第1章 细菌的形态和结构
学习目标
细菌是单细胞的、没有真正细胞核的原核微生物，其基本形态可以分为四大类型：球菌、杆菌、螺旋菌、丝状菌；其个体微小，通常以微米作为计量单位；虽然个体微小，但其内部构造却相当复杂，典型的细菌细胞构造可分为两部分：一是基本构造，包括细胞壁、原生质膜，为所有细菌细胞所共有；二是特殊构造，如荚膜、鞭毛、芽孢等，这些特殊结构只在某些细菌种类中发现，具有某些特定功能；细菌一般进行无性繁殖，主要为裂殖；细菌的命名，采用瑞典植物学家林奈(Linnaeus)创始的双名制命名法，即属名加种名。因此通过本章的学习，了解细菌的形态、大小，重点掌握细菌的结构以及细菌的生长和繁殖，并能进行常见细菌的命名。
第一节 细菌的外形和大小
一、细菌的外形
细菌是单细胞的、没有真正细胞核的原核微生物。是微生物在自然界分布最广、数量最多、与人类关系最密切的一类。其个体微小，种类繁多。—滴水里，可以含有好几千万个细菌。所以要观察细菌的形状，必须要有一架可以放大一千倍或倍数更高的显微镜。但是由于细菌本身是无色半透明的，即使放在显微镜下看起来还是比较模糊，不容易看清楚。为了要清楚地观察细菌，目前已使用了各种细菌的染色法，把细菌染成红的、紫的或其它颜色。这样，在显微镜下看起来．细菌的轮廓就很清楚。
就菌体的体形来看，细菌其基本形态可分为四大类型—球菌、杆菌、螺旋菌、丝状菌（见图l—1）。
（一）球菌
细胞呈球形，或近似球形。它们中的很多种，在分裂后产生的新细胞中，按其排列的形式，又可分为数种。例如细菌分裂后各自分散单独存在的称单球菌，如尿素微球菌；成双存在的，称双球菌，如肺炎双球菌；成串状的，称链球菌，如乳链球菌；四个联在一起的，称四联球菌，如四联微球菌；八个叠在一起的，称八叠球菌，如产甲烷八叠球菌；积聚成葡萄状的，称葡萄球菌，如金黄色葡萄球菌。
排列方式是球菌中的特征，在分类鉴定上有重要意义。但不论在哪种类型的球菌培养基上，常可看到游离的单个菌体存在（如图1-1A）。
(二) 杆菌
细胞呈杆状或圆柱状。多种杆菌的长度与直径比例差异很大，有的粗短，有的细长，较长的为长杆菌，较短的为短杆菌，更短至近球形者为球杆菌。有的菌体两端平齐，如炭疽芽孢杆菌，有的两端钝圆，如维氏固氮菌 ，还有的两端削尖，如梭杆菌属。杆菌细胞常沿一个平面分裂，大多数菌体分散存在，但有的杆菌呈长短不同的链状，有的则呈栅状或“八”字形排列。杆菌在细菌中种类最多，有不少是人和动植物的致病菌，如大肠杆菌、伤寒杆菌、流感杆菌等（如图1-1B）。
（三）螺旋菌
细胞呈弯曲杆状。根据弯曲的程度可分为弧菌和螺旋菌两大类，弯曲不足一圈的称弧菌，如霍乱弧菌；弯曲度大于一周的称为螺旋菌，即菌体作多次弯曲回旋。螺旋菌的旋转圈数和螺距大小因种而异。有些螺旋菌的菌体僵硬，借鞭毛运动，如迂回螺菌。有些螺旋菌的菌体柔软，借轴丝收缩运动并称为螺旋体，如梅毒密螺旋体（如图1-1C）。
(四) 丝状细菌 丝状细菌分布在水生环境、潮湿土壤和活性污泥中，如球衣细菌等。球衣菌属, 能形成衣鞘，杆状的细胞呈链状排列在衣鞘内而成为丝状体。另外还有铁细菌、硫细菌等（如图1-1D）。
细菌的形态除上述四种基本形态外，还有其他形态的细菌，如柄细菌属，细胞呈弧状或肾状并具有一根特征性的细柄，可附着于基质上。此外还有呈星状的星状菌属、正方形的细菌等 ( 图1-2) 。
细菌的形态常常受环境条件的影响。如果培养时间与温度、培养基的成分与浓度等
发生改变，均可能引其细菌形态的改变。一般来说，细菌在初生时期或适宜生活条件下呈现其典型形态，在衰老期或不正常条件下表现形态异常，此时如给予新鲜培养基或适宜的培养基条件，细菌形态可恢复其典型状态。这些典型的形态持征是鉴别菌种的依据之一。
二、细菌的大小
细菌体积微小，通常以微米作为计量单位，可用测微尺在显微镜下进行测量，也可通过投影法或照相制成图片，再按放大倍数测算。球菌以其直经表示，大多数球菌直径一般为0.5—2um；杆菌和螺旋菌以其长度和宽度表示，杆菌—般为0.5-1um ×1-5um，螺旋菌常约为0.3-1×1-50um，不过螺旋菌的长度是指菌体两端点的距离，而不是真正的长度。
菌 名
乳链球菌
金黄色葡萄球菌
最大八叠球菌
大肠杆菌
伤寒沙门氏菌
枯草芽孢杆菌
炭疽芽孢杆菌
德氏乳细菌
霍乱弧菌
迂回螺菌 直径或宽×长度( μm) 0.5~1 0.8~1 4~4.5 0.5 × 1~3 0.6~0.7 × 2~3 0.8~1.2 × 1.2~3 1~1.5 × 4~8 0.4~0.7 × 2.8~7 0.3~0.6 × 1~3 1.5~2 × 10~20
第二节 细菌细胞的结构
细菌是单细胞微生物，虽然个体微小，但其内部构造却相当复杂。典型的细菌细胞构造可分为两部分：一是不变部分或称基本构造，包括细胞壁、原生质体，为所有细菌细胞所共有；二是可变部分或称特殊构造，如荚膜、芽孢、鞭毛等，这些结构只在某些细菌种类中发现，具有某些特定功能。细菌细胞的典型结构见图1—3。
一、基本结构
细菌的基本结构包括细胞壁和原生质体两部分。原生质体位于细胞壁内，包括细胞膜(细胞质膜)、细胞质、核质和内含物。
(一) 细胞壁
细胞壁是包围在细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具弹性的结构，占细胞干重的10％— 25% 。 细胞壁具有固定细胞外形和保护细胞的功能，是细胞中很重要的结构单元，也是细菌分类中最重要的依据之一。失去细胞壁后，各种形态的细菌都变成球形。细菌在一定范围的高渗溶液中，原生质收缩，出现质壁分离现象。在低渗溶液中，细胞膨大，但不会改变形状或破裂，这些都与细胞壁具有一定坚韧性和弹性有关。细胞壁的化学组成 也使细菌具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性。有鞭毛的细菌失去细胞壁后，仍可保持有鞭毛，但不能运动，可见细胞壁的存在为鞭毛运动提供的力学支点，为鞭毛运动所必需的。细胞壁是多孔性的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。
1884 年丹麦人革兰氏 (Christian Gram) 发明了一种染色法，这种染色方法的基本步骤为：在一个已固定的细菌涂片上用结晶紫染色，再加媒染剂－碘液染色，然后用乙醇脱色，最后用复染液 ( 沙黄或番红 ) 复染。显微镜下菌体呈红色者为革兰氏染色反应阴性细菌 ( 常以 G 表示 ) ，呈深紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌 ( 常以 G 表示 ) 。这一程序后称革兰氏染色法。通过这一简单染色可将所有细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。这两大类细菌在细胞结构、成分、形态、生理、生化、遗传、免疫、生态和药物敏感性等方面都呈现出明显差异，因此革兰氏染色有着十分重要的理论与实践意义。
事实上，通过电镜观察以及细胞壁化学结构的分析表明革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁在结构和化学组分上有显著的差异，见表 1-2 ，图 1-4。
1、革兰氏阳性细菌细胞壁
革兰氏阳性细菌有一层厚约 20 ～ 80nm 的细胞壁。细胞壁的化学组成以肽聚糖 (Peptidoglycan) 为主，占细胞壁物质总量的 40 ％～ 90% 。另外还结合有磷壁质酸，又称垣酸，是 G 细菌细胞壁特有的成分。
