第一节 细菌域（Bacteria）

-细菌是自然界中分布最广、数量最大，与人类关系极为密切的一类微生物。凡在温暖、潮湿和富含有机物质的地方，都有大量的细菌在活动。细菌域分23门，31纲，71目，14亚目，201科，781属

一、细菌的形态和大小

（一）细菌的形态

--细菌个体微小，其个体形态要借助于光镜和电镜来观察和研究。细菌细胞的外表特征可从形态、大小、细胞间排列方式三方面描述。细菌种类繁多，但外形不外乎以下3种，即球状、杆状和螺旋状。

1、球状：细胞个体呈球形或椭圆形，不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据。依细胞分裂面的数目和分裂后新细胞的排列方式又可区分为以下几种主要类型：

单球菌，细胞分裂后产生的两个子细胞立即分开，如尿小球菌(Micrococcus ureae)；

双球菌，细胞分裂一次后产生的两个新细胞不分开而成对排列，如肺炎双球菌(Diplococcus pneumoniae)；

链球菌，细胞按一个平行面多次分裂后产生的新细胞不分开而排列成链，如乳酸链球菌(Streptococcus lactis)；

四联球菌，细胞按两个互相垂直的分裂面各分裂一次后产生的4个细胞不分开并连接成四方形，如四联球菌(Micrococcus tetragenus)；

八叠球菌，细胞沿3个互相垂直的分裂面连续分裂3次后形成的含有8个细胞的立方体，如尿素八叠球菌（Sarcina ureae）；

葡萄球菌，细胞经多次不定向分裂后形成的新细胞聚集成葡萄状，如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)。

2、 杆状：细胞呈杆状或圆柱状。各种杆菌的大小和具体形状有显著差别，有些短粗为短杆菌，有的近似球菌，有些呈长圆柱形为长杆菌，有的稍弯曲。

杆菌的直径一般比较稳定而长度变化较大，枯草芽孢杆菌。杆菌中部分是人的病原菌，如铜绿假单胞菌（绿脓杆菌）、结核分枝杆菌、破伤风梭菌。不同杆菌的端部形态各异，一般钝圆，有的平截，如炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis），有的较尖，如鼠疫杆菌。

杆菌由于只有一个与长轴垂直的分裂面，只有单生和链状两种排列方式。鉴于杆菌的排列方式既少又不稳定，因而很少用于分类鉴定。在细菌的3种主要形态中，杆菌种类多，作用也最大。

3、螺旋状：细胞呈弧状或螺旋状。按弯曲程度大小可分为：

弧菌：其弯曲度小于一周而呈“C”状，如霍乱弧菌(Vibrio cholerae)。一般单生鞭毛，能运动。

螺旋菌：弯曲度大于一周，菌体回转如螺旋，鞭毛二端生。细胞壁坚韧，菌体较硬。螺旋菌的旋转圈数和螺距大小因种类而异。有些螺旋菌的菌体僵硬，借鞭毛运动，如迂迥螺菌。

螺旋体：菌体柔软，用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘，如梅毒密螺旋体(Treponema pallidium)。

蛭弧菌属（Bdelovibrio）细菌：能侵入并寄生在其它的细菌细胞内，其个体体积与大的病毒（如痘病毒）接近，也呈弧状。

4、丝状：细长的杆菌就称为丝状菌，主要分布在水生境,潮湿土壤和活性污泥中。

活性污泥中由于丝状细菌极度生长引起活性污泥丝状膨胀 。

5、其他形态: 除以上3种基本形态外，真细菌还有以下几类特殊形态.:柄细菌细胞呈杆状、梭状或弧状。在细胞的一端有鞭毛，另一端有一特征性的细柄可附着在基质上，如柄细菌属（Caulobacter）一般生活在淡水中固形物的表面，其异常形态使得菌体的表面积与体积之比增加，能有效地吸收有限的营养物；

鞘细菌或称衣细菌，是多个成链的杆状细胞包围在一个共同的鞘套中，形成不分枝的丝状体。有些类群的鞘套中还有铁的氧化物，如多孢锈铁菌。

最近，还有人从盐场的晒盐池中分离出一种特殊的近于正方形的细菌，对其特征作深入的研究。

异常形态: 环境条件的变化如物理、化学因子的刺激、培养时间过长（阻碍细胞正常发育、细胞衰老、营养缺乏、自身代谢产物积累过多）可导致细菌形成异常形态，当环境条件恢复正常时又可恢复为正常形态。

