病原生物學與免疫學課程細菌的生長繁殖及代謝教學課件

細菌的生長繁殖及代謝授課人：XXX病原生物學與免疫學教學課件目錄/CONTENTS01細菌的生長繁殖02細菌的人工培養(yǎng)03細菌的代謝產(chǎn)物及意義細菌是單細胞生物，具有獨立的生命活動能力，能不斷地從外界環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，合成自身組成成分并獲得能量，同時排出多種代謝產(chǎn)物，來完成新陳代謝和生長繁殖的過程。這些活動受環(huán)境等因素影響較大，當條件適宜時，細菌生長繁殖迅速，代謝旺盛；當條件不適宜時，細菌生命活動受到抑制，甚至死亡。了解細菌生長繁殖條件、生命活動規(guī)律及代謝產(chǎn)物，有助于細菌的人工培養(yǎng)、分離鑒定及判斷細菌的致病性，同時對細菌性疾病的診斷、治療及預防也有重要的意義。第一節(jié)細菌的生長繁殖細菌的化學組成和物理性狀細菌生長繁殖的條件細菌的繁殖方式與速度（一）細菌的化學組成細菌的化學組成和其他生物細胞相似，由水、無機鹽、蛋白質(zhì)、糖類、脂類、核酸等組成。一、細菌的化學組成和物理性狀水是細菌的重要組成部分，占菌體重量的80%左右；固體成分占15%～20%，其中蛋白質(zhì)占50%～80%，糖類占10%～30%，脂類占1%～7%，無機鹽占3%～10%。另外，細菌還含有一些特有的化學成分，如磷壁酸、肽聚糖、二氨基庚二酸、D型氨基酸等。（一）細菌的化學組成細菌固體成分的50%～80%是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)具有兩性游離的性質(zhì)，在溶液中可電離成帶正電荷的氨基和帶負電荷的羧基。當正電荷與負電荷相等時，為等電點。革蘭氏陽性菌等電點為2～3，革蘭氏陰性菌等電點為4～5，在中性或弱堿性環(huán)境中，細菌均帶負電荷。細菌的帶電現(xiàn)象與細菌的染色反應(yīng)、凝集反應(yīng)、抑菌和殺菌等都有密切關(guān)系。1．帶電現(xiàn)象（二）細菌的物理性狀細菌雖菌體微小，但單位體積的表面積遠比其他生物要大，這有利于細菌與外界進行物質(zhì)交換，因此細菌代謝旺盛、生長繁殖迅速。2．表面積（二）細菌的物理性狀細菌細胞為半透明體，當光線照射在菌體上時，一部分光被吸收，一部分光被折射，故細菌懸液呈混濁狀態(tài)。菌數(shù)越多，濁度越大。3．光學性質(zhì)（二）細菌的物理性狀細菌的細胞壁和細胞膜都具有半透性，可允許水分子和小分子物質(zhì)通過，而對其他物質(zhì)則有選擇性通過作用。細菌的半透性有利于其吸收營養(yǎng)物質(zhì)和排出代謝產(chǎn)物。4．半透性（二）細菌的物理性狀細菌體內(nèi)含有高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)和無機鹽，所處環(huán)境相對低滲。但細菌有堅韌的細胞壁，能耐受菌體內(nèi)的高滲透壓，并能保護細菌在低滲透壓環(huán)境中不致膨脹破裂。5．滲透壓（二）細菌的物理性狀（一）營養(yǎng)物質(zhì)1．水水是維持細菌細胞結(jié)構(gòu)和生存必不可少的成分，細菌所需營養(yǎng)物質(zhì)必須先溶于水，營養(yǎng)的吸收、代謝等過程需有水才能進行。二、細菌生長繁殖的條件2．碳源各種含碳的無機或有機化合物都能被細菌吸收利用，是合成菌體所必需的原料，同時也是細菌代謝的主要能量來源。病原菌主要從糖類獲得碳。（一）營養(yǎng)物質(zhì)3．氮源氮用于合成菌體的蛋白質(zhì)、酶、核酸等。