病原生物学-教程-第三章-细菌的生理

第三章

细菌的生理病原生物学学习目标掌握：细菌生长繁殖的条件、繁殖方式、繁殖速度及规律，细菌代谢产物及医学意义。熟悉：细菌的在培养基中的生长现象，细菌人工培养的意义。了解：细菌的理化性状、营养类型。第一节

细菌的理化性状一、细菌的化学组成细菌同其他生物细胞相似，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。水分占细胞总重量的75%~90%。细菌特有的化学成分，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。第一节

细菌的理化性状二、细菌的物理性状1.光学性质

细菌为半透明体。当光线照射至细菌，部分被吸收，部分被折射，故细菌悬液呈浑浊状态，菌数越多浊度越大，因此可使用比浊法或分光光度计可粗略地估计细菌的数量。根据细菌这种光学性质，可用相差显微镜观察其形态和结构。第一节

细菌的理化性状2.带电现象

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。G+菌的pH为2~3，而G-菌的pH为4~5，故在近中性或弱碱性环境中，细菌均带负电荷。细菌的带电现象与细菌的染色反应、凝集反应、抑制和杀菌作用等都有密切关系。第一节

细菌的理化性状3.表面积

细菌体积微小，相对表面积大，有利于同外界进行物质交换。因此，细菌的代谢旺盛，繁殖迅速。第一节

细菌的理化性状4.渗透压

细菌体内含有高浓度的营养物质和无机盐，一般G+菌的渗透压高达2026.5~2533.1kPa(20~25个大气压)，G-菌为506.6~608.0kPa(5~6个大气压)。细菌所处一般环境相对低渗，但有坚韧细胞壁用以抵抗低渗的外界环境不致崩裂死亡。第一节

细菌的理化性状5.半透性

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。

第二节

细菌的营养与生长繁殖一、细菌的营养类型不同种类的细菌的酶系统不同，代谢活性各异，因而对营养物质的需求也各不相同。根据细菌所利用的能源和碳源的不同，可将细菌分为自养菌和异养菌两大营养类型。第二节

细菌的营养与生长繁殖1.自养菌（autotroph）

该类菌以简单的无机物为原料，如利用CO2、CO32-作为碳源，利用N2、NH3、NO3-等作为氮源，合成菌体成分。这类细菌所需能量若来自无机物的氧化称为化能自养菌，若通过光合作用获得能量，称为光能自养菌。第二节

细菌的营养与生长繁殖2.异养菌（hererotroph）

该类菌必须以多种有机物为原料，如蛋白质、糖类等，才能合成菌体成分而获得能量。异养菌包括腐生菌和寄生菌。腐生菌以动植物尸体、腐败食物等作为营养物质；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，其中大部分属寄生菌。第二节

细菌的营养与生长繁殖二、细菌的营养物质细菌的生长繁殖必须供给必需各种营养成分，包括水、无机盐、碳源、氮源和生长因子等。第二节

细菌的营养与生长繁殖1．水

细菌生命活动必须有水。营养吸收、渗透和分泌等都以水为媒介，新陈代谢必须在有水的环境中才能进行，细菌细胞内约80%是水。2．碳源

细菌利用无机或有机碳化合物构建菌体并作为能量的来源。病原菌主要利用糖类获得碳。3．氮源

病原菌主要利用有机氮化物，如氨基酸、蛋白胨等获得氮，主要用于合成菌体成分。第二节

细菌的营养与生长繁殖4．无机盐

细菌生长繁殖需要磷、硫、钾、钠、镁、钙、铁等无机盐，以及微量元素锌、锰、铜等，其主要作用为构成菌体成分，维持酶活性，调节渗透压，参与转储能量，有些还与细菌毒素产生有关，如白喉棒状杆菌毒素产生与铁元素相关。5．生长因子

某些细菌生长繁殖所必需，但自身不能合成，必须由外界供给的物质称为生长因子（growthfactor），包括维生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等。第二节

