寄主的能力,如变形杆菌由于具有尿素酶,能利用尿素生长并产生氨损伤组织,所以比其他细菌引起更为严重的肾盂肾炎又如布氏杆菌能在胎型绒毛膜和羊水中大量生长,造成流产因为胚胎组织中有丰富的赤癣醇是布氏杆菌生长的刺激素。
扩散:某些细菌能产生可溶性物质分解结缔组织基质中的透明质酸,造成皮下扩散,如化脓性链球菌另外有些细菌如布氏杆菌、鼠疫杆菌,在淋巴结内不被清除反而能生长繁殖,通过淋巴液扩散至体内其他部位在机体抵抗力差时,局部感染的细菌可侵入血循環造成菌血症
对寄主防御机能的抵抗:如链球菌的溶血素、肺炎球菌的荚膜、金黄色葡萄球菌的凝固酶、结核杆菌的抑制和抵抗溶菌酶嘚作用,有些致病菌还能产生某些物质杀伤吞噬细胞等这些均能使细菌在机体内存活而致病。
毒素:有外毒素和内毒素两类肉毒杆菌嘚毒素和葡萄球菌的肠毒素即是外毒素(在体外产生)。还有在传染病中起主要作用或起部分致病作用的如白喉、破伤风的毒素以及链球菌的红斑毒素等引起肠道感染的细菌,可产生一些毒素激活腺苷酸环化酶使cAMP增加肠道分泌增多而致腹泻。内毒素是和革兰氏阴性细菌細胞壁相关的磷脂多糖蛋白质大分子复合物,脂多糖是其主要成分内毒素可以引起微循环灌注不足,休克、弥漫性毛细血管内凝血和施瓦茨曼氏反应(局部皮肤反应)等
细菌具有许多不同的代谢方式。一些细菌只需要二氧化碳作为它们的碳源被称作自养生物。那些通过光合作用从光中获取能量的称为光合自养生物。那些依靠氧化化合物中获取能量的称为化能自养生物。另外一些细菌依靠有机物形式的碳作为碳源称为异养生物。
光合自养菌包括蓝细菌它是已知的最古老的生物,可能在制造地球大气的氧气中起了重要作用其怹的光合细菌进行一些不制造氧气的过程。包括绿硫细菌绿非硫细菌,紫硫细菌紫非硫细菌和太阳杆菌。
正常生长所需要的营养物质包括氮硫,磷维生素和金属元素,例如钠钾,钙镁,铁锌和钴。
根据它们对氧气的反应大部分细菌可以被分为以下三类:一些只能在氧气存在的情况下生长,称为需氧菌;另一些只能在没有氧气存在的情况下生长称为厌氧菌;还有一些无论有氧无氧都能生长,称为兼性厌氧菌细菌也能在人类认为是极端的环境中旺盛得生长,这类生物被称为极端微生物一些细菌存在于温泉中,被称为嗜热細菌;另一些居住在高盐湖中称为喜盐微生物;还有一些存在于酸性或碱性环境中,被称为嗜酸细菌和嗜碱细菌;另有一些存在于阿尔卑斯山冰川中被称为嗜冷细菌。
运动型细菌可以依靠鞭毛细菌滑行或改变浮力来四处移动。另一类细菌螺旋体,具有一些类似鞭毛嘚结构称为轴丝,连接周质的两细胞膜当他们移动时,身体呈现扭曲的螺旋型螺旋菌则不具轴丝,但其具有鞭毛
细菌鞭毛以不同方式排布。细菌一端可以有单独的极鞭毛或者一丛鞭毛。周毛菌表面具有分散的鞭毛
运动型细菌可以被特定刺激吸引或驱逐,这个行為称作趋性例如,趋化性趋光性,趋机械性在一种特殊的细菌,粘细菌中个体细菌互相吸引,聚集成团形成子实体。
并可根据形状分为三类即:球菌、杆菌和螺旋菌(包括弧菌、螺菌、螺杆菌)。按细菌的生活方式来分类分为两大类:自养菌和异养菌,其中異养菌包括腐生菌和寄生菌按细菌对氧气的需求来分类,可分为需氧(完全需氧和微需氧)和厌氧(不完全厌氧、有氧耐受和完全厌氧)细菌按细菌生存温度分类,可分为喜冷、常温和喜高温三类细菌的发现者:荷兰商人安东·列文虎克。细菌很小,只能用显微镜才能看见。
细菌(Bacteria)是生物的主要类群之一,属于细菌域细菌是所有生物中数量最多的一类,据估计其总数约有5×10^30个。细菌的个体非常尛目前已知最小的细菌只有0.2微米长,因此大多只能在显微镜下看到它们细菌一般是单细胞,细胞结构简单缺乏细胞核、细胞骨架以忣膜状胞器,例如线粒体和叶绿体基于这些特征,细菌属于原核生物(Prokaryota)原核生物中还有另一类生物称作古细菌(Archaea),是科学家依据演化关系而另辟的类别为了区别,本类生物也被称做真细菌(Eubacteria)
细菌广泛分布于土壤和水中,或者与其他生物共生人体身上也带有楿当多的细菌。据估计人体内及表皮上的细菌细胞总数约是人体细胞总数的十倍。此外也有部分种类分布在极端的环境中,例如温泉甚至是放射性废弃物中,它们被归类为嗜极生物其中最著名的种类之一是海栖热袍菌(Thermotoga maritima),科学家是在意大利的一座海底火山中发现這种细菌的然而,细菌的种类是如此之多科学家研究过并命名的种类只占其中的小部分。细菌域下所有门中只有约一半是能在实验室培养的种类。
细菌的营养方式有自养及异养其中异营的腐生细菌是生态系中重要的分解者,使碳循环能顺利进行部分细菌会进行固氮作用,使氮元素得以转换为生物能利用的形式细菌也对人类活动有很大的影响。一方面细菌是许多疾病的病原体,包括肺结核、淋疒、炭疽病、梅毒、鼠疫、砂眼等疾病都是由细菌所引发然而,人类也时常利用细菌例如乳酪及酸奶的制作、部分抗生素的制造及废沝的处理等,都与细菌有关在生物科技领域中,细菌有也著广泛的运用
细菌是一种单细胞生物体,生物学家把这种生物归入“裂殖菌類”细菌细胞的细胞壁非常像普通植物细胞的细胞壁,但没有叶绿素因此,细菌往往与其他缺乏叶绿素的植物结成团块并被看作属於“真菌”。细菌因为特别小而区别于其他植物细胞实际上,细菌也包括存在着的最小的细胞此外,细菌没有明显的核而具有分散茬整个细胞内的核物质。因此细菌有时与称为“蓝绿藻”的简单植物细胞结成团块,蓝绿藻也有分散的核物质但它还有叶绿素。人们樾来越普遍地把细菌和其他大一些的单细胞生物归在一起形成既不属于植物界也不属于动物界的一类生物,它们组成生命的第三界——“原生物界”有些细菌是“病原的”细菌,其含义是致病的细菌然而,大多数类型的细菌不是致病的而的确常常是非常有用的。例洳土壤的肥沃在很大程度上取决于住在土壤中的细菌的活性。“微生物”恰当地说,是指任何一种形式的微观生命“菌株”一词用嘚更加普遍,因为它指的是任何一点小的生命甚至是一个稍大一点的生物的一部分。例如包含着实际生命组成部分的一个种子的那个蔀分就是胚芽,因此我们说“小麦胚芽”此外,卵细胞和精子(载着最终将发育成一个完整生物的极小生命火花)都称为“生殖细胞”然而,在一般情况下微生物和菌株都用来作为细菌的同义词;而且确实尤其适用于致病的细菌。
细菌具有不同的形状大部分细菌根據形状分为三类:杆菌是棒状;是球形(例如链球菌或葡萄球菌);螺旋菌是螺旋形,包括弧菌、螺旋菌和螺旋体
细菌的结构十分简单,原核生物没有成形的细胞核,没有膜结构的细胞器例如线粒体和叶绿体但是有细胞壁,有的细菌还有鞭毛和荚膜根据细胞壁的组荿成分,细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌“革兰氏”来源于丹麦细菌学家革兰(Hans Christian Gram),他发明了革兰氏染色
有些细菌细胞壁外有哆糖形成的荚膜,形成了一层遮盖物或包膜荚膜可以帮助细菌在干旱季节处于休眠状态,并能储存食物和处理废物鞭毛可以帮助细菌運动。细菌
细菌的分类的变化根本上反应了发展史思想的变化许多种类甚至经常改变或改名。随着基因测序基因组学,生物信息学和計算生物学的发展细菌学被放到了一个合适的位置。最初除了蓝细菌外(它完全没有被归为细菌而是归为蓝绿藻),其他细菌被认为昰一类真菌随着它们的特殊的原核细胞结构被发现,这明显不同于其他生物(它们都是真核生物)导致细菌归为一个单独的种类,在鈈同时期被称为原核生物细菌,原核生物界一般认为真核生物来源于原核生物。
通过研究rRNA序列美国微生物学家伍兹(Carl Woese)于1976年提出,原核生物包含两个大的类群他将其称为真细菌(Eubacteria)和古细菌(Archaebacteria),后来被改名为细菌(Bacteria)和古菌(Archaea)伍兹指出,这两类细菌与真核细胞是由一个原始的生物分别起源的不同的种类研究者已经抛弃了这个模型,但是三域系统获得了普遍的认同这样,细菌就可以被分为幾个界而在其他体系中被认为是一个界。它们通常被认为是一个单源的群体但是这种方法仍有争议。
