营养与生长繁殖

（一）营养

1．营养类型　根据细菌对能源和碳源要求不同，将细菌分为两大营养类型。

（1）自养菌：（autotrophic bacteria）能以简单的无机物作为原料及能量来源，合成菌体成分。如以CO2、碳酸盐等作为碳源，以NH3、硝酸盐等作为氮源，以氧化无机物产生的化学能为能源，合成菌体自身有机物。

（2）异养菌：（heterotrophic bacteria）需以有机物作为原料及能量来源，合成菌体成分。如以糖等作为碳源，以蛋白质等作为氮源，以分解有机物产生的化学能为能源，合成菌体自身有机物。其中以动植物尸体和腐败变质食物作为营养来源的异养菌称为腐生菌（saprophyte），寄生在活的动植物或人体内，以宿主体内有机物作为营养来源的异养菌称为寄生菌（parasite）。所有的病原菌都是异养菌，大部分属于寄生菌。

2．营养物质　营养物质供给细菌所需要的碳源和氮源、产生能量以供生命活动的需要。营养物质包括水、无机盐、碳源、氮源和生长因子。

（1）水：细菌细胞含水量较高，占胞质的70%～90%。水是细菌细胞的组成成分，也是良好的溶剂，营养物质的吸收、代谢产物的排泄都是以水作为媒介的。此外，新陈代谢过程中的生化反应也是在水中进行的。

（2）无机盐：细菌需要的无机盐有钾、钠、钙、镁、铁、锌、硫、磷等。无机盐参与菌体的构成、调节细胞渗透压、稳定酸碱平衡、维持酶活性等。钾、钙、镁等是菌体内酶的辅基，镁还是稳定核糖体、维持细胞膜功能以及结构的完整所必需的。铁是细胞色素、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶的组成成分，是细菌生长所必需的。硫用来制造含硫氨基酸以及其他化合物中的巯基。磷参与菌体成分如磷脂、核酸、酶等的合成，还可储存和转化能量，如ATP的高能磷酸键。

（3）碳源：碳源是指含有碳元素的营养物，细菌以碳源合成其含碳物及骨架，并作为能量的来源。碳源可分为无机碳源和有机碳源两类，糖是最易被利用的有机碳源，蛋白质的降解产物也可作为碳源。异养菌是以有机含碳化合物作为碳源和能源的。

（4）氮源：是指含有氮元素的营养物，细菌以氮源合成含氮物，如蛋白质、核酸、酶等。氮源可分为无机氮源和有机氮源两类，蛋白质及氨基酸是最易被利用的有机氮源。异养菌是以有机含氮化合物作为氮源和能源的。

（5）生长因子：是指细菌生长所必需的，需要量少但本身不能合成的一类营养物质，如维生素（主要是B族维生素）、嘌呤、嘧啶、氨基酸等。生长因子主要用来构成辅酶、提供细菌不能合成的氨基酸等，一般由血液、血清、酵母浸膏等供给。细菌天然培养基中常含有生长因子，若用合成培养基，需添加生长因子。

（二）生长繁殖

1．生长繁殖条件

（1）营养物质：营养物质是细菌进行新陈代谢的基础，包括水分、无机盐、碳源、氮源和生长因子，已如前述。

（2）酸碱度（pH）：绝大多数细菌生长繁殖的最适pH为7．0～7．6，个别细菌如霍乱弧菌在pH　8．0～9．2条件下生长良好，乳酸杆菌在pH　5．6中生长最佳。酸碱度影响细菌酶的活性，而酶参与营养物质吸收、代谢及能量产生过程，故而直接影响细菌的生长繁殖。

（3）温度：绝大多数病原菌生长繁殖的最适温度为37℃，与人体体温相同。个别细菌如耶尔森菌最适温度为28℃，弯曲菌属为42℃。温度也影响细菌酶的活性，不同菌的最适生长温度不同，反映出所具有的酶不同。根据细菌生长所需要的温度不同，可将细菌分为嗜冷菌（最适为10～20℃）、嗜温菌（最适为37℃）、嗜热菌（最适为50～55℃）。

（4）气体：细菌生长繁殖需要氧气和二氧化碳。二氧化碳与体内某些有机酸结合，参与三羧酸循环和蛋白质、核酸的合成。大部分细菌在新陈代谢过程中自身产生的二氧化碳可满足自身需要，有些细菌如布氏杆菌、脑膜炎奈瑟菌在初次分离培养时，需提供5%～10%的二氧化碳才能生长。