细菌的营养与生长繁殖三、影响细菌生长的环境因素1．营养物质

充足的营养物质可以为细菌的新陈代谢和生长繁殖提供必要的原料和充足的能量。有些细菌对营养要求苛刻，还需添加如血清、血液、组织浸出液等高营养物质。第二节

细菌的营养与生长繁殖2．氢离子浓度（pH）

每种细菌都有一个可生长的pH范围，以及最适pH。大多数病原菌最适pH为7.2～7.6。个别细菌特殊，如霍乱弧菌需pH8.4～9.2，结核杆菌需pH6.5～6.8。第二节

细菌的营养与生长繁殖3．温度

各类细菌对温度的要求不同。可将细菌分为嗜冷菌,其生长范围为—5~30℃，最适生长温度为10~20℃；嗜温菌,其生长范围为10~45℃，最适生长温度为20~40℃；嗜热菌,其生长范围为25~95℃，最适生长温度为50~60℃。病原菌为嗜温菌，最适生长温度是人的体温，即37℃。第二节

细菌的营养与生长繁殖4．气体

根据细菌代谢时对氧气的需要不同，可将细菌分为：①专性需氧菌，必须在有氧条件下才能生长繁殖，如结核分枝杆菌、铜绿假单胞菌等；②微需氧菌，在低氧分压(5%～6%)下生长最好，氧浓度若偏高(>10%)则有抑制细菌的作用，如空肠弯曲菌、幽门螺杆菌；第二节

细菌的营养与生长繁殖4．气体

③兼性厌氧菌，兼有需氧呼吸和无氧发酵两种功能，在有氧和无氧条件下都能生长繁殖，大多数病原菌属于此种类型；④专性厌氧菌，只能在无氧条件下生长繁殖，氧气对这类细菌不仅无用，反而有害，如破伤风梭菌、脆弱类杆菌。另外，CO2对细菌的生长也很重要，有些细菌如脑膜炎奈瑟菌和布鲁菌在从标本初次分离时需供给5%~10%的CO2，可促使细菌迅速生长繁殖。第二节

细菌的营养与生长繁殖5．渗透压一般培养基的盐浓度和渗透压对大多数细菌是安全的，少数细菌如嗜盐菌需要在高浓度的（30g/L）NaCl环境中才能生长良好。第三节

细菌的生长繁殖（一）细菌个体的生长繁殖细菌一般以简单的二分裂（binaryfission）方式进行无性繁殖。细菌分裂数量倍增的所需时间称为代时，大多数细菌为20～30min，少数细菌繁殖速度较慢，如结核分枝杆菌的代时达18～20h。第三节

细菌的生长繁殖（二）细菌群体生长繁殖的规律将细菌接种于适宜的液体培养基中，间隔不同时间取样测定活菌数，以培养时间为横坐标、活菌数的对数为纵坐标，可绘出一条反映细菌生长繁殖规律的曲线，称生长曲线（growthcurve）（图3-1）,显示出细菌群体生长繁殖过程的规律性。第三节

细菌的生长繁殖图3-1大肠埃希菌的生长曲线第三节

细菌的生长繁殖根据生长曲线，细菌群体生长繁殖大致分为4个时期：①迟缓期(lagphase)：通常为培养最初的1～4h。此期菌体增大、代谢活跃，但分裂迟缓，菌数增加不明显，是细菌适应新环境的阶段；②对数期(logarithmicphase)：培养至8～18h。此期细菌大量分裂，以几何级数恒定快速增殖，菌数呈对数直线上升，细菌的大小、形态、染色性、生物活性等都较典型，对抗生素最敏感，是研究细菌生物学性状的最佳时期；第三节

细菌的生长繁殖根据生长曲线，细菌群体生长繁殖大致分为4个时期：③稳定期(stationaryphase)：由于培养基中营养物质的消耗、毒性代谢产物的积聚、pH的下降等因素的影响，细菌繁殖速度减慢，而死亡数上升，活菌数保持相对稳定，细菌可发生性状改变，产生外毒素或抗生素，形成芽胞等；④衰退期(declinephase)：细菌繁殖速度继续减慢或停止，死亡数继续上升，死菌数超过活菌数，细菌的外形明显改变，代谢活动停滞，难以辨认。第四节

