第六章　细菌学概论

细菌（bacterium）属于原核细胞型微生物，形体微小，结构简单，为单细胞生物。广义的细菌泛指各类原核细胞型微生物。狭义的细菌仅指原核细胞型微生物中数量最大、种类最多、具有典型代表性的一大类。

第一节　细菌的形态与结构

一、细菌的大小与形态

（一）细菌的大小

细菌体积微小，一般以微米（1μm=10^-3mm）为测量大小的单位。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的影响而有差异。大多数的细菌在普通光学显微镜下用油镜可以观察到。

（二）细菌的形态

在自然界及人和动物体内，绝大多数细菌黏附在无生命或有生命的物体表面，可以生物被膜或单个的形式存在。在人工培养条件下，细菌呈浮游状态，按其外形可分为球菌、杆菌和螺形菌三大类（图6-1-1）。

1. 球菌（coccus）　多数外观呈球形或近似于球形，有的呈矛头状或肾形。单个球菌直径平均在1μm左右。由于细菌繁殖时细胞分裂平面不同和分裂后菌体之间相互黏附程度不一，可形成不同的排列方式：

（1）双球菌（diplococcus）：细菌在一个平面上分裂，分裂后两个菌体成对粘连排列，如淋病奈瑟菌、肺炎链球菌。

（2）链球菌（streptococcus）：细菌在一个平面上分裂，分裂后多个菌体粘连成链状，如溶血性链球菌。

（3）四联球菌（tetrad）：细菌在两个互相垂直的平面上分裂，分裂后四个菌体黏附在一起似正方形，如四联加夫基菌。

（4）八叠球菌（sarcina）：细菌在三个互相垂直的平面上分裂，分裂后八个菌体黏附成包裹状立方体，如藤黄八叠球菌。

（5）葡萄球菌（staphylococcus）：细菌在多个平面上分裂，分裂后菌体无规则地粘连和堆积在一起，似葡萄状，如金黄色葡萄球菌。

在标本或培养物中，各类球菌除上述的典型排列方式外，还可以分散的单个菌体存在。致病性球菌大多数在形态、排列及染色性上比较典型，这对一些球菌的初步鉴定颇有意义。

2. 杆菌（bacillus）　多数外形呈直杆状，也有的菌体稍弯。不同杆菌的长短、粗细差别很大。大的杆菌如炭疽芽胞杆菌长3～10μm，菌体两端平齐，呈链状排列，如竹节样；中等大小的杆菌如大肠埃希菌，长2～3μm，散在排列；小的如布鲁菌长仅0.6～1.5μm。多数杆菌呈分散存在，也有的呈链状排列，称为链杆菌；有的杆菌末端膨大呈棒状，称为棒状杆菌，如白喉棒状杆菌；有的常呈分枝生长趋势，称为分枝杆菌，如结核分枝杆菌；有的末端常呈分叉状，称为双歧杆菌；有的菌体短小，近似椭圆形，称为球杆菌，如百日咳鲍特菌。

3. 螺形菌（spiral bacterium）　菌体弯曲的细菌合称为螺形菌，包括弧菌、螺菌和螺杆菌。

（1）弧菌（vibrio）：菌体只有一个弯曲，呈弧形或逗点状，长2～3μm，如霍乱弧菌。

（2）螺菌（spirillum）：菌体有数个弯曲，长3～6μm，如鼠咬热螺菌。

（3）螺杆菌（helicobacterium）：菌体细长弯曲呈弧形或螺旋形，长2.5～4.0μm，如幽门螺杆菌。

细菌的形态受温度、pH、培养基成分和培养时间等环境因素的影响较大。一般来说，在适宜的生长条件下培养8～18h的细菌（即处于对数生长期）形态比较典型；幼龄细菌形体较长；细菌衰老时或在陈旧培养物中，或环境中有不适合于细菌生长的物质（如药物、抗生素、抗体、过高的盐分等）时，细菌常常出现梨形、气球状、丝状等不规则的形态，表现为多形性，称为衰退型（involution form）。因此，观察细菌的大小和形态，应选择适宜生长条件下对数生长期的细菌为最佳。

（三）细菌形态结构的检查方法

细菌的体积微小，菌体半透明，肉眼不能直接看到，要观察单个细菌的形态，必须借助于显微镜（microscope）。除观察活菌运动外，一般均需要进行染色。

1. 显微镜法　早在1676年，荷兰人列文虎克（Antony Van Leeuwenhoek，1632—1723）利用自制的光学显微镜（light microscope）在牙垢等标本中观察到了单个微生物。随着其他自然科学的发展，人类完善和研制出了更多种类、更大放大倍数、功能多样的显微镜，包括荧光显微镜（fluorescence microscope）、相差显微镜（phase-contrast microscope）、暗视野显微镜（darkfield microscope）、激光共聚焦显微镜（confocal microscope）及电子显微镜（electron microscope）等，可以在不同条件下观察细菌的形态和（或）结构。

（1）光学显微镜：以波长0.4～0.7μm（平均约0.5μm）的可见光为光源对标本进行检测，其分辨率为光波波长的一半，即0.25μm，在显微镜油镜下放大1000倍后为0.25mm，人的肉眼可以看清。普通细菌的直径均大于0.25μm，因此在微生物学实验室、临床细菌检验室中，一般选择普通光学显微镜观察细菌形态。

（2）电子显微镜：用电磁圈代替放大镜，以电子流代替可见光波，可放大数十万倍，能分辨1nm的微粒。既可用于观察微生物的外形，也可观察其内部超微结构。目前使用的电子显微镜分为透射式和扫描式两种类型：①透射电子显微镜（transmission electron microscope, TEM）常用于观察细菌、病毒及其他物体内部的精细结构；②扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）分辨率一般较TEM低，但可清楚地显示物体的三维立体图像。主要用于观察样品的表面结构，如菌毛。电子显微镜标本必须在真空干燥的状态下观察，故只能够观察死亡的微生物。

2. 染色法　细菌菌体小且呈半透明，一般需染色后才能较清楚观察。染色法是使染色剂与细菌细胞质结合，最常用的染色剂是盐类。

（1）不染色：即标本没有经过任何染色直接观察，可以看到细菌的轮廓和运动情况。不染色标本在临床上主要用于观察活菌运动。如霍乱患者“米泔水”样的粪便滴片可观察霍乱弧菌的运动；梅毒患者硬下疳的渗出液涂片可观察螺旋体运动。

（2）单染法：即只选用一种染料染色后观察细菌的形态。标本中的细菌经过单染后可被染成同一种颜色，因此鉴别价值较低。

（3）复合染色法：即选用两种或两种以上的染料对标本进行染色。所用染料可为碱性染料（由有色的阳离子和无色的阴离子组成），也可为酸性染料（由有色的阴离子和无色的阳离子组成）。细菌细胞富含核酸，因此与碱性染料结合更牢固，尤其以等电点更低的革兰氏阳性菌更为明显。

复染的方法有多种，其中1884年丹麦细菌学家汉斯·克里斯琴·格纳姆（Hans Christian Gram）发明的革兰氏染色（Gram stain）最经典和常用。革兰氏染色法的基本过程是：标本涂片、干燥、固定后，经结晶紫初染和卢戈碘液媒染，再选用95%乙醇脱色，最后用稀释复红或沙黄复染。革兰氏阳性菌细胞壁厚，肽聚糖网状分子形成一种渗透性屏障，当乙醇脱色时，肽聚糖脱水而孔隙缩小，结晶紫－碘复合物不能通过而留在细胞膜上，呈紫色。革兰氏阴性菌肽聚糖层薄，交联松散，乙醇脱色不能使其结构收缩，其脂类含量高，乙醇将脂溶解使缝隙加大，结晶紫－碘复合物易于渗出细胞壁，经复染后呈红色。革兰氏染色的结果具有重要意义：①鉴别细菌：标本中的细菌经革兰氏染色后，可根据其形态、排列和染色性初步识别细菌，缩小鉴别范围，有助于进一步的鉴定。对于形态典型的细菌，甚至可做出初步诊断。如脑脊髓膜炎患者的脑脊液沉渣涂片观察，查到肾形成对排列的G^-球菌，位于中性粒细胞内或外，有助于脑膜炎奈瑟菌感染的早期诊断。②帮助临床选择用药：G⁺菌和G^-菌对不同抗生素的敏感性不同。③判断细菌的致病性：G⁺菌和G^-菌产生的致病物质及致病机制不同，前者主要通过产生外毒素致病，后者既可能产生外毒素，又可能产生内毒素致病。

复合染色法除革兰氏染色外，在观察分枝杆菌属细菌时，多选用抗酸染色法。另外还有荚膜染色法、鞭毛染色法、芽胞染色法、荧光染色法等多种方法可用于细菌形态结构的观察。

（4）负染法（negative staining）：细菌细胞富含核酸，可以与带正电荷的碱性染色剂结合；酸性染色剂不能使细菌着色，而使背景着色形成反差，故称为负染。如用印度墨汁负染后观察新生隐球菌（真菌）的荚膜和形态。

二、细菌的结构

细菌的结构包括基本结构和特殊结构。一般把各种细菌生存不可缺少或一般细菌通常均具有的结构称为基本结构，如细胞壁、细胞膜、细胞质和核质等。而只有部分细菌在一定条件下所特有的结构称为特殊结构，如荚膜、鞭毛、菌毛和芽胞等（图6-1-2）。

（一）细菌的基本结构

1. 细胞壁（cell wall）　位于细菌最外层，包绕在细胞膜的周围，是一种膜状结构，组成复杂，因不同细菌而异。用革兰氏染色法可将细菌分为两大类，即革兰氏阳性（G⁺）菌和革兰氏阴性（G^-）菌。G⁺菌和G^-菌的细胞壁组成不同，肽聚糖是它们共有的成分，除此之外，G⁺菌尚有磷壁酸，而G^-菌在肽聚糖的外面有外膜包围（图6-1-3）。

（1）G⁺菌和G^-菌细胞壁共有成分——肽聚糖（peptidoglycan）：肽聚糖又称黏肽（mucopeptide）或胞壁质（murein）。肽聚糖是一类复杂的多聚体，是细菌细胞壁中的主要成分，为原核细胞所特有。细胞壁的机械强度有赖于肽聚糖的存在。G⁺菌的肽聚糖有15～50层，由聚糖骨架、四肽侧链和五肽交联桥三部分组成；G^-菌的肽聚糖仅有1～3层，由聚糖骨架和四肽侧链两部分组成，缺乏五肽交联桥（图6-1-3）。

肽聚糖的聚糖骨架由N-乙酰葡萄糖胺（N-acetyl glucosamine）和N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid）两种成分经β-1，4糖苷键交替连接而成。G⁺菌与G^-菌的聚糖骨架相同。四肽侧链的组成及其连接方式随菌种而异。G⁺菌（如葡萄球菌）细胞壁的四肽侧链通过L-丙氨酸与聚糖骨架的N-乙酰胞壁酸相连，其余依次为D-谷氨酸、L-赖氨酸和D-丙氨酸；五肽交联桥是一条由5个甘氨酸组成的肽链，交联时一端与侧链第三位上的L-赖氨酸连接，另一端在转肽酶的作用下，与相邻四肽侧链末端的D-丙氨酸连接，从而构成机械性很强的三维立体网状结构（图6-1-4）。在G^-菌（如大肠埃希菌）的四肽侧链中，第三位氨基酸是二氨基庚二酸（diaminopimelic acid, DAP），其他成分与G⁺菌相同，并由DAP与相邻四肽侧链末端的D-丙氨酸直接连接，交联率低，缺乏五肽交联桥，只形成单层二维平面结构（图6-1-5）。细菌细胞壁的四肽侧链中第三位氨基酸变化最大，大多数G^-菌为DAP，而G⁺菌大多为L-赖氨酸，也有DAP或其他L-氨基酸。

凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质，都能损伤细菌细胞壁而使细菌变形或被杀灭。如溶菌酶（lysozyme）能切断肽聚糖中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之间β-1，4糖苷键之间的联结，破坏聚糖骨架，引起细菌裂解。青霉素和头孢菌素能与细菌竞争合成胞壁过程所需的转肽酶，抑制四肽侧链上D-丙氨酸与五肽交联桥之间的联结，使细菌不能合成完整的细胞壁，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。

（2）G⁺菌细胞壁的特殊成分——磷壁酸（teichoic acid）：G⁺菌细胞壁除含有肽聚糖结构外，尚有大量特殊组分磷壁酸，少数细菌是磷壁醛酸（teichuronic acid），约占细胞壁干重的50%。磷壁酸是由核糖醇（ribitol）或甘油残基经磷酸二酯键相互连接而成的多聚物，其结构中少数基团被氨基酸或糖所取代，多个磷酸分子组成长链穿插于肽聚糖层中。磷壁酸分为壁磷壁酸（wall teichoic acid）和膜磷壁酸（membrane teichoic acid）两种。前者的一端通过磷脂与肽聚糖上的胞壁酸共价结合，另一端伸出细胞壁游离于外。膜磷壁酸又称脂磷壁酸（lipoteichoic acid, LTA），一端与细胞膜外层上的糖脂共价结合，另一端穿越肽聚糖层伸出并游离于细胞壁外（图6-1-6）。壁磷壁酸与脂磷壁酸共同组成带负电荷的网状多聚物或基质，使得G⁺菌的细胞壁具有良好的坚韧性、通透性及静电性能。磷壁酸也具有抗原性及黏附素活性。

肽聚糖和磷壁酸是G⁺菌细胞壁的主要成分，此外，部分G⁺菌细胞壁表面尚有一些特殊的蛋白质，如金黄色葡萄球菌的A蛋白、A群链球菌的M蛋白等。而大多数革兰氏阳性菌细胞壁中蛋白质含量较少。

（3）G^-菌细胞壁特殊组分——外膜（outer membrane）：G^-菌细胞壁除含有1～3层肽聚糖结构外，外膜是其主要的成分，约占细胞壁干重的80%，由脂质双层、脂蛋白（lipoprotein）和脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）三部分组成。

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四肽侧链的DAP相连，脂质成分与脂质双层非共价结合，起到稳定外膜并将之固定于肽聚糖层，使二者构成一个整体。脂质双层的结构类似细胞膜，为液态，双层内镶嵌着多种外膜蛋白（outer membrane protein, OMP），OMP具有重要的功能。如孔蛋白（porin）可形成约1nm的微孔，允许分子质量小于600Da的水溶性分子通过；某些诱导性或去阻遏蛋白质，参与特殊物质的扩散过程；有的为细菌素、性菌毛或噬菌体的受体。由脂质双层向细胞外伸出的是LPS，为G^-菌的内毒素（endotoxin），借疏水键与脂质双层相连。LPS由脂质A、核心多糖和特异多糖三部分组成（图6-1-7）。

1）脂质A（lipid A）：为一种糖磷脂，由β-1，6糖苷键相连的D-氨基葡糖双糖组成，双糖骨架的游离羟基可携带多种长链脂肪酸和磷酸基团。脂质A的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。脂质A是内毒素毒性的主要组分，与G^-菌的致病性相关。脂质A的骨架基本一致且无种属特异性，故不同细菌产生内毒素的毒性作用相似。脂质A耐高温，不易被高压蒸气灭菌所破坏。

2）核心多糖（core polysaccharide）：位于脂质A和特异多糖之间，由己糖（葡萄糖、半乳糖等）、庚糖、2-酮基-3-脱氧辛酸（KDO）、磷酸乙醇胺等组成。经KDO与脂质A共价联结。核心多糖有属特异性，同一属细菌的核心多糖相同。

3）特异多糖（specific polysaccharide）：位于LPS的最外层，为数个至数十个低聚糖（3～5个单糖）重复单位所构成的多糖链，又称为寡糖重复单位（oligosaccharide repeat unit）。特异多糖为G^-菌的菌体抗原（O抗原），具有种特异性，多糖链中单糖残基的种类、排列顺序和空间构型等决定O抗原的特异性。当细菌丢失O抗原时，其培养特性会发生改变，菌落由光滑型变为粗糙型。

此外，少数G^-菌（脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌、流感嗜血杆菌）的LPS结构不典型，其外膜糖脂含有短链分枝状聚糖组分（与粗糙型肠道菌的LPS相似），称为脂寡糖（lipooligosaccharide, LOS）。它与哺乳动物细胞膜的鞘糖脂成分非常相似，从而使这些细菌逃避宿主免疫细胞的识别。LOS作为重要的毒力因子受到关注。

在G^-菌的细胞膜和外膜的脂质双层之间有一空隙，占细胞体积的20%～40%，称为周浆间隙（periplasmic space）。该间隙含有多种水解酶，例如蛋白酶、核酸酶、碳水化合物降解酶及作为毒力因子的胶原酶、透明质酸酶和β内酰胺酶等，在细菌获得营养、解除有害物质毒性等方面有重要作用。

G⁺菌和G^-菌的细胞壁结构显著不同（表6-1-1），导致这两类细菌在染色性、抗原性、毒性及对某些药物的敏感性等方面存在很大的差异。

（4）细胞壁的生物学作用：细菌依靠其坚韧而富有弹性的细胞壁维持固有形态，细胞壁损伤后可导致其呈现多形性。细菌胞质内有高浓度的无机盐和大分子有机物，渗透压很高，G⁺菌的渗透压可达20～25个大气压，G^-菌可达5～6个大气压，细胞壁可保护细菌抵抗低渗环境，并能在其中生存。细胞壁参与物质交换，可允许水分子及直径小于1nm的可溶性小分子自由通过。细胞壁维持菌体内离子的平衡，如G⁺菌的磷壁酸带有较多的负电荷，能与Mg^2＋等二价离子结合，有助于维持菌体内离子的平衡。细胞壁上带有多种抗原决定族，如G^-菌的O特异多糖，G⁺菌的磷壁酸，可以诱发机体的免疫应答，也可据此对细菌进行抗原性分型。细胞壁与细菌的致病有关。某些细菌的磷壁酸，能黏附在人体细胞表面，其作用类似菌毛，G^-菌的内毒素存在于细菌的细胞壁中。另外，细菌的细胞壁与染色性对药物的敏感性等有关。

（5）细菌细胞壁缺陷型（细菌L型）：细菌在体内外受到某些理化或生物因素（如青霉素、胆汁、抗体或溶菌酶等）作用于细胞壁后，使得肽聚糖结构受到直接破坏或合成被抑制，这种细胞壁受损的细菌在高渗环境下仍可存活，甚至生长和分裂，称为细菌细胞壁缺陷型或细菌L型（bacterial L form）。因1935年克兰伯格（Klieneberger）首先在英国李斯特（Lister）研究院发现而得名。现已发现几乎所有细菌、多种螺旋体和真菌均可产生L型。

G⁺菌L型称为原生质体（protoplast），必须生存于高渗环境中。G^-菌L型称为原生质球（spheroplast），因有细胞壁外膜的保护作用，在低渗环境中仍有一定的抵抗力。

细菌L型的形态因缺失细胞壁而呈高度多形性，有球状、杆状和丝状等。大小不一，着色不均，无论其原来为革兰氏阳性或阴性菌，形成L型后大多染成革兰氏阴性。细菌L型难以培养，生长繁殖时的营养要求基本与原菌相同，但必须补充3%～5% NaCl、10%～20%蔗糖或7%聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone, PVP）等稳定剂，以提高培养基的渗透压。同时还需要加入人或马血清。细菌L型生长较缓慢，一般培养2～7天后在软琼脂平板上形成中间较厚、四周较薄的荷包蛋样细小菌落。此外，尚有颗粒型和丝状型两种类型菌落。在液体培养基中生长后呈较疏松的絮状颗粒，沉于管底，培养液澄清。

细菌L型仍具有致病性，临床上在使用作用于细胞壁的抗菌药物治疗过程中，有可能出现细菌L型的感染和致病，通常引起慢性感染，如心内膜炎、骨髓炎、尿路感染等。因此，临床上在使用了此类药物后，患者仍有明显感染的症状而标本常规培养阴性者，应考虑细菌L型感染的可能。需要选择特殊的培养基并延长培养时间进行分离鉴定，以确定是否为细菌L型的感染。

2. 细胞膜（cell membrane）　又称胞膜（cytoplasmic membrane），是位于细胞壁内侧，包绕在细菌胞质外的具有弹性的半透性脂质双层生物膜，厚约7.5nm，占细胞干重的10%～30%。细菌细胞膜的结构与真核细胞的基本相同，主要由磷脂及蛋白质构成，不含胆固醇是二者的区别。细胞膜是细菌赖以生存的重要结构之一，具有一些重要功能。

（1）物质渗透与转运作用：细胞膜上有许多微孔，具有选择性通透作用，容许水和许多小分子可溶性物质通过；细胞膜上的载体蛋白能将膜外的特定物质逆浓度梯度运输到细胞内，细菌的代谢产物也通过细胞膜排出。

（2）合成与分泌作用：细胞膜上含有合成多种物质的酶类，可合成肽聚糖、磷壁酸、磷脂、LPS等成分。参与细胞壁肽聚糖合成的酶类（转肽酶或转糖基酶），是青霉素作用的靶点，称为青霉素结合蛋白（penicillin-binding proteins, PBPs），青霉素与PBPs结合后可抑制细胞壁四肽侧链与五肽交联桥或DAP之间的连接。细胞膜可合成与分泌水解性酶，协助摄取大分子营养物质（如蛋白质、多糖、类脂等），将此类聚合物降解成能通过细胞膜的亚单位，以供细菌代谢。G^-菌的细胞膜上有由多种细胞膜蛋白、外膜蛋白和辅助蛋白组成的Ⅰ～Ⅴ型分泌系统，参与蛋白质的分泌过程。

（3）呼吸作用：参与细菌呼吸过程的许多酶类存在于细胞膜上。如需氧菌细胞膜上含有细胞色素及氧化还原酶，可进行电子转运及氧化磷酸化，与细菌能量的产生、储存和利用有关。

（4）中介体的作用：某些细菌的细胞膜向胞质内凹陷折叠所形成的管状、板状、泡状等囊状物称为中介体（mesosome），多见于G⁺菌。中介体需用电子显微镜观察。

中介体常位于菌体的侧面或靠近中央横隔处的细胞膜上，另一端与核质相连。中介体参与细菌的分裂，当细菌分裂时中介体一分为二，带着复制好的核质移向两侧进入子代细胞；中介体扩大了细胞膜的表面积，相应地增加呼吸酶的含量，可为细菌提供大量能量，有拟线粒体（chondroid）之称。

（5）信号传导作用：细菌能够生存就必须适应各种环境的变化，具有感应外界环境信号的能力。细胞膜中存在的许多跨膜蛋白具有重要的信号传导作用。如G⁺菌和G^-菌均存在双组分信号传导系统（two-component signal transduction）。

3. 细胞质（cytoplasm）　细胞质是细胞膜包裹的无色透明胶状物，又称原生质（protoplasm），基本成分是水、蛋白质、脂类、核酸及少量无机盐。细胞质中还存在一些重要结构。

（1）质粒（plasmid）：是细菌染色体以外的遗传物质，为闭合的双股环状DNA。可以自我复制，携带有遗传信息，控制着细菌的某些遗传性状。

质粒往往可赋予细菌以特定的性状，如F质粒（fertility plasmid）控制性菌毛产生，R质粒（resistance plasmid）与细菌耐药性有关，Col质粒（coliciogenic plasmid）决定大肠菌素的产生。质粒传递（转移）是细菌遗传物质转移的一个重要方式。获得质粒的细菌可随之而获得一些新的生物学特性，如耐药性等。质粒不是细菌生长所必不可少的，失去质粒的细菌仍能正常存活。质粒的结构简单，易导入细胞中，常作为载体广泛应用于生物学研究中。

（2）核糖体（ribosome）：核糖体是细菌蛋白质合成的场所，游离存在于细胞质中。电镜下可见到细菌胞质中有大量沉降系数为70S的颗粒，即核糖体。其化学组成66%为RNA（包括23S、16S和5S），34%为蛋白质。细菌的核糖体由50S和30S两个亚基组成。链霉素能与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死亡；真核细胞的核糖体为80S，由60S和40S两个亚基组成，因此上述抗生素对人体细胞无影响。

（3）胞质颗粒（cytoplasma granule）：又称为内含物（inclusion），细菌细胞质中含有多种颗粒，大多为营养储藏物，包括糖原、淀粉等多糖以及脂类、磷酸盐等。不同细菌、不同生长期、养料和能量充足与短缺等情况下，胞质颗粒多少不一。有一种重要的胞质颗粒为异染颗粒（metachromatic granule），其化学本质为多偏磷酸盐和RNA，嗜碱性较强，用亚甲蓝染色时着色深，可以据此鉴别细菌。常见于白喉棒状杆菌。

4. 核质（nuclear material）　又称拟核（nucleoid），是细菌的遗传物质。细菌的核质集中在细胞质的某一区域，没有核膜、核仁，缺乏组蛋白和有丝分裂器，是裸露的DNA。细菌的核质为单倍体，由双股DNA组成的单一的密闭环状DNA分子反复回旋盘绕而成的网状结构，相当于一条染色体。除DNA外，核质中尚含有少量的RNA和组蛋白样的蛋白质。与真核细胞染色体相比，细菌的染色体有显著的特点：①DNA基因数目少，编码区连续，无内含子；②绝大多数编码蛋白质的结构基因保持单拷贝形式，很少有重复序列；但编码rRNA的基因通常是多拷贝，以便能装备大量的核糖体满足细菌的迅速生长繁殖；③没有核膜，DNA转录过程中核糖体就可以与mRNA结合，使转录和翻译相偶联同步。

（二）细菌的特殊结构

细菌的特殊结构包括荚膜、鞭毛、菌毛和芽胞。

1. 荚膜（capsule）　是某些细菌细胞壁外围绕的一层较厚的黏液性、胶冻样、化学本质为多糖或多肽的物质，其厚度在0.2μm以上时，普通光学显微镜下可见，与四周有明显界限，称为荚膜（图6-1-8）。厚度在0.2μm以下者，光镜下不能直接看到，必须以电镜或免疫学方法才能证明，称为微荚膜（microcapsule），如A群链球菌的M蛋白、伤寒沙门菌的Vi抗原及大肠埃希菌的K抗原等。若黏液性物质疏松地附着于菌细胞表面，边界不明显且易被洗脱者称为黏液层（slime layer）。荚膜的形成与环境条件有密切关系，一般在机体内和营养丰富的培养基中才能形成荚膜。有荚膜的细菌在固体培养基上形成光滑（S）型或黏液（M）型菌落，失去荚膜后菌落变为粗糙（R）型。荚膜并非细菌生存所必需的结构，如荚膜丢失，细菌仍可存活。荚膜是细菌致病重要的毒力因子，也是鉴别细菌的重要标志。

