第一篇 微生物的基本知识
第一章 细 菌
第一节 细菌的形态和结构
细菌是一类具有细胞壁的单细胞原核型微生物。细菌在一定的环境条件下具有相对恒定的形态结构和生理生化特性，了解这些特性，对于细菌的分类鉴定、疾病的诊断、细菌的致病性与抗原性的研究，均有重要意义。
一、细菌的形态
(一)细菌的大小 细菌的个体微小，须用显微镜放大数百倍乃至数千倍才能看到。通常使用显微测微尺来测量细菌的大小，以微米（μm）作为测量单位。不同种类的细菌，大小很不一致，即使是同一种细菌在不同的生长繁殖阶段其大小也可能差别很大。一般球菌的直径约为0.8～1.2μm；杆菌长1～10μm，宽0.2～1.0μm；螺旋菌长1～50μm，宽0.2～1.0μm。
细菌的大小，是以生长在适宜的温度和培养基中的青壮龄培养物（指对数期）为标准。在一定条件下，各种细菌的大小是相对稳定的，而且具有明显特征，可以作为鉴定细菌的依据之一。同种细菌在不同的生长环境（如动物体内、外）、不同的培养条件下，其大小会有所变化，测量时的制片方法、染色方法及使用的显微镜不同也会对测量结果产生一定影响，因此，测定细菌大小时，各种条件和技术操作等均应一致。
(二)细菌的基本形态和排列 细菌的基本形态有球状、杆状和螺旋状三种，并据此将细菌分为球菌(图1-1，图1-2)、杆菌(图
1-3，图1-4)和螺旋菌（图1-7)三种。 细菌的繁殖方式是简单的二分裂，不同细菌分裂后其菌体排列方式不同，有些细菌分裂后单个存在，有些细菌分裂后彼此仍通过原浆带相连，形成一定的排列方式。
1．球菌 菌体呈球形或近似球形。根据球菌分裂的方向和分裂后的排列状况将其分为：
双球菌 沿一个平面分裂，分裂后两两相连，其接触面扁平或凹入,菌体有时呈肾形，如脑膜炎双球菌；有时呈矛头状，如肺炎双球菌。
链球菌 沿一个平面分裂，分裂后三个以上的菌体呈短链或长链排列，如猪链球菌。 葡萄球菌 沿多个不同方向的平面分裂，分裂后排列不规则，似一串葡萄，如金黄色葡萄球菌。
此外，还有单球菌、四联球菌和八叠球菌等。
2．杆菌 杆菌一般呈正圆柱状，也有近似卵圆形的，其大小、粗细、长短都有显著差异。菌体多数平直，少数微弯曲；两端多为钝圆，少数平截；有的杆菌菌体短小，两端钝圆，近似球状，称为球杆菌；有的杆菌一端较另一端膨大，使整个杆菌呈棒状，称为棒状杆菌；有的杆菌菌体有分支，称为分支杆菌；也有的杆菌呈长丝状。
1
杆菌的分裂平面与菌体长轴相垂直（横分裂），多数杆菌分裂后单个散在，称为单杆菌；也有的杆菌成对排列，称为双杆菌；有的成链状，称为链杆菌。
3．螺旋菌 菌体呈弯曲状，两端圆或尖突。根据弯曲程度和弯曲数，又可分为弧菌和螺菌。弧菌的菌体只有一个弯曲，呈弧状或逗点状，如霍乱弧菌；螺菌的菌体较长，有两个或两个以上弯曲，捻转成螺旋状，如鼠咬热螺菌。
在正常情况下各种细菌的外形和排列方式是相对稳定并具有特征性的，可作为细菌分类和鉴定的依据之一。通常在适宜环境下细菌呈较典型的形态，但当环境条件改变或在老龄培养物中，会出现各种与正常形态不一样的个体，称为退化型或衰老型。这些衰老型的培养物重新处于正常的培养环境中可恢复正常形态。但也有些细菌，即使在最适 宜的环境条件下，其形态也很不一致，这种现象称为细菌的多形性。
二、细菌的结构 细菌的结构(图1-8)可分为基本结构和特殊结构两部分。
(一)细菌的基本结构 所有细菌都具有的结构称为细菌的基本结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞浆、核质。
