細(xì)菌的生理活動(dòng)包括攝取和合成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行新陳代謝及生長(zhǎng)繁殖。整個(gè)生理活動(dòng)的中心是新陳代謝，細(xì)菌的代謝活動(dòng)十分活躍而且多樣化，乃至繁殖迅速是其顯著的特點(diǎn)。研究細(xì)菌的生理活動(dòng)不僅是基礎(chǔ)生物學(xué)科的范疇，而且與醫(yī)學(xué)、環(huán)境衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等都密切相關(guān)。諸如對(duì)于人體的正常菌群，特別是益生菌（probiotic)，如何促進(jìn)其生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)生有益的代謝產(chǎn)物。對(duì)于致病菌，了解其代謝與致病的關(guān)系，設(shè)計(jì)和尋找有關(guān)診斷和防治的方法。利用細(xì)菌的代謝來(lái)凈化環(huán)境，開(kāi)發(fā)極端環(huán)境的微生物資源等都具有重要的理論和實(shí)際意義。
第一節(jié) 細(xì)菌的理化性狀
一、細(xì)菌的化學(xué)組成
細(xì)菌和其他生物細(xì)胞相似，含有多種化學(xué)成分，包括水、無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)和核酸等。水分是菌細(xì)胞重要的組成部分，占細(xì)胞總重量的75%~90%。菌細(xì)胞去除水分后，主要為有機(jī)物，包括碳、氫、氮、氧、磷和硫等。還有少數(shù)的無(wú)機(jī)離子，如鉀、鈉、鐵、鎂、鈣、氯等；用以構(gòu)成菌細(xì)胞的各種成分及維持酶的活性和跨膜化學(xué)梯度。細(xì)菌尚含有一些原核細(xì)胞型微生物所特有的化學(xué)組成，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。這些物質(zhì)在真核細(xì)胞中還未發(fā)現(xiàn)。
二、細(xì)菌的物理性狀
光學(xué)性質(zhì) 細(xì)菌為半透明體。當(dāng)光線照射至細(xì)菌，部分被吸收，部分被折射，故細(xì)菌懸液呈混濁狀態(tài)。菌數(shù)越多濁度越大，使用比濁法或分光光度計(jì)可以粗略地估計(jì)細(xì)菌的數(shù)量。由于細(xì)菌具有這種光學(xué)性質(zhì)，可用相差顯微鏡觀察其形態(tài)和結(jié)構(gòu)。
表面積 細(xì)菌體積微小，相對(duì)表面積大，有利于同外界進(jìn)行物質(zhì)交換。如葡萄球菌直徑約1μm，則1cm3體積的表面積可達(dá)60000cm2；直徑為1cm的生物體，每cm3體積的表面積僅6cm2，兩者相差1萬(wàn)倍。因此細(xì)菌的代謝旺盛，繁殖迅速。
帶電現(xiàn)象 細(xì)菌固體成分的50%-80%是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)由兼性離子氨基酸組成。革蘭陽(yáng)性菌pI為2-3，革蘭陰性菌pI為4-5，故在近中性或弱堿性環(huán)境中，細(xì)菌均帶負(fù)電荷，尤以前者所帶電荷更多。細(xì)菌的帶電現(xiàn)象與細(xì)菌的染色反應(yīng)、凝集反應(yīng)、抑菌和殺菌作用等都有密切關(guān)系。
半透性 細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜都有半透性，允許水及部分小分子物質(zhì)通過(guò)，有利于吸收營(yíng)養(yǎng)和排出代謝產(chǎn)物。
滲透壓 細(xì)菌體內(nèi)含有高濃度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽，一般革蘭陽(yáng)性菌的滲透壓高達(dá)20-25個(gè)大氣壓，革蘭陰性菌為5-6個(gè)大氣壓。細(xì)菌所處一般環(huán)境相對(duì)低滲，但有堅(jiān)韌細(xì)胞壁的保護(hù)不致崩裂。若處于比菌內(nèi)滲透壓更高的環(huán)境中，菌體內(nèi)水分逸出，胞質(zhì)濃縮，細(xì)菌就不能生長(zhǎng)繁殖。
第二節(jié) 細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)繁殖
一、細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)類型
各類細(xì)菌的酶系統(tǒng)不同，代謝活性各異，因而對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要也不同。根據(jù)細(xì)菌所利用的能源和碳源的不同，將細(xì)菌分為兩大營(yíng)養(yǎng)類型。
自養(yǎng)菌（autotroph)該類菌以簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物為原料，如利用CO2、CO32―作為碳源，利用N2、NH3、NO2―、NO3―等作為氮源，合成菌體成分。這類細(xì)菌所需能量來(lái)自無(wú)機(jī)物的氧化稱為化能自養(yǎng)菌（chemotroph)，或通過(guò)光合作用獲得能量稱為光能自養(yǎng)菌（phototroph)。
異養(yǎng)菌（heterotroph)該類菌必須以多種有機(jī)物為原料，如蛋白質(zhì)、糖類等，才能合成菌體成分并獲得能量。異養(yǎng)菌包括腐生菌（saprophyte)和寄生菌（parasite)。腐生菌以動(dòng)植物尸體、腐敗食物等作為營(yíng)養(yǎng)物；寄生菌寄生于活體內(nèi)，從宿主的有機(jī)物獲得營(yíng)養(yǎng)。所有的病原菌都是異養(yǎng)菌，大部分屬寄生菌。
二、細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)
對(duì)細(xì)菌進(jìn)行人工培養(yǎng)時(shí)，必須供給其生長(zhǎng)所必須的各種成分，一般包括水、碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽和生長(zhǎng)因子等。
水 細(xì)菌所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須先溶于水，營(yíng)養(yǎng)的吸收與代謝均需有水才能進(jìn)行。
碳源 各種碳的無(wú)機(jī)或有機(jī)物都能被細(xì)菌吸收和利用，合成菌體組分和作為獲得能量的主要來(lái)源。病原菌主要從糖類獲得碳。
氮源 細(xì)菌對(duì)氮源的需要量?jī)H次于碳源，其主要功能是作為菌體成分的原料。很多細(xì)菌可以利用有機(jī)氮化物，病原性微生物主要從氨基酸、蛋白胨等有機(jī)氮化物中獲得氮。少數(shù)病原菌如克雷伯菌亦可利用硝酸鹽甚至氮?dú)�，但利用率較低。
