第七章 医学微生物学
微生物(microorganism)是一群肉眼看不见，必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、数千倍甚至数万倍才能观察到的微小生物的总称。它们具有体形微小、结构简单、繁殖迅速、容易变异等特点。微生物按其结构及组成差异可分成三大类：①真核细胞型微生物：细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体，胞质内有完整的细胞器。真菌属于此类型微生物。②原核细胞型微生物：细胞核分化程度低，原始核呈环状裸DNA团块结构，无核膜、核仁，细胞器不完善。这类微生物种类多，有细菌、螺旋体、支原体、立克次体、衣原体和放线菌。③非细胞型微生物：没有典型的细胞结构，亦无产生能量的酶系统，只能在活细胞内生长繁殖，如病毒。
微生物在自然界的分布极为广泛。江河、湖泊、海洋、土壤、矿层、空气等都有微生物存在。绝大多数微生物对人类和动、植物是有益的，而且有些是必需的。有少数微生物能引起人类和动物、植物的病害，这些具有致病性的微生物称为致病微生物或病原微生物。
微生物学(microbiology)是研究微生物的类型、分布、结构、代谢、生长繁殖、遗传、进化，以及与人类、动物、植物等相互关系的一门科学。
医学微生物学(medical microbiology)是一门基础医学学科。主要研究与医学有关病原微生物的生物学特性、致病与免疫机制，以及诊断、防治方法，以控制和消灭感染性疾病。学习和掌握了医学微生物学的基础理论、基本知识和基本技能，可为学习基础医学及临床医学的有关学科打下基础，并有助于控制和消灭感染性疾病。
第一节 细菌的生物学特性
细菌 (bacterium) 是属原核生物界 (prokaryotae) 的一种单细胞微生物，它们形体微小，结构简单，具有细胞壁和原始核质，无核仁和核膜，除核糖体外无其他细胞器。
掌握细菌的形态和结构对研究细菌的生理、细菌致病性和机体抗细菌感染免疫，以及细菌鉴别、疾病诊断和防治等均有重要的理论和实践意义。
一、细菌的形态与结构
（一）细菌的大小与形态
细菌形体微小, 肉眼不能直接看到，必须藉助显微镜放大后才能观察，通常以微米(μm；1μm=1/1000mm)作为测量它们大小的单位。最常用的仪器是光学显微镜，需放大几百倍到上千倍才能看到。不同种类的细菌大小不一，同一种细菌也因菌龄和环境因素等影响而有差别。
细菌按其基本形态分三类：球菌、杆菌、螺形菌（图7-1）
图7-1 细菌的基本形态
1．球菌
呈圆球形或近似圆球形，有的呈矛头状或肾状。单个球菌的直径约在0.8μm～1.2μm左右。由于繁殖时细菌分裂平面不同和分裂后菌体之间相互粘附程度不一，可形成不同的排列方式，这对一些球菌的鉴别颇有意义。球菌可分为双球菌、链球菌、葡萄球菌、四联球菌和八叠球菌。
2．杆菌
不同杆菌的大小、长短、粗细很不一致。菌体的形态多数呈直杆状，也有的菌体微弯。大多数杆菌中等大小，如大肠杆菌长2μm～5μm，宽0.3μm～1μm；大的杆菌如炭疽杆菌长3μm～5μm，宽1.0μm～1.3μm；小的如野兔热杆菌长仅0.3μm～0.7μm，宽0.2μm。菌体两端多呈钝圆形，少数两端平齐（如炭疽杆菌），也有两端尖细（如梭杆菌）或未端膨大呈棒状（如白喉杆菌）。有的杆菌末端膨大成棒状，称为棒状杆菌；有的菌体短小，近似椭圆形，称为球杆菌；有的常呈分枝生长趋势，称为分枝杆菌；有的末端常呈分叉状，称为双歧杆菌。
3．螺形菌
菌体弯曲或扭转，可分为弧菌和螺菌两类。弧菌菌体只有一个弯曲，呈弧状或逗点状, 如霍乱弧菌。螺菌菌体稍长，有数个连续弯曲，如鼠咬热螺菌。
细菌的形态受温度、pH、培养基成分和培养时间等因素影响很大。一般是细菌在适宜的生长条件下培养8h～18h时形态比较典型，在不利环境或菌龄老时常出现梨形、气球状和丝状等不规则的多形性，称为衰退型。因此，观察细菌的大小和形态，应选择其适宜生长条件下的对数期为宜，注意来自机体或环境中各种因素所导致的细菌形态变化。
