第一节　细菌的生长繁殖

一、细菌生长繁殖的条件

细菌进行生长繁殖，除需提供充足的营养物质使细菌获得所需原料和能量外，还要有适宜的温度、合适的酸碱度和必要的气体环境。

（一）充足的营养物质

细菌要生长繁殖，需要一个充足、平衡的混合营养，一般包括：水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。体外培养细菌时，一般通过培养基提供细菌全部的营养物质。

1.水

水是细菌细胞的主要组成成分，细菌质量的70%都是水。而且细菌所需的营养物质必须先溶于水，细菌的吸收与代谢均需要水才能进行。

2.碳源和氮源

是细菌合成蛋白质、核酸、糖类、脂类和酶类等菌体成分的重要原料，同时又为细菌新陈代谢提供能量。病原菌主要从糖类获得碳，从氨基酸、蛋白胨等有机氮中获得氮。

3.无机盐

细菌需要多种无机盐以提供其生长必需的各种元素，如P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Co、Mo、Ni、Cu等。无机盐除构成菌体成分外，还作为酶及电子载体蛋白辅助因子等的组分，维持酶的活性和蛋白质结构的稳定，还可调节维持菌体内外渗透压、参与细菌能量的储存和转运等。虽然大多数细菌不需要大量的Na，但一些在盐湖及海洋中的细菌需依靠高浓度的钠离子生存。

4.生长因子（growth factor）

生长因子是某些细菌生长繁殖过程中必需的，但自身又不能合成的营养物质，如B族维生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等。细菌对生长因子的需要量很小，但如果缺少，细菌就不能生长。生长因子通过血液、血清和酵母浸出液等提供。有些细菌还需要特殊的生长因子，如流感嗜血杆菌生长时需要X因子（高铁血红素）和V因子（辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ），这两者是流感嗜血杆菌呼吸所必需的。

（二）合适的温度

各类细菌对温度的要求不一，分为嗜冷菌（psychrophile），其生长温度范围为-5～30℃，最适为10～20℃； 嗜温菌（mesophile）其生长温度范围为10～45℃，最适为20～40℃；嗜热菌（thermophile），其生长温度为25～95℃，最适为50～60℃。病原菌在长期进化过程中适应人体环境，均为嗜温菌，最适生长温度与人类体温相同，即36～37℃。

（三）适宜的酸碱度

大多数细菌的最适酸碱度为中性或弱碱性，即pH7.2～7.6，在此pH时细菌的酶活性最强。个别细菌在较碱性的环境中生长良好，如霍乱弧菌在pH8.4～9.2时生长最好；也有的细菌pH偏酸，如结核分枝杆菌pH为6.5～6.8。许多细菌在代谢过程中分解糖类产酸，使培养基pH下降，影响细菌继续生长，故常在培养基中加入缓冲剂，以维持稳定的pH。

（四）必要的气体环境

一般细菌生长繁殖时需要CO2，但细菌在代谢过程中产生的CO2已足够其需要，且空气中还有微量的CO2，不必额外补充。只有少数细菌，如脑膜炎奈瑟菌、流感嗜血杆菌等，在初次分离培养时，必须将其生长环境中的CO2浓度提高到5%～10%，细菌才能生长。

细菌对O2的需求因菌而异， 专性需氧菌（obligate aerobe）具有完善的呼吸酶系统，需要分子氧作为最后的受氢体，以完成呼吸作用，仅在有氧的环境下才能生长，如铜绿假单胞菌、结核分枝杆菌； 微需氧菌（microaerophilic bacterium）在5%～6%的低氧环境中生长最好，氧浓度＞10%对其有抑制作用，如弯曲菌属和螺杆菌属； 兼性厌氧菌（facultative anaerobe）酶系统完善，既能进行有氧氧化又能进行无氧酵解，这类细菌在有氧或无氧环境中均能生长良好，大多数病原菌属于此类细菌； 专性厌氧菌（obligate anaerobe）缺乏完善的呼吸酶系统，不能利用分子氧，且游离氧对其有毒性作用，只能在无氧环境中进行无氧酵解，如破伤风梭菌、产气荚膜梭菌等。