無(wú)機(jī)鹽 細(xì)菌需要各種無(wú)機(jī)鹽以提供細(xì)菌生長(zhǎng)的各種元素，其需要濃度在10-3～10-4mol/L的元素為常用元素， 其需要濃度在10-6～10-8 mol/L元素為微量元素。前者如磷、硫、鉀、鈉、鎂、鈣、鐵等；后者如鈷、鋅、錳、銅、鉬等。各類無(wú)機(jī)鹽的功用如下：① 構(gòu)成有機(jī)化合物，成為菌體的成分；② 作為酶的組成部分，維持酶的活性；③ 參與能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)；④ 調(diào)節(jié)菌體內(nèi)外的滲透壓；⑤ 某些元素與細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖和致病作用密切相關(guān)。例如白喉棒狀桿菌在含鐵0.14mg/L的培養(yǎng)基中毒素量最高，鐵的濃度達(dá)到0.6mg/L時(shí)則完全不產(chǎn)毒。在人體內(nèi)，大部分鐵均結(jié)合在鐵蛋白、乳鐵蛋白或轉(zhuǎn)鐵蛋白中，細(xì)菌必須與人體細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)得到鐵才能生長(zhǎng)繁殖。 具有載鐵體（siderophore)的細(xì)菌就有此競(jìng)爭(zhēng)力， 它可與鐵螯合和溶解鐵，并帶入菌體內(nèi)以供代謝之需。 如結(jié)核分枝桿菌的有毒株和無(wú)毒株的一個(gè)重要區(qū)別就是前者有一種稱為分枝菌素(mycobactin)的載鐵體，而后者則無(wú)。一些微量元素并非所有細(xì)菌都需要，不同菌只需其中的一種或數(shù)種。
生長(zhǎng)因子 許多細(xì)菌的生長(zhǎng)還需一些自身不能合成的生長(zhǎng)因子(growth factor)，通常為有機(jī)化合物，包括維生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等。少數(shù)細(xì)菌還需特殊的生長(zhǎng)因子，如流感嗜血桿菌需要Х、Ⅴ兩種因子，Ⅹ因子是高鐵血紅素，Ⅴ因子是輔酶Ⅰ或輔酶Ⅱ，兩者為細(xì)菌呼吸所必需。
三、細(xì)菌攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)制
水和水溶性物質(zhì)可以通過(guò)具有半透膜性質(zhì)的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，蛋白質(zhì)、多糖等大分子營(yíng)養(yǎng)物需經(jīng)細(xì)菌分泌的胞外酶的作用分解成小分子物質(zhì)才能被吸收。
營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入菌體內(nèi)的方式有被動(dòng)擴(kuò)散和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。
被動(dòng)擴(kuò)散 被動(dòng)擴(kuò)散指營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從濃度高向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散，其驅(qū)動(dòng)力是濃度梯度，不需要提供能量。將不需要任何細(xì)菌組分的幫助，營(yíng)養(yǎng)物就可以進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的過(guò)程稱為簡(jiǎn)單擴(kuò)散。如果需要菌細(xì)胞的特異性蛋白來(lái)幫助或促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)稱為易化擴(kuò)散。如甘油的轉(zhuǎn)運(yùn)就屬于后者，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的甘油要被甘油激酶催化形成磷酸甘油才能在菌體內(nèi)積累。
主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) 主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是細(xì)菌吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要方式，其特點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從濃度低向濃度高的一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)，并需要提供能量。細(xì)菌有如下三種主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)：
1．依賴于周漿間隙結(jié)合蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（periplasmic-binding protein-dependent transport system):營(yíng)養(yǎng)物與周漿間隙內(nèi)的受體蛋白結(jié)合后，引起后者構(gòu)型的改變，繼而將營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)送給細(xì)胞膜上的ATP結(jié)合型載體(ATP-binding cassette醫(yī)學(xué)全.在線payment-defi.com-type carrier)，導(dǎo)致ATP水解提供能量和營(yíng)養(yǎng)物通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入胞質(zhì)內(nèi)。革蘭陽(yáng)性菌以膜結(jié)合脂蛋白作為該系統(tǒng)的受體蛋白。
2．化學(xué)滲透驅(qū)使轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（chemiosmotic-driven transport system)：該系統(tǒng)利用膜內(nèi)外兩側(cè)質(zhì)子或離子濃度差產(chǎn)生的質(zhì)子動(dòng)力（proton motive force)或鈉動(dòng)力（sodium motive force)作為驅(qū)使?fàn)I養(yǎng)物越膜轉(zhuǎn)移的能量。轉(zhuǎn)運(yùn)營(yíng)養(yǎng)物的載體是電化學(xué)離子梯度透性酶，這種酶是一種能夠進(jìn)行可逆性氧化還原反應(yīng)的疏水性膜蛋白，即在氧化狀態(tài)與營(yíng)養(yǎng)物結(jié)合，而在還原狀態(tài)時(shí)其構(gòu)象發(fā)生變化，使?fàn)I養(yǎng)物釋放進(jìn)入胞質(zhì)內(nèi)。
