细菌的生理

医学微生物学第二章细菌的生理，知识点有细菌的理化性状、细菌的营养与生长繁殖、细菌的新陈代谢、细菌的人工培育等。

细菌的生理

• 细菌的生理活动包括：摄取营养物质和合成各种所需物质，进行新陈代谢及生长繁殖。整个生理活动的中心是新陈代谢，细菌的代谢活动十分活跃且多样化，繁殖迅速是其显著特点。
• 细菌的理化性状
  • 细菌的化学组成：细菌和其他生物细胞相似，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。
    • 水是菌细胞重要组成成分，占细胞重量的75～90％.菌体除去水分后，主要为有机物，包括碳、氢、氮、氧、磷和硫等。还有少数的无机离子，如钾、钠、铁、镁、钙、氯等，用以构成菌细胞的各种成分及维持酶的活性和跨膜化学梯度。细菌中还含有一些原核细胞型微生物所特有的化学组分，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。
  • 细菌的物理性状：①光学性质（细菌越多浊度越大）②表面积（细菌菌体越小，相对表面积越大，有利于同外界的物质交换)③带电现象（细菌固体成分多为蛋白质，G+菌等电点2～3，G-菌等电点4～5，故在接近中性或弱碱性环境中细菌均带负电，且G+菌带负电更多）④渗透压（细菌细胞壁和细胞膜都具有半透性，允许水和部分小分子物质透过）⑤半透性（细菌所处一般环境相对低渗，但因有坚韧细胞壁的保护而不至于崩裂。但若处于高于菌内渗透压的环境中菌体内水分就会溢出，胞质浓缩，细菌就无法生长繁殖）
• 细菌的营养与生长繁殖
  • 细菌的营养物质：水、碳源、氮源、无机盐、生长因子
  • 细菌摄取营养的机制：1、被动扩散2、主动转运（①ABC转运②离子偶联转运③基团转移④特异性转运
  • 细菌的营养类型(根据细菌所利用的能源和碳源的不同）
    • 自养菌
      • 自养菌以简单的无机物为原料，如利用二氧化碳、碳酸根作为碳源，利用氮气、氨、硝酸根、亚硝酸根等作为氮源，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，或通过光合作用获得能量称为光能自养菌
    • 异养菌
      • 异养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。异养菌包括腐生菌和寄生菌。腐生菌以动物尸体、腐败食物等作为营养物；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，大部分属于寄生菌
  • 影响细菌生长的因素
    • 1、营养物质
    • 2、氢离子浓度pH：每种病原菌都有一个可生长的pH范围，以及最适生长pH
      • 大多数嗜中性细菌生长的pH范围是6.0～8.0，噬碱性细菌最适生长pH可高至10.5，嗜酸性细菌则可低至3.0；多数病原菌最适生长pH为7.2～7.6（细菌依靠胞膜上的质子转运系统调节菌体内的pH，保持其稳定，包括ATP驱使的质子泵，钠氢和钾氢交换系统）
    • 3、温度：根据细菌对温度的要求不一可将其分为嗜冷菌和嗜热菌；而病原菌在长期进化过程中适应人体环境，均属于嗜温菌，最适生长温度为37℃
    • 4、气体根据细菌代谢时对分子氧的需求可分为①专性需氧菌（具有完善呼吸酶系统，以分子氧作为受氢体，仅能在有氧条件下生长）②微需氧菌（在低氧压5％～6％生长最好）③兼性厌氧菌（无论在有氧或是无氧条件下都可存活，但以有氧时生长较好，大多病原菌属于此类）④专性厌氧菌（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，只可在低氧分压或无氧环境中进行发酵。有游离氧存在时可受其毒害甚至死亡）
    • 5、渗透压
  • 细菌的生长繁殖
    • 细菌个体的生长繁殖：细菌一般以二分裂的方式进行无性繁殖。细菌分裂数量倍增所需要的时间叫做代时，多数细菌为20～30min（适宜条件下多数细菌繁殖速度很快）