（1）荚膜的化学组成：大多数细菌的荚膜是多糖，如肺炎链球菌、脑膜炎奈瑟菌等；少数细菌的荚膜成分为多肽或蛋白质复合物，如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌等。荚膜多糖为高度水合分子，含水量在95%以上。多糖分子组成和构型的多样化使其结构和抗原性极为复杂，成为血清学分型的基础。如肺炎链球菌依据荚膜多糖抗原可分成85个血清型，脑膜炎奈瑟菌依据荚膜多糖抗原可分成13个血清群。荚膜与同型抗血清结合发生反应后即逐渐增大，出现荚膜肿胀反应，可借此将细菌定型。

荚膜对碱性染料亲和力低，不易着色。用墨汁负染法可清楚观察，用特殊的荚膜染色法可将其染成与菌体不同的颜色。

（2）荚膜的生物学作用

1）抗吞噬作用：荚膜是病原菌的重要毒力因子，可以抵抗宿主吞噬细胞的吞噬作用。例如有荚膜的肺炎链球菌菌株的毒力明显强于没有荚膜的肺炎链球菌菌株。抗吞噬的机制可能与荚膜阻止抗体、补体的调理作用有关，吞噬细胞表面的补体受体可因荚膜多糖的空间位阻难以与C3b结合而失去调理作用。另外由于荚膜黏液层比较光滑，不易被吞噬细胞捕捉等有关。

2）黏附作用：荚膜多糖可使细菌彼此之间黏附于组织细胞或无生命物体表面，形成生物被膜（biofilm），增强了细菌的侵袭力，是引起感染的重要因素。变异链球菌依靠荚膜将其固定在牙齿表面，利用口腔中的蔗糖产生大量的乳酸，积聚在附着部位，导致牙齿珐琅质的破坏，形成龋齿。有些具有荚膜细菌（例如铜绿假单胞菌），在住院患者的各种导管内黏附定居形成生物被膜，是医院内感染发生的重要因素。

3）抗干燥及有害物质的损伤作用：荚膜能潴留水分而抗干燥，同时能够阻止溶菌酶、抗体、补体及抗菌药物等有害物质对细菌的损伤作用，增强了细菌的对外抵抗力和侵袭力。

2. 鞭毛（flagellum）　是许多细菌（包括所有的弧菌和螺菌，约半数的杆菌和个别球菌）菌体上附有的细长、呈波状弯曲的丝状物（图6-1-9）。鞭毛长5～20μm，超过菌体若干倍。鞭毛直径12～30nm，需用电子显微镜观察，以特殊染色法使鞭毛增粗后才能在普通光学显微镜下看到。

依据细菌的鞭毛数目、位置和排列不同，可分为：①单毛菌（monotrichate）：只有一根鞭毛，位于菌体一端，如霍乱弧菌；②双毛菌（amphitrichate）：菌体两端各有一根鞭毛，如空肠弯曲菌；③丛毛菌（lophotrichate）：菌体一端或两端有一丛鞕毛，如铜绿假单胞菌；④周毛菌（peritrichate）：菌体周身遍布许多鞭毛，如变形杆菌等（图6-1-10）。

鞭毛自细胞膜长出，游离于细胞外。用电子显微镜研究鞭毛的超微结构，发现鞭毛的结构包括基础小体、钩状体和丝状体三部分。基础小体（basal body）位于鞭毛根部，埋在细胞壁中。G^-菌鞭毛的基础小体由一根圆柱和两对同心环所组成，一对是M（membrane）环与S（supramembrane）环，附着在细胞膜上；另一对是P环（peptidoglycan）与L（lipopolysaccharide）环，连在细胞壁的肽聚糖和外膜上。G⁺菌的细胞壁无外膜，其鞭毛只有M与S环而无P环和L环。钩状体（hook）位于鞭毛伸出菌体之处，呈钩状弯曲（约90°），鞭毛由此转弯向外伸出。丝状体（filament）呈纤丝状，伸出于菌体之外，是由鞭毛蛋白亚单位呈螺旋状缠绕而成的中空的管状结构。鞭毛蛋白是一种纤维蛋白，其氨基酸组成与骨骼肌肌动蛋白相似，与鞭毛的运动性有关。

鞭毛具有以下生物学作用：

（1）鞭毛是细菌的运动器官，有化学趋向性，常朝向有高浓度营养物质的方向移动而避开对其有害的环境。霍乱弧菌在液体中的运动可达55μm/s，周毛菌移动较慢，每秒25～30μm。鞭毛运动需要能量，细胞膜中的呼吸链可供其所需。

（2）鞭毛的运动与某些细菌的致病性有关。如霍乱弧菌通过运动穿过小肠黏膜表面的黏液层抵达黏膜面定植（colonization）致病；幽门螺杆菌进入胃腔后依据鞭毛的运动迅速脱离胃酸的作用，抵达黏膜面定植致病。

可依据鞭毛的数量、分布、运动特性以及抗原性，对细菌进行鉴定、分型及分类。鞭毛具有很强的抗原性，鞭毛抗原称为H抗原。

3. 菌毛（pilus or fimbria）　是许多G^-菌和少数G⁺菌菌体表面遍布的比鞭毛更为细、短、多的丝状物。其化学组成是菌毛蛋白（pilin），具有抗原性，其编码基因位于细菌的染色体或质粒上。菌毛与运动无关，在光镜下看不见，必须使用电镜才能观察到。按照功能的不同，菌毛可分为普通菌毛（ordinary pilus）和性菌毛（sex pilus）两种。

（1）普通菌毛：长0.2～2μm，直径3～8nm。普通菌毛数目较多，遍布菌细胞表面，可达数百根。普通菌毛是细菌的黏附结构，可以与细胞（红细胞、上皮细胞）表面的特异性受体结合，帮助细菌定植，是细菌感染的第一步，因此与某些细菌的致病性有关。如霍乱弧菌、肠致病性大肠埃希菌和淋病奈瑟菌有普通菌毛，黏附于肠壁或尿道黏膜面，抵抗肠蠕动或尿液的冲刷，因此，是上述细菌重要的致病物质。一旦失去菌毛，致病力将减弱或消失。有些细菌的普通菌毛是由质粒编码的，而另一些细菌的普通菌毛则由染色体控制。菌毛受体常为蛋白质或糖脂，它与菌毛结合的特异性决定病原菌感染宿主的组织倾向性。同样，如果红细胞表面具有菌毛受体的相似成分，不同的菌毛就会引起不同类型的红细胞凝集，称为血凝（hemagglutination, HA），借此鉴定菌毛。

（2）性菌毛：少数G^-菌有1～4根较长的性菌毛，比普通菌毛长而粗，中空呈管状。性菌毛与细菌的遗传和变异有关。性菌毛由质粒携带的致育因子（fertility factor）的基因编码，故性菌毛又称F菌毛。带有性菌毛的细菌称为F⁺菌或雄性菌，无菌毛的细菌称为F^-菌或雌性菌。性菌毛能通过接合（conjugation）的方式在细菌之间传递遗传物质，是细菌产生毒力及耐药性变异的重要机制。

4. 芽胞（spore）　某些G⁺菌（如芽胞杆菌属及梭菌属）在一定条件下，胞质浓缩，胞壁增厚，在菌体内形成的一个折光性很强、圆形或椭圆形的不易着色小体，是细菌的休眠形式，称为芽胞（图6-1-11）。芽胞的折光性很强，不易着色，经特殊的芽胞染色后可在光学显微镜下观察。

细菌形成芽胞的能力是由菌体内的芽胞基因决定的，并受环境条件影响。芽胞一般只在体外对细菌生长不利的环境条件下形成。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。不同细菌形成芽胞的条件可不同，如炭疽芽胞杆菌须在有氧条件下才能形成芽胞，破伤风梭菌在无氧条件下形成芽胞。芽胞带有完整的核质、酶系统和合成菌体组分的结构，能保存细菌全部生命活动，但是代谢非常缓慢。细菌形成芽胞后，菌体逐渐崩解消失，芽胞从菌体脱落游离出来。

成熟的芽胞为多层膜结构层层包裹的坚实球体，从内到外层依次为芽胞核心（core）、内膜、芽胞壁（spore wall）、皮质（cortex）、外膜、芽胞壳（spore coat）和芽胞外衣（exosporium）（图6-1-12）。一个细菌只形成一个芽胞。芽胞带有完整的核质、酶系统和合成菌体组分的结构，能保存细菌的全部生命必需物质。成熟的芽胞可被许多正常代谢物如丙氨酸、腺苷、葡萄糖、乳酸等激活而发芽（germination），一个芽胞发芽只形成一个细菌，因而芽胞不是细菌的繁殖方式。芽胞不能够直接分裂，与芽胞相比，未形成芽胞而具有繁殖能力的菌体称为繁殖体（vegetative form）。

细菌的芽胞具有以下生物学作用：

（1）抵抗力强：细菌芽胞对热、干燥、辐射、化学消毒剂等理化因素均有很强的抵抗力，在自然界能存活几年甚至几十年。芽胞抵抗力强与其结构、组成等有关。芽胞含水量少（约40%），蛋白质受热不易变性；芽胞具有多层厚而致密的膜，特别是芽胞壳，无通透性，能抵抗止理化因素的作用；芽胞形成时能合成一些特殊的酶，这些酶比繁殖体中的酶具有更强的耐热性；芽胞核心和皮质层中含有大量吡啶二羧酸（dipicolinic acid, DPA），占芽胞干重的5%～15%，是芽胞所特有的成分，在细菌繁殖体和其他生物细胞中都没有。DPA与钙结合生成的盐能提高芽胞中各种酶的热稳定性。芽胞形成过程中很快合成DPA，同时也获得耐热性。

（2）外源性感染来源：病原菌形成芽胞后在自然界存活的时间长，往往是某些疾病的重要传染源。如破伤风梭菌的芽胞通过厌氧的伤口感染机体后可引发破伤风。因此要严防芽胞污染伤口、用具、敷料、手术器械等。

（3）判断灭菌效果的指标：被芽胞污染的用具、敷料、手术器械等，用一般方法不易将其杀死，杀灭芽胞最可靠的方法是高压蒸气灭菌法。进行高压蒸气灭菌时，应以芽胞是否被杀死作为判断灭菌效果的指标。

（4）鉴别细菌：在医学实践中，可根据芽胞的大小、位置、形态等鉴别细菌（图6-1-13）。例如破伤风梭菌芽胞圆形，位于顶端，直径比菌体宽，如鼓槌状；炭疽芽胞杆菌的芽胞为卵圆形，比菌体小，位于菌体中央；肉毒梭菌芽胞亦比菌体大，位于次极端。

思考题

1. 细菌的基本结构和特殊结构有哪些？

2. 革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁结构有何差异？

（王国庆）

第二节　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。细菌具有代谢旺盛、繁殖迅速的特点。在细菌代谢过程中，可产生多种对人类的生活及医学实践有重要意义的代谢产物。

一、细菌的理化性状

（一）细菌的化学组成

细菌的化学组成与其他生物细胞相似，含有多种化学成分，主要包括水、无机盐、蛋白质、脂类、糖类和核酸等。水是菌细胞重要的组成部分，占细胞总质量的75%～90%。菌细胞去除水分后，主要为有机物，包括碳、氢、氮、氧、磷和硫等。无机盐构成菌细胞的各种成分、维持酶的活性和跨膜化学梯度，如钾、钠、铁、镁、钙和氯等。蛋白质占细胞固体成分的50%～80%，大部分为复合蛋白，如核蛋白、糖蛋白和脂蛋白等，构成结构蛋白与功能蛋白。细菌的核酸包括DNA和RNA两种，在DNA碱基配对中，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）在四种碱基总量中所占的百分比有一定范围，变化不大，故G＋C mol%可作为细菌分类的主要依据之一。

细菌中尚含有一些原核细胞型生物所特有的成分，如肽聚糖、磷壁酸、D型氨基酸、DAP和DPA等，这些成分在真核生物细胞中尚未发现。

（二）细菌的物理性状

1. 光学性质　细菌为半透明体，可用相差显微镜观察其形态和结构。细菌悬液呈浑浊状态，且浑浊程度与所含菌量呈正相关，故可用比浊法粗略测算液体中的细菌数目。由于细菌具有这种光学性质，可用相差显微镜观察其形态和结构。

2. 带电现象　细菌菌体中含大量蛋白质，由兼性离子氨基酸组成，在溶液中可解离成带正电荷的氨基（NH₄⁺）和带负电荷的羧基（COO^-）。G⁺菌等电点（pI）为2～3，G^-菌的pI为4～5。细菌的带电现象与其革兰氏染色性、菌体凝集试验、抑菌和杀菌作用等有密切关系。

3. 渗透压　细菌体内含有高浓度的营养物质和无机盐，渗透压很高，G⁺菌菌体内渗透压可达20～25个大气压，G^-菌菌体内渗透压可达5～6个大气压。细菌有坚韧的细胞壁，保护其在所处的相对低渗环境中不致崩裂。若菌体外渗透压比菌体内更高，菌体内水分逸出，胞质浓缩，形成生理性脱水，细菌不能生长繁殖。

4. 表面积　细菌体积微小，相对表面积大，有利于同外界进行物质交换，以满足其旺盛的代谢和快速的生长繁殖。如葡萄球菌直径约1μm，则1cm³体积的表面积可达60 000cm²；直径为1cm的生物体，每1cm³体积的表面积仅6cm²，两者相差1万倍。

5. 半透性　细菌的细胞壁和细胞膜均具半透膜性质，可以通过多种机制进行胞内外的物质交换，有利于吸收营养物质和排出代谢产物。

二、细菌的新陈代谢

细菌为有生命的机体，必须进行新陈代谢，新陈代谢一旦停止，生命亦结束。细菌新陈代谢有两个突出的特点：①代谢活跃；②代谢类型多样化，以满足不同环境条件下生存的需要。

（一）细菌代谢所需的营养物质

细菌在进行生长繁殖和新陈代谢时，需要提供各类营养物质作为必需的原料和能量，包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。不同的细菌对营养物质的要求有差别。

1. 水　水是细菌的重要组成成分。细菌代谢过程中所有的化学反应、营养物质的吸收和渗透、分泌、排泄均需有水才能进行。

2. 碳源　碳源是合成菌体所必需的原料，同时也作为细菌代谢的主要能量来源。各种无机或有机的含碳化合物（CO₂、碳酸盐、糖、脂肪等）都能被细菌吸收利用，致病菌主要从糖类中获取碳源。

3. 氮源　主要用于合成菌体细胞质及其他结构成分，需要量仅次于碳源。从分子态氮到复杂的含氮化合物都可被不同的细菌利用。病原菌除克雷伯菌可利用硝酸盐甚至氮气外，多数主要从有机氮化合物如氨基酸、蛋白胨中获取氮源。少数细菌（如固氮菌）能以空气中的游离氮或无机氮如硝酸盐、铵盐等为氮源。

4. 无机盐　细菌在生长代谢中需要摄取多种无机盐，其中对磷、硫、钾、钠、镁、钙、铁等常用元素需要量较多，需要浓度为10^-4～10^-3mol/L。其他如锰、锌、钴、铜、钼等微量元素，需要浓度为10^-8～10^-6mol/L。各类无机盐对细菌具有重要的作用：①构成菌体的成分；②调节菌体内、外渗透压；③促进酶的活性或作为某些酶的组分；④参与能量的储存和转运；⑤某些元素与细菌的生长繁殖及致病作用密切相关。如白喉棒状杆菌产毒株的毒素产量明显受培养基中铁含量的影响。低铁可影响细胞壁的通透性，利于毒素释放。培养基中铁浓度为0.14mg/L时，产毒素量最高，铁的浓度达到0.6mg/L时，则完全不产毒。在人体内，细菌必须与人体细胞竞争与铁蛋白、乳铁蛋白或转铁蛋白等结合才能生长繁殖。具有载铁体（siderophore）的细菌就有此竞争力，它可与铁螯合和溶解铁，并带入菌体内以供代谢之需。如结核分枝杆菌的有毒株和无毒株的一个重要区别就是前者具有称为分枝菌素（mycobactin）的载铁体，而后者无。

5. 生长因子　很多细菌在其生长过程中还需要一些自身不能合成的化合物，称为生长因子（growth factor）。生长因子必须从外界获得，其中包括维生素、某些氨基酸、脂类、嘌呤、嘧啶等。各种细菌对生长因子的需求不同，如大肠埃希菌很少需要生长因子。许多致病菌合成生长因子的能力差，在其生长繁殖过程中，必须提供复杂的营养物质以使其获得相应的生长因子。有些生长因子仅为少数细菌所需，如流感嗜血杆菌需要V、X两种因子。X因子是高铁血红素，V因子是辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ，两者均为细菌呼吸所必需。

（二）细菌的营养类型

各类细菌的酶系统不同，代谢活性各异，因而对营养物质的需要也不同。根据细菌利用碳源和氮源的能力不同，可将其分为自养菌和异养菌两类。

1. 自养菌（autotroph）　以简单的无机物为原料，如利用CO₂、碳酸盐作为碳源，利用氮气、氨或硝酸盐等作为氮源，合成自身的原生质成分的细菌。如固氮菌可以利用空气中的氮气合成自身成分。这类细菌所需能量来自无机物的氧化称为化能自养菌（chemotroph），或通过光合作用获得能量称为光能自养菌（phototroph）。

2. 异养菌（heterotroph）　以有机物如蛋白质、糖类等为原料，合成自身的原生质成分的细菌。其中以腐败动植物尸体和食物合成自身原生质的细菌叫腐生菌（saprophyte）；必须寄生于活的动植物体内，利用动植物的有机物合成自身原生质的细菌叫寄生菌（parasite）。对人类致病的细菌全部为异养菌，大多数为寄生菌。

（三）细菌对营养物质的吸收与转运

细菌的细胞膜具有选择性透过物质的作用，这对保证细菌有一个稳定的内在环境及在生长过程中不断获得各类营养物质十分重要。水及小分子溶质可经过半透膜性质的细胞壁及细胞膜进入菌体。大分子的营养物质如蛋白质、多糖和脂类必须在细菌分泌的胞外酶（exoenzyme）作用下，分解为小分子可溶性物质后才被吸收。营养物质进入菌体主要通过被动扩散和主动转运系统。

1. 被动扩散　指营养物质从浓度高向浓度低的一侧扩散，其驱动力是浓度梯度，不需要提供能量。将不需要任何细菌组分的帮助，营养物质就可以进入细胞质内的过程称为简单扩散。将需要菌细胞的特异性蛋白帮助或促进营养物质的跨膜转运称为易化扩散。如甘油的转运就属于后者，进入细胞内的甘油需要被甘油激酶催化形成磷酸甘油才能在菌体内积累。

2. 主动转运　是细菌吸收营养物质的主要方式，其特点是营养物质从低浓度向高浓度的一侧转运，并需要提供能量。主要有以下几种方式：

（1）ABC转运（ABC transport）：G^-菌的特异性结合蛋白位于周浆间隙，G⁺菌的特异性结合蛋白位于细胞的外表面。营养物与特异性结合蛋白形成复合物后，引起后者构型的改变，继而将营养物转送给细胞膜上的ATP结合型载体，导致ATP水解，提供的能量打开膜孔，使营养物质进入细胞内。

（2）离子偶联转运（ion-coupled transport）：该系统利用膜内外两侧质子或离子浓度差产生的质子动力或钠动力作为驱使营养物质越膜转移的能量。转运营养物质的载体是电化学离子梯度透性酶，这种酶是一种能够进行可逆性氧化还原反应的疏水性膜蛋白，即在氧化状态与营养物质结合，而在还原状态时其构象发生变化，使营养物质释放进入胞质内。这种方式在需氧菌极为常见。

（3）基团转移（group translation）：严格地讲，基团转移不是主动转运，它不涉及营养物质的浓度梯度，而是利用能量将物质转运与代谢相结合。

（4）特异性转运（special transport）：几乎所有的细菌生长都需要铁。细菌分泌载铁体来摄取铁，载铁体与Fe^3＋螯合能力极强，形成铁－异羟肟酸复合物，通过贯穿细菌外膜、周浆间隙和内膜的蛋白质协同作用，使铁进入菌细胞内并释放出来。

各种细菌的转运营养物质的方式不同，即使对同一种物质，不同细菌的摄取方式也不一样。

（四）细菌的能量代谢

细菌代谢所需的能量绝大多数是通过生物氧化作用而获得的。致病菌获得能量的基质主要是糖类，通过糖的氧化或酵解释放能量，并以高能磷酸键的形式（ADP、ATP）储存能量。

细菌的生物氧化分为呼吸与发酵两种类型。在生物氧化过程中，以无机物为受氢体的称为呼吸。其中以分子氧为受氢体的称为需氧呼吸，其生物氧化过程必须在有氧条件下进行；以无机化合物（如硝酸盐、硫酸盐）为受氢体的称为厌氧呼吸。生物氧化中以各种有机物为受氢体的称为发酵。厌氧呼吸和发酵必须在无氧条件下进行。大多数病原菌以需氧呼吸或发酵的形式获取能量。

1. 需氧呼吸（respiratory）　细菌的呼吸链位于细胞膜上。1分子葡萄糖在有氧条件下彻底氧化，生成CO₂和H₂O，并产生32分子ATP，以供细菌合成代谢和生长繁殖之用。需氧呼吸中，葡萄糖经过糖酵解途径生成丙酮酸，进而脱羧产生乙酰辅酶A后进入三羧酸循环彻底氧化。然后将脱出的氢进入电子传递链进行氧化磷酸化，最终以分子氧作为受氢体。需氧菌和兼性厌氧菌可进行需氧呼吸。

2. 发酵（fermentation）　呼吸酶系统不完善的细菌，必须通过发酵获取能量，按照机制的不同分为EMP（Embden-Meyerhof-Parnas）途径（又称糖酵解）和磷酸戊糖途径［又称磷酸己糖（hexose monophosphate, HMP）途径］。EMP途径是大多数细菌共有的基本代谢途径，是专性厌氧菌产能的唯一途径。产生能量远比需氧呼吸少。1分子葡萄糖可生成2分子丙酮酸，产生2分子ATP和2分子NADH⁺＋H⁺。磷酸戊糖途径是EMP途径的分支，由己糖生成戊糖的循环途径。其主要功能是为生物合成提供前体和还原能，反应获得12分子的NADH⁺＋H⁺可供进一步利用，产能效果仅为EMP途径的一半，故不是产能的主要途径。

3. 厌氧呼吸　为一类产能效率低的特殊呼吸，多见于专性厌氧菌和兼性厌氧菌。1分子葡萄糖经厌氧酵解，只能产生2分子ATP，最终以外源的无机氧化物（CO₂、 ）作为受氢体。

（五）细菌的分解代谢产物

细菌分泌胞外酶，将多糖、蛋白质等大分子营养物质分解为单糖、小肽或氨基酸，然后吸收进入菌体，再经氧化或胞内酶分解形成菌体可利用的成分，此谓细菌的分解代谢。在分解代谢过程中，由于不同的细菌可产生不同的酶，因此分解同一种底物可产生不同的产物，在培养基中预先或培养后加入特定的指示剂，根据指示剂的改变可鉴别细菌，通常称为细菌的生化反应。生化反应现广泛应用于细菌的鉴定和诊断。细菌的生化反应种类很多，概括起来包括以碳水化合物为底物的试验、蛋白质或氨基酸代谢试验、碳源和氮源利用试验以及各种酶类试验。

1. 碳水化合物的代谢试验

（1）糖发酵试验：不同的细菌可产生不同的分解糖类的酶，对各种糖的分解能力及代谢产物不同，可借以鉴别细菌。微生物学研究中，如果某种细菌发酵糖后既产酸又产气，以“⊕”表示；仅产酸不产气，以“+”表示；不发酵糖者以“-”表示。如大肠埃希菌能分解葡萄糖和乳糖，产生甲酸等有机酸，并有甲酸解氢酶，可将其分解为CO₂和H₂，故生化反应结果为“⊕”。伤寒沙门菌分解葡萄糖后仅产酸不产气，生化反应结果为“+”。伤寒沙门菌及一般肠道致病菌大都不能分解乳糖，生化反应结果为“-”。

（2）VP（Voges-Proskauer）试验：产气肠杆菌等能产生丙酮酸脱羧酶，使分解葡萄糖产生的丙酮酸脱羧生成中性的乙酰甲基甲醇，在碱性溶液中被氧化生成二乙酰，后者可与含胍基的化合物反应，生成红色化合物，为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。

（3）甲基红（methyl red）试验：大肠埃希菌等分解葡萄糖产生丙酮酸，使培养液pH＜4.5，指示剂甲基红呈红色，为甲基红试验阳性。产气肠杆菌等可使丙酮酸脱羧后形成中性产物乙酰甲基甲醇，培养液pH＞5.4，甲基红指示剂呈橘黄色，为甲基红试验阴性。

2. 蛋白质或氨基酸代谢试验

（1）吲哚（indole）试验：含有色氨酸酶的细菌（如大肠埃希菌、变形杆菌等）可分解色氨酸生成吲哚（靛基质），加入对二甲基氨基苯甲醛后可与吲哚结合，形成红色玫瑰吲哚，为吲哚试验阳性。

（2）硫化氢试验：有些细菌如乙型副伤寒沙门菌、变形杆菌等可产生分解含硫氨基酸（如胱氨酸、甲硫氨酸）的酶，分解含硫氨基酸生成硫化氢，在有乙酸铅或硫酸亚铁存在时，则生成黑色硫化铅或硫化亚铁，为硫化氢试验阳性。