1．细胞壁 细胞壁在细菌细胞的最外层，紧贴在细胞膜之外。细胞壁的化学组成因细菌种类的不同而有差异（图1-9）。一般是由糖类、蛋白质和脂类镶嵌排列而成。其基础成分是肽聚糖。
不同的细菌细胞壁的结构和成分有不同，用革兰氏染色法染色，可将细菌分成革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。革兰氏阳性菌的细胞壁（图1-9）较厚，约15～80nm，其化学成分主要是肽聚糖，占细胞壁物质的40%～95%，形成15～30层的聚合体。此外，还有磷壁酸、多糖和蛋白质（如葡萄球菌的A蛋白、A群链球菌的M蛋白）等。而分支杆菌的细胞壁则含有多量的脂类，多数以分支杆菌酸或蜡质的形式存在。革兰氏阴性菌的细胞壁较薄，约10～15nm，结构和成分较复杂（图1-9），由外膜和周质间隙组成。外膜由脂多糖、磷脂、蛋白质和脂蛋白等复合构成，周质间隙是一层薄的肽聚糖，约占细胞壁的10%～20%。
肽聚糖 又称黏肽或糖肽，是细菌细胞壁特有的物质。革兰氏阳性菌细胞壁的肽聚糖是由聚糖链支架、四肽侧链和五肽交联桥三部分组成的复杂聚合物。聚糖链支架由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸通过β-1,4糖苷键交替连接组成。四肽侧链由四种氨基酸组成并与胞壁酸相连，五肽交联桥由五个甘氨酸组成，交联于相邻两条四肽侧链之间。于是，聚糖链支架、四肽侧链和五肽交联桥共同构成十分坚韧的三维立体结构。革兰氏阴性菌的肽聚糖层很薄，有1～2层网状分子构成，其结构单体有与革兰氏阳性菌相同的聚糖链支架和相似的四肽侧链，但无五肽交联桥，由相邻聚糖链支架上的四肽侧联直接连接成二维结构，较为疏松。溶菌酶能水解聚糖链支架的β-1,4糖苷键，故能裂解肽聚糖；青霉素能抑制五肽交联桥和四肽侧链之间的联接，故能抑制革兰氏阳性菌肽聚糖的合成。
磷壁酸 是革兰氏阳性菌特有的成分，呈长链穿插于肽聚糖层中，是特异的表面抗原。它带有负电荷，能与镁离子结合，以维持细胞膜上一些酶的活性。此外，它对宿主细胞具有黏附作用，是A群链球菌毒力因子或为噬菌体提供特异的吸附受体。
脂多糖（LPS） 为革兰氏阴性菌所特有，位于外壁层的最表面，由类脂A、核心多
2
糖和侧链多糖三部分组成。类脂A是一种结合有多种长链脂肪酸的氨基葡萄糖聚二糖链，是内毒素的主要毒性成分，发挥多种生物学效应，能致动物体发热，白细胞增多，甚至休克死亡。各种革兰氏阴性菌类脂A的结构相似，无种属特异性。核心多糖位于类脂A的外层，由葡萄糖、半乳糖等组成，与类脂A共价联结。核心多糖具有种属特异性。侧链多糖在LPS的最外层，即为菌体（O）抗原，是由3～5个低聚糖单位重复构成的多糖链，其中单糖的种类、位置、排列和构型均不同，具有种、型特异性。此外，LPS也是噬菌体在细菌表面的特异性吸附受体。
外膜蛋白（OMP） 是革兰氏阴性菌外膜层中镶嵌的多种蛋白质的统称。按含量及功能的重要性可将OMP分为主要及次要两类。主要外膜蛋白包括微孔蛋白及脂蛋白，微孔蛋白能形成跨越外膜的微小孔道，起分子筛作用，仅允许小分子量的营养物质如双糖、氨基酸、二肽、三肽、无机盐等通过，大分子物质不能通过，因此溶菌酶之类的物质不易作用到革兰氏阴性菌的肽聚糖。脂蛋白的作用是使外膜层与肽聚糖牢固地连接，可作为噬菌体的受体或参与铁及其他营养物质的转运。
细胞壁坚韧而富有弹性，能维持细菌的固有形态，保护菌体耐受低渗环境。此外，细胞壁上有许多微细小孔，直径1nm大小的可溶性分子能自由通过，具有相对的通透性，与细胞膜共同完成菌体内外物质的交换。同时脂多糖还是内毒素的主要成分。此外，细胞壁与革兰氏染色特性、细菌的分裂、致病性、抗原性以及对噬菌体和抗菌药物的敏感性有关。
