繁殖与变异

第二节　细菌的生长、繁殖与变异

导　学

本节主要介绍细菌的生长、繁殖，新陈代谢，遗传、变异等细菌生命活动规律。学习本节内容要重点掌握细菌生长、繁殖的条件，细菌的代谢产物及其医学意义，以及细菌的常见变异现象。

一、细菌的生长、繁殖

（一）细菌生长、繁殖的条件

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，主要有水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。

2.pH

多数病原菌生长、繁殖最适的pH值为7.2～7.6。个别细菌如霍乱弧菌在pH值8.4～9.2时生长、繁殖最好，结核分枝杆菌生长、繁殖最适的pH值为6.5～6.8。

3.温度

多数病原菌在长期进化过程中适应了人体环境，最适生长温度为人的体温，即37℃。

4.气体

病原菌生长、繁殖需要的气体主要是氧气与二氧化碳。根据细菌对氧的需要与否，可将细菌分为如下四类。①专性需氧菌：必须在有氧环境生长、繁殖，如结核分枝杆菌、霍乱弧菌等。②微需氧菌：在低氧浓度（5%～6%）下生长、繁殖最好，氧浓度＞10%对其生长有抑制作用，如空肠弯曲菌、幽门螺杆菌等。③兼性厌氧菌：在有氧或无氧环境中都能生长、繁殖，但以有氧时生长、繁殖较好，大多数病原菌属于此类。④专性厌氧菌：只能在无氧环境中才能生长、繁殖，如破伤风梭菌、脆弱类杆菌等。

（二）细菌的繁殖方式与速度

1.细菌的繁殖方式

细菌以二分裂方式进行无性繁殖。在适宜条件下，多数细菌繁殖速度很快，每20～30min繁殖一代，个别细菌繁殖速度较慢，如结核分枝杆菌需要18～20h繁殖一代。

2.细菌群体的生长、繁殖

将一定数量的细菌接种于适宜的液体培养基中，连续、定时取样检查活菌数，可发现其生长过程的规律性。以培养时间为横坐标，培养物中活菌数的对数为纵坐标，可绘制出一条反映细菌增殖规律的曲线，称为细菌的生长曲线（图2－12）。根据其生长规律分为迟缓期、对数期、稳定期与衰退期四个时期。

图2－12　细菌的生长曲线

（三）细菌的人工培养

依据细菌的生理需要和繁殖规律，用人工方法提供细菌生长、繁殖所需的各种条件以培养细菌称为细菌的人工培养，人工培养细菌需在培养基中进行。

1.培养基

培养基是指用人工方法配制的适合细菌生长、繁殖的营养基质。

（1）根据培养基组成和用途分类：①基础培养基；②营养培养基；③鉴别培养基；④选择培养基；⑤特殊培养基（包括厌氧培养基与细菌L型培养基）。

（2）根据培养基的物理性状分类：①液体培养基：用于增菌和鉴定细菌。②半固体培养基：用于观察细菌的运动、进行细菌鉴定和保存菌种。③固体培养基：用于细菌分离、鉴定、计数和保存菌种。

2.细菌在培养基中的生长现象

（1）细菌在液体培养基中的生长现象：①混浊生长：液体变混浊，大多数细菌出现此生长现象。②沉淀生长：上层培养液澄清，管底有絮状或颗粒状沉淀物。③菌膜生长：培养液澄清，表面形成一层菌膜。在临床医疗实践中，各种注射用药液若出现上述任何一种现象，则药液有可能被细菌污染，不能使用。

（2）细菌在固体培养基中的生长现象：①菌落：细菌在固体培养基中生长可形成菌落。菌落是单个细菌分裂、繁殖形成的肉眼可见的细菌集团，不同细菌在琼脂平板上形成的菌落特征不同，故可以初步鉴别细菌。②菌苔：多个菌落融合成片，形成菌苔。