二、细菌的生长繁殖

细菌的生长繁殖表现为细菌组分和数量的增加。

（一）细菌个体的生长繁殖

细菌一般以简单的二分裂（binary fission）方式进行无性繁殖。细菌分裂数量倍增所需要的时间称为代时（generation time）。在适宜条件下，多数细菌代时为20～30min；少数细菌繁殖较慢，如结核分枝杆菌的代时达约18～20h。

细菌分裂时，菌细胞首先增大，染色体复制。球菌可从不同平面分裂，分裂后形成不同方式排列。杆菌则沿横轴分裂。在革兰阳性菌中，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，分别拉着复制好的一根染色体移到细胞的一侧。接着细胞中部的细胞膜向内陷入，形成横膈。同时细胞壁亦向内生长，成为两个子代细胞的胞壁，最后由于肽聚糖水解酶的作用，使细胞壁肽聚糖的共价键断裂，分裂成为两个细胞。革兰阴性菌无中介体，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，将两团染色体分离在两侧。最后细胞壁沿横膈内陷，整个细胞分裂成两个子代细胞。

（二）细菌的群体生长繁殖

由于细菌个体微小，以个体为对象研究其生长和繁殖十分不便，常以群体数量的变化来研究细菌的生长。对细菌群体生长的研究是通过分析细菌培养物的生长曲线来进行的。

通常液体培养基置于一个封闭容器内，接种细菌后，在培养过程中不对培养基进行更换，连续定时取样测定活菌数，可发现其生长过程的规律。以培养时间为横轴，以培养物活菌数量的对数为纵轴，可绘制出一条 生长曲线（growth curve）（图3-1）。

根据细菌的生长曲线，细菌的群体生长繁殖可分为4个阶段：

1.延缓期（lag phase）当细菌被接种到新鲜培养基时，其数量通常并不立即增加，这个阶段称为延缓期。延缓期是细菌进入新环境后的适应阶段，处于延缓期的细菌一直在合成新的细胞成分，代谢活跃，体积增大；但分裂迟缓，繁殖极少，此期主要是为大量繁殖作准备。延缓期的长短不一，因菌种、接种菌数量以及培养基等不同而异，一般约1～4h。

2.对数期（logarithmic phase）或称指数期（exponential phase），细菌在该期生长迅速，以最快且相对恒定的速度进行分裂繁殖，即细菌繁殖一代所需的时间保持恒定，菌数以几何级数增长，在生长曲线上活菌数的对数呈直线上升，增长极快，达到巅峰状态。因此，研究细菌的生物化学和生理学方面（如形态染色、生化鉴定、药物敏感实验等）应选择这个时期的细菌。对数期一般在细菌培养后8～18h。

3.稳定期（stationary phase）对数期后，细菌繁殖的速度渐减，死亡数越来越多，细菌的繁殖数与死亡数大致平衡，生长曲线趋于平稳。稳定期的总菌数虽然仍有增加，但活菌数保持恒定。出现该期的主要原因是营养物质被消耗，有害代谢产物积聚，以及培养基的pH下降、O2被消耗等。

许多细菌在稳定期并不呈现明显的形态变化，仅是细菌个体稍微减小，通常还伴有原生质体收缩和核质的压缩。更重要的变化是在基因表达和生理学方面，稳定期细菌处在饥饿状态，这些细菌常会产生一类饥饿蛋白，使细菌变得对饥饿损伤、温度变化、氧化和渗透的损伤及有毒化学品有更强的抵抗力。在稳定期初，有许多细菌可以产生次级代谢产物（secondary metabolite），如抗生素和外毒素等，都是细菌在不分裂时所产生的。一些产生芽孢的细菌，其芽孢的形成亦都发生于对数期末与稳定期初。

4.衰亡期（decline phase）稳定期后，细菌繁殖越来越慢，死亡数越来越多，死菌数超过活菌数，即为衰亡期。营养物质的消耗和有害废物的积累引起环境条件恶化，导致活细菌数量下降，这是衰亡期的特点。该期细菌形态显著改变，出现多形态的衰退型，生理代谢活动也趋于停滞，因此陈旧培养的细菌难以鉴定。