细菌是非常微小而又原始的生物,所以它们的繁殖方式及在培养基上的生长情况与高等动植物细胞有较大的差异。
一、细菌的繁殖方式
细菌主要以无性二分裂方式繁殖(裂殖),即细菌生长到一定时期,在细胞中间逐渐形成横隔,由一个母细胞分裂为两个大小相等的子细胞。细胞分裂是连续的过程,分裂中的两个子细胞形成的同时,在子细胞的中间又形成横隔,开始细菌的第二次分裂。有些细菌分裂后的子细胞分开,形成单个的菌体,有的则不分开,形成一定的排列方式,如链球菌、链杆菌等。 采用电子显微镜研究细菌的分裂过程表明:细菌细胞分裂大致可经过核物质与细胞质分裂、横隔壁形成和子细胞分离等过程。细菌细胞分裂时,核质DNA与中介体或细胞膜相连,首先DNA复制并向细胞两端移动,与此同时,细菌细胞膜向内凹陷并形成一垂直于细胞长轴的细胞质隔膜,使细胞质和核质均匀分配到两个子细胞中。其次细胞形成横隔壁,在细胞膜不断内陷,形成子细胞各自的细胞质膜同时,母细胞的细胞壁也从四周向中心逐渐延伸。最后,逐渐形成子细胞各自完整的细胞壁。接着,子细胞分裂,形成两个大小基本相等的子细胞。 细菌繁殖速度快,一般细菌约20~30min便分裂一次,即为一代。接种子肉汤培养中的细菌在适宜的温度下迅速生长繁殖,肉汤很快即可变浑浊,表明有细菌的大量生长,有些细菌,如结核分枝杆菌的繁殖速度较慢,需要15-18小时才能繁殖一代。 二、细菌的菌落特征
当细菌划线接种到固体平板培养基上后,在适宜的培养条件下。细菌便迅速生长繁殖。由于细菌细胞受固体培养基表面或深层的限制,故不能像在液体培养基中那样自由扩散,因此繁殖的菌体常聚集在一起,形成了肉眼可见的细菌集落,通常称之为菌落(colony)。由于平板划线的分散作用,单个菌落来源于细菌的一个细胞,生长一定时间后便肉眼可见,挑选一个菌落移种到另一固体斜面培养基上,即可获得细菌的纯培养。 各种细菌在一定条件下形成的菌落均具一定的特征,包括菌落的大小、形状、光泽、颜色、硬度、透明程度等.所以细菌菌落特征是细菌菌种鉴定的重要依据,在细菌分类学上具有重大意义。 菌落特征决定于组成菌落的细胞结构与生长行为,如细菌的荚膜,它的存在与否和菌落形态等有直接关系。肺炎链球菌因具有荚膜就形成光滑型菌落,其表面光滑黏稠,不具荚膜的菌株形成的菌落为粗糙型,菌落表面干燥、有皱折,表明菌落特征和细菌细胞的结构密切相关。 菌落的形状和大小不仅决定于菌落中细胞的特性,而且也受到周围菌落的影响,菌落靠得太近,由于营养物质有限,有害代谢物的分泌和积累,因而生长受到抑制。所以在平板分离菌种时,常可看到平板上互相靠近的菌落都较小,而那些分散开的菌落均较大。,即使在同一菌落中,由于各个细菌细胞所处的空间位置不同,在营养物的摄取及空气供应等方面亦都不一样,所以在生理上、形态上亦或多或少会有所差异。
在平板培养基上形成的菌落往往有三种情况,即表面菌落、深层菌落和底层菌落,上面所介绍的菌落特征都是指表面菌落。某些细菌在明胶培养基中生长繁殖时,能产生明胶酶水解明胶。如果将这些菌种穿刺接种在盛有明胶培养基的试管中,则由于明胶被水解形成不同形状的溶解区,由于一定的细菌形成一定形状的溶解区,所以是细菌分类的项目之一。 基因重组
将性状不同的个体细胞的遗传基因,转移到另一细胞内,使之发生遗传变异的过程。细菌的基因重组有: 1.转化。受菌直接摄取供菌的游离DNA片断,并将它整合到自己的基因组中,而获得供菌部分遗传性状的现象。
2.转导。以噬菌体为媒介,供菌中的DNA片段被带至受菌中,使后者获得部分遗传性状。
3.溶原转变。当温和噬菌体感染其寄主,将噬菌体基因带入寄生基因组时,使后者获得新的性状的现象。当寄生菌丧失该噬菌体时,所获得新的性状亦消失。 4.接合。供菌与受菌通过直接接触或性菌毛介导,供菌的大段DNA(包括质粒)进入受菌,而与后者发生基因重组的现象。
致病性:
