第二节 细菌的生理

第一篇微生物的基本知识

第一章细菌

第二节细菌的生理

细菌与其他生物一样，有独立的生命过程，能进行复杂的新陈代谢，从环境中摄取营养物质，用以合成菌体本身的成分或获得生命活动所需的能量，并排出代谢产物。不同的细菌在其生理活动的过程中呈现某些特有的生命现象，因此，细菌的生长特征、代谢产物等常作为鉴别细菌的重要依据。本章将重点介绍细菌的营养、细菌的生长繁殖、细菌的新陈代谢，这些知识和相关技能都是细菌鉴定和细菌病实验室诊断的基础。

一、细菌的营养

组成细菌细胞的元素成分类似于动物细胞，但通过对细菌新陈代谢的研究，我们知道细菌利用各种化合物作为能源的能力远远大于动物细胞，而细菌对营养的需求比动物细胞更为多样，其特有的代谢过程也合成了许多不同于动物细胞的成分，如肽聚糖、脂多糖、磷壁酸等。

(一)细菌的化学组成

结合水与菌体其他成分结合

水分

(70%～90%) 游离水呈游离状态，是菌体内重要溶剂，参加一系列

生化反应。

蛋白质构成菌体主要成分，占固形物的50％～80％。

细菌的化学组成核酸有RNA 和DNA两种，前者主要存在于胞浆中、

胞膜上，后者存在于核质、质粒中。

有机物糖类主要以多糖、脂多糖、黏多糖的形式存在。

脂类主要包括中性脂肪、磷脂和蜡质等，存在

固形物于细胞壁、胞浆膜及胞浆内。

(10%～30%) 其他有机物指各种生长因子和色素等。

无机物约占固形物的2％～3％，有磷、硫、钾、钙、镁、铁、

钠、氯、钴、锰等，其中磷和钾含量最多。

(二)细菌的营养类型

以往人们将生物分成自养型与异养型，能利用无机物的植物为自养型，必须利用有机物的动物为异养型，后来，对细菌的营养研究发现细菌亦有自养和异养之分，碳元素是细菌细胞各种有机物的重要组成元素，不同细菌代谢途径不同，其利用碳元素的形式也不同，据此可把细菌分为自养菌和异养菌两大类。

1．自养菌自养菌具有完备的酶系统，合成能力较强，能以无机形式的碳 (如二氧化碳、碳酸盐等)作为碳源，合成菌体所需的有机物质。细菌所需的能量来自无机化合物的氧化，也可以通过光合作用获得能量，因此自养菌又分为化能自养菌和光能自养菌。

2．异养菌异养菌不具备完备的酶系统，合成能力较差，必须利用有机形式的碳源，其代谢所需能量大多从有机物氧化中获得，少数从光线中获得能量，故异养菌也分为化能异养菌和光能异养菌。

异养菌由于生活环境不同，又分为腐生菌和寄生菌两类。腐生菌以无生命的有机物如动植物尸体、腐败食品等作为营养物质来源；寄生菌则寄生于有生命的动植物体内，靠宿主提供营养。致病菌多属异养菌。

(三)细菌的营养物质

细菌必须不断从外界吸收营养，来合成自身细胞成分，也为其生命活动提供能量，细菌的化学组成和营养类型决定其可利用的营养物质。细菌所需的营养物质有：1．水水是细菌生长所必需的。水的作用：①起到溶剂和运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌都必须以水为介质才能完成；②参与细胞内的一系列化学反应；③维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；④细胞中大量的水有利于对细菌代谢过程中产生的热量及时吸收并散发到环境中，有效地调节细菌及其周围环境的温度。此外，水还是细菌细胞内某些结构的成分。高渗环境中细菌脱水时，其代谢受到抑制，生长速度变慢。

2．含碳化合物细菌细胞内含有大量的有机物，含碳化合物在细胞内经过一系列复杂的生化反应后成为细菌自身细胞的组成成分，同时，在生化反应过程中还为菌体提供生命活动所必需的能源，因此，含碳化合物同时也是能源物质。自养菌利用无机形式的碳合成自身成分；异养菌只能利用有机含碳化合物，如实验室制备培养基常利用各种单糖、双糖、多糖、醇类、脂类等，氨基酸除供给氮源外，也能提供碳源。