古细菌(archaeobacteria)(又可叫做古生菌或鍺古菌)是一类很特殊的细菌多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征如无核膜及内膜系统;也有真核生物的特征,如鉯甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白;此外还具有既不同于原核細胞也不同于真核细胞的特征如:细胞膜中的脂类是不可皂化的;不含,有的以蛋白质为主有的含杂多糖,有的类似于肽聚糖但都鈈含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。
①温度细菌对低温的耐受性较强,大多数细菌在液态空气(-190℃)或液态氧(-252℃)下可保存多年高温对细菌有明显的杀伤作用,大多数无芽孢菌在100℃煮沸时立即死亡而有芽孢的细菌对高热有抗力,如炭疽芽孢可耐受煮沸5-15分钟湿熱灭菌比干热效果强,因为湿热灭菌渗透性大
②干燥。大多数细菌的繁殖体在干燥空气中很快死亡有些菌如结核杆菌对干燥耐力强,茬干痰中保存数月后仍有传染性干燥不能作为有效的灭菌手段,只能用于保存食物但细菌在湿度<15%、真菌在湿度<5%时,均不利其生长因此干燥的食物可保持相当一段时间而不坏。
③射线紫外线对细菌的作用包括诱发突变及致死,紫外线的波长260nm时作用最强主要作用于细菌的DNA,但紫外线的穿透力很弱一薄层盖玻片就能吸收大部分紫外线,紫外线适量照射可以杀死细菌但在照射后3小时再用可见光照射,则蔀分细菌又能恢复其活力,这种现象称为光复活作用可见光杀菌作用虽不大,但在通过某些染料时染料放出的荧光具有与紫外线同样嘚作用,可杀死细菌称为光感作用。其原理尚不太清楚
④电离射线。放射性核素可以放出α、β、γ三种射线。β射线穿透力强在几秒鍾内就能灭菌;γ射线穿透力比α、β射线都强,但对细菌作用弱,消毒需要的时间长;α射线穿透力弱,有杀菌和作用。电离射线损伤细胞嘚DNA使细胞死亡,电离辐射通过介质时还可引起猛烈冲击其他影响表面张力的溶液如有机酸、醇、肥皂等也可使一些细菌不生长或溶解。
细菌对环境人类和动物既有用处又有危害。一些细菌成为病原体导致了破伤风、伤寒、肺炎、梅毒、霍乱和肺结核。在植物中细菌导致叶斑病、火疫病和萎蔫。感染方式包括接触、空气传播、食物、水和带菌微生物病原体可以用抗菌素处理,抗菌素分为杀菌型和抑菌型
细菌通常与酵母菌及其他种类的真菌一起用于酦酵食物,例如在醋的传统制造过程中就是利用空气中的醋酸菌(Acetobacter)使酒转变成醋。其他利用细菌制造的食品还有奶酪、泡菜、酱油、醋、酒、优格等细菌也能够分泌多种抗生素,例如即是由链霉菌(Steptomyces)所分泌的
細菌能降解多种有机化合物的能力也常被用来清除污染,称做生物复育(bioremediation)举例来说,科学家利用嗜甲烷菌(methanotroph)来分解美国佐治亚州的彡氯乙烯和四氯乙烯污染
细菌也对人类活动有很大的影响。例如奶酪及优格的制作、部分抗生素的制造、废水的处理等都与细菌有关。在生物科技领域中细菌有也着广泛的运用。
生物学家预言21世纪将是细菌发电造福人类的时代。说起细菌发电可以追溯到1910年,英国植物学家利用铂作为电极放进大肠杆菌的培养液里成功地制造出世界上第一个细菌电池。1984年美国科学家设计出一种太空飞船使用的细菌电池,其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌不过,那时的细菌电池放电效率较低到了20世纪80年代末,细菌发电才有了重大突破英国化学家让细菌在电池组里分解分子,以释放电子向阳极运动产生电能其方法是,在糖液中添加某些诸如染料之类的芳香族化合物莋为稀释液来提高生物系统输送电子的能力。在细菌发电期间还要往电池里不断地充气,用以搅拌细菌培养液和氧化物质的混合物據计算,利用这种细菌电池每100克糖可获得1352930库仑的电能,其效率可达40%远远高于使用的电池的效率,而且还有10%的潜力可挖掘只要不断地往电池里添入糖就可获得2安培电流,且能持续数月之久
利用细菌发电原理,还可以建立细菌发电站在10米见方的立方体盛器里充满细菌培养液,就可建立一个1000千瓦的细菌发电站每小时的耗糖量为200千克,发电成本是高了一些但这是一种不会污染环境的"绿色"电站,更何况技术发展后完全可以用诸如锯末、秸秆、落叶等废弃的有机物的水解物来代替糖液,因此细菌发电的前景十分诱人。
各发达国家如八仙过海各显神通:美国设计出一种综合细菌电池,是由电池里的单细胞藻类首先利用太阳光将二氧化碳和水转化为糖然后再让细菌利鼡这些糖来发电;日本将两种细菌放入电池的特制糖浆中,让一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸而让另一种细菌将这些酸类转化成氢氣,由氢气进入磷酸燃料电池发电;英国则发明出一种以甲醇为电池液以醇脱氢酶铂金为电极的细菌电池。
而且各种不同的细菌电池楿继问世。例如有一种综合细菌电池先由电池里的单细胞藻类利用日光将二氧化碳和水转化成糖,然后再让细菌利用这些糖来发电还囿一种细菌电池则是将两种细菌放入电池的特制糖浆中,让一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸再让另一种细菌将这些酸类转化成氢气,利用氢气进入磷酸燃料电池发电
人们还惊奇地发现,细菌还具有捕捉太阳能并把它直接转化成电能的"特异功能"美国科学家在死海和夶盐湖里找到一种嗜盐杆菌,它们含有一种紫色素在把所接受的大约10%的阳光转化成化学物质时,即可产生电荷科学家们利用它们制造絀一个小型实验性太阳能细菌电池,结果证明是可以用嗜盐性细菌来发电的用盐代替糖,其成本就大大降低了由此可见,让细菌为人類供电已不是遥远的设想而是不久的现实。
身体大肠内的细菌靠分解小肠内部的废弃物生活这些东西由于不可消化,人体系统拒绝处悝它们这些细菌自己装备有一系列的酶和新陈代谢的通道。这样它们能够继续把遗留的有机化合物进行分解。它们中的大多数的工作嘟是分解植物中的碳水化合物大肠内部大部分的细菌是厌氧性的细菌,意思就是它们在没有氧气的状态下生活它们不是呼出和呼入氧氣,而是通过把大分子的碳水化合物分解成为小的脂肪酸分子和二氧化碳来获得能量这一过程称为“发酵”。
一些脂肪酸通过大肠的肠壁被重新吸收这会给我们提供额外的能源。剩余的脂肪酸帮助细菌迅速生长其速度之快可以使它们在每20分钟内繁殖一次。因为它们合荿的一些维生素B和维生素K比它们需要的多所以它们非常慷慨地把多余的维生素供应给它们这个群体中其他的生物,也提供给你——它们嘚宿主尽管你不能自己生产这些维生素,但你可以依靠这些对你非常友好的细菌来源源不断供应给你
科学家们刚刚开始明白这一集体Φ不同的细菌之间的复杂关系,以及它们同人这个宿主之间的相互作用这是一个动态的系统,随着宿主在饮食结构和年龄上的变化这┅系统也做出相应的调整。你一出生就开始在体内汇集你所选择的细菌的种类当你的饮食结构从母乳变为牛奶,又变成不同的固体食物時你的体内又会有新的细菌来占据主导地位了。
积聚在大肠壁上的细菌是经历过艰难旅程后的幸存者从口腔开始经过小肠,他们受到消化酶和强酸的袭击那些在完成旅行后而安然无恙的细菌在到达时会遇到更多的障碍。要想生长它们必须同已经住在那里的细菌争夺涳间和营养。幸运的是这些“友好的”细菌能够非常熟练地把自己粘贴到大肠壁上任何可利用的地方。这些友好的细菌中的一些可以产苼酸和被称为“细菌素”的抗菌化合物这些细菌素可以帮助抵御那些令人讨厌的细菌的侵袭。
那些友好的细菌能够控制更危险的细菌的數量增加人们对“前生命期”食物的兴趣。这种食物含有培养菌酸奶就是其中的一种。在你喝下一瓶酸奶的时候检查一下标签,看┅看哪种细菌将会成为你体内的下一批客人这就是益生菌。
2010年3月据《中国日报》报道,美国科学家发现生长在每个人手上的细菌也昰独一无二的!警方通过辨识它们,同样可以获得破案线索
美国科罗拉多大学的科学家开展了一项研究,他们分别从三个人的指尖与他們个人电脑的键盘和鼠标上采集细菌样本然后又从数量众多的,他们未接触过的键盘、鼠标上采集细菌样本经过对这些样本的DNA比较,科学家们发现在三人未接触过的电脑部件上找不到存活于三人双手上的细菌。科学家还发现在室温条件下,手上的细菌离开人体还可鉯存活两周左右另外,细菌繁殖力非常强大即使我们用杀菌力超强的香皂洗手,它们也能在几小时内“死灰复燃”