（二）细菌的结构
细菌的结构可分为基本结构和特殊结构。前者为一般细菌通常具有的结构，如细胞壁、细胞膜、细胞质和核质等；后者指某些细菌在一定条件下所形成的特有结构，如鞭毛、菌毛、荚膜和芽胞等（图7-2）。
图7-2 细菌细胞结构模式图
1．基本结构
（1）细胞壁 位于菌细胞的最外层，包绕在细胞膜的周围，是一种较厚（平均12nm～30nm）、质量均匀的膜状结构，组成较复杂，并随不同细菌而异。用革兰染色法（Gramstaining）可将细菌分为革兰阳性(G+)和革兰阴性(G－)两类，两类细菌细胞壁的共有组分为肽聚糖，但各自有其特殊组分。
1）肽聚糖 肽聚糖是一类复杂的多聚体，是细菌细胞壁中的主要组分，为原核细胞所特有，又称为粘肽、糖肽或胞壁质。聚糖骨架由N-乙酰葡萄糖胺（G）和N-乙酰胞壁酸（M）交替间隔排列，经β-1.4糖苷键联结而成。在N-乙酰胞壁酸分子上连接四肽侧链。各种细菌细胞壁的聚糖骨架均相同，在四肽侧链的组成及其连接方式随菌种而异。 四肽侧链的组成和联结方式随菌不同而异。如葡萄球菌（革兰阳性菌）细胞壁的四肽侧链的氨基酸依次为L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-赖氨酸和D-丙氨酸；第三位的L-赖氨酸通过由五个甘氨酸组成的交联桥连接到相邻聚糖骨架四肽侧链末端的D-丙氨酸上，从而构成机械强度十分坚韧的三维立体结构。在大肠埃希菌（革兰阴性菌）的四肽侧链中，第三位氨基酸是二氨基庚二酸 (diaminopimelic acid，DAP)，并由DAP与相邻四肽侧链末端的D-丙氨酸直接连接，没有五肽交联桥，因而只形成单层平面网络的二维结构。其他细菌的四肽侧链中第三位氨基酸变化最大，大多数革兰阴性菌为DAP，而革兰阳性菌可以是DAP、L-赖氨酸或者是其他L-氨基酸。
凡是能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质，都能损伤细胞壁而使细菌变形或杀伤细菌，例如溶菌酶能切断肽聚糖中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之间的β-1.4糖苷键之间的糖苷键之间的联结，破坏肽聚糖骨架，引起细菌裂解。青霉素和头孢菌素能抑制四肽侧链上D-丙氨酸与五肽桥之间的联结，使细菌不能合成完整的细胞壁，可导致细菌死亡。人和动物细胞无细胞壁结构，亦无肽聚糖，故溶菌酶和青霉素对人体细胞均无毒性作用。除肽聚糖这一基本成份以外，G+菌和G－菌还各有其特殊的结构成分。
| 图7-3葡萄球菌（G+）细胞壁肽聚糖结构 |
| 图7-4大肠杆菌（G－）细胞壁肽聚糖结构 |
2）G+菌细胞壁特殊组份 G+ 菌细胞壁较厚，约20nm～80nm。肽聚糖含量丰富，有15层～50层，约占细胞壁干重的50%～80%。此外，尚有大量特殊组份磷壁酸（图7-5）。磷壁酸是由核糖醇或甘油残基经磷酸二酯键互相连接而成的多聚物，其结构中少数基团被氨基酸或糖所取代，多个磷壁酸分子组成长链穿插于肽聚糖层中。按其结合部位不同，分为壁磷壁酸和膜磷壁酸两种。前者和细胞壁中肽聚糖的N-乙酰胞壁酸连结，膜磷壁酸又称脂磷壁酸, 和细胞膜外层上的糖脂共价结合，两者另一端均伸出细胞壁表面呈游离状态。磷壁醛酸与磷壁酸相似，仅其结构中以糖醛酸代替磷酸。磷壁酸抗原性很强，是G+ 菌的重要表面抗原；在调节离子通过粘肽层中起作用；也可能与某些酶的活性有关；某些细菌（如A族链球菌）的磷壁酸，能粘附在人类细胞表面，其作用类似菌毛，可能与致病性有关。
图7-5 G+ 菌细胞壁结构模式图
3）G－菌细胞壁特殊组份 G－菌细胞壁较薄(10 nm～15nm) ，但结构较复杂。除含有l层～2层的肽聚糖结构外，尚有其特殊组分外膜，约占细胞壁干重的80%。外膜由脂蛋白、脂质双层和脂多糖三部分组成（图7-6）。
| 图7-6 G－ 菌细胞壁结构模式图 |
A.脂蛋白 位于肽聚糖层和脂质双层之间，其蛋白质部分与肽聚糖侧链的二氨基庚二酸相连，其脂质成分与脂质双层非共价结合，使外膜和肽聚糖层构成一个整体。
