微生物学-细菌的生理

细菌的生理●第

一

节

细菌的理化性状○一、细菌的化学组成○

包括水、无机盐、蛋白质、

糖类

、脂质和

核酸等。水分是菌细胞重要的组成部分。菌细

胞去除水分后，主要为有机物，包括碳、

氢

、

氮、氧、磷和硫等。特有的化学组成，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。二

、细菌的物理性状●光学性质细菌为半透明体。●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。带电现象在近中性或弱碱性环境中，

细菌均带负电荷。●半透性细菌的细胞壁和细胞膜都有半透性。●渗透压细菌体内含有高浓度的营养物质和无

机盐，一般革兰阳性菌的渗透压高达20～25个

大气压，革兰阴性菌为5～6个大气压。细菌的营养与生长繁殖o

一、细菌的营养类型自养菌

(autotroph)

该类菌以简单的

无机物为原料，如利用CO、CO₃2-作为碳源，

利用N,、NH₃

、NO,、NO₃等作为氮源，合成菌

体成分。这类细菌所需能量来自无机物的氧化称为化能自养菌

(chemotroph),

或通过光合

作用获得能量称为光能自养菌

(phototroph)。异养菌

(heterotroph)

该类菌必须以多

种有机物为原料，如蛋白质、糖类等，才能合

成菌体成分并获得能量。异养菌包括腐生菌

(saprophyte)

和寄生菌

(parasite)。细菌的营养物质○

水细菌所需营养物质必须先溶于水，营养

的吸收与代谢均需有水才能进行。碳源各种碳的无机或有机物都能被细菌吸

收和利用，合成菌体组分和作为获得能量的主

要来源。病原菌主要从糖类获得碳。氮源细菌对氮源的需要量仅次于碳源，其

主要功能是作为菌体成分的原料。无机盐

细菌需要各种无机盐以提供细菌生

长的各种元素，常用元素，微量元素。●各类无机盐的功用如下：①构成有机化合物，

成为菌体的成分；②作为酶的组成部分，

维持酶的活性；③参与能量的储存和转运；

④调节

菌体内外的渗透压；⑤某些元素与细菌的生长

繁殖和致病作用密切相关。生长因子许多细菌的生长还需一些自

身不能合成的生长因子

(growth

factor),

通常为有机化合物，包括维生素、某些氨基酸、

嘌呤、嘧啶等。少数细菌还需特殊的生长因子，

如流感嗜血杆菌需要X、V两种因子，

X因子是高铁血红素，V因子是辅酶I或辅酶Ⅱ,两者为

细菌呼吸所必需。三

、细菌摄取营养物质的机制●

营养物质进入菌体内的方式有被动扩散和主动转运系统。被动扩散被动扩散指营养物质从浓度高

向浓度低的一侧扩散，其驱动力是浓度梯度，

不需要提供能量。将不需要任何细菌组分的帮助，营养物就可以进入细胞质内的过程称为简

单扩散。如果需要菌细胞的特异性蛋白来帮助

或促进营养物的跨膜转运称为易化扩散。主动转运系统其特点是营养物质从浓度

低向浓度高的一侧转运，并需要提供能量。细

菌有如下三种主动转运系统：o

1.依赖于周浆间隙结合蛋白的转运系统

(periplasmic—binding

protein—dependenttransport

systeml)●

2.化学渗透驱使转运系统(chemiosmotic-

driven

transport

system)该系统利用膜内

外两侧质子或离子浓度差产生的质子动力

(proton

motive

force)或钠动力(sodiummotiveforce)

作为驱使营养物越膜转移的能

量。3

.

基团转移(group

translation)营

养物

在转运的过程中被磷酸化，并将营养物的转运

与代谢相结合，更为有效地利用能量。四

、影响细菌生长的环境因素营养物质

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能量。氢离子浓度

(pH)温度

嗜冷菌(psychrophile),其生长范围-5～30℃,最适生长为10～20℃;

嗜温菌

(mesophile),

生长范围10～45℃,最适20~

40℃;嗜热菌(thermophile),生长范围25~

95℃,最适50～60℃。气体根据细菌代谢时对分子氧的需要与

否，可以分为四类。1.

专

性

需

氧

菌

(obligateaerobe)

具有完善的呼吸酶系统，需要分子氧作为受氢

体以完成需氧呼吸，仅能在有氧环境下生长。

如结核分枝杆菌、霍乱弧菌。2.微

需

氧

菌

(microaerophili

c

bacterium)

在低氧压

(

5

%

～

6

%

)

生长最好，

氧浓度>10%对其有抑制作用。如空肠弯曲菌、

幽门螺杆菌。3.兼

性

厌

氧

菌

(facultativeanaerobe)兼有需氧呼吸和无氧发酵两种功

能，不论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。

4.专性厌氧菌(obligate

anaerobe)缺乏完善的呼吸酶系统，利用氧以外的其他物质作为受

氢体，只能在无氧环境中进行发酵。专性厌氧菌在有氧环境中不能生长，原因：(1)缺乏氧化还原电势

(Eh)高的呼吸酶：

如细胞色素和细胞色素氧化酶。(2)缺乏分解有毒氧基团的酶：超氧化物歧

化

酶

(superoxide

dismutase,SOD)