多數(shù)病原菌主要以氨基酸、蛋白質(zhì)等有機氮化物作為氮源。少數(shù)細菌（如固氮菌）能以空氣中的游離氮或無機氮為氮源。（一）營養(yǎng)物質(zhì)4．無機鹽鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、硫、磷等是細菌生長代謝中所需的無機鹽成分。這些無機鹽的主要作用包括：①構(gòu)成菌體成分。②作為酶的組成部分，維持酶的活性。③參與能量的儲存和轉(zhuǎn)運。④調(diào)節(jié)菌體內(nèi)外的滲透壓。⑤某些元素與細菌的生長繁殖和致病作用密切相關(guān)。（一）營養(yǎng)物質(zhì)5．生長因子生長因子是某些細菌生長所必需而自身又不能合成的有機化合物，主要有維生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等。有些細菌需特殊的生長因子，如流感嗜血桿菌需要血液中的Ⅹ因子和Ⅴ因子，Ⅹ因子是高鐵血紅素，Ⅴ因子是輔酶Ⅰ或輔酶Ⅱ，兩者在細菌的呼吸中有重要的作用。（一）營養(yǎng)物質(zhì)大多數(shù)病原菌最適pH為7.2～7.6，此時細菌極易生存，生長繁殖速率快。個別細菌如霍亂弧菌最適pH為8.4～9.2，結(jié)核分枝桿菌最適pH為6.5～6.8。（二）酸堿度大多數(shù)病原菌的最適生長溫度為人體體溫，即37℃。也有些病原菌，如嗜冷菌在10～20℃生長最好，嗜熱菌在50～60℃生長最好。（三）溫度專性需氧菌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，必須在有氧環(huán)境中才能生長，如結(jié)核分枝桿菌、霍亂弧菌等。1．專性需氧菌（四）氣體微需氧菌在低氧壓（5%～6%）時生長最好，氧濃度＞10%時對其生長可產(chǎn)生抑制作用，如空腸彎曲菌、幽門螺桿菌等。2．微需氧菌（四）氣體兼性厭氧菌在有氧及無氧的條件下均能生長繁殖，但有氧時生長較好，大多數(shù)病原菌屬于此類，如葡萄球菌、傷寒沙門菌等。3．兼性厭氧菌（四）氣體專性厭氧菌必須在無氧環(huán)境中才能生長，如破傷風梭菌、脆弱類桿菌等。4．專性厭氧菌（四）氣體（一）細菌個體的生長繁殖細菌以簡單的二分裂方式無性繁殖，其突出的特點為繁殖速度極快。在適宜條件下，大多數(shù)細菌每20～30分鐘分裂一次，個別細菌較慢，如結(jié)核分枝桿菌約18～20小時才分裂一次。三、細菌的繁殖方式與速度在適宜條件下，細菌生長繁殖速度很快，若按每20分鐘分裂一次計算，一個細胞經(jīng)10小時后繁殖數(shù)目可達10億以上；24小時后，細菌繁殖的數(shù)量可龐大到4.7×108。但事實上，由于細菌繁殖過程中營養(yǎng)物質(zhì)的逐漸耗竭，有害代謝產(chǎn)物的逐漸積累，細菌不可能始終保持高速度的無限繁殖。（二）細菌群體的生長繁殖經(jīng)過一段時間后，細菌活躍增殖的速度逐漸減慢，死亡細菌數(shù)漸增，活菌數(shù)漸減。將一定數(shù)量的細菌接種于適當培養(yǎng)基后，連續(xù)定時取樣，檢查活菌數(shù)，可發(fā)現(xiàn)其生長過程的規(guī)律性。以培養(yǎng)時間為橫坐標，培養(yǎng)物中活菌數(shù)的對數(shù)為縱坐標，可繪制出一條反映細菌增殖規(guī)律的曲線，稱為生長曲線。（二）細菌群體的生長繁殖遲緩期是細菌進入新環(huán)境后的短暫適應(yīng)階段，一般為1～4小時。該期菌體增大，代謝活躍，大量合成和積累細菌分裂繁殖所需的酶、能量及中間代謝產(chǎn)物。此期細菌分裂緩慢，繁殖極少。