细菌的能量代谢各种细菌生物氧化的底物主要是糖类，在生物氧化中，以有机物作为受氢体的称为发酵；以无机物为受氢体的称为呼吸，其中以氧分子作为受氢体的称为有氧呼吸，以其他无机物（硝酸盐、硫酸盐等）为受氢体的称为厌氧呼吸。大多数病原性细菌只进行需氧呼吸和发酵。第四节

细菌的能量代谢现以葡萄糖为例，简述细菌的能量代谢。1.糖酵解糖酵解是大多数细菌共有的基本代谢途径，有些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。第四节

细菌的能量代谢现以葡萄糖为例，简述细菌的能量代谢。2.需氧呼吸

1分子量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。需氧菌和兼性厌氧菌进行需氧呼吸。第四节

细菌的能量代谢现以葡萄糖为例，简述细菌的能量代谢。3.厌氧呼吸

1分子葡萄糖经厌氧糖酵解只能产生2分子ATP，最终以外源的无机氧（CO2、SO42-、NO3-）化物作为受氢体的一类产能效率低的特殊呼吸。专性厌氧菌和兼性厌氧菌都能进行厌氧呼吸。第五节

细菌的代谢产物一、分解代谢产物与生化反应各种细菌含有的酶系统不完全相同，对各种营养基质的分解能力亦不一致，因而其代谢产物有别。根据此特点，利用生物化学方法来鉴别不同细菌称为细菌的生化反应试验。第五节

细菌的代谢产物常用的生化反应如下：1．糖发酵试验

2．VP（Voges-Proskauer）试验3．甲基红（methylred）试验4．枸橼酸盐利用(citrateutilization)试验5．吲哚（indole）试验6．硫化氢试验

7．尿素酶试验第五节

细菌的代谢产物1．糖发酵试验

不同细菌分解糖类的能力和代谢产物不同。例如大肠埃希菌能分解葡萄糖和乳糖，产生酸类物质（甲酸、乙酸、丙酮酸等）和气体(CO2、H2)，结果表示为+；伤寒沙门菌缺乏相应的酶不能分解乳糖表示为-，但能分解葡萄糖产酸，又因缺乏甲酸解氢酶，不能分解甲酸产生CO2和H2，故不产气，结果表示为+。试验中的产酸可使培养基pH下降，酚红指示剂变成黄色；产气可用小导管收集观察。第五节

细菌的代谢产物2．VP（Voges-Proskauer）试验

是检测细菌分解糖，产生乙酰甲基甲醇能力的试验。生成的乙酰甲基甲醇在碱性溶液中被氧化成二乙酰，并能与培养基中含胍基的化合物发生反应生成红色物质，此即VP试验阳性。产气杆菌分解葡萄糖、乳糖能产生乙酰甲基甲醇，VP试验阳性，而大肠埃希菌不能，故VP试验阴性。第五节

细菌的代谢产物3．甲基红（methylred）试验

产气杆菌分解糖类产生的丙酮酸可缩合成中性的乙酰甲基甲醇，培养基最终pH将会在5.4以上，加入指示剂甲基红后呈桔黄色，为甲基红试验阴性。大肠埃希菌不能转化丙酮酸为中性的乙酰甲基甲醇，培养基最终pH低于4.5，加入甲基红试剂呈红色，为甲基红试验阳性。第五节

细菌的代谢产物4．枸橼酸盐利用(citrateutilization)试验

细菌若能利用枸橼酸盐作为唯一碳源生长繁殖，则可使枸橼酸盐培养基变为碱性，使指标剂溴麝香草酚蓝由淡绿变为深蓝色，是为枸橼酸盐利用试验阳性。产气杆菌显示阳性反应，大肠埃希菌则为阴性。第五节

细菌的代谢产物5．吲哚（indole）试验是检测细菌分解色氨酸产生吲哚能力的试验。有些细菌体内含有能够分解色氨酸的酶类，分解色氨酸生成吲哚，吲哚无色，但加入指示剂，即吲哚试剂（对二甲基氨基苯甲醛），可生成玫瑰吲哚，呈现红色反应。大肠埃希菌、变形杆菌、霍乱弧菌为吲哚试验阳性。第五节