细菌对寄主的侵犯,包括细菌吸附于体表,侵入组织或细胞,生长繁殖,产生毒素,乃至扩散蔓延以及抗拒寄主的一系列防御机能,造成机体损伤。
吸附:细菌能以它表面的特殊成分和结构附着于寄主体表或各器官的上皮粘膜,如大肠杆菌的某些菌株借其表面抗原(K88)吸附于肠上皮,淋球菌借其表面丝状突出物吸附于尿道上皮,化脓性链球菌借其表面特异性M蛋白吸附于咽部粘膜等。 侵入机体:分三种不同现象:
1.细菌在表面生长繁殖,释放毒素,毒素进入人体,如破伤风、白喉等。 2.有些细菌在吸附后,细胞膜上形成裂隙,细菌进入细胞内繁殖产生毒素,使细胞死亡,如痢疾杆菌和沙门氏杆菌。 3.另有些细菌,通过粘膜上皮细胞进入皮下组织,并进一步扩散如链球菌所致丹毒及蜂窝组织炎等。 在体内繁殖:细菌在体内繁殖,要求适合它生长的营养条件和抵抗寄主的能力,如变形杆菌,由于具有尿素酶,能利用尿素生长,并产生氨损伤组织,所以比其他细菌引起更为严重的肾盂肾炎。又如布氏杆菌能在胎型绒毛膜和羊水中大量生长,造成流产,因为胚胎组织中有丰富的赤癣醇是布氏杆菌生长的刺激素。 扩散:某些细菌能产生可溶性物质,分解结缔组织基质中的透明质酸,造成皮下扩散,如化脓性链球菌。另外有些细菌如布氏杆菌、鼠疫杆菌,在淋巴结内不被清除,反而能生长繁殖,通过淋巴液扩散至体内其他部位。在机体抵抗力差时,局部感染的细菌可侵入血循环造成菌血症。 对寄主防御机能的抵抗:如链球菌的溶血素、肺炎球菌的荚膜、金黄色葡萄球菌的凝固酶、结核杆菌的抑制和抵抗溶菌酶的作用,有些致病菌还能产生某些物质杀伤吞噬细胞等,这些均能使细菌在机体内存活而致病。 毒素:有外毒素和内毒素两类,肉毒杆菌的毒素和葡萄球菌的肠毒素即是外毒素(在体外产生)。还有在传染病中起主要作用或起部分致病作用的如白喉、破伤风的毒素以及链球菌的红斑毒素等。引起肠道感染的细菌,可产生一些毒素激活腺苷酸环化酶使cAMP增加,肠道分泌增多而致腹泻。内毒素是和革兰氏阴性细菌细胞壁相关的磷脂多糖蛋白质,大分子复合物,脂多糖是其主要成分,内毒素可以引起微循环灌注不足,休克、弥漫性毛细血管内凝血和施瓦茨曼氏反应(局部皮肤反应)等。 代谢
细菌具有许多不同的代谢方式。一些细菌只需要二氧化碳作为它们的碳源,被称作自养生物。那些通过光合作用从光中获取能量的,称为光合自养生物。那些依靠氧化化合物中获取能量的,称为化能自养生物。另外一些细菌依靠有机物形式的碳作为碳源,称为异养生物。 光合自养菌包括蓝细菌,它是已知的最古老的生物,可能在制造地球大气的氧气中起了重要作用。其他的光合细菌进行一些不制造氧气的过程。包括绿硫细菌,绿非硫细菌,紫硫细菌,紫非硫细菌和太阳杆菌。 正常生长所需要的营养物质包括氮,硫,磷,维生素和金属元素,例如钠,钾,钙,镁,铁,锌和钴。
根据它们对氧气的反应,大部分细菌可以被分为以下三类:一些只能在氧气存在的情况下生长,称为需氧菌;另一些只能在没有氧气存在的情况下生长,称为厌氧菌;还有一些无论有氧无氧都能生长,称为兼性厌氧菌。细菌也能在人类认为是极端的环境中旺盛得生长,这类生物被称为极端微生物。一些细菌存在于温泉中,被称为嗜热细菌;另一些居住在高盐湖中,称为喜盐微生物;还有一些存在于酸性或碱性环境中,被称为嗜酸细菌和嗜碱细菌;另有一些存在于阿尔卑斯山冰川中,被称为嗜冷细菌。 运动
运动型细菌可以依靠鞭毛,细菌滑行或改变浮力来四处移动。另一类细菌,螺旋体,具有一些类似鞭毛的结构,称为轴丝,连接周质的两细胞膜。当他们移动时,身体呈现扭曲的螺旋型。螺旋菌则不具轴丝,但其具有鞭毛。 细菌鞭毛以不同方式排布。细菌一端可以有单独的极鞭毛,或者一丛鞭毛。周毛菌表面具有分散的鞭毛。 运动型细菌可以被特定刺激吸引或驱逐,这个行为称作趋性,例如,趋化性,趋光性,趋机械性。在一种特殊的细菌,粘细菌中,个体细菌互相吸引,聚集成团,形成子实体。