B.脂质双层 结构类似细胞膜，为液态的脂质双层，中间镶嵌有特殊蛋白质，称为外膜蛋白。外膜蛋白与细菌细胞内外物质交换，还有通透性屏障作用，有的还是噬菌体、细菌素和性菌毛的受体。
C.脂多糖 为G－细菌内毒素。由脂质双层向细胞外伸出，包括类脂A、核心多糖、特异性多糖三个组成部分。类脂A为一种糖磷脂，其上结合有各种长链脂肪酸和磷酸基团。不同种属细菌的类脂A骨架基本一致，其主要差别是脂肪酸的种类和磷酸基团的取代不尽相同，其中β-羟基豆蔻酸是肠道菌所共有的。类脂A是脂多糖的毒性部分及主要成份,为G－菌的致病物质。无种属特异性，各种G－菌内毒素引起的毒性作用都大致相同。核心多糖位于类脂A的外层，具有属特异性。特异性多糖在脂多糖的最外层，是由数个至数十个低聚糖（3～5单糖）重复单位所构成的多糖链。G－菌的菌体抗原（O抗原）就是特异多糖，具有种特异性，因其多糖中单糖的种类、位置、排列和空间构型各不相同所致。特异多糖的缺失，细菌从光滑 (smooth，S) 型变为粗糙(rough，R) 型。
4)细胞壁的功能与意义 G+菌和G－菌的细胞壁结构显著不同，导致这两类细菌在染色性、抗原性、毒性、对某些药物的敏感性等方面的很大差异。细菌细胞壁坚韧而富有弹性，其主要功能是维持细菌固有的外形；保护细菌抵抗低渗环境，使细菌在低渗的环境下细胞不易破裂；由于细胞壁的保护作用，使细菌能承受内部5～25个大气压的渗透压；细胞壁上有许多小孔，参与菌体内外的物质交换；菌体表面带有多种抗原表位，可以诱发机体的免疫应答。
G+菌的磷壁酸是重要表面抗原，与血清型分类有关。它带有较多的负电荷，能与Mg2+等双价离子结合，有助于维持菌体内离子的平衡；磷壁酸还可起到稳定和加强细胞壁的作用。
G－菌的外膜是一种有效的屏障结构，能使细菌不易受到机体的体液杀菌物质、肠道的胆盐及消化酶等的作用；还可阻止某些抗生素的进入，成为细菌耐药的机制之一。LPS (内毒素) 是革兰阴性菌重要的致病物质，使机体发热，白细胞增多，直至休克死亡。另一方面LPS也可增强机体非特异性抵抗力，并有抗肿瘤等作用。
(2)细胞膜 细胞膜位于细胞壁内侧，包绕在细菌胞浆外的具有弹性的半渗透性脂质双层生物膜。主要由磷脂及蛋白质构成，膜不含胆固醇是与真核细胞膜的区别点。细菌细胞膜可形成一种特有的结构，称为中介体，是部分细胞膜内陷、折叠、卷曲形成的囊状物，用电子显微镜可观察到。中介体与细胞的分裂、呼吸、胞壁合成和芽胞形成有关。中介体多见于G+菌。
细胞膜有选择性通透作用，与细胞壁共同完成菌体内外的物质交换；膜上有多种呼吸酶，参与细胞的呼吸过程；膜上有多种合成酶，参与生物合成过程。
(3)细胞质 细胞质是细胞膜所包绕的无色透明胶状物，基本成份是水、蛋白质、脂类、核酸及少量无机盐。细胞质是细胞新陈代谢的主要场所。细胞质中还存在一些胞浆颗粒。
1)核糖体 其化学组成70%为RNA，30%为蛋白质。核糖体为合成蛋白质的场所。细菌的70S核糖体由50S和30S两个亚基组成。链霉素能与细菌核糖体的30S亚基结合，红霉素能与50S亚基结合，从而干扰细菌蛋白质的合成而导致细菌的死亡；真核细胞的核糖体为80S，因此对人体细胞则无影响。
2)质粒 是染色体外的遗传物质，存在于细胞质中。为闭合环状的双链DNA，带有遗传信息，控制细菌某些特定的遗传性状。质粒能进行独立复制，随细菌分裂转移到子代细胞中，失去质粒的细菌仍能正常存活。质粒除决定该菌自身的某些性状外，还可通过接合或转导作用等将有关性状传递给另一细菌。质粒编码的细菌性状有菌毛、细菌素、毒素和耐药性的产生等。
3)胞浆颗粒 大多数为营养贮藏物，较为常见的是贮藏高能磷酸盐的异染颗粒，嗜碱性较强，用特殊染色法可以看得更清晰。根据异染颗粒的形态及位置，可以鉴别细菌。
4)核质 是细菌的染色体，决定细菌的遗传特征。它与真核细胞的细胞核不同点在于四周无核膜，故不成形，也无组蛋白包绕，是裸露的DNA，故又称为拟核(nucleoid)。
2.特殊结构
细菌的特殊结构包括荚膜、鞭毛、菌毛和芽胞。
