细菌的生长繁殖与变异

第二节　细菌的生长繁殖与变异

细菌的生长繁殖与环境条件密切相关，条件适宜时，细菌的生长繁殖与代谢旺盛；条件发生改变时，细菌的生命活动将受到抑制甚至死亡。研究细菌生长繁殖的规律，有利于细菌感染性疾病的诊断、治疗及预防。

一、细菌的生长繁殖

（一）细菌生长繁殖的条件

1．营养物质　一般细菌需要的营养物质包括水分、碳源（如糖类）、氮源（如蛋白质）和无机盐类（如铁、钾、钙），有些还需要生长因子，如B族维生素、某些氨基酸等。

2．酸碱度　大多数病原菌最适酸碱度为pH 7．2～7．6，个别细菌，如霍乱弧菌适宜pH 8．4～9．2，结核分枝杆菌适宜pH 6．5～6．8。

3．温度　大多数病原菌生长最适温度与人体体温相同，为37℃。

4．气体　细菌生长繁殖需要的气体主要是氧气和二氧化碳。根据细菌对氧的需要与否，将细菌分为四类：①专性需氧菌：仅能在有氧环境下生长，如结核分枝杆菌、霍乱弧菌；②专性厌氧菌：只能在无氧环境中生长，如破伤风梭菌；③兼性厌氧菌：在有氧或无氧环境中都能生长，但以有氧时生长较好，大多数病原菌属于此类；④微需氧菌：在低氧压（5%～6%）环境中生长最好，氧浓度大于10%对其有抑制作用，如空肠弯曲菌、幽门螺杆菌。

（二）细菌的繁殖方式与速度

细菌以无性二分裂方式繁殖，多数细菌繁殖速度较快，20～30分钟可繁殖一代，少数细菌繁殖速度较慢，如结核分枝杆菌繁殖一代需18～20小时。

（三）细菌的人工培养

1．培养基　是指人工配制的适合细菌生长繁殖的营养物质制品。按组成和用途不同可分为基础培养基、营养培养基、选择培养基、鉴别培养基和厌氧培养基；按物理性状可分为液体培养基、固体培养基和半固体培养基。

2．细菌在培养基中的生长现象　将细菌接种于适宜的培养基中，一般经37℃培养18～24小时后，可出现肉眼可见的不同生长现象。

（1）液体培养基中的生长现象：细菌在液体培养基中可出现以下三种生长现象：①浑浊生长：大多数细菌属于此类；②沉淀生长：少数呈链状生长的细菌可出现沉淀生长现象；③表面生长：专性需氧菌（如枯草芽胞杆菌、结核分枝杆菌等）在液体表面呈表面生长，常形成菌膜。在临床医疗实践中，各种注射用药液的性状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）固体培养基中的生长现象：细菌在固体培养基上生长可形成菌落。菌落是由单个细菌生长后形成的肉眼可见的细菌集团。菌落的大小、形状、颜色、边缘、透明度、湿润度以及在血平板上的溶血情况等可因细菌的种类和培养基的不同存在差异，以此可初步鉴别细菌。固体培养基表面许多菌落融合在一起，称为菌苔。

（3）半固体培养基中的生长现象：将细菌接种于半固体培养基中，有鞭毛的细菌沿穿刺线向周围扩散，呈羽毛状或云雾状浑浊生长；无鞭毛细菌只沿穿刺线生长，周围培养基清澈透明。借此可检测细菌的动力。

3．人工培养细菌的意义　①病原学诊断；②细菌的鉴定与研究：如研究细菌的生物学性状、致病性、耐药性等；③生物制品的制备：如研制疫苗、类毒素、抗毒素、诊断菌液等；④基因工程中的应用。

二、细菌的代谢产物

细菌的生长繁殖过程实际上就是其新陈代谢的过程，包括合成代谢和分解代谢，其中所形成的相应代谢产物在医学上具有重要意义。

（一）与致病有关的代谢产物

1．热原质　大多是由革兰阴性菌合成的一种致热物质，极微量注入人或动物体内即能引起发热反应，故又称为致热原。革兰阴性菌产生的热原质是其细胞壁中的脂多糖，即内毒素。热原质耐高温，高压蒸汽灭菌（121．3℃，20分钟）不能将其破坏，玻璃器皿需经加热180℃4小时或250℃45分钟才能破坏热原质。在制备和使用生物制品、注射液、抗生素等过程中应严格无菌操作，防止细菌污染，保证无热原质存在。

2．毒素　毒素是病原菌在代谢过程中合成的对机体有毒害作用的物质，包括内毒素和外毒素。

3．侵袭性酶　侵袭性酶是某些病原菌产生的重要致病物质，能损伤机体组织，促进细菌的侵袭、扩散。如金黄色葡萄球菌产生的血浆凝固酶等。

（二）与治疗有关的代谢产物

1．抗生素　某些微生物代谢过程中产生的一类能抑制或杀死其他微生物或肿瘤细胞的物质。抗生素大多由放线菌和真菌产生，由细菌产生的，只有多黏菌素、杆菌肽等。

2．维生素　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。如人体肠道内的大肠埃希菌，能合成B族维生素和维生素K，可被人体吸收利用。