表 1-2 革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的主要区别
特征
强度
细胞壁厚度
肽聚糖层数
肽聚糖含量 +-+G 细菌 较坚韧 厚，20~80 nm 多层，可达50层 多，占细胞壁干重的 40~90% +G 细菌 较疏松 薄，5-10 nm 少， 1-3层 少，占细胞壁干重的5%~10% -
磷壁酸
外膜
结构
脂肪
蛋白质
对青霉素、溶菌酶 + — 三维空间（立体结构） 1%-4% 约20% 敏感 — + 二位空间（平面结构） 11%~22% 约60% 不够敏感
肽聚糖 是除古菌外，凡有细胞壁的原核生物细胞壁中的共有组分。肽聚糖是由若干肽聚糖单体 ( 图 1- 5 ) 聚合而成的多层网状结构大分子化合物。肽聚糖的单体含有三种组分： N- 乙酰葡萄糖胺 (简写 NAG) 、 N- 乙酰胞壁酸 (简称 NAM) 和四肽链。 N- 乙酰葡萄糖胺与 N- 乙酰胞壁酸交替排列，通过糖苷键连接成聚糖链骨架。四肽链则是通过一个酰胺键与 N- 乙酰胞壁酸相连，肽聚糖单体聚合成肽聚糖大分子时，主要是两条不同聚糖链骨架上与 N- 乙酰胞壁酸相连的两条相邻四肽链间的相互交联 ( 见图 1-6 ) 。不同种类细菌的肽聚糖聚糖链骨架基本是相同的，不同的是四肽链氨基酸的组成以及两条四肽链间的交联方式。如革兰氏阳性菌 ( 以金黄色葡萄球菌为例 ) 的四肽链是 L- 丙氨酸、D- 谷氨酸、L- 赖氨酸和D- 丙氨酸组成。
2.革兰氏阴性菌细胞壁
G 菌的细胞壁比 G 菌的薄，可分为内壁层和外壁层。内壁层紧贴细胞膜，厚约 2 ～ 3nm ，由肽聚糖组成，占细胞壁干重的 5 ％～ 10% 。外壁层又称外膜，约 8 ～ 10nm ，主要由脂多糖和外膜蛋白组成。
G 菌与革兰氏阳性菌肽聚糖的不同之处就在于它们短肽上的氨基酸以及两条短肽上氨基酸相联结的方式不同。革兰氏阴性菌 ( 以大肠杆菌为例 ) 肽聚糖肽链中的四个氨基酸是 L- 丙氨酸、 D- 谷氨酸、内消旋二氨基庚二酸及 D- 丙氨酸。一股肽链第三位上的二氨基庚二酸的游离氨基与相邻的另一股肽链末端的 D- 丙氨酸的羧基形成肽键，将两条肽链联结起来。 - - +
脂多糖是 G 菌细胞壁的特有成分， G 菌中不存在。脂多糖由三部分组成，即 O- 侧链、核心多糖和类脂 A 。
外膜蛋白指嵌合在脂多糖和磷脂层外膜上的 20 多种蛋白。其中 脂蛋白的蛋白质部分末端游离的氨基酸残基与肽聚糖层的某些二氨基庚二酸残基形成肽键，呈共价结合，其脂质部分同外壁层磷脂相结合。因此，脂蛋白是从肽聚糖层到外壁层之间的桥梁。另有一类称微孔蛋白的蛋白存在于 G 菌的外壁层中，这些蛋白的功能是作为一个通道使低分子的亲水性物质得以进出。有特异性与非特异性两类。特异性孔蛋白形成“充水”的通道，任何类型的小物质都可以通过。而另一些孔蛋白具有高度特异性，是因为它们含有一种或多种物质的特异性结合位点。最大的微孔蛋白可以允许分子量高达5000的物质进入。 革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁结构的区别见表1-2，有表可知，革兰氏阳性细菌含大量肽聚糖、独含磷壁酸、不含脂多糖。革兰氏阴性细菌含极少肽聚糖，独含脂多糖，不含磷壁酸。两者的不同还表现在各种成分的含量不同。尤其是脂肪的含量最明显。革兰氏阳性细菌脂肪含量为1%-4%，革兰氏阴性细菌脂肪含量为11%-22%。
3.细胞壁结构与革兰氏染色的关系
革兰氏染色的性质同细胞壁的结构与组分有关。现在大多数人认为，在染色过程中，细胞内形成了一种不溶性的结晶紫 - 碘的复合物，这种复合物可被乙醇 ( 或丙酮 ) 从G- + + --+ 细菌细胞内抽提出来，但不能从 G菌中抽提出来。这是由于 G菌细胞壁较厚，肽聚糖含量高，脂质含量低甚或没有，经乙醇处理后引起脱水，结果肽聚糖孔径变小，渗透性降低，结晶紫 -碘复合物不能外流，于是保留初染的紫色。而革兰氏阴性细菌细胞壁肽聚糖层较薄，含量较少，而且脂质含量高，经乙醇处理后，脂质被溶解，渗透性增高，结果结晶紫 - 碘复合物外渗，细胞被番红复染成红色。
(二) 原生质体
原生质体位于细胞壁内，包括细胞膜(细胞质膜)、细胞质、核质和内含物。
1. 细胞质膜、
细胞质膜，又称细胞膜，是围绕在细胞质外面的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜，厚约8nm，是重要的代谢活动中心，对于细菌的呼吸、能量的产生、运动、生物合成、内外物质的交换运送等均有重要的作用。
(1) 细胞质膜的化学组成
细菌细胞膜占细胞干重的 10% 左右，膜上具有与物质渗透、吸收、转运和代谢等有关的许多蛋白质或酶类。蛋白质是细菌细胞膜中的主要成分，约占细胞膜的60%~70%，脂类占细胞膜的20%~30%，另外还有大约2%的多糖。细菌细胞的脂类主要是极性类脂—甘油磷脂，由甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱组成。
（2）细胞质膜的结构（见图1-7 ）
细菌细胞膜的脂类主要为甘油磷脂。磷脂分子在水溶液中很容易形成具有高度定向性的双分子层，相互平行排列，亲水的极性基指向双分子层的外表面，疏水的非极性基朝内 ( 即排列在组成膜的内侧面 ) ，这样就形成了膜的基本骨架。磷脂中的脂肪酸有饱和及不饱和两种，膜的流动性高低主要取决于它们的相对含量和类型，如低温型微生物的膜
细胞膜中的蛋白质依其存在位置可分为外周蛋白和内嵌蛋白两大类。外周蛋白存在于膜的内或外表面，系水溶性蛋白，占膜蛋白总量的 20 ％～ 30% 。内嵌蛋白又称固有蛋白或结构蛋白，镶嵌于磷脂双层中，多为非水溶性蛋白，占总量的 70 ％～ 80%。膜蛋白除作为膜的结构成分之外，许多蛋白质本身就是运输养料的透酶或具催化活性的酶蛋白，在细胞代谢过程中起着重要作用。脂类和蛋白质都在运动，而且是彼此之间相对运动，这就是目前大家比较公认的是“镶嵌细胞膜结构模型”。
因此，细菌细胞膜结构模型的要点是： ① 磷脂双分子层组成膜的基本骨架。② 磷脂分子在细胞膜中以多种方式不断运动，因而膜具有流动性。③ 膜蛋白以不同方式分布于膜的两侧或磷脂层。
(3) 细胞膜的主要功能
① 控制细胞内、外的物质 ( 营养物质和代谢废物 ) 的运送、交换；② 维持细胞内正常渗透压的屏障作用；③ 合成细胞壁各种组分 (LPS 、肽聚糖、磷壁酸 ) 和荚膜等大分子的场所；④ 进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；⑤ 传递信息。膜上的某些特殊蛋白质能接受光、电及化学物质等产生的刺激信号并发生构象变化，从而引起细胞内的一系列代谢变化和产生相应的反应。⑥ 鞭毛的着生和生长点。
2.细胞质
细胞质是一种无色透明而粘稠的胶体，其主要成分是水、蛋白质、核酸和脂类等。
细胞质内具有各种酶系统，能不断地进行新陈代谢活动。由于富含核糖核酸(RNA)，所以是嗜碱性的，即与碱性染料结合能力较强。幼令菌的细胞质非常稠密、均匀、很容易染色。成熟细胞的细胞质内含有不少颗粒状的贮藏物质，又由于细菌的生命活动产生了许多空泡，染色能力较差，因此着色不均匀。根据染色特点，我们可以通过观察染色均匀与否来判断细菌是处于幼龄还是衰老阶段。此外，细胞质内还含有核糖体等物质。 (1) 核糖体
核糖体亦称核蛋白体，为多肽和蛋白质合成的场所。在电子显微镜下可见到细菌的核糖体游离于细胞质中，系 70S 的颗粒，由 50S 和 30S 两个亚单元组成，化学成分为蛋白质与核糖核酸 (RNA) 。细菌细胞中绝大部分 ( 约 90%) 的 RNA 存在于核糖体内。原核生物的核糖体常以游离状态或多聚核糖体状态分布于细胞质中。而真核细胞的核糖体既可以游离状态存在于细胞质中，也可结合于内质网上。核糖体是蛋白质的合成场所。