（3）尿素分解试验：变形杆菌、幽门螺杆菌等具有尿素酶，可分解尿素产生氨，使培养基呈碱性，酚红指示剂显示红色，为尿素分解试验阳性。

3. 碳源和氮源利用试验

枸橼酸盐利用试验（citrate ultilization test）：某些细菌（如产气肠杆菌）能利用枸橼酸盐作为碳源，分解枸橼酸盐生成碳酸盐，同时分解培养基的铵盐生成氨，由此使培养基变为碱性，指示剂溴麝香草酚蓝（BTB）由淡绿色转为深蓝色，此为枸橼酸盐利用试验阳性。不能利用枸橼酸盐的细菌（如大肠埃希菌）在此培养基上不能生长。

吲哚（I）、甲基红（M）、VP（V）、枸橼酸盐利用（C）四种试验常用于鉴定肠道杆菌，合称为IMViC试验。例如大肠埃希菌这四种试验的结果是“＋＋――”，产气肠杆菌则为“――＋＋”。

4. 各种酶类试验

（1）氧化酶试验：氧化酶（细胞色素氧化酶）是细胞色素呼吸酶系统的最终呼吸酶。具有氧化酶的细菌，首先使细胞色素C氧化，再由氧化型细胞色素C对苯二胺氧化，生成有色的醌类化合物，为氧化酶试验阳性。主要用于肠杆菌科细菌与假单胞菌的鉴别。

（2）触酶试验（过氧化氢酶试验）：有的细菌可产生触酶，能催化过氧化氢生成水和新生态氧，继而形成分子氧出现气泡，为触酶试验阳性。常用于G⁺球菌的初步分群。

现代临床细菌学已普遍采用微量、快速的生化鉴定方法。根据鉴定的细菌不同，选择系列生化指标，依反应的阳性或阴性选取数值，组成鉴定码，形成以细菌生化反应为基础的各种数值编码鉴定系统。更为先进的全自动细菌鉴定仪完成了细菌生化鉴定的自动化。气相、液相色谱法通过对细菌分解代谢产物中挥发性或不挥发性有机酸和醇类的检测，可准确、快速地确定细菌种类，是新型细菌生化鉴定技术。

（六）细菌的合成代谢产物

细菌通过新陈代谢不断合成菌体成分，如多糖、蛋白质、脂肪、核酸、细胞壁及各种辅酶等。此外，细菌还能合成很多在医学上具有重要意义的代谢产物。

1. 热原质（pyrogen）　或称致热原，许多G^-菌如铜绿假单胞菌等和少数G⁺菌如枯草芽胞杆菌等，能合成一种化学本质为脂多糖的物质，注入机体可致发热反应，称为热原质。热原质耐高热，高压蒸气灭菌（121℃，20min）不能使其破坏，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的发热反应。因此在制备注射药剂时应严格无菌操作，防止被细菌污染。必须用无热原质的蒸馏水配制，液体中的热原质可用吸附剂等方法除去。

2. 毒素（toxin）与侵袭性酶（invasive enzyme）　许多致病菌在代谢过程中分泌或死亡崩解后可释放毒素。依据毒素特性的不同，分为内毒素（endotoxin）和外毒素（exotoxin）。外毒素毒性强于内毒素。

某些细菌可产生侵袭性酶，能损伤机体组织，促进细菌感染的侵袭和扩散，增强其抵抗宿主的免疫杀菌能力。毒素与侵袭性酶与细菌的致病性密切相关。

3. 抗生素（antibiotics）　某些微生物在代谢过程中可产生一种能抑制或杀死其他微生物或肿瘤细胞的抗生类物质，称为抗生素。抗生素多由放线菌和真菌产生，细菌仅产生少数几种，如多黏菌素（polymyxin）、杆菌肽（bacitracin）等。

4. 细菌素（bacteriocin）　某些细菌能产生一种仅对与产生菌有近缘关系的细菌有杀伤作用的蛋白质称为细菌素。细菌素抗菌范围很窄，在治疗上意义不大，但可用于细菌分型和流行病学调查。细菌素依产生菌而命名，大肠埃希菌产生的细菌素称为大肠菌素，铜绿假单胞菌产生的称为绿脓菌素。

5. 维生素（vitamine）　某些细菌能合成一些维生素，除供自身的生长需要外，也能分泌至菌体外的环境中，如大肠埃希菌在肠道内能合成B族维生素和维生素K等，也可被宿主吸收利用。

6. 色素（pigment）　有些细菌在一定的条件下（营养丰富、氧气充足、温度适宜）能产生色素。细菌产生的色素可分为水溶性色素和脂溶性色素两类。水溶性色素在产生后不仅限于菌落表面，并能弥散至培养基或周围组织，如铜绿假单胞菌产生的色素使培养基或脓汁呈绿色。脂溶性色素不溶于水，在产生后仅出现于菌落表面，而培养基仍为其本色，如金黄色葡萄球菌产生的金黄色色素。细菌色素无光合作用，功能尚不清楚。可根据色素的颜色和性质鉴别细菌。

三、细菌的生长繁殖

生长繁殖是生命的基本特征之一，细菌的生长繁殖表现为细菌的组分和数量的增加。

（一）细菌生长繁殖的条件

1. 充足的营养　细菌在生长繁殖过程中需要水、碳源、氮源、无机盐和必要的生长因子。充足的营养物质才能为细菌的新陈代谢及生长繁殖提供原料和足够的能量。

2. 适宜的温度　细菌生长的温度极限为-7～90℃。各类细菌对温度的要求不同，可分为嗜冷菌（psychrophile），最适生长温度为10～20℃；嗜温菌（mesophile），最适生长温度为20～40℃；嗜热菌（thermophile），最适生长温度为50～60℃。病原菌均为嗜温菌，大多数最适温度为37℃，故实验室一般采用35～37℃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　在细菌新陈代谢过程中，酶的活性在一定pH范围内才能发挥，因此，每一种细菌有一个可生长的pH范围以及最适生长pH。多数病原菌最适pH为中性或弱碱性（pH7.2～7.6）。人类血液、组织液的pH为7.4左右，细菌极易生存。胃液偏酸性，绝大多数细菌可被杀死。个别细菌如霍乱弧菌在pH8.4～9.2时生长最好；结核分枝杆菌生长最适pH为6.5～6.8，乳杆菌为pH5.5。细菌依靠细胞膜上的质子转运系统包括ATP驱使的质子泵、Na⁺/H⁺和K⁺/H⁺交换系统，调节菌体内的pH。在培养细菌时，培养基中应加入缓冲剂，以缓冲细菌代谢过程中分解糖产酸所致的pH下降。

4. 必要的气体环境　病原菌生长繁殖时需要的气体主要是O₂和CO₂。一般细菌在代谢过程中产生的CO₂即可满足自身需要，但有些细菌（如脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌、牛布鲁菌等）在初次分离培养时，需提供5%～10%的CO₂。按细菌代谢时对分子氧的需求与否将细菌分为四种类型。

（1）专性需氧菌（obligate aerobe）：具有完善的呼吸酶系统，生长过程中必须有O₂存在，需要分子氧作为受氢体以完成需氧呼吸。如结核分枝杆菌、霍乱弧菌等。

（2）微需氧菌（microaerophilic bacterium）：在低氧压（5%～6%）环境中生长最好，氧浓度大于10%对其有抑制作用。如空肠弯曲菌、幽门螺杆菌等。

（3）兼性厌氧菌（facultative anaerobe）：兼有有氧呼吸和发酵两种功能的酶系统，不论在有氧或无氧环境中均能生长，但以有氧时生长较好。大多数病原菌属于此，如金黄色葡萄球菌、伤寒沙门菌等。

（4）专性厌氧菌（obligate anaerobe）：此类细菌由于缺乏完善的呼吸酶和解氧毒的酶系统，只能在无氧环境中进行发酵，利用其他有机物作为最终的受氢体进行生物氧化。有游离氧存在时，不但不能利用分子氧，且还将受其毒害，甚至死亡。如破伤风梭菌、脆弱类杆菌。专性厌氧菌厌氧可能的机制是：

1）缺乏氧化还原电势（E_h）高的呼吸酶：各种物质有其固有的E_h。在氧化还原过程中，E_h高的物质可氧化E_h低的物质，反之不能。人体组织的E_h约为150mV，普通培养基在有氧环境中E_h可达300mV左右，但大多数致病菌具有更高E_h的呼吸酶，如细胞色素和细胞色素氧化酶，可氧化环境中的营养物质获取能量。专性厌氧菌缺乏这类高E_h呼吸酶，固有的E_h低，只能在无氧时120mV以下的E_h环境生长，有氧时不能生长。

2）缺乏分解有毒氧基团的酶：细菌在有氧环境中代谢时，可产生超氧阴离子（）和过氧化氢（H₂O₂）。在有铁存在的条件下，这两种物质还可产生游离羟基（·OH），上述物质均具有强烈的杀菌作用。需氧菌有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和触酶（catalase），前者可将还原成H₂O₂，后者将H₂O₂分解为水和分子氧而解毒。有的细菌不产生触酶，但可产生过氧化物酶（peroxidase），将H₂O₂还原成无毒的水分子。专性厌氧菌缺乏这三种酶，故在有氧时受到自身产生的、H₂O₂和·OH的杀菌作用，不能生长繁殖。

5. 合适的渗透压环境　一般培养基的盐浓度和渗透压对大多数细菌是安全的，少数细菌如嗜盐菌（halophilic bacterium）需要在高浓度（3%）的NaCl环境中生长。细菌的L型培养时需要补充3%～5%NaCl、10%～20%蔗糖或7%聚乙烯吡咯烷酮（PVP），以提高培养基的渗透压。

（二）细菌生长繁殖的方式与速度

1. 细菌个体生长繁殖的方式与速度　细菌以简单的二分裂方式（binary fission）无性繁殖，在适宜条件下繁殖速度极快。细菌分裂倍增的必需时间称为代时（generation time），细菌的代时取决于细菌的种类，同时受环境条件的影响，多数细菌代时为20～30min，个别细菌如结核分枝杆菌代时为18～20h。

细菌分裂时，菌细胞增大，染色体复制。在G⁺菌中，细菌染色体与中介体相连，当染色体复制时，中介体亦一分为二，各向两端移动，拉着复制好的染色体移到细胞两侧。接着细菌中部的细胞膜向内逐渐陷入，形成横隔。同时细胞壁亦向内生长，成为两个子代细菌的胞壁，最后在肽聚糖水解酶的作用下，细胞壁肽聚糖共价键断裂，分裂成为两个细菌。G^-菌无中介体，染色体直接连接在细胞膜上。复制产生的新染色体则附着在邻近的一点上，在两点之间形成新的细胞膜，将两团染色体分离至两侧。最后细胞壁沿横膈内陷，整个细菌分裂成两个子代细菌。球菌可从不同平面分裂，分裂后形成不同排列方式。杆菌则沿横轴分裂。

2. 细菌群体生长繁殖　细菌个体的繁殖速度之快是惊人的，大肠埃希菌的代时为20min，以此计算，在最佳条件下8h后，1个细菌可繁殖到200万以上，10h后可超过10亿，24h后，细菌繁殖的数量可庞大到难以计数的程度。但实际上，由于细菌繁殖中营养物质的消耗、有害代谢产物的逐渐积累及环境pH的改变等，细菌不可能始终保持原速度无限增殖，经过一定时间后，细菌活跃增殖的速度逐渐减慢，死亡细菌逐渐增多，活菌数增长率随之下降并趋于停滞。

将一定数量的细菌接种于适宜的液体培养基，在培养的不同时间点取样检查液体中的活菌数，以培养时间为横坐标，培养物中活菌数的对数为纵坐标，可绘制出一条细菌群体生长曲线（growth curve）（图6-2-1）。根据生长曲线，细菌群体的生长繁殖可分为四期：

（1）迟缓期（lag phase）：细菌进入新环境后的短暂适应阶段。此期细菌繁殖极少，曲线平坦。迟缓期长短因菌种、接种菌量、菌龄以及营养物质等不同而异，一般为1～4h。此期中细菌体积增大，代谢活跃，为细菌的分裂增殖合成、储备充足的酶、能量及中间代谢产物。

（2）对数期（logarithmic phase）：又称指数期（exponential phage）。此期细菌生长繁殖旺盛，以稳定的几何级数极快增长，生长曲线上活菌数的对数呈直线上升。多数细菌的对数期为培养8～18h时间段。此期细菌的形态、染色性、生理活性都很典型，对抗生素等外界环境因素的作用最敏感，因此研究细菌的生物学性状以此期最好。

（3）稳定期（stationary phase）：该期细菌由于受培养基中营养物质消耗、毒性产物的积累及pH下降等不利因素的影响，繁殖速度渐趋下降，而死亡菌数逐渐上升，细菌繁殖数与死亡数接近，使活菌保持相对稳定。在生长曲线上表现为平坦状态。稳定期细菌的生物学性状可出现改变，可产生外毒素及抗生素等代谢产物以及形成芽胞等。

（4）衰亡期（decline phase）：随着稳定期的发展，细菌生存环境进一步改变，细菌的繁殖速度减慢甚至停止，死亡菌数明显增多，活菌数与培养时间呈反比关系。此期细菌肿胀或畸形衰变，甚至菌体自溶，难以辨认其形态。生理代谢活动趋于停滞。故陈旧培养物上难以鉴别细菌。

细菌生长曲线只有在体外人工培养的条件下才能观察到。体内及自然界细菌的生长繁殖受机体免疫因素和环境因素等多方面的影响，不会出现象培养基中那样典型的生长曲线。掌握细菌群体的生长规律，可以人为地改变培养条件而进行连续培养，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。

四、细菌的人工培养

在细菌的鉴定与研究、感染性疾病的诊治、生物制品的制备、细菌毒力分析、卫生学指标的检测及基因工程技术等诸多领域，需要人工培养细菌。在掌握了细菌的新陈代谢和生长繁殖的特点与规律后，可用人工方法提供细菌所需要的条件来培养细菌，以满足不同的需求。

（一）培养基

培养基（culture medium）是用人工方法配制而成的，专供微生物生长繁殖使用的混合营养物制品。培养基一般pH为7.2～7.6，少数细菌按生长要求调整pH偏酸或偏碱。许多细菌在代谢过程中分解糖类产酸，故常在培养基中加入缓冲剂，以保持稳定的pH。培养基制成后必须经灭菌处理。根据培养基的性质和用途可分为以下几种：

1. 基础培养基（basic medium）　含有多数细菌能生长繁殖的基本营养物质。如营养肉汤（nutrient broth）、蛋白胨水等。基础培养基是配制其他各种培养基的基础，同时可以用于对营养要求不高细菌的培养。

2. 增菌培养基（enrichment medium）　包括通用增菌培养基和专用增菌培养基，前者在基础培养基中加入葡萄糖、血液、血清、酵母浸膏等，增加培养基中的营养物质，可供营养要求较高的细菌生长，如血平板或血清肉汤等；后者又称为选择性增菌培养基，即除固有的营养成分外，再添加特殊抑制剂，有利于目的菌的生长繁殖。

3. 选择培养基（selective medium）　在培养基中加入某些特定的化学物质，利用不同种类细菌对其敏感性的不同，抑制了标本中其他杂菌生长，有利于选择出欲分离的目的菌。如SS琼脂培养基含有胆盐、煌绿等，能抑制G⁺菌及大肠埃希菌生长，有利于肠道致病菌中的沙门菌和志贺菌生长。选择培养基广泛应用于混杂标本中细菌的分离。

4. 鉴别培养基（differential medium）　利用不同的细菌分解糖或蛋白质等底物能力的不同，在培养基中加入特定的底物和指示剂，观察细菌生长后指示剂的变化，用此生化方法鉴别细菌。如各种单糖发酵管、双糖铁培养基等。

5. 厌氧培养基（anaerobic medium）　用于厌氧性细菌的分离、培养和鉴定。该培养基含有多种特殊的成分，如所含心、脑浸液和肝块以及肉渣中有不饱和脂肪酸，能吸收培养基中的氧；硫乙醇酸盐和半胱氨酸是较强的还原剂；维生素K₁、氯化血红素可以促进某些类杆菌的生长。液体培养基表面加入凡士林或液体石蜡隔绝空气。这种培养基氧化还原电势低，营养丰富，含有特殊生长因子，并加入亚甲蓝作为氧化还原指示剂。常用的有庖肉培养基（cooked meat medium）、硫乙醇酸盐肉汤等。

另外，培养基按物理性状可分为液体、半固体和固体三大类。液体培养基可用于增菌及生化鉴别等。在液体培养基中加入赋形剂琼脂（agar）可改变培养基的物理性状。如加入2%琼脂，可制备成固体平板或斜面培养基，用于细菌的分离、鉴定等。加入0.3%～0.5%琼脂可制备成半固体培养基，用于观察细菌的动力。还可根据对培养基成分了解的程度将其分为两大类：化学成分确定的培养基，又称为合成培养基；化学成分不确定的培养基，又称天然培养基。

（二）细菌的培养方法

根据不同细菌的生理特性，将细菌标本接种于培养基后，选择合适的培养方法进行培养。常用的培养方法包括需氧培养法、CO₂培养法以及厌氧培养法。需氧培养法是最常用的细菌培养方法，适用于需氧和兼性厌氧菌的培养。CO₂培养法用于初次培养时需要通入5%～10% CO₂的细菌，如脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌、牛布鲁菌等。厌氧培养法主要用于专性厌氧菌的培养。

（三）细菌在培养基中的生长现象

1. 在液体培养基中的生长现象　多数液体培养基在无菌状态时澄清透亮，无沉淀和漂浮物。不同的细菌在其中生长后可出现以下生长现象：①均匀浑浊生长，多数细菌呈现此现象；②沉淀生长，细菌生长后沉积于管底；③菌膜生长，多见于需氧菌，由于对O₂的需求，可浮在液体表面生长，形成菌膜，如结核分枝杆菌等。

2. 在半固体培养基中的生长现象　半固体培养基用穿刺法接种。有鞭毛的细菌经培养后可沿穿刺线向四周扩散呈放射状或云雾状生长，穿刺线边缘与培养基浑浊不清。无鞭毛细菌培养后仅沿穿刺线生长，穿刺线边缘与培养基界限清晰。

3. 在固体培养基上的生长现象　固体培养基分为平板与斜面两种。通过分离培养，细菌可在平板培养基形成菌苔（mossy）或菌落（colony）。菌落是指由单个细菌分裂增殖而形成的一堆肉眼可见的细菌集团。一个菌落是由一个细菌繁殖的后代堆积而成，挑取一个菌落，移种到另一培养基上，生长出来的细菌均为纯种，称为纯培养（pure culture）。不同的细菌在平板培养基上形成的菌落大小、形状、颜色、边缘、表面光滑度、湿润度、透明度及在血平板上的溶血情况等可不同，据此可初步识别和鉴定细菌。细菌的菌落一般分为三型：①光滑型菌落（smooth colony, S型菌落）：表面湿润、光滑，边缘整齐；②粗糙型菌落（rough colony, R型菌落）：表面干燥、粗糙、呈皱纹或颗粒状，边缘不整齐；③黏液型菌落（mucoid colony, M型菌落）：黏稠，有光泽，露水珠样，多见于有厚荚膜的细菌。细菌在斜面培养基上多呈菌苔样生长。

五、细菌的分类和命名

（一）细菌的分类

细菌分类（taxonomy of bacteria）是按一定的原则将类似的细菌归在一起，并与其他细菌相区别。所有的细菌可以按照其特性依一定顺序排列成为一个系统，冠以适当的分类名称。这个系统就是细菌分类学。

细菌的分类层次与其他生物相同，也是界、门、纲、目、科、属、种。在细菌学中常用的是属（genus）和种（species）。生物学性状基本相同的细菌群体构成一个菌种；性状相近关系密切的若干菌种组成一个菌属。同一菌种的细菌，在某些方面仍有一定差异，可分为亚种（subspecies），亚种以下的分类等级为型（type），如血清型（serotype）、噬菌体型（phagetype）、细菌素型（bacteriocin-type）、生物型（biotype）等。由不同来源分离的同一种、同一亚种或同一型的细菌称为株（strain），具有某种细菌典型特征的菌株称为模式菌株（type strain）或标准菌株（standard strain）。如H37RV即结核分枝杆菌的强毒标准株；金黄色葡萄球菌的标准株是ATCC 25925；而ATCC 25922和ATCC 27853分别是大肠埃希菌和铜绿假单胞菌的标准菌株。

随着方法学的发展，细菌的分类不断完善而且更加科学。细菌分类方法包括传统分类法、数值分类法和遗传学分类法。

1. 传统分类法　以一些细菌较为稳定的生物学性状，如细菌的形态结构、染色性、培养特性、生化反应、抗原性等为依据进行的分类。这种方法使用方便，分类亦较为明确，但有主观性。目前，国际上最具权威的细菌分类系统专著《伯杰系统细菌学手册》即是这一传统分类法的代表。依据此手册，与医学有关的细菌分类见表6-2-1。

2. 数值分类法　借助计算机将拟分类的细菌按其性状的相似程度进行归类，一般需要选用50项以上的生理、生化指标逐一进行比较，以此划分种和属。如相似度＞85%者为同种，相似度＞65%为同属。

3. 遗传学分类法　按细菌的核酸、蛋白质结构的同源程度进行分类，揭示细菌的进化信息。包括DNA G＋C含量测定、核酸同源值测定、核糖体RNA（16S rRNA）碱基序列测定。16SRNA在进化过程中保守、稳定，很少发生变异，因而更为重要。目前，16S rRNA寡核苷酸碱基序列分析已在国内外研究与治疗机构得到广泛应用。

（二）细菌的命名

细菌采用拉丁双名法命名，斜体字印刷。每一种细菌的学名均由两个拉丁语化的词组成，第一个为属名，用名词，第一个字母大写，可简写为第一个大写字母，第二个为种名，形容词，不用大写，不可简写。例如金黄色葡萄球菌的学名用Staphylococcus（属名）aureas（种名）表示，可简写为S. aureas。译成中文名称则为种名在前，属名在后。有时对泛指某一属的细菌，而不特指其中的某个菌种，则可在属名之后加上“sp.”或“spp.”，sp.代表菌种Species，P表示复数（plurula）。如Salmonella spp.，泛指沙门菌属的细菌。

思考题

1. 细菌生长繁殖条件有哪些？其生长方式是什么？

2. 细菌的主要合成代谢产物有哪些？在医学上有何意义？

（王国庆）

第三节　细菌的遗传与变异

遗传和变异是细菌的基本特征之一。遗传（heredity）使细菌的子代与亲代之间的种属性状（形态、结构、新陈代谢、抗原性、毒力以及对药物的敏感性）保持稳定；而变异（variation）则使子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现差异，有利于细菌的生存及进化。

细菌的变异包括遗传性变异与非遗传性变异。遗传性变异是指细菌因基因突变或转移与重组使遗传物质结构发生改变，进而获得新的性状，并可稳定地遗传给后代，又称基因型变异（genotypic variation）。这种变异常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，是不可逆的。非遗传性变异是细菌受生存环境条件的影响而发生的暂时性的性状改变，基因结构未改变，不能遗传，是可逆的，又称为表型变异（phenotypic variation）。细菌的形态结构、培养特性、抗原构造、毒力和耐药性均可发生变异。

一、细菌遗传变异的物质基础

决定细菌所有特性的遗传信息位于细菌的基因组（genome）内，包括染色体及染色体以外的遗传物质（质粒、噬菌体及转位因子），这些是细菌遗传变异的物质基础。

（一）细菌染色体

细菌染色体存在于细菌胞质中，是一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋而呈松散的网状结构，无核膜包裹，附着在横隔中介体（革兰氏阳性菌）或细胞膜（革兰氏阴性菌）上。与真核细胞的染色体不同，表现为：①细菌的染色体缺乏组蛋白；②除了rRNA基因是多拷贝外，大多数编码蛋白质的基因为单拷贝形式，很少有重复序列；③细菌具有连续的基因结构，无内含子，转录后形成的RNA分子不必加工剪切，边转录边翻译成蛋白质。在大肠埃希菌中已证明细菌染色体DNA的复制是双向复制，即从复制起始点开始，分别按顺时针和逆时针两个方向进行，全过程约需20min。

细菌全基因组序列的测定和分析为人类更深层次地了解细菌地生物学特性、遗传变异、致病性及致病机制创造了条件。全基因组序列分析表明，细菌种内和种间存在着广泛的遗传物质交换。近年来提出了致病岛（pathogenicity island, PAI）的概念，PAI是指插入到致病菌染色体上的外源基因群，分子质量较大（20～100kbp），编码与毒力相关的因素。PAI的G＋C百分比和密码使用与宿主菌染色体有明显差异，且两侧往往含有重复序列或插入序列。PAI可编码黏附素、毒素、铁摄取系统、侵袭素、Ⅲ型和Ⅳ型分泌装置等，直接或间接地增强了细菌的适应性，使细菌和宿主之间相互影响，是细菌演变和致病性的关键。如幽门螺杆菌的染色体上携带cag PAI，与其致炎、致溃疡等关系密切，非致病菌株往往缺乏cag PAI，不同的菌株、菌型、菌种之间可存在相同的PAI，G⁺菌和G^-菌均可有PAI。当无PAI的细菌获得PAI后，有可能成为新的有毒力菌株。

（二）质粒

质粒是细菌染色体外的遗传物质，位于细胞质中。质粒具有以下主要特征：①自主复制能力：其中紧密型质粒（stringent plasmid）拷贝数低，与染色体同步复制；松弛型质粒（relaxed plasmid）拷贝数高，随时复制，与染色体复制无关。②携带的遗传信息能赋予细菌某些特殊性状，如耐药性、致病性和性菌毛产生等。③通过接合、转化或转导等方式在相同或不同种属的菌株间转移，使受体菌的生物学性状发生改变，如耐药性质粒的转移使受体菌获得耐药性。在实验室中，质粒甚至可以在细菌和哺乳动物细胞之间转移。④不是细菌生命活动必需的遗传物质，可自行丢失或经紫外线等理化因素处理后消除，质粒丢失后，质粒所赋予细菌的性状亦随之消失。⑤具有相容性和不相容性的特征：两种结构相似、密切相关的质粒不能稳定共存于一个宿主菌细胞内，此现象称为不相容性（incompatibility）。几种不同的质粒同时共存于一个细菌内称为相容性（compatibility）。质粒相容与否，与不同质粒在复制时所需的复制酶、在菌体内复制的部位等是否产生竞争或抑制有关。