3．含氮化合物氮是构成细菌蛋白质和核酸的重要元素。在自然界中，从分子氮到复杂的有机含氮化合物，都可以作为不同细菌的氮源，病原菌多以有机氮作为氮源。氨基酸或蛋白质是病原菌良好的有机氮源，是普通培养基的主要成分，纯蛋白往往需要经过降解才能被利用，如蛋白胨等。此外，有的病原菌也可利用无机氮化合物作为氮源，硝酸钾、硝酸钠、硫酸铵等可被少数病原菌如绿脓杆菌、大肠杆菌等所利用。

4．无机盐类细菌的生长需要多种无机盐类，根据细菌需要量的大小，将无机盐类分为常量元素（如磷、硫等）和微量元素（如铁、钴等）。这些无机盐类的主要功能有：构成菌体成分；作为酶的组成成分，维持酶的活性；调节渗透压等。有的无机盐类可作为自养菌的能源。

5．生长因子是指细菌生长时必需但需要量很少，细菌自身又不能合成或合成量不足以满足生长需要的有机化合物。各种细菌需要的生长因子的种类和数量是不同的，主要包括维生素、嘌呤、嘧啶、某些氨基酸等。

(四)细菌摄取营养的方式

外界的各种营养物质必须吸收到细胞内，才能被利用。细菌的细胞壁、细胞膜及其他表面结构构成的渗透屏障，是决定营养物质吸收的重要因素，此外，营养物质本身的性质、环境条件也可影响营养物质的吸收。根据物质运输的特点，可将物质进出细胞的方式分为单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位。

1．单纯扩散又称被动扩散，是细胞内外物质最简单的交换方式。细胞膜两侧的

物质靠浓度差进行分子扩散，不需消耗能量。某些气体（O

2、CO

2

）、水、乙醇及甘油等

水溶性小分子以及某些离子（Na＋）等可进行单纯扩散。单纯扩散无选择性，速度较慢，细胞内外物质浓度达到一致，扩散便停止，因此不是物质运输的主要方式。

2．促进扩散此运输方式也是靠浓度差进行物质的运输，不需消耗能量，但与单

纯扩散不同的是促进扩散同时需要专一性载体蛋白。载体蛋白位于细胞膜上，糖或氨基酸等营养物质与载体蛋白结合，然后转运至细胞内。促进扩散具有特异性。

3．主动运输 是细菌吸收营养的一种主要方式，与促进扩散一样，需要特异性的载体蛋白，但被运输的物质可逆浓度差“泵”入细胞，因此需消耗能量。细菌在生长过程中所需要的氨基酸和各种营养物质，主要通过主动运输方式摄取的。

4．基团转位 与主动运输相似，同样靠特异性载体将物质逆浓度差转运至细胞内，但物质在运输的同时受到化学修饰，如发生磷酸化，因此使细胞内被修饰的物质浓度大大高于细胞外的浓度。此过程需要特异性的载体蛋白和能量的参与。

二、细菌的生长繁殖

（一）细菌生长繁殖的条件

1．营养物质 包括水分、含碳化合物、含氮化合物、无机盐类和生长因子等。不同细菌对营养的需求不尽相同，有的细菌只需基本的营养物质，而有的细菌则需加入特殊的营养物质才能生长繁殖，因此，制备培养基时应根据细菌的类型进行营养物质的合

理搭配。

2．温度 细菌只能在一定温度范围内进行生命活动，温度过高或过低，细菌生命活动受阻乃至停止。根据细菌对温度的需求不同，可将细菌分为嗜冷菌、嗜温菌和嗜热菌三类（见表1-1），病原菌属于嗜温菌，在15～45℃都能生长，最适生长温度是37℃左右，所以实验室培养细菌常把温箱温度调至37℃。

3．pH 培养基的pH 对细菌生长影响很大，大多数病原菌生长的最适pH 为7.2～

7.6，但个别偏酸，如鼻疽假单胞菌需pH 为6.4～6.6，也有的偏碱，如霍乱弧菌需pH 为8.0～9.0。许多细菌在生长过程中，能使培养基变酸或变碱而影响其生长，所以往往需要在培养基内加入一定的缓冲剂。