（2）内含物
很多细菌在营养物质丰富的时候，其细胞内聚合各种不同的贮藏颗粒，当营养缺乏时，它们又能被分解利用。这种贮藏颗粒可在光学显微镜下观察到，通称为 内含物。贮藏颗粒的多少可随菌令及培养条件不同而改变。
主要的内含物有异染粒、聚β - 羟基丁酸（PHB ) 颗粒 肝糖粒和 淀粉粒、硫滴、磁小体
(3) 气泡
某些水生细菌，如蓝细菌、不放氧的光合细菌和盐细菌细胞内贮存气体的特殊结构称气泡。气泡由许多小的的气囊组成，气囊膜只含蛋白质而无磷脂。气泡的大小、形状和数量随细菌种类而异。气泡能使细胞保持浮力，从而有助于调节并使细菌生活在它们需要的最佳水层位置，以利于获得氧气、光和营养。
3.核质
一般的细菌仅具有分散而不固定形态的核质。核或核质内几乎集中有全部与遗传变异有密切关系的某些核酸(如脱氧核糖核酸DNA)，所以常称核是决定生物遗传的主要部分。细菌的核非常简单，没有核膜包围，也没有核仁，它只是一团裸露的且高度折叠缠绕的DNA分子，故称细菌是原核生物，这样的核又称拟核体。
细菌细胞的原核只有一个染色体，主要含有具有遗传特征的脱氧核糖核酸 (DNA) 。拟核中尚有少量 RNA 和蛋白质。但没有真核生物细胞核所含的组蛋白 ( 结构蛋白 ) 。染色体是由双螺旋的大分子链构成，一般呈环形结构，总长度为 0. 25 ～ 3mm
二、特殊结构
（一） 荚膜、衣鞘、菌胶团
1. 荚膜
有些细菌生活在一定营养条件下，可向细胞壁外分泌出一层粘性物质，犹如穿在菌体表面的一件外套，用电子显微镜观察，中心部位是细菌菌体，在暗色背景下荚膜呈透明状环绕菌体。见图1-8
（1）荚膜的结构与组成
荚膜的含水率在90%-98%，主要成分为多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。肺炎球菌、炭疽杆菌等都能生成荚膜。产荚膜的细菌菌落通常光滑透明，称光滑型 (S 型 ) 菌落，不产荚膜细菌菌落表面粗糙，称粗糙型 (R 型 ) 菌落。
根据荚膜外这层粘性物质的厚度、可溶性及在细胞表面存在的状况可把它们分为荚膜、微荚膜或粘液层。 （2）荚膜的功能 ① 作为细胞外碳源和能源性贮藏物质；② 能增强某些病原菌的致病能力，使之抵抗宿主吞噬细胞的吞噬，保护细胞免受干燥的影响；③ 能引起肺炎的肺炎双球菌Ⅲ型，如果失去了荚膜，则成为非致病菌； ④ 废水生物处理中的细菌荚膜有生物吸附作用，将废水中的有机物、无机物机胶体吸附在细菌体表面上。
2
．衣鞘
有的细菌，如硫磺细菌、铁细菌和球衣细菌的丝状体周围的粘液层会逐渐硬质化．形成透明坚韧的空壳，即所谓衣鞘。
3. 菌胶团
当荚膜物质相融合成一团块，内含许多细菌时，称为菌胶团。并不是所有的细菌都能形成菌胶团．凡是能够形成菌胶团的细菌，则称为菌胶团细菌。不同细菌形成不同形状的菌胶团．有分枝状的、垂丝状的、球形的、椭圆形的、蘑菇形的．片状的以及各种不规则形状的(图1-8)。菌胶团细菌包藏在胶体物质内，一方面对动物的吞噬起保护作用，同时也增强了它对不良环境的抵抗能力。菌胶团是活性污泥(如废水生物处理构筑物曝气池中所形成的污泥)中细菌的主要存在形式，有较强的吸附和氧化有机物的能力，在废水生物处理中具有较为重要的作用。一般来说，处理生活污水的活性污泥．其性能的好坏，主要可根据所含菌胶团多少、大小及结构的紧密程度来定。新生菌胶团(即新形成的菌胶团)颜色较
浅．甚至无色透明．但有旺盛的生命力，氧化分解有机物的能力强。老化了的菌胶团，由于吸附了较多的杂质，颜色较深，看不到细菌单体，而象一团烂泥似的，生命力较差。一定种的细菌在适宜环境条件下形成一定形态结构的菌胶团，而当遇到不适宜的环境时，菌胶团就发生松散，甚至呈现单个游离细菌，影响处理效果。因此．为了使废水处理达到较好的效果，要求菌胶团结构紧密，吸附、沉降性能良好。这就必须满足菌胶团细菌对营养及环境的要求。
（二）芽饱
1.芽孢的形态与结构 某些细菌在其生活史的一定阶段，于营养细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的结构，称为芽孢 。因为细菌芽孢都形成在菌体内，故亦称内生孢子。含有芽孢的菌体细菌称为孢子囊。芽孢成熟后可脱落出来。生成芽孢的细菌多为杆菌，球菌和螺旋菌仅少数种能生芽孢。
由于不是所有的细菌都能形成芽孢，芽孢形成的位置、形状、大小也因菌种而异，所以芽饱在分类鉴定上有一定意义。有些细菌的芽孢位于细胞的中央，其直径大于细胞直径，孢子囊呈梭状，如某些梭状芽孢杆菌属的种；芽孢在细胞顶端，若其直径大于细胞的直径时，则孢子囊呈鼓槌状，如破伤风梭菌；芽孢直径小于细胞直径，则细胞不变形，如常见的枯草芽孢杆菌。能形成芽孢的细菌一般是革兰氏阳性细菌。细菌的芽孢本身着色能力很弱，必须采用特殊的芽孢染色法才能在光学显微镜下观察到 (图 1-9) 。
芽孢有比较厚的壁和高度的折光性，在显微镜下观察芽孢为一透明小体。利用电子显微镜，不仅可观察到芽孢的表面特征，还可观察到一个成熟的芽孢具有核心、芽胞壁、皮层、芽胞衣、 胞外壁等多层结构 ( 图 1-10) 。
2. 芽孢的形成 根据电子显微镜的观察，芽孢形成包含着下述一系列复杂过程 (
图 1-11) 。
① 轴丝形成 在营养细胞内，分开存在的两个染色体首先发生构型变化，即两个染色体聚集在一起，以致密发育的形式，逐渐成为一个连续的、位于细胞中央的轴丝状结构，并通过中间体与细胞膜相连接。有人认为这是芽孢早期所具有的特异结构，
② 隔膜形成 在接近细胞一端处，细胞膜内陷，向心延伸，产生隔膜，将细胞分成大小两部分。与此同时，轴丝状结构也分为两部分。
③ 前孢子形成 在细胞中，较大部分的细胞膜围绕较小部分迅速地继续延伸，直至将小的部分完全包围到大的部分中为止。这个新形成的细胞 ( 结构 ) 称为前孢子。此时前孢子由两层极性相反的细胞膜组成，其中内膜将发育成为营养细胞的细胞膜。
④ 皮层形成 由于前孢子迅速进行合成作用，新形成的物质沉积于前孢子的两层极性相
反的细胞膜之间，逐渐发育形成皮层。
⑤ 孢子外壳层的形成 在皮层形成过程中，前孢子外膜表面合成外壳物质，并沉积于皮
层外表，逐渐形成一个连续的致密层。
⑥ 芽孢成熟 芽孢合成过程全部完成，此时芽孢具有了很强的抗热性和特殊结构。 ⑦ 芽孢的释放 孢子囊壁破裂(溶解)，释放出成熟的芽孢。
3. 芽孢的生理特性
芽孢水分少，一般在40％左右；不易透水；含有特殊的抗热性物质。芽孢所具有的特殊结构加上代谢活力也较弱．所以能够抵抗极不适宜的环境。
一般来说，普通细菌在70一80C时煮10min就死亡，而芽孢在120—140C时还能生存几小时，又如在5％石炭酸(苯酚)溶液中普通细菌很快死亡，而芽孢能忍耐15d之久。芽孢的休眠力是十分惊人的．一般的芽孢在普通条件下可保存几年至几十年的活力。芽孢的这一特性，在废水生物处理过程中，特别是处理有毒废水时都有芽孢杆菌生长。细菌芽孢和营养细胞的比较详见表1—3。
表 1-3 细菌的芽孢和营养细胞的区别
项目
结构
光学显微镜下
钙
吡啶二羧酸
聚β—羟基丁酸 (PHB)
多糖
蛋白质
含硫氨基酸
酶活性
代谢作用 (O 2 利用 )
大分子合成
mRNA 00营养细胞 典型革兰氏阳性 无折光性 低 无 有 高 较低 低 高 高 有 有 芽孢 有髓、孢子衣、 外壁 有折光性 高 有 无 低 较高 高 低 低或无 无 低或无
抗热性
抗幅射
抗药和酸
染色力
溶菌酶作用 低 低 低 可染 敏感 高 高 高 需用特殊方法染色 有抗性