（二）细菌的大小

细菌种类繁多，大小各异。小的细菌与无细胞结构的病毒相仿（50nm；）最大的细菌几乎肉眼可见（0.75 mm）；费氏刺骨鱼菌(Epulopiscium fishelsoni)大小为(0.08 mm × 0.6 mm)，比大肠杆菌大100万倍（1985年发现），德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm，Thiomargarita namibiensis，称为“纳米比亚硫磺珍珠”。

一般细菌的大小范围：球菌：0.5~ 1mm（直径）；杆菌：0.2~1mm × 1~ 80 mm；螺旋菌：0.3~ 1 mm × 1~ 50 mm (长度是菌体两端点之间的距离，而非实际长度)。

测量方法：显微镜测微尺直接测量或显微照相后根据放大倍数进行测算。

细菌大小测量结果的影响因素：1) 个体差异；2) 干燥、固定后的菌体会一般由于脱水而比活菌体缩短1/3-1/4；3) 不同染色方法的结果不同，一般用负染色法观察的菌体较大；4)幼龄细菌一般比成熟的或老龄的细菌大：5) 环境条件，同一种细菌的大小和形态还要受环境条件（如培养基成分、浓度、培养温度和时间等）的影响。在适宜的生长条件下，幼龄细胞或对数期培养物的形态一般较为稳定，因而适宜于进行形态特征的描述。

二、细菌的构造：

细菌细胞的一般构造是指一般细菌都有的构造，包括细胞壁、细胞质膜、内含物、核区、间体等。而特殊构造是制部分细菌具有或一般细菌在特殊条件下才有的构造，包括鞭毛、菌毛、性毛、芽孢、糖被（微荚膜、荚膜、粘液层）等。

（一）细菌细胞的一般结构      

1、细胞壁(cell wall)：

位于细胞最外层。厚实、坚韧，主要由肽聚糖构成，有固定外形和保护细胞等多种功能。通过染色、质壁分离或制成原生质体，再在光学显微镜下观察，用电子显微镜观察细菌超薄切片，均可确证细胞壁存在。

----细胞壁的构造和成分较复杂，革兰氏阳性细菌和阴性细菌细胞壁成分的主要差别见表1-1。

表1-1革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁成分(占细胞壁干重的%)

（1） 革兰氏阳性细胞壁的结构:

革兰氏阳性细菌细胞壁的特点是厚度大（20-80nm），一般含有90%肽聚糖和10%的磷壁酸。

A 、肽聚糖的结构：可用最典型的金黄色葡萄球菌为代表说明。它的肽聚糖层厚约20～80nm，由40层左右网状分子所组成。网状的肽聚糖大分子实际上是由大量小分子单体聚合而成的。每一肽聚糖单体含有3个组成部分：①双糖单位，即由1个N－乙酰葡萄胺与1个N－乙酰胞壁酸分子通过β－1，4－糖苷键连接而成；②短肽“尾”，即由4个氨基酸连起来的短肽链连接在N－乙酰胞壁酸分子上。这4个氨基酸是按L型与D型交替排列的方式连接而成的，即丙氨酸(L)—谷氨酸(D)—赖氨酸(L)—丙氨酸(D)；③肽“桥”，在金黄色葡萄球菌中为甘氨酸五肽。这一肽“桥”的氨基端与前一肽聚糖单体肽“尾”中的第4氨基酸—D-丙氨酸的羧基相连接，而它的羧基端则与后一肽聚糖单体肽“尾”中的第3个氨基酸—碱性氨基酸L－赖氨酸的氨基相连接，从而使前后两个肽聚糖单体交联起来。革兰氏阳性细菌肽聚糖单体的结构见图。

 B、磷壁酸：又称粘肽(mucopeptide)、胞壁质(murein)或粘质复合物(mucocomplex)，结合在革兰氏阳性细菌细胞壁上的一种酸性多糖。磷壁酸是革兰氏阳性细菌细胞壁所特有的成分。它有两种类型，其一为壁磷壁酸，它与肽聚糖分子间发生共价结合，可用稀酸或稀碱进行提取，其含量有时可达壁重的50％（或细胞干重的10％），含量多少与培养基成分密切相关；其二为膜磷壁酸（即脂磷壁酸），由甘油磷酸链分子与细胞膜上的磷脂进行共价结合形成，它的含量与培养条件关系不大，可用45％热酚水提取，也可用热水从脱脂的冻干细菌中提取。
-磷壁酸的主要生理功能有：带负电荷，可与环境中的Mg2+等阳离子结合，提高这些离子的浓度，以保证细胞膜上一些合成酶维持高活性的需要；二价阳离子，特别是高浓度的Mg2+的存在，对于保持膜的硬度，提高细胞膜上需Mg2+的合成酶的活性极为重要。调节细胞内自溶素(autolysin)的活力，防止细胞因自溶而死亡。赋于革兰氏阳性菌以特异的表面抗原；提供某些噬菌体以特异的吸附受体。增强某些致病菌对宿主细胞的粘连、避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；可作为细菌分类、鉴定的依据。