在细菌体内已发现的具有重要医学意义的质粒包括：

1. 致育质粒（fertility plasmid, F质粒）　编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递。

2. 耐药质粒（resistance plasmid, R质粒）　常编码对一种或数种抗菌药物的抗性。革兰氏阴性菌中较多见R质粒，可以通过细菌间的接合进行传递。

3. 细菌素质粒　控制各种细菌素的产生。如携带有Col质粒的大肠埃希菌可产生大肠菌素。

4. 毒力质粒（virulence plasmid, Vi质粒）　编码与细菌致病性有关的毒力因子。许多致病菌的致病因素与携带的Vi质粒相关，如肠产毒型大肠埃希菌产生的不耐热和耐热肠毒素是由LT和ST质粒决定；鼠疫耶尔森菌的鼠毒素（murine toxin）也是由质粒编码产生的；某些金黄色葡萄球菌产生的表皮剥脱素由毒力质粒编码。

某些质粒可同时决定几种功能，如F质粒除编码性菌毛外，还可在质粒的接合转移中发挥作用；某些耐药性质粒也可能携带有编码毒力的基因。

（三）噬菌体

噬菌体（bacteriophage, phage）是可以侵袭细菌、真菌、放线菌和螺旋体的病毒。噬菌体本质是一类病毒，种类多，分布广，具有病毒的基本特性。个体微小，结构简单，只能在活菌内寄生且有严格的宿主特异性，仅有一种类型的核酸。某些噬菌体感染宿主菌后可赋予宿主菌新的生物学性状，引发细菌变异。

1. 形态与结构　噬菌体形态多呈蝌蚪形，也有微球形和细杆状。蝌蚪形噬菌体由头、尾两部分组成（图6-3-1）。大肠埃希菌T4噬菌体头部呈六边形，立体对称，大小约96nm×65nm，由保护核酸的蛋白质衣壳及内部携带有噬菌体遗传信息的核酸组成。噬菌体核酸仅有一种类型，即DNA或RNA，双链或单链，环状或线状。尾部呈管状结构，由一个内径约2.5nm中空尾髓和外面包着的尾鞘组成。尾髓有收缩功能，可将头部核酸注入宿主菌。尾部末端有尾板、尾刺和尾丝。尾板内可能含有使宿主菌细胞壁裂解的溶菌酶。尾刺和尾丝能识别宿主菌表面的特殊受体，与噬菌体的吸附有关。在头尾连接处有尾领结构，可能与噬菌体的装配有关。噬菌体根据与宿主菌的相互关系，可分为毒性噬菌体（virulent phage）和温和噬菌体（temperate phage）两种类型。

2. 毒性噬菌体　噬菌体感染宿主菌后，利用宿主菌体内的原料、能量和酶，合成子代噬菌体，并最终导致宿主菌裂解，称为毒性噬菌体。毒性噬菌体的增殖过程包括吸附、穿入、生物合成、成熟和释放。①吸附：噬菌体感染宿主菌的第一步，其尾丝和尾刺与宿主菌表面的受体特异性结合，因而也决定了噬菌体感染宿主的特异性；②穿入：噬菌体吸附于宿主菌后，借助尾部所携带的溶菌酶样物质，破坏细胞壁形成小孔，随着尾髓的收缩，将头部的核酸注入宿主菌体内，无尾噬菌体与丝状噬菌体以脱壳的方式进入细菌体内；③生物合成：进入菌体内的噬菌体核酸，转录mRNA，翻译出早期蛋白质，如核酸复制所必需的酶，随后复制产生子代核酸，再进行晚期转录和翻译，产生噬菌体的结构蛋白（头部衣壳和尾部）；④成熟释放：蛋白质与核酸分别合成后，按一定程序装配成完整的子代噬菌体。子代噬菌体达到一定数量时，在酶类的溶解作用下，细菌细胞突然裂解，释放出子代噬菌体，再感染其他敏感细菌。从噬菌体吸附至裂解释放出子代噬菌体的过程称为一个溶菌周期。

3. 温和噬菌体　噬菌体感染宿主菌后，不引起宿主菌裂解，而是将其基因组整合于宿主菌基因组内，并随宿主菌的分裂传向子代细菌，建立溶原周期。这类噬菌体称为温和噬菌体，又称为溶原性噬菌体（lysogenic phage）。整合在宿主菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（prophage）。带有前噬菌体的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacteria）。

温和噬菌体可偶尔自发（发生率为10^-5）或在某些理化、生物因素的诱导下，发生整合的前噬菌体脱离宿主菌染色体，进入溶菌周期，导致细菌裂解，并产生新的成熟噬菌体。可见温和噬菌体既有溶原周期，又有溶菌周期（图6-3-2），而毒性噬菌体只有一个溶菌周期。温和噬菌体感染宿主菌后，可引起宿主菌发生变异。有些溶原性细菌由于携带了前噬菌体，产生新的性状，如产生毒素等，称为溶原性转换（lysogenic conversion）。另外，温和噬菌体还可通过转导（transduction）的方式在细菌间传递遗传物质。

4. CRISPR/Cas系统介导细菌抵抗噬菌体的感染　1987年，科研人员研究发现在原核细胞基因组DNA上的一些特殊区段的序列里，有反复重复出现的短回文序列，且为倒置的、可形成发卡结构的重复序列。重复回文序列间被一些序列各异的小DNA片段间隔，称为间隔区DNA（spacer DNA）。这样的区段被称为成簇规律间隔短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR）。CRISPR序列上游有一小簇与其相关的功能基因，称为CRSIPR相关基因（CRISPR-associated system, Cas）。二者统称为CRISPR/Cas系统（彩图6-3-3）。后续研究发现这些间隔区DNA片段实际是来源于入侵细菌的噬菌体DNA或质粒DNA。当相同的噬菌体或质粒再次侵入细菌，CRISPR/Cas系统便以CRISPR重复间隔序列为模板，转录产生此噬菌体或质粒特征性序列RNA（CRISPR RNA）。CRISPR RNA与Cas序列编码的RNA酶（Cas蛋白）形成的复合物特异地识别并破坏噬菌体基因组DNA或质粒DNA序列，从而抵抗噬菌体感染或质粒入侵。凭借CRISPR/Cas系统，细菌构建了一个抵抗病毒（噬菌体）和质粒的适应性免疫机制。

（四）转位因子

转位因子（transposable element, Tn）是存在于细菌染色体、质粒DNA分子上的一段可移动的特异性核苷酸片段。它可通过从一个基因组到另一基因组的移动而不断改变它们在基因组中的位置。这种位移改变可能引起核苷酸序列的变化，如产生插入突变或影响插入点附近基因的表达，也可能因本身携带一定的基因序列，如耐药基因、糖发酵基因等，赋予细菌新的生物学性状。美国女科学家芭芭拉·麦克林托克（B. McClintock）于20世纪40年代末在玉米中首次发现了Tn，并因此荣获1983年度的诺贝尔生理学或医学奖。转位因子主要有以下三类：

1. 插入序列（insertion sequence, IS）　是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与转座功能无关的基因，只编码一种参与转位作用的转位酶（transposase）。IS是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分，可双向插入，既可正向整合到基因组上，也可反向整合到基因组上。IS可介导高频重组菌（high frequency recombinant, Hfr）的形成。

2. 转座子（transposon, Tn）　序列长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带其他基因（如耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因）（表6-3-1）。Tn插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活而产生基因突变，另一方面可因带入新的基因使细菌获得新的性状，如耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。

转座子依据结构特征的不同分为复合型、Tn3系和接合性转座子三类。复合型Tn是由2个同样的IS连接在一个或多个编码功能基因的两侧构成（图6-3-4）。复合型Tn很容易将携带的药物抗性基因在细菌染色体、质粒和噬菌体基因组之间转移，导致细菌耐药性的播散，是自然界中细菌耐药性产生的重要原因之一。Tn3系转座子由三部分组成：即30～40bp的末端重复序列、与Tn功能有关的基因和抗生素抗性基因。接合性转座子是可以在细菌间通过接合作用进行转移的转座子。

3. Mu噬菌体　是一类具有转座功能的温和噬菌体，其核酸为线性DNA分子，作为转位因子可随机插入宿主DNA中。Mu噬菌体可作为菌体内基因克隆的工具。

二、细菌遗传性变异的机制

细菌遗传性变异主要通过基因突变、基因的转移与重组等造成基因结构的改变所致。

（一）基因突变

1. 突变（mutation）　是指细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，并可向子代传递。突变可以是自然界中自发发生的，称为自发突变（spontaneous mutation），也可以是受到理化诱变剂（如紫外线、辐射、黄曲霉素B₁等）作用后发生的，称为诱发突变（induced mutation）。在自然界分离的未发生突变的细菌称为野生株（wild strain），其表现型为野生型（wild type）。基因组发生了突变的菌株称为突变株（mutant strain）。

根据DNA序列改变程度，细菌的突变分为小突变和大突变。小突变是由细菌DNA上仅一个或几个碱基的置换（substitution）、插入（insertion）或缺失（deletion）引起。突变的发生只影响一个或几个基因，引起较小的性状变异。一个碱基对的改变称为单点突变（point mutation），两个或两个以上碱基对的突变为多点突变（multiple mutation）。多点突变引起遗传物质的重排、倒位、缺失，若发生大段DNA的改变，称为大突变或染色体畸变（chromosome aberration）。大突变可造成细菌表型较大的改变。

2. 基因突变规律

（1）突变率：在细菌生长繁殖过程中，细菌每分裂10⁶～10¹⁰次才可能发生一次突变，自发突变率仅为10^-10～10^-6。但由于自然界中细菌繁殖速度快，数量多，在环境中可能存在的各种理化诱变剂（如高温、紫外线、X射线、烷化剂、亚硝酸盐、黄曲霉素B₁等）的作用下，诱发突变率可达10^-6～10^-4。

（2）突变与选择：细菌突变的发生是随机且不定向的。发生突变的细菌只是菌群中的个别细菌。有些突变株可被特定环境选择而生存下来。如某些细菌的耐药突变株就是细菌在生长繁殖过程中自发产生的，在生长环境中抗生素的作用下，敏感菌被杀死，耐药菌被筛选出来，并成为该环境的优势菌。

（3）回复突变：突变株经过又一次突变恢复野生型菌株的性状，称为回复突变（backward mutation）。回复突变真正回复到野生型的DNA序列的突变概率很小，再一次突变可能是一个抑制基因（suppressor gene）突变代偿了第一次突变性状上的改变，包括基因内抑制（intragenic suppressor）和基因外抑制（extragenic suppressor）。前者指回复突变发生在同一基因内的不同位置，后者指回复突变发生在不同的基因中。自发回复突变率一般是正向突变率的10%左右。

（二）基因转移与重组

细菌的DNA片段可在适当条件下在细菌间转移和重组，既适应了环境条件和自然界的选择，又利于细菌的多样性。外源基因组由供体菌（donor）转移给受体菌（recipient）的过程称为基因转移或基因交换（genetic exchange）。转移后，受体菌必须能容纳外源性基因，发生基因重组（genetic recombination）。成功的基因重组要求进入受体菌的外源DNA能够复制，导致其基因型发生改变成为重组体或重组菌（recombinant bacterium）。外源性遗传物质包括供体菌染色体DNA片段、质粒DNA及噬菌体基因，可通过转化、接合、转导、溶原性转换和原生质体融合等进行基因转移和重组，引发细菌变异。

1. 转化（transformation）　指供体菌游离的DNA被受体菌直接摄取而获得新的遗传性状的过程。

自然界中许多细菌可发生转化，如肺炎链球菌、枯草芽胞杆菌、流感嗜血杆菌、嗜热脂肪芽胞杆菌等。1928年弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）发现肺炎链球菌的转化现象。肺炎链球菌的荚膜是其重要的致病物质，小鼠对有毒力的肺炎链球菌易感。将ⅢS型肺炎链球菌（有荚膜，毒力强，菌落呈S型）注射至小鼠体内后，小鼠死亡，从死鼠心血中分离出大量ⅢS型肺炎链球菌；分别将加热杀死的ⅢS型肺炎链球菌或活的ⅡR型肺炎链球菌（无荚膜，毒力减弱，菌落呈R型）注射小鼠，小鼠均不死亡。但若将加热杀死的ⅢS型肺炎链球菌和活的ⅡR型肺炎链球菌混合注射至小鼠体内，则小鼠死亡，并从死亡小鼠心血中分离到ⅢS型肺炎链球菌。1944年艾弗里（Avery）用活的ⅡR型肺炎链球菌和提取的ⅢS型肺炎链球菌的DNA代替加热杀死的ⅢS型肺炎链球菌注射小鼠，小鼠死亡，并从死鼠心血中分离到ⅢS型肺炎链球菌，得到相同的结果。进一步证实引起转化的物质是游离的DNA，如应用DNA酶处理转化物质则可破坏转化（图6-3-5）。

天然转化体系中，细菌进入感受态（competence）的特殊生理状态时才能捕获外源的DNA。感受态细菌结合的DNA数量比非感受态细菌多1000倍。处于感受态的细菌，产生特殊蛋白并在接受和加工DNA中发挥作用。如在细菌表面出现一种吸附DNA的受体蛋白，与DNA结合形成的复合物可抵御核酸酶的作用。另外，还包括细胞壁自溶素和各种核酸酶。感受态的出现时期、持续时间因菌种而异，一般出现在对数生长期后期，此期只能维持几分钟至3～4h。细菌感受态也可用人工诱导的转化程序形成，加入Ca^2＋与Mg^2＋处理，可增加感受态细菌摄取DNA的能力。对一般转化方法不能成功的细菌，电穿孔技术（electroporation）可使转化率提高10～100倍。

2. 接合（conjugation）　指供体菌的遗传物质（质粒或染色体DNA）经性菌毛的相互连接沟通，转移给受体菌的过程。能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，主要包括F质粒、R质粒等。不能通过接合方式转移的质粒称为非接合性质粒。

（1）F质粒的接合：带有F质粒的细菌有性菌毛，称为F⁺菌或雄性菌；无F质粒者无性菌毛，称为F^-菌或雌性菌。在适宜条件下，F⁺和F^-菌混合培养，F⁺菌性菌毛末端与F^-菌表面受体接合，性菌毛逐渐缩短使两菌之间靠近并形成通道，F⁺菌的质粒DNA中的一条链断开并通过性菌毛通道进入F^-菌细胞内。F质粒DNA的传递是从转移起点oriT开始的。首先在oriT位点做单链切割，随后缺口链在其游离的5′端的引导下转移到受体菌，并作为模板合成互补链，形成新的质粒分子。供体菌内，质粒DNA按滚环式复制形成完整的F质粒。受体菌在获得F质粒后长出性菌毛，成为F⁺菌（图6-3-6）。通过接合转移F质粒的频率可达到70%。

F质粒进入受体菌后，少数情况下可整合到受体菌的染色体中，与染色体一起复制，有可能引发宿主染色体发生有效高频率地转移，称为高频重组菌株（high frequency recombinant, Hfr）。当Hfr株与F^-菌接合时，F质粒的起始转移位点oriT的一条DNA链断开，引导染色体DNA通过性菌毛接合桥进入F^-菌，F质粒跟着染色体DNA最后进入受体菌。由于37℃时雄性菌基因组完全进入雌性菌需要的时间长（约需100min），且细菌间的接合桥并不稳定，接合作用可随时自发解离或受外界因素影响而中断。故在Hfr转移中，可有不同长度的供体菌染色体片段进入F^-菌细胞内进行重组。但F^-菌获得F质粒的机会很少，故接合结束后，受体菌往往仍然是F^-。F质粒在Hfr中的整合作用是可逆的，有时会从染色体上脱离下来，终止其Hfr状态。从染色体上脱离的F质粒有时可带有染色体上几个邻近的基因，这种质粒称为F'质粒。经接合方式转移后，除可使受体菌获得性菌毛外，还可获得染色体基因决定的性状。如F'质粒可携带染色体上编码乳糖酶基因的Lac操纵子（lac operon），当该质粒转移后，可使原来不发酵乳糖的受体菌获得发酵乳糖的新性状。

F⁺、Hfr、F'三种菌都有性菌毛，均为雄性菌，可通过接合方式进行基因转移。

（2）R质粒的接合：1959年日本学者将具有多重耐药的大肠埃希菌与药物敏感的志贺菌混合培养，发现多重耐药性可由大肠埃希菌传递给志贺菌，证实R质粒可通过接合传递。许多细菌的耐药性与R质粒有关，尤其是多重耐药性。从健康人分离的大肠埃希菌的30%～50%有R质粒，致病性大肠埃希菌约90%有R质粒。

R质粒由耐药传递因子（resistance transfer factor, RTF）和耐药决定子（resistance determinant, r决定子）组成（彩图6-3-7），这两部分可以单独存在，也可结合在一起，但单独存在时不能发生质粒的接合性传递。RTF可编码性菌毛样结构，使R质粒通过接合转移；r决定子能产生对抗菌药物的耐药性，一个r决定子可携带多个耐药基因，可由几个转座子相邻连接排列，如Tn9、Tn4、Tn5。RTF与r决定子之间结合与分离是因为两端均有IS，每个Tn两端也均有IS，可自由结合，所以携带耐药质粒的细菌可同时对多种抗菌药物耐药。R质粒通过接合方式可以在同一种属细菌间或不同菌属间传递，这在革兰氏阴性菌中更为突出。R质粒还可诱导非接合性耐药质粒传递，因而使细菌耐药性迅速传播，耐药菌株不断增加。R质粒在革兰氏阳性菌（如链球菌属、梭杆菌属）中也被发现，供体菌和受体菌的接合有赖于前者表面的黏附因子。受体菌分泌信息素，导致供体菌表达黏附素，引起二者聚集，形成交合聚集体，完成R质粒的转移。

非接合性质粒分子质量较小，无编码转移体系所需要的基因，因而不能单独接合传递，但如果在同一细胞内存在接合性质粒（如F或R质粒），非接合性质粒就会被诱导传递。

3. 转导（transduction）　以温和噬菌体为载体，将供体菌的DNA片段转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。根据转导基因片段的性质和范围，可分为普遍性转导和局限性转导。

（1）普遍性转导（generalized transduction）：温和噬菌体进入溶菌周期时，前噬菌体从细菌染色体上脱离并进行生物合成，产生大量子代噬菌体的DNA和结构蛋白等，噬菌体DNA与衣壳蛋白组装时发生组装错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体，发生率为10^-7～10^-5。释放的转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内，同时将错误包装的供体菌的DNA片段转移到受体菌内，导致受体菌变异。因被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导。普遍性转导也能转导质粒，金黄色葡萄球菌中R质粒的转导在医学上具有重要意义。噬菌体的宿主特异性决定了普遍性转导仅能发生在同种细菌内。

根据转导后DNA是否整合重组，普遍性转导分为完全转导（complete transduction）和流产转导（abortive transduction）。如果转导来的供体菌DNA片段与受体菌染色体整合，并随染色体传代，成为稳定的转导子，称为完全转导；如供体菌DNA片段不能重组到受体菌染色体上，由于它本身不具有独立复制功能，随着细菌分裂，供体菌DNA片段只能沿着单个细菌传递下去，称为流产转导（图6-3-8）。

（2）局限性转导（restricted transduction）：温和噬菌体在进入溶菌周期时，前噬菌体从细菌染色体上脱离时发生偏差交换，导致子代噬菌体的基因组内携带了前噬菌体两侧的部分基因。感染另一宿主菌时，子代噬菌体又将供体菌的遗传物质传递到受体菌体内。由于它只能转导前噬菌体两旁的基因，故称为局限性转导或特异性转导（specialized transduction）。如λ噬菌体感染大肠埃希菌K12后，噬菌体DNA整合在大肠埃希菌染色体上半乳糖基因（gal）和生物素基因（bio）之间。当进入溶菌周期时，噬菌体DNA从细菌染色体上分离，将有10^-6概率发生偏差分离，即噬菌体将其本身DNA上的一段留在细菌染色体上，却带走了噬菌体DNA两侧的gal或bio基因，形成缺陷噬菌体，感染宿主菌后可将供体菌的基因转导并整合到受体菌中，使受体菌获得新的遗传性状（图6-3-9）。

4. 溶原性转换（lysogenic conversion）　是指溶原性细菌因整合了前噬菌体而获得新的遗传性状。溶原性转换可使某些细菌发生毒力或抗原性变异。如无毒的白喉棒状杆菌感染β-棒状杆菌噬菌体后，由于噬菌体携带编码毒素的tox基因，使其获得产生白喉毒素的能力。C型和D型肉毒梭菌产生肉毒毒素，产气荚膜梭菌产生α毒素，A群链球菌产生致热外毒素，金黄色葡萄球菌产生溶菌素等均是溶原性转换的结果，且沙门菌、志贺菌等抗原结构和血清型的改变也与溶原性转换有关。

5. 原生质体融合（protoplast fusion）　原生质体融合是在实验室将两种细菌经溶菌酶或青霉素等处理失去细胞壁成为原生质体后，在融合剂聚乙二醇作用下促使两种原生质体融合的过程。融合后的双倍体细胞可以短期生存。在此期间，染色体之间可以发生基因的交换和重组，获得多种不同表型的重组融合体。原生质体融合使一些原来不具备基因转移条件的细菌实现基因的转移和重组。原生质体融合在自然状况下很难发生。

三、细菌遗传变异的意义和应用

（一）在疾病诊断、治疗和预防中的应用

1. 病原学诊断　细菌在形态、结构、染色性、生化特性、抗原性等诸多方面均可发生变异，导致不典型性状，常给鉴定工作带来困难。因而，临床细菌学检查不仅要熟悉细菌的典型特性，还要充分了解细菌的变异现象和规律，只有这样才能去伪存真，做出正确诊断。

2. 临床治疗　细菌的耐药性变异是临床细菌性感染面临的重要问题之一，不仅临床分离的细菌中耐药株日益增多，而且对多种抗生素耐药的多重耐药菌株也相继被发现，并且有些耐药株因同时携带有编码毒力的基因，致病性增强。这些变异的后果给疾病的治疗带来很大的困难。为提高抗菌药物的疗效，防止耐药菌株扩散，治疗时可通过检测临床分离株的耐药基因，选择临床用药，提高疗效。

3. 传染病预防　以毒力减弱但保留免疫原性的菌株制成的减毒活疫苗，已成功用于某些传染病的预防。现在临床上使用的减毒活疫苗很多，如预防结核病的卡介苗（BCG）、预防炭疽病的减毒疫苗、预防布鲁菌和鼠疫耶尔森菌的减毒活疫苗等。

（二）在测定致癌物质中的应用

诱变剂可以诱导细菌发生基因突变。这些诱变剂作用于机体后可导致机体基因突变，是细胞恶性转化的重要原因。这些诱变剂可能就是致癌物质。Ames 试验的原理就是利用细菌的致突变试验检测致癌物质。选用鼠伤寒沙门菌的组氨酸营养缺陷型（his^-）菌株作为试验菌，该菌株在组氨酸缺乏的培养基上不能生长，发生突变成为his⁺菌后，则能够生长。以待检物为诱导剂，通过计算培养基上的菌落数比较有待检物诱导的试验平板和无诱导物诱导的对照平板。如果发现突变率提高，则证明诱导菌落生长的待检物有致癌的可能。

（三）在流行病学研究中的应用

利用分子生物学方法追踪病原微生物的来源、进化、变异等在流行病学研究中有重要意义。通过检测、比较、分析病原生物核酸序列的同源性，确定某一感染暴发疫情中流行菌株或相关基因的来源，或调查各种耐药细菌的播散情况，已广泛应用于分子流行病学研究。

（四）在基因工程中的应用

基因工程（genetic engineering）是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的。基因工程的主要步骤是：①从供体（病毒、细菌或其他生物细胞）的DNA上分离出目的基因片段；②将目的基因连接到合适的载体（质粒或噬菌体）上形成重组DNA分子；③通过载体将目的基因转移到工程菌（受体菌）内并进行筛选；④随着筛选出的工程菌的生长繁殖，表达大量的目的基因产物。目前基因工程已能使工程菌大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、IL-2、乙型肝炎疫苗等生物制品，有效地解决了某些天然药物合成和纯化困难大、生产难、成本高的问题。此外，利用基因工程的方法，以正常基因代替异常基因进行基因缺陷性疾病治疗等探索性项目也已逐渐开展。

CRISPR/Cas系统是细菌抗噬菌体和质粒的适应性免疫机制，其核心是通过一段来源于外源DNA的序列片段，特异性与靶DNA互补结合，引导CRISPR/Cas系统编码的核酸酶，将目标DNA切断。近年研究发现CRISPR/Cas系统的核酸酶（尤其是Cas9）可以在真核细胞中发挥同样作用，它被广泛应用于动物和人类细胞的基因沉默和基因编辑，例如制备特定基因敲除（knockout）的细胞系、特定基因敲除的动物模型等。自2013年以来，基于CRISPR/Cas系统原理建立的CRISPR/Cas9技术作为一种新型基因编辑工具，在基因工程领域具有巨大的应用潜能。

思考题

1. 细菌有哪些变异现象？

2. 细菌菌株间遗传物质的转移与重组有哪些方式？

3. 细菌为什么能产生耐药性？

4. 简述CRISPR/Cas系统的组成及其生物学意义。

（钟照华）

第四节　细菌的致病性与机体的抗感染免疫

一、医学微生态学

微生态学（microecology）是生态学的分支学科，是研究微生物在细胞或分子水平上与其宿主（环境）相互关系的综合性学科。医学微生态学是研究寄居在人体体表和与外界相通腔道的微生物之间、微生物与人体之间以及微生物、人体与外界环境相互作用的学科。医学微生态学的研究对象主要是机体内的正常微生物群和条件致病菌。

（一）正常微生物群及其生理意义

正常微生物群（normal microflora）是指寄居在正常人体的体表以及和外界相通的腔道表面的微生物群，在机体免疫力正常的情况下对机体不致病，因此构成了机体的正常微生物群。由于对这些微生物中有关细菌的研究最多且临床意义重要，因此又称其为正常菌群（normal flora）。