细菌鞭毛的数目和着生位置是细菌种的特征。据此，可将有鞭毛的细菌分为三类 ( 图1-12) ： ① 单生鞭毛，在菌体的一端或两端只生一根鞭毛； ② 丛生鞭毛菌，菌体一端生一束鞭毛，或菌体两端各具一束鞭毛，如红色螺菌；③ 周生鞭毛菌，周身都有鞭毛，如大肠杆菌 、枯草杆菌等。
2. 鞭毛的化学组分
鞭毛的主要成分是蛋白质，有的还含有极少量的多糖和类脂等。如枯草杆菌的鞭毛纯制品中，蛋白质占99％，碳水化合物在0.2％以下，类脂少于0.1％。
3. 鞭毛的特性
鞭毛是细菌的运动器官，它极易脱落。有鞭毛的细菌一般在幼令时具鞭毛，老令时脱落。 有鞭毛的细菌并不一定总是运动的，有时也会丧失运动性。运动性的丧失可由于环境变化或突变引起。细菌运动还表现出趋光性和趋化性，亦即向着光或某种化学吸引物运动。细菌的运动是惊人的，它们的运动速度每秒可达到自身长度的10倍或数十倍，这比世界上最优秀的短跑冠军要快得多。此外，有的细菌还可以从某些物质或环境因子游开，以避免伤害。因此，细菌运动可看成是一种适应作用，即增加微生物与食物或其它有利环境相遇机会，或者避免有害因子以利于生存。
第三节 细菌的生长繁殖和命名
一、细菌的生长繁殖
细菌虽然很小，但是照样是一个活的生命有机体，因此和
其它生命有机体一样具有生长和繁殖的能力。生长是繁殖的基
础．繁殖是生长的结果。
(一) 细菌生长繁殖的方式
细菌生长繁殖包括菌体各组分有规律的增长及菌体数量的增
加。
细菌一般进行无性繁殖，表现为细胞的横分裂，称为裂殖。绝
大多数类群在分裂时产生大小相等和形态相似的两个子细胞，
称作同形裂殖。电镜研究表明，细菌分裂大致经过细胞核和细
胞质的分裂、横隔壁的形成、子细胞分离等过程（见图1-13）。
首先是核的分裂和隔膜的形成。细菌染色体 DNA 的复制往
往先于细胞分裂，并随着细菌生长而分开。与此同时，细胞赤
道附近的细胞膜从外向中心作环状推进，然后闭合形成一个垂
直于细胞长轴的细胞质隔膜，使细胞质和细胞核均一分为二。
第二步形成横隔壁，如蕈状芽孢杆菌，随着细胞膜的内陷，母
细胞的细胞壁也跟着由四周向中心逐渐延伸，把细胞质隔膜分为两层，每层分别成为子细胞的细胞膜，横隔壁也逐渐分为两层，这样每个细胞便各自具备了一个完整的细胞壁。有的细菌如链球菌、双球菌等在分裂过程中，横隔壁尚未完全形成，细胞就停止了生长，留下了一个小孔，此时两个细胞的细胞膜仍然相连，即形成了“胞间连丝”。第三步是子细胞分离。有些种类的细菌细胞，在横隔壁形成后不久便相互分开，呈单个游离状态；而有的却数个细胞相连呈短链状或多个排列成长链状。尤其是球菌，因分裂面的不同，使分裂后排列成单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌等。
少数种类如柄细菌分裂后产生一个有柄不运动和一个无柄有鞭毛的子细胞，称为异形分裂。此外还有通过出芽方式进行繁殖，如芽生杆菌 、生丝微菌的芽殖，蛭弧菌侵入宿主细菌细胞的壁与膜间隙生长、分裂、产生多个子细胞的多次分裂以及节杆菌的劈裂等特殊的繁殖方式。
（二）细菌生长繁殖的速度 细菌的繁殖速度极快。细菌分裂倍增的必需时间，称为代时，细菌的代时决定于细菌的种类，同时又受环境条件的影响，细菌代时一般为20-30min，以此计算， 在最佳条件下8h后，一个细菌可繁殖到200万上，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，毒性产物的积累及环境PH的改变，细菌绝不可能始终保持原速度无限增值，经过一定时间后，细菌活跃增值的速度逐渐减慢，死亡细菌逐增，活菌率逐减。
（三） 细菌生长繁殖的条件
细菌生长的重要因素是温度和pH。根据最适生长温度的不同，细菌可分成低温细菌和高温细菌等三大类。一般来说，细菌在pH中性(6—8)的条件下生长最好。
二、细菌的群体特征
（一） 细菌的菌落特征 由于细菌很小，单个细菌的生长和繁殖不能用肉眼直接观察到．所以通常采用群体生长的结果即菌落的特征来描述。把细菌接种到固体培养基中、经过迅速生长繁殖而形成很多菌种聚集在—起的并且肉眼可见的细菌集合体，称之为“菌落”。菌落的外观特性与培养条件有关，也与细菌自身的遗传生长特性有关。一定培养条件下它们表现出一定的特征．并且可以作为细菌的分类依据 。
细菌菌落的特征要从大小，形状，光泽，颜色，硬度，透明程度，边缘形状等几方面进行考察。典型的细菌菌落一般是1—3mm，圆形或椭圆形，湿润、较光滑、较透明、较粘碉、易挑取、质地均匀及正反面颜色—致等(图1-14)。
不同细菌种类的菌落各不相同，同一种细菌因培养基的成分和表面湿度的不同，菌落形态也有变化。同一种细菌在同一培养基上形成的菌落一般表现为相同的菌落形态特征，是鉴定菌种的形态标志之一。例如园褐固氮菌在阿须贝氏无氮培养基上表面菌落呈粘稠糊状，凸起，边缘整齐，表面起初为光滑无色，以后逐渐产生皱折和产生黑色素。又例如蜡质芽孢杆菌霉状变种在牛肉膏蛋白胨培养基表面形成类似菌丝体的菌落，从中央向四周弯
(二) 细菌的液体培养特征
细菌在液体培养基中生长，因菌种及需氧
性等表现出不同的特征。当菌体大量增殖时，
有的形成均匀一致的混浊液；有的形成沉淀；
有的形成菌膜漂浮在液体表面；有的在液体中
间形成一圈环状物形成沉淀 ( 图 1-15) 。有
些细菌在生长时还可同时产生气泡、酸、碱和
色素等。
三、细菌的命名
为了研究的方便，细菌都必须给予名称或
名字。细菌的命名(也包括其它所有微生物的命
名)，与动物和植物的命名一样，都是采用瑞典植物学家林奈(Linnaeus)创始的双名制命名法，即属名加种名。即一种细菌的名称由二个拉丁文单词组成．第一个是属名，用拉丁文名词表示，词首字目大写．它描述细菌的主要特征；第二个是种名，用拉丁文形容词表示，字首字母小写，它描述细菌的次要特征。属名和种名的书写必须是斜体。有时候在前面所述的二个单词之后还会存一个单词，这个单词往往是说明细菌的命名人。如果细菌只鉴定到属，对具体种的地位还不能肯定，则可以用sp. (单数)或spp. (复数)来表示。
如 金黄色葡萄球菌 Stapylococcus aures ,其中 Stapylococcus是指其属于属，aures为其种名。又如：大肠埃希氏杆菌 Escherichia coli，破伤风梭菌 Clostridium tetani。
以上各学名中的第一个词是属名，为拉丁文名词，如金黄色葡萄球菌，用来描述细菌
的主要特征是“葡萄球菌”，第二个词是种加词，为拉丁文形容词，用以描述细菌的次要特征是“金黄色”的。
自然界中的细菌种类太多，有时会发生同物异名或同名异物的现象。为了避免混乱和误解，常需要在种名之后附有定名人的姓，例如，大肠埃希氏杆菌的名称是： Escherichia coli Cadtellani et Chalmers。另外，大家熟知的学名，其属名可以缩写，如E.coli ，但属名第一字母用记号，即用实心圆心。有时由自然界分离到的某一微生物，已根据其主要特征明确它属于某一菌种，但在某些特征上与典型种又有差异，则这个微生物称为其变种（variety），此时在微生物的双名之后再加上其变种名称，其书写方式为：var.(正体)+变种名称（斜体），如：枯草芽孢杆菌黑色变种 Bacillus substilis var. niger。
复习思考题
一、细菌的大小是用什么单位来测量的?
二、根据细菌的形状来分类，细菌可分为那几类?
三、简单说明细菌的一股构造、细菌的特殊构造?
四、什么叫菌胶团？菌胶团在废水生物处理中有何特殊意义?
五、试述细菌芽孢的特征．为什么具有芽孢的细菌能够抵抗不良的环境?