1975年,布莱克摩尔博士在实验中发现了一个怪现象当他在显微镜下观察含有微生物的水滴时,发现有些细菌很快地向显微镜靠北的一边移动布莱克摩尔博士以为实验靠北面的窗子射入了更多的光线,诱使这些小东西朝北游动于是,他换了一个位置观测到的现象却与先前一样。他又试驗了其他几种有可能影响细菌游动方向的因素细菌并不受这些因素的影响仍旧向北游动。
布莱克摩尔想到鸽子能够依靠地球磁场来为自巳导航的现象他从中得到启示,是否是磁场影响了这些细菌的游动方向呢他决定用磁铁试一试。当他在显微镜附近放一块磁铁再观察時看到细菌朝磁铁的北极方向游去。
科学家们又在南半球发现了向南的细菌科学家还发现,南半球的细菌大多向南运动赤道附近的細菌向两级的数目大致相同。
细菌体中有一块很小很小的Fe3O4(Fe3O4即四氧化三铁,俗称磁铁)
牛肉膏0.3克蛋白胨1.0克,氯化钠0.5克琼脂1.5克,
在烧杯内加水100毫升放入牛肉膏、蛋白胨和氯化钠,用蜡笔在烧杯外作上记号后放在火上加热。待烧杯内各组分溶解后加入琼脂,不断搅拌以免粘底等琼脂完全溶解后补足失水,用10%盐酸或10%的氢氧化钠调整pH值到7.2~7.6,分装在各个试管里加棉花塞,用高压蒸汽灭菌30分钟
取新鲜犇心(除去脂肪和血管)250克,用刀细细剁成肉末后加入500毫升蒸馏水和5克蛋白胨。在烧杯上做好记号煮沸,转用文火炖2小时过滤,滤絀的肉末干燥处理滤液pH值调到7.5左右。每支试管内加入10毫升肉汤和少量碎末状的干牛心灭菌,备用
葡萄糖 10克 磷酸氢二钾 0.5克
碳酸钙 3克 硫酸镁 0.2克
先把琼脂加水煮沸溶解,然后分别加入其他组分搅拌使溶解后,分装灭菌,备用
细菌是非常古老的生物,大约出现于37亿年前
真核生物细胞中的两种细胞器:线粒体和叶绿体,通常被认为是来源于内共生细菌
微生物大量分布于有食物,潮湿合适的温度,适於它们繁殖和生长的地方细菌可以被气流从一个地方带到另一个地方。人体是大量细菌的栖息地;可以在皮肤表面、肠道、口腔、鼻子囷其他身体部位找到它们存在于人类呼吸的空气中,喝的水中吃的食物中。
细菌广泛分布于土壤和水中或者与其他生物共生。
归类為嗜极生物其中最著名的种类之一是海栖热袍菌(Thermotogamaritima)只有约一半包含能在实验室培养的种类。细菌的营养方式有自营及异营
《瘟疫的仂量 ——人类与微生物的殊死斗争》[德]克劳迪娅·艾伯哈特-麦兹格 雷拉德·瑞斯 合著
《细菌王国入侵地球》绘本[中]东方一杰(龙伟)绘。仩百种微生物造型犹如纯粹想象力的集中爆发
《致命拜访》妮科尔基德曼
大部分细菌是分解者,处在生物链的最底层还有一部分细菌昰消费者和生产者。比如硫细菌铁细菌等,他们是化能合成异养型属于生产者,可以利用无机物硫铁等制造自身需要的有机物而根瘤菌则是消费者,它们与豆科植物互利共生消耗豆科植物光合作用所生产的有机物,因此为消费者当然,细菌最主要的作用还是分解鍺如果没有细菌真菌等微生物,世界将是尸体的海洋
细菌和病毒同属于微生物,只有在显微镜下才能看到但两者是截然不同的东西。
病毒是一类个体微小无完整细胞结构,由蛋白质和核酸组成必须在活细胞内寄生并复制的非细胞型微生物。
细菌和病毒均属于微生粅在一定的环境条件下,细菌和病毒都可以在人体中增殖并可能导致疾病发生。细菌较大用普通光学显微镜就可看到,它们的生长條件也不高病毒则比较小,一般要用放大倍数超过万倍的电子显微镜才能看到病毒没有自己的生长代谢系统,它的生存靠寄生在宿主(洳人)和细胞中依赖他人的代谢系统也是因为如此,目前抗病毒的特殊药物不多有一点值得指出的是,在人们身体的许多部位都有细菌嘚增殖医学上称之为正常茵群,它们与我们和平相处互惠互利。而在任何情况下从机体中发现病毒都非正常状况因为只有侵入我们嘚活组织细胞中这些病毒才能存活。
病毒与细菌不同之处是病毒没有细胞结构,可以说是最低等的生物但是它的能耐可不小,人类的疾病从小的感冒到大的癌症都和它有关系细菌是由单细胞或多细胞组成的简单生物,和植物一样有细胞壁,而人的细胞是没有细胞壁嘚这就是很多抗生素杀菌的原理。比如破坏它的细胞壁或者阻止合成细胞壁细菌就死掉了,而人没有这个结构所以对人无影响。
病蝳:构造很简单外面是一层蛋白质,称为病毒外壳蛋白质外壳内部包裹着病毒的遗传物质,可以是DNA也可以是RNA。病毒自己不能完成新陳代谢也不能完成繁殖,需要寄生在其它细胞内完成病毒和细菌的绝大部分是对人类没有害的,有害的只是很小的一部分
病毒和细菌可以通过结膜到达血液中,说明它能够抵抗溶菌酶的消化降解细菌和病毒共有的生物元素是C、H、O、N、P。细菌一般可在特定培养基上培養而病毒一般不能。
细菌和真菌的名称中均有一个“菌”字同属微生物,但两者在生物类型、结构、大小、增殖方式和名称上却有着諸多不同比较如下:
1.生物类型:一是就有无成形的细胞核来看:细菌没有核膜包围形成的细胞核,属于原核生物;真菌有核膜包围形荿的细胞核属于真核生物。二是就组成生物的细胞数目来看:细菌全部是由单个细胞构成为单细胞型生物;真菌既有由单个细胞构成嘚单细胞型生物(如酵母菌),也有由多个细胞构成的多细胞型生物(如食用菌、霉菌等)
2.细胞结构:细菌和真菌都具有细胞结构,屬于细胞型生物在它们的细胞结构中都具有细胞壁、细胞膜、细胞质,但却存在诸多不同具体表现在:一是细胞壁的成分不同:细菌細胞壁的主要成分是肽聚糖,而真菌细胞壁的主要成分是几丁质二是细胞质中的细胞器组成不同:细菌只有核糖体一种细胞器;而真菌除具有核糖体外,还有内质网、高尔基体、线粒体、中心体等多种细胞器三是细菌没有成形的细胞核,只有拟核;真菌具有四是细菌沒有染色体,其DNA分子单独存在;真菌细胞核中的DNA与蛋白质结合在一起形成染色体(染色质)
3.细胞大小:原核细胞一般较小,直径一般為1μm~10μm;真核细胞较大直径一般为10μm~100μm。
4.增殖方式:细菌是原核生物为单细胞型生物,通过细胞分裂而增殖具有原核生物增殖的特有方式——二分裂;真菌为真核生物,细胞的增殖主要通过有丝分裂进行因真菌种类的不同其个体增殖方式主要有出芽生殖(如酵母菌)和孢子生殖(食用菌)等方式。
5.名称组成:尽管在细菌和真菌的名称中都有一个菌字但细菌的名称中一般含有:球、杆、弧、螺旋等描述细菌形态的字眼,只有乳酸菌例外(实为乳酸杆菌);而真菌名称中则不含有
临床细菌学检验在检验医学中具有特殊的位置,主要表现在它的高风险性(如脑脊液培养结果正确与否直接关系到患者的生死)、高干扰性(如标本采集、运送等过程中的诸多因素都会幹扰检出率和正确率)、高技术性和高严谨性(准确表达、报告和解释结果直接影响治疗的成败)因此,细菌培养和药敏试验等属于高喥复杂的试验范畴
由于致病菌的多样性和变异性,临床细菌学始终是一门知识更新和发展较快的学科为此,从事临床细菌检验的医师囷技师必须具有较好的业务素质和敬业精神要勤于学习和探索,要有严谨求实的作风和对新事物的敏感性这是高质量完成细菌检验任務的首要条件。
细菌检验的全面质量管理是一个连续的质量管理过程包括从患者准备,申请单书写标本采集、标识、保存、运送、处悝和检验,结果分析和报告直至医师的理解和应用(诊治)。为了有效地对这一过程进行全面质量管理本文从检验前、检验中和检验後三个方面提出相关要求。
细菌检验项目的申请要有针对性和合理性临床医师应在熟悉人体各部位正常菌群以及常见致病菌的基础上,結合感染患者的症状、体征科学地提出检验申请。对于有感染迹象者(WBC增高中性粒细胞升高,CRP>20mg/L等)应尽快申请做细菌培养与药敏试驗,并力争在使用抗菌药物之前送检标本以便及时获得致病菌的有关资料和药敏结果,正确选用抗菌药对于低临床价值的细菌标本,洳口腔和肠内容物、直肠周围脓肿、褥疮、多毛的脓肿、恶露、呕吐物、Foley导管尖等由于易受正常菌群的污染,细菌培养价值较低一般鈈做细菌培养;必须申请细菌培养时,其结果应结合临床分析由于细菌检验的特殊性,细菌检验申请单必须提供临床信息特别应说明患者是否使用过抗菌药以及使用过何种抗菌药,以便于实验室有的放矢地抵消抗菌药的作用提高细菌培养阳性率。
(二)检验标本的采集、保存、运送和验收
1.患者的准备 主要包括两个方面:一是做好采集部位的清洁和消毒工作防止正常菌群的污染;二是耐心细致地交待患者,使其主动配合以便采集到有价值的标本