（3）细菌在半固体培养基中的生长现象：①有鞭毛的细菌呈扩散生长，接种线模糊不清，穿刺线四周培养基混浊；②无鞭毛的细菌沿穿刺线生长，接种线清晰，培养基澄清。

3.人工培养细菌的用途

（1）细菌性疾病的病原学诊断与治疗：取患者标本进行细菌分离培养、鉴定和药物敏感试验，这是诊断细菌性疾病最可靠的依据，同时也可指导临床治疗用药。

（2）细菌学研究：研究细菌的生理、遗传变异、致病性、免疫原性和耐药性等，均需人工培养细菌，人工培养细菌也是人类发现新病原菌的先决条件之一。

（3）生物制品的制备：将分离培养出来的纯种细菌，制成诊断菌液，用于传染病诊断；制备疫苗、类毒素用于预防传染病；获取免疫血清或抗毒素，用于传染病治疗。

（4）在基因工程中的应用：因为细菌具有繁殖快、易培养的特点，所以大多数基因工程的实验和生产先在细菌中进行。例如，将带有外源性基因的重组DNA转化给受体菌，使其在菌体内获得表达，现在用此方法已成功制备出胰岛素、干扰素和乙型肝炎疫苗等生物制品。

二、细菌的代谢产物

细菌的新陈代谢是指细菌细胞内分解代谢与合成代谢的总和，其显著特点是代谢旺盛和代谢类型的多样化。细菌在分解代谢和合成代谢中能产生多种代谢产物，这些代谢产物在医学上具有重要意义。

（一）细菌的分解代谢产物和生化反应

各种细菌所具有的酶不完全相同，对营养物质的分解能力也不一致，因而代谢产物也有区别，通过生化试验检测细菌对各种营养物质的代谢作用及其代谢产物，从而鉴别细菌。糖代谢测定的生化反应主要包括：①糖发酵试验；②VP试验；③甲基红试验（MR试验）；④枸橼酸盐利用试验。蛋白质代谢测定的生化反应主要包括：①吲哚试验；②硫化氢试验；③尿素分解试验。

（二）细菌的合成代谢产物及医学意义

1.与致病有关的代谢产物

（1）热原质：大多革兰阴性菌和少数革兰阳性菌在代谢过程中合成的一种物质，注入人或动物体内能引起发热反应，故名热原质。革兰阴性菌的热原质就是细胞壁中的脂多糖。热原质耐高热，普通高压蒸汽灭菌（121.3℃，20min）不能使其破坏，180℃加热4h、250℃加热45min（或650℃加热1min）才使热原质失去作用。除去热原质最好的方法是蒸馏。注射药液、水等被细菌污染后，即使高压蒸汽灭菌或经滤过除菌仍可有热原质存在，输注机体后可引起严重发热反应，所以在制备和使用注射药品过程中应严格无菌操作，防止细菌污染。

（2）毒素及侵袭性酶：细菌可产生内毒素、外毒素及侵袭性酶，它们与细菌的致病性密切相关（详见本章第四节内容）。

2.与鉴别有关的代谢产物

（1）色素：有些细菌能产生不同颜色的色素，这对细菌的鉴别有一定意义。细菌色素有如下两类。①水溶性色素：能弥散至培养基或周围组织，如铜绿假单胞菌产生的绿色素使培养基、感染性的脓液或敷料呈绿色；②脂溶性色素：不溶于水，仅保持在菌落内使之呈色而培养基颜色不变，如金黄色葡萄球菌色素。

（2）细菌素：某些细菌能产生1种仅对有近缘关系的细菌有抗菌作用的蛋白质，称细菌素。细菌素抗菌范围很窄，对治疗意义不大，但可用于细菌分型和流行病学调查。

3.与治疗有关的代谢产物

（1）抗生素：某些微生物代谢过程中可产生一类能抑制或杀死其他微生物或肿瘤细胞的物质，称抗生素（antibiotic）。其多由放线菌和真菌产生，细菌仅产生少数几种，如多黏菌素、杆菌肽等。

（2）维生素：某些细菌可合成自身需要的维生素，并能分泌到菌体外，供人体吸收、利用，如人体肠道中的大肠埃希菌能合成B族维生素和维生素K等。

三、细菌的变异

细菌同其他生物一样，也具有遗传和变异的生物学特征。子代与亲代之间生物学特征（形态、结构、致病性等）的相似性，称为遗传，遗传使细菌种属得以保存。子代与亲代之间及子代与子代之间生物学特征的差异性，称为变异，变异有利于细菌的生存与进化。细菌的变异分为遗传性变异和非遗传性变异。