第1章 细菌的形态和结构
学习目标
细菌是单细胞的、没有真正细胞核的原核微生物，其基本形态可以分为四大类型：球菌、杆菌、螺旋菌、丝状菌；其个体微小，通常以微米作为计量单位；虽然个体微小，但其内部构造却相当复杂，典型的细菌细胞构造可分为两部分：一是基本构造，包括细胞壁、原生质膜，为所有细菌细胞所共有；二是特殊构造，如荚膜、鞭毛、芽孢等，这些特殊结构只在某些细菌种类中发现，具有某些特定功能；细菌一般进行无性繁殖，主要为裂殖；细菌的命名，采用瑞典植物学家林奈(Linnaeus)创始的双名制命名法，即属名加种名。因此通过本章的学习，了解细菌的形态、大小，重点掌握细菌的结构以及细菌的生长和繁殖，并能进行常见细菌的命名。
第一节 细菌的外形和大小
一、细菌的外形
细菌是单细胞的、没有真正细胞核的原核微生物。是微生物在自然界分布最广、数量最多、与人类关系最密切的一类。其个体微小，种类繁多。—滴水里，可以含有好几千万个细菌。所以要观察细菌的形状，必须要有一架可以放大一千倍或倍数更高的显微镜。但是由于细菌本身是无色半透明的，即使放在显微镜下看起来还是比较模糊，不容易看清楚。为了要清楚地观察细菌，目前已使用了各种细菌的染色法，把细菌染成红的、紫的或其它颜色。这样，在显微镜下看起来．细菌的轮廓就很清楚。
就菌体的体形来看，细菌其基本形态可分为四大类型—球菌、杆菌、螺旋菌、丝状菌（见图l—1）。
（一）球菌
细胞呈球形，或近似球形。它们中的很多种，在分裂后产生的新细胞中，按其排列的形式，又可分为数种。例如细菌分裂后各自分散单独存在的称单球菌，如尿素微球菌；成双存在的，称双球菌，如肺炎双球菌；成串状的，称链球菌，如乳链球菌；四个联在一起的，称四联球菌，如四联微球菌；八个叠在一起的，称八叠球菌，如产甲烷八叠球菌；积聚成葡萄状的，称葡萄球菌，如金黄色葡萄球菌。
排列方式是球菌中的特征，在分类鉴定上有重要意义。但不论在哪种类型的球菌培养基上，常可看到游离的单个菌体存在（如图1-1A）。
(二) 杆菌
细胞呈杆状或圆柱状。多种杆菌的长度与直径比例差异很大，有的粗短，有的细长，较长的为长杆菌，较短的为短杆菌，更短至近球形者为球杆菌。有的菌体两端平齐，如炭疽芽孢杆菌，有的两端钝圆，如维氏固氮菌 ，还有的两端削尖，如梭杆菌属。杆菌细胞常沿一个平面分裂，大多数菌体分散存在，但有的杆菌呈长短不同的链状，有的则呈栅状或“八”字形排列。杆菌在细菌中种类最多，有不少是人和动植物的致病菌，如大肠杆菌、伤寒杆菌、流感杆菌等（如图1-1B）。
（三）螺旋菌
细胞呈弯曲杆状。根据弯曲的程度可分为弧菌和螺旋菌两大类，弯曲不足一圈的称弧菌，如霍乱弧菌；弯曲度大于一周的称为螺旋菌，即菌体作多次弯曲回旋。螺旋菌的旋转圈数和螺距大小因种而异。有些螺旋菌的菌体僵硬，借鞭毛运动，如迂回螺菌。有些螺旋菌的菌体柔软，借轴丝收缩运动并称为螺旋体，如梅毒密螺旋体（如图1-1C）。
(四) 丝状细菌 丝状细菌分布在水生环境、潮湿土壤和活性污泥中，如球衣细菌等。球衣菌属, 能形成衣鞘，杆状的细胞呈链状排列在衣鞘内而成为丝状体。另外还有铁细菌、硫细菌等（如图1-1D）。
细菌的形态除上述四种基本形态外，还有其他形态的细菌，如柄细菌属，细胞呈弧状或肾状并具有一根特征性的细柄，可附着于基质上。此外还有呈星状的星状菌属、正方形的细菌等 ( 图1-2) 。
细菌的形态常常受环境条件的影响。如果培养时间与温度、培养基的成分与浓度等
发生改变，均可能引其细菌形态的改变。一般来说，细菌在初生时期或适宜生活条件下呈现其典型形态，在衰老期或不正常条件下表现形态异常，此时如给予新鲜培养基或适宜的培养基条件，细菌形态可恢复其典型状态。这些典型的形态持征是鉴别菌种的依据之一。
二、细菌的大小
细菌体积微小，通常以微米作为计量单位，可用测微尺在显微镜下进行测量，也可通过投影法或照相制成图片，再按放大倍数测算。球菌以其直经表示，大多数球菌直径一般为0.5—2um；杆菌和螺旋菌以其长度和宽度表示，杆菌—般为0.5-1um ×1-5um，螺旋菌常约为0.3-1×1-50um，不过螺旋菌的长度是指菌体两端点的距离，而不是真正的长度。
菌 名
乳链球菌
金黄色葡萄球菌
最大八叠球菌
大肠杆菌
伤寒沙门氏菌
枯草芽孢杆菌
炭疽芽孢杆菌
德氏乳细菌
霍乱弧菌
迂回螺菌 直径或宽×长度( μm) 0.5~1 0.8~1 4~4.5 0.5 × 1~3 0.6~0.7 × 2~3 0.8~1.2 × 1.2~3 1~1.5 × 4~8 0.4~0.7 × 2.8~7 0.3~0.6 × 1~3 1.5~2 × 10~20
第二节 细菌细胞的结构
细菌是单细胞微生物，虽然个体微小，但其内部构造却相当复杂。典型的细菌细胞构造可分为两部分：一是不变部分或称基本构造，包括细胞壁、原生质体，为所有细菌细胞所共有；二是可变部分或称特殊构造，如荚膜、芽孢、鞭毛等，这些结构只在某些细菌种类中发现，具有某些特定功能。细菌细胞的典型结构见图1—3。
一、基本结构
细菌的基本结构包括细胞壁和原生质体两部分。原生质体位于细胞壁内，包括细胞膜(细胞质膜)、细胞质、核质和内含物。
(一) 细胞壁
细胞壁是包围在细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具弹性的结构，占细胞干重的10％— 25% 。 细胞壁具有固定细胞外形和保护细胞的功能，是细胞中很重要的结构单元，也是细菌分类中最重要的依据之一。失去细胞壁后，各种形态的细菌都变成球形。细菌在一定范围的高渗溶液中，原生质收缩，出现质壁分离现象。在低渗溶液中，细胞膨大，但不会改变形状或破裂，这些都与细胞壁具有一定坚韧性和弹性有关。细胞壁的化学组成 也使细菌具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性。有鞭毛的细菌失去细胞壁后，仍可保持有鞭毛，但不能运动，可见细胞壁的存在为鞭毛运动提供的力学支点，为鞭毛运动所必需的。细胞壁是多孔性的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。
1884 年丹麦人革兰氏 (Christian Gram) 发明了一种染色法，这种染色方法的基本步骤为：在一个已固定的细菌涂片上用结晶紫染色，再加媒染剂－碘液染色，然后用乙醇脱色，最后用复染液 ( 沙黄或番红 ) 复染。显微镜下菌体呈红色者为革兰氏染色反应阴性细菌 ( 常以 G 表示 ) ，呈深紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌 ( 常以 G 表示 ) 。这一程序后称革兰氏染色法。通过这一简单染色可将所有细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。这两大类细菌在细胞结构、成分、形态、生理、生化、遗传、免疫、生态和药物敏感性等方面都呈现出明显差异，因此革兰氏染色有着十分重要的理论与实践意义。
事实上，通过电镜观察以及细胞壁化学结构的分析表明革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁在结构和化学组分上有显著的差异，见表 1-2 ，图 1-4。
1、革兰氏阳性细菌细胞壁
革兰氏阳性细菌有一层厚约 20 ～ 80nm 的细胞壁。细胞壁的化学组成以肽聚糖 (Peptidoglycan) 为主，占细胞壁物质总量的 40 ％～ 90% 。另外还结合有磷壁质酸，又称垣酸，是 G 细菌细胞壁特有的成分。