(1)荚膜 许多细菌胞壁外围绕一层较厚的粘性、胶冻样物质，成分多为多糖，称为荚膜。荚膜对一般碱性染料亲和力低，不易着色，普通染色只能见到菌体周围有未着色的透明圈。如用墨汁作负染色，则荚膜显现更为清楚。用特殊染色法可将荚膜染成与菌体不同的颜色（图7-7）。光镜下表现为菌体外与四周有明显界限的无色透明圈。
荚膜的形成需要能量，与环境条件有密切关系。一般在动物体内或含有血清或糖的 培养基中容易形成荚膜，在普通培养基上或连续传代则易消失。荚膜并非细菌生存所必需，如荚膜丢失，细菌仍可存活，但在固体培养基上菌落类型由光滑型（S型）变为粗糙型（R）。
荚膜除对鉴别细菌有帮助外，还能保护细菌免遭吞噬细胞的吞噬和消化作用，因而与细菌的毒力有关。荚膜能贮留水分使细菌能抗干燥，并对其他因子（如溶菌酶、补体、抗体、抗菌药物等）的侵害有一定抵抗力。
图7-7 细菌的荚膜
(2)鞭毛 在很多细菌菌体上附有细长而弯曲的丝状物，称为鞭毛。化学成分为蛋白质。鞭毛的长度常超过菌体若干倍，但直径很纤细，需用电子显微镜观察。经特殊染色后在普通光学显微镜下可看到。不同细菌的鞭毛数目、位置和排列不同，可分为单毛菌、双毛菌、丛毛菌、周毛菌。（图7-8）
鞭毛是细菌的运动器官，鞭毛的数量、分布可用以鉴别细菌。鞭毛抗原有很强的抗原性，对某些细菌的鉴定、分型及分类具有重要意义。
图7-8 细菌的鞭毛类型
(3)菌毛 许多G－菌和少数G＋菌体表面遍布的比鞭毛更为细、短、直、硬、多的丝状附属物，称为菌毛。其化学组成是菌毛蛋白。菌毛与运动无关，在光镜下看不见，使用电镜才能观察到。（图7-9）
菌毛可分为普通菌毛和性菌毛两种。普通菌毛数量多，遍布菌体表面，具有粘着细胞（红细胞、上皮细胞）和定居各种细胞表面的能力，它与某些细菌的的致病性有关。性菌毛仅见于少数G－菌，数量少，一个细菌只有1～4根。性菌毛比普通菌毛长而粗，中空呈管状，能在细菌之间传递DNA，细菌的毒性及耐药性即可通过这种方式传递，这是某些细菌容易产生耐药性的原因之一。
| 图7-9 细菌的鞭毛和菌毛，普通变形杆菌的电镜图，见长的鞭毛和短的菌毛 |
(4)芽胞 某些细菌在一定条件下，胞质脱水浓缩，在菌体内形成一个折光性很强的不易着色小体，称为芽胞。以别于真菌在菌体外部形成的孢子。产生芽胞的细菌都是G+菌，重要的有芽胞杆菌属(炭疽芽胞杆菌等)和梭菌属(破伤风梭菌等)。经特殊染色后，在普通光学显微镜下可观察到。
芽胞的形成受环境影响。当营养缺乏，特别是碳源、氮源或磷酸盐缺乏时，容易形成芽胞。一般认为，芽胞是细菌的休眠状态，带有完整的核质、酶系统和合成菌体组分的结构，能保存细菌全部生命活动的物质，不直接引起疾病。当环境适宜时，芽胞又能发育成细菌的繁殖体。一个细菌只形成一个芽胞，一个芽胞发芽也只生成一个菌体，细菌数量并末增加，因而芽胞不是细菌的繁殖方式。与芽胞相比，未形成芽胞而具有繁殖能力的菌体可称为繁殖体。芽胞的大小、形状和在菌体内的位置有菌种特异性，对鉴别细菌有重要意义（图7-10）。
芽胞具有多层厚而致密的膜结构（图7-11），通透性低，含水量少（约40%），且核心和皮质层含有大量吡啶二羧酸，对热、干燥、辐射及消毒剂有很强的抵抗力。一般细菌繁殖体在80℃水中迅速死亡，而有的细菌芽胞可耐100℃沸水数小时。被炭疽芽胞杆菌芽胞污染的草原，传染性可保持20年～30年。用一般的方法不易将其杀死。杀灭芽胞最可靠的方法是高压蒸汽灭菌。当进行消毒灭菌时往往以芽胞是否被杀死作为判断灭菌效果的指标。
图7-10 细菌芽胞的形态、大小和位置
图7-11 细菌芽胞的结构模式图
（三）细菌形态学检查法
1．不染色标本检查法
细菌标本不经染色，直接滴于载玻片上置显微镜下观察，可观察到细菌的形态轮廓和运动情况。
2．染色标本检查法
细菌标本经涂片制作后，用碱性染料使菌体着色，便于观察菌体形态，有时还能观察到菌体内部结构特征。细菌染色法多种，常用有革兰染色法和抗酸染色法。
二、细菌的生长繁殖
（一）细菌生长繁殖的条件
1.充足的营养