正常微生物群种类繁多，包括细菌、放线菌、螺旋体、病毒、真菌等。其中有的往往伴随人的终生，称为常住菌群（resident flora），如肠道中的大肠埃希菌；有的是来源于外环境的非致病菌和潜在致病菌，只是暂时寄生在皮肤、黏膜上，称为暂住菌群（transient flora），可寄生数小时、数天或数月。

人体不同部位的正常微生物群的种类和数量差别很大。一个健康成年人全身定植的正常微生物总数高达1×10¹⁴个，是人体自身细胞总数的近十倍，因此，可以认为，人体是宿主和微生物群的共生系统。正常微生物群主要分布于体表以及和外界相通的腔道表面，如消化道、呼吸道上段、泌尿生殖道前端、外耳道等，在局部形成了微生态系。正常机体的组织内、血液和淋巴循环系统一般是无菌的，偶尔有正常菌群少量侵入血流和组织器官，可被机体内的吞噬细胞吞噬、清除。人体不同部位常见的正常微生物群见表6-4-1。

正常微生物群是机体微生态组成和平衡的关键因素，具有重要的生理意义。

1. 生物拮抗（antagonism）作用　在正常机体内的特定部位，正常微生物群的种类和数量相对稳定和平衡。它们可通过生物拮抗作用在机体局部发挥抗感染作用。生物拮抗一方面使得正常微生物群内部各菌之间相互拮抗，维持微生态平衡；另一方面，可抵抗外来致病菌的感染。生物拮抗发生的机制是：①营养竞争作用：在机体内局部环境中含有的营养物质种类和数量是比较恒定的，而且不同细菌所含酶类不同，对营养物质的利用能力不同，正常微生物群通过营养争夺，相互拮抗，同时拮抗侵入的致病菌；②生物屏障作用：正常微生物群在一定条件下可在定居部位的表面形成肉眼看不见的微菌落（microcolony）和由微菌落及细菌分泌物组成的细菌生物膜（biofilm），通过屏障作用和占位性保护作用阻止外来致病菌的定植；③化学屏障作用：正常微生物群产生的生物酶、活性肽以及代谢产物等，能阻止或杀死病原菌在体内定植，如肠道中的大肠埃希菌可产生大肠菌素，可以抑制或杀死与其有近缘关系的志贺菌的生长，阴道中的乳杆菌分解糖原产生酸，使阴道内pH为3.8～4.4，可抑制其他微生物及阴道毛滴虫的繁殖。

2. 营养作用　正常微生物群在新陈代谢过程中可以合成一些重要的营养物质，参与宿主的物质代谢，包括氮的利用、糖的代谢及维生素的合成等。如肠道中的脆弱类杆菌、大肠埃希菌、乳杆菌和双歧杆菌等能合成B族维生素、维生素C、维生素K、烟酸、叶酸等供宿主利用。

3. 免疫作用　正常微生物群含有抗原性物质，可以刺激机体的免疫系统产生免疫应答。一方面促进了宿主免疫器官的发育成熟；另一方面，刺激产生的免疫效应分子可以抑制正常微生物群的增殖和危害，也可对具有交叉抗原组分的致病菌有一定程度的抑制或杀灭作用。如肠道中的双歧杆菌刺激机体产生的sIgA以及激活肠道固有层中的CD4⁺T，释放IFN-γ，激活巨噬细胞，阻断与其有共同抗原的肠道寄生菌对肠道黏膜上皮细胞的穿透作用，杀伤某些细菌、病毒。

4. 抗衰老作用　正常菌群中的双歧杆菌、乳杆菌及肠球菌等可产生超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD），能够清除人体细胞代谢产生的活性氧O^2-，防止机体的组织细胞被氧化而损伤，发挥抗衰老作用。

5. 抗肿瘤作用　正常菌群通过激活巨噬细胞产生的多种酶类分解转化某些致癌物质或致癌前物质（如降解亚硝酸胺为仲胺和亚硝酸盐并排出体外）等发挥抗肿瘤作用。实验证实，将等量亚硝氨基胍分别滴注无菌大鼠和普通大鼠结肠内，更易诱发前者组织的癌变，提示肠内正常菌群有抑制肿瘤作用。

（二）微生态的平衡与失调

微生态平衡（micro-eubiosis）是指在长期进化过程中，正常微生物群与其宿主在共同环境影响下形成的相互依赖、相互制约的生理性动态平衡。微生态系统始终处于动态变化之中，其平衡与失调的影响因素来自宿主、正常微生物群及环境三个方面。

1. 宿主　宿主是微生态平衡中的重要因素，人体内的正常微生物群随年龄、不同的发育阶段及宿主的免疫状态等变化而变化。正常机体的免疫功能可以抑制正常微生物群的大量增殖，当机体免疫力降低时，其中的某种或某些菌株可引起机体感染。肠道中正常微生物群在婴儿、青少年、成人及老年不同年龄阶段存在有规律的波动。健康婴幼儿肠道中，双歧杆菌约占肠道菌群的98%；成年后，这类菌数量减少，代之以其他菌群；进入老年后，产生H₂S和吲哚的芽胞杆菌增多。在机体生理状态改变时，微生态群可发生变化，如妊娠7～9个月时，口腔厌氧菌明显增加。

2. 正常微生物群　维持机体微生态平衡，对正常微生物群有定位、定性和定量的要求。①定位（location）要求：人体内正常的微生物群必须在特定的位置才有可能是常住菌群。一旦发生寄居部位改变，进入非正常部位，成为暂住菌群，就有可能给机体致病。如大肠埃希菌在肠道中为正常菌群，但如果进入腹腔即可引起腹膜炎。②定性（quality）要求：在某一生态环境中，正常微生物群的种类是相对稳定的，可有细菌、真菌、病毒，甚至原虫。③定量（quantity）要求：在微生态平衡中，正常微生物群的总数以及各群间的数目和比例是相对平衡的。数目较多的菌群为优势菌（predominant bacteria），是决定微生态的核心。如在肠道中，厌氧菌占优势，其减少甚至消失时会导致肠道微生态平衡的破坏。

3. 环境　外界环境的改变可以影响宿主的生理功能，破坏宿主与正常微生物群之间的微生态平衡。如外伤、辐射、手术、化疗等均可导致微生态失衡。

在微生态平衡中，宿主、正常微生物群及环境三方面相互作用。当三方面因素发生改变时，有可能引发微生态失衡（micro-dysbiosis），使正常微生物群之间以及正常微生物群与宿主之间的微生态平衡由生理性组合变成病理性组合状态，包括微生物群之间的失调、微生物与宿主的失调以及微生物与宿主统一体与外环境的失调。滥用抗生素后导致菌群失调、手术外伤导致的定位转移、各种因素导致的机体免疫功能降低等均可引起微生态失衡。

从微生态平衡到失调的过程中，微生物与宿主间的关系也在不断发生改变，微生态平衡时为“共生”关系，相互有利，宿主表现为健康状态；微生态失衡时，可变为“抗生”关系，正常微生物群内菌群比例失调，严重时可导致疾病发生；严重微生态失衡时，宿主与菌群间可变为“偏生”关系，导致严重疾病发生。当发生“抗生”或“偏生”时，正常菌群均变为条件致病菌。

（三）机会致病菌

正常微生物群寄居在人体合适的部位，在机体免疫力正常的情况下对机体不致病，但在特定的条件下可致机体感染，称为机会致病菌（opportunistic pathogen）或条件致病菌（conditioned pathogen）。

1. 机会致病菌致病的条件

（1）定位转移（translocation）：又称为异位寄生，是指正常微生物群由于各种原因由正常寄居部位进入异常部位或本来无菌的位置，由此可引发机体感染。如大肠埃希菌在肠道中为正常微生物群，但由于各种原因从肠道进入泌尿道、腹腔、胆囊、阑尾或血液等可引发尿道炎、腹膜炎、胆囊炎、阑尾炎甚至败血症。

（2）免疫功能低下：由于药物或疾病的原因，如应用大剂量肾上腺糖皮质激素、抗肿瘤药物、放射治疗等，或病毒感染，如HIV感染，造成宿主免疫功能降低甚至缺陷，使一些正常微生物群中的微生物如铜绿假单胞菌、大肠埃希菌、非结核分枝杆菌、白假丝酵母菌等在寄居原位穿透黏膜等屏障，进入组织或血液，出现各种病症，严重时可导致败血症而死亡。

（3）菌群失调（flora disequilibrium）：由于各种原因使宿主某部位正常微生物群各菌间的数目和比例发生变化，造成微生态失衡称为菌群失调。如长期使用某种广谱抗菌药物后，杀死了正常微生物群中的敏感菌，耐药菌乘机大量生长繁殖，使宿主某部位正常微生物群各菌间的数目和比例发生较大幅度的变化，引发菌群失调。轻度的菌群失调是可逆的，引起菌群失调的原因去除后，多可恢复。严重的菌群失调可导致机体产生新的感染，称为菌群失调症（dysbacteriosis）或菌群交替症（microbial selection and substitution）或二重感染（superinfection）。引起二重感染的微生物多为耐药菌，常见的有金黄色葡萄球菌、某些革兰氏阴性杆菌和白假丝酵母菌。临床表现为假膜性肠炎、肺炎、鹅口疮、尿路感染或败血症等。

机会致病菌致病具备以下特点：来自于正常微生物群，因此毒力较弱或无明显毒力；常有耐药性甚至多重耐药性；条件致病菌的种类在不断地变化。

2. 常见的机会致病菌　常见的机会致病菌以细菌为主，也可见真菌。

（1）G^-杆菌：常见的包括大肠埃希菌、克雷伯菌属、铜绿假单胞菌、变形杆菌属、肠杆菌属、沙雷菌属等。

（2）G⁺球菌：多为凝固酶阴性的葡萄球菌，也可为金黄色葡萄球菌等。

（3）真菌：以白假丝酵母菌最多见，其次为新生隐球菌，也可见曲霉菌和毛霉菌等。

二、细菌的致病性

病原微生物通过感染机体引起机体组织损伤致病。感染（infection）是指病原微生物突破机体的防御机能，在宿主体内定居、生长繁殖，释放毒性物质等，引起不同程度的组织病理损伤的过程。能造成宿主感染致病的细菌称为致病菌或病原菌（pathogenic bacterium, pathogen）；病原微生物引起宿主疾病的能力称为致病性或病原性（pathogenicity）。细菌的致病性大多有种属特异性，有的仅对人致病，如伤寒沙门菌可引起肠热症；有的只能引起动物疾病，有的可以引起人和动物感染，称为人畜共患病原微生物，如鼠疫耶尔森菌可引起啮齿类动物和人的鼠疫。人体内的正常微生物群一般不致病，但在一定条件下可成为条件致病菌。引起感染的细菌既可来自宿主体外，也可来自宿主体内。来自宿主体外有毒力的微生物通过一定的传播方式从一宿主体到另一宿主体或从自然界进入机体引起感染的过程称为传染。由宿主体内正常微生物群引起的感染称为机会感染（opportunistic infection）。

病原微生物致病性的强弱程度称为毒力（virulence）。毒力常用半数致死量（median lethal dose, LD₅₀）或半数感染量（median infective dose, ID₅₀）来判断，即在规定时间内，通过指定的感染途径，能使一定体重或年龄的某种实验动物半数死亡或感染需要的最小细菌数或毒素量。

病原菌侵入机体后能否造成感染，与其毒力强弱、侵入宿主的菌量、侵入的部位有关，同时还与宿主的免疫力强弱密切相关。

（一）细菌的毒力

毒力是细菌致病性强弱的关键因素，由细菌基因、噬菌体控制。细菌的毒力由侵袭力和毒素构成。

1. 侵袭力（invasiveness）　是指致病菌突破宿主的防御机制，侵入机体并在体内定植、繁殖和扩散的能力。细菌发挥侵袭力的物质基础包括菌体表面的结构、细菌产生的与组织侵袭相关的酶类和其他物质。在病原菌感染机体的过程中，侵袭力协助致病菌经历黏附定植、侵袭、扩散等阶段，随后细菌通过释放毒素和酶类等造成机体的病理损伤。

（1）黏附（adhesion）和定植（colonization）：正常机体内的黏膜表面存在许多清除病原微生物的机制，如呼吸道黏膜上皮细胞表面有可摆动的纤毛，肠道不停地蠕动，尿道黏膜有尿液的不断冲洗，可将侵入呼吸道、消化道、泌尿道等部位的病原菌清除。因此，黏附定植是绝大多数细菌感染过程的起点，细菌在局部黏附定植后，才有可能繁殖扩散，直至形成感染。细菌黏附宿主靶细胞的能力由黏附素（adhesin）介导，通过与靶细胞表面的受体（receptor）结合，帮助细菌黏附定植。黏附素是细菌细胞表面的蛋白质、多糖、糖脂、磷壁酸等，通常包括菌毛和非菌毛黏附素。G^-菌的菌毛受体一般是糖类成分，如沙门菌、志贺菌、克雷伯菌等为D-甘露糖，霍乱弧菌为岩藻糖和甘露糖。A族链球菌的受体是蛋白和糖蛋白。

1）菌毛：许多G^-菌具有普通菌毛，可与宿主细胞表面的受体结合，使细菌吸附、定植于宿主细胞表面。如大肠埃希菌、志贺菌、霍乱弧菌、脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌等均有菌毛。如大肠埃希菌的黏附素包括定居因子抗原（colonization factor antigen, CFA）、P菌毛（pyelonephritis-associated pili）、聚集黏附菌毛（aggregative adherence fimbriae）、束形成菌毛（bundle forming pili, Bpf）等。细菌编码产生菌毛蛋白的基因存在于染色体或质粒中。失去菌毛可使上述致病菌的致病性减弱甚至消失。

2）非菌毛黏附素：可见于G⁺菌和G^-菌，种类很多。G⁺菌如链球菌细胞壁上的脂磷壁酸（LTA）可黏附于咽喉部黏膜细胞，有荚膜的细菌利用荚膜多糖相互吸附有助于微菌落（microcolony）或生物膜（biofilm）形成。近年来发现了许多其他黏附素，包括糖萼、纤维粘连蛋白结合蛋白（fibronectin-binding protein）、纤维蛋白原结合蛋白（fibrinogen-binding protein）、胶原黏附素（collagen adhesin）等。G^-菌的外膜蛋白（outer membrance protein, OMP）、支原体的顶端结构、幽门螺杆菌的鞭毛等亦具有黏附作用。这些黏附因子通过与机体细胞表面的受体相互作用介导黏附作用的发生，有利于细菌在有流动性的体液环境中定植黏膜表面或向其他部位进一步扩散。

细菌黏附与定植的机制复杂，包括细菌和宿主细胞之间的静电吸引和疏水作用、阳离子桥联和黏附素（配体）-受体的相互作用等。其中起关键作用的是配体－受体的结合（图6-4-1A和B）。配体与受体结合的特异性决定了许多细菌的感染具有组织选择性，病原菌必须侵入到合适的部位方可致病。

（2）侵袭与扩散：细菌黏附定植后，通过产生侵袭性因素、抵抗吞噬、侵袭性酶等多种方式逃避机体的免疫防御功能，进行侵袭与扩散，造成感染。

1）侵袭素（invasin）：细菌的侵袭作用由侵袭基因（invasive gene, inv基因）控制，如肠侵袭型大肠埃希菌和痢疾志贺菌的侵袭基因存在于140MDa的大质粒中。inv基因编码产生的蛋白质为侵袭素，多存在于细菌表面，介导细菌侵入上皮细胞。如福氏志贺菌可产生IpaB、IpaC、IpaD等侵袭素，帮助细菌侵入并扩散至邻近的上皮细胞。脑膜炎奈瑟菌可通过产生的28kDa外膜蛋白Opc结合血管内皮细胞，帮助其穿过血管壁到达中枢神经系统。

2）荚膜及微荚膜：荚膜和微荚膜均具有抗吞噬和抵抗体液中抗菌物质（如补体）对细菌的损伤作用。荚膜和微荚膜可影响抗体、补体的调理作用，吞噬细胞表面的补体受体可因荚膜多糖的空间位阻难以与补体C3b结合而失去调理作用。荚膜的存在阻止了抗O抗原的抗体与O抗原的结合，进而干扰细胞吞噬作用。链球菌的M蛋白、大肠埃希菌的K抗原、伤寒沙门菌的Vi抗原均是微荚膜，与致病性关系密切。在感染初期，具有荚膜或微荚膜的病原菌能抵抗吞噬并突破宿主的防御功能，迅速繁殖或扩散。实验表明，有荚膜的肺炎链球菌的毒力明显强于无荚膜的肺炎链球菌。

3）侵袭性酶类：许多细菌可释放具有侵袭性的胞外酶，协助病原菌抗吞噬并扩散，如金黄色葡萄球菌可产生凝固酶，使纤维蛋白原变为纤维蛋白，包裹在细菌表面而抗吞噬。A群链球菌产生的透明质酸酶、链激酶和链道酶分别能降解细胞间质的透明质酸、溶解纤维蛋白、液化脓液中黏稠的DNA，有利于细菌的扩散。淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌、流感嗜血杆菌等可产生IgA酶，分解黏膜局部的sIgA，破坏机体黏膜局部的抗感染能力。产气荚膜梭菌产生的卵磷脂酶等多种酶可分解细胞膜表面的卵磷脂等成分，造成组织坏死和细菌扩散。

4）微菌落和细菌生物膜：某些细菌在一定条件下可在宿主体内形成微菌落（microcolony）和由微菌落组成的生物膜（biofilm）。微菌落为肉眼看不见的一个细菌集落或克隆。细菌生物膜是由一种或多种细菌微菌落和它们自身产生的细胞外基质附着在有生命或无生命的物体表面而形成的高度组织化的多细胞结构。细菌生物膜主要通过胞外多糖使细菌彼此黏附，并黏附于支持物表面。除胞外多糖外，其他黏附素也参与细菌生物膜的形成。医疗手段植入人体内的各种人工材料如中心静脉导管、人工心脏瓣膜、导尿管、关节替代物、子宫节育环、隐形眼镜等往往可成为细菌生物膜形成的支持物。细菌生物膜的形成有助于细菌生长过程中黏附定植和适应生存环境；协助细菌附着在某些支持物表面，克服液态流的冲击；细菌生物膜较单个或混悬的菌细胞更易于抵抗宿主免疫细胞和免疫分子包括吞噬细胞、抗体、补体和抗菌药物的杀灭作用；有助于细菌间快速传递毒力和耐药基因。微菌落和细菌生物膜的形成是某些难治性慢性感染（如慢性前列腺炎）和某些毒力较弱的条件致病菌引起医源性感染的重要原因。从生物膜脱离的细菌还可扩散到别的部位，在一定条件下引起感染。

2. 毒素（toxin）　是指细菌在生长繁殖过程中产生或细菌崩解时释放的毒性物质，是许多致病菌毒力的重要组成成分。按毒素来源、性质和毒性等不同，可分为外毒素（exotoxin）和内毒素（endotoxin）两类。

（1）外毒素：外毒素主要由G⁺菌（如厌氧芽胞梭菌、炭疽芽胞杆菌、白喉棒状杆菌、A群链球菌、金黄色葡萄球菌等）和某些G^-菌（如痢疾志贺菌、鼠疫耶尔森菌、霍乱弧菌、肠产毒型大肠埃希菌、铜绿假单胞菌等）在新陈代谢过程中产生的毒性蛋白质组成。大多数外毒素是活菌在菌体内合成后分泌至菌体外的，也有个别细菌产生的外毒素存在于菌体内，待细菌死亡裂解后才释放出来，如痢疾志贺菌和肠产毒型大肠埃希菌的外毒素属此类。

外毒素化学成分是蛋白质，可以由染色体、质粒或噬菌体的基因编码，稳定性差，多数不耐热且易被蛋白酶分解破坏。如破伤风痉挛毒素60℃加热20min可被破坏，也可被肠道中的蛋白酶破坏。但少数外毒素如葡萄球菌肠毒素能耐100℃ 30min，肉毒毒素对酸和蛋白酶有抵抗力。

外毒素的毒性作用强且对机体的组织器官具有选择作用，引起特殊的临床表现。如肉毒毒素是目前已知的毒性最强的物质，1mg纯化的肉毒毒素能杀死2亿只小白鼠，对人的致死量仅为0.1μg，其毒性比氰化钾高1万倍。肉毒毒素经消化道吸收入血后，可选择性地作用于神经－肌肉接头，阻止乙酰胆碱的释放，使患者出现全身肌肉弛缓性麻痹的表现。外毒素的分子结构由A、B两个亚单位按照1:1或1:5的比例组合而成。A亚单位是外毒素的毒性部分，决定其毒性效应。B亚单位一般无毒，可与宿主靶细胞表面的特殊受体结合，介导A亚单位进入靶细胞。外毒素分子的完整性是致病的必要条件，A、B亚单位分开后无毒性作用。B亚单位的受体特异性决定了外毒素对组织器官作用的选择性。

根据作用部位和机制不同，不同细菌产生的外毒素可分成神经毒素（neurotoxin）、细胞毒素（cytotoxin）和肠毒素（enterotoxin）三大类。神经毒素主要通过抑制神经元释放神经介质，引起神经传导功能异常，导致神经持续兴奋和骨骼肌痉挛或肌肉麻痹。细胞毒素通过作用于靶细胞的某种酶或细胞器，致使细胞功能异常而死亡，引起相应组织器官炎症和坏死等。肠毒素主要作用于肠上皮细胞，引起肠道功能紊乱。常见外毒素的种类和作用机制见表6-4-2。

外毒素大多数具有良好的免疫原性，刺激机体产生抗体，抗外毒素的抗体称为抗毒素（antitoxin），可中和外毒素的毒性。外毒素用0.3%～0.4%甲醛处理后，破坏了A亚单位部分，失去了毒性作用，但仍保留了B亚单位的免疫原性，制备成为类毒素（toxoid），可用于人工主动免疫，预防相应外毒素所致的疾病。如破伤风类毒素、白喉类毒素等。

许多细菌和支原体产生的蛋白毒素具有超抗原（superantigen）活性，有强烈致病作用，如金黄色葡萄球菌产生的肠毒素、毒性休克综合征毒素1，A群链球菌产生的致热外毒素等，能够激活大量的T细胞克隆，释放IL-2、IFN-γ、TNF-β等细胞因子，引发炎症反应和组织损伤。

（2）内毒素：是G^-菌细胞壁外膜中的脂多糖（LPS）组分。内毒素的相对分子质量大于10万，其分子结构由O特异性多糖、核心多糖和脂质A三部分组成，内毒素的活性存在于脂质A部分。只有在G^-菌死亡裂解或用人工方法破坏菌体，LPS游离出来后，内毒素才可发挥毒素作用。螺旋体、衣原体、支原体、立克次氏体也有类似的LPS，有内毒素样活性。内毒素对理化作用稳定，耐热，100℃加热1h不被破坏，需加热至160℃2～4h或用强碱、强酸或强氧化剂加温煮沸30min才被灭活。内毒素的毒性较弱，致病需要的量相对较大，且对组织无选择性。不同G^-菌的脂质A高度保守，结构基本相似，因此各种内毒素的致病机制相似，毒性作用类同。

1）发热作用：内毒素为外源性致热原（exogenous pyrogen），极微量（1～5ng/kg）即可引起人体体温上升。其机制是内毒素作用于单核－巨噬细胞等，使之释放IL-1、IL-6和TNF-α等内源性致热原（endogenous pyrogen），作用于机体下丘脑体温调节中枢，促使体温升高发热。

2）白细胞反应：内毒素进入机体后，激活补体产生C3a、C5a等趋化因子，使白细胞移动并黏附聚集至组织毛细血管壁，血循环中的白细胞数骤减。1～2h后，LPS刺激骨髓释放中性粒细胞进入血流，使白细胞数量显著增加。但伤寒沙门菌内毒素始终使血循环中的白细胞总数减少，机制尚不清楚。

3）内毒素血症与内毒素休克：当血液或病灶中的细菌释放大量内毒素入血或输入被大量内毒素污染的液体时，可导致内毒素血症（endotoxemia）。内毒素作用于巨噬细胞、中性粒细胞、内皮细胞、血小板、补体系统、凝血系统等，诱生大量的生物活性物质，导致血管收缩和舒张功能紊乱而造成微循环障碍，表现为微循环衰竭和低血压、重要组织器官的毛细血管灌注不足、缺氧、酸中毒等。严重时则出现以微循环衰竭和低血压为特征的内毒素休克。高浓度的内毒素可直接激活补体旁路途径，活化凝血系统，还可通过损伤血管内皮细胞间接活化凝血系统，亦可通过激活血小板和白细胞使其释放凝血介质，加重血液凝固，引起皮肤的出血和渗血，严重时出现弥散性血管内凝血（disseminated intravascular coagulation, DIC）。

内毒素造成机体损伤的机制尚不十分清楚。20世纪早期，美国细菌学家乔治·施瓦茨曼（Gregory Shwartzman）将G^-菌培养物上清液和杀死的菌体注入家兔皮内，18～24h后再以同样的注射物进行静脉注射，约10h后第一次注射处局部皮肤出血坏死。若两次均为静脉途径，10h后出现全身广泛出血、坏死病变，以肾皮质最为明显，动物死亡，类似于人类严重G^-菌感染中常出现的DIC，此动物实验反应称为施瓦茨曼现象。因两次注射间隔时间短，故该现象不是抗原与抗体结合的免疫反应所致，而是内毒素所致的病理生理反应。

脂质A是内毒素的主要毒性组分，LPS首先在血流中与LPS结合蛋白（lipopolysaccharide binding protein, LBP）结合，然后与单核－巨噬细胞表面的膜分子CD14结合，形成LPS-LBP-CD14复合物，该复合物与血管内皮细胞和吞噬细胞的模式识别受体TLR4（Toll-like receptor 4）相互作用，通过激活细胞内的信号通路而导致核因子-κB（NF-κB）等核转录因子的活化，从而诱导巨噬细胞产生和释放TNF-α、IL-1、IL-6等细胞因子、急性期蛋白、活性氧等。同时LPS能经旁路途径激活补体，产生过量的C3a、C5a片段和MAC等，发挥趋化作用、过敏毒素样作用及膜攻击作用，引起各组织器官以及全身性多种病理生理反应。