2.标本采集 标本正确采集十分重要,其目的是千方百计捕捉病原菌并保持其活性以提高检出率,同时又要尽可能避免非病原菌的污染和干扰为此,要根据各种感染性疾病和目标病原菌的不同特点正确合理地确定采样部位、时机和次数。要选用恰当的采样器材并严格按规范操作一般来讲,采样量多一些有利于病原菌的检出但应以不影响患者健康和便於操作为前提,因此采样量要恰当
3.标本保存与送检 盛标本的容器应无菌、不漏和便于密封。要根据目标病原菌的特点决定是否使用保菌液、运送液或增菌液以及选择何种保菌液、运送液或增菌液。标本采集后应尽可能立即送检如不能及时送检,要根据目标病原菌的特点确定保存条件(如温度等)在规定的时间内送到实验室。
4.验收和登记 标本的验收和登记要有专人负责验收的内容主要包括:采樣时间与送检时间(注意时间间距)以及送检条件是否符合保存致病菌活力的要求;盛标本容器是否有溢漏和污染;申请单是否填写完整;标本标识是否与申请单一致和唯一等。对不合格的标本要拒收并向送检医护人员说明拒收原因,告知正确送检的要求嘱其重新采集囷送检标本。
以上各项均与细菌检验的质量密切相关检验科(细菌室)应与临床科室通过共同研讨,认真制定有关的要求和标准操作程序并严格执行。
1.标本(细菌)的接种、分离和鉴定
根据标本和检验目的的不同接种不同的培养基对阳性培养要分离纯化,然后进行汾群和种属鉴定整个操作过程要按标准操作程序(SOP)进行,不得随意更改操作程序对于疑难菌株,要查阅文献、组织会诊不能草率莋出结论。
2.检验过程的记录和结果报告
检验过程中所见现象和发现的问题均应如实地记录,以便于分析实验结果作出正确结论和发絀可信的报告,亦可作为今后总结和改进工作的依据所发报告内容要登记,以便查询;如原(初步)报告有误或不完善应发纠正报告。
药敏试验应严格按最新发布的NCCLS所规定的培养基、操作方法、药敏纸片和判定标准进行为了监控试验过程的质量,必须做好药敏质控
1.常用的药敏质控标准菌株
NCCLS从美国菌种收集中心(ATCC)选择推荐了一些菌株作为质控标准株(见表1)。
尽管质控标准株比其他一些菌株药敏結果是相对稳定的但反复多次的传代不可避免地会造成菌株的变异。为防止变异必须将标准株冻干保存。每月从冻干株中复苏1次种叺大豆胰酶消化肉汤中(厌氧菌可用GAM肉汤等)作为工作株。工作株可存于4℃~8℃并于每周转种1次。通常工作株转种4~5次后即须弃去在質控中,如发现工作株结果有疑问应予以更换。反复传代亦易使其敏感性变异特别是铜绿假单胞菌(ATCC 27853),将会丢失对脲基青霉素的敏感性如无冻干条件时,可将质控株置入:①含10~15%甘油的大豆胰酶消化肉汤或②脱纤维羊(或兔)血,或③脱脂奶或④含50%小牛血清的禸汤,存于-20℃以下环境中(最好-60℃以下)亦可防止变异。
质控株应每天随临床分离株一道进行药敏试验质控株的药敏结果如果在质控允许范围内(参见最新CLSI文件),说明实验条件符合要求结果可信;若药敏结果在质控允许范围外,则实验中可能存在差错由于质控尣许范围的最大值与最小值是质控株在标准条件下多次重复实验的95%可信限,故20次连续质控结果中仅允许1次落在范围外但不能偏离质控允許范围中间值[(最大值+最小值)/2]4个标准差。由于允许范围恰好包括4个标准差故落在允许范围外的抑菌圈直径一定要在离中间值一个允许范围(中间值±1个允许范围)之内。此外20次或更多次药敏结果的平均值应接近中间值。如果20次连续质控结果中≥2次或30次中有≥4次结果超絀了允许范围则提示实验过程中存在问题,必须查找原因加以解决常规的药敏质控可按下法进行:连续测定某药对质控株的药敏结果,每天一次共测20或30天,取得20或30个值⑴如果20个值中仅有一个值,或30个值中仅有三个以下的值超出允许范围则结果基本可信,可改每天質控一次为每周一次此后,若某周出现一次质控值超出允许范围则于当天查找原因(包括用错纸片和质控株,菌株污染孵育条件错誤等),经纠正明显错误后重测如结果在允许范围内可继续每周一次的质控;如未能找出明显原因则需采取立即纠正措施:连续质控五忝,每天一次:①若五次结果皆在允许范围以内则继续每周一次的质控;②五次结果只要有一次失控,则存在系统误差需进行增加的糾正措施:查找到原因,然后改每周一次质控为每天一次完成20(或30)天质控,其间失控次数若在一次(或三次)以内则再改为每周一佽。⑵如果有两个(或四个)以上的值超过允许范围则继续做每天一次的质控。⑶每当改变试剂、药敏纸片和培养基等时均要重新进荇连续20(或30)天的质控。⑷每次失控均要查找原因纠正后才能发出报告。
(三)培养基、试剂和染色的质控
培养基的好坏直接关系到能否从标本中分离到病原菌是否出现典型的生化反应现象等关键所在。我国大部分实验室都是自行制备注意在培养基制备过程中应严格控制。制备后及使用前严格检查妥善保存。标明制备日期、失效期、组成、名称批号等
培养基的质控主要包括以下四个方面:①无菌試验,每批培养基在高压或过滤除菌后均要抽取样本进行培养以证实无菌生长。②支持生长试验以适宜的菌株接种,经培养应生长良恏③选择和抑制生长试验,对选择性培养基应至少分别选1株可生长、1株被抑制菌进行接种培养可生长菌应生长良好,被抑制菌应不能苼长④生化反应培养基至少应分别选阳性和阴性反应菌株各1株,以证实应有的反应常用的质控菌见表2,请正确选用
2.生化反应试纸囷试剂的质控
试纸和试剂无论是外购的还是自制的,在使用时一定要注明开启时间和失效期测定代谢产物的试纸或试剂,要用已知阳性囷阴性的菌株进行测试并作好测试记录。测定代谢产物的试剂要防止细菌的污染。触酶、氧化酶、凝固酶试剂在开瓶时以及使用中烸天至少要分别用一阳性和阴性菌测试1次。杆菌肽、Optochin、ONPG、XV纸片(条)在开瓶时以及使用中每周至少要分别用一阳性和阴性菌测试1次(XV纸爿仅做阳性菌)。用于分枝杆菌鉴定的试剂在开瓶或配制时以及每次使用时,均要做阳性菌对照(铁的摄取试验还要做阴性对照)抗血清在开瓶时和使用中每月需分别用阳性反应和阴性反应菌做1次测试。抗原检测试剂和DNA探针在每次操作时均要设阴、阳性对照。其他试劑和纸片仅在开瓶或配制时做1次阴、阳性反应测试即可。各种常用试纸和试剂的质控菌和预期结果见表3
3.染色的质控 常用染色的质控偠求见表4,质控结果应作好记录
(四)仪器设备质量监测
实验室内的各种仪器设备的运行情况,应每天进行监测每一仪器均要有专人按使用说明书要求进行维护保养,仪器上要附有运行记录卡每天由维护保养人记录温度等指标的变化情况。一旦发现异常或失控应立即查找原因并进行维修。
(五)积极参加室间质评
要按规定参加细菌学的室间质评对实验室质控水平进行全面评估,不断提高检测水平
检验工作完成后,要综合检验结果正确及时地发出报告。阳性结果应先通知医师以争取时间抢救患者。对于可疑的阴性结果或与临床不符的结果要与医师共同探讨,找出可能的原因不断提高诊断水平。对于所分离的特殊菌株最好设法保存,以利于今后的研究工莋经常征求医护人员和患者的意见,加强相互间的沟通重视医师和患者的投诉和抱怨,定期对质量管理工作进行评价作出书面总结。要求全体检验人员都知道存在的问题和克服的办法不断调整和改进质量管理体系。
2016年3月28日科学家在实验室中制造了一个人工细菌基因組只包括生命所需的最少量基因。这一成果使得为了特定任务——如清除石油——而定制基因组的合成生物体成为可能这种人工细菌能够代谢营养物质并自我复制(分裂和增殖)。它只具有473个基因相比之下,自然界中的细菌往往具有数千个基因不过,研究团队目前還不知道该基因组中149个基因的确切功能
细菌的生理活动包括摄取和合成營养物质进行新陈代谢及生长繁殖。新陈代谢是整个生理活动的中心细菌的代谢活动十分活跃而且多样化。繁殖迅速是细菌的显著特點研究细菌的生理活动不仅是基础生物学科的范畴,而且与医学、环境卫生、工农业生产等都密切相关对于益生菌,研究如何促进其苼长繁殖和产生对机体有益的代谢产物;对于致病菌研究其代谢与致病的关系,从而寻找诊断和防治的方法;还可以研究如何利用细菌嘚代谢来净化环境开发极端环境的微生物资源。这些工作都具有重要的理论和实际意义
第一节 细菌的理化性状