和

触

酶

(catalase),过氧化物酶

(peroxidase)。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

(halophilic

bacterium)

需要在高浓度(3%)的

NaCl环境中生长良好。五

、细菌的生长繁殖细菌个体的生长繁殖

细菌一般以简单的二分裂方式进行无性繁殖。细菌群体的生长繁殖

细菌生长速度很快，

一般细菌约20min分裂一次。

一个细胞经7h可

繁殖到约200万个，10h后可达10亿以上。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，可绘制出一条生长曲线(growthcurve)●分为四期：○

1

.

迟缓期(1ag

phase)细菌进入新环境

后的短暂适应阶段。2

.对数期(logarithmic

phase)又称

指数期(exponential

phase)3

.

稳定期(stationary

phase)由于培

养基中营养物质消耗，有害代谢产物积聚，该

期细菌繁殖速度渐减，死亡数逐渐增加，细菌

形态、染色性和生理性状常有改变。4.衰亡期

(decline

phase)

稳定期后

细菌繁殖越来越慢，死亡数越来越多，并超过

活菌数。6.0(1)

(2)5.5

0

5

10

15

202530小时图8

-

19

细菌的生长曲线(4)1(3)(1)～(2)迟缓期(2)～(3)对数生长期(3)～(4)稳定期(4)～(5)衰退期总菌数活菌数(5)8.58.07.57.06.5细菌数目的对数9.01第三节细菌的新陈代谢与能量转换一、细菌的能量代谢

●

发酵o

1.EMP(Embden-Meyerhof-Parnas)途径

又

称糖酵解。这是大多数细菌共有的基本代谢途

径，专性厌氧菌产能的唯一途径。●2.磷酸戊糖途径又称一磷酸己糖(hoxose

monophasphate,HMP)

途径，是EMP途径的分

支，由己糖生成戊糖的循环途径。○需氧呼吸1分子葡萄糖在有氧条件下

彻底氧化，生成CO₂

、H₂0,并产生38分子ATP。需氧菌和兼性厌氧菌进行需氧呼吸。○

厌氧呼吸专性厌氧菌没有需氧电子传

递链和完整的三羧酸循环，1分子葡萄糖

经厌氧糖酵解只能产生2分子ATP,最终

以外源的无机氧化物(CO₂

、SO₄²、NO₃-)

作为受氢体的一类产能效率低的特殊呼

吸。二

、细菌的代谢产物●(一)分解代谢产物和细菌的生化反应糖发酵试验不同细菌分解糖类的能力和代谢产物不同。VP(Voges-Proskauer)试验大肠埃希

菌和产气肠杆菌均能发酵葡萄糖，产酸产气，

两者不能区别。但产气肠杆菌能使丙酮酸脱羧

生成中性的乙酰甲基甲醇，后者在碱性溶液中

被氧化生成二乙酰，二乙酰与含胍基化合物反

应生成红色化合物，是为VP试验阳性。大肠埃

希菌不能生成乙酰甲基甲醇，故VP试验阴性。单糖分解反应：1-5管分别为葡萄糖、乳糖、麦芽糖、甘露糖、蔗糖阳性(黄色),第6管为阴性对照(紫色)Voges-Proskauer(V-P)试验，产气杆菌阳性(右);大肠埃希菌为阴性(左)V-P试验左大肠埃希菌一；右产气肠杆菌+甲基红

(methyl

red)

试验●

甲基红(methyl

red)试验

产气肠杆菌分

解葡萄糖产生丙酮酸，后者经脱羧后生成中性

的乙酰甲基甲醇，故培养液pH>5.4,

甲基红

指示剂呈桔黄色，是为甲基红试验阴性。大肠

埃希菌分解葡萄糖产生丙酮酸，培养液pH<

4.5,甲基红指示剂呈红色，则为甲基红试验

阳

性

。甲基红试验(

MR试验),大肠埃希菌为阳性(右);产气杆菌阴性(左)枸橼酸盐利用

(citrate

utilization)枸橼酸盐利用

(citrate

utilization)

试验

当某些细菌(如产气肠杆菌)利用铵

盐作为唯一氮源，并利用枸橼酸盐作为唯一碳

源时，可在枸橼酸盐培养基上生长，分解枸橼

酸盐生成碳酸盐，并分解铵盐生成氨，

使培养

基变为碱性，是为该试验阳性。吲哚

(indol)