1．遲緩期（二）細菌群體的生長繁殖細菌在對數(shù)期生長繁殖迅速，活菌數(shù)以固定的幾何級數(shù)增長，生長曲線圖上細菌數(shù)的對數(shù)呈直線上升，達到頂峰狀態(tài)，一般持續(xù)8～10小時。此期細菌的生物學性狀較典型，對外界環(huán)境因素的作用敏感。因此，研究細菌形態(tài)、大小、染色性、生化反應(yīng)、藥物敏感試驗等以此期細菌最好。2．對數(shù)期（二）細菌群體的生長繁殖由于培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)消耗，有害代謝產(chǎn)物積聚，該期細菌繁殖速度逐漸減慢，死亡數(shù)逐漸增加，此期細菌的增殖數(shù)和死亡數(shù)幾乎相等。細菌形態(tài)、染色性和生理性狀常發(fā)生改變。細菌外毒素、內(nèi)毒素和抗生素等在此期產(chǎn)生，芽胞也在此期形成。3．穩(wěn)定期（二）細菌群體的生長繁殖隨著穩(wěn)定期的發(fā)展，細菌繁殖越來越慢，活菌數(shù)與培養(yǎng)時間成反比關(guān)系。該期細菌形態(tài)顯著改變，甚至菌體自溶，難以辨認形態(tài)，生理代謝活動趨于停滯。掌握細菌生長規(guī)律可以有目的地研究控制病原菌的生長，更為有效地利用對人類有益的細菌。4．衰亡期（二）細菌群體的生長繁殖第二節(jié)細菌的人工培養(yǎng)培養(yǎng)基細菌在培養(yǎng)基中的生長現(xiàn)象人工培養(yǎng)細菌的用途和意義細菌的人工培養(yǎng)是指用人工方法提供細菌必需的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的生長環(huán)境來培養(yǎng)細菌。這對于細菌生物學性狀的研究、生物制品的制備及傳染性疾病的診斷和治療等都具有重要的意義。概述.培養(yǎng)基（culturemedium）是人工配制的適合細菌生長繁殖的混合營養(yǎng)物制品。培養(yǎng)基種類繁多，一般根據(jù)所含成分、物理狀態(tài)及用途不同等分成若干類型。一、培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基的各種成分完全是已知的各種化學物質(zhì)。這種培養(yǎng)基的化學成分清楚，組成成分精確，重復性強，但價格較高，而且微生物在此類培養(yǎng)基中生長較慢，如蔡氏培養(yǎng)基。1．合成培養(yǎng)基（一）按成分不同劃分天然培養(yǎng)基由天然物質(zhì)制成，如蒸熟的馬鈴薯和普通牛肉湯，前者用于培養(yǎng)霉菌，后者用于培養(yǎng)細菌。這類培養(yǎng)基的化學成分很不恒定，也難以確認，但配制方便，營養(yǎng)豐富，所以常被采用。2．天然培養(yǎng)基（一）按成分不同劃分半合成培養(yǎng)基是在天然有機物的基礎(chǔ)上適當加入已知成分的無機鹽，或在合成培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加某些天然成分。如培養(yǎng)真菌用的馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基。這類培養(yǎng)基能更有效地滿足微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的需要。3．半合成培養(yǎng)基（一）按成分不同劃分液體培養(yǎng)基中不加任何凝固劑，成分均勻，微生物能充分接觸和利用養(yǎng)料。