表 1-2 革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的主要区别
特征
强度
细胞壁厚度
肽聚糖层数
肽聚糖含量 +-+G 细菌 较坚韧 厚，20~80 nm 多层，可达50层 多，占细胞壁干重的 40~90% +G 细菌 较疏松 薄，5-10 nm 少， 1-3层 少，占细胞壁干重的5%~10% -
磷壁酸
外膜
结构
脂肪
蛋白质
对青霉素、溶菌酶 + — 三维空间（立体结构） 1%-4% 约20% 敏感 — + 二位空间（平面结构） 11%~22% 约60% 不够敏感
肽聚糖 是除古菌外，凡有细胞壁的原核生物细胞壁中的共有组分。肽聚糖是由若干肽聚糖单体 ( 图 1- 5 ) 聚合而成的多层网状结构大分子化合物。肽聚糖的单体含有三种组分： N- 乙酰葡萄糖胺 (简写 NAG) 、 N- 乙酰胞壁酸 (简称 NAM) 和四肽链。 N- 乙酰葡萄糖胺与 N- 乙酰胞壁酸交替排列，通过糖苷键连接成聚糖链骨架。四肽链则是通过一个酰胺键与 N- 乙酰胞壁酸相连，肽聚糖单体聚合成肽聚糖大分子时，主要是两条不同聚糖链骨架上与 N- 乙酰胞壁酸相连的两条相邻四肽链间的相互交联 ( 见图 1-6 ) 。不同种类细菌的肽聚糖聚糖链骨架基本是相同的，不同的是四肽链氨基酸的组成以及两条四肽链间的交联方式。如革兰氏阳性菌 ( 以金黄色葡萄球菌为例 ) 的四肽链是 L- 丙氨酸、D- 谷氨酸、L- 赖氨酸和D- 丙氨酸组成。
2.革兰氏阴性菌细胞壁
G 菌的细胞壁比 G 菌的薄，可分为内壁层和外壁层。内壁层紧贴细胞膜，厚约 2 ～ 3nm ，由肽聚糖组成，占细胞壁干重的 5 ％～ 10% 。外壁层又称外膜，约 8 ～ 10nm ，主要由脂多糖和外膜蛋白组成。
G 菌与革兰氏阳性菌肽聚糖的不同之处就在于它们短肽上的氨基酸以及两条短肽上氨基酸相联结的方式不同。革兰氏阴性菌 ( 以大肠杆菌为例 ) 肽聚糖肽链中的四个氨基酸是 L- 丙氨酸、 D- 谷氨酸、内消旋二氨基庚二酸及 D- 丙氨酸。一股肽链第三位上的二氨基庚二酸的游离氨基与相邻的另一股肽链末端的 D- 丙氨酸的羧基形成肽键，将两条肽链联结起来。 - - +
脂多糖是 G 菌细胞壁的特有成分， G 菌中不存在。脂多糖由三部分组成，即 O- 侧链、核心多糖和类脂 A 。
外膜蛋白指嵌合在脂多糖和磷脂层外膜上的 20 多种蛋白。其中 脂蛋白的蛋白质部分末端游离的氨基酸残基与肽聚糖层的某些二氨基庚二酸残基形成肽键，呈共价结合，其脂质部分同外壁层磷脂相结合。因此，脂蛋白是从肽聚糖层到外壁层之间的桥梁。另有一类称微孔蛋白的蛋白存在于 G 菌的外壁层中，这些蛋白的功能是作为一个通道使低分子的亲水性物质得以进出。有特异性与非特异性两类。特异性孔蛋白形成“充水”的通道，任何类型的小物质都可以通过。而另一些孔蛋白具有高度特异性，是因为它们含有一种或多种物质的特异性结合位点。最大的微孔蛋白可以允许分子量高达5000的物质进入。 革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁结构的区别见表1-2，有表可知，革兰氏阳性细菌含大量肽聚糖、独含磷壁酸、不含脂多糖。革兰氏阴性细菌含极少肽聚糖，独含脂多糖，不含磷壁酸。两者的不同还表现在各种成分的含量不同。尤其是脂肪的含量最明显。革兰氏阳性细菌脂肪含量为1%-4%，革兰氏阴性细菌脂肪含量为11%-22%。
3.细胞壁结构与革兰氏染色的关系
革兰氏染色的性质同细胞壁的结构与组分有关。现在大多数人认为，在染色过程中，细胞内形成了一种不溶性的结晶紫 - 碘的复合物，这种复合物可被乙醇 ( 或丙酮 ) 从G- + + --+ 细菌细胞内抽提出来，但不能从 G菌中抽提出来。这是由于 G菌细胞壁较厚，肽聚糖含量高，脂质含量低甚或没有，经乙醇处理后引起脱水，结果肽聚糖孔径变小，渗透性降低，结晶紫 -碘复合物不能外流，于是保留初染的紫色。而革兰氏阴性细菌细胞壁肽聚糖层较薄，含量较少，而且脂质含量高，经乙醇处理后，脂质被溶解，渗透性增高，结果结晶紫 - 碘复合物外渗，细胞被番红复染成红色。
(二) 原生质体
原生质体位于细胞壁内，包括细胞膜(细胞质膜)、细胞质、核质和内含物。
1. 细胞质膜、
细胞质膜，又称细胞膜，是围绕在细胞质外面的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜，厚约8nm，是重要的代谢活动中心，对于细菌的呼吸、能量的产生、运动、生物合成、内外物质的交换运送等均有重要的作用。
(1) 细胞质膜的化学组成
细菌细胞膜占细胞干重的 10% 左右，膜上具有与物质渗透、吸收、转运和代谢等有关的许多蛋白质或酶类。蛋白质是细菌细胞膜中的主要成分，约占细胞膜的60%~70%，脂类占细胞膜的20%~30%，另外还有大约2%的多糖。细菌细胞的脂类主要是极性类脂—甘油磷脂，由甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱组成。
（2）细胞质膜的结构（见图1-7 ）
细菌细胞膜的脂类主要为甘油磷脂。磷脂分子在水溶液中很容易形成具有高度定向性的双分子层，相互平行排列，亲水的极性基指向双分子层的外表面，疏水的非极性基朝内 ( 即排列在组成膜的内侧面 ) ，这样就形成了膜的基本骨架。磷脂中的脂肪酸有饱和及不饱和两种，膜的流动性高低主要取决于它们的相对含量和类型，如低温型微生物的膜
细胞膜中的蛋白质依其存在位置可分为外周蛋白和内嵌蛋白两大类。外周蛋白存在于膜的内或外表面，系水溶性蛋白，占膜蛋白总量的 20 ％～ 30% 。内嵌蛋白又称固有蛋白或结构蛋白，镶嵌于磷脂双层中，多为非水溶性蛋白，占总量的 70 ％～ 80%。膜蛋白除作为膜的结构成分之外，许多蛋白质本身就是运输养料的透酶或具催化活性的酶蛋白，在细胞代谢过程中起着重要作用。脂类和蛋白质都在运动，而且是彼此之间相对运动，这就是目前大家比较公认的是“镶嵌细胞膜结构模型”。
因此，细菌细胞膜结构模型的要点是： ① 磷脂双分子层组成膜的基本骨架。② 磷脂分子在细胞膜中以多种方式不断运动，因而膜具有流动性。③ 膜蛋白以不同方式分布于膜的两侧或磷脂层。
(3) 细胞膜的主要功能
① 控制细胞内、外的物质 ( 营养物质和代谢废物 ) 的运送、交换；② 维持细胞内正常渗透压的屏障作用；③ 合成细胞壁各种组分 (LPS 、肽聚糖、磷壁酸 ) 和荚膜等大分子的场所；④ 进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；⑤ 传递信息。膜上的某些特殊蛋白质能接受光、电及化学物质等产生的刺激信号并发生构象变化，从而引起细胞内的一系列代谢变化和产生相应的反应。⑥ 鞭毛的着生和生长点。
2.细胞质
细胞质是一种无色透明而粘稠的胶体，其主要成分是水、蛋白质、核酸和脂类等。
细胞质内具有各种酶系统，能不断地进行新陈代谢活动。由于富含核糖核酸(RNA)，所以是嗜碱性的，即与碱性染料结合能力较强。幼令菌的细胞质非常稠密、均匀、很容易染色。成熟细胞的细胞质内含有不少颗粒状的贮藏物质，又由于细菌的生命活动产生了许多空泡，染色能力较差，因此着色不均匀。根据染色特点，我们可以通过观察染色均匀与否来判断细菌是处于幼龄还是衰老阶段。此外，细胞质内还含有核糖体等物质。 (1) 核糖体
核糖体亦称核蛋白体，为多肽和蛋白质合成的场所。在电子显微镜下可见到细菌的核糖体游离于细胞质中，系 70S 的颗粒，由 50S 和 30S 两个亚单元组成，化学成分为蛋白质与核糖核酸 (RNA) 。细菌细胞中绝大部分 ( 约 90%) 的 RNA 存在于核糖体内。原核生物的核糖体常以游离状态或多聚核糖体状态分布于细胞质中。而真核细胞的核糖体既可以游离状态存在于细胞质中，也可结合于内质网上。核糖体是蛋白质的合成场所。