4）免疫调节作用：小量内毒素可激活B细胞产生抗体，激活巨噬细胞和NK细胞，诱导干扰素等多种细胞因子，增强机体免疫力。

内毒素的免疫原性弱，为TI抗原，可刺激机体产生相应抗体，但中和作用较弱，不能制备成类毒素。

细菌产生的外毒素与内毒素的主要区别见表6-4-3。

（二）细菌侵入的数量

成功的感染所需致病菌的数量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。一般是细菌毒力越强，引起感染所需的菌量越小，反之则菌量越大。如志贺菌的侵袭力强，自愿口服者口服10～150个细菌即可引起典型的细菌性痢疾；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可引起急性胃肠炎。

（三）细菌侵入的部位

许多致病菌需要特定的微环境才能够黏附、定植、生长繁殖，因此只有当其侵入合适的部位方可感染致病。如志贺菌必须经口进入才能致病，破伤风梭菌的芽胞进入厌氧环境的伤口才能出芽和生长繁殖，产生外毒素致病；也有一些致病菌可多部位多途径感染机体，如结核分枝杆菌、金黄色葡萄球菌等。

三、机体的抗菌免疫

（一）模式识别受体与模式识别

模式识别受体（pattern recognition receptor, PRR）是一类主要表达于固有免疫细胞表面、非克隆性分布、可识别一种或多种病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular pattern, PAMP）的识别分子。

模式识别受体是固有免疫中免疫受体的代表，由有限数量的胚系基因编码，进化上十分保守，也表明此类受体对生物体的生存极为重要。其与病原生物表面的病原体相关分子模式（PAMP）的相互识别和作用是启动固有免疫应答的关键。

和适应性免疫中淋巴细胞受体相比较，PRR有四个特点：除了全部由胚系基因编码外，另外三个特点是：组成性地表达、引起快速应答和能够识别各种病原体。

PRR的主要生物学功能：活化补体，发挥调理、吞噬作用，启动细胞活化和炎性信号转导；诱导凋亡等。

（二）胞外菌感染的免疫

胞外菌（extracellular bacteria）是指寄居在宿主细胞外的组织间隙和血液、淋巴液、组织液等体液中的致病菌。多数致病菌属胞外菌，机体的固有免疫和获得性免疫在抗胞外菌免疫中共同发挥作用。

1. 固有免疫的抗胞外菌作用　完整的皮肤黏膜可以阻挡许多致病菌的侵入，分泌杀菌物质抑制或杀死致病菌。补体旁路途径被G^-菌LPS激活发挥溶菌作用，体液中的溶菌酶、防御素等均有杀菌作用。机体内的中性粒细胞和单核细胞是机体杀灭和清除胞外菌的主要力量。吞噬细胞可以直接吞噬侵入机体的胞外菌，体液中的特异性IgG及C3b有调理吞噬作用。多数胞外菌被吞噬细胞吞噬后经氧依赖杀菌系统和非氧依赖杀菌系统的作用而被杀灭。

2. 获得性免疫的抗胞外菌作用　胞外菌感染机体后可刺激机体产生抗菌抗体和抗毒素抗体，包括血液中的IgG、IgM以及黏膜局部的sIgA，发挥体液免疫作用。致敏的CD4⁺ T细胞辅助体液免疫的发生。

（1）中和外毒素：机体内产生的抗毒素与外毒素的B亚单位结合后，可阻止外毒素吸附于敏感细胞，中和其毒性作用。

（2）激活补体发挥溶菌作用：IgM、IgG与病原菌结合形成的免疫复合物可经经典途径激活补体，最后形成膜攻击复合物（membrane attack complex, MAC），导致细菌溶解。

（3）调理吞噬：体液中的IgG通过吞噬细胞表面的Fc受体与中性粒细胞、巨噬细胞结合发挥调理吞噬作用。补体系统活化后产生的C3b和iC3b分别与吞噬细胞上的CR1和CR3结合而促进吞噬。

（4）阻挡致病菌黏附：经黏膜面感染机体的许多病原微生物可刺激机体产生sIgA，释放和分布于黏膜面。sIgA与黏膜表面相应的病原菌结合后，可阻挡病原菌在黏膜上皮细胞表面的黏附与定植。

（5）细胞免疫的作用：CD4⁺ Th2细胞可辅助B细胞产生抗体；同时，可产生多种细胞因子，吸引和活化吞噬细胞，增强杀伤能力。

（三）胞内菌感染的免疫

胞内菌（intracellular bacteria）指侵入机体后寄生于细胞内的细菌。胞内菌分两类：①兼性胞内菌（facultative intracellular bacteria）：这类菌在细胞内和体外适宜条件下均可生长繁殖。如结核分枝杆菌、麻风分枝杆菌、伤寒沙门菌、布鲁菌、嗜肺军团菌、产单核细胞李斯特菌等。②专性胞内菌（obligate intracellular bacteria）：这类菌只能在活细胞内生存和繁殖，主要包括立克次氏体和衣原体。

胞内菌主要通过免疫病理损伤而致病，多以肉芽肿病变为特征。机体的抗胞内菌免疫主要依靠特异性的细胞免疫。当胞内菌释放至胞外时，抗体可发挥辅助抗菌作用。

1. 固有免疫的抗胞内菌作用　完整的皮肤黏膜可发挥抗胞内菌侵入的作用。当吞噬细胞被CD4⁺Th1释放的细胞因子（TNF-β、IFN-γ等）激活后，活化的单核－巨噬细胞产生活性氧O^-、活性氮NO^-能力增强，使之有效杀伤吞噬的胞内菌。中性粒细胞和NK细胞也参与抗胞内菌免疫。

2. 细胞免疫作用　细胞免疫是机体抗胞内菌免疫的主要机制。CD4⁺ Th1细胞可产生多种细胞因子（IL-2、TNF-β、IFN-γ等），其中IFN-γ是巨噬细胞强激活剂，可增强其吞噬杀菌能力，引起迟发型超敏反应，有利于对胞内菌的清除。IL-2能够活化和促进CD8⁺ CTL增殖分化为效应CTL。效应CTL能释放穿孔素（perforin），造成胞内菌感染的靶细胞溶解，释放颗粒酶（granzyme），激活半胱天冬氨酸蛋白酶（caspase），或表达Fas配体并与靶细胞上的Fas受体结合，诱导胞内菌感染的靶细胞凋亡，释放出病原菌，再经抗体或补体调理吞噬，被吞噬细胞吞噬消灭。

3. 体液免疫的作用　体液中的抗体可清除释放至胞外的细菌。黏膜表面的sIgA可干扰胞内菌对黏膜上皮细胞的黏附，阻止其侵入机体。

四、细菌感染的发生与发展

（一）感染的来源

1. 外源性感染（exogenous infection）　是指病原体来自体外所致的感染。常见的传染源包括：

（1）患者：大多数感染是通过人与人之间传播的，因此患者是重要的感染源。患者从疾病潜伏期到恢复期都可能将致病菌传播给其他人。医院感染的病原菌大多经医护人员的手引发患者交叉感染。

（2）带菌者：多为恢复期的传染病患者或携带有某些致病菌但未出现临床症状的健康人，病原菌在体内将存留一段时间，而且不断向外界排出致病菌，由于没有临床症状，往往被人忽视，因此是重要的传染源。脑膜炎奈瑟菌、白喉棒状杆菌常存在于健康带菌者中，伤寒沙门菌、志贺菌、霍乱弧菌等可存在于恢复期带菌者体内。

（3）患病和带菌动物：有些病原菌是人畜共患病原菌，患病和带菌动物体内的致病菌也可传播给人类。例如鼠疫耶尔森菌、炭疽芽胞杆菌、布鲁菌、牛分枝杆菌以及引起食物中毒的沙门菌等。

2. 内源性感染（endogenous infection）　是指患者自身体内的正常微生物群因微生态失衡成为条件致病菌或少数潜伏于体内的致病菌（如结核分枝杆菌）活化所致的感染。目前，内源性感染有逐渐增多的趋势。

（二）传播方式与途径

1. 传播方式

（1）水平传播：许多致病菌可经由呼吸道、消化道、泌尿生殖道、创伤、节肢动物叮咬等多个途径造成机体感染。

（2）垂直传播：有些致病菌可经过产道感染新生儿。如患有淋病的母亲在分娩时，产道的淋病奈瑟菌可感染新生儿引发脓漏眼。

2. 传播途径

（1）呼吸道：呼吸道传染病的病原体存在于呼吸道黏膜表面的黏液中或纤毛上皮细胞的碎片里，当患者呼气、咳嗽、打喷嚏时，可从鼻咽部喷出大量含有病原体的黏液飞沫，在空气中悬浮。飞沫传播的范围仅限于患者或携带者周围的密切接触者。流行性脑脊髓膜炎、流行性感冒、百日咳等均可经此方式传播。含有病原体的分泌物干燥后成为尘埃，尘埃飞扬也造成呼吸道传播。凡耐干燥的病原体，皆可经此方式传播，如结核杆菌、炭疽芽胞等。经空气传播的传染病大多有季节性升高的特点，一般多见于冬春季。

（2）消化道：易感人群饮用致病菌污染的水之后而引起的感染，经饮水传播的疾病有霍乱、伤寒、细菌性痢疾等。摄入致病菌污染的食物引起消化道感染，有两种情况：一种是食物本身含有病原体；另一种是食物在外界环境被污染。

（3）泌尿生殖道：一般通过性接触引起感染，如成人淋病、梅毒等。

（4）创伤：某些细菌的芽胞可以长期在土壤中生存，如破伤风梭菌、产气荚膜梭菌、炭疽芽胞杆菌等，若遇皮肤破损，可以经土壤引起伤口感染。

（5）注射、输血：一类是指易感者在接受治疗、预防或检验（检查）措施时，由于所用器械、针筒、针头、针刺针、采血器污染而引起的传播，血液、血制品、药品或生物制品受污染也可以引起血液传播。

（6）节肢动物媒介：指经节肢动物叮咬吸血或机械携带而传播的传染病。经吸血节肢动物传播的疾病为数极多，其中包括鼠疫、恙虫病、莱姆病等。

（7）垂直传播：这种传播是指致病菌由孕妇至胎儿两代之间的传播。经胎盘传播的有风疹、乙型肝炎、腮腺炎、麻疹、水痘、巨细胞病毒感染及虫媒病毒感染、梅毒等病。如孕妇在怀孕早期患风疹往往使胎儿遭受危害，使胎儿发生畸形、先天性白内障。病原体经孕妇阴道通过子宫颈口到达绒毛膜或胎盘引起胎儿感染，称为上行性传播。如葡萄球菌、链球菌、大肠埃希菌、肺炎球菌及白色念珠菌等。胎儿从无菌的羊膜腔穿出而暴露于母亲严重污染的产道内，胎儿的皮肤、呼吸道、肠道均存在受病原体感染的机会。如孕妇产道存在淋球菌、结膜炎包涵体及疱疹病毒等疾病的病原体时，则有可能导致相应的感染。

（8）多途径传播：有些病原菌可以通过多种途径传播，如结核分枝杆菌常常通过呼吸道传播，也可以通过消化道、皮肤引起感染。

（三）感染的类型

感染是致病菌的致病作用和机体的抗菌免疫力相互作用的复杂过程。根据二者力量的对比，可出现隐性感染（inapparent infection）、潜伏感染（latent infection）、显性感染（apparent infection）和带菌状态（carrier state）等不同的感染类型。

1. 隐性感染　当机体的抗感染免疫力较强，侵入的病菌数量少且毒力较弱，病原菌侵入后对机体损害较轻，不出现或出现不明显的临床症状，机体常可获得适应性免疫力，称为隐性感染或亚临床感染（subclinical infection）。在传染病流行中，隐性感染者一般占大多数，约占人群的90% 或更多。

2. 潜伏感染　病原菌侵入机体造成初次感染后，潜伏在病灶内或某些特殊组织中，一般不出现在血液、分泌物或排泄物中，与机体的免疫力形成平衡状态，一旦机体免疫力下降，潜伏的致病菌大量繁殖，造成组织损伤，出现临床症状。如结核分枝杆菌可潜伏在钙化灶内，在机体免疫力降低时引起结核病复发。由病毒引发的潜伏感染多见，如单纯疱疹病毒和水痘－带状疱疹病毒均可引起潜伏感染。

3. 显性感染　当机体抗感染的免疫力较弱，侵入的致病菌数量较多且毒力较强，病原菌造成机体组织不同程度的病理损害，并出现一定的临床症状和体征，称为显性感染。显性感染按照病程的长短和病情的缓急，临床上可分为急性和慢性感染。

（1）急性感染（acute infection）：发作突然，病程短，一般是数日至数周。病愈后致病菌从机体内消失。如脑膜炎奈瑟菌、霍乱弧菌、A群链球菌等感染。

（2）慢性感染（chronic infection）：病程缓慢，常持续数月至数年，可反复发作，多见于胞内菌引起的感染。例如结核分枝杆菌等的感染。

按感染的部位及性质不同，显性感染可分为局部感染和全身感染。

（1）局部感染（local infection）：致病菌侵入宿主体后，局限在一定部位生长繁殖，引起局部病变。例如化脓性球菌所致的疖、痈等。

（2）全身感染（generalized infection）：多见于胞外菌引发的急性感染，致病菌或其毒性代谢产物通过血液或淋巴循环向全身播散引起全身性症状。常见的有下列几种情况：

1）毒血症（toxemia）：致病菌侵入机体并在局部生长繁殖，不进入血循环，但其产生的外毒素入血，并经血流到达易感的组织和细胞，引起特殊的毒性症状。如白喉棒状杆菌、破伤风梭菌等的感染。

2）内毒素血症（endotoxemia）：G^-菌侵入血流，并在其中大量繁殖、崩解后释放出大量内毒素；也可由病灶内大量G^-菌死亡后释放的内毒素入血或误输入大量含有内毒素的液体所致。在严重G^-菌感染时，常发生内毒素血症，轻则仅有发热和不适，重则导致休克和DIC。

3）菌血症（bacteremia）：致病菌由局部侵入血流，但未在血流中生长繁殖，只是短暂的一过性通过血液循环到达体内适宜部位后再进行繁殖而致病。例如肠热症早期发生两次菌血症。

4）败血症（septicemia）：致病菌侵入血流后，在其中大量繁殖并产生毒性产物，引起严重的全身性中毒症状，例如高热、皮肤和黏膜瘀斑、肝脾肿大等。G⁺菌和G^-菌均可引起败血症，如鼠疫耶尔森菌、炭疽芽胞杆菌等。

5）脓毒血症（pyemia）：化脓性细菌侵入血流后，在其中大量繁殖，并通过血流扩散至机体的其他组织或器官，产生新的化脓性病灶。如金黄色葡萄球菌引发的脓毒血症，常导致多发性肝脓肿、肺脓肿和肾脓肿等。

4. 带菌状态　机体经显性或隐性感染后，致病菌并未立即消失，而在体内继续留存一定时间，与机体免疫力处于相对平衡状态，并且不断向外界排出致病菌，称为带菌状态。处于带菌状态的人称为带菌者（carrier），处于带菌状态的动物称为带菌动物。如肠热症、细菌性痢疾等病后常可出现带菌状态。带菌者和带菌动物经常会间歇排出病原菌，是重要的传染源。

思考题

1. 何为正常菌群？正常菌群是如何演变为机会致病菌并引起感染的？

2. 何为外毒素和内毒素？试比较二者的特点。

3. 描述感染的分类和各类感染的特点。

（宝福凯）

第五节　医院感染

一、医院感染的概念

医院感染（nosocomial infection或hospital acquired infection）特指在医院获得，在住院患者或医院工作人员等特殊人群中发生的感染。这类感染不但严重危害患者生命与健康，而且可导致诊疗费用大幅上升。医院感染已成为当今世界医院面临的突出的公共卫生问题。据WHO报道，全世界医院感染率为3%～20%，平均9%。我国的医院感染率约为4.6%，每年发生的病例约500万，耗费大量医疗费用。

相关的流行病学研究显示多数医院感染可以预防。原卫生部（现国家卫生健康委员会）为加强医院感染管理，于2000年和2006年先后制订了《医院感染管理规范（试行）》《医院感染管理办法》，对医院感染作了明确定义：住院患者在医院内获得的感染，既包括在住院期间发生的感染，也包括在住院时获得出院后发生的感染；但不包括入院前已开始或入院时已处于潜伏期的感染。医院工作人员在医院内获得的感染也属医院感染。同时，对一些特殊情形是否属医院感染做了进一步说明。

1. 属于医院感染的情况　包括：①无明确潜伏期的感染，规定入院48h后发生的感染为医院感染；有明确潜伏期的感染，自入院时起超过平均潜伏期后发生的感染为医院感染；②本次感染直接与上次住院有关；③在原有感染基础上出现其他部位新的感染（脓毒血症迁徙灶除外），或在原感染已知病原体基础上又分离出新的病原体（排除污染和原来的混合感染）的感染；④新生儿在分娩过程中和产后获得的感染；⑤由于诊疗措施激活的潜在性感染，如疱疹病毒、结核分枝杆菌等的感染；⑥医务人员在医院工作期间获得的感染。

2. 不属于医院感染的情况　包括：①皮肤黏膜开放性伤口只有细菌定植而无炎症表现；②由于创伤或非生物性因子刺激而产生的炎症反应；③新生儿经胎盘获得（出生后48h内发病）的感染，如单纯疱疹、弓形体病、水痘等；④患者原有的慢性感染在医院内急性发作。

二、医院感染的特点

1. 感染的来源复杂　感染可分为内源性和外源性感染。据此可将医院感染分为内源性医院感染（endogenous nosocomial infection）和外源性医院感染（exogenous nosocomial infection）。

内源性医院感染是指患者在医院内由于某种原因使自身寄居的微生物大量繁殖而导致的感染，包括正常微生物群和潜伏的致病性微生物感染。外源性医院感染是指受到医院内非自身存在的微生物侵袭而发生的感染。常见的感染途径包括交叉感染、环境感染以及医源性感染。交叉感染（cross infection）是指医院内的各类人群之间通过手、咳嗽、交谈等方式直接接触或通过生活用品等间接接触而发生的感染。环境感染（environmental infection）是指通过污染的医护用品、诊疗设备以及空气中的气溶胶而获得的感染。医源性感染（latrogenic infection）是指在医院实施手术、治疗、诊断、预防等技术措施（如静脉内插管、导尿管、注射针剂、输血、吸入疗法、烧伤治疗等过程中），滥用抗生素以及应用免疫制剂等引起的感染。

2. 感染的发生与医院有时空关系　医院感染发生的地点必须在医院，多在住院期间或出院后不久发生，也有潜伏期长的。

3. 以机会致病菌感染多见，常有耐药性，治疗棘手　医院感染的病原微生物种类随所使用的抗菌药物种类与年代的不同而发生变迁。现在发现，引发医院感染的病原体以细菌多见，其中机会致病菌约占90%，多有天然或获得性耐药甚至多重耐药。另外还有病毒、真菌、支原体和原虫等。1997年，辛普森（Simpson）总结了医院感染常见的微生物种类（表6-5-1）。

4. 传播途径多样　医院感染以直接或间接接触为主，可经空气气溶胶、医源性媒介物（如血和血制品、医疗器械）、昆虫媒介等途径传播。

5. 感染的对象　包括一切在医院内活动的人群，包括患者、医院工作人员、陪护者和探视者等，但以老人、儿童及免疫力低下的人群为主。

三、医院感染常见原因及传播途径

（一）医院感染的常见原因

各种引起患者免疫功能减弱，易于病原体侵袭，以及暴露于病原时间延长的因素均可导致医院感染。常见原因包括：①所患疾病严重影响或损伤机体免疫功能者；②接受各种免疫抑制疗法者；③长期使用抗生素者；④接受各种损伤及介入性检查、诊断和治疗者；⑤老年、婴幼儿及营养不良者；⑥住院时间长者。

（二）医院感染的传播途径

1. 接触传播　此为医院感染最为常见的传播途径，包括患者直接接触传染源而发生的直接接触传播，以及患者接触被传染源污染的人或物品而引起的间接接触传播。医务人员的手卫生不规范导致的传播亦属此类。

2. 空气传播　病原体以空气为媒介的传播方式，各类可引起呼吸道感染的病原体，如细菌、真菌、病毒等均可通过此途径传播，防控难度大。空气传播亦可导致部分手术切口感染，手术时间长、术野大者易发生。

3. 血液传播　HIV、HBV及HCV等病毒常通过此途径传播，以往多见于输血患者，随着血源筛查的日益严格，此类传播已少见。医务人员被锐器伤后发生的感染多属此类。疟原虫、弓形虫等病原也可通过血液传播。

4. 虫媒传播　由苍蝇、蚊子及其他昆虫介导的病原传播，包括病原在昆虫体内复制、繁殖后导致的生物传播，以及苍蝇等昆虫体表携带病原与易感者接触后导致的机械性传播。此类传播在国内较为少见。

5. 消化道传播　引起各类感染性腹泻的病原体均可通过食物经消化道传播。随着我国医疗卫生条件的改善，经此途径导致的医院感染已少见，但由艰难梭菌等病原菌导致的消化道感染逐渐增多。

四、医院感染的常见病原体

（一）病原体来源

根据来源不同，医院感染的病原体可分为外源性和内源性两类：

1. 内源性病原体　此类病原体源自患者自身，如患者因长期大量使用免疫抑制剂、广谱抗菌药物或接受侵袭性操作等因素导致机体防御能力下降及菌群紊乱，自身携带的细菌、真菌等微生物异常增殖或侵入异位组织导致感染。除菌群失调症外，此类病原菌对抗菌药物的耐药率相对较低。

2. 外源性病原体　此类病原体源自携带各类病原体的其他患者、医院工作人员、陪护家属、污染的医疗器械及血液制品，外源性病原菌对各类抗菌药物的耐药率相对较高，所致感染临床治疗较为困难，但通过严格的医院感染防控措施的制定与执行可有效防范其发生。

（二）各类医院感染常见病原体

1. 呼吸道感染常见病原体

医院获得的呼吸道感染为我国最常见医院感染，下呼吸道感染尤为多见，占各类医院感染构成比近50%。细菌、真菌及病毒等病原体均可引起此类感染，主要病原体包括鲍曼不动杆菌、克雷伯菌属、铜绿假单胞菌、肠杆菌属、大肠埃希菌和沙雷菌属等革兰氏阴性杆菌。金黄色葡萄球菌亦为医院获得性肺炎的重要病原，且以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染多见。昏迷患者常因吸入含各类厌氧菌的口咽部分泌物，导致厌氧菌或厌氧菌与需氧菌混合感染。在免疫缺陷患者中曲霉、念珠菌属、卡氏肺孢子菌、非结核分枝杆菌及巨细胞病毒也是医院获得呼吸道感染的重要病原。病原菌主要由口咽部吸入或经气管套管漏入气管。传染性强的呼吸道病毒、细菌可通过空气传播导致感染。

2. 尿路感染常见病原体

医院获得性尿路感染在我国仅次于呼吸道感染。尿路感染的主要病原菌种类与社区获得性感染相似，包括大肠埃希菌、其他肠杆菌科细菌、铜绿假单胞菌等革兰氏阴性杆菌及葡萄球菌属、肠球菌属等革兰氏阳性球菌，长期接受抗细菌治疗及留置导尿患者真菌感染亦多见。由于病原菌既有内源性病原菌，又有来自医院环境的外源性病原菌，对各类抗菌药物的敏感性差异大。医院获得性尿路感染病原大多由留置导尿管或尿路器械检查等侵袭性操作带入，如病原菌沿集尿袋、引流管及导尿管进入膀胱，感染发生率随导尿管留置时间而增加。因此，减少各类泌尿系统侵袭性操作，严格执行消毒措施，可有效减少此类感染的发生。

3. 手术部位感染常见病原体

手术部位感染为外科最常见的医院感染。手术时间长、术中失血量大、术后留置各类引流管、长期卧床等均可增加手术部位感染的发生率。糖尿病及肥胖患者可增加手术部位感染的易感性。此类感染的常见病原菌包括金黄色葡萄球菌、凝固酶阴性葡萄球菌、肠球菌属等革兰氏阳性球菌，以及大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、肠杆菌属等革兰氏阴性杆菌。部分手术感染可由脆弱类杆菌等厌氧菌以及真菌引起，各类厌氧菌在结肠、直肠及妇科手术后感染中较为常见。革兰氏阳性球菌的侵入通常通过接触传播引起，而革兰氏阴性杆菌则多由手术或患者自身肠道黏膜屏障受损所致的肠道内寄植菌异位引起。

4. 血流感染常见病原体

医院血流感染（blood stream infections, BSI）包括原发感染灶不明或由血液透析、静脉输液等血管侵袭性操作引起的原发血流感染，以及由泌尿系统、胆道、呼吸道等部位感染病原入血引起的继发血流感染两大类。血流感染的常见病原菌中，革兰氏阳性球菌约占60%，革兰氏阴性杆菌占27%，真菌则占8%。革兰氏阳性球菌包括凝固酶阴性葡萄球菌、金黄色葡萄球菌以及肠球菌属等，对甲氧西林耐药的葡萄球菌多见，对万古霉素耐药肠球菌亦已出现。各类凝固酶阴性葡萄球菌检出率虽高，但多为污染菌，应予鉴别。革兰氏阴性杆菌主要包括大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、肠杆菌属、铜绿假单胞菌等，多为多重耐药菌株。真菌以白假丝酵母菌多见，近年热带念珠菌、光滑念珠菌等对氟康唑敏感性低的非白假丝酵母菌逐渐增多。

5. 肠道感染常见病原体

医院获得性肠道感染以假膜性肠炎和胃肠炎多见。近年来由于各类广谱抗生素的广泛应用，抗生素相关腹泻增多。常见病原为艰难梭菌，其国外流行株由于毒素表达调控序列的变异，导致菌株产毒素能力增强，部分菌株还产生新的二元毒素，导致感染患者病死率升高。消化道手术后、尿毒症以及老年患者应用抗菌药物过程中易发生艰难梭菌感染，各种抗菌药物均可诱发此类感染，其中以克林霉素以及肠道药物浓度较高的β内酰胺类多见。