4．渗透压 细菌细胞需在适宜的渗透压下才能生长繁殖。盐腌、糖渍之所以具有防腐作用，即因一般细菌和霉菌在高渗条件下不能生长繁殖之故。不过细菌较其他生物细胞对渗透压有较大的适应能力，特别是有一些细菌能在较高的食盐浓度下生长。

5．气体 细菌的生长繁殖与氧的关系甚为密切，在细菌培养时，氧的提供与排除要根据细菌的呼吸类型而定。少数细菌培养时需要二氧化碳等其他气体。

(二)细菌的繁殖方式和速度 细菌的繁殖方式是无性二分裂。在适宜条件下，大多数细菌每20～30min 分裂一次，在特定条件下，以此速度繁殖10h ，一个细菌可以繁殖10亿个细菌，但由于营养物质的消耗，有害产物的蓄积，细菌是不可能保持这种速度繁殖的。有些细菌如结核分支杆菌，在人工培养基上繁殖速度很慢，需18～24h 才分裂一次。

细菌类型

生长温度℃

分 布 最 低

最 适 最 高 嗜冷菌

-5～0 10～20 25～30 水和冷藏环境中的细菌 嗜温菌

10～20 18～28 40～45 腐生菌 10～20 37 40～45 病原菌 嗜热菌 25～45 50～60 70～85 温泉及堆积肥中的细菌

(三)细菌的生长曲线将一定数量的细菌接种在适宜的液体培养基中，定时取样计算细菌数，可发现细菌生长过程的规律性。以时间为横坐标，菌数的对数为纵坐标，可形成一条生长曲线，曲线显示了细菌生长繁殖的四个时期(图1-18)。

1．迟缓期是细菌在新的培养基中的一段适应过程。在这个时期，细菌数目基本不增加，但体积增大，代谢活跃，菌体产生足够量的酶、辅酶以及一些必要的中间产物。当这些物质达到一定程度时，少数细菌开始分裂，此期细菌的数量几乎不增加。以大肠杆菌为例，这一时期约2～6h。

2．对数期经过迟缓期后，细菌以最快的速度进行增殖，细菌数的对数与时间呈直线关系。一般地，此期的病原菌致病力最强，菌体的形态、大小及生理活性均较典型，对抗菌药物也最敏感。以大肠杆菌为例，这一时期约6～10h。

3．稳定期随着细菌快速的增殖，培养基中营养物质也迅速被消耗，有害产物大量积累，细菌生长速度减慢,死亡细菌数开始增加，新增殖的细菌数量与死亡细菌数量大致平衡，进入稳定期。稳定期后期可能出现菌体形态与生理特性的改变，一些芽孢菌，可能形成芽孢。以大肠杆菌为例，这一时期约8h。

4．衰老期细菌死亡的速度超过分裂速度，培养基中活菌数急剧下降，此期的细菌若不移植到新的培养基，最后可能全部死亡。此期细菌菌体出现变形或自溶，染色特性不典型，难以鉴定。

衰退期细菌的形态、染色特征都可能不典型，所以细菌的形态和革兰氏染色反应，应以对数期到稳定期中期的细菌为标准。

三、细菌的新陈代谢

(一)细菌的酶细菌新陈代谢过程的各种复杂的生化反应，都需由酶来催化。酶是活细胞产生的功能蛋白质，具有高度的特异性。细菌的种类不同，细胞内的酶系统就不同，因而其代谢过程及代谢产物也往往不同。

细菌的酶有的仅存在于细胞内部发挥作用，称为胞内酶，包括一系列的呼吸酶以及与蛋白质、多糖等代谢有关的酶。有的酶由细菌产生后分泌到细胞外，称为胞外酶，胞外酶能把大分子的营养物质水解成小分子的物质，便于细菌吸收，包括各种蛋白酶、脂肪酶、糖酶等水解酶。根据酶产生的条件,细菌的酶还分固有酶和诱导酶,细菌必须有的酶为固有酶，如某些脱氢酶等；细菌为适应环境而产生的酶为诱导酶，如大肠杆菌的半乳糖酶，只有乳糖存在时才产生，当诱导物质消失，酶也不再产生。