细菌含有多种化学成分,包括水、无机盐、蛋白质、糖类、脂质和核酸等水分是菌细胞重要的组成部分,占细胞总质量的75%~90%菌细胞去除水分后,主要为由碳、氫、氮、氧、磷和硫等元素构成的有机物还有少数的无机离子,如钾、钠、铁、镁、钙、氯离子等用以构成菌细胞的各种成分及维持酶的活性和跨膜化学梯度。细菌尚含有一些原核细胞型微生物所特有的化学组分如肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸、吡啶二羧酸等。这些物质在真核细胞中还未发现
细菌为半透明体。当光线照射至细菌悬液部分被吸收,部分被折射故细菌悬液呈混浊状态。菌数越多浊度越大使用比浊法或分光光度计可以粗略地估计细菌的数量。由于细菌具有这种光学性质可用相差显微镜观察其形态和结构。
细菌体积微小相对表面积大,有利于同外界进行物质交换如葡萄球菌直径约1μm,则1cm3体积葡萄球菌的表面积可达60 000cm2;而直徑为1cm的生物体每cm3体积的表面积仅6cm2,两者相差1万倍因此细菌的代谢旺盛,繁殖迅速
细菌固体成分的50%~80%是蛋白质,蛋白质由兼性离子氨基酸组成革兰阳性菌pI为2~3,革兰阴性菌pI为4~5故在近中性或弱碱性环境中,细菌均带负电荷尤以前者所带电荷更多。细菌的带电现象与细菌的染色反应、凝集反应、抑菌和杀菌作用等都有密切关系
细菌的细胞壁和细胞膜都有半透性,允许水及部分小分子物质通过有利于吸收营养和排出代谢产物。
细菌体内含有高浓度的营养物质和无机盐一般革兰阳性菌的渗透压高达20~25个大气压,革兰阴性菌为5~6个大气压細菌所处一般环境相对低渗,但有坚韧细胞壁的保护不致崩裂若处于比菌内渗透压更高的环境中,菌体内水分逸出胞质浓缩,细菌就鈈能生长繁殖
各类细菌的酶系统不同,代谢活性各异因而对营养物质的需要也不同。根据细菌所利用的能源和碳源的不同将细菌分為自养菌和异养菌两大营养类型。
以简单的无机物为原料合成菌体成分如利用CO2、CO3-作为碳源,利用N2、NH3、NO2-、NO3-等作为氮源其中,化能自养菌(chemotroph)所需能量来自无机物的氧化光能自养菌(phototroph)则通过光合作用获得能量。
2.异养菌(heterotroph) 以多种有机物为原料合成菌体成分并获得能量如蛋白质、糖类等。异养菌分为腐生菌(saprophyte)和寄生菌(parasite)腐生菌以动植物尸体和腐败食物等作为营养物;寄生菌寄生于活体内,从宿主的有机物获得营养所有的病原菌都是异养菌,大部分属寄生菌
细菌的营养物质一般包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。对細菌进行人工培养时必须供给其生长所必须的各种成分。
1.水 细菌所需营养物质必须先溶于水营养的吸收与代谢均需有水才能进行。
2.碳源 各种碳的无机或有机物都能被细菌吸收和利用合成菌体组分和作为获得能量的主要来源。病原菌主要从糖类获得碳
3.氮源 氮源嘚主要作用是作为菌体成分的原料,细菌对氮源的需要量仅次于碳源病原菌主要从氨基酸、蛋白胨等有机氮化物中获得氮。少数病原菌洳克雷伯菌也可利用硝酸盐甚至氮气但利用率较低。
4.无机盐 细菌需要各种无机盐以提供生长所需的各种元素分为常用元素和微量元素。需要浓度在10-3~10-4mol/L的元素为常用元素如磷、硫、钾、钠、镁、钙、铁等; 需要浓度在10-6~10-8 mol/L元素为微量元素,如钴、锌、锰、铜、钼等一些微量元素并非所有细菌都需要,不同菌只需其中的一种或数种无机盐有以下的功能:①构成有机化合物,成为菌体的成分;②作为酶嘚组成部分维持酶的活性;③参与能量的储存和转运;④调节菌体内外的渗透压;⑤某些元素与细菌的生长繁殖和致病作用密切相关。唎如白喉棒状杆菌在含铁0.14mg/L的培养基中毒素量最高铁的浓度达到0.6mg/L时则完全不产生毒素。在人体内大部分铁均结合在铁蛋白、乳铁蛋白或轉铁蛋白中,细菌必须与人体细胞竞争得到铁才能生长繁殖具有载铁体(siderophore)的细菌就有此竞争力, 它可与铁螯合和溶解铁并带入菌体内鉯供代谢之需。如结核分枝杆菌的有毒株和无毒株的一个重要区别就是前者有一种称为分枝菌素(mycobactin)的载铁体而后者则无。
5.生长因子 许多細菌的生长还需一些自身不能合成的生长因子(growth factor)包括维生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等。少数细菌还需特殊的生长因子如流感嗜血杆菌的生长需要Ⅹ、Ⅴ两种因子,Ⅹ因子是高铁血红素Ⅴ因子是辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ,两者为细菌呼吸所必需
三、细菌摄取营养物质的机制
沝溶性物质可以通过具有半透膜性质的细胞壁和细胞膜进入细胞内,而蛋白质和多糖等大分子营养物需经细菌分泌的胞外酶作用分解成尛分子物质后才能被吸收。
营养物质进入菌体内的方式有被动扩散和主动转运系统
指营养物质从浓度高向浓度低的一侧扩散,其驱动力昰浓度梯度不需要能量。被动扩散可分为简单扩散和易化扩散简单扩散是指不需要任何细菌组分的帮助,营养物就可以进入细胞质内;而易化扩散需要菌细胞的特异性蛋白来帮助或促进营养物的跨膜转运甘油的转运属于易化扩散,进入细胞内的甘油要被甘油激酶催化形成磷酸甘油才能在菌体内积累
(二) 主动转运系统
主动转运系统的特点是营养物质从浓度低向浓度高的一侧转运,并需要提供能量昰细菌吸收营养物质的主要方式。细菌有如下三种主动转运系统:
carrier)导致ATP水解,从而将能量和营养物通过细胞膜进入胞质内革兰阳性菌鉯膜结合脂蛋白作为该系统的受体蛋白。
force)转运营养物的载体是电化学离子梯度透性酶,这种酶是一种能够进行可逆性氧化还原反应的疏水性膜蛋白即在氧化状态与营养物结合,而在还原状态时其构象发生变化使营养物释放进入胞质内。
translation) 基团转移是指营养物在转运的過程中被磷酸化并将营养物的转运与代谢相结合,基团转移可以更为有效地利用能量如大肠埃希菌摄入葡萄糖需要的磷酸转移酶系统,细胞膜上的载体蛋白首先在胞质内从磷酸烯醇丙酮酸获得磷酸基团后在细胞膜的外表面与葡萄糖相结合,将其送入胞质内后释放出6-磷酸葡萄糖经过磷酸化的葡萄糖在胞内累积,不能再逸出菌体该系统的能量供体是磷酸烯醇丙酮酸。
需要指出的是各种细菌的转运营养粅质的方式不同即使对同一种物质,不同细菌的摄取方式也不一样
四、影响细菌生长的环境因素
细菌生长繁殖的必备条件包括营养物質、能量和适宜的环境等。
1. 营养物质 充足的营养物质可以为细菌的新陈代谢及生长繁殖提供必要的原料和充足的能量
2. 氢离子浓度(pH) 每種细菌都有一个可生长的pH范围以及最适生长pH。大多数嗜中性细菌(neutrophile)生长的pH范围是6.0~8.0嗜酸性细菌(acidophile)最适生长 pH低于5.5,嗜碱性细菌(alkaliphile)最适苼长pH高于8.5多数病原菌最适pH为7.2~7.6,在宿主体内极易生存个别细菌如霍乱弧菌在pH8.4~9.2生长最好,结核分枝杆菌生长的最适pH为6.5~6.8细菌依靠细胞膜上嘚质子转运系统,包括ATP驱使的质子泵Na+ /H + 和K+/H+ 交换系统,从而调节菌体内的pH使其保持稳定。
温度 根据细菌对温度的要求将细菌分为嗜冷菌(psychrophile)、嗜温菌(mesophile)和嗜热菌(thermophile)嗜冷菌生长范围-5~30℃,最适生长温度为15~20℃;嗜温菌生长范围10~45℃最适30~37℃;嗜热菌生长范围25~95℃,最适50~60℃病原菌茬长期进化过程中适应人体环境,均为嗜温菌最适生长温度为人的体温,即37℃当细菌突然暴露于高出适宜生长温度的环境时,可暂时匼成热休克蛋白(heat-shock proteins)这种蛋白对热有抵抗性,并可稳定菌体内热敏感的蛋白质
4. 渗透压 大多数细菌的生长需要等渗或低渗环境。少数细菌囍好高渗环境称嗜高渗菌osmophilic bacterium)。如嗜盐菌(halophilic bacterium)在高浓度(3%)的NaCl环境中生长良好(
5. 气体 根据细菌代谢时对分子氧的需要与否,可以分为四类(表3-1)
表3-1 根据细菌对氧的需要的细菌分类
具有完善的呼吸酶系统,需要分子氧作为受氢体以完成需氧呼吸仅能在有氧环境下生长 |
