下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
微生物（microorganism）包括细菌、支原体、螺旋体、放线菌、衣原体、立克次体、病毒及真菌等。微生物的生物学特性包括其形态、结构、生长、繁殖与培养、理化性状与分类等。
细菌（bacterium）属于原核细胞型微生物，其特点是有细胞壁、原始的核质，以二分裂方式繁殖。了解细菌的基本特性、细菌的鉴别，对新药的研发和防止药品污染，保证药品质量具有重要的意义。
细菌（bacterium）是原核生物（prokaryote）界的一种单细胞微生物，它们体积小、结构简单、种类繁多，代谢活跃而且多样化，繁殖迅速是其主要特点。
细菌体积微小，用肉眼直接观察难以看到，常用光学显微镜观察细菌，一般以微米（µm）作为测量单位。
在细菌学中，按其形态可分为球菌、杆菌、弧菌和螺杆菌（图1-1）。经革兰染色法（Gram stain）可将细菌分成两大类：即革兰阳性菌（G + ）和革兰阴性菌（G - ）。
图1-1 细菌的基本形态
球菌（coccus）外形呈球形或近似球形，直径0.8~1.2µm。根据细菌分裂的平面和菌体之间排列方式可分为双球菌、链球菌和葡萄球菌等。
1. 双球菌（diplococcus）
细菌在一个平面上分裂后两个菌体成双排列，如脑膜炎奈瑟菌。
2. 链球菌（streptococcus）
细菌在一个平面上分裂后多个菌体相连排列成链状，如乙型溶血性链球菌。
3. 四联球菌（tetrad）及八叠球菌（sarcina）
细菌在2个或3个相互垂直的平面上分裂。4个排列在一起呈正方形者称四联球菌；8个重叠在一起为八叠球菌。
4. 葡萄球菌（staphylococcus）
细菌在多个不规则的平面上分裂，分裂后菌体无规则排列堆积呈葡萄串状，如金黄色葡萄球菌。
杆菌（bacillus）外形呈杆状。各种杆菌大小、长短与粗细差异较大。长杆菌长约4~10µm，如炭疽芽孢杆菌；中等长杆菌长约2~3µm，如大肠埃希菌；小杆菌长0.6~1.5µm，如布鲁斯菌。菌体两端多呈钝圆形，少数两端平齐。有的菌体较短，称球杆菌（coccobacillus）。有的末端膨大呈棒状。多数杆菌呈分散排列，个别呈链状排列外，如炭疽芽孢杆菌。
弧菌（vibrio）菌体只有一个弯曲，呈弧形或逗点状，如霍乱弧菌。
螺杆菌（spirala bacterium）菌体呈螺旋形，如幽门螺杆菌。
细菌的形态可受各种理化因素的影响而变化，菌龄、环境等因素可使细菌形态不规则，常表现为多形性，如梨形、丝状等。故观察和研究细菌的大小和形态时，必须选用在适宜培养基中生长旺盛的新鲜菌体。分离和鉴定药品中污染的细菌时，也应考虑该细菌是否受药物或环境因素的影响而导致其形态改变。
细菌都具有的结构称为细菌的基本结构，为细胞壁、细胞膜、细胞质及核质。
细胞壁（cell wall）是细菌细胞的最外层结构，一般光学显微镜下不易看到，可通过膜壁分离法、特殊染色法及电子显微镜等进行观察。
细胞壁坚韧有弹性，厚度随菌种而异，平均为12~30nm，占菌体干重的10%~25%。其主要功能是维持细菌固有的外形，并保护细菌抵抗低渗环境，起到屏障作用。细胞壁是一种膜状结构，组成较复杂，并随不同细菌而异。细胞壁主要成分是肽聚糖，是G + 菌和G - 菌的共有组分，但各自有其特殊组分。
细胞膜（cell membrane），又称胞质膜（cytoplasmic membrane），位于细胞壁的内侧，紧密包绕在细胞质的外面，是一层半透性薄膜，柔软致密有弹性，占细胞干重的10%~30%。主要化学成分为脂类、蛋白质及少量多糖。细菌细胞膜的结构和功能与真核细胞的细胞膜基本相同，只是不含有胆固醇。主要功能有渗透和运输作用（即物质转运），转运电子及氧化磷酸化作用，生物合成作用及参与细菌分裂。
细胞质（cytoplasm），又称细胞浆，为细胞膜内侧的胶状物质，基本成分为水、无机盐、核酸、蛋白质和脂类。胞质内RNA含量较高，有较强的嗜碱性，易被碱性染料着色。细胞质是细菌新陈代谢的重要场所，胞质内含有核酸和多种酶系统，参与菌体内物质的合成代谢和分解代谢。以上功能与胞质内核糖体（ribosome）、质粒（plasmid）、胞质颗粒（cytoplasmic granule）、核质（nuclear material）的结构有关。