细菌的营养物质有两方面作用：①用于组成细菌细胞的各种成分；②供给细菌新陈代谢中所需能量。细菌的营养物质包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等，但各类细菌对营养物质的要求差别很大。
2. 适宜的温度
各类细菌对温度的要求不同，可分为嗜冷菌, 最适生长温度为（10℃～20℃）；嗜温菌, 20℃～40℃; 嗜热菌, 在高至56℃～60℃生长最好。病原菌均为嗜温菌，最适温度为人体的体温，即37℃，故实验室一般采用37℃培养细菌。当细菌突然暴露于高出适宜生长温度的环境时，可暂时合成热休克蛋白(heat-shock proteins)。这种蛋白对热有抵抗性，并可稳定菌体内热敏感的蛋白质。
3.合适的酸碱度
多数病原菌最适pH为7.2～7.6，在宿主体内极易生存；个别细菌如霍乱弧菌在pH8.4～9.2生长最好，结核分枝杆菌生长的最适pH为6.5～6.8。细菌依靠细胞膜上的质子转运系统调节菌体内的pH，使其保持稳定。
4.必要的气体环境
主要是对氧和CO2的要求。有些细菌仅能在有氧条件下生长，称为专性需氧菌，如结核杆菌；有的只能在无氧环境下生长，称为专性厌氧菌，如破伤风杆菌；而大多数病原菌在有氧及无氧的条件下均能生存，称为兼性厌氧菌。一般细菌代谢中都需CO2，但大多数细菌自身代谢所产生的CO2即可满足需要。有些细菌，如脑膜炎双球菌在初次分离时需要较高浓度的CO2（5%～10%），否则生长很差甚至不能生长。
（二）细菌生长繁殖的方式与速度
细菌一般以简单的二分裂法进行无性繁殖,即1个分裂成2个，2个分裂成4个，依次类推。繁殖一代所需时间叫代时。在适宜条件下，多数细菌繁殖速度极快，代时约20分钟～30分钟，少数细菌代时较长，如结核杆菌的代时约为18小时。若以20分钟分裂1次计算，经过10小时，1个细菌将繁殖成10亿个以上。实际上，由于细菌繁殖中营养物质的消耗，毒性产物的积聚及环境pH的改变，经过一定时间后，细菌活跃增殖的速度逐渐减慢，死亡细菌逐增、活菌率逐减。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)。根据生长曲线，细菌的群体生长繁殖可分为四期：迟缓期、对数期、稳定期、衰亡期。
细菌生长曲线只有在体外人工培养的条件下才能观察到。细菌的生长曲线在研究工作和生产实践中都有指导意义。掌握细菌生长规律，可以人为地改变培养条件，调整细菌的生长繁殖阶段，更为有效地利用对人类有益的细菌。例如在培养过程中，不断地更新培养液和对需氧菌进行通气，使细菌长时间地处于生长旺盛的对数期，这种培养称为连续培养。
三、细菌的代谢产物
（一）分解代谢产物
各种细菌所具有的酶系统不同，对物质的分解利用和代谢途径不一样。如大肠杆菌能分解乳糖葡萄糖，产酸产气，而伤寒杆菌则不能分解乳糖，分解葡萄糖只产酸不产气；变形杆菌能分解尿素而使培养基变碱；乙型伤寒杆菌能能分解含硫的氨基酸（胱氨酸）。通过细菌对糖、蛋白质等营养物质的分解代谢产物的不同，可鉴别不同细菌。
（二）合成代谢产物
细菌通过新陈代谢除合成菌体成分外，还能合成很多在医学上具有重要意义的物质。
1）热原质 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。产生热原质的细菌大多是革兰阴性菌，热原质即其细胞壁脂多糖。
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。药液、水等被细菌污染后，即使高压灭菌或经滤过除菌仍可有热原质存在，输注机体后可引起严重发热反应。用吸附剂和特殊石棉滤板可除去液体中大部分热原质，蒸馏法效果最好。因此，在制备和使用注射药品过程中应严格遵守无菌操作，防止细菌污染。
2）毒素与酶 细菌可产生内、外毒素及侵袭性酶，与细菌的致病性密切相关。
3）色素 有些细菌能产生色素，对细菌的鉴别有一定意义。如绿脓杆菌产生的绿脓色素使培养基或脓汁呈绿色。
4）抗生素 某些微生物代谢过程中可产生一种能抑制或杀死某些其他微生物或癌细胞的物质，称抗生素。抗生素大多由放线菌和真菌产生，细菌产生抗生素种类少，仅多粘菌素、杆菌肽等。
