二、细菌的生长繁殖
(一)细菌的营养
各种原核微生物生长繁殖的过程中,都需要一定的营养物质。如在对细菌进行人工培养时,一般需要供给其生长所需要的水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等营养成分。
1.水:水是细菌细胞所必需的成分。细菌所需要的其他营养物质必须先溶于水才能被吸收利用,代谢产物也必须溶于水才能被排除。细菌的新陈代谢及许多生化反应必须有水参与才能进行。水的比热大,又是热的良导体,具有调节菌体温度的作用。
2.碳源:各种碳的无机物或有机物都能够被细菌吸收利用,作为合成菌体成分和获得能量的主要来源。病原菌主要从糖类获得碳源。
3.氮源:细菌对氮源的需求量仅次于碳源,其主要功能是作为合成菌体成分的原料。许多细菌能够利用有机氮化物,多数病原性微生物主要从氨基酸、蛋白胨等有机氮化物中获得氮源。少数病原菌如克雷伯菌也可利用硝酸盐甚至氮气,不过利用率很低。
4.无机盐:细菌生长繁殖需要各种无机盐提供各种元素,其中以磷、硫需要量最大。无机盐具有多种功能:①参与构成菌体成分,如磷用于合成菌体结构成分、硫用来构成含硫氨基酸中的巯基;②维持酶的活性,如锌、锰、铜、钴、钼等与某些细菌的酶活性有关、钙、镁等可作为某些酶的辅基;③参与能量的储存与转运,如磷可形成高能磷酸键;④参与调节菌体内外的渗透压、电位,如钾、钠、镁、钙、氯等可以调节细胞内外渗透压;⑤参与细菌的生长繁殖;⑥与细菌的致病作用有关,如铁离子与细菌的致病作用密切相关。
5.生长因子:许多细菌生长还需要一些自身不能够合成的生长因子(growth factor),一般为有机化合物,包括维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等。维生素以B族维生素为主,多为辅酶或辅基的成分,与物质代谢有关。氨基酸多为细菌自身难以合成的芳香族氨基酸。少数细菌还需要某些特殊的生长因子,如流感杆菌需要X、V两种因子,它们为细菌呼吸所必需。
(二)细菌生长繁殖的条件
细菌的生长繁殖,除需要充足的营养物质外,还要有适宜的环境条件,如酸碱度、渗透压、温度和必要的气体等。
1.营养物质:如细菌生长繁殖所需要的水、碳源、氮源、无机盐及必要的生长因子等。
2.酸碱度:各种原核微生物都有生长繁殖的最适酸碱度(pH值)。绝大多数细菌最适pH值为7.2~7.6,个别细菌需要在偏酸或偏碱的条件下生长,如乳酸杆菌在pH值5.5的环境中生长最好,霍乱弧菌的最适pH为8.4~9.2。支原体一般在pH7.0~8.0间生长,低于7.0则死亡。
3.温度:各种原核微生物对温度的需求不同。例如,根据细菌对温度的要求不同,可将细菌分为嗜热菌、嗜温菌和嗜冷菌。大多数病原菌为嗜温菌,在15℃~40℃范围内均能生长,最适生长温度为37℃。嗜热菌的生长范围为25℃~95℃。嗜冷菌的生长范围为-5℃~30℃。
4.气体:主要是氧气和二氧化碳。各种原核微生物对氧气和二氧化碳的需求不尽相同。以细菌为例,一般细菌在代谢过程中产生的二氧化碳即可满足需要,所以无需专门补充。由于细菌生物氧化的方式不同,对氧气的需要也各不相同,据此可将细菌分为:①专性需氧菌(obligate aeyobe),此类细菌具有完善的呼吸酶系统,需要分子氧作为受氢体,在无游离氧的环境下不能生长,如结核杆菌、霍乱弧菌等。此外,空肠弯曲菌、幽门螺杆菌等在低氧压(5%~6%)下生长最好,氧压增高(大于10%)对其有抑制作用,称为微需氧菌(microaerophilic bacteria);②专性厌氧菌(obligate anaerobe),此类细菌缺乏完善的呼吸酶系统,只能进行厌氧发酵。在游离氧存在时,细菌将受其毒害,甚至死亡。如破伤风梭菌、肉毒梭菌和多数正常菌群等;③兼性厌氧菌(facultaive anaerobe),这类细菌兼有需氧呼吸和发酵两种酶系统,在有氧或无氧的环境中都能生长繁殖,但以有氧时生长更好。大多数病原菌属于此类。
某些原核微生物生长繁殖的条件比较特殊,如衣原体、绝大多数立克次体必须在活细胞内生长繁殖。
(三)细菌的繁殖与生长曲线
原核微生物一般以简单的二分裂(binary fission)方式进行无性繁殖。
各种原核微生物繁殖的速度不同。如多数细菌约20~30分钟分裂一次,立克次体繁殖一代需要6~10小时。但事实上由于生长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,细菌繁殖速度趋于停滞。
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,可以发现其生长过程具有规律性。以培养时间为横坐标,培养物中活菌的对数为纵坐标,可绘制出一条生长曲线(growth curve)(图1-3-1)。
根据生长曲线,细菌的群体生长繁殖可分为四期:
(1)迟缓期(lag phase):是细菌进入新环境后短暂的适应阶段。此期内菌体增大,代谢活跃,为细菌的分裂繁殖合成并积累充足的酶、辅酶和中间代谢产物,但很少分裂,细菌数量不增加。细菌的迟缓期根据菌种、接种菌的菌龄和菌量以及营养物质等不同而异,一般为1小时~4小时。
(2)对数期(logarithmic phase):又称指数期(exponential phase)。此期细菌生长迅速,细菌以恒定的速率分裂繁殖,活菌数以几何级数增加。对数期中细菌的形态、染色性、生理活性等都很典型,对外界环境因素的作用敏感。因此,研究细菌的生物学性状(形态染色、生化反应等)及药物敏感试验等应选用此期。一般细菌对数期在培养后8小时~18小时。
(3)稳定期(stationary phase):由于培养基中营养物质不断消耗,有害代谢产物积聚,故细菌繁殖数量不断减少,死亡数逐渐增加,繁殖数与死亡数趋于平衡,活菌数保持相对稳定。此期细菌的形态、染色性和生理性状常有改变,一些细菌的芽孢、外毒素和抗生素等代谢产物大多数在稳定期产生。
(4)衰亡期(decline phase):此期活菌数越来越少,死亡数越来越多,并超过活菌数。细菌发生变形、肿胀、自溶等衰退表现,生理代谢活动也趋于停滞。因此,陈旧培养的细菌不易鉴定。