细菌是原核细胞，不具成形的核。细菌的遗传物质称为核质，集中于细胞质的某一区域，多在菌体中央，无核膜、核仁和有丝分裂器。核质由单一密闭环状DNA分子反复回旋、卷曲、盘绕，组成松散网状结构。核质的化学组成除DNA外，还有少量的RNA和蛋白质。
特殊结构是指某些细菌特有的结构，包括荚膜、鞭毛、菌毛和芽孢。
某些细菌胞壁外包绕一层较厚的黏液性胶冻性物质，称荚膜（capsule）。其厚度大于0.2µm称微荚膜（microcapsule），如大肠埃希菌的K抗原等。大多数细菌的荚膜是由多糖组成；少数细菌为多肽或糖与蛋白复合物。荚膜为一层环绕菌体的透明圈，对一般碱性染料亲和力低，不易着色，用特殊染色法可将荚膜染成与菌体不同的颜色。荚膜具有抗原性，可帮助鉴别细菌以及作为分型的依据。
荚膜有抗吞噬、抗有害物质的损伤及黏附作用。
在许多细菌的菌体上附有细长并呈波状弯曲的丝状物，称为鞭毛（flagellum）。鞭毛是一种弹性纤维蛋白，其氨基酸的组成与骨骼肌的肌动蛋白相似。鞭毛具有特殊的抗原性，通称H抗原。鞭毛是细菌的运动器官。它从细胞质的基础颗粒长出，并伸到细胞外。鞭毛长5~20µm，常超过菌体的长度数倍，但直径很纤细，约12~30nm，根据鞭毛的数目及部位可将鞭毛分成：周毛菌，如沙门菌；丛毛菌，如铜绿假单胞菌；双毛菌，如空肠弯曲菌；单毛菌，如霍乱弧菌（图1-2~1-4）。鞭毛的类型、能否运动（有无动力）、鞭毛的数量、部位及特异的抗原性对细菌鉴定和分类很有意义。
图1-2 细菌鞭毛的类型
图1-3 破伤风梭菌的周鞭毛
图1-4 伤寒沙门菌的周鞭毛
图1-5 大肠埃希菌的普通鞭毛和性菌毛
菌体表面有比鞭毛更细、更短而直的丝状物，称为菌毛（pilus or fimbria）。只有在电子显微镜下才能观察到（图1-5）。菌毛的化学成分为蛋白质，称菌毛蛋白（pilin），菌毛蛋白具有抗原性，其编码基因位于细菌的染色体或质粒上。
某些细菌在一定的环境条件下，胞质脱水浓缩，在菌体内部形成一个圆形或卵圆形的内生小体，称为芽孢（spore）。芽孢是休眠体，一个菌细胞只能生成一个芽孢。只有一部分革兰阳性菌产生芽孢，芽孢杆菌属（Bacillus）和梭菌属（Clostridium）是两种主要形成芽孢的细菌。芽孢的折光性很强，壁厚，不易着色。经特殊染色后，才能着色，显微镜下才能观察到。
芽孢的形成受遗传因素的控制和环境因素的影响。芽孢的大小、形状和在菌体内的位置随菌种而异，对鉴别细菌有重要意义（图1-6~1-8）。
图1-6 细菌芽孢的形态、大小和位置
图1-7 破伤风梭菌的芽孢
图1-8 细菌芽孢结构模式图
芽孢对热、干燥、辐射及消毒剂有很强的抵抗力，在自然界能存活几年甚至几十年。与其特殊的结构及组成有关。
细菌生长繁殖的必要条件是营养物质、能量和适宜的环境。
（一） 营养物质
一般细菌所需营养物质有水分、无机盐类、蛋白胨（或氨基酸）和糖等。对营养要求高的细菌还需要某些生长因子。这些营养物质是细菌进行新陈代谢的物质基础，可为细菌的生长繁殖提供必要的原料和能量。
（二） 酸碱度
营养物质的吸收、分解以及能量的产生都需要酶来参与反应。酶活性必须在一定的酸碱度和温度下才能发挥作用。绝大多数细菌和放线菌生长最适宜的pH为中性或弱碱性（pH 7.0~7.6），个别细菌在pH 8.0~9.2的环境中生长良好。
（三） 温度
细菌生长的最适宜温度随细菌的种类而不同。嗜冷菌在10~18℃，嗜热菌在45~58℃，嗜温菌在20~44℃，真菌一般在22~28℃生长良好。
（四） 气体环境
根据细菌代谢时对氧气的需要与否分为四类：
1. 专性需氧菌（obligate aerobe）
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，在无游离氧的环境中不能生长。
2. 微需氧菌（microaerophilic bacterium）
在低氧压（5%~6%）环境中生长最好，氧压大于10%对其有抑制作用。
3. 兼性厌氧菌（facultative anaerobe）
兼有需氧呼吸和发酵两种功能，不论在有氧或无氧环境中都能生长，但以有氧时生长较好。大多数病原菌都属兼性厌氧菌。