5）维生素 人类肠道中的某些细菌，如大肠杆菌，可合成维生素B族和维生素K，可供人体利用。
6）细菌素 某些细菌能产生一种仅作用于有近缘关系的细菌的抗菌物质，称细菌素。如大肠菌素。细菌素具有种型特异性，可用于细菌分型和流行病学调查。
四、细菌的遗传与变异
细菌和其他微生物一样,具有遗传性和变异性。在一定的条件下，细菌性状在亲代与子代间表现为相同，为遗传性。细菌为单细胞微生物，很容易发生亲代与子代间的性状差异，为变异性。常见的细菌变异现象有：
（一）形态结构变异 细菌的大小和形态可受菌龄和各种理化因素的影响，有时细菌可失去荚膜，芽胞或鞭毛。在临床实践中，应注意细菌的非典型形态结构，以免误判。
（二）毒力变异 细菌的毒力变异可表现为毒力增强或减弱。如Calmette和Guerin二人将有毒的结核杆菌在含有胆汁、甘油、马铃薯的培养基上连续传代，经13年230代获得了减毒但保持免疫原性的菌株，用于制备预防结核病的卡介苗(BCG)。
（三）耐药性变异 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称耐药性变异。从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势。金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%以上。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (methicillin resistant Staphylococcus，MRSA)逐年上升，我国于1980年前仅为5%，1985年上升至24%，1992年以后达70%。耐青霉素的肺炎链球菌也达50%以上，1998年首次报道粪肠球菌耐万古霉素。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性 (multiple resistance )，甚至还有的细菌变异后产生对药物的依赖性，如痢疾志贺菌赖链霉素株，离开链霉素则不能生长。细菌的耐药性变异给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。
五、细菌的致病性和机体抗菌免疫
（一）细菌的致病性
细菌在人体内寄生、繁殖并引起疾病的特性称为细菌的致病性。病原菌的致病作用与其毒力、侵入机体的数量、侵入途径及机体的免疫状态密切相关。
1．细菌的毒力
细菌毒力指细菌致病能力的强弱程度，构成的主要因素是侵袭力和毒素。
（1）侵袭力 侵袭力是指细菌突破机体的防御机能，在体内定居、繁殖及扩散、蔓延的能力。构成侵袭力的主要物质有细菌表面结构物质和细菌的侵袭性酶。
1）细菌表面结构物质 细菌的荚膜具有抵抗吞噬及体液中杀菌物质的作用；革兰阴性菌的菌毛，革兰氏阳性菌的膜磷壁酸具有黏附作用，在细菌感染中起重要作用。
2）细菌侵袭性酶 细菌所产生的具有侵袭作用的酶类。常见的有:大多数金黄色葡萄球菌能产生血浆凝固酶，能导致人或兔血浆的凝固，保护病原菌不被吞噬或免受抗体等的作用；化脓性链球菌具有透明质酸酶，可溶解机体结缔组织中的透明质酸，使结缔组织疏松，通透性增加，利于细菌在组织中扩散，易造成全身性感染；A族链球菌产生的脱氧核糖核酸酶，能分解脓液中的DNA，因此，该菌感染的脓液稀薄而不粘稠。
（2）毒素 细菌毒素可分为外毒素和内毒素两大类。
1）外毒素 为细菌在生长过程产生，并可从菌体扩散到环境中。
外毒素毒性强，小剂量即能使易感机体致死。如纯化的肉毒杆菌外毒素毒性最强，1mg可杀死2 000万只小白鼠。
大多数外毒素是在菌细胞内合成后分泌至细胞外；也有存在于菌体内，待菌溶溃后才释放出来的，痢疾志贺菌和肠产毒型大肠埃希菌的外毒素属此。产生外毒素的细菌主要是某些革兰阳性菌，也有少数是革兰阴性菌，如志贺氏痢疾杆菌的神经毒素、霍乱弧菌的肠毒素等。外毒素具亲组织性，选择性地作用于某些组织和器官，引起特殊病变。例如破伤风杆菌、肉毒杆菌及白喉杆菌所产生的外毒素，虽对神经系统都有作用，但作用部位不同，临床症状亦不相同。