（一）细菌的常见变异现象

1.形态与结构变异

（1）细菌的形态变异：受外界环境因素影响，细菌的形态可发生改变。例如，鼠疫耶尔森菌可在含3%～6%琼脂高盐培养基中生长，可由椭圆形小杆菌变成球形、杆状、逗点状等多种形态。一些细菌在青霉素、溶菌酶、补体等因素影响下，细胞壁肽聚糖合成受阻而呈多形性，成为细胞壁缺陷型细菌，由于首先在Lister研究院发现，故称为细菌L型。细菌L型特点：形态呈高度多形性；大多数革兰染色阴性；需在高渗低琼脂含血清的培养基中生长；生长、繁殖较原菌缓慢；一般培养形成荷包蛋样细小菌落；有些细菌L型可回复为原菌。细菌L型与医学关系：①使用作用于细菌细胞壁的抗生素（如β－内酰胺类抗生素等）治疗时无效；②某些细菌L型仍保留有一定的致病性，引起慢性感染，如泌尿道感染、骨髓炎、心内膜炎等；③临床上遇有症状明显而标本常规细菌培养阴性者，应考虑细菌L型感染的可能性，宜作细菌L型的专门分离培养，并更换抗生素。

（2）细菌的结构变异：细菌的一些特殊结构（荚膜、芽胞、鞭毛等）也可因发生变异而失去。例如，有鞭毛的变形杆菌在固体培养基上呈弥散生长，菌落似薄膜（德语hauch，意为薄膜），故称H菌落。若改变培养基成分，细菌则失去鞭毛，形成单个菌落（德语ohne hauch，意为无薄膜），称为O菌落。通常将细菌失去鞭毛的变异称为H－O变异。

2.菌落变异

细菌的菌落主要有光滑（smooth，S）型和粗糙（rough，R）型两种。刚从标本中分离的细菌菌落多为光滑型（S型），长期人工培养后细菌菌落可逐渐变为粗糙型（R型）。细菌菌落由光滑型变为粗糙型的变异，称为S－R变异。S－R变异多见于肠道杆菌，细菌发生菌落变异时，其理化性状、免疫原性、耐药性及毒力等也会发生改变。一般光滑型菌落致病性强，但结核分枝杆菌、炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌其毒力菌株则是粗糙型。

3.毒力变异

细菌毒力变异可表现为毒力减弱或增强。广泛用于预防结核病的减毒活疫苗，即卡介苗（BCG），它是卡尔梅特和介朗二人将牛型结核分枝杆菌经13年长期人工培养，连续传230代后，获得的细菌毒力高度减弱，仍保留免疫原性的变异株。无毒力的白喉棒状杆菌感染β－棒状杆菌噬菌体后呈溶原状态时，噬菌体基因可编码产生外毒素，致使细菌毒力增强。

知识链接

抗生素对于细菌来说是“双刃剑”

抗生素的发明是人类征服致病微生物道路上的里程碑，它挽救了无数负伤、受感染的战士，它使吞噬千百万人生命的鼠疫、伤寒、霍乱等烈性传染病得到了有效控制，使外科手术不再有因为感染而失败的后顾之忧。现在，世界上30%～80%的住院患者都接受过至少1种以上的抗生素治疗，使无数致命性的感染获得了治愈。可以说，半个世纪以来，人类平均寿命的大幅度延长与使用抗生素控制细菌性烈性传染病和治愈各种感染有关。正是由于受到抗生素疗效的吸引，抗生素已成为滥用最为严重的药物之一。人们滥用抗生素，给细菌创造了与抗生素频繁接触的机会，在与抗生素的反复较量中，细菌逐渐熟悉了抗生素的特性，少数“狡猾”的细菌随机应变，发生了基因突变，从而使抗生素失去杀灭它的作用。