细菌的代谢产物6．硫化氢试验

是检测细菌分解含硫氨基酸（胱氨酸，甲硫氨酸等）产生硫化氢能力的试验。有些细菌体内含有能够分解含硫氨基酸的酶类，分解含硫氨基酸生成硫化氢，硫化氢与醋酸铅或硫酸亚铁反应生成黑色的硫化铅或硫化亚铁，为硫化氢试验阳性。肖氏沙门菌和鼠伤寒沙门菌，变形杆菌为阳性反应，大肠埃希菌为阴性反应。第五节

细菌的代谢产物7．尿素酶试验

是检测细菌分解尿素产生氨的试验。产生的氨使培养基变碱，酚红指示剂显示红色，为尿素酶试验阳性。变形杆菌尿素酶试验阳性。第五节

细菌的代谢产物应用细菌的生化反应鉴别细菌，尤其对形态、革兰染色反应和培养特性非常相似的细菌，如肠道杆菌十分重要。在卫生细菌学检查中常用的吲哚(I)、甲基红(M)、VP(Vi)、枸橼酸盐利用(C)四种试验来鉴别大肠埃希菌（粪源性）和产气杆菌（非粪源性），即IMViC试验，大肠埃希菌结果为“++--”，而产气杆菌为“--++”。第五节

细菌的代谢产物二、合成代谢产物细菌利用分解代谢中的产物和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)2．毒素和侵袭性酶3．色素(pigments)4．抗生素(antibiotic)5．细菌素(bacteriocin)6．维生素(vitamin)第五节

细菌的代谢产物1．热原质(pyrogen)也称致热原，是细菌合成的一种注入人体或动物体内能引起发热反应的物质。产生热原质的细菌大多是革兰阴性菌，热原质即其细胞壁的脂多糖。热原质耐高温，在高压蒸汽灭菌（121℃、20分钟）亦不被破坏，250℃高温干烤2h才能破坏热原质，液体中的热原质可用吸附剂或特制石棉板过滤除去，蒸馏法效果最好。第五节

细菌的代谢产物2．毒素和侵袭性酶

毒素是病原菌合成的对人和动物有毒害作用的物质，分为内毒素(endotoxin)和外毒素(exotoxin)两类。内毒素是革兰阴性菌细胞壁的脂多糖，当细菌死亡崩解后释放出来。外毒素是革兰阳性菌及少数革兰阴性菌在生长繁殖过程中合成并分泌到菌体外发挥作用的蛋白质。第五节

细菌的代谢产物2．毒素和侵袭性酶

侵袭性酶是某些细菌合成的能损伤机体组织，促使细菌在机体内生存和扩散的一类酶，与细菌致病性有重要关系，如金黄色葡萄球菌的凝固酶、产气荚膜梭菌的卵磷脂酶等。第五节

细菌的代谢产物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。细菌色素有两种类型：①水溶性色素，菌落带有颜色，同时产生的颜色也能弥散到培养基或周围组织，如铜绿假单胞菌产生的绿色色素；②脂溶性色素，由于色素不溶于水，故仅菌落显色，菌落周围培养基无色，如葡萄球菌可产生三种不同颜色的色素，分别是金黄色、白色和柠檬色。第五节

细菌的代谢产物4．抗生素(antibiotic)为某些微生物代谢过程中产生的一类能抑制或杀死某些其它微生物或肿瘤细胞的物质。大多数抗生素由放线菌和真菌产生，仅有多粘菌素，杆菌肽等少数抗生素由细菌产生。第五节

细菌的代谢产物5．细菌素(bacteriocin)是某些细菌产生的一类具有抗菌作用的蛋白质，与抗生素相比抗菌范围狭窄，仅对与产生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用，如大肠菌素（colicin）等，主要用于细菌分型和流行病学调查。第五节

细菌的代谢产物6．维生素(vitamin)有些细菌能合成维生素，除供自身需要外，还能分泌到周围环境

中，如人类肠道中的大肠埃希菌，合成维生素B和维生素K，也能供人体吸收利用。第六节

细菌的人工培养用人工方法提供细菌所需的各种条件来培养细菌，对传染病的诊断、治疗、预防及进行实验研究等均具有重要意义。第六节

细菌的人工培养一、培养基培养基(culturemedium)是人工方法配制而成的，专供微生物生长繁殖使用的混合营养物制品。pH一般为7.2～7.6。培养基制成后必须经灭菌处理。按其营养组分和用途不同，分为以下几种类型：1．基础培养基（basicmedium）2．增菌培养基(enrichmentmedium)3．鉴别培养基(differentialmedium)4．选择培养基(selectivemedium)5．厌氧培养基(anaerobicmedium)第六节