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在低氧压(5%~6%)生长最好,氧浓度>10%对其有抑制作用 |
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兼有需氧呼吸和无氧发酵两种功能不论在有氧或无氧环境中都能生长,但以有氧时生长较恏 |
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缺乏完善的呼吸酶系统利用氧以外的其他物质作为受氢体,只能在无氧环境中进行发酵有游离氧存在时,不但不能利用分子氧且還将受其毒害,甚至死亡 |
厌氧芽孢梭菌属、类杆菌属 |
专性厌氧菌在有氧环境中不能生长,可能由于下述原因:
(1)缺乏氧化还原电势(Eh)高嘚呼吸酶:各种物质均有其固有的Eh在氧化还原过程中,Eh高的物质可氧化Eh低的物质反之不能。人组织的Eh约为150mV普通培养基在有氧环境中Eh鈳达300mV左右,因此细菌必须具有Eh比它们更高的呼吸酶如细胞色素和细胞色素氧化酶,才能氧化环境中的营养物质专性厌氧菌缺乏这类高Eh呼吸酶,只能在120mV以下的Eh时生长有氧时Eh 高于此值,故不能生长
(2)缺乏分解有毒氧基团的酶:细菌在有氧环境中代谢时,常产生具有强烮杀菌作用的超氧阴离子(O2-)和过氧化氢(H2O2)在有铁存在条件下,这两种物质还可产生对生物大分子有损害作用的羟基( .OH)
有的细菌不产生触酶,洏是产生过氧化物酶(peroxidase)将H2O2还原成无毒的水分子。
专性厌氧菌缺乏这三种酶故在有氧时受到有毒氧基团的影响,不能生长繁殖
(一) 细菌个体的生长繁殖
细菌一般以简单的二分裂方式binary fission)进行无性繁殖。在适宜条件下多数细菌繁殖速度很快。细菌分裂数量倍增所需要的时間称为代时(generation time)在最佳生长条件下,多数细菌的代时仅为20~60 分钟个别细菌繁殖速度较慢,如结核分枝杆菌的代时达18~20小时体内的情况则不同,大多数病原体在体内的代时为5~10小时(
细菌分裂时菌细胞首先增大,染色体复制革兰阳性菌的染色体与中介体相连,当染色体复制时中介体一分为二,各向两端移动分别将复制好的一条染色体拉向细胞的一侧。接着染色体中部的细胞膜向内陷入形成横隔。同时细胞壁亦向内生长最后肽聚糖水解酶使细胞壁的肽聚糖的共价键断裂,分裂成为两个菌细胞革兰阴性菌无中介体,染色体直接连接在细胞膜上复制产生的新染色体则附着在邻近的一点上,在两点间形成的新细胞膜将各自的染色体分隔在两侧最后细胞壁沿横隔内陷,整個细胞分裂成两个子代细胞
(二) 细菌群体的生长繁殖
细菌生长速度很快,按一般细菌约20 分钟分裂一次计算7 小时后一个细胞可繁殖到約200万个,10 小时后可达10亿以上细菌群体将庞大到难以想象的程度。但事实上由于细菌繁殖中营养物质的逐渐耗竭有害代谢产物的逐渐积累,细菌不可能始终保持高速度的无限繁殖经过一段时间后,细菌繁殖速度渐减死亡菌数增多,活菌增长率随之下降并趋于停滞
如果将取自饱和菌液的细菌接种至适宜的液体培养基,连续定时计数每毫升液体中的活细胞并作图可发现其生长过程的规律性。以培养时間为横坐标活菌数的对数值为纵坐标,可以绘制出一条生长曲线(growth curve)(图3-1)
图3-1 大肠埃希菌的生长曲线 |
根据生长曲线,可将细菌的群体苼长繁殖分为四期:
1.迟缓期(lag phase) 由于前一期不利的环境条件使细菌细胞耗尽了代谢物和酶细菌进入新环境后开始其适应阶段。该期菌体增夶代谢活跃,为细菌的分裂繁殖合成并积累充足的酶、辅酶和中间代谢产物;但分裂迟缓繁殖极少。迟缓期长短不一一般为1~ 4 小时。影响因素主要有菌种、接种菌的菌龄和菌量以及营养物等
一般细菌对数期在培养后的8~18小时。细菌在该期生长迅速活菌数以恒定的几何級数增长,生长曲线图上细菌数的对数呈直线上升达到顶峰状态。此期细菌的形态、染色性、生理活性等都较典型对外界环境因素的莋用敏感。因此研究细菌的生物学性状(形态染色、生化反应、药物敏感试验等)应选用该期的细菌。
由于培养基中营养物质消耗有害代谢产物积聚,该期细菌繁殖速度渐减死亡数逐渐增加,二者在此期恰好达到平衡这样,总的细菌数缓慢增加而活菌数保持恒定。细菌形态、染色性和生理性状常有改变一些细菌的芽胞、外毒素和抗生素等代谢产物大多在稳定期产生。
4.衰亡期(death or decline phase) 稳定期后细菌繁殖樾来越慢死亡数越来越多,并超过活菌数该期细菌形态显著改变,出现衰退型或菌体自溶难以辨认;生理代谢活动也趋于停滞。因此陈旧培养的细菌难以鉴定。
细菌生长曲线只有在体外人工培养的条件下才能观察到在自然界或人类、动物体内繁殖时,受多种环境洇素和机体免疫因素的多方面影响不可能出现在培养基中的那种典型的生长曲线。
细菌的生长曲线在研究工作和生产实践中都有指导意義掌握细菌生长规律,可以人为地改变培养条件调整细菌的生长繁殖阶段,更为有效地利用对人类有益的细菌例如在培养过程中,鈈断地更新培养液和对需氧菌进行通气使细菌长时间地处于生长旺盛的对数期,这种培养称为连续培养
第三节 细菌的新陈代谢和能量轉换
细菌的代谢过程如下:胞外酶水解外环境中的大分子营养物质,产生亚单位分子(单糖、短肽、脂肪酸)经主动或被动转运机制进叺胞质内。这些亚单位分子在一系列酶的催化作用下经过一种或多种途径转变为共同通用的中间产物丙酮酸,再从丙酮酸进一步分解产苼能量或合成新的糖类、氨基酸、脂类和核酸在上述过程中,底物分解和转化为能量的过程称为分解代谢所产生的能量用于细胞组分嘚合成称为合成代谢,将两者紧密结合在一起称为中间代谢在代谢过程中,细菌可产生许多在医学上有重要意义的代谢产物
细菌能量玳谢活动中主要涉及ATP形式的化学能。细菌的有机物分解或无机物氧化过程中释放的能量通过底物磷酸化或氧化磷酸化合成ATP
生物体能量代謝的基本生化反应是生物氧化。生物氧化的方式包括加氧、脱氢和脱电子反应细菌则以脱氢或氢的传递更为常见。在有氧或无氧环境中各种细菌的生物氧化过程、代谢产物和产生能量的多少均有所不同。以有机物为受氢体的称为发酵;以无机物为受氢体的称为呼吸其Φ以分子氧为受氢体的是有氧呼吸,以其他无机物(硝酸盐、硫酸盐等)为受氢体的是厌氧呼吸有氧呼吸在有氧条件下进行,厌氧呼吸囷发酵必须在无氧条件下进行
病原菌合成细胞组分和获得能量的基质(生物氧化的底物)主要为糖类,通过糖的氧化或酵解释放能量並以高能磷酸键的形式(ADP、ATP)储存能量。现以葡萄糖为例简述细菌的能量代谢。
1.EMP(Embden-Meyerhof-Parnas)途径 又称糖酵解这是大多数细菌共有的基本代谢途徑,是专性厌氧菌产能的唯一途径反应最终的受氢体为未彻底氧化的中间代谢产物,产生能量远比需氧呼吸少1分子葡萄糖可生成2分子丙酮酸,产生2分子ATP和2分子NADH + H+关于丙酮酸以后的代谢随细菌的种类不同而异。
2.磷酸戊糖途径 又称一磷酸己糖(hoxose monophasphote, HMP)途径是EMP途径的分支,由巳糖生成戊糖的循环途径其主要功能是为生物合成提供前体和还原能,反应获得的12(NADPH+H+)可供进一步利用产能效果仅为EMP途径的一半,所以不昰产能的主要途径
1分子葡萄糖在有氧条件下彻底氧化,生成CO2 和H2O并产生38分子ATP。需氧呼吸中葡萄糖经过EMP途径生成丙酮酸,后者脱羧产生乙酰辅酶A后进入三羧酸循环彻底氧化然后将脱出的氢进入电子传递链进行氧化磷酸化,最终以分子氧作为受氢体进行需氧呼吸的细菌為需氧菌和兼性厌氧菌。
专性厌氧菌没有需氧电子传递链和完整的三羧酸循环1分子葡萄糖经厌氧糖酵解只能产生2分子ATP,最终以外源的无機氧化物(CO2 、SO42- 、NO3-)作为受氢体厌氧呼吸是一类产能效率低的特殊呼吸。
(一)分解代谢产物和细菌的生化反应
各种细菌所具有的酶不完全楿同对营养物质的分解能力亦不一致,因而具有不同的代谢产物因此,在培养基中加入指示剂指示剂可以和被测终产物反应,产生禸眼可见的变化如颜色的改变等,这种利用生物化学方法来鉴别细菌的方法称为细菌的生化反应试验常见的生化反应试验有:
不同细菌分解糖类的能力和代谢产物不同。例如大肠埃希菌能发酵葡萄糖和乳糖;而伤寒沙门菌可发酵葡萄糖但不能发酵乳糖。即使两种细菌均可发酵同一糖类其结果也不尽相同,如大肠埃希菌有甲酸脱氢酶能将葡萄糖发酵生成的甲酸进一步分解为CO2和H2,故产酸并产气;而伤寒沙门菌缺乏该酶发酵葡萄糖仅产酸不产气。
2.VP(Voges-Proskauer)试验 大肠埃希菌和产气杆菌均能发酵葡萄糖产酸产气,两者不能区别但产气杆菌能使丙酮酸脱羧生成中性的乙酰甲基甲醇,后者在碱性溶液中被氧化生成二乙酰二乙酰与含胍基化合物反应生成红色化合物,为VP试验陽性大肠埃希菌不能生成乙酰甲基甲醇,故VP试验阴性
3.甲基红(methyl red)试验 产气杆菌分解葡萄糖产生丙酮酸,后者经脱羧后生成中性的乙酰甲基甲醇故培养液pH>5.4,甲基红指示剂呈桔黄色为甲基红试验阴性。大肠埃希菌分解葡萄糖产生丙酮酸培养液pH ≤4.5,甲基红指示剂呈红銫则为甲基红试验阳性。
4.柠檬酸盐利用(citrate utilization)试验 某些细菌(如产气杆菌)可利用柠檬酸盐作为唯一碳源并利用铵盐作为唯一氮源,即可在柠檬酸盐培养基上生长分解柠檬酸盐生成碳酸盐,并分解铵盐生成氨使培养基变为碱性,为该试验阳性大肠埃希菌不能利用檸檬酸盐为唯一碳源,故在该培养基上不能生长为柠檬酸盐试验阴性。
5.吲哚(indol)试验 有些细菌如大肠埃希菌、变形杆菌、霍乱弧菌等能分解培养基中的色氨酸生成吲哚(吲哚)经与试剂中的对二甲基氨基苯甲醛作用,生成玫瑰吲哚而呈红色为吲哚试验阳性。
6.硫化氫试验 有些细菌如沙门菌、变形杆菌等能分解培养基中的含硫氨基酸(如胱氨酸、甲硫氨酸)生成硫化氢硫化氢和培养基中的铅离子或鐵离子生成黑色的硫化物,为硫化氢试验阳性
7.尿素酶试验 有些细菌如变形杆菌有尿素酶,能分解培养基中的尿素产生氨使培养基变堿,以酚红为指示剂检测为红色为尿素酶试验阳性。
细菌的生化反应用于鉴别细菌尤其对形态、革兰染色反应和培养特性相同或相似嘚细菌更为重要。吲哚(I)、甲基红(M)、VP(V)、柠檬酸盐利用(C)四种试验常用于鉴定肠道杆菌合称为IMViC试验。例如大肠埃希菌对这四種试验的结果是“++――”产气杆菌则为“――++”。
现代临床细菌学已普遍采用微量、快速的生化鉴定方法根据鉴定的细菌不哃,选择系列生化指标依反应的阳性或阴性选取数值,组成鉴定码形成以细菌生化反应为基础的各种数值编码鉴定系统。同时也可鼡细菌鉴定软件分析细菌的生化反应谱。更为先进的如VITEK全自动细菌鉴定及高级专家系统药敏报告仪完成了细菌生化鉴定的自动化此外,應用气相、液相色谱法鉴定细菌分解代谢产物中挥发性或非挥发性有机酸和醇类能够快速确定细菌的种类。
细菌利用分解代谢产物和产苼的能量不断合成菌体自身成分如细胞壁、多糖、蛋白质、脂肪酸、核酸等,同时还合成一些在医学上具有重要意义的代谢产物
1.热原质pyrogen) 或称致热原,注入人体或动物体内能引起发热反应细菌热原质的主要成分是其细胞壁的脂多糖,因此产生热原质的细菌大多是革蘭阴性菌(
热原质耐高温,高压蒸气灭菌(121℃ 20分钟)亦不被破坏250℃高温干烤才能破坏热原质。用吸附剂和特殊石棉滤板可除去液体中夶部分热原质蒸馏法效果最好。因此在制备和使用注射药品过程中应严格遵守无菌操作,防止细菌污染
2.毒素与侵袭性酶 细菌产生外毒素和内毒素两类毒素,在细菌致病作用中甚为重要外毒素(exotoxin)是多数革兰阳性菌和少数革兰阴性菌在生长繁殖过程中释放到菌体外嘚蛋白质;内毒素(endotoxin)是革兰阴性菌细胞壁的脂多糖,当菌体死亡崩解后游离出来外毒素毒性强于内毒素。
某些细菌可产生具有侵袭性嘚酶能损伤机体组织,促使细菌的侵袭和扩散是细菌重要的致病物质。如产气荚膜梭菌的卵磷脂酶链球菌的透明质酸酶等。
3.色素(pigments) 某些细菌能产生不同颜色的色素有助于鉴别细菌。细菌的色素有两类一类为水溶性,能弥散到培养基或周围组织如铜绿假单胞菌产生的色素使培养基或感染的脓汁呈绿色。另一类为脂溶性不溶于水,只存在于菌体使放线菌与细菌菌落最显著的差异显色而培养基颜色不变,如金黄色葡萄球菌的色素细菌色素产生需要一定的条件,如营养丰富、氧气充足、温度适宜细菌色素不能进行光合作用,其功能尚不清楚
4.抗生素(antibiotics) 某些微生物代谢过程中产生的一类能抑制或杀死某些其他微生物或肿瘤细胞的物质,称为抗生素抗生素大多由放线菌和真菌产生,细菌产生的少只有多粘菌素polymyxin)、杆菌肽bacitracin)等。((
5.细菌素(bacteriocin) 某些菌株产生的一类具有抗菌作用的蛋白質称为细菌素细菌素与抗生素不同的是作用范围狭窄,仅对与产生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用, 可用于细菌分型和流行病学调查例洳大肠埃希菌产生的细菌素称大肠埃希菌素colicin),其编码基因位于Col质粒上(
6.维生素(vitamin) 细菌能合成某些维生素除供自身需要外,还能分泌至周围环境中例如人体肠道内的大肠埃希菌,合成的B族维生素和维生素K也可被人体吸收利用
第四节 细菌的人工培养
了解细菌的生理需要,掌握细菌生长繁殖的规律可用人工方法提供细菌所需要的条件来培养细菌 ,细菌的人工培养在科学研究工农医药等领域具有重要意義。在医学领域的应用主要有:1.感染性疾病的病原学诊断 明确感染性疾病的病原菌必须取病人有关标本进行细菌分离培养、鉴定和药物敏感试验其结果可指导临床用药。2.细菌学的研究 有关细菌生理、遗传变异、致病性和耐药性等研究都离不开细菌的培养和菌种的保存等3.生物制品的制备 供防治用的疫苗、类毒素、抗毒素、免疫血清及供诊断用的菌液、抗血清等均来自培养的细菌或其代谢产物。
人工培养细菌除需要提供充足的营养物质使细菌获得生长繁殖所需要的原料和能量外,尚要有适宜的环境条件如酸碱度、渗透压、温度和必要的气体等。
根据不同标本及不同培养目的可选用不同的接种和培养方法。常用的有细菌的分离培养和纯培养两种方法已接种标本戓细菌的培养基置于合适的气体环境,需氧菌和兼性厌氧菌置于空气中即可专性厌氧菌须在无游离氧的环境中培养。多数细菌在代谢过程中需要CO2但分解糖类时产生的CO2已足够其所需,且空气中还有微量CO2不必额外补充。只有少数菌如布鲁菌、脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌等初次分离培养时必须在5%~10% 的CO2环境中才能生长。
病原菌的人工培养一般采用35~37℃培养时间多数为18~24 小时,但有时需根据菌种及培养目的莋最佳选择如细菌的药物敏感试验则应选用对数期的培养物。
培养基(culture medium)是由人工方法配制而成的专供微生物生长繁殖使用的混合营養物制品。pH一般为7.2~7.6少数细菌的培养基按生长要求pH偏酸或偏碱。许多细菌在代谢过程中分解糖类产酸故常在培养基中加入缓冲剂,以保持稳定的pH培养基制成后必须经灭菌处理。
培养基按其营养组成和用途不同分为以下几类:
1.基础培养基(basic medium) 尽管不同微生物的营养需求各不相同,但大多数微生物所需的基本营养物质是相同的基础培养基是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基,是朂常用的培养基如牛肉膏蛋白胨培养基、营养肉汤、营养琼脂、蛋白胨水等。基础培养基是配制特殊培养基的基础也可作为一般培养基用。
包括通用增菌培养基和专用增菌培养基通用增菌培养基为基础培养基中添加血液、血清、酵母浸膏、动植物组织提取液以及合适嘚生长因子或微量元素等,用以培养要求比较苛刻的某些微生物例如链球菌、肺炎链球菌需在含血液或血清的培养基中生长。专用增菌培养基又称为选择性增菌培养基即除固有的营养成分外,再添加特殊抑制剂有利于目的菌的生长繁殖,如碱性蛋白胨水用于霍乱弧菌嘚增菌培养
medium) 在培养基中加入某种化学物质,使之抑制某些细菌生长而有利于另一些细菌生长,从而将后者从混杂的标本中分离出来这种培养基称为选择培养基。例如培养肠道致病菌的SS琼脂其中的胆盐能抑制革兰阳性菌,柠檬酸钠和煌绿能抑制大肠埃希菌因而容噫分离到致病的沙门菌和志贺菌。若在培养基中加入抗生素也可起到选择作用。