可用于增菌培養(yǎng)和鑒定細菌，工業(yè)上絕大多數(shù)發(fā)酵都采用液體培養(yǎng)基。1．液體培養(yǎng)基（二）按物理狀態(tài)不同劃分半固體培養(yǎng)基是在液體培養(yǎng)基中加入0.2%～0.5%的瓊脂而使之呈半固體狀態(tài)?？捎糜谟^察細菌的運動、鑒定菌種和保存菌種。2．半固體培養(yǎng)基（二）按物理狀態(tài)不同劃分固體培養(yǎng)基是在液體培養(yǎng)基中加入2%～5%的瓊脂而使之呈固體狀態(tài)。常用于微生物分離、鑒定、計數(shù)和菌種保存等。3．固體培養(yǎng)基（二）按物理狀態(tài)不同劃分基礎(chǔ)培養(yǎng)基中只含有普通細菌生長繁殖所需要的基本營養(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)基使用，常用的有肉湯培養(yǎng)基和普通瓊脂培養(yǎng)基。1．基礎(chǔ)培養(yǎng)基（三）按用途不同劃分營養(yǎng)培養(yǎng)基是在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入血液、血清、酵母浸膏等特殊營養(yǎng)物質(zhì)，以供營養(yǎng)要求較高的細菌生長。如溶血性鏈球菌需在含血液或血清的培養(yǎng)基中才能很好地生長。2．營養(yǎng)培養(yǎng)基（三）按用途不同劃分在培養(yǎng)基中加入某些化學物質(zhì)，抑制某些細菌的生長，促進另一類細菌的生長繁殖，從而有選擇地將目的菌分離出來，這類培養(yǎng)基稱為選擇培養(yǎng)基。如培養(yǎng)腸道致病菌的SS瓊脂平板，其中枸櫞酸鈉和煌綠能抑制大腸埃希菌生長，膽鹽能抑制革蘭氏陽性菌生長，從而使致病沙門菌和志賀菌分離出來。3．選擇培養(yǎng)基（三）按用途不同劃分鑒別培養(yǎng)基是用于培養(yǎng)和區(qū)分不同細菌種類的培養(yǎng)基。根據(jù)各種細菌對糖和蛋白質(zhì)的分解能力及其代謝產(chǎn)物的不同，在培養(yǎng)基中加入特定的作用底物和指示劑，觀察細菌生長后對底物的分解情況，從而鑒別細菌。如常用的糖發(fā)酵管、三糖鐵培養(yǎng)基等。4．鑒別培養(yǎng)基（三）按用途不同劃分厭氧培養(yǎng)基是專供厭氧菌的分離、培養(yǎng)和鑒別使用的培養(yǎng)基。培養(yǎng)基內(nèi)部為無氧環(huán)境，如皰肉培養(yǎng)基、硫乙醇酸鹽培養(yǎng)基等，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。5．厭氧培養(yǎng)基（三）按用途不同劃分（一）在液體培養(yǎng)基中的生長現(xiàn)象大多數(shù)細菌在液體培養(yǎng)基中生長繁殖呈均勻混濁狀態(tài)，如葡萄球菌；少數(shù)鏈狀細菌或厭氧菌則呈沉淀生長，如鏈球菌；專性需氧菌呈表面生長，常形成菌膜，如枯草芽胞桿菌。二、細菌在培養(yǎng)基中的生長現(xiàn)象（二）在半固體培養(yǎng)基中的生長現(xiàn)象半固體培養(yǎng)基瓊脂含量少，黏度低，常用來檢查細菌的動力。細菌在半固體培養(yǎng)基中有兩種生長現(xiàn)象：有鞭毛的細菌能運動，可沿穿刺線向四周擴散呈放射狀或云霧狀生長，穿刺線模糊不清；無鞭毛的細菌不能運動，沿著穿刺線生長，穿刺線周圍的培養(yǎng)基澄清透明。