试验吲哚

(indol)试验

有些细菌如大肠埃

希菌、变形杆菌、霍乱弧菌等能分解培养基中

的色氨酸生成吲哚(靛基质),经与试剂中的

对二甲基氨基苯甲醛作用，生成玫瑰吲哚而呈

红色，是为吲哚试验阳性。吲哚试验，大肠埃希菌吲哚试验阳性(右);肺炎克氏菌吲哚试验阴性(左)硫化氢试验硫化氢试验

有些细菌如沙门菌、变形杆

菌等能分解培养基中的含硫氨基酸(如胱氨酸、

甲硫氢酸)生成硫化氢，硫化氢遇铅或铁离子

生成黑色的硫化物。硫化氢试验：

A

变形杆菌+;

B

沙门菌+C未接种尿素酶试验变形杆菌有尿素酶，能分解培养基中的尿素产生氨，使培养基变碱，以酚

红为指示剂检测为红色，是为尿素酶试验阳性。吲哚

(I)、

甲

基

红

(M)、VP(V)、

枸橼酸盐利用(C)四种试验常用于鉴定肠道杆菌，

合称为IMViC试验。例如大肠埃希菌对这四种

试验的结果是“十十——”,产气肠杆菌则为

“

—

—

十十”。肠杆菌科细菌在动力一靛基质-尿素酶培

养

基(MIU)上

的

生

长

，A:大

肠

杆

菌

(动力、靛基质、尿素酶)(十、十、

一

);

B:

宋

内

氏志

贺

氏

菌

(

动

力

、

靛

基质、尿素酶)

(

一

、

—

1+、一

);

C

:对照管(未接种菌)●现代临床细菌学已普遍采用微量、快速的生化

鉴定方法。根据鉴定的细菌不同，选择系列生化指标，依反应的阳性或阴性选取数值，组成

鉴定码，形成以细菌生化反应为基础的各种数

值编码鉴定系统。同时，也可用细菌鉴定软件

分析细菌的生化反应谱。更为先进的如VITEK

全自动细菌鉴定及高级专家系统药敏报告仪完成了细菌生化鉴定的自动化。图17-

1

VITEK全自动微生物分析系统的基本配置图18-1

各种API条和配套试剂合成代谢产物及其在医学上的意义热原质(pyrogen)

或称致热原。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。热原质即其细胞壁的脂多糖。热原质耐高温，高压蒸气灭菌(121℃、20min)

亦

不被破坏，250℃高温干烤才能破坏热原质。毒素与侵袭性酶细菌产生外毒素和内毒

素两类毒素。外毒素(exotoxin)

是多数革兰

阳性菌和少数革兰阴性菌在生长繁殖过程中释

放到菌体外的蛋白质；内毒素

(endotoxin)

是革兰阴性菌细胞壁的脂多糖，当菌体死亡崩解后游离出来。色素细菌的色素有两类，

一类为水溶性，

另一类为脂溶性，不溶于水。细菌素某些菌株产生的一类具有抗菌作

用的蛋白质称为细菌素(bactericin)

。

细菌

素与抗生素不同的是作用范围狭窄，仅对与产

生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用。维生素大肠埃希菌，合成的B族维生素和

维生素K也可被人体吸收利用。第四节

细菌的人工培养o

一、培养细菌的方法●分

离

培

养

和

纯

培

养

两

种

方

法

。二

、

培养基○

培养基

(culture

medium)是由人工方法

配制而成的，专供微生物生长繁殖使用的混合

营养物制品。为以下几类：基础培养基

基础培养基

(basicmedium)含有细菌生长繁殖所需的基本营养成分。增菌培养基

若了解某种细菌的特殊营养

要求，可配制出适合这种细菌而不适合其他细

菌生长的增菌培养基

(enrichmentmedium)。

选择培养基

在培养基中加入某种化学物

质，使之抑制某些细菌生长，而有利于另一些

细菌生长，从而将后者从混杂的标本中分离出

来，这种培养基称为选择培养基(selectivemedium)。鉴别培养基

用于培养和区分不同细菌种

类的培养基称为鉴别培养基

(differentialmedium)。厌氧培养基

专供厌氧菌的分离、培养

和

鉴

别

用的

培

养

基

，

称

为

厌

氧

培

养

基

(anaerobicmedium)。常

用

的

有庖肉培养基

(cooked

meat

medium)、硫乙醇酸盐肉汤等，

并在液体培养基表面加入凡士林或液体石蜡以

隔绝空气。肠炎沙门菌在SS

(salmonella/shigella)平板和D

CA(deoxycholate-citrate

agar)

平板上生长，

SS

(沙门/志贺氏)平板和DCA

(脱氧胆酸盐-柠檬酸盐琼脂)平板是分离粪标本中致病菌的选择性培养基，沙门菌在上述二种培养基中不发

酵乳糖，而呈无色菌落。右侧试管未接种。三

、细菌在培养基中的生长情况在液体培养基中生长情况

呈现均匀混浊

状态；沉淀生长；枯草芽胞杆菌、结核分枝杆

菌等专性需氧菌呈表面生长，常形成菌膜。在固体培养基中生长情况

将标本或培养

物划线接种在固体培养基的表面，因划线的