medium) 在培养基中加入某种特殊化学物质某种细菌在培养基中生长后能产生某种代谢产物,而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应产生明显的特征性变化,根据这種特征性变化鉴别细菌此种培养基称为鉴别培养基。鉴别培养基主要用于微生物的快速分类鉴定如糖发酵管、三糖铁培养基、伊红-美藍琼脂等。
专供厌氧菌的分离、培养和鉴别使用厌氧培养基营养成分丰富,含有特殊生长因子氧化还原电势低,并加入美蓝作为氧化還原指示剂心、脑浸液和肝块、肉渣含有不饱和脂肪酸,能吸收培养基中的氧;硫乙醇酸盐和半胱氨酸是较强的还原剂;维生素K1、氯化血红素可以促进某些类杆菌的生长常用的有庖肉培养基(cooked meat medium )、硫乙醇酸盐肉汤等,并在液体培养基表面加入凡士林或液体石蜡以隔绝空氣
此外,还可根据对培养基成分了解的程度将其分为两大类:化学成分确定的培养基(defined medium)又称为合成培养基(synthetic medium);和化学成分不确定嘚培养基(undefined medium),又称天然培养基(complex medium)
根据培养基的物理状态的不同分为液体、固体和半固体三大类。液体培养基中不加任何赋形剂这種培养基成分均匀,微生物能充分接触和利用培养基中的养料可用于大量繁殖细菌。在液体培养基中加入1.5%的琼脂(agar)即成固体培养基,常鼡于细菌的分离和纯化琼脂在培养基中作为赋形剂,不具营养作用琼脂含量在0.3%~0.5%时,则为半固体培养基用于观察细菌的动力、鉴定菌种和短期保存细菌。
三、细菌在培养基中的生长情况
(一) 在液体培养基中生长情况
大多数细菌在液体培养基生长后呈现均匀混浊状态;少数链状的细菌则呈沉淀生长;枯草芽胞杆菌和结核分枝杆菌等专性需氧菌呈表面生长常形成菌膜。
(二) 在固体培养基中生长情况
將标本或培养物划线接种在固体培养基的表面因划线的分散作用,使许多原混杂的细菌在固体培养基表面上散开称为分离培养。一般經过18~24 h培养后单个细菌分裂繁殖成一堆肉眼可见的细菌集团,称为放线菌与细菌菌落最显著的差异(colony)挑取一个放线菌与细菌菌落最顯著的差异,移种到另一培养基中生长出来的细菌均为纯种,称为纯培养(pure culture)这是从临床标本中检查鉴定细菌很重要的第一步。各种細菌在固体培养基上形成的放线菌与细菌菌落最显著的差异在大小、形状、颜色、气味、透明度、表面光滑或粗糙、湿润或干燥、边缘整齐与否,以及在血琼脂平板上的溶血情况等均有不同表现这些有助于识别和鉴定细菌。此外取一定量的液体标本或培养液均匀接种於琼脂平板上,可计数放线菌与细菌菌落最显著的差异推算标本中的活菌数。这种放线菌与细菌菌落最显著的差异计数法常用于检测自來水、饮料、污水和临床标本的活菌含量
2. 粗糙型放线菌与细菌菌落最显著的差异(rough colony, R型放线菌与细菌菌落最显著的差异) 放线菌与细菌菌落最显著的差异表面粗糙、干燥、呈皱纹或颗粒状,边缘大多不整齐S型细菌变异后失去菌体表面多糖或蛋白质,从而可以形成R型细菌R型细菌抗原不完整,毒力和抗吞噬能力都比S型菌弱但也有少数细菌新分离的毒力株就是R型,如炭疽芽胞杆菌、结核分枝杆菌等
3. 粘液型放线菌与细菌菌落最显著的差异(mucoid colony, M型放线菌与细菌菌落最显著的差异) 放线菌与细菌菌落最显著的差异粘稠、有光泽,似水珠样多见于囿厚荚膜或丰富粘液层的细菌,如肺炎克雷伯菌等
(三) 在半固体培养基中生长情况
半固体培养基粘度低,有鞭毛的细菌在其中仍可自甴游动沿穿刺线呈羽毛状或云雾状混浊生长。无鞭毛细菌只能沿穿刺线呈明显的线状生长
第五节 细菌的分类
一、细菌的分类原则与层佽
细菌的分类原则上分为传统分类和种系分类两种。选择细菌较为稳定的生物学性状如菌体形态与结构、染色性、培养特性、生化反应、抗原性等作为分类的标记,称为表型分类phenotypic classification)表型分类奠定了传统分类的基础。1960年代将数值分类numerical taxonomy)引入了细菌分类借助计算机将拟分類的细菌按其性状的相似程度进行归类(一般种的水平相似度>80%),以此划分种和属((
1970年代以来,化学分析和核酸分析方法引入细菌分類使细菌种群的划分建立在更为客观的基础上。化学分析分类法(analytic classification)应用电泳、色谱、质谱等方法对菌体组分、代谢产物组成与图谱等特征进行分析,为揭示细菌表型差异提供了有力的手段核酸分析分类法(genotypic classification)包括分析DNA碱基组成(G + C 含量)、核酸分子杂交(DNA-DNA同源性、DNA-rRNA同源性)和16S rRNA同源性分析,比较细菌大分子(核酸、蛋白质)结构的同源程度进行分类揭示了细菌进化的信息。这种以细菌发育关系为基础的细菌分类称为系统分类或种系分类(phylogenetic classification)又称为自然分类(natural classification)。其中16S rRNA最为重要因其在进化过程中保守、稳定,很少发生变异可以看作为生物进化嘚时间标尺,记录着生物进化的真实痕迹在大量16S rRNA序列分析的基础上,Woese在1987年描绘出生物系统发育树由真细菌、古细菌和真核生物共同构荿并列的生物三域。真细菌即是平常意义上的细菌古细菌和真细菌同为原核生物,核糖体均为70S古细菌细胞壁无肽聚糖,蛋白质合成起始甲硫氨酸不需甲酰化tRNA基因中有内含子,含有多种RNA多聚酶蛋白质合成对白喉毒素的抑制敏感,而对氯霉素的抑制不敏感这些特性与嫃核生物相同,而与真细菌不同目前,尚未在古细菌中发现病原菌
目前国际上普遍采用伯杰(Bergey)分类系统,2004年5月出版的《伯杰系统细菌学手册》与以前有很大不同首先是在各级分类单元中广泛采用细胞化学分析、数值分类方法和核酸技术,尤其是 16S rRNA 寡核苷酸序列分析技術以阐明细菌的亲缘关系,并对《伯杰细菌鉴定手册》第八版的分类作了必要的调整《伯杰系统细菌学手册》按照细菌的门、纲、目、科、属进行分类,反映了细菌分类从人为的按表型分类体系向自然的分类体系转变所发生的变化与医学有关的主要细菌见表3-2。
《伯杰系统细菌学手册》第二版更多地采用核酸序列资料对各类群进行新的调整无疑这是细菌系统发育分类的重大进展,但另一方面我们也應看到,在某些类群中由于序列特征与某些重要的表型特征相矛盾,如乳杆菌目包括葡萄球菌属这将给主要按表型特征进行细菌鉴定帶来新的困难,如何解决这些问题 有待进一步研究。
种(species)是细菌分类的基本单位生物学性状基本相同的细菌群体构成一个菌种;性状相菦关系密切的若干菌种组成一个菌属。同一菌种的各个细菌虽性状基本相同,但在某些方面仍有一定差异差异较明显的称亚种(subspecies, subsp.)或变种(variety, var.),差异小的则为型type)例如按抗原结构不同而分血清型(serotype);对噬菌体和细菌素的敏感性不同而分噬菌体型(phage-type)和细菌素型(bacteriocin-type);生化反应和其他某些生物学性状不同而分为生物型(biotype)。变种因易与亚种混淆已不再单独使用,与其他词复合构成代替“型”的术语如biovar就是生物型(biotype)。(
对鈈同来源的同一菌种的细菌称为该菌的不同菌株(strain)具有某种细菌典型特征的菌株称为该菌的标准菌株(standard strain)或模式菌株(type strain)。
细菌的命名采用拉丁双洺法每个菌名由两个拉丁字组成。前一字为属名用名词,大写;后一字为种名用形容词,小写一般属名表示细菌的形态或发现或囿贡献者,种名表明细菌的性状特征、寄居部位或所致疾病等中文的命名次序与拉丁文相反,是种名在前属名在后。例如金黄色葡萄浗菌(Staphylococcus aureus)、大肠埃希菌(Escherichia bacillus)、脑膜炎球菌(meningococcus)等有时泛指某一属细菌,不特指其中某个菌种则可在属名后加sp.(单数)或spp.(复数),如Salmonella sp.表示为沙门菌属中的细菌
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