外毒素的化学成分为蛋白质，性质不稳定，易被热、酸和消化酶破坏。大多外毒素是蛋白质，具有良好的抗原性。在0.3%～0.4%甲醛液作用下，经一定时间，可以脱去毒性，但仍保有免疫原性，是为类毒素 (toxoid)。类毒素注入机体后，可刺激机体产生具有中和外毒素作用的抗毒素抗体。类毒素和抗毒素在防治一些传染病中有实际意义，前者主要用于人工主动免疫，后者常用于治疗和紧急预防。
2）内毒素: 内毒素存在于菌体内，是菌体细胞壁的外层结构成份，化学成份主要为脂多糖。细菌在生活状态时内毒素不释放出来，只有当菌体自溶或用人工方法使细菌裂解后才释放。内毒素是大多数革兰阴性菌的主要毒力因子。螺旋体、衣原体、支原体、立克次体亦有类似的LPS，有内毒素活性。
内毒素耐热，必须加热160℃，经2小时～4小时或用强碱、强酸或强氧化剂煮沸30分钟才能灭活。内毒素抗原性弱，不能用甲醛脱毒制成类毒素。内毒素注射机体可产生相应抗体，但中和作用较弱。毒性作用相对弱，且对组织细胞无选择性，不同革兰阴性细菌的内毒素的致病作用大致相同，主要表现为发热反应、白细胞反应、弥漫性血管内凝血和内毒素血症与休克等。
外毒素与内毒素的比较见表7-1。
表7-1 外毒素与内毒素的主要区别
| 区别要点 | 外 毒 素 | 内 毒 素 | ||
| 来 源 | 革兰阳性菌多见 | 革兰阴性菌 | ||
| 存在部位 | 由活菌释放至菌体外 | 为细胞壁组分，菌体裂解后释出 | ||
| 化学组成 | 蛋白质 | 脂多糖 | ||
| 稳定性 | 不稳定，60℃以上能迅速破坏 | 耐热，160℃，2小时～4小时才被破坏 | ||
| 毒性作用 | 强，各种外毒素有组织器官选择性毒害作用，引起特殊病变， | 弱，各种细菌内毒素的毒性作用大致相同。 | ||
| 抗原性 | 强，可刺激机体产生高效价的抗毒素。经甲醛处理可脱毒成为类毒素。 | 弱，不形成抗毒素，不能经甲醛处理成为类毒素 |
2．细菌侵入的数量和适当的侵入部位
感染的发生，除致病菌必须具有一定的毒力物质外，还需有足够的数量。菌量的多少，一方面与致病菌毒力强弱有关，另一方面取决于宿主免疫力的高低。因机体绝不是像装有培养基的器皿，可以允许致病菌任意繁殖。一般是细菌毒力愈强，引起感染所需的菌量愈小；反之则菌量需大。例如毒力强大的鼠疫耶氏菌，在无特异性免疫力的机体中，有数个菌侵入就可发生感染；而毒力弱的某些引起食物中毒的沙门菌，常需摄入数亿个菌才引起急性胃肠炎。
病原菌的侵入部位也与感染发生有密切关系。如痢疾杆菌必须经口侵入，定居于结肠内，才能引起疾病。而破伤风杆菌，只有经伤口侵入才引发疾病，若随食物吃下则不能引起感染。
（二）细菌感染的方式和类型
细菌感染是指细菌侵入机体后与宿主防御功能相互作用引起不同程度的病理过程。细菌来源于机体外的传染源，如患者、带菌者或动物，称为外源性感染。外源性感染常见传播途径有呼吸道感染、消化道感染、直接接触、创伤感染和节肢动物媒介感染。机体自身体内的微生物在一定条件下引起的感染称为内源性感染。
细菌感染类型多种，后果不同。包括：
1．隐性感染 当宿主体的抗感染免疫力较强，或侵入的病菌数量不多、毒力较弱，感染后对机体损害较轻，不出现或出现不明显的临床症状，是为隐性感染，或称亚临床感染。隐性感染后，机体常可获得足够的特异免疫力，能抗御相同致病菌的再次感染。在每次传染病流行中，隐性感染者一般约占人群的90%或更多。结核、白喉、伤寒等常有隐性感染。机体通常获得特异性免疫力。
2．显性感染 机体抗感染免疫力较弱或侵入的细菌毒力较强、数量较多，引起严重的病理损害，出现明显的临床症状称为显性感染。
显性感染根据病情缓急可分为：
（1）急性感染 发病急，病程较短，只有数日至数周，如霍乱、伤寒病。
（2）慢性感染 发病慢，病程较长，常持续数月至数年，如结核、麻风病。
显性感染根据感染部位及性质可分为：