有些细菌产生的酶与该菌的毒力有关，如透明质酸酶、溶纤维蛋白酶、血浆凝固酶等。

(二)细菌的呼吸类型细菌借助于菌体呼吸酶从物质氧化过程中获得能量的过程，称为细菌的呼吸。呼吸是氧化过程，但氧化并不一定需要氧。凡需要氧存在的，称为需氧呼吸；凡不需要氧的称为厌氧呼吸。根据细菌对氧的需求不同，可分为三大类：

1．专性需氧菌这类细菌具有完善的呼吸酶系统，必须在有氧的条件下才能生长，如结核分支杆菌。

2．专性厌氧菌该类细菌不具有完善的酶系统，必须在无氧或氧浓度极低的条件下才能生长，如破伤风梭菌、肉毒梭菌等。专性厌氧菌人工培养时，必须要排除培养环境中的氧气。

3．兼性厌氧菌此类细菌具有更复杂的酶系统，在有氧或无氧的条件下均可生长，但在有氧条件下生长更佳。大多数细菌属此类型。

(三)细菌的新陈代谢产物各种细菌因含有不同的酶系统，因而对营养物质的分解能力不同，代谢产物也不尽相同，各种代谢产物可积累于菌体内，也可分泌或排泄到环境中，有些产物能被人类利用，有些可作为鉴定细菌的依据，有些则与细菌的致病性有关。

1．分解代谢产物

(1)糖的分解产物不同种类的细菌以不同的途径分解糖类，其代谢过程中均可产生丙酮酸。丙酮酸进一步生成气体(二氧化碳、氢气等)、酸类、醇类和酮类等。不同的细菌有不同的酶，对糖的分解能力也不同，有的不分解，有的分解产酸，有的分解产酸产气。利用糖的分解产物对细菌进行鉴定的生化试验有：糖发酵试验（图1-19、1-20）、维－培（V-P）试验（图1-21）、甲基红（MR）试验（图1-22）等。

(2)蛋白质的分解产物细菌种类不同,分解蛋白质、氨基酸的种类和能力也不同，因此能产生许多中间产物。硫化氢是细菌分解含硫氨基酸的产物；吲哚(靛基质)是细菌分解色氨酸的产物；明胶是一种凝胶蛋白，有的细菌有明胶酶，使凝胶状的明胶液化；在分解蛋白质的过程中，有的能形成尿素酶，分解尿素形成氨；此外，有的细菌能将硝酸盐还原为亚硝酸盐等。利用蛋白质的分解产物设计的鉴定细菌的生化试验有：靛基质试验（图1-23）、硫化氢试验（图1-24）、尿素分解试验（图1-25）、明胶液化试验、硝酸盐还原试验等。

2．合成代谢产物细菌通过新陈代谢不断合成菌体成分，如糖类、脂类、核酸、蛋白质和酶类等。此外，细菌还能合成一些与人类生产实践有关的产物。

(1)维生素是某些细菌能自行合成的生长因子,除供菌体需要外,还能分泌到菌体外。畜禽体内的正常菌群能合成维生素B和维生素K。

(2)抗生素是一种重要的合成产物，它能抑制和杀死某些微生物。生产中应用的抗生素大多数由放线菌和真菌产生，细菌产生的抗生素很少。

(3)细菌素是某些细菌产生的一种具有抗菌作用的蛋白质，与抗生素的作用相似，但作用范围狭窄,仅对有近缘关系的细菌产生抑制作用。目前发现的有大肠菌素、绿脓菌素、弧菌素和葡萄球菌素等。

(4)毒素细菌产生的毒素有内毒素和外毒素两种。毒素与细菌的毒力有关。

(5)热原质主要是指革兰氏阴性菌产生的一种多糖物质，将其注入人和动物体内，可以引起发热反应。热原质耐高温，不被高压蒸汽灭菌法破坏，在制造注射剂和生物制品时，应注意将其除去。

(6)酶类细菌代谢过程中产生的酶类，除满足自身代谢需要外，还能产生具有侵袭力的酶，这些酶与细菌的毒力有关,如透明质酸酶。

(7)色素某些细菌在氧气充足、温度和pH适宜条件下能产生色素。细菌产生的色素有水溶性和脂溶性两种，如绿脓杆菌的绿脓色素与荧光素是水溶性的，而葡萄球菌产生的色素是脂溶性的。色素在细菌鉴定中有一定的意义。