（二）细菌变异的实际应用

1.在疾病诊断、治疗、预防方面的应用

（1）病原学诊断：细菌的变异给病原学诊断带来很大困难，因此，在临床细菌学检查中不仅要熟悉细菌的典型特征，还要了解细菌变异的规律，这样才能作出正确的诊断。

（2）临床治疗：由于抗生素的广泛应用，耐药菌株日益增多，给感染性疾病治疗造成很大困难。为了提高抗生素的疗效，防止耐药菌株产生及扩散，治疗时应注意：①用药前做药物敏感试验，根据药物敏感试验结果选择敏感药物，减少盲目用药；②严格掌握抗生素的适应证，用药应足量、全程，通过正规治疗彻底杀灭病原菌；③对易耐药的菌株或需长期用药的慢性疾病，应合理配伍、联合用药和有计划地轮换供药，以减少细菌耐药突变的机会；④严格执行消毒隔离制度，防止耐药菌株引起交叉感染。

（3）传染病预防：筛选或诱导减毒变异株制备减毒活疫苗用于人工主动免疫，这是预防传染性疾病的有效措施。

2.在检测致癌物方面的应用

一般认为基因突变是导致细胞癌变的重要原因。凡能诱导细菌突变的物质均为可疑致癌物。据此，以细菌为实验对象，选用某营养缺陷型细菌作为实验菌，以可疑致癌化学物质作为诱变剂，把细菌接种在某种营养缺乏的培养基上，通常细菌不能生长；当营养缺陷菌能在特异营养缺乏培养基上生长时，表明细菌营养缺陷基因发生了突变，而作为诱变剂的化学物质则为可疑致癌物。

3.在基因工程方面的应用

基因工程是根据细菌可以通过基因转移和重组获得新性状的原理设计的，基因工程的主要步骤是：①从供者细胞（细菌或其他生物细胞）的染色体上切取一段所需要的基因（目的基因）；②将目的基因结合在合适的载体（质粒或噬菌体）上；③通过载体把目的基因转移到受体菌（工程菌）内，基因重组后，受体菌大量扩增后表达的目的基因产物即是所需要的物质。目前，通过基因工程已能大量生产胰岛素、干扰素、生长激素、IL－2、乙型肝炎疫苗等生物制品，并正在探索通过基因工程的方法，以正常基因代替异常基因治疗基因缺陷性疾病。

小　结

细菌在充足的营养、合适的pH值和适宜的温度以及必需的气体下，以无性二分裂方式繁殖。在细菌的代谢产物中，与致病有关的有毒素、侵袭性酶及热原质；与治疗有关的有抗生素和维生素；与鉴别有关的有色素、细菌素。不同细菌在培养基上培养后，出现不同的生长现象，有助于细菌的鉴别。细菌的人工培养在细菌性疾病的病原学诊断与治疗、细菌学研究及生物制品的制备等方面具有重要意义。细菌的变异现象有形态与结构变异、菌落变异、毒力变异和耐药性变异等。

复习检测题

1.大多数病原菌的最适生长温度是（　　）。

A.25℃

B.30℃

C.40℃

D.37℃

E.28℃

2.可供治疗用的细菌代谢产物主要是（　　）。

A.抗生素

B.细菌素

C.色素

D.毒素

E.侵袭性酶

3.细菌L型的主要特点是（　　）。

A.染色不易着色

B.细胞壁缺陷

C.无致病性

D.形态为球形

E.形成光滑型中等大小菌落

4.细菌生长、繁殖的方式是（　　）。

A.二分裂

B.有丝分裂

C.孢子生殖

D.复制

E.出芽

5.与致病性无关的细菌代谢产物是（　　）。

A.外毒素

B.内毒素

C.侵袭性酶

D.热原质

E.细菌素

6.单个细菌在固体培养基上生长可形成（　　）。

A.菌落

B.菌膜

C.菌苔

D.菌丝

E.菌团

7.S－R变异是属于（　　）。

A.毒力变异

B.菌落变异

C.鞭毛变异

D.形态变异

E.耐药性变异

8.下列除哪项外，均为人工培养细菌的实际应用？（　　）

A.传染病诊断

B.传染病治疗

C.传染病预防

D.生物制品的制备

E.进行药物敏感试验

9.固体培养基主要用途是（　　）。

A.分离单个菌落

B.鉴别细菌

C.观察动力

D.增菌

E.检测细菌毒素

10.下列除哪项外，均为细菌生长、繁殖的条件？（　　）

A.温度

B.气体

C.营养物质

D.pH值

E.溶解度

王志敏