    • 细菌群体的生长繁殖
      • 由于细菌繁殖中营养物质的逐渐耗竭，有害代谢产物的逐渐积累，细菌不可能始终保持高速度的无限繁殖。经过一段时间后，细菌繁殖速度逐渐减慢，死亡菌数目增多，活菌增长率随之下降并趋于停滞 ♥细菌生长曲线只有在体外人工培养的条件下才能观察到
      • 迟缓期：细菌进入新环境的短暂适应阶段。该时期菌体增大代谢活跃，为其分裂繁殖合成并积累足够的酶、辅酶和中间代谢产物；但分裂迟缓、繁殖极少。
      • 对数期：也称指数期。细菌生长迅速，活菌数以恒定的几何数增长，生长曲线图上的细菌数的对数呈直线上升达到顶峰。此期细菌的形态、染色性、生理活性都很典型，对外界环境因素作用敏感。因此研究细菌的生物学形态（形态染色、生化反应、药物敏感性等）因选用对数期的细菌
      • 稳定期：由于培养基中营养物质消耗，有害代谢物质积累，该期细菌繁殖速度逐渐减慢，死亡数增加，两者大致平衡，活菌数大致稳定，总的细菌数缓慢增加。一些细菌的芽胞、外毒素和抗生素等代谢产物大多在稳定期产生。
      • 衰亡期：稳定期后细菌繁殖速度越来越慢，死亡数越来越多，并超过活菌数。该期细菌形态显著改变，出现衰退型或菌体自溶，难以辨认；生理活动也趋于停滞。因此陈旧培养基的细菌难以鉴定
• 细菌的新陈代谢
  • 细菌的新陈代谢是指菌细胞内分解代谢与合成代谢的总和，其显著特点是代谢旺盛和代谢类型的多样化。 ①底物分解和转化为能量的过程称为分解代谢；②所产生的能量和少数几种简单的前体用于细胞组分的合成称为合成代谢 *病原菌合成细胞组分和获得能量的基质（生物氧化的底物）主要是糖类，通过糖的氧化或酵解释放能量，并以高能磷酸键的形式（ATP、ADP）储存能量。
  • 细菌的能量代谢
    • 细菌能量代谢活动中主要涉及ATP形式的化学能。细菌的有机物分解或无机物氧化过程中释放的能量通过底物磷酸化或氧化磷酸化合成ATP。生物体内能量代谢的基本生化反应是生物氧化。生物氧化的方式包括加氧、脱氢和脱电子反应，细菌则以脱氢或氢的传递更常见。 ①以有机物为受氢体：发酵 ②以无机物为受氢体：呼吸 以分子氧为受氢体：需氧呼吸 以其他无机物（硝酸盐、硫酸盐）为受氢体：厌氧呼吸 ♥需氧呼吸在有氧条件下进行，厌氧呼吸和发酵在无氧条件下进行，大多数病原菌只进行需氧呼吸和发酵
    • ①EMP糖酵解（是大多数细菌共有的基本代谢途径，是有些专性厌氧菌唯一的产能途径）
    • ②磷酸戊糖途径（产能效果仅为糖酵解的一半，所以不是产能的主要途径）
    • ③需氧呼吸
    • ④厌氧呼吸
  • 细菌的代谢产物
    • 分解代谢产物和细菌的生化反应P26
      • 糖发酵实验
        • 不同细菌分解糖类的能力和代谢产物不同。如大肠埃希菌能发酵葡萄糖和乳糖；而伤寒沙门菌只可发酵葡萄糖。即使这两种菌发酵同一种糖类，其结果也不同：①大肠埃希菌有甲酸脱氢酶，能将葡萄糖发酵生成的甲酸进一步分解为二氧化碳和氢气，即产酸产气；②而伤寒沙门菌缺乏此酶，发酵葡萄糖只产酸不产气。
      • VP试验
        • 大肠埃希菌和产气杆菌均能发酵葡萄糖，产酸产气，难以区别；但产气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，二乙酰和含胍基化合物反应生成红色化合物，即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。
      • 甲基红试验
      • 枸橼酸盐利用试验
        • 依据能否利用枸橼酸盐为唯一碳源分为枸橼酸盐试验阴性、阳性
      • 吲哚试验
        • 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（靓基质），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，即吲哚实验阳性。