3．基團(tuán)轉(zhuǎn)移(group translation)：營(yíng)養(yǎng)物在轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中被磷酸化，并將營(yíng)養(yǎng)物的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝相結(jié)合，更為有效地利用能量。如大腸埃希菌攝入葡萄糖需要的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)，細(xì)胞膜上的載體蛋白首先在胞質(zhì)內(nèi)從磷酸烯醇丙酮酸獲得磷酸基團(tuán)后，在細(xì)胞膜的外表面與葡萄糖相結(jié)合，將其送入胞質(zhì)內(nèi)后釋放出6-磷酸葡萄糖。經(jīng)過(guò)磷酸化的葡萄糖在胞內(nèi)累積，不能再逸出菌體。該系統(tǒng)的能量供體是磷酸烯醇丙酮酸。
需要指出的是各種細(xì)菌的轉(zhuǎn)運(yùn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方式不同，即使對(duì)同一種物質(zhì)，不同細(xì)菌的攝取方式也不一樣。
四、影響細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境因素
營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、能量和適宜的環(huán)境是細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的必備條件。
營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以為細(xì)菌的新陳代謝及生長(zhǎng)繁殖提供必要的原料和充足的能量。
氫離子濃度(pH) 每種細(xì)菌都有一個(gè)可生長(zhǎng)的pH范圍, 以及最適生長(zhǎng)pH。大多數(shù)嗜中性細(xì)菌生長(zhǎng)的pH范圍是6.0-8.0，嗜酸性細(xì)菌最適生長(zhǎng) pH可低至3.0，嗜堿性細(xì)菌最適生長(zhǎng)pH可高達(dá)10.5。多數(shù)病原菌最適pH為7.2-7.6，在宿主體內(nèi)極易生存；個(gè)別細(xì)菌如霍亂弧菌在pH8.4~9.2生長(zhǎng)最好，結(jié)核桿菌生長(zhǎng)的最適pH為6.5~6.8。細(xì)菌依靠細(xì)胞膜上的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)菌體內(nèi)的pH，使其保持穩(wěn)定，包括ATP驅(qū)使的質(zhì)子泵，Na+ /H + 和K+/H+ 交換系統(tǒng)．
溫度 各類細(xì)菌對(duì)溫度的要求不一。藉此分為嗜冷菌(psychrophile)，其生長(zhǎng)范圍-5-30℃，最適生長(zhǎng)為10～20℃；嗜溫菌(mesophile)，生長(zhǎng)范圍10～45℃，最適20～40℃；嗜熱菌(thermophile),生長(zhǎng)范圍25～95℃，最適50～60℃。病原菌在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中適應(yīng)人體環(huán)境，均為嗜溫菌，最適生長(zhǎng)溫度為人的體溫，即37℃。當(dāng)細(xì)菌突然暴露于高出適宜生長(zhǎng)溫度的環(huán)境時(shí)，可暫時(shí)合成熱休克蛋白(heat-shock proteins)。這種蛋白對(duì)熱有抵抗性，并可穩(wěn)定菌體內(nèi)熱敏感的蛋白質(zhì)。
氣體 根據(jù)細(xì)菌代謝時(shí)對(duì)分子氧的需要與否，可以分為四類。
1．專性需氧菌(obligate aerobe) 具有完善的呼吸酶系統(tǒng)，需要分子氧作為受氫體以完成需氧呼吸，僅能在有氧環(huán)境下生長(zhǎng)。如結(jié)核分枝桿菌、霍亂弧菌。
2．微需氧菌（microaerophilic bacterium) 在低氧壓（5%～ 6%)生長(zhǎng)最好，氧濃度>10%對(duì)其有抑制作用。如空腸彎曲菌、幽門螺桿菌。
3．兼性厭氧菌(facultative anaerobe) 兼有需氧呼吸和無(wú)氧發(fā)酵兩種功能，不論在有氧或無(wú)氧環(huán)境中都能生長(zhǎng)，但以有氧時(shí)生長(zhǎng)較好。大多數(shù)病原菌屬于此。
4．專性厭氧菌(obligate anaerobe) 缺乏完善的呼吸酶系統(tǒng)，利用氧以外的其他物質(zhì)作為受氫體，只能在無(wú)氧環(huán)境中進(jìn)行發(fā)酵。有游離氧存在時(shí)，不但不能利用分子氧，且還將受其毒害，甚至死亡。如破傷風(fēng)梭菌、脆弱類桿菌。
滲透壓 一般培養(yǎng)基的鹽濃度和滲透壓對(duì)大多數(shù)細(xì)菌是安全的，少數(shù)細(xì)菌如嗜鹽菌(halophilic bacterium)需要在高濃度（3%)的NaCl環(huán)境中生長(zhǎng)良好。
五、細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖
細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖表現(xiàn)為細(xì)菌的組分和數(shù)量的增加。
細(xì)菌個(gè)體的生長(zhǎng)繁殖 細(xì)菌一般以簡(jiǎn)單的二分裂方式（binary fission)進(jìn)行無(wú)性繁殖。在適宜條件下，多數(shù)細(xì)菌繁殖速度很快。細(xì)菌分裂數(shù)量倍增所需要的時(shí)間稱為代時(shí)(generation time)，多數(shù)細(xì)菌為20-30 min。個(gè)別細(xì)菌繁殖速度較慢，如結(jié)核分枝桿菌的代時(shí)達(dá)18-20 h。
細(xì)菌分裂時(shí)菌細(xì)胞首先增大，染色體復(fù)制。革蘭陽(yáng)性菌的染色體與中介體相連，當(dāng)染色體復(fù)制時(shí)，中介體一分為二，各向兩端移動(dòng)，分別將復(fù)制好的一條染色體拉向細(xì)胞的一側(cè)。接著染色體中部的細(xì)胞膜向內(nèi)陷入，形成橫隔。同時(shí)細(xì)胞壁亦向內(nèi)生長(zhǎng)，最后肽聚糖水解酶使細(xì)胞壁的肽聚糖的共價(jià)鍵斷裂，分裂成為兩個(gè)菌細(xì)胞。革蘭陰性菌無(wú)中介體，染色體直接連接在細(xì)胞膜上。復(fù)制產(chǎn)生的新染色體則附著在鄰近的一點(diǎn)上，在兩點(diǎn)間形成的新細(xì)胞膜將各自的染色體分隔在兩側(cè)。最后細(xì)胞壁沿橫隔內(nèi)陷，整個(gè)細(xì)胞分裂成兩個(gè)子代細(xì)胞。