二、細菌在培養(yǎng)基中的生長現(xiàn)象（三）在固體培養(yǎng)基中的生長現(xiàn)象細菌在固體培養(yǎng)基上經(jīng)過18～24小時分離培養(yǎng)后，由單個細菌分裂繁殖后形成肉眼可見的細菌集團，稱為菌落（colony）。多個菌落融合成片，稱為菌苔（lawn）。細菌種類不同，其菌落的大小、形狀、顏色、邊緣、氣味、透明度、表面光滑度、濕潤度，以及在血平板上是否溶血等情況均不相同，這些有助于鑒別細菌。二、細菌在培養(yǎng)基中的生長現(xiàn)象（一）在醫(yī)學中的應(yīng)用細菌培養(yǎng)在疾病的診斷、預防、治療和科學研究等方面都具有重要的作用。1．細菌性疾病的診斷和治療取患者標本，進行細菌分離培養(yǎng)、鑒定和藥物敏感試驗，是診斷細菌性疾病最可靠的依據(jù)，同時可指導臨床治療。三、人工培養(yǎng)細菌的用途和意義2．細菌學研究研究細菌的形態(tài)、生理、遺傳變異、致病性、免疫性和耐藥性等，均需人工培養(yǎng)細菌才能實現(xiàn)。（一）在醫(yī)學中的應(yīng)用3．生物制品的制備將分離出的純種細菌制成診斷菌液，供傳染病診斷使用；制備疫苗、類毒素供預防傳染病使用；將制備的疫苗或類毒素注入動物體內(nèi)，獲取免疫血清或抗毒素，用于傳染病治療。上述制備的制劑統(tǒng)稱生物制品，在醫(yī)學上有廣泛的用途。（一）在醫(yī)學中的應(yīng)用4．細菌學指標檢測通過定量培養(yǎng)技術(shù)，對飲用水、食品等進行微生物學衛(wèi)生指標的檢測。（一）在醫(yī)學中的應(yīng)用細菌在培養(yǎng)過程中產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，經(jīng)過加工處理，可制成抗生素、維生素、氨基酸、有機溶劑、酒、醬油、味精等產(chǎn)品。細菌培養(yǎng)物還可用于處理廢水和垃圾、制造菌肥和農(nóng)藥及生產(chǎn)酶制劑等。（二）在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用因為細菌具有繁殖快、易培養(yǎng)的特點，故常用細菌作為基因受體細胞。如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)獲得表達，現(xiàn)在用此方法已成功制備出胰島素和干擾素等生物制劑。（三）在基因工程中的應(yīng)用第三節(jié)細菌的代謝產(chǎn)物及意義細菌的分解代謝產(chǎn)物及其意義細菌的合成代謝產(chǎn)物及其意義細菌的新陳代謝包括分解代謝和合成代謝。分解代謝是將復雜的營養(yǎng)物質(zhì)分解為簡單的化合物，為合成菌體成分提供原料，同時獲得能量；合成代謝是將簡單的化合物合成復雜的菌體成分或其他物質(zhì)，同時消耗能量。細菌代謝過程中產(chǎn)生多種分解代謝產(chǎn)物和合成代謝產(chǎn)物，在醫(yī)學上具有重要意義。概述.各種細菌所具有的酶不完全相同，對各種營養(yǎng)物質(zhì)的分解能力及分解產(chǎn)物也不相同，可以此鑒別細菌。各代謝產(chǎn)物可通過生化實驗的方法檢測，通常稱為細菌的生化反應(yīng)。一、細菌的分解代謝產(chǎn)物及其意義不同細菌分解糖類的能力和分解產(chǎn)物不同，以此可鑒別細菌。例如，大腸埃希菌能發(fā)酵葡萄糖和乳糖；傷寒沙門菌可發(fā)酵葡萄糖，但不能發(fā)酵乳糖。1．糖發(fā)酵試驗（一）糖的分解代謝產(chǎn)物及其意義產(chǎn)氣桿菌能使丙酮酸脫羧生成中性的乙酰甲基甲醇，此物質(zhì)在堿性溶液中被空氣中的氧氧化成二乙酰，二乙酰與含胍基化合物反應(yīng)生成紅色化合物，為VP試驗陽性。