      • 硫化氢试验
      • 尿素酶试验
    • 合成代谢产物及其医学意义
      • 热源质：也称致热源，是细菌合成的一种注入人体或动物体内能引发炎热反应的物质。产生热源质的细菌大都是革兰阴性菌，热源质即其细胞壁的脂多糖LPS。
        • 热源质=脂多糖LPS=脂质A+核心多糖+特异多糖 热源质耐高温，压力蒸汽灭菌（121℃、20min）亦不破坏，250℃高温干烤才能破坏热源质。用吸附剂和特殊石棉滤板可除去液体中大部分热源质，蒸馏法效果最好。
      • 细菌素：某些菌株产生的一类具有抗菌作用的蛋白质即为细菌素。细菌素与抗生素的不同在于其作用范围狭窄，仅对与产生菌有亲缘关系的细菌才有杀伤作用。
      • 色素：细菌色素有水溶性和脂溶性两类
      • 维生素
      • 毒素与侵袭性酶：细菌产生外毒素和内毒素两类毒素，在细菌致病作用中甚为重要。
        • 1、外毒素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 2、内毒素是革兰阴性菌的细胞壁的脂多糖，当菌体死亡崩解后游离出来。 （外毒素毒性强于内毒素） 3、某些细菌可产生具有侵袭性的酶，能损伤机体组织，促使细菌的侵袭和扩散，是细菌重要的致病物质。（如产气荚膜梭菌的卵磷脂酶、链球菌的透明质酸酶等）
      • 抗生素：某些微生物代谢过程中产生的一类能抑制或杀死某些其他微生物或肿瘤细胞的物质。抗生素大都由放线菌产生，细菌产生的少，仅有多粘菌素，杆菌肽等
• 细菌的人工培育
  • 培养细菌的方法
    • 人工培养细菌，首先要选择合适的培养基以提供充足的营养物质、合适的酸碱度及渗透压，此外还要有适宜的温度和必要的气体等。
    • 分离培养：将标本或培养物划线接种在固体培养基的表面，因划线的分散作用，使许多原混杂的细菌在固体培养基表面上散开。
    • 纯培养：一般经过18～24H培养后，单个细菌分裂增殖成一堆肉眼可见的细菌集团，称为菌落。挑取一个菌落，一种到另一个培养基中，可生长出大量的纯种细菌，即称为纯培养。多用于某些菌种的扩增。
  • 培养基（按营养组成和用途分）
    • ♥培养基是由人工方法配置的，专供微生物生长繁殖使用的混合营养物制品
    • 基础培养基：含有多数细菌生长繁殖所需的基本营养成分。是配置特殊营养基的基础，也可作为一般培养基。
    • 增菌培养基：若了解某些细菌的特殊营养要求，可配置出适合这种细菌而不适合其他细菌生长的培养基。
    • 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。
    • 鉴别培养基：用于培养和区分不同细菌种类的培养基；利用各种细菌分解糖类和蛋白质的能力及其代谢产物不同，在培养基中加入特定的作用底物和指示剂，一般不加抑菌剂，观察细菌在其中生长后对底物的作用如何，进而鉴别细菌。
    • 厌氧培养基：专供厌氧菌的分离、培养和鉴别用的培养基。
  • 细菌在培养基中生长情况
    • 在液体培养基中生长情况：大多数细菌在液体培养基中生长繁殖后呈现均匀浑浊态；少数链状的细菌则沉淀生长；枯草芽孢杆菌、结核分枝杆菌等专性厌氧菌呈表面生长，常形成菌膜。
    • 在固体培养基中设生长情况
      • ①光滑型菌落S型：新分离的细菌大多呈光滑型菌落，表面光滑、湿润、边缘整齐
      • ②粗糙型菌落R型：菌落表面粗糙、干燥、呈皱纹或颗粒状，边缘大都不齐整
        • 有少数细菌新分离的独立株就是R型，如炭疽芽孢杆菌、结核分枝杆菌等
      • R型菌多由S型菌变异失去菌体表面多糖或蛋白质形成。R型菌抗原不完整，毒力和抗吞噬能力都比S型弱。
      • ③黏液性菌落M型：黏稠、有光泽，似水珠样。多见于有厚荚膜或丰富黏液层的细菌