細(xì)菌群體的生長(zhǎng)繁殖 細(xì)菌生長(zhǎng)速度很快，一般細(xì)菌約20 min分裂一次。若按此速度計(jì)算，一個(gè)細(xì)胞經(jīng)7 h可繁殖到約200萬(wàn)個(gè)，10 h后可達(dá)10億以上，細(xì)菌群體將龐大到難以想象的程度。但事實(shí)上由于細(xì)菌繁殖中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的逐漸耗竭，有害代謝產(chǎn)物的逐漸積累，細(xì)菌不可能始終保持高速度的無(wú)限繁殖。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，細(xì)菌繁殖速度漸減，死亡菌數(shù)增多，活菌增長(zhǎng)率隨之下降并趨于停滯。
細(xì)菌的群體生長(zhǎng)繁殖可分為四期：
1．遲緩期(lag phase) 細(xì)菌進(jìn)入新環(huán)境后的短暫適應(yīng)階段。該期菌體增大，代謝活躍，為細(xì)菌的分裂繁殖合成并積累充足的酶、輔酶和中間代謝產(chǎn)物；但分裂遲緩，繁殖極少。遲緩期長(zhǎng)短不一，按菌種、接種菌的菌齡和菌量，以及營(yíng)養(yǎng)物等不同而異，一般為1-4 h。
2．對(duì)數(shù)期(logarithmic phase) 又稱指數(shù)期(exponential phase)。細(xì)菌在該期生長(zhǎng)迅速，活菌數(shù)以恒定的幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，生長(zhǎng)曲線圖上細(xì)菌數(shù)的對(duì)數(shù)呈直線上升，達(dá)到頂峰狀態(tài)。此期細(xì)菌的形態(tài)、染色性、生理活性等都較典型，對(duì)外界環(huán)境因素的作用敏感。因此，研究細(xì)菌的生物學(xué)性狀（形態(tài)染色、生化反應(yīng)、藥物敏感試驗(yàn)等)應(yīng)選用該期的細(xì)菌。一般細(xì)菌對(duì)數(shù)期在培養(yǎng)后的8-18h。
3．穩(wěn)定期(stationary phase) 由于培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗，有害代謝產(chǎn)物積聚，該期細(xì)菌繁殖速度漸減，死亡數(shù)逐漸增加，細(xì)菌形態(tài)、染色性和生理性狀常有改變。一些細(xì)菌的芽胞、外毒素和抗生素等代謝產(chǎn)物大多在穩(wěn)定期產(chǎn)生。
4．衰亡期(decline phase) 穩(wěn)定期后細(xì)菌繁殖越來(lái)越慢，死亡數(shù)越來(lái)越多，并超過(guò)活菌數(shù)。該期細(xì)菌形態(tài)顯著改變，出現(xiàn)衰退型或菌體自溶，難以辨認(rèn)；生理代謝活動(dòng)也趨于停滯。因此，陳舊培養(yǎng)的細(xì)菌難以鑒定。
細(xì)菌生長(zhǎng)曲線只有在體外人工培養(yǎng)的條件下才能觀察到。在自然界或人類、動(dòng)物體內(nèi)繁殖時(shí)，受多種環(huán)境因素和機(jī)體免疫因素的多方面影響，不可能出現(xiàn)在培養(yǎng)基中的那種典型的生長(zhǎng)曲線。
細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線在研究工作和生產(chǎn)實(shí)踐中都有指導(dǎo)意義。掌握細(xì)菌生長(zhǎng)規(guī)律，可以人為地改變培養(yǎng)條件，調(diào)整細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖階段，更為有效地利用對(duì)人類有益的細(xì)菌。例如在培養(yǎng)過(guò)程中，不斷地更新培養(yǎng)液和對(duì)需氧菌進(jìn)行通氣，使細(xì)菌長(zhǎng)時(shí)間地處于生長(zhǎng)旺盛的對(duì)數(shù)期，這種培養(yǎng)稱為連續(xù)培養(yǎng)。
第三節(jié) 細(xì)菌的新陳代謝和能量轉(zhuǎn)換
細(xì)菌的新陳代謝是指菌細(xì)胞內(nèi)分解代謝與合成代謝的總和，其顯著特點(diǎn)是代謝旺盛和代謝類型的多樣化。
細(xì)菌的代謝過(guò)程以胞外酶水解外環(huán)境中的大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)開(kāi)始，產(chǎn)生亞單位分子（單糖、短肽、脂肪酸)，經(jīng)主動(dòng)或被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入胞質(zhì)內(nèi)。這些亞單位分子在一系列酶的催化作用下，經(jīng)過(guò)一種或多種途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楣餐ㄓ玫闹虚g產(chǎn)物丙酮酸；再?gòu)谋徇M(jìn)一步分解產(chǎn)生能量或合成新的碳水化合物、氨基酸、脂類和核酸。在上述過(guò)程中，底物分解和轉(zhuǎn)化為能量的過(guò)程稱為分解代謝；所產(chǎn)生的能量用于細(xì)胞組分的合成稱為合成代謝；將兩者緊密結(jié)合在一起稱為中間代謝。伴隨代謝過(guò)程細(xì)菌還將產(chǎn)生許多在醫(yī)學(xué)上有重要意義的代謝產(chǎn)物。
一、細(xì)菌的能量代謝
細(xì)菌能量代謝活動(dòng)中主要涉及ATP形式的化學(xué)能。細(xì)菌的有機(jī)物分解或無(wú)機(jī)物氧化過(guò)程中釋放的能量通過(guò)底物磷酸化或氧化磷酸化合成ATP。
生物體能量代謝的基本生化反應(yīng)是生物氧化。生物氧化的方式包括加氧、脫氫和脫電子反應(yīng)，細(xì)菌則以脫氫或氫的傳遞更為常見(jiàn)。在有氧或無(wú)氧環(huán)境中，各種細(xì)菌的生物氧化過(guò)程、代謝產(chǎn)物和產(chǎn)生能量的多少均有所不同。以有機(jī)物為受氫體的稱為發(fā)酵；以無(wú)機(jī)物為受氫體的稱為呼吸，其中以分子氧為受氫體的是有氧呼吸，以其他無(wú)機(jī)物（硝酸鹽、硫酸鹽等)為受氫體的是厭氧呼吸。需氧呼吸在有氧條件下進(jìn)行，厭氧呼吸和發(fā)酵必須在無(wú)氧條件下進(jìn)行。
病原菌合成細(xì)胞組分和獲得能量的基質(zhì)（生物 氧化的底物)主要為糖類，通過(guò)糖的氧化或酵解釋放能量，并以高能磷酸鍵的形式（ADP、ATP)儲(chǔ)存能量�，F(xiàn)以葡萄糖為例，簡(jiǎn)述細(xì)菌的能量代謝。
發(fā)酵