6. 中枢神经系统感染

中枢神经系统感染多见于颅脑手术及外伤后住院患者。常见病原菌包括大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌等肠杆菌科细菌，以及鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌非发酵糖革兰氏阴性杆菌等；如继发于手术切口感染或脑外伤者，以金黄色葡萄球菌及凝固酶阴性葡萄球菌多见，且多为甲氧西林耐药株；继发于脑脊液鼻漏者则以肺炎链球菌多见。

五、医院感染的检查

医院感染的检查主要针对临床有发热及其他感染表现的患者开展各类病原学检测。不同感染类型患者采集标本及所做检测各有侧重，应按国家卫生与计划生育委员会颁布的《医院感染诊断标准》开展相关检查。

（一）呼吸道感染的检查

患者出现发热，伴有咽痛、流涕等上呼吸道感染表现，或出现咳嗽、痰黏稠、肺部湿啰音等下呼吸道感染表现时，应及时采集呼吸道分泌物进行涂片或培养检测，痰或经纤维支气管镜采集的下呼吸道标本中分离到通常非呼吸道定植的细菌或其他特殊病原体，以及血培养或从并发胸腔积液者的胸液分离到病原体皆有诊断意义。免疫血清学、组织病理学检测结果亦为病原学诊断证据。

（二）尿路感染的检查

患者出现尿频、尿急、尿痛等尿路刺激症状，或有下腹压痛、肾区叩痛，伴或不伴发热，且尿常规白细胞数高于检测参考值，可临床诊断尿路感染。此类患者应留取标本进行尿培养。清洁中段尿或导尿留取尿液（非留置导尿）培养细菌菌落计数≥10⁵CFU/ml；耻骨联合上膀胱穿刺留取尿液培养细菌菌落计数≥10³CFU/ml；新鲜尿液标本经离心应用相差显微镜检查（1×400），在30个视野中有半数视野见到形态相似细菌者皆可作为尿路感染的病原学诊断依据。

（三）手术部位感染的检查

手术部位感染包括表浅手术切口感染、深部手术切口感染和器官（或腔隙）感染。表浅手术切口感染患者可出现切口局部红、肿、热、痛，或有脓性分泌物。深部手术切口感染表现为从深部切口引流出或穿刺抽到脓液，或再次手术探查、组织病理学检查、影像学检查发现涉及深部切口脓肿或其他感染证据。器官（或腔隙）感染表现为与手术有关的器官或腔隙引流或穿刺有脓液，或再次手术探查、组织病理学检查、影像学检查发现涉及器官（或腔隙）感染的证据。有上述表现者应采集分泌物、脓液或血标本进行培养，检出微生物可作为病原学诊断依据。密闭腔隙标本应注意检测厌氧菌。

（四）血流感染的检查

患者发热（＞38℃）或低体温（＜36℃），可伴有畏寒、寒战，并存在感染入侵门户或迁徙病灶；或有全身感染中毒症状而无明显感染灶；或有皮肤黏膜出血点、肝脾肿大、血液中性粒细胞增多伴核左移，且无其他原因可以解释者，可临床诊断原发性血流感染。患者静脉穿刺部位有脓性渗出液，或沿留置导管的皮下走行部位出现疼痛性弥散性红斑者，临床诊断导管相关感染。应从患者不同部位多次采集血标本进行培养，导管相关感染还应留取导管尖端进行培养，分离出有意义的病原微生物可作为病原学诊断依据。

（五）肠道感染的检查

患者出现急性腹泻，伴有粪常规镜检白细胞数≥10个／高倍视野；或伴发热、恶心、呕吐、腹痛等消化道症状，临床诊断为感染性腹泻。应采集患者粪便或肛拭子标本检测肠道病原体；或自粪便或血液中检出病原体的抗原或抗体，达到诊断标准。近期曾接受或正在接受抗菌药物治疗，出现腹泻，或大便性状改变如水样便、血便、黏液脓血便或见条索状伪膜，伴有发热、腹痛或腹部压痛、反跳痛，以及周围血白细胞升高者，临床诊断为抗生素相关腹泻。应采集患者大便进行病原菌或毒素检测。

（六）中枢神经系统检查

患者有发热、脑膜刺激征及脑脊液白细胞升高，或经抗菌药物治疗后，症状、体征消失，脑脊液恢复正常者可临床诊断为中枢神经系统感染。应采集患者脑脊液进行病原检测，脑脊液中培养出病原菌；或病原微生物免疫学检测阳性；或脑脊液涂片找到病原菌，这些均可作为病原学诊断依据。如临床诊断为颅内脓肿，常需行脓肿穿刺或组织活检，以检测病原体。

六、医院感染的防控

（一）建立完备的医院感染防治机构

住院床位总数在100张以上的医院均应遵照医院感染相关法律、法规设立医院感染管理委员会和独立的医院感染管理部门，制订符合所在医院特点的医院感染防治措施。持续开展医院感染发生率、暴发流行情况、病原体构成、医疗环境、抗菌药物使用率、细菌耐药性等监测；并开展医院感染知识的宣传、教育，以提高全体医务人员对医院感染的认知程度，增强其参与医院感染防治的自觉性和积极性。

（二）采取严格的医院感染预防措施

研究资料表明，尽管无法避免所有医院感染的发生，但采取有效的防治措施可减少约30%的医院感染。通过早期诊断并积极治疗感染患者，对高致病及高度耐药病原感染者采取恰当的隔离措施以控制感染源；严格执行无菌操作规程，尤其是医务人员手卫生管理，以切断传播途径；通过缩短患者住院时间，避免不必要的侵袭性操作，针对特殊人群合理使用术前抗菌药物，以减少易感因素，保护易感人群。通过这些措施减少医院感染的发生。

思考题

1. 哪些患者易发生医院感染？

2. 医院感染的常见类型及病原有哪些？

3. 医院感染的传播途径有哪些？

（徐晓刚）

第六节　细菌性感染的实验室诊断与防治

一、细菌性感染的实验室诊断

由各类细菌导致的感染性疾病，如未能针对病因进行有效治疗，常可危及患者生命。因此根据病史资料及临床表现推测患者存在细菌性感染时，应尽早采集合适的标本进行实验室检查，尽早获得病原试验及药物敏感试验等检测结果对感染性疾病的诊断和治疗具有重要的意义。

（一）标本采集和运送

针对不同的感染类型采集合适的标本，并用适当的方法及时、安全运送至实验室是细菌性感染实验室诊断的基本要求。采集标本时应遵循以下几项原则：

（1）标本采集应尽可能在疾病早期、急性期或患者入院的当天进行，尽可能在使用抗菌药物之前采集，已经使用了抗菌药物者需在标本分离培养时加入药物拮抗剂。标本必须新鲜，采集后尽快送检。

（2）用于血清抗体检测的标本需要采集急性期和恢复期双份血清，以便根据抗体滴度变化做出正确的病原学诊断。

（3）根据不同致病菌在患者体内的分布和排出途径采集足量的标本，如肺炎患者采集痰标本、腹泻患者采集粪便标本等。标本不宜过少，需满足实验室检查的需求。由于多数血流感染成人患者血液中病原菌浓度低于1CFU/ml，为确保检出率，成人患者血培养标本的采集量不应低于20ml。

（4）采集具有明显病变特征的标本。细菌性痢疾患者取其粪便标本的黏液和脓血部分，肺结核患者取干酪样痰液等。

（5）根据目的菌的不同特性选用不同的采集方法。厌氧菌、兼性厌氧菌、需氧菌以及细菌L型采集的方法不同。

（6）注意无菌操作，避免杂菌污染。采集局部病变标本时，不宜用消毒剂，必要时以无菌生理盐水冲洗，拭干后再取材。

所有标本在采集后最好在2h内送达实验室。运送过程中，对低温敏感的细菌标本（如脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌等）需要保温，多数标本可冷藏保存和运送。用于细菌分离培养的标本保存时间不应超过24h。标本采集及运送过程中必须注意生物安全，防止传播和自身感染。烈性传染病标本必须按规定包装，由专人运送。

（二）病原菌分离鉴定

从患者标本中检出致病菌是诊断许多细菌性感染的金标准。当标本运送至微生物实验室后，一般直接涂片镜检，在此基础上，选择合适的培养基进行分离培养，在获得纯培养细菌后，进行生化或血清学鉴定以及药物敏感试验，特殊病原菌必要时需做动物试验等。

1. 直接涂片镜检　观察细菌的形态及染色特性对于具有典型形态特征的病原菌具有重要的诊断价值，结合免疫荧光染色可明显提高阳性率和准确率，可用于快速诊断。标本涂片染色镜检可快速了解标本中有无细菌及大致的菌量，而且根据细菌的形态和染色特性有助于对病原菌的初步识别，为后续分离培养、生化鉴定提供依据。具有形态、排列和染色性特征的致病菌，直接涂片、染色后镜检有助于初步诊断。如患者“米泔水”样粪便滴片镜检见活菌呈“鱼群”样运动有助于诊断霍乱弧菌感染。在遇可疑白喉、气性坏疽等急性、危重感染病时，为避免贻误治疗，亦可根据患者临床表现和直接涂片镜检结果作出初步诊断，尽早给药进行针对性治疗。

镜检见形态、排列和染色性无明显特征的细菌，如源自脑脊液、胸水等无菌部位标本，镜检结果亦有意义。例如临床医生在未获任何病原学检测报告时，一些重症感染的经验治疗需选择万古霉素联合碳青霉烯类药物同时覆盖革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。镜检见革兰氏阳性细菌，临床医生获知报告后经验治疗可选择针对革兰氏阳性菌的抗菌药物，而不需选择同时覆盖革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的药物，可提高疗效，减少抗菌药物的过度使用，对临床治疗仍有重要价值。

2. 分离培养　根据临床资料及标本直接镜检获得的细菌形态学结果，选取培养基进行细菌分离培养。自有正常菌群定植部位采集的标本（如粪便）应接种至选择或鉴别培养基。标本多用分区画线法接种至琼脂平板培养基。标本中细菌经培养后可形成菌落，根据菌落形态识别出可疑菌落。必要时可做不同菌落的涂片镜检，并与原标本直接镜检的结果比较分析，筛选可疑病原。可疑菌落需进一步做生化和血清学鉴定。血液、脑脊液等标本通常需要在液体培养基中增菌后再转种琼脂平板培养基。

3. 生化鉴定　根据细菌的生化反应进行菌种鉴定是目前多数微生物实验室鉴定细菌的常规方法。如许多肠道杆菌的形态、染色特性相近，不易区分，但它们的生化反应差别较大，故可利用含不同糖或氨基酸的培养基对细菌进行生化鉴定。目前已有多种快速、半自动或全自动的细菌生化鉴定仪器应用于临床分离菌的鉴定，提高了病原的鉴定效率。

4. 血清学鉴定　根据抗原抗体的结合具有特异性的原理，用已知的特异抗体与分离培养出的未知纯种细菌进行血清学鉴定，可以确定未知致病菌的种或型，如玻片凝集试验。

5. 动物试验　常用实验动物有小白鼠、豚鼠和家兔等。通过皮内、腹腔、肌肉、静脉和灌胃等途径接种，接种后观察动物的行为、体温、生存率、病原学及血清学等指标变化。动物试验不但可用于分离病原菌，也可用于测定细菌毒力（如测定LD₅₀或ID₅₀）及细菌毒素，如检测金黄色葡萄球菌产生的肠毒素、肉毒梭菌产生的肉毒毒素、白喉棒状杆菌产生的白喉毒素等；建立致病菌动物感染模型，研究细菌致病机制和抗菌药物疗效；制备免疫血清及进行疫苗研究等。但由于动物试验存在实验条件要求高，且致病菌对实验动物有敏感性要求等缺点。因此，一般不作为实验室的常规检测，仅在遇到疑难病例或在科学研究时选用。

（三）血清学诊断

病原菌感染人体后，可释放各类抗原物质，同时刺激机体免疫系统产生针对病原菌抗原的特异性抗体。抗体的效价或滴度（titer）常随病程的进展而升高。因此，通过免疫学方法检测某一已知病原菌的特异性抗原或抗体，可作为该病原菌感染的辅助诊断。因早期此类检测需采用患者或动物血清进行试验，故称为血清学诊断（serological diagnosis）。常用的方法包括玻片凝集试验、协同凝集试验、乳胶凝集试验、对流免疫电泳以及免疫标记技术（ELISA、免疫荧光标记以及放射免疫测定）等。

1. 细菌抗体检测　主要用于某些病程较长且病原菌抗原性较强的感染性疾病诊断。此外，人体血清抗体的出现可因致病菌感染或预防接种而产生，故正常人血清中亦可存在一定效价的某种抗体。因此，进行血清学抗体检测时，抗体效价必须明显高于正常人的水平或随病程递增才有诊断价值，通常需采集患者急性期和恢复期双份血清标本，当恢复期抗体效价比急性期升高4倍以上时方有诊断意义。血清抗体检测可用于临床某些细菌感染的辅助诊断，如检测肠热症的肥达试验、检测斑疹伤寒的外斐反应、检测梅毒的血清学试验，也可用于病原体感染的流行病学调查及疫苗的接种效果的检测等。由于血清中抗体效价可受多种因素影响，年老体弱者和免疫功能低下者、病原菌侵入人体时间较短等因素均可出现抗体效价升高不明显的现象，应该科学分析结果。

2. 细菌抗原检测　标本中特异性抗原的检出是某种细菌性感染的有力证据，尤其适用于一些常规培养困难的病原菌检测，如嗜肺军团菌的培养需特殊培养基，多数实验室未常规开展该菌的分离培养工作，采用抗原检测方法则可简便、快速地检测其特异性抗原，获得病原学诊断证据，因此抗原检测是细菌性感染快速诊断的常用方法。

（四）分子生物学诊断

分子生物学技术的飞速发展，为细菌检测提供了新的技术手段，使病原诊断更加快速、简便，此类方法尤其适用于那些常规培养难以生长或生长缓慢的细菌。目前，分子生物学技术在细菌检验中常用的领域包括：

1. 细菌的鉴定和诊断　通过核酸杂交或16S rRNA基因测序进行细菌鉴定，可提高菌种鉴定的准确率，弥补部分生化反应相似菌株常规方法难以鉴定的不足；采用分子生物学技术进行细菌性感染的病原诊断，可克服细菌培养条件、生长速度等因素对检测方法的限制，实现快速诊断。

由于上述方法只能检测已知病原菌的特定DNA序列，不能满足临床检测未知或新发病原的需求，临床应用受到一定限制，随着新一代测序技术的成熟与广泛应用，基于新一代测序及基因组序列分析的检测技术已开始应用于临床，此类方法理论上可检出标本中任何病原菌，包括无法常规培养的未知病原。

2. 细菌毒素基因或耐药基因检测　细菌的毒素及耐药性的产生大都由特定毒素基因或耐药基因的编码产物介导，根据这些基因设计探针或引物对待检菌进行核酸杂交或PCR检测，确定待检菌能否产生毒素或对某些特定抗菌药物是否有耐药性。

3. 细菌性感染的流行病学和医院感染调查　细菌性感染的流行，尤其暴发常需要快速明确病原及其传播模式，以利感染的防治。常用核酸杂交、PCR、基因芯片等病原检测技术，以及脉冲场凝胶电泳（PFGE）、多位点序列分型（MLST）等分子分型技术。这两类分子生物学方法的结合可快速明确病原的菌种及传播模式。

（五）药物敏感试验

临床标本中分离的细菌对抗菌药物的敏感性往往差异很大。通过药物敏感试验，可明确其对现有抗菌药物的敏感性，不但有助于临床选择恰当抗菌药物，提高疗效，而且可减少抗菌药物的不合理使用，减少耐药菌产生。常用方法有稀释法（琼脂稀释法和肉汤稀释法）、琼脂扩散法（纸片法）、E试验、自动化仪器法以及联合药物敏感试验等。

常用药敏试验检测结果包括：最低抑菌浓度（minimal inhibitory concentration, MIC），即抑制细菌生长所需药物的最低浓度；最低杀菌浓度（minimal bactericidal concentration, MBC），即抗菌药能使受试菌最初的活菌总数减少99.9%或以上所需要的最低抗菌药浓度；以及抑菌圈直径。根据抗菌药抑制临床分离细菌生长所需要MIC结合抗菌药物常用剂量时人体内所能达到的血药浓度，相关研究机构制订细菌对各种抗菌药物敏感性的判断标准，我国采用美国临床实验室标准化研究所（Clinical and Laboratory Standards Institute, CLSI）制订的标准。

CLSI采用三级划分制：敏感（S）、中介（I）、耐药（R）分别表示受试菌对抗菌药物的敏感性程度，某些特殊抗菌药物（如头孢吡肟）尚有剂量依赖性敏感（SDD）。S表示采用抗菌药物常规剂量时。体内的血药浓度超过该药对受试细菌MIC的5倍以上，提示此药物常规剂量可有效治疗受试细菌所致感染。I表示采用常规剂量时，血药浓度相当于或略高于受试细菌的MIC，提示该菌所致感染治疗需用高剂量药物，或该菌感染位于体内抗菌药浓缩部位方能获得临床疗效。SDD的意义与I相近。R表示药物对受试细菌的MIC高于药物治疗剂量在血液或体液内能达到的药物浓度，或受试菌能产生水解抗菌药物的酶等特殊耐药机制，提示采用此药治疗受试菌感染通常不能获得临床疗效。

部分临床分离菌对各种抗菌药物不太敏感，常需采用两种或两种以上药物联合治疗。联合药敏试验结果可为药物选用提供参考。联合药敏试验应先进行单药的药敏试验，然后以接近二者的MIC的几个浓度进行两药的交叉联合测试，以评估药物敏感性。具体方法有肉汤稀释棋盘法、琼脂稀释棋盘法、单药纸片搭桥法、复合药物纸片法等。稀释法较为准确，通常用部分抑菌浓度指数（fractional inhibitory concentration index, FIC）作为联合药物敏感性试验结果的判断依据。纸片法相对简便，但结果有时不易判读。

二、细菌性感染的特异性预防

细菌性感染的防控应包括消灭传染源、切断传播途径和保护易感人群三个方面。消灭传染源包括彻底隔离和治疗感染者和带菌者，治疗或捕杀患病的动物和带菌动物。采取有效的消毒隔离措施，切断各类病原的传播途径。易感人群是指对某种病原生物缺乏适应性免疫力的人群总称。传染病预防的重要环节是选用人工主动免疫或人工被动免疫的方法，使机体产生针对某种病原体的适应性免疫力。此外，针对某些特定病原菌的易感者，也可选用抗菌药物进行预防。

1. 人工主动免疫　给机体注射抗原（包括各种疫苗或类毒素），刺激机体产生抗毒素或抗菌的特异性体液或／和细胞免疫力，预防某种特定病原菌的感染和致病作用。常用的生物制品包括灭活疫苗、减毒活疫苗、类毒素、亚单位疫苗、基因工程疫苗、多肽疫苗、核酸疫苗及治疗性疫苗等。

2. 人工被动免疫　被动地给机体注射免疫制剂，包括含有特异性抗体的动物免疫血清、纯化的特异性IgG、活化的免疫细胞等，使机体立即获得适应性免疫的过程。主要用于某些传染病的应急性预防和治疗。如注射白喉和破伤风抗毒素紧急预防或治疗白喉和破伤风。在某些多重耐药菌（如铜绿假单胞菌）感染时，可考虑抗菌血清治疗。胎盘球蛋白主要用于丙种球蛋白缺乏症患者以及经长期化疗或放疗的肿瘤患者，以预防常见致病菌的感染。细胞因子在抗菌感染免疫中的应用不多，主要试用于一些病毒性疾病。

3. 抗菌药物预防　某些特定病原菌的易感者可采用抗菌药物进行感染的特异性预防。例如罹患镰刀状细胞贫血的婴幼儿对肺炎链球菌易感，可采用青霉素类口服制剂长期口服预防感染。孕妇妊娠后期（孕35～37周）阴道或肠道携带B群链球菌（group B streptococcus, GBS），新生儿易发生GBS感染，也可给予孕妇青霉素G或头孢唑啉静脉滴注，以预防新生儿GBS感染。与流行性脑脊髓膜炎患者有密切接触者可口服利福平或环丙沙星等抗菌药物，预防脑膜炎奈瑟菌感染。

三、细菌性感染的治疗

细菌性感染的治疗主要是根据感染细菌的种类和特点，选择敏感的抗菌药物进行治疗，常见的抗菌药物包括微生物合成的抗生素以及天然或人工化学合成的抗感染药物。抗感染药物的作用机制可分为4类：干扰细菌细胞壁合成；破坏细菌胞膜功能；抑制细菌蛋白质合成以及干扰细菌核酸代谢。此外，祖国医学中的许多中草药（如黄连、鱼腥草等）有一定的抗菌或抑菌作用。

（一）抗感染药物分类及主要抗菌机制

1. 干扰细菌细胞壁合成的药物　此类抗菌药物主要通过干扰细胞壁合成发挥抗菌作用，包括青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类等β内酰胺类抗生素、糖肽类以及磷霉素。

（1）青霉素类：青霉素类抗生素根据抗菌活性可分为：①主要作用于革兰氏阳性细菌的药物，如青霉素G、青霉素V；②耐青霉素酶青霉素，如苯唑西林、氯唑西林等；③广谱青霉素，如氨苄青霉素、阿莫西林；④抗铜绿假单胞菌青霉素，如哌拉西林、美洛西林等。

（2）头孢菌素：根据抗菌活性及对β内酰胺酶的稳定性不同分为五代：第一代头孢菌素主要作用于革兰氏阳性球菌，仅对少数肠杆菌科细菌有抗菌作用，如头孢唑啉等；第二代头孢菌素对革兰氏阳性球菌作用与第一代品种相仿，对部分肠杆菌科细菌的抗菌活性优于前代，常用的有头孢呋辛等；第三代头孢菌素对肠杆菌科细菌有良好抗菌作用，常用药物有头孢噻肟、头孢哌酮和头孢他啶等，其中头孢哌酮和头孢他啶不同于上述其他头孢菌素，对铜绿假单胞菌亦有较好作用；第四代头孢菌素对肠杆菌科细菌和铜绿假单胞菌的作用与头孢他啶相仿，由于对AmpC酶稳定，对阴沟肠杆菌等的作用优于第三代头孢菌素，常用者为头孢吡肟；第五代头孢菌素保持了前几代头孢菌素相当的抗菌活性，对包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）在内的革兰氏阳性球菌亦有抗菌作用，已临床应用者有头孢洛林。各代头孢菌素类对肠球菌属大多无作用，仅我国自主研发的头孢硫脒体外有一定抗菌活性。

（3）碳青霉烯类：此类药物抗菌活性强，且对碳青霉烯酶以外的其他β内酰胺酶稳定。对多数革兰氏阳性菌、肠杆菌科细菌、铜绿假单胞菌等非发酵糖革兰氏阴性杆菌及厌氧菌均有良好抗菌作用，但对肠球菌仅有抑菌作用，对MRSA和嗜麦芽窄食单胞菌大多耐药。临床常用品种有亚胺培南、美罗培南、帕尼培南及厄他培南。厄他培南对不动杆菌属等不发酵糖革兰氏阴性杆菌的抗菌作用差。

（4）其他β内酰胺类

1）单环β内酰胺类：本类药物对细菌产生的广谱β内酰胺酶及部分金属酶稳定，但易为超广谱β内酰胺酶（ESBLs）水解失活。对需氧革兰氏阴性菌及铜绿假单胞菌有良好抗菌作用，但对需氧革兰氏阳性菌和厌氧菌无抗菌活性。目前仅有氨曲南应用于临床。

2）头孢霉素类：此类药物对多数细菌产生的ESBLs稳定，抗菌谱与抗菌活性与第二代头孢菌素相近，但对厌氧菌有良好抗菌活性。常用品种有头孢西丁、头孢美唑等。

3）氧头孢烯类：此类药物对多数细菌产生的β内酰胺酶亦稳定。抗菌谱与第三代头孢菌素相仿，且对厌氧菌有良好抗菌活性。临床应用品种有拉氧头孢和氟氧头孢。

4）β内酰胺酶抑制剂及β内酰胺类／β内酰胺酶抑制剂复方：此类酶抑制剂对多数β内酰胺酶有抑制作用，与某些易被酶水解的青霉素类或头孢菌素类联合使用后，可恢复细菌对上述药物的敏感性。常用复方制剂有头孢哌酮／舒巴坦、哌拉西林／他唑巴坦等。此类酶抑制剂无或仅有微弱抗菌活性，但舒巴坦对鲍曼不动杆菌有抗菌活性。

（5）糖肽类：糖肽类抗生素静脉用药主要用于治疗MRSA等耐药革兰氏阳性球菌的重症感染。万古霉素口服治疗艰难梭菌引起的假膜性肠炎。常用品种有万古霉素、去甲万古霉素和替考拉宁。

（6）磷霉素：磷霉素为广谱抗生素，对多数需氧革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有抗菌活性，对部分MRSA、耐万古霉素肠球菌（VRE）及产ESBLs和碳青霉烯酶的肠杆菌科细菌也有抗菌活性。但铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌对磷霉素的耐药率较高。

2. 破坏细菌细胞膜的功能　细菌细胞膜不但有选择性屏障作用，且具有多种酶系统，参与细菌代谢过程。通过破坏细胞膜功能发挥抗菌作用的抗生素包括多黏菌素类和环脂肽类抗生素。

（1）多黏菌素类：多黏菌素类的分子有两极性，亲水性端与细胞膜的蛋白质部分结合，亲脂性端与细胞膜内磷脂相结合，使细胞膜受损，导致细胞内成分外漏，细菌死亡。常用品种有多黏菌素B和多黏菌素E。此类药物对铜绿假单胞菌等革兰氏阴性菌有高度抗菌活性，但其肾毒性、神经毒性明显。