4. 专性厌氧菌（obligate anaerobe）
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，只能在无氧的环境中进行发酵。在有游离氧存在时，不但不能利用分子氧，且还将受其毒害，甚至死亡。
CO 2 对细菌的生长也很重要。大部分细菌在新陈代谢过程中产生的CO 2 已可满足需要。有些细菌在从标本初次分离和培养时，需人工供给5%~10%的CO 2 才能生长良好，并可促进细菌迅速繁殖。
（五） 渗透压
一般培养基的NaCl浓度和渗透压对大多数细菌是安全的，少数细菌如嗜盐菌（halophilic bacterium）需要在高浓度的NaCl环境中生长良好。
（一） 生长方式
细菌以简单的二分裂法繁殖。细菌在营养物质充足、其他生长繁殖条件适宜的情况下，其繁殖速度相当快。大多数细菌的代时（繁殖一代所需的时间）约20~30min。
（二） 生长曲线
细菌生长速度很快，细菌分裂数量倍增，由于营养物质的逐渐耗竭，有害代谢物的逐渐积累，细菌繁殖速度渐减，死菌数量增加，活菌增长率随之下降并趋于停滞。将一定量的细菌接种于合适的培养基中，在适宜的温度培养时，细菌的生长过程具有规律性。以细菌的对数为纵坐标，生长时间为横坐标，画得的曲线叫生长曲线（图1-9）。生长曲线可人为地分4个期。
图1-9 大肠埃希菌的生长曲线
①~②迟缓期；②~③对数期；③~④稳定期；④~⑤衰亡期
1. 迟缓期
是细菌为适应新环境，为不断的增殖作准备所需要的时间。处于迟缓期的细菌，其代谢活跃，体积增大，胞质内储积了足够量的酶、辅酶和中间代谢产物，但并不分裂繁殖。迟缓期的长短随接种细菌种类、菌龄和数量而异，一般为数小时。
2. 对数期
是细菌分裂繁殖最快的时期，一般仅有几个小时。进入对数期，细菌的生长繁殖先经历一个短暂的加速期，然后进入对数期。菌数以几何级数增长。活菌数直线上升。此期细菌的形态、染色性及生理活动都比较典型，对外界环境的影响也较为敏感。研究细菌的性状时应选用该期的细菌。
3. 稳定期
细菌的繁殖数与死亡数几乎相等，活菌数保持稳定。在这个时期中，细菌的形态和生理活动可出现变异。
4. 衰亡期
此期细菌的繁殖越来越慢，活菌数急剧减少，死菌数超过活菌数。此期细菌形态显著改变，出现畸形或衰退形，细菌的生理活动也趋于停滞。
细菌分类学是一个古老的、传统的学科，又是一个现代化的、发展的学科。细菌的分类原则上分为传统分类和种系分类两种。19世纪以来，以细菌的形态和生理特征为依据的分类奠定了传统分类的基础，即选择一些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。
细菌分类系统《伯杰系统细菌学手册》（1984）和《伯杰鉴定细菌学手册》第9版（1994）都已反映了细菌种系分类的研究进展，但在具体编排上也保留了许多传统分类的安排。目前，伯杰（Bergey）分类将细菌分为四大类目、35个群，细菌的分类与其他生物相同，也是界、门、纲、目、科、属、种。在细菌中常用属和种。
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；性状相近关系密切的若干菌种组成一个菌属（genus）。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）。
对不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名法，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。全名用斜体字印刷。一般属名表示细菌的形态或发现或有贡献者，种名表明细菌的性状特征、寄居部位或所致疾病等。中文的命名次序恰与拉丁文相反，是种名在前，属名在后。例如Staphylococcus aureus，金黄色葡萄球菌；Escherichia coli。属名亦可不将全文写出，只用第一个字母代表，如M.tuberculosis，S.typhi等。有些常见菌有其习惯通用的俗名，如伤寒杆菌meningococcus。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。
（卢京光）