1．EMP(Embden-Meyerhof-Parnas)途徑又稱糖酵解。這是大多數(shù)細(xì)菌共有的基本代謝途徑，專性厭氧菌產(chǎn)能的唯一途徑。反應(yīng)最終的受氫體為未徹底氧化的中間代謝產(chǎn)物，產(chǎn)生能量遠(yuǎn)比需氧呼吸少。1分子葡萄糖可生成2分子丙酮酸，產(chǎn)生2分子ATP和2分子NADH + H+。關(guān)于丙酮酸以后的代謝隨細(xì)菌的種類不同而異。
2.磷酸戊糖途徑 又稱一磷酸己糖（hoxose monophasphote, HMP)途徑，是EMP途徑的分支，由己糖生成戊糖的循環(huán)途徑。其主要功能是為生物合成提供前體和還原能，反應(yīng)獲得的12(NADPH+H+)可供進(jìn)一步利用，產(chǎn)能效果僅為EMP途徑的一半，所以不是產(chǎn)能的主要途徑。
需氧呼吸 1分子葡萄糖在有氧條件下徹底氧化，生成CO2 、H2O，并產(chǎn)生38分子ATP。需氧呼吸中，葡萄糖經(jīng)過(guò)EMP途徑生成丙酮酸，后者脫羧產(chǎn)生乙酰輔酶A后進(jìn)入三羧酸循環(huán)徹底氧化。然后將脫出的氫進(jìn)入電子傳遞鏈進(jìn)行氧化磷酸化，最終以分子氧作為受氫體。需氧菌和兼性厭氧菌進(jìn)行需氧呼吸。
厭氧呼吸 專性厭氧菌沒(méi)有需氧電子傳遞鏈和完整的三羧酸循環(huán)，1分子葡萄糖經(jīng)厭氧糖酵解只能產(chǎn)生2分子ATP，最終以外源的無(wú)機(jī)氧化物(CO2 、SO42- 、NO3—)作為受氫體的一類產(chǎn)能效率低的特殊呼吸。
二、細(xì)菌的代謝產(chǎn)物
（一) 分解代謝產(chǎn)物和細(xì)菌的生化反應(yīng) 各種細(xì)菌所具有的酶不完全相同，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解能力亦不一致，因而其代謝產(chǎn)物有別。根據(jù)此特點(diǎn)，利用生物化學(xué)方法來(lái)鑒別不同細(xì)菌稱為細(xì)菌的生化反應(yīng)試驗(yàn)。常見(jiàn)的有：
糖發(fā)酵試驗(yàn) 不同細(xì)菌分解糖類的能力和代謝產(chǎn)物不同。例如大腸埃希菌能發(fā)酵葡萄糖和乳糖；而傷寒沙門菌可發(fā)酵葡萄糖，但不能發(fā)酵乳糖。即使兩種細(xì)菌均可發(fā)酵同一糖類，其結(jié)果也不盡相同，如大腸埃希菌有甲酸脫氫酶，能將葡萄糖發(fā)酵生成的甲酸進(jìn)一步分解為CO2和H2，故產(chǎn)酸并產(chǎn)氣；而傷寒沙門菌缺乏該酶，發(fā)酵葡萄糖僅產(chǎn)酸不產(chǎn)氣。
VP（Voges-Proskauer)試驗(yàn) 大腸埃希菌和產(chǎn)氣桿菌均能發(fā)酵葡萄糖，產(chǎn)酸產(chǎn)氣，兩者不能區(qū)別。但產(chǎn)氣桿菌能使丙酮酸脫羧生成中性的乙酰甲基甲醇，后者在堿性溶液中被氧化生成二乙酰，二乙酰與含胍基化合物反應(yīng)生成紅色化合物，是為VP試驗(yàn)陽(yáng)性。大腸埃希菌不能生成乙酰甲基甲醇，故VP試驗(yàn)陰性，
甲基紅（methyl red)試驗(yàn) 產(chǎn)氣桿菌分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸，后者經(jīng)脫羧后生成中性的乙酰甲基甲醇，故培養(yǎng)液pH>5.4，甲基紅指示劑呈桔黃色，是為甲基紅試驗(yàn)陰性。大腸埃希菌分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸，培養(yǎng)液pH ≤4.5，甲基紅指示劑呈紅色，則為甲基紅試驗(yàn)陽(yáng)性。
枸櫞酸鹽利用（citrate utilization)試驗(yàn) 當(dāng)某些www.med126.com細(xì)菌（如產(chǎn)氣桿菌)利用銨鹽作為唯一氮源，并利用枸櫞酸鹽作為唯一碳源時(shí)，可在枸櫞酸鹽培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，分解枸櫞酸鹽生成碳酸鹽，并分解銨鹽生成氨，使培養(yǎng)基變?yōu)閴A性，是為該試驗(yàn)陽(yáng)性。大腸埃希菌不能利用枸櫞酸鹽為唯一碳源，故在該培養(yǎng)基上不能生長(zhǎng)，是為枸櫞酸鹽試驗(yàn)陰性。
吲哚（indol)試驗(yàn) 有些細(xì)菌如大腸埃希菌、變形桿菌、霍亂弧菌等能分解培養(yǎng)基中的色氨酸生成吲哚（靛基質(zhì))，經(jīng)與試劑中的對(duì)二甲基氨基苯甲醛作用，生成玫瑰吲哚而呈紅色，是為吲哚試驗(yàn)陽(yáng)性。
硫化氫試驗(yàn) 有些細(xì)菌如沙門菌、變形桿菌等能分解培養(yǎng)基中的含硫氨基酸（如胱氨酸、甲硫氨酸)生成硫化氫，硫化氫遇鉛或鐵離子生成黑色的硫化物。
尿素酶試驗(yàn) 變形桿菌有尿素酶，能分解培養(yǎng)基中的尿素產(chǎn)生氨，使培養(yǎng)基變堿，以酚紅為指示劑檢測(cè)為紅色，是為尿素酶試驗(yàn)陽(yáng)性。
細(xì)菌的生化反應(yīng)用于鑒別細(xì)菌，尤其對(duì)形態(tài)、革蘭染色反應(yīng)和培養(yǎng)特性相同或相似的細(xì)菌更為重要。吲哚（I)、甲基紅（M)、VP（V)、枸櫞酸鹽利用（C)四種試驗(yàn)常用于鑒定腸道桿菌，合稱為IMViC試驗(yàn)。例如大腸埃希菌對(duì)這四種試驗(yàn)的結(jié)果是“++--”，產(chǎn)氣桿菌則為“--++”。
現(xiàn)代臨床細(xì)菌學(xué)已普遍采用微量、快速的生化鑒定方法。根據(jù)鑒定的細(xì)菌不同，選擇系列生化指標(biāo)，依反應(yīng)的陽(yáng)性或陰性選取數(shù)值，組成鑒定碼，形成以細(xì)菌生化反應(yīng)為基礎(chǔ)的各種數(shù)值編碼鑒定系統(tǒng)。同時(shí)，也可用細(xì)菌鑒定軟件分析細(xì)菌的生化反應(yīng)譜。更為先進(jìn)的如 VITEK全自動(dòng)細(xì)菌鑒定及高級(jí)專家系統(tǒng)藥敏報(bào)告儀完成了細(xì)菌生化鑒定的自動(dòng)化。此外，應(yīng)用氣相、液相色譜法鑒定細(xì)菌分解代謝產(chǎn)物中揮發(fā)性或非揮發(fā)性有機(jī)酸和醇類，能夠快速確定細(xì)菌的種類。
(二)合成代謝產(chǎn)物及其醫(yī)學(xué)上的意義 細(xì)菌利用分解代謝中的產(chǎn)物和能量不斷合成菌體自身成分，如細(xì)胞壁、多糖、蛋白質(zhì)、脂肪酸、核酸等，同時(shí)還合成一些在醫(yī)學(xué)上具有重要意義的代謝產(chǎn)物。
熱原質(zhì)（pyrogen) 或稱致熱原。是細(xì)菌合成的一種注入人體或動(dòng)物體內(nèi)能引起發(fā)熱反應(yīng)的物質(zhì)，稱為熱原質(zhì)。產(chǎn)生熱原質(zhì)的細(xì)菌大多是革蘭陰性菌，熱原質(zhì)即其細(xì)胞壁的脂多糖。