（1）局部感染 病原体局限于机体某一部位，引起局部病变，如化脓性球菌引起的疖。
（2）全身感染 病原菌或其毒性代谢产物向全身扩散，引起全身症状。临床上有以下几种类型：
1）菌血症 病原菌进入血流，但不在其中繁殖，无明显中毒症状，如伤寒早期的菌血症。
2）败血症 病原菌进入血流并在其中大量繁殖，产生毒素，引起明显全身中毒症状，如炭疽杆菌引起的败血症。
3）毒血症 病原体局限于机体某一部位繁殖，但释放的毒素进入血流，引起全身特殊的中毒症状，如白喉、破伤风。
4）脓毒血症 化脓性球菌在引起败血症的同时，通过血液扩散至身体其他组织和器官，引起新的多发性化脓性病灶，如金黄色葡萄球菌所致的脓毒血症，常导致肝脓肿、肾脓肿。
3.带菌状态 感染后病原菌未被及时清除，而在体内持续存在一定时间，并经常或间歇向体外排菌，称为带菌状态。处于带菌状态的人称为带菌者。带菌者是重要传染源。
（三）抗细菌感染的免疫
机体抗细菌感染的免疫是由机体的非特异性免疫和特异性免疫共同协调来完成的。先天具有的非特异性免疫包括机体的屏障结构、吞噬细胞的吞噬功能和正常组织及体液中的抗菌物质；后天获得的特异性免疫包括以抗体作用为中心的体液免疫和致敏淋巴细胞及其产生的淋巴因子为中心的细胞免疫。致病菌侵入人体后，首先遇到的是天然免疫功能的抵御。一般经7d～10d后，产生了获得性免疫；然后两者配合，共同杀灭致病菌。
1．非特异性抗菌免疫
（1）机体的屏障结构 健康和完整的皮肤与粘膜能通过机械清除作用，如呼吸道粘膜表面的粘液和纤毛运动、分泌杀菌物质，如汗腺分泌乳酸、胃液中的胃酸等、以及人的体表和与外界相通的腔道中存在的正常菌群对病原微生物的拮抗作用阻止细菌的侵入。血脑屏障可阻止病原微生物及其毒性产物进入脑组织或脑脊液，从而保护中枢神经系统。胎盘屏障使病原菌不易进入胎儿体内，保证胎儿正常发育。
（2）吞噬作用 机体吞噬细胞分为两类，一类是以血液中中性粒细胞为主的小吞噬细胞，另一类是大吞噬细胞，包括血液中的单核细胞和组织器官中的巨噬细胞。体内吞噬细胞与病原菌直接相遇，或通过趋化因子诱导吞噬细胞向感染部位移行和集中并与细菌相遇后，将病原菌吞入胞内，形成吞噬小体或吞饮小泡，然后在细胞内蛋白水解酶、溶菌酶、过氧化酶等多种酶类作用下，将细菌或其他异物消化、分解。
致病菌被吞噬细胞吞噬后，其后果随细菌种类、毒力和人体免疫力不同而异。化脓性球菌被吞噬后，一般在5min～10min死亡，30min～60min被破坏，此为完全吞噬。结核分枝杆菌、布鲁菌、伤寒沙门菌、军团菌等胞内寄生菌，在免疫力缺乏或低下的机体中，虽被吞噬却未被杀死，是为不完全吞噬。不完全吞噬可使这些致病菌在吞噬细胞内得到保护，免受机体体液中非特异抗菌物质、特异抗体或抗菌药物等的作用。有的致病菌甚至能在吞噬细胞内生长繁殖，导致吞噬细胞死亡，或随游走的带菌吞噬细胞经淋巴液或血液扩散到人体其他部位。造成广泛病变。此外，吞噬细胞在吞噬过程中，溶酶体释放出的多种水解酶也能破坏邻近的正常组织细胞，造成组织的免疫病理性损伤。
（3）体液中的抗菌物质 正常体液如血液、淋巴液中，含有多种抗菌物质，主要包括补体、溶菌酶、乙型溶素等，能溶解、杀灭病原微生物。
2．特异性抗菌免疫
（1）机体抗毒素免疫 许多以外毒素致病的病原菌造成的感染，如白喉、破伤风、气性坏疽及内毒中毒等，机体的免疫应答，主要表现为抗毒素（IgG）中和毒素的作用。但抗毒素不能对已与组织结合的毒素起中和作用。
（2）机体的抗菌性免疫 有些抗体与细菌结合后，能抑制细菌的重要酶系统或代谢途径，而抑制细菌繁殖。粘膜表面的SIgA抗体可阻断细菌对粘膜细胞的吸附。另外，抗体的调理作用可以促进吞噬细胞对细菌的吞噬作用。对如结核杆菌、麻风杆菌、布氏杆菌等侵入人体后主要在宿主细胞内并繁殖的胞内寄生菌感染的防御功能主要靠细胞免疫。在感染过程中，机体在病原菌的刺激下逐渐形成细胞免疫，特异性T细胞（CTL）识别细菌感染的靶细胞直接杀伤靶细胞。活化的Th1细胞释放的各种淋巴因子，激活吞噬细胞，可大增强其吞噬消化能力，抑制病原菌在吞噬细胞内生存，从而获得防御同种病菌再感染的免疫力。