而大腸埃希菌不能生成乙酰甲基甲醇，VP試驗陰性。2．VP試驗（一）糖的分解代謝產(chǎn)物及其意義產(chǎn)氣桿菌使丙酮酸脫羧后形成中性產(chǎn)物，培養(yǎng)液pH＞5.4，甲基紅指示劑呈橘黃色，為甲基紅試驗陰性；大腸埃希菌分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸，培養(yǎng)液pH＜5.4，甲基紅指示劑呈紅色，為甲基紅試驗陽性。3．甲基紅試驗（一）糖的分解代謝產(chǎn)物及其意義能利用枸櫞酸鹽作為唯一碳源的細菌（如產(chǎn)氣桿菌），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，培養(yǎng)基中的指示劑溴麝香草酚藍（BTB）由淡綠色轉(zhuǎn)為深藍色，此為枸櫞酸鹽利用試驗陽性。4．枸櫞酸鹽利用試驗（一）糖的分解代謝產(chǎn)物及其意義1．吲哚試驗含有色氨酸酶的細菌（如大腸埃希菌、變形桿菌等）可分解色氨酸生成吲哚（無色），若加入二甲基氨基苯甲醛，與吲哚結(jié)合，可形成玫瑰吲哚而呈紅色，稱吲哚試驗陽性。（二）蛋白質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物及其意義2．硫化氫試驗變形桿菌、乙型副傷寒桿菌等能分解含硫氨基酸（如胱氨酸、甲硫氨酸等），生成硫化氫，硫化氫遇鉛或鐵離子生成黑色的硫化鉛或硫化亞鐵沉淀物，此為硫化氫試驗陽性。（二）蛋白質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物及其意義.細菌在合成代謝中，除可合成菌體自身成分外，還可合成一些與醫(yī)學有關(guān)的產(chǎn)物，其中有的產(chǎn)物與細菌的致病性有關(guān)，有的可用于鑒別細菌，有的可用于防治疾病。二、細菌的合成代謝產(chǎn)物及其意義熱原質(zhì)（pyrogen）即菌體的脂多糖，大多由革蘭氏陰性菌產(chǎn)生，注入人或動物體內(nèi)能引起發(fā)熱反應(yīng)，故名熱原質(zhì)。熱原質(zhì)耐高熱，高壓蒸汽滅菌（121℃20分鐘）不能使其破壞，加熱（180℃4小時、250℃45分鐘、650℃1分鐘）才使熱原質(zhì)失去作用。熱原質(zhì)可通過一般細菌濾器，但沒有揮發(fā)性，因此除去熱原質(zhì)最好的方法是蒸餾。藥液、水等被細菌污染后，即使經(jīng)高壓滅菌或濾過除菌仍可有熱原質(zhì)存在，輸注機體后可引起嚴重發(fā)熱反應(yīng)。生物制品或注射液制成后除去熱原質(zhì)比較困難，因此必須使用無熱原質(zhì)水制備。（一）熱原質(zhì)二、細菌的合成代謝產(chǎn)物及其意義細菌可產(chǎn)生內(nèi)、外毒素及侵襲性酶，與細菌的致病性密切相關(guān)。內(nèi)毒素是革蘭氏陰性菌細胞壁的脂多糖，菌體死亡崩解后才能釋放出來。外毒素是由革蘭氏陽性菌及少數(shù)革蘭氏陰性菌在生長代謝過程中釋放至菌體外的蛋白質(zhì)，其毒性強。某些細菌可產(chǎn)生具有侵襲性的酶，能損傷機體組織，促進細菌的侵襲、擴散，是細菌重要的致病因素。（二）毒素和侵襲性酶二、細菌的合成代謝產(chǎn)物及其意義某些細菌能合成維生素（vitamin），除供自身所需外，還能分泌到菌體外，人體可吸收利用。如人腸道中的大腸埃希菌能合成B族維生素和維生素K。（三）維生素二、細菌的合成代謝產(chǎn)物及其意義某些微生物代謝過程中可產(chǎn)生一種能抑制或殺死其他微生物或腫瘤細胞的物質(zhì)，稱抗生