毒素與侵襲性酶 細(xì)菌產(chǎn)生外毒素和內(nèi)毒素兩類毒素，在細(xì)菌致病作用中甚為重要。外毒素（exotoxin)是多數(shù)革蘭陽(yáng)性菌和少數(shù)革蘭陰性菌在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中釋放到菌體外的蛋白質(zhì)；內(nèi)毒素（endotoxin)是革蘭陰性菌細(xì)胞壁的脂多糖，當(dāng)菌體死亡崩解后游離出來(lái)，外毒素毒性強(qiáng)于內(nèi)毒素。
色素 某些細(xì)菌能產(chǎn)生不同顏色的色素，有助于鑒別細(xì)菌。細(xì)菌的色素有兩類，一類為水溶性，能彌散到培養(yǎng)基或周圍組織，如銅綠假單胞菌產(chǎn)生的色素使培養(yǎng)基或感染的膿汁呈綠色。另一類為脂溶性，不溶于水，只存在于菌體，使菌落顯色而培養(yǎng)基顏色不變，如金黃色葡萄球菌的色素。細(xì)菌色素產(chǎn)生需要一定的條件，如營(yíng)養(yǎng)豐富、氧氣充足、溫度適宜。細(xì)菌色素不能進(jìn)行光合作用，其功能尚不清楚。
抗生素 某些微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的一類能抑制或殺死某些其他微生物或腫瘤細(xì)胞的物質(zhì)，稱為抗生素�？股卮蠖嘤煞啪�菌和真菌產(chǎn)生，細(xì)菌產(chǎn)生的少，只有多粘菌素（polymyxin)、桿菌肽（bacitracin)等。
細(xì)菌素 某些菌株產(chǎn)生的一類具有抗菌作用的蛋白質(zhì)稱為細(xì)菌素。細(xì)菌素與抗生素不同的是作用范圍狹窄，僅對(duì)與產(chǎn)生菌有親緣關(guān)系的細(xì)菌有殺傷作用。例如大腸埃希菌產(chǎn)生的細(xì)菌素稱大腸菌素（colicin)，其編碼基因位于Col質(zhì)粒上。細(xì)菌素在治療上的應(yīng)用價(jià)值已不被重視，但可用于細(xì)菌分型和流行病學(xué)調(diào)查。
維生素 細(xì)菌能合成某些維生素除供自身需要外，還能分泌至周圍環(huán)境中。例如人體腸道內(nèi)的大腸埃希菌，合成的B族維生素和維生素K也可被人體吸收利用。
第四節(jié) 細(xì)菌的人工培養(yǎng)
了解細(xì)菌的生理需要，掌握細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的規(guī)律，可用人工方法提供細(xì)菌所需要的條件來(lái)培養(yǎng)細(xì)菌 ，以滿足不同的需求。
一、 培養(yǎng)細(xì)菌的方法
人工培養(yǎng)細(xì)菌，除需要提供充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)使細(xì)菌獲得生長(zhǎng)繁殖所需要的原料和能量外，尚要有適宜的環(huán)境條件，如酸堿度、滲透壓、溫度和必要的氣體等。
根據(jù)不同標(biāo)本及不同培養(yǎng)目的，可選用不同的接種和培養(yǎng)方法。常用的有細(xì)菌的分離培養(yǎng)和純培養(yǎng)兩種方法。已接種標(biāo)本或細(xì)菌的培養(yǎng)基置于合適的氣體環(huán)境，需氧菌和兼性厭氧菌置于空氣中即可，專性厭氧菌須在無(wú)游離氧的環(huán)境中培養(yǎng)。多數(shù)細(xì)菌在代謝過(guò)程中需要CO2，但分解糖類時(shí)產(chǎn)生的CO2已足夠其所需，且空氣中還有微量CO2，不必額外補(bǔ)充。只有少數(shù)菌如布魯菌、腦膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌等，初次分離培養(yǎng)時(shí)必須在5%～10% CO2環(huán)境中才能生長(zhǎng)。
病原菌的人工培養(yǎng)一般采用35～37℃，培養(yǎng)時(shí)間多數(shù)為18～24 h，但有時(shí)需根據(jù)菌種及培養(yǎng)目的作最佳選擇，如細(xì)菌的藥物敏感試驗(yàn)則應(yīng)選用對(duì)數(shù)期的培養(yǎng)物。
二、 培養(yǎng)基
培養(yǎng)基（culture medium)是由人工方法配制而成的，專供微生物生長(zhǎng)繁殖使用的混合營(yíng)養(yǎng)物制品。培養(yǎng)基一般pH為7.2～7.6，少數(shù)的細(xì)菌按生長(zhǎng)要求調(diào)整pH偏酸或偏堿。許多細(xì)菌在代謝過(guò)程中分解糖類產(chǎn)酸，故常在培養(yǎng)基中加入緩沖劑，以保持穩(wěn)定的pH。培養(yǎng)基制成后必須經(jīng)滅菌處理。
培養(yǎng)基按其營(yíng)養(yǎng)組成和用途不同，分為以下幾類：
基礎(chǔ)培養(yǎng)基 基礎(chǔ)培養(yǎng)基（basic medium)含有多數(shù)細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖所需的基本營(yíng)養(yǎng)成分。它是配制特殊培養(yǎng)基的基礎(chǔ)，也可作為一般培養(yǎng)基用。如營(yíng)養(yǎng)肉湯（nutrient broth)、營(yíng)養(yǎng)瓊脂（nutrient agar)、蛋白胨水等。
增菌培養(yǎng)基 若了解某種細(xì)菌的特殊營(yíng)養(yǎng)要求，可配制出適合這種細(xì)菌而不適合其他細(xì)菌生長(zhǎng)的增菌培養(yǎng)基（enrichment medium)。在這種培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的是營(yíng)養(yǎng)要求相同的細(xì)菌群。它包括通用增菌培養(yǎng)基和專用增菌培養(yǎng)基，前者為基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加合適的生長(zhǎng)因子或微量元素等，以促使某些特殊細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖，例如鏈球菌、肺炎鏈球菌需在含血液或血清的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)；后者又稱為選擇性增菌培養(yǎng)基，即除固有的營(yíng)養(yǎng)成分外，再添加特殊抑制劑，有利于目的菌的生長(zhǎng)繁殖，如堿性蛋白胨水用于霍亂弧菌的增菌培養(yǎng)。
選擇培養(yǎng)基 在培養(yǎng)基中加入某種化學(xué)物質(zhì)，使之抑制某些細(xì)菌生長(zhǎng)，而有利于另一些細(xì)菌生長(zhǎng)，從而將后者從混雜的標(biāo)本中分離出來(lái)，這種培養(yǎng)基稱為選擇培養(yǎng)基（selective medium)。例如培養(yǎng)腸道致病菌的SS瓊脂，其中的膽鹽能抑制革蘭陽(yáng)性菌，枸櫞酸鈉和煌綠能抑制大腸埃希菌，因而使致病的沙門菌和志賀菌容易分離到。若在培養(yǎng)基中加入抗生素，也可起到選擇作用。實(shí)際上有些選擇培養(yǎng)基、增菌培養(yǎng)基之間的界限并不十分嚴(yán)格。