（2）环脂肽类：环脂肽类抗生素通过干扰细胞膜对氨基酸的转运，阻断细菌细胞壁肽聚糖的合成，并通过破坏细菌的细胞膜，使其胞内容物外泄而发挥杀菌作用。对包括MRSA、VRE在内的革兰氏阳性球菌有良好抗菌活性，但对革兰氏阴性菌无抗菌作用。临床应用品种有达托霉素。

3. 抑制细菌蛋白质的合成　细菌核糖体由50S和30S亚基组成，许多抗菌药物可与细菌核糖体结合，抑制蛋白质合成，导致细菌死亡。氨基糖苷类、唑烷酮类、大环内酯类、林可酰胺类、四环素类及氯霉素类抗菌药物均通过此机制发挥作用。

（1）氨基糖苷类：氨基糖苷类主要通过与核糖体30S亚基不可逆地结合发挥抗菌作用。临床常用抗生素有链霉素、卡那霉素、庆大霉素、妥布霉素、奈替米星、阿米卡星、异帕米星等。

（2）唑烷酮类抗菌药物：唑烷酮类抗菌药物通过与细菌50S核糖体亚基结合发挥抗菌作用。对葡萄球菌属、肠球菌属等革兰氏阳性球菌，包括VRE及MRSA有良好的抗菌作用，对厌氧菌、分枝杆菌亦有一定的抗菌作用，但对革兰氏阴性菌无效。常用品种有利奈唑胺。

（3）大环内酯类：大环内酯类抗生素通过与核糖体50S亚基结合而发挥抗菌作用。早先应用于临床的红霉素、乙酰螺旋霉素、交沙霉素等对链球菌属、甲氧西林敏感葡萄球菌属、淋病奈瑟菌有良好抗菌活性，对流感嗜血杆菌、军团菌属、肺炎支原体及肺炎衣原体亦有良好作用。大环内酯类新品种阿奇霉素、克拉霉素等对上述呼吸道病原的抗微生物活性增强。

（4）林可酰胺类：林可酰胺类抗生素作用机制与大环内酯类相似，目前临床应用的包括林可霉素及克林霉素，后者的体外抗菌活性优于林可霉素。此类抗生素对链球菌属、甲氧西林敏感葡萄球菌等革兰氏阳性球菌有良好抗菌活性，但肠球菌属对其耐药。对各种厌氧菌包括脆弱类杆菌有良好作用，但艰难梭菌大多对其耐药。

（5）四环素类：四环素类抗生素可与核糖体30S亚基结合发挥抗菌作用。本类药物对化脓性链球菌、肺炎链球菌、流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌、甲氧西林敏感葡萄球菌、炭疽芽胞杆菌、李斯特菌、脑膜炎奈瑟菌等有抗菌作用。对衣原体属、支原体属亦有良好活性。常用品种包括金霉素、土霉素、多西环素和米诺环素。

（6）氯霉素：氯霉素通过与核糖体50S亚基结合发挥抗菌作用。对多数革兰氏阳性和阴性球菌及常见肠杆菌科细菌有良好抗菌活性，对立克次氏体属及多数厌氧菌亦有良好作用。本品可引起重度骨髓抑制及灰婴综合征等严重不良反应，目前临床应用少，可用于眼科局部用药。

4. 干扰细菌核酸的代谢

（1）喹诺酮类：喹诺酮类通过与DNA解旋酶（拓扑异构酶Ⅱ）和拓扑异构酶Ⅳ结合，阻碍DNA复制而发挥杀菌作用。临床常用药物有环丙沙星、左氧氟沙星、莫西沙星和吉米沙星等。由于国内大肠埃希菌对氟喹诺酮类耐药率高（50%～60%），因此临床应用时应依据其药敏结果。

（2）利福霉素：利福霉素类药物通过与细菌的DNA依赖的RNA聚合酶结合抑制其mRNA合成发挥抗菌作用。临床应用药物有利福平、利福喷汀及利福布汀等。此类药物抗菌谱广，口服吸收好，但由于单独应用易诱导耐药，通常不用于普通细菌感染，目前大多作为抗结核及抗麻风联合疗法中的主要药物。

（3）甲氧苄胺嘧啶及磺胺类：甲氧苄胺嘧啶与二氢叶酸分子结构相似，能竞争抑制二氢叶酸还原酶，抑制四氢叶酸合成；磺胺药与对氨基苯甲酸的分子结构相似，二者可与二氢叶酸合成酶竞争结合，使二氢叶酸合成减少，进而影响核酸的合成，抑制细菌生长繁殖。因此，甲氧苄胺嘧啶与磺胺药合用有协同作用，临床常用品种有复方新诺明。对革兰氏阳性和阴性菌有广谱抗菌作用，但目前常见病原菌对该类药物耐药性高。

（4）硝基呋喃类：硝基呋喃类抗菌药物主要通过干扰细菌氧化还原酶，抑制DNA合成而发挥抗菌作用。临床应用品种包括供口服的呋喃妥因、呋喃唑酮和局部用呋喃西林。呋喃妥因主要用于敏感细菌所致尿路感染的防治。呋喃唑酮主要用于志贺菌属及沙门菌等所致肠道感染的治疗。呋喃西林仅局部应用于治疗创面、烧伤、皮肤等感染。

（5）硝基咪唑类：硝基咪唑类抗菌药物主要通过氧化、破坏细菌DNA而发挥杀菌作用。临床常用的有甲硝唑和替硝唑，对脆弱类杆菌等厌氧菌以及滴虫、阿米巴原虫有良好抗病原体活性，故临床主要用于各类厌氧菌及原虫感染的治疗。

（二）细菌性感染治疗

目前临床应用的各种抗菌药物作用机制及抗菌谱不同，临床上应根据感染细菌的类型、药物敏感性及患者的实际情况选择抗菌药物进行治疗。在临床应用抗菌药物时，应严格遵守《抗菌药物临床应用指导原则》。

1. 抗菌药物治疗性应用的基本原则

（1）临床诊断为细菌性感染者方有指征使用抗感染药

根据患者的症状、体征及实验室检查或影像学检查结果，临床初步诊断为细菌性感染者，以及经病原检查确诊为细菌性、支原体、衣原体等原核细胞型微生物所致的感染方有指征应用抗菌药物。缺乏原核细胞型微生物感染的证据者无指征应用抗菌药。

（2）尽早明确感染病原，根据病原种类及药物敏感试验结果选用抗感染药物。

临床初步诊断为细菌性感染者，应尽早明确感染病原菌，并获得药敏结果。在未获知病原菌及药敏结果前，可根据患者的发病情况、原发病灶等推测最可能的病原菌，并结合当地细菌耐药状况先给予经验治疗，获知细菌培养及药敏结果后，应调整经验治疗疗效不佳患者的治疗药物。

（3）按照药物的抗病原微生物特点及其体内过程、特点选择用药

不同抗菌药物的抗菌谱和抗菌活性以及药物在人体内的吸收、分布、代谢和排出过程各具特点，因此各类抗菌药物有不同的临床适应证。同一类抗菌药物的不同品种，其适应证亦不尽相同。临床医师应根据其特点，按临床适应证选用抗菌药物。

（4）按照患者的生理、病理情况以及免疫状态合理用药

老年人、新生儿、小儿、孕妇、哺乳期妇女等特殊生理情况，以及肾功能减退、肝功能减退、免疫功能低下或缺陷等病理情况，其抗感染药的选用不同于一般患者，需根据其特殊情况选用合适抗菌药物及治疗方案。

2. 抗感染药的临床应用

感染性疾病（如细菌性感染）进行抗菌治疗时，应根据病原菌、感染部位、感染严重程度和患者的生理、病理情况制订抗菌药治疗方案，包括抗菌药的选用品种、剂量、给药次数、给药途径、疗程以及联合用药。

（1）抗感染药治疗方案的制订

制订治疗方案应遵循下列原则：①品种选择：根据检出病原菌种类及细菌的药敏结果并结合患者的感染病情选用抗菌药。②给药剂量：按抗菌药物说明书推荐剂量范围给药。治疗重症感染及药物不易进入部位的感染，宜给予较大剂量；而治疗尿路感染时，由于多数药物尿药浓度远高于血药浓度，则可给予较小剂量。③给药途径：轻症感染可接受口服给药。重症感染、全身性感染患者初始治疗应予静脉给药，以确保药效，病情好转能口服时应及早转为口服给药。除非感染部位药物无法进入，抗菌药物应尽量避免局部应用。④给药次数：应根据药代动力学和药效学相结合的原则给药。多数β内酰胺类药物以及克林霉素等为时间依赖性药物，且半衰期短者，应一日多次给药。氟喹诺酮类、氨基糖苷类等多为浓度依赖性药物，可一日给药一次。⑤疗程：抗菌药疗程因感染病原及部位不同而异，通常宜用药至体温正常、症状消退后3～4天，但对血流感染、感染性心内膜炎、布鲁菌病、骨髓炎等患者，为防止复发，应采用较长的疗程。

（2）抗感染药的联合应用

单一药物可有效治疗的感染，不需联合用药。下列情形为联合用药指征：①病原菌尚未明的严重感染，包括免疫缺陷者的严重感染；②单一抗菌药物不能控制的2种或2种以上病原菌感染；③单一抗菌药不能有效控制的感染性心内膜炎等重症感染；④需长程治疗，但病原菌易对某些抗菌药产生耐药性的感染，如结核病等。应选用有协同作用的药物联合治疗。联合用药通常采用2种药物联合，3种及3种以上药物联合仅适用于个别情况，如结核病的治疗。此外，尽管联合用药可通过提高疗效，减少毒性较大药物的剂量，从而减少其毒性反应，但多种药物联合用药后药物不良反应亦可增多，用药期间应密切监测可能发生的各种不良反应。

思考题

1. 临床标本的采集需注意哪些事项？

2. 细菌药敏试验的常用方法有哪些？

3. 抗菌药物的作用机制有哪些？

（徐晓刚）

第七节　细菌耐药性

抗菌药物（antibacterial agents）是指具有杀菌或抑菌活性的抗生素和化学合成药物。前者包括放线菌、真菌、细菌等的合成代谢产物及经化学改造的半合成抗生素，后者为化学合成药。1935年，磺胺类药首次应用于临床，1941年青霉素投入临床使用，随后，科学家们研发了许多种抗菌药物（见本章第六节），使许多细菌感染者得以康复。然而，由于细菌的变异、抗菌药物的广泛应用和不恰当使用，临床细菌性感染的病原体种类、致病性和对抗菌药物的敏感性发生了变化。20世纪80年代，随着耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methecillin resistant Staphylococcus aureus, MRSA）出现，万古霉素一度成了现在治疗MRSA感染的唯一选择。革兰氏阴性杆菌耐药性更为严重，出现了许多对2类以上抗菌药物耐药的多重耐药（multiple-drug resistance, MDR）菌株，对大多数临床可用药物极度耐药（extensively drug resistance, XDR）和对所有药物泛耐药（pan-drug resistance, PDR）菌株已不少见。

据WHO统计，全世界约有5000万人携带耐药菌。在临床分离菌中，以屎肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌及肠杆菌属为代表的6类细菌耐药性最为严重。医务工作者应充分认识细菌耐药性发生的机制，增强合理使用抗菌药物的意识，减少细菌耐药性的发生与发展。

一、细菌耐药的遗传特征

按照细菌耐药形成的遗传特征，耐药性形成可分为固有耐药（intrinsic drug resistance）和获得性耐药（acquired drug resistance）两种方式。

（一）固有耐药

固有耐药指细菌对某些抗菌药物的天然耐受性，故也称为天然耐药。固有耐药是始终如一的，具有种属特异性。固有耐药性的形成一方面可能与这些细菌天然缺乏抗菌药物作用的靶位，使抗菌药物无法发挥作用，如细菌的细胞膜缺乏固醇类物质，因此对抗真菌的药物二性霉素固有耐药。多数革兰氏阴性菌细胞壁肽聚糖层薄且有外膜保护，对万古霉素和甲氧西林往往有耐受性，肠球菌耐头孢菌素、厌氧菌耐氨基糖苷类、铜绿假单胞菌耐氨苄青霉素、链球菌属耐庆大霉素均属天然耐药。另一方面，细菌染色体上的耐药基因可能起源于细菌看家基因（house keeping gene），如糖激酶、蛋白激酶和乙酰转移酶基因，其编码产物可在长期进化中演变为灭活酶（如氨基糖苷类修饰酶等）而介导细菌特定药物的固有耐药。固有耐药具有一定的规律性，经推测可知。

（二）获得性耐药

获得性耐药是由于细菌DNA通过基因突变或耐药基因转移获得新的耐药表型，使正常情况下对抗菌药物敏感的细菌群体出现了耐药菌株，此亦为获得性耐药与固有耐药的本质区别。大多由质粒介导，但也可由染色体介导。

1. 基因突变　与药物作用有关的细菌染色体基因发生突变，可使细菌获得耐药性。耐药的自发突变频率通常为1×10^-10～1×10^-7。细菌突变的机制见本章第三节细菌的遗传与变异。基因突变有可能造成编码的抗菌药物作用靶蛋白结构改变，产生耐药性；或产生一些灭活酶，使抗菌药物失活；或使多重耐药（multiple antibiotic resistance, mar）操纵子基因去阻遏，造成细菌外排泵表达上调，介导细菌对多类抗菌药物耐药。

由突变产生的耐药性是自发、随机发生的，与抗菌药物的使用无关，抗菌药物的使用只是杀死了敏感菌，把发生突变的耐药菌株从中筛选出来。突变株的耐药性可以稳定遗传。细菌基因突变后一般只对1种或2种相类似的药物耐药。如在结核病的治疗过程中，结核分枝杆菌可通过突变的方式产生耐药，细菌在治疗前就可通过突变产生对链霉素、利福平、异烟肼等单一抗痨药物的耐药性，但对3种药物同时耐药的概率极小，故治疗结核病时联合用药可减少耐药株出现的概率。

2. 基因转移　这是细菌耐药性迅速扩散的主要原因。主要通过携带耐药基因的质粒和转座子等的转移而造成耐药性的扩散。

（1）质粒介导的耐药性：耐药性质粒广泛存在于G⁺菌和G^-菌中，几乎所有致病菌均可有耐药质粒。携带耐药基因的质粒包括接合性和非接合性质粒，可以通过接合、转化、转导等方式在细菌间转移，使耐药性扩散，尤其在肠道菌中更为常见。

（2）转座子（Tn）介导的耐药性：Tn携带耐药性基因，决定对抗菌药物的耐药性。转座基因的两侧多为插入序列及转座酶。当Tn插入某一基因时，可因带入新的耐药基因而使细菌获得耐药性。这种转移方式使耐药基因在质粒与质粒、质粒与染色体或染色体与噬菌体之间传递，致使耐药菌株不断增多。由于耐药性质粒中的Tn的转座，常可形成多个Tn的连接排列，使耐药基因数目增加，这是造成细菌多重耐药的主要原因。由转座子传递耐药性可见于对氨苄青霉素、链霉素、卡那霉素、四环素、氯霉素、红霉素、磺胺甲氧苄啶等耐药的细菌中。

（3）整合子（In）介导的耐药性：In由5'-保守末端（5'-CS）、3'-保守末端（3'-CS）及两者间含多种耐药基因盒的可变区组成，可通过特异性识别、捕获外源性耐药基因盒，介导多种抗菌药物耐药。In位于Tn、质粒、噬菌体或染色体上，其携带的耐药基因盒可在染色体及不同移动元件间移动，促进耐药基因快速转移。

二、细菌耐药产生的生化机制

当细菌通过染色体突变或质粒、转座子等介导获得耐药基因后，通过基因表达产生抗生素灭活酶或钝化酶、改变药物的作用靶位、改变细胞壁的屏障功能或胞膜的主动外排机制、改变代谢途径等多种机制，最终使细菌对一种或多种抗菌药物产生耐药性。

（一）产生抗生素灭活酶或钝化酶

耐药菌株通过合成降解抗生素的灭活酶或钝化酶（modified enzyme）作用于抗菌药物，改变其结构，使其抗菌活性丧失或减弱。与耐药有关的酶包括：

1. β内酰胺酶（β-lactamase）　β内酰胺酶可由细菌染色体或质粒携带基因编码。产生此酶的G⁺菌多见于葡萄球菌，常由质粒或Tn基因编码。几乎所有G^-杆菌染色体均可编码β内酰胺酶。β内酰胺酶通过它们的活性位点Ser-OH破坏β内酰胺环，药物的抗菌活性丧失，使细菌产生耐药性。

β内酰胺酶种类很多，已发现的达1500多种。按照阿姆勒（Amler）分子结构分类法，可分为以丝氨酸为酶活性位点的A、C、D类和以金属锌离子为活性位点的B类四大类。按照布什（Bush）功能分类法，依据酶分子结构、抑制性及水解底物特征分为四型，其中Ⅰ和Ⅱ型最常见，Ⅲ和Ⅳ型少见。

青霉素酶（penicillinase）是最早发现的β内酰胺酶，属于布什分类Ⅱa型，由金黄色葡萄球菌和其他G⁺菌产生，可水解青霉素。广谱β内酰胺酶主要由G^-杆菌（肺炎克雷伯菌、大肠埃希菌）产生，属于布什分类Ⅱb型，包括SHV-1、TEM-1、TEM-2等酶，可以水解广谱青霉素类以及第一代和第二代头孢菌素，但不水解第三代头孢菌素，该酶可以被克拉维酸（clavulanic acid）抑制。超广谱β内酰胺酶（extended spectrum β-lactamases, ESBLs）多由质粒介导，属于布什分类Ⅱbe型，是SHV、TEM等型酶衍生物或其基因突变的产物，可水解青霉素类、头孢菌素类和单环类，但对头霉素和碳青霉烯类无作用。该酶可被克拉维酸等β内酰胺酶抑制剂抑制。头孢菌素酶AmpC常由肠道菌成员（除了沙门菌和克雷伯菌外）和铜绿假单胞菌的染色体编码产生，属布什分类Ⅰ型。AmpC具有很强的可诱导性，在自然状态下，这些菌株很少产生该酶，经β内酰胺类抗生素（尤其是头孢西丁、亚胺培南和克拉维酸）诱导，细菌产生的酶比自然状况下高数百倍。该酶可水解头霉素（头孢西丁），邻氯西林可以抑制该酶活性。

β内酰胺酶分类Ⅲ型的金属酶可水解除氨曲南以外的各种β内酰胺类药物，包括碳青霉烯类，且不能被β内酰胺酶抑制剂所抑制，其特点是在活性位点含锌离子，可为金属离子络合剂EDTA所抑制。该类酶主要存在于革兰氏阴性杆菌的染色体，也由质粒介导，近年备受关注的NDM-1即属此类。Ⅱf型酶也可水解碳青霉烯类，可为他唑巴坦所抑制。其中SME、IMI-1、NMC-1酶编码基因由染色体携带，KPC及某些GES酶编码基因由质粒携带。近年携带这些耐药基因的多重耐药革兰氏阴性杆菌已在全球广泛传播。

2. 氨基糖苷类钝化酶（aminoglycoside-modified enzymes）　氨基糖苷类钝化酶有三类：①乙酰转移酶（AAC），可使游离氨基乙酰化；②磷酸转移酶（APH），可使游离羟基磷酸化；③核苷转移酶（AAD），可使游离羟基核苷化。细菌通过氨基乙酰化、羟基磷酸化和核苷化作用，使氨基糖苷类药物的分子结构发生改变，抗菌作用减弱。尤以APH介导的抗生素耐药性最高。

3. 氯霉素乙酰转移酶（chloramphenicol acetyl transferase, CAT）　该酶由某些金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、D组链球菌和流感嗜血杆菌的质粒编码产生。氯霉素羟基被CAT乙酰化后，无法结合到核糖体50S亚基上发挥抗菌活性。

4. 红霉素和其他灭活酶　通过产生红霉素酯酶或通过2-磷酸转移酶催化的磷酸化反应破坏大环内酯类药物的酯环，导致肠杆菌对红霉素产生高度耐药性。

（二）药物作用靶位的改变

抗菌药物一般均有作用的靶位，细菌可通过改变药物作用靶位产生耐药性，常见的机制包括：①抗菌药物作用靶位变构，使抗菌药物难以与之结合；②增加靶位蛋白数量，使未结合的靶位蛋白仍能维持细菌的正常形态与功能；③产生与原靶位蛋白功能相似，但抗菌药物无法结合的新蛋白。

1. 青霉素结合蛋白（penicillin-binding proteins, PBPs）改变　PBPs是细菌合成肽聚糖非常重要的酶。β内酰胺类抗生素与其作用靶位PBPs结合后，可干扰肽聚糖的正常合成，导致细菌死亡。但某些细菌如肺炎链球菌、淋病奈瑟菌等能改变其PBPs的结构，使之与β内酰胺类抗生素的亲和力降低而导致耐药。MRSA染色体携带mecA基因，编码一种与β内酰胺类抗生素亲和力极低的新PBPs即PBP-2a，当β内酰胺类抗生素存在时，正常PBPs失活，但PBP-2a仍可替代其功能。因此，MRSA表现为对所有β内酰胺类抗生素均耐药。

2. 核糖体改变　氨基糖苷类、大环内酯类、林可酰胺类、四环素类及利奈唑胺等抗菌药物主要通过与细菌核糖体的30S或50S亚基结合，阻止细菌蛋白质的合成而发挥抗菌作用。细菌可通过16S rRNA、23S rRNA以及核糖体蛋白编码基因变异，或获得可对16S rRNA、23S rRNA进行甲基化修饰的甲基化酶，导致核糖体构象改变，介导细菌对抗菌药物耐药。目前获得16S rRNA甲基化酶是细菌对氨基糖苷类高水平耐药的主要机制。

3. 靶位酶的改变　DNA旋转酶是喹诺酮类药物的作用靶位，大肠埃希菌gyrA基因突变可引起酶结构改变，阻止喹诺酮类药物进入靶位导致耐药。大肠埃希菌、肺炎链球菌、脑膜炎奈瑟菌的二氢叶酸合成酶基因突变，编码与磺胺低亲和力的二氢叶酸合成酶，产生对磺胺类药物的耐药性。

（三）抗菌药物的渗透障碍和主动外排

1. 抗菌药物的渗透障碍　细菌外层的细胞壁和细胞膜结构对阻碍抗菌药物进入菌体有重要作用。由于细菌细胞壁和细胞膜通透性的改变，使抗菌药物不易进入细胞内而发挥抗菌作用。如分枝杆菌的细胞壁存在异常紧密的结构，通透性极低，对多种抗菌药物呈现天然耐药性。G^-菌具有选择性的外膜屏障，孔蛋白通道对一些抗菌药物的进入具有阻碍作用，故对许多抗菌药物产生耐药；而G⁺菌无外膜屏障，对许多疏水性抗菌药物（如β内酰胺类）更为敏感。通常情况下，细菌外膜亲水性的药物通道蛋白（即外膜蛋白）主要有OmpF、OmpC和PhoE等。外膜蛋白的减少或缺失可导致细菌耐药性的产生。如OmpF减少使大肠埃希菌对四环素耐药，铜绿假单胞菌因失去外膜蛋白D₂后对亚胺培南耐药。

2. 主动外排机制　某些细菌的外膜上有能量依赖性的药物主动外排系统，其能量来自ATP水解产生的自由能或质子驱动力，能对多种抗生素发生作用，是细菌对四环素、大环内酯类等抗生素耐药的主要机制。铜绿假单胞菌的主动外排系统包括MexAB-OprM、MexCD-OprJ、MexEF-OprN、MexXY等。大肠埃希菌和其他G^-菌染色体上有mar操纵子，调控大肠埃希菌的AcrAB-TolC外排系统。

（四）代谢途径或代谢状态改变

奈瑟菌属细菌和金黄色葡萄球菌可因染色体突变导致对氨基苯甲酸（PABA）增多，对磺胺产生耐药性。此外一些特殊代谢状态改变也可引起对抗菌药物耐受，如呈休眠状态、持留状态（persist）或营养缺陷细菌可耐受多种抗菌药物。

三、细菌耐药性的检测

（一）细菌耐药性的表型检测

可选用纸片扩散法、稀释法和E试验检测，并根据美国CLSI标准判断细菌对抗菌药物的耐药性。

（二）β内酰胺酶检测

普通β内酰胺酶检测可选用头孢硝噻吩纸片法或碘淀粉测定法；检测ESBLs可采用双纸片法、三维试验法或E试验；碳青霉烯酶可采用Carba NP法检测。

（三）耐药基因检测

可选用PCR、基因芯片等技术，测定细菌是否携带耐药基因。DNA测序可分析耐药相关基因的变异位点。

四、细菌耐药性的控制策略

（一）合理使用抗菌药物

严格按照抗菌药物使用原则使用抗菌药物，避免滥用。

（二）严格执行消毒隔离制度

医源性传播是耐药菌在院内传播的重要机制，应严格执行消毒隔离制度和无菌操作技术，防止耐药菌的扩散。隔离耐药菌感染患者，对医生、护士和护工应定期检查带菌情况，防止交叉感染。

（三）加强药政管理

进一步加强和完善抗菌药物的使用管理。农牧业应尽量避免使用供临床应用的抗菌药物，避免将其作为动物生长促进剂或用于牲畜感染的治疗。

（四）研制新抗菌药物和质粒消除剂

1. 研制新的抗菌药物　针对细菌的耐药机制，有目的地改造现有抗菌药物，研制对耐药菌有活性的新型抗菌药物。如新一类甘氨酰环素类（glycylcycline）药物替加环素以及与PBP-2a有强亲和力的β内酰胺类抗生素头孢罗膦等。

中药中有许多具有很好抗菌作用的单味药和复方，在临床应用中许多有明显效果。此外，防御素（defensin）、杀菌肽（cecropin）、爪蟾抗菌肽（magainin）、鲨胺（qualamine）等是来源于动物的抗微生物肽，具有广谱的抗菌活性。

2. 研制质粒消除剂　耐药性质粒在细菌耐药性的产生和传播方面有重要的作用。研发用于人体的质粒消除剂，或可防止细菌耐药性传播。

思考题

1. 细菌产生耐药的机制有哪些？

2. 细菌耐药性的控制策略有哪些？

（徐晓刚）