（2）革兰氏阴性细菌细胞壁

革兰氏阴性细菌细胞壁由肽聚糖、外膜和周质空间组成。

A. 肽聚糖：

革兰氏阴性细菌细胞壁的肽聚糖结构以E.coli为代表，它的肽聚糖含量占细胞壁的10％，一般由1～2层网状分子构成，在细胞壁上的厚度仅为2～3nm。其结构单体与革兰氏阳性细菌基本相同，差别仅在于：肽尾的第3个氨基酸为内消旋二氨基庚二酸；没有特殊的肽桥，其前后两个单体间的联系仅由甲肽尾的第4个氨基酸D－丙氨酸的羧基与乙肽尾第3氨基酸的氨基直接连接而成。由于革兰氏阳性细菌与阴性细菌肽聚糖单体结构的差异以及其间相互联系的不同，因此交联而成的肽聚糖网的结构和致密度就有明显的差别。

B. 外膜(outer membrane)：

位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和若干种外膜蛋白组成。有时也称为外壁层。

脂多糖（LPS）：脂多糖是位于革兰氏阴性细菌细胞壁最外层的一层较厚（8～10nm）的类脂多糖类物质。它由类脂A、核心多糖和O－特异侧链3部分所组成。

脂多糖主要功能有：a) 控制细胞透性：LPS负电荷较强，与磷壁酸相似，也有吸附Mg2+、Ca2+等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用，对细胞膜结构起稳定作用。

b) LPS结构的多变，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性；根据LPS抗原性的测定，沙门氏菌属(Salmonella)的抗原型多达2107种，一般都源自O-特异侧链种类的变化。

c)类脂A是革兰氏阴性细菌致病物质——内毒素的物质基础；

d)具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能e)许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；

C、周质空间(periplasmic space, periplasm):

又称壁膜间隙。在革兰氏阴性细菌中，一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间（宽约12~15nm），呈胶状。周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所。在周质空间中，存在着多种周质蛋白（periplasmic proteins）。水解酶类；合成酶类；结合蛋白；受体蛋白。

革兰氏染色法的原理和机制：

步骤：是由丹麦医生C.Gram于1884年创立，其简单操作分初染、媒染、脱色和复染4步。两种细菌经结晶紫溶液初染后，分别染上了紫色，经碘液媒染，结晶紫与碘分子形成一个分子量较大的染色较牢固的复合物。接着用95％乙醇脱色。这时凡已染上的紫色易被乙醇洗脱者，则又成为无色的菌体(A)，反之，则仍为紫色(B)。最后，再用红色染料—番红复染。结果B菌仍保持最初染上的紫色，而A菌则被复染而显红色，B菌称革兰氏阳性菌，简称G＋菌，A菌则称为革兰氏阴性菌，简称G－菌。

机制：革兰氏染色差异主要基于细菌细胞壁的特殊化学组分。通过初染和媒染，在细菌细胞的膜或原生质体上染上了不溶于水的结晶紫与碘的大分子复合物。革兰氏阳性菌由于细胞壁较厚、肽聚糖含量较高和其分子交联度较紧密，故在用乙醇洗脱时，肽聚糖网孔会因脱水而明显收缩，再加上G+菌的细胞壁基本上不含类脂，故乙醇处理不能在壁上溶出缝隙，因此，结晶紫与碘复合物仍牢牢阻留在其细胞壁内，使其呈现紫色。革兰氏阴性细菌因其壁薄、肽聚糖含量低和交联松散，故遇乙醇后，肽聚糖网孔不易收缩，加上它的类脂含量高，所以当乙醇把类脂溶解后，在细胞壁上就会出现较大的缝，这样结晶紫与碘的复合物就极易被溶出细胞壁。因此，通过乙醇脱色，细胞又呈无色。这时，再经番红等红色染料复染，就使革兰氏阴性细菌获得了新的颜色——红色，而革兰氏阳性菌则仍呈紫色（实为紫中带红）。

细胞壁的功能主要有：①固定细胞外形；②协助鞭毛运动；③保护细胞免受外力的损伤；④为正常细胞分裂所必需；⑤阻拦大分子物质进入细胞（如革兰氏阴性细菌细胞壁可阻拦分子量超过800的抗生素透入）：⑥与细菌的抗原性、致病性（如内毒素）和对噬菌体的敏感性密切。