鑒別培養(yǎng)基 用于培養(yǎng)和區(qū)分不同細(xì)菌種類的培養(yǎng)基稱為鑒別培養(yǎng)基（differential medium)。利用各種細(xì)菌分解糖類和蛋白質(zhì)的能力及其代謝產(chǎn)物不同，在培養(yǎng)基中加入特定的作用底物和指示劑，一般不加抑菌劑，觀察細(xì)菌在其中生長(zhǎng)后對(duì)底物的作用如何，從而鑒別細(xì)菌。如常用的糖發(fā)酵管、三糖鐵培養(yǎng)基、伊紅-美藍(lán)瓊脂等。
厭氧培養(yǎng)基 專供厭氧菌的分離、培養(yǎng)和鑒別用的培養(yǎng)基，稱為厭氧培養(yǎng)基（anaerobic medium)。這種培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分豐富，含有特殊生長(zhǎng)因子，氧化還原電勢(shì)低，并加入美藍(lán)作為氧化還原指示劑。其中心、腦浸液和肝塊、肉渣含有不飽和脂肪酸，能吸收培養(yǎng)基中的氧；硫乙醇酸鹽和半胱氨酸是較強(qiáng)的還原劑；維生素K1、氯化血紅素可以促進(jìn)某些類桿菌的生長(zhǎng)。常用的有庖肉培養(yǎng)基（cooked meat medium )、硫乙醇酸鹽肉湯等，并在液體培養(yǎng)基表面加入凡士林或液體石蠟以隔絕空氣。
此外，還可根據(jù)對(duì)培養(yǎng)基成分了解的程度將其分為兩大類：化學(xué)成分確定的培養(yǎng)基（defined medium)，又稱為合成培養(yǎng)基（synthetic medium)；和化學(xué)成分不確定的培養(yǎng)基（undefined medium)，又稱天然培養(yǎng)基（complex medium)。也可根據(jù)培養(yǎng)基的物理狀態(tài)的不同分為液體、固體和半固體三大類。在液體培養(yǎng)基中加入1.5%的瓊脂粉，即凝固成固體培養(yǎng)基；瓊脂粉含量在0.3%～0.5%時(shí)，則為半固體培養(yǎng)基。瓊脂在培養(yǎng)基中起賦形劑作用，不具營(yíng)養(yǎng)意義。液體培養(yǎng)基可用于大量繁殖細(xì)菌，但必須種入純種細(xì)菌；固體培養(yǎng)基常用于細(xì)菌的分離和純化；半固體培養(yǎng)基則用于觀察細(xì)菌的動(dòng)力和短期保存細(xì)菌。
三、細(xì)菌在培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)情況
在液體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)情況 大多數(shù)細(xì)菌在液體培養(yǎng)基生長(zhǎng)繁殖后呈現(xiàn)均勻混濁狀態(tài)；少數(shù)鏈狀的細(xì)菌則呈沉淀生長(zhǎng)；枯草芽胞桿菌、結(jié)核分枝桿菌等專性需氧菌呈表面生長(zhǎng)，常形成菌膜。
在固體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)情況 將標(biāo)本或培養(yǎng)物劃線接種在固體培養(yǎng)基的表面，因劃線的分散作用，使許多原混雜的細(xì)菌在固體培養(yǎng)基表面上散開(kāi)，稱為分離培養(yǎng)。一般經(jīng)過(guò)18～24 h培養(yǎng)后，單個(gè)細(xì)菌分裂繁殖成一堆肉眼可見(jiàn)的細(xì)菌集團(tuán)，稱為菌落（colony)。挑取一個(gè)菌落，移種到另一培養(yǎng)基中，生長(zhǎng)出來(lái)的細(xì)菌均為純種，稱為純培養(yǎng)（pure culture)。這是從臨床標(biāo)本中檢查鑒定細(xì)菌很重要的第一步。各種細(xì)菌在固體培養(yǎng)基上形成的菌落，在大小、形狀、顏色、氣味、透明度、表面光滑或粗糙、濕潤(rùn)或干燥、邊緣整齊與否，以及在血瓊脂平板上的溶血情況等均有不同表現(xiàn)，這些有助于識(shí)別和鑒定細(xì)菌。此外，取一定量的液體標(biāo)本或培養(yǎng)液均勻接種于瓊脂平板上，可計(jì)數(shù)菌落，推算標(biāo)本中的活菌數(shù)。這種菌落計(jì)數(shù)法常用于檢測(cè)自來(lái)水、飲料、污水和臨床標(biāo)本的活菌含量。
細(xì)菌的菌落一般分為三型：
1.光滑型菌落（smooth colony，S型菌落) 新分離的細(xì)菌大多呈光滑型菌落，表面光滑、濕潤(rùn)、邊緣整齊。
2.粗糙型菌落（rough colony，R型菌落) 菌落表面粗糙、干燥、呈皺紋或顆粒狀，邊緣大多不整齊。R型細(xì)菌多由S型細(xì)菌變異失去菌體表面多糖或蛋白質(zhì)形成。R型細(xì)菌抗原不完整，毒力和抗吞噬能力都比S型菌弱。但也有少數(shù)細(xì)菌新分離的毒力株就是R型，如炭疽芽胞桿菌、結(jié)核分枝桿菌等。
3.粘液型菌落（mucoid colony，M型菌落) 粘稠、有光澤，似水珠樣。多見(jiàn)于有厚莢膜或豐富粘液層的細(xì)菌，如肺炎克雷伯菌等。
在半固體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)情況 半固體培養(yǎng)基粘度低，有鞭毛的細(xì)菌在其中仍可自由游動(dòng)，沿穿刺線呈羽毛狀或云霧狀混濁生長(zhǎng)。無(wú)鞭毛細(xì)菌只能沿穿刺線呈明顯的線狀生長(zhǎng)。
四．人工培養(yǎng)細(xì)菌的用途
在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 細(xì)菌培養(yǎng)對(duì)疾病的診斷、預(yù)防、治療和科學(xué)研究都具有重要的作用。
1.感染性疾病的病原學(xué)診斷 明確感染性疾病的病原菌必須取病人有關(guān)標(biāo)本進(jìn)行細(xì)菌分離培養(yǎng)、鑒定和藥物敏感試驗(yàn)，其結(jié)果可指導(dǎo)臨床用藥。
2.細(xì)菌學(xué)的研究 有關(guān)細(xì)菌生理、遺傳變異、致病性和耐藥性等研究都離不開(kāi)細(xì)菌的培養(yǎng)和菌種的保存等。
3.生物制品的制備 供防治用的疫苗、類毒素、抗毒素、免疫血清及供診斷用的菌液、抗血清等均來(lái)自培養(yǎng)的細(xì)菌或其代謝產(chǎn)物。
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 細(xì)菌培養(yǎng)和發(fā)酵過(guò)程中多種代謝產(chǎn)物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有廣泛用途，可制成抗生素、維生素、氨基酸、有機(jī)溶劑、酒、醬油、味精等產(chǎn)品。細(xì)菌培養(yǎng)物還可生產(chǎn)酶制劑，處理廢水和垃圾，制造菌肥和農(nóng)藥等。