2．细胞膜 又称胞浆膜，是在细胞壁与胞浆之间的一层柔软、富有弹性的半透性生物薄膜。细胞膜的主要化学成分是磷脂和蛋白质，亦有少量碳水化合物和其他物质。其结构类似于真核细胞膜的液态镶嵌结构，镶嵌在磷脂双分子中的蛋白质是具有特殊功能的酶和载体蛋白,与细胞膜的半透性等作用有关。
细胞膜具有重要的生理功能。细胞膜上分布许多酶，可选择性地进行细菌的内外物质交换，维持细胞内正常渗透压，细胞膜还与细胞壁、荚膜的合成有关，是鞭毛的着生部位。此外，细菌的细胞膜凹入细胞浆形成囊状、管状或层状的间体，革兰氏阳性菌较为多见。间体的功能与真核细胞的线粒体相似，与细菌的呼吸有关，并有促进细胞分裂的作用。
3．细胞浆 是一种无色透明、均质的黏稠胶体，主要成分是水、蛋白质、脂类、多糖类、核酸及少量无机盐类等。细胞浆中含有许多酶系统，是细菌进行新陈代谢的主要场所。细胞浆中还含有核糖体、异染颗粒、间体、质粒等内含物。
核糖体 又名核蛋白体，是一种由2/3核糖核酸和1/3蛋白质构成的小颗粒，核糖体是合成蛋白质的场所，细菌的核糖体与人和动物的核糖体不同，故某些药物如红霉素和链霉素能干扰细菌核糖体合成蛋白质，而对人和动物的核糖体不起作用。
质粒 是在核质DNA以外，游离的小型双股DNA分子。多为共价闭合的环状，也发现有线状，含细菌生命非必需的基因，控制细菌某些特定的性状，如产生菌毛、毒素、耐药性和细菌素等遗传性状。质粒能独立复制，可随分裂传给子代菌体，也可由性菌毛在细菌间传递。质粒具有与外来DNA重组的功能，所以在基因工程中被广泛用作载体。
内含物 细菌等原核生物细胞内往往含有一些贮存营养物质或其他物质的颗粒样结构，称之为内含物。如脂肪滴、糖原、淀粉粒及异染颗粒等。其中，异染颗粒是某些细
3
菌细胞浆中特有的一种酸性小颗粒，对碱性
染料的亲和性特别强，特别是用碱性美蓝染色时呈红紫色，而菌体其他部分则呈蓝色。异染颗粒的成分是RNA和无机聚偏磷酸盐，功能是贮存磷酸盐和能量。某些细菌，如棒状杆菌的异染颗粒非常明显，常用于细菌的鉴定。
4．核质 细菌是原核型微生物，不具有典型的核结构，没有核膜、核仁，只有核质，
不能与细胞浆截然分开，分布于细胞质的中心或边缘区，呈球型、哑铃状、带状或网状等形态。核质是共价闭合、环状双股DNA盘绕而成的大型DNA分子，含细菌的遗传基因，控制细菌几乎所有的遗传性状，与细菌的生长、繁殖、遗传变异等有密切关系。
(二)细菌的特殊结构 有些细菌除具有上述基本结构外，还有某些特殊结构。细菌的特殊结构有荚膜、鞭毛、菌毛和芽孢等，这些结构有的与细菌的致病力有关，有的有助于细菌的鉴定。
1．荚膜 某些细菌(如猪链球菌、炭疽杆菌等)在生活过程中，可在细胞壁外面产生一层黏液性物质，包围整个菌体，称为荚膜。当多个细菌的荚膜融合形成一大的胶状物，内含多个细菌时，则称为菌胶团。有些细菌菌体周围有一层很疏松、与周围物质界限不明显、易与菌体脱离的黏液样物质，则称为黏液层。
细菌的荚膜用普通染色方法不易着色，因此，普通染色法染色时，可见菌体周围一层无色透明圈，即为荚膜。如用特殊的荚膜染色法染色，可清楚地看到荚膜的存在（图1-10）。
荚膜的主要成分是水(约占90％以上)，固形成分随细菌种类不同而异，多数为多糖类，如猪链球菌；少数则是多肽，如炭疽杆菌；也有极少数二者兼有，如巨大芽孢杆菌。荚膜的产生具有种的特征，在动物体内或营养丰富的培养基上容易形成。它不是细菌的必需构造，除去荚膜对菌体的代谢没有影响。