（三）与鉴别细菌有关的代谢产物

1．色素　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：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色素使培养基或感染的脓汁呈绿色；②脂溶性色素：不溶于水，只存在于菌体，使菌落显色而培养基颜色不变，如金黄色葡萄球菌产生的金黄色色素。

2．细菌素　某些细菌产生的仅对近缘菌株有抗菌作用的蛋白质，无治疗意义。但由于细菌素具有种和型的特异性，可用于细菌分型和流行病学调查。

3．糖与蛋白质的分解代谢产物　各种细菌所具有的酶不完全相同，对糖、蛋白质的分解能力亦不同，因而产生的代谢产物也有别。据此，可利用生物化学方法来鉴别不同的细菌，即为细菌的生化反应试验。如大肠埃希菌能分解葡萄糖和乳糖产酸并产气；伤寒沙门菌只能分解葡萄糖不能分解乳糖，只产酸不产气。

三、细菌的变异

细菌的形态结构、新陈代谢、致病性、免疫性和对药物的敏感性等生物学性状都是由细菌的遗传物质所决定的。这些生物学性状在子代与亲代之间表现相对稳定称为遗传。在一定条件下，若子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现差异则称为变异。遗传使细菌的种属性状保持相对稳定；而变异可使细菌产生新的变种，有利于物种的发展和进化。

（一）常见的细菌变异现象

1．形态结构的变异　细菌的形态、大小及结构受外界环境条件的影响可发生变异。鼠疫耶氏菌在含3%～6%氯化钠培养基中，其形态由球杆状变为球状、哑铃状、棒状等；细菌在青霉素、补体和溶菌酶等因素影响下，细胞壁合成受阻，变成L型细菌（细胞壁缺陷细菌）；有些细菌变异后可失去特殊结构，如有鞭毛的伤寒沙门菌变异后可失去鞭毛，称为H－O变异；变异的肺炎链球菌可失去荚膜，其毒力也随之下降。

2．毒力变异　细菌的毒力变异可表现为毒力增强或减弱。如白喉棒状杆菌感染β－棒状杆菌噬菌体后，由无毒株变成有毒株。1908年，法国的两位科学家卡尔美（Calmette）和介林（Guerin）历经13年时间，将有毒的牛型结核分枝杆菌在含有胆汁、甘油、马铃薯的培养基上连续230代传代接种，研制成了毒力减弱而保留其免疫原性的变异株，即卡介苗（bacillus of Calmette Guerin，BCG），用于预防结核病。

3．耐药性变异　细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异，称为耐药性变异。自临床上抗生素广泛应用以来，耐药菌株逐年增多，甚至出现多重耐药菌株，给临床治疗带来很大困难。

近代微生物和免疫学的奠基人——巴斯德

巴斯德·路易斯（Louis Pasteur，1822—1895），法国微生物学家、化学家，近代微生物学的奠基人。一生进行了多项探索性的研究，取得了重大成果，是19世纪最有成就的科学家之一。其最主要成就是：①提出了发酵是微生物活动的结果，不同微生物引起不同类型的发酵，创立了发酵的生物学理论，他还用实验证明了食物与细菌接触才导致腐败，从而否定了自然发生说，并建立了至今还在使用的消灭酒及牛奶中杂菌的低温消毒技术即巴斯德消毒法；②发现了厌氧生活现象，即某些微生物能在无空气或无氧的条件下生存；③发明了一种人体免疫法，即病原菌在特殊的培养之下可以减轻毒力，使它们由病原菌变成减毒或无毒的防病疫苗。

（二）细菌变异的医学意义

1．诊断方面　细菌由于变异可造成生物学性状不典型，常给细菌鉴定工作带来困难，需注意鉴别，避免造成诊断错误。

2．治疗方面　细菌的耐药性变异给临床治疗带来很大困难。可通过合理使用抗生素、进行药物敏感试验选择有效药物等途径，有效防止耐药菌株的产生与扩散。

3．预防方面　利用细菌毒力变异的原理，采用人工诱导变异的方法，使细菌的毒力减弱或消失，保留其免疫原性，制备成减毒活疫苗，用于某些传染病的预防。如卡介苗（BCG）用于结核病的预防。

4．基因工程方面　根据细菌基因可转移重组并获得新的生物学性状的原理，将需要的目的基因通过质粒等载体转移到合适的细菌（工程菌）内，随着此细菌的繁殖而获得大量所需要的基因产物。如制备基因工程菌大量生产胰岛素、干扰素、生长激素、新型疫苗（如乙型肝炎疫苗）等生物制品。