在基因工程中的應(yīng)用 將帶有外源性基因的重組DNA轉(zhuǎn)化給受體菌，使其在菌體內(nèi)能獲得表達(dá)。細(xì)菌操作方便，容易培養(yǎng)，繁殖快，基因表達(dá)產(chǎn)物易于提取純化，故可以大大地降低成本。如應(yīng)用基因工程技術(shù)已成功地制備了胰島素、干擾素、乙型肝炎疫苗等。
第五節(jié) 細(xì)菌的分類
一、細(xì)菌的分類原則與層次
細(xì)菌分類學(xué)是一個(gè)古老的、傳統(tǒng)的學(xué)科，又是一個(gè)現(xiàn)代化的、發(fā)展的學(xué)科。細(xì)菌的分類原則上分為傳統(tǒng)分類和種系分類兩種。19世紀(jì)以來(lái)，以細(xì)菌的形態(tài)和生理特征為依據(jù)的分類奠定了傳統(tǒng)分類的基礎(chǔ)，即選擇一些較為穩(wěn)定的生物學(xué)性狀，如菌體形態(tài)與結(jié)構(gòu)、染色性、培養(yǎng)特性、生化反應(yīng)、抗原性等作為分類的標(biāo)記。60年代將數(shù)值分類（numerical taxonomy)引入了細(xì)菌分類，借助計(jì)算機(jī)將擬分類的細(xì)菌按其性狀的相似程度進(jìn)行歸類（一般種的水平相似度>80%)，以此劃分種和屬。由于對(duì)分類性狀的選擇和重視程度有一定的主觀性，所以傳統(tǒng)分類又稱為人為分類（artificial classification)。
70年代以來(lái)，化學(xué)分析和核酸分析方法引入細(xì)菌分類，使細(xì)菌種群的劃分建立在更為客觀的基礎(chǔ)上�；瘜W(xué)分析應(yīng)用電泳、色譜、質(zhì)譜等方法，對(duì)菌體組分、代謝產(chǎn)物組成與圖譜等特征進(jìn)行分析，為揭示細(xì)菌表型差異提供了有力的手段。核酸分析包括DNA堿基組成(G+C mol%)、核酸分子雜交（DNA-DNA同源性、DNA-rRNA同源性)和16S rRNA同源性分析，比較細(xì)菌大分子（核酸、蛋白質(zhì))結(jié)構(gòu)的同源程度進(jìn)行分類，揭示了細(xì)菌進(jìn)化的信息。這種以細(xì)菌發(fā)育關(guān)系為基礎(chǔ)的細(xì)菌分類稱為系統(tǒng)分類或種系分類(phylogenetic classification)，又稱為自然分類(natural classification)，其中16S rRNA更為重要，因其在進(jìn)化過(guò)程中保守、穩(wěn)定，很少發(fā)生變異。1987年Woese在大量16S rRNA序列分析的基礎(chǔ)上，描繪出生物系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，由真細(xì)菌(Eubacteria)、古細(xì)菌(Archaebacteria)和真核生物(Eukaryotes)共同構(gòu)成并列的生物三原界。真細(xì)菌指比較常見(jiàn)的細(xì)菌（bacteria)。古細(xì)菌和真細(xì)菌同為原核生物，核糖體均為70S。古細(xì)菌生存在極端環(huán)境（高溫、高鹽、低pH)，細(xì)胞壁無(wú)肽聚糖，蛋白質(zhì)合成起始甲硫氨酸不需甲�；�，tRNA基因中有內(nèi)含子，含有多種RNA多聚酶，蛋白質(zhì)合成對(duì)白喉毒素的抑制敏感，而對(duì)氯霉素的抑制不敏感，這些特性與真核生物相同，而與真細(xì)菌不同。目前，尚未在古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)病原菌。
國(guó)際上最具權(quán)威性的細(xì)菌分類系統(tǒng)專著“伯杰氏系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)手冊(cè)（1984)”和“伯杰氏鑒定細(xì)菌學(xué)手冊(cè)，第9版（1994)”都已反應(yīng)了細(xì)菌種系分類的研究進(jìn)展，但在 具體編排上也保留了許多傳統(tǒng)分類的安排。目前，伯杰（Bergey)分類將細(xì)菌分為四大類目、35個(gè)群，醫(yī)學(xué)細(xì)菌包括在內(nèi)。
自然界生物分為6界，即病毒界、原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界和動(dòng)物界。細(xì)菌屬于原核生物界，為種系分類的真細(xì)菌；廣義的細(xì)菌包括各類原核細(xì)胞型微生物，如細(xì)菌、放線菌、衣原體、支原體、立克次體和螺旋體；狹義的細(xì)菌專指其中的細(xì)菌，它的種類最多、數(shù)量最大、最具代表性。
細(xì)菌的分類層次與其他生物相同，也是界、門、綱、目、科、屬、種。在細(xì)菌中常用屬和種。
種(species)是細(xì)菌分類的基本單位。生物學(xué)性狀基本相同的細(xì)菌群體構(gòu)成一個(gè)菌種；性狀相近關(guān)系密切的若干菌種組成一個(gè)菌屬（genus)。同一菌種的各個(gè)細(xì)菌，雖性狀基本相同，但在某些方面仍有一定差異，差異較明顯的稱亞種(subspecies, subsp.)或變種（variety, var.)，差異小的則為型(type)。例如按抗原結(jié)構(gòu)不同而分血清型(serotype)；對(duì)噬菌體和細(xì)菌素的敏感性不同而分噬菌體型(phage-type)和細(xì)菌素型(bacteriocin-type)；生化反應(yīng)和其他某些生物學(xué)性狀不同而分為生物型(biotype)。變種因易與亞種混淆，已不再單獨(dú)使用，與其他詞復(fù)合構(gòu)成代替“型”的術(shù)語(yǔ)，如biovar就是生物型(biotype)。
對(duì)不同來(lái)源的同一菌種的細(xì)菌稱為該菌的不同菌株(strain)。具有某種細(xì)菌典型特征的菌株稱為該菌的標(biāo)準(zhǔn)菌株(standard strain)或模式菌株(type strain)。
二、細(xì)菌的命名法
細(xì)菌的命名采用拉丁雙名法，每個(gè)菌名由兩個(gè)拉丁字組成。前一字為屬名，用名詞，大寫；后一字為種名，用形容詞，小寫。一般屬名表示細(xì)菌的形態(tài)或發(fā)現(xiàn)或有貢獻(xiàn)者，種名表明細(xì)菌的性狀特征、寄居部位或所致疾病等。中文的命名次序適與拉丁文相反，是種名在前，屬名在后。例如Staphylococcus aureus，金黃色葡萄球菌；Escherichia coli，大腸埃希菌；Neisseria meningitidis，腦膜炎奈瑟菌等。屬名亦可不將全文寫出，只用第一個(gè)字母代表，如M. tuberculosis，S. typhi等。有些常見(jiàn)菌有其習(xí)慣通用的俗名，如tubercle bacillus，結(jié)核桿菌；typhoid bacillus，傷寒桿菌；meningococcus，腦膜炎球菌等。有時(shí)泛指某一屬細(xì)菌，不特指其中某個(gè)菌種，則可在屬名后加sp.（單數(shù))或spp.（復(fù)數(shù))，如Salmonella sp.表示為沙門菌屬中的細(xì)菌。