荚膜能保护细菌抵抗吞噬细胞的吞噬、噬菌体的攻击，保护细胞壁免受溶菌酶、补体等杀菌物质的损伤，所以荚膜与细菌的毒力有关；荚膜能贮留水分，有抗干燥的作用。荚膜具有抗原性，具有种和型的特异性，可用于细菌的鉴定。
2．鞭毛 有些杆菌、弧菌和个别球菌，在菌体上长有一种细长呈螺旋弯曲的丝状物，称为鞭毛。鞭毛比菌体长几倍，经特殊的鞭毛染色法，使染料沉积于鞭毛表面，增大其直径，用光学显微镜可观察到。
4
细菌的种类不同，鞭毛的数量和着生位置不同，根据鞭毛的数量和在菌体上的位置，将有鞭毛的细菌分为单毛菌、丛毛菌和周毛菌等(图1-11)。细菌是否产生鞭毛以及鞭毛的数目和着生位置，都具有种的特征，是鉴定细菌的依据之一。
鞭毛由鞭毛蛋白组成，具有抗原性，称为鞭毛抗原或H抗原，不同细菌的H抗原具有型特异性，常作为血清学鉴定的依据之一。
鞭毛是细菌的运动器官，鞭毛有规律的收缩，引起细菌运动。运动方式与鞭毛的排列方式有关，单毛菌和丛毛菌一般呈直线迅速运动，周毛菌则无规律的缓慢运动或滚动。将细菌接种于半固体营养琼脂柱中，培养后，有鞭毛的细菌在穿刺线周围浑浊扩散，而无鞭毛的细菌培养后穿刺线周围仍透明，不浑浊。实验室常用此法检查细菌是否有运动性。
鞭毛与细菌的致病性也有关系，霍乱弧菌等通过鞭毛运动可穿过小肠黏膜表面的黏液层，黏附于肠黏膜上皮细胞，进而产生毒素而致病。
3．菌毛 大多数革兰氏阴性菌和少数革兰氏阳性菌的菌体上生长有一种比鞭毛短而细的丝状物，称为菌毛或纤毛(图1-12、1-13），其直径约5～10nm ，长度约0.2～1.5μm ,只能在电镜下观察到。菌毛是一种空心的蛋白质管，具有良好的抗原性。 菌毛可分为普通菌毛和性菌毛。普通菌毛数量较多，菌体周身都有，能使菌体牢固地吸附在动物消化道、呼吸道和泌尿生殖道的黏膜上皮细胞上，以利于获取营养。对于病原菌来讲，菌毛与毒力有密切关系。性菌毛比普通菌毛长而且粗，数量较少，有性菌毛的细菌为雄性菌，雄性菌和雌性菌可通过菌毛接合，发生基因转移或质粒传递。 菌毛并非细菌生命所必需。在体外培养的细菌，如条件不适宜，未必能检测到菌毛。 4．芽孢 某些革兰氏阳性菌在一定条件下，胞浆和核质脱水浓缩，在菌体内形成一个折光性强、通透性低的圆形或椭圆形的休眠体，称为芽孢。带有芽孢的菌体称为芽孢体。未形成芽孢的菌体称为繁殖体。芽孢在菌体内成熟后，菌体崩解，形成游离芽孢。炭疽杆菌、破伤风梭菌等均能形成芽孢。
芽孢具有较厚的芽孢壁，多层芽孢膜，结构坚实，含水量少，应用普通染色法染色时，染料不易渗入，因而不能使芽孢着色，在显微镜下观察时，呈无色的空洞状。需用特殊的芽孢染色法染色才能让芽孢着色。细菌能否形成芽孢，芽孢的形状、大小以及在菌体的位置等，都随细菌的不同而不同，这在细菌鉴定上有重要意义(图1-14、1-15）。例如炭疽杆菌的芽孢为卵圆形，直径比菌体小，位于菌体中央，称为中央芽孢；肉毒梭菌的芽孢也是卵圆形，但直径比菌体大，使整个菌体呈梭形，位置在菌体偏端，称为偏端芽孢；破伤风梭菌的芽孢为圆形，比菌体大，位于菌体末端，称为末端芽孢，呈鼓锤状。
细菌的芽孢结构多层而且致密，各种理化因子不易渗透，因其含水量少，蛋白质受热不易变性，且芽孢内特有的某些物质使芽孢能耐受高温、辐射、氧化、干燥等的破坏。一般细菌繁殖体经100℃ 30min煮沸可被杀灭，但形成芽孢后，可耐受100℃数小时，如破伤风梭菌的芽孢煮沸1～3h仍然不死，炭疽杆菌芽孢在干燥条件下能存活数十年。
5
第一节 细菌的形态和结构