    • 在半固体培养基中生长情况：半固体培养基粘度低，有鞭毛的细菌在其中仍可自由泳动，沿穿刺线呈羽毛状或云雾状浑浊生长（动力阳性）。无鞭毛细菌只能沿穿刺线呈明显的线性生长（动力阴性）
• 抑制或杀灭微生物的理化因素
  • 消毒灭菌常用术语
    • 灭菌：是指杀灭物体上所有微生物的方法，包括杀死细菌芽孢、病毒和真菌等在内的全部病原微生物和非病原微生物。
      • 经过灭菌的物品称为无菌物品；凡是需要进入人体内部，包括血液、组织、体腔的医用器材如手术机械、注射工具、一切置入体腔内的引流管等，都要求绝对无菌。
    • 消毒：是指杀死物体上或环境中的病原微生物但不一定杀死细菌芽孢或非病原微生物的方法。用以消毒的化学药品叫做消毒剂。一般消毒剂在常用的浓度下只对细菌的繁殖体有效，对细菌芽孢无效。
    • 防腐：是指防止或抑制微生物生长繁殖的方法。细菌一般不死亡。防腐剂的选择要安全有效。常用有醇类、碘伏、氯己定等
    • 清洁：指通过除去尘埃和一切污秽以减少微生物数量的过程。除广泛用于医院环境，也是武平消毒、灭菌前必经处理过程，有利于提高消毒灭菌的效果
    • 无菌和无菌操作：多指灭菌的结果。防止微生物进入人体或其他物品的操作技术，称为无菌操作。例如进行外科手术式需防止细菌进入创口
  • 物理消毒灭菌法
    • 热力灭菌法
      • 相同温度、处理时间下，湿热灭菌效果好于干热灭菌
      • 干热灭菌法：①焚烧②灼烧③干烤④红外线
      • 湿热灭菌法（最为常用）
        • 巴氏消毒法：①61.1～62.8℃ 30min②71.7℃15～30s（用于消毒牛乳、酒类）
        • 煮沸法：用于消毒餐具、刀剪、注射器等
        • 流动蒸汽消毒法
        • 间歇蒸汽灭菌法：利用反复多次的流动间歇蒸汽达到灭菌目的。适用于不耐高热的含糖、牛奶等培养基。
        • 高压蒸汽灭菌法：①超过标准大气压103.4kPa时，②温度达到123.3℃，③维持15～20min；常用于一般培养基、生理盐水、手术敷料等耐高温、耐湿物品的灭菌，是灭菌效果最好的方法，但尚不足以灭活阮粒
    • 辐射杀菌法：①紫外线（波长240～300nm的紫外线具有杀菌作用，其中以265～266的最强）②电离辐射③微波
    • 滤过除菌法：使用物理阻流的方法除去液体或空气中的细菌、真菌，以达到无菌目的，不能除去病毒和支原体；主要用于一些不耐高温的血清、毒素、抗生素的除菌
    • 干热与低温抑菌法：①干燥法常用于保存食物，浓盐或糖渍食品可使细菌体内水分溢出，造成生理性干燥，使细菌生命活动停止，从而防止食物变性②低温可使细菌的新陈代谢减慢，故常用作保存细菌菌种。当温度回升至适宜范围时，又能回复生长繁殖。为避免解冻时对细菌的损伤，可在低温状态下真空抽去水分，此方法叫做冷冻真空干燥法。是目前保存菌种最好方法。
  • 化学消毒灭菌法
    • 高效消毒剂：可以杀灭细菌芽胞在内的所有微生物。适用于不能能耐受热力灭菌，但要进入人体内部的物品，如内镜、塑料外科器材在内的消毒
      • 含氯消毒剂
      • 过氧化物消毒剂
      • 醛类消毒剂
      • 环氧乙烷
    • 中效消毒剂：不能杀灭细菌芽胞，但能杀灭细菌繁殖体（包括结核分枝杆菌）真菌和大多数病毒
      • 含碘消毒剂
      • 醇类消毒剂
    • 低效消毒剂（可以杀灭多数细菌繁殖体，但不能杀灭芽胞、结核分枝杆菌及某些抵抗力较强的真菌和病毒）：季铵盐类消毒剂、氯己定、高锰酸钾
  • 消毒灭菌的运用P35
    • 要根据器械的特性选取消毒灭菌的方法，如体温计不可加热煮沸，而因采用醇类消毒剂；病人粪便、尿、脓、痰采用化学消毒剂（生石灰或漂白粉）
  • 影响消毒灭菌效果的因素
    • ①微生物的种类②微生物的病理状态③微生物的数量④温度⑤酸碱度⑥有机物⑦消毒剂的性质、浓度和作用时间