2．对氧的需求　氧气用以氧化营养物质产生能量，以供生长繁殖之用。细菌根据对氧气的需要不同可分成下列3类。

（1）需氧菌（aerobe）：必须在有氧气的环境中才能生长繁殖，如结核分枝杆菌。此类细菌具有比较完善的呼吸酶系统，需要以分子氧作为受氢体。

（2）厌氧菌（anaerobe）：必须在无氧的环境中才能生长繁殖，如破伤风梭菌。此类细菌缺乏完善的呼吸酶系统，其在有氧环境中不能生长的原因为①缺乏氧化还原电势较高的酶，如细胞色素和细胞色素氧化酶。在有氧条件下，营养物质均为氧化型，厌氧菌缺乏上述酶不能氧化营养物质获得能量，即不能生长繁殖。②缺乏过氧化物酶与过氧化氢酶。细菌在有氧条件下新陈代谢产生的超氧阴离子（O－2）和过氧化氢（H2O2）具有强烈的杀菌作用，需氧菌因有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），能将O－2转化为H2O2，后者再由过氧化氢酶（触酶）和过氧化物酶分解成H2O，从而消除其毒性作用，厌氧菌因缺乏这两类酶而被H2O2杀死。

（3）兼性厌氧菌（facultative anaerobe）：在有氧或无氧的环境中都能生长，大多数病原菌为兼性厌氧菌。

3．生长繁殖的方式　细菌以简单的二分裂法（binary division）进行无性繁殖。球菌沿赤道线分裂，杆菌一般沿横轴分裂。细菌分裂开始时，胞体增大、染色体复制。革兰阳性菌胞质中有中介体，染色体与其相连并复制，中介体也一分为二，各自拉着染色体到细菌的两边；接着，赤道附近的细胞膜由外向内陷入，形成横膈，将细菌分隔为二；最后，细胞壁向内生长，成为两个子代细菌的细胞壁，此时细菌分裂成两个子代菌细胞。革兰阴性菌胞质中无中介体，染色体直接结合在细胞膜上复制，产生的新染色体附着在邻近一个点上；接着，在两个结合点之间形成新的细胞膜，将染色体分隔在两侧；最后，细胞壁沿横膈内陷，此时细菌分裂成两个子代菌细胞。细菌每分裂一次称作一代，所需时间即代时（generation time）。在适宜的生长繁殖条件下，细菌的繁殖速度是相当快的，多数细菌的代时为20～30min，个别菌如结核分枝杆菌为18～20h。

4．生长速度　将一定量的细菌接种于一定量的液体培养基中，每隔一定时间取样检查细菌数，以细菌数的对数为纵坐标，以培养时间为横坐标，绘制出的曲线即为生长曲线（growth curve），生长曲线表示细菌群体生长的规律，可分为4个期。

（1）迟缓期（lag phase）：是细菌被接种于培养基后短暂的适应新环境的阶段。此期细菌胞体增大、代谢活跃，胞内积聚了大量的酶、辅酶、中间代谢产物，已为菌体分裂做好了准备，但不进行分裂繁殖。迟缓期的长短随接种细菌的数量、菌种、培养基中营养物质不同而不同，一般为数小时。

（2）对数期（logarithmic phase）：也称指数期（exponential phase），是细菌生长最迅速的阶段。此期细菌以恒定的速度分裂，菌数呈几何级数增长，即20、21、22、23等。处于对数期的细菌形态、染色性、生理特性等均比较典型，对外界环境因素的作用也比较敏感，故应取对数期的细菌做形态、染色、生化反应、药物敏感试验等研究。由于对数期细菌几乎均为活的细菌，且生命力旺盛，因此在保存菌种时也要取此期的细菌。一般细菌在培养后12～18h达到对数期，个别细菌需较长的时间，如布鲁斯菌为28～32h。

（3）稳定期（stationary phase）：是细菌繁殖数与死亡数几乎相等，活菌数保持稳定的阶段。由于培养基营养物质消耗、酸性及其他有害代谢产物积聚、pH降低、离子强度及氧化还原电势改变，细菌的繁殖速度逐渐下降，细菌的死亡数则逐渐增加。此期的细菌易出现形态结构、生理特性的变异，芽胞、外毒素、抗生素等也多在此期产生。

（4）衰退期（decline phase）：是细菌死菌数超过繁殖数，活菌数下降的阶段。此期细菌由于上述培养基环境的改变进一步加剧，其繁殖速度越来越慢，死亡菌数越来越多，以致使活菌数减少，但总菌数（包括活菌和死菌）并不下降。衰退期的细菌形态变化显著，如细菌变长、肿胀、扭曲、自溶，难以辨认，生理活动也趋于停止，因此，不宜用陈旧培养物做细菌的鉴定。

5．细菌生长量计数方法　在制作生长曲线时或在细菌学实验中常需要测定细菌的数量，一般采用活菌计数法和总菌数计数法。

（1）活菌计数法：一般用平板菌落计数法。取一定量的菌液，稀释后与已熔化的琼脂培养基混合铺板，培养后计数菌落数，再乘上稀释倍数，即可知原液的活菌数。

（2）总菌数计数法：一般用比浊法和计数器测定法。比浊法是用浊度计或分光光度计测定细菌悬液的光吸收值，并依此计算出细菌的总数。计数器测定法是将细菌悬液稀释后置于细菌计数器或血细胞计数器，在显微镜下计数细菌数量，根据计数器的容积和稀释倍数，即可算出原液中细菌的总数。

了解细菌生长繁殖的条件、细菌在体外培养的生长规律以及细菌量计数法，对科研、生产实践均具有指导意义。