（2）内含物
很多细菌在营养物质丰富的时候，其细胞内聚合各种不同的贮藏颗粒，当营养缺乏时，它们又能被分解利用。这种贮藏颗粒可在光学显微镜下观察到，通称为 内含物。贮藏颗粒的多少可随菌令及培养条件不同而改变。
主要的内含物有异染粒、聚β - 羟基丁酸（PHB ) 颗粒 肝糖粒和 淀粉粒、硫滴、磁小体
(3) 气泡
某些水生细菌，如蓝细菌、不放氧的光合细菌和盐细菌细胞内贮存气体的特殊结构称气泡。气泡由许多小的的气囊组成，气囊膜只含蛋白质而无磷脂。气泡的大小、形状和数量随细菌种类而异。气泡能使细胞保持浮力，从而有助于调节并使细菌生活在它们需要的最佳水层位置，以利于获得氧气、光和营养。
3.核质
一般的细菌仅具有分散而不固定形态的核质。核或核质内几乎集中有全部与遗传变异有密切关系的某些核酸(如脱氧核糖核酸DNA)，所以常称核是决定生物遗传的主要部分。细菌的核非常简单，没有核膜包围，也没有核仁，它只是一团裸露的且高度折叠缠绕的DNA分子，故称细菌是原核生物，这样的核又称拟核体。
细菌细胞的原核只有一个染色体，主要含有具有遗传特征的脱氧核糖核酸 (DNA) 。拟核中尚有少量 RNA 和蛋白质。但没有真核生物细胞核所含的组蛋白 ( 结构蛋白 ) 。染色体是由双螺旋的大分子链构成，一般呈环形结构，总长度为 0. 25 ～ 3mm
二、特殊结构
（一） 荚膜、衣鞘、菌胶团
1. 荚膜
有些细菌生活在一定营养条件下，可向细胞壁外分泌出一层粘性物质，犹如穿在菌体表面的一件外套，用电子显微镜观察，中心部位是细菌菌体，在暗色背景下荚膜呈透明状环绕菌体。见图1-8
（1）荚膜的结构与组成
荚膜的含水率在90%-98%，主要成分为多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。肺炎球菌、炭疽杆菌等都能生成荚膜。产荚膜的细菌菌落通常光滑透明，称光滑型 (S 型 ) 菌落，不产荚膜细菌菌落表面粗糙，称粗糙型 (R 型 ) 菌落。
根据荚膜外这层粘性物质的厚度、可溶性及在细胞表面存在的状况可把它们分为荚膜、微荚膜或粘液层。 （2）荚膜的功能 ① 作为细胞外碳源和能源性贮藏物质；② 能增强某些病原菌的致病能力，使之抵抗宿主吞噬细胞的吞噬，保护细胞免受干燥的影响；③ 能引起肺炎的肺炎双球菌Ⅲ型，如果失去了荚膜，则成为非致病菌； ④ 废水生物处理中的细菌荚膜有生物吸附作用，将废水中的有机物、无机物机胶体吸附在细菌体表面上。
2
．衣鞘
有的细菌，如硫磺细菌、铁细菌和球衣细菌的丝状体周围的粘液层会逐渐硬质化．形成透明坚韧的空壳，即所谓衣鞘。
3. 菌胶团
当荚膜物质相融合成一团块，内含许多细菌时，称为菌胶团。并不是所有的细菌都能形成菌胶团．凡是能够形成菌胶团的细菌，则称为菌胶团细菌。不同细菌形成不同形状的菌胶团．有分枝状的、垂丝状的、球形的、椭圆形的、蘑菇形的．片状的以及各种不规则形状的(图1-8)。菌胶团细菌包藏在胶体物质内，一方面对动物的吞噬起保护作用，同时也增强了它对不良环境的抵抗能力。菌胶团是活性污泥(如废水生物处理构筑物曝气池中所形成的污泥)中细菌的主要存在形式，有较强的吸附和氧化有机物的能力，在废水生物处理中具有较为重要的作用。一般来说，处理生活污水的活性污泥．其性能的好坏，主要可根据所含菌胶团多少、大小及结构的紧密程度来定。新生菌胶团(即新形成的菌胶团)颜色较
浅．甚至无色透明．但有旺盛的生命力，氧化分解有机物的能力强。老化了的菌胶团，由于吸附了较多的杂质，颜色较深，看不到细菌单体，而象一团烂泥似的，生命力较差。一定种的细菌在适宜环境条件下形成一定形态结构的菌胶团，而当遇到不适宜的环境时，菌胶团就发生松散，甚至呈现单个游离细菌，影响处理效果。因此．为了使废水处理达到较好的效果，要求菌胶团结构紧密，吸附、沉降性能良好。这就必须满足菌胶团细菌对营养及环境的要求。
（二）芽饱
1.芽孢的形态与结构 某些细菌在其生活史的一定阶段，于营养细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的结构，称为芽孢 。因为细菌芽孢都形成在菌体内，故亦称内生孢子。含有芽孢的菌体细菌称为孢子囊。芽孢成熟后可脱落出来。生成芽孢的细菌多为杆菌，球菌和螺旋菌仅少数种能生芽孢。
由于不是所有的细菌都能形成芽孢，芽孢形成的位置、形状、大小也因菌种而异，所以芽饱在分类鉴定上有一定意义。有些细菌的芽孢位于细胞的中央，其直径大于细胞直径，孢子囊呈梭状，如某些梭状芽孢杆菌属的种；芽孢在细胞顶端，若其直径大于细胞的直径时，则孢子囊呈鼓槌状，如破伤风梭菌；芽孢直径小于细胞直径，则细胞不变形，如常见的枯草芽孢杆菌。能形成芽孢的细菌一般是革兰氏阳性细菌。细菌的芽孢本身着色能力很弱，必须采用特殊的芽孢染色法才能在光学显微镜下观察到 (图 1-9) 。
芽孢有比较厚的壁和高度的折光性，在显微镜下观察芽孢为一透明小体。利用电子显微镜，不仅可观察到芽孢的表面特征，还可观察到一个成熟的芽孢具有核心、芽胞壁、皮层、芽胞衣、 胞外壁等多层结构 ( 图 1-10) 。
2. 芽孢的形成 根据电子显微镜的观察，芽孢形成包含着下述一系列复杂过程 (
图 1-11) 。
① 轴丝形成 在营养细胞内，分开存在的两个染色体首先发生构型变化，即两个染色体聚集在一起，以致密发育的形式，逐渐成为一个连续的、位于细胞中央的轴丝状结构，并通过中间体与细胞膜相连接。有人认为这是芽孢早期所具有的特异结构，
② 隔膜形成 在接近细胞一端处，细胞膜内陷，向心延伸，产生隔膜，将细胞分成大小两部分。与此同时，轴丝状结构也分为两部分。
③ 前孢子形成 在细胞中，较大部分的细胞膜围绕较小部分迅速地继续延伸，直至将小的部分完全包围到大的部分中为止。这个新形成的细胞 ( 结构 ) 称为前孢子。此时前孢子由两层极性相反的细胞膜组成，其中内膜将发育成为营养细胞的细胞膜。
④ 皮层形成 由于前孢子迅速进行合成作用，新形成的物质沉积于前孢子的两层极性相
反的细胞膜之间，逐渐发育形成皮层。
⑤ 孢子外壳层的形成 在皮层形成过程中，前孢子外膜表面合成外壳物质，并沉积于皮
层外表，逐渐形成一个连续的致密层。
⑥ 芽孢成熟 芽孢合成过程全部完成，此时芽孢具有了很强的抗热性和特殊结构。 ⑦ 芽孢的释放 孢子囊壁破裂(溶解)，释放出成熟的芽孢。
3. 芽孢的生理特性
芽孢水分少，一般在40％左右；不易透水；含有特殊的抗热性物质。芽孢所具有的特殊结构加上代谢活力也较弱．所以能够抵抗极不适宜的环境。
一般来说，普通细菌在70一80C时煮10min就死亡，而芽孢在120—140C时还能生存几小时，又如在5％石炭酸(苯酚)溶液中普通细菌很快死亡，而芽孢能忍耐15d之久。芽孢的休眠力是十分惊人的．一般的芽孢在普通条件下可保存几年至几十年的活力。芽孢的这一特性，在废水生物处理过程中，特别是处理有毒废水时都有芽孢杆菌生长。细菌芽孢和营养细胞的比较详见表1—3。
表 1-3 细菌的芽孢和营养细胞的区别
项目
结构
光学显微镜下
钙
吡啶二羧酸
聚β—羟基丁酸 (PHB)
多糖
蛋白质
含硫氨基酸
酶活性
代谢作用 (O 2 利用 )
大分子合成
mRNA 00营养细胞 典型革兰氏阳性 无折光性 低 无 有 高 较低 低 高 高 有 有 芽孢 有髓、孢子衣、 外壁 有折光性 高 有 无 低 较高 高 低 低或无 无 低或无
抗热性
抗幅射
抗药和酸
染色力
溶菌酶作用 低 低 低 可染 敏感 高 高 高 需用特殊方法染色 有抗性