细菌的人工培养1．基础培养基含有多数细菌生长繁殖所需的基本营养成分，如营养肉汤（nutrientbroth）、营养琼脂（nutrientagar）、蛋白胨水等。2．增菌培养基在基础培养基中添加其他营养物质（生长因子、葡萄糖、血液、血清、酵母浸液等），供营养要求较高的细菌生长。第六节

细菌的人工培养3．鉴别培养基在培养基中加入某种底物和指示剂，根据细菌对底物分解能力不同，产物亦不同，并由指示剂显示出差别，从而鉴别细菌，如糖发酵管，伊红美兰培养基。4．选择培养基在培养基中加入某种化学物质，以抑制某些细菌生长，而有利于目的菌或待检菌生长，从而将后者从混杂的细菌群中选择分离出来，如SS培养基，其中的胆盐、煌绿等可抑制革兰阳性菌和大肠埃希菌，从而可以从粪便中分离出沙门菌和志贺菌。第六节

细菌的人工培养5．厌氧培养基专供厌氧菌的分离培养和鉴定用的培养基，如在培养基中加入肉渣、肝块等吸氧剂的庖肉培养基，并在培养基表面用液体石蜡封闭，使培养基内成为无氧环境。第六节

细菌的人工培养根据培养基物理状态的不同，分液体、固体和半固体三大类。①液体培养基：不加任何固形剂，常用于大量纯种菌的繁殖，也可用于增菌及生化反应；②固体培养基：液体培养基加入1.5%～2.5%的琼脂，凝固即成固体培养基，常用于细菌的分离、纯化和纯种菌的保存；③半固体培养基：液体培养基加入0.3%～0.5%的琼脂，呈凝胶状态，常用于生化反应和细菌动力的检查。第六节

细菌的人工培养病原菌的人工培养一般采用35~37℃，培养时间多数为18~24h，但有时需根据菌种及培养目的作最佳选择，如细菌的药物敏感试验则应选用对数期的培养物。第六节

细菌的人工培养二、细菌在培养基中的生长情况（一）在液体培养基中的生长现象

可表现为：①混浊生长：大多数细菌为此；②沉淀生长：见于少数链状排列的细菌；③表面生长：往往形成菌膜，专性需氧菌如结核分枝杆菌为此。第六节

细菌的人工培养（二）在固体培养基中的生长现象将标本或培养物划线接种固体培养基，由于划线的分散作用可使细菌彼此分开，称为分离培养。一般经过18~25h培养后，由单个细菌生长繁殖形成的一个肉眼可见的细菌集团，称为菌落(colony)。菌落代表细菌纯种，挑取一个菌落，移种到另一培养基中，生长出的细菌均为纯种，称为纯培养(pureculture)。第六节

细菌的人工培养（二）在固体培养基中的生长现象当进行样品活菌计数时，以在平板培养基上形成的菌落数来间接确定其活菌数，以菌落形成单位(colonyformingunit，CFU)来表示。菌落的特征（大小、颜色、透明度、凸起度、表面干燥或湿润、光滑或粗糙、边缘是否整齐及血平板上的溶血情况等）随菌而异，因此，根据菌落特征，有助于鉴别细菌。第六节

细菌的人工培养细菌的菌落通常有三种类型：①光滑型菌落(smoothcolony，S型)见于大多新分离细菌，表面光滑、湿润，边缘整齐；②粗糙型菌落（roughcolony，R型）

菌落表面干燥、粗糙、边缘多不整齐，少数如结核分枝杆菌、炭疽芽胞杆菌为此，也可由光滑型菌落变异而来；③黏液型菌落（mucouscolony，M型）

菌落粘稠、有光泽、似水珠样，多见于有丰厚荚膜或黏液层的细菌，如肺炎克雷伯菌等。第六节

细菌的人工培养（三）在半固体培养基中的生长现象

细菌经穿刺接种后，