细菌鞭毛的数目和着生位置是细菌种的特征。据此，可将有鞭毛的细菌分为三类 ( 图1-12) ： ① 单生鞭毛，在菌体的一端或两端只生一根鞭毛； ② 丛生鞭毛菌，菌体一端生一束鞭毛，或菌体两端各具一束鞭毛，如红色螺菌；③ 周生鞭毛菌，周身都有鞭毛，如大肠杆菌 、枯草杆菌等。
2. 鞭毛的化学组分
鞭毛的主要成分是蛋白质，有的还含有极少量的多糖和类脂等。如枯草杆菌的鞭毛纯制品中，蛋白质占99％，碳水化合物在0.2％以下，类脂少于0.1％。
3. 鞭毛的特性
鞭毛是细菌的运动器官，它极易脱落。有鞭毛的细菌一般在幼令时具鞭毛，老令时脱落。 有鞭毛的细菌并不一定总是运动的，有时也会丧失运动性。运动性的丧失可由于环境变化或突变引起。细菌运动还表现出趋光性和趋化性，亦即向着光或某种化学吸引物运动。细菌的运动是惊人的，它们的运动速度每秒可达到自身长度的10倍或数十倍，这比世界上最优秀的短跑冠军要快得多。此外，有的细菌还可以从某些物质或环境因子游开，以避免伤害。因此，细菌运动可看成是一种适应作用，即增加微生物与食物或其它有利环境相遇机会，或者避免有害因子以利于生存。
第三节 细菌的生长繁殖和命名
一、细菌的生长繁殖
细菌虽然很小，但是照样是一个活的生命有机体，因此和
其它生命有机体一样具有生长和繁殖的能力。生长是繁殖的基
础．繁殖是生长的结果。
(一) 细菌生长繁殖的方式
细菌生长繁殖包括菌体各组分有规律的增长及菌体数量的增
加。
细菌一般进行无性繁殖，表现为细胞的横分裂，称为裂殖。绝
大多数类群在分裂时产生大小相等和形态相似的两个子细胞，
称作同形裂殖。电镜研究表明，细菌分裂大致经过细胞核和细
胞质的分裂、横隔壁的形成、子细胞分离等过程（见图1-13）。
首先是核的分裂和隔膜的形成。细菌染色体 DNA 的复制往
往先于细胞分裂，并随着细菌生长而分开。与此同时，细胞赤
道附近的细胞膜从外向中心作环状推进，然后闭合形成一个垂
直于细胞长轴的细胞质隔膜，使细胞质和细胞核均一分为二。
第二步形成横隔壁，如蕈状芽孢杆菌，随着细胞膜的内陷，母
细胞的细胞壁也跟着由四周向中心逐渐延伸，把细胞质隔膜分为两层，每层分别成为子细胞的细胞膜，横隔壁也逐渐分为两层，这样每个细胞便各自具备了一个完整的细胞壁。有的细菌如链球菌、双球菌等在分裂过程中，横隔壁尚未完全形成，细胞就停止了生长，留下了一个小孔，此时两个细胞的细胞膜仍然相连，即形成了“胞间连丝”。第三步是子细胞分离。有些种类的细菌细胞，在横隔壁形成后不久便相互分开，呈单个游离状态；而有的却数个细胞相连呈短链状或多个排列成长链状。尤其是球菌，因分裂面的不同，使分裂后排列成单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌等。
少数种类如柄细菌分裂后产生一个有柄不运动和一个无柄有鞭毛的子细胞，称为异形分裂。此外还有通过出芽方式进行繁殖，如芽生杆菌 、生丝微菌的芽殖，蛭弧菌侵入宿主细菌细胞的壁与膜间隙生长、分裂、产生多个子细胞的多次分裂以及节杆菌的劈裂等特殊的繁殖方式。
（二）细菌生长繁殖的速度 细菌的繁殖速度极快。细菌分裂倍增的必需时间，称为代时，细菌的代时决定于细菌的种类，同时又受环境条件的影响，细菌代时一般为20-30min，以此计算， 在最佳条件下8h后，一个细菌可繁殖到200万上，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，毒性产物的积累及环境PH的改变，细菌绝不可能始终保持原速度无限增值，经过一定时间后，细菌活跃增值的速度逐渐减慢，死亡细菌逐增，活菌率逐减。
（三） 细菌生长繁殖的条件
细菌生长的重要因素是温度和pH。根据最适生长温度的不同，细菌可分成低温细菌和高温细菌等三大类。一般来说，细菌在pH中性(6—8)的条件下生长最好。
二、细菌的群体特征
（一） 细菌的菌落特征 由于细菌很小，单个细菌的生长和繁殖不能用肉眼直接观察到．所以通常采用群体生长的结果即菌落的特征来描述。把细菌接种到固体培养基中、经过迅速生长繁殖而形成很多菌种聚集在—起的并且肉眼可见的细菌集合体，称之为“菌落”。菌落的外观特性与培养条件有关，也与细菌自身的遗传生长特性有关。一定培养条件下它们表现出一定的特征．并且可以作为细菌的分类依据 。
细菌菌落的特征要从大小，形状，光泽，颜色，硬度，透明程度，边缘形状等几方面进行考察。典型的细菌菌落一般是1—3mm，圆形或椭圆形，湿润、较光滑、较透明、较粘碉、易挑取、质地均匀及正反面颜色—致等(图1-14)。
不同细菌种类的菌落各不相同，同一种细菌因培养基的成分和表面湿度的不同，菌落形态也有变化。同一种细菌在同一培养基上形成的菌落一般表现为相同的菌落形态特征，是鉴定菌种的形态标志之一。例如园褐固氮菌在阿须贝氏无氮培养基上表面菌落呈粘稠糊状，凸起，边缘整齐，表面起初为光滑无色，以后逐渐产生皱折和产生黑色素。又例如蜡质芽孢杆菌霉状变种在牛肉膏蛋白胨培养基表面形成类似菌丝体的菌落，从中央向四周弯
(二) 细菌的液体培养特征
细菌在液体培养基中生长，因菌种及需氧
性等表现出不同的特征。当菌体大量增殖时，
有的形成均匀一致的混浊液；有的形成沉淀；
有的形成菌膜漂浮在液体表面；有的在液体中
间形成一圈环状物形成沉淀 ( 图 1-15) 。有
些细菌在生长时还可同时产生气泡、酸、碱和
色素等。
三、细菌的命名
为了研究的方便，细菌都必须给予名称或
名字。细菌的命名(也包括其它所有微生物的命
名)，与动物和植物的命名一样，都是采用瑞典植物学家林奈(Linnaeus)创始的双名制命名法，即属名加种名。即一种细菌的名称由二个拉丁文单词组成．第一个是属名，用拉丁文名词表示，词首字目大写．它描述细菌的主要特征；第二个是种名，用拉丁文形容词表示，字首字母小写，它描述细菌的次要特征。属名和种名的书写必须是斜体。有时候在前面所述的二个单词之后还会存一个单词，这个单词往往是说明细菌的命名人。如果细菌只鉴定到属，对具体种的地位还不能肯定，则可以用sp. (单数)或spp. (复数)来表示。
如 金黄色葡萄球菌 Stapylococcus aures ,其中 Stapylococcus是指其属于属，aures为其种名。又如：大肠埃希氏杆菌 Escherichia coli，破伤风梭菌 Clostridium tetani。
以上各学名中的第一个词是属名，为拉丁文名词，如金黄色葡萄球菌，用来描述细菌
的主要特征是“葡萄球菌”，第二个词是种加词，为拉丁文形容词，用以描述细菌的次要特征是“金黄色”的。
自然界中的细菌种类太多，有时会发生同物异名或同名异物的现象。为了避免混乱和误解，常需要在种名之后附有定名人的姓，例如，大肠埃希氏杆菌的名称是： Escherichia coli Cadtellani et Chalmers。另外，大家熟知的学名，其属名可以缩写，如E.coli ，但属名第一字母用记号，即用实心圆心。有时由自然界分离到的某一微生物，已根据其主要特征明确它属于某一菌种，但在某些特征上与典型种又有差异，则这个微生物称为其变种（variety），此时在微生物的双名之后再加上其变种名称，其书写方式为：var.(正体)+变种名称（斜体），如：枯草芽孢杆菌黑色变种 Bacillus substilis var. niger。
复习思考题
一、细菌的大小是用什么单位来测量的?
二、根据细菌的形状来分类，细菌可分为那几类?
三、简单说明细菌的一股构造、细菌的特殊构造?
四、什么叫菌胶团？菌胶团在废水生物处理中有何特殊意义?
五、试述细菌芽孢的特征．为什么具有芽孢的细菌能够抵抗不良的环境?