第3章 细菌的生理
细菌的生理活动包括摄取和合成营养物质，进行新陈代谢及生长繁殖。新陈代谢是整个生理活动的中心，细菌的代谢活动十分活跃而且多样化。繁殖迅速是细菌的显著特点。研究细菌的生理活动不仅是基础生物学科的范畴，而且与医学、环境卫生、工农业生产等都密切相关。对于益生菌，研究如何促进其生长繁殖和产生对机体有益的代谢产物；对于致病菌，研究其代谢与致病的关系，从而寻找诊断和防治的方法；还可以研究如何利用细菌的代谢来净化环境，开发极端环境的微生物资源。这些工作都具有重要的理论和实际意义。
第一节 细菌的理化性状
一、细菌的化学组成
细菌含有多种化学成分，包括水、无机盐、蛋白质、糖类、脂质和核酸等。水分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，主要为由碳、氢、氮、氧、磷和硫等元素构成的有机物。还有少数的无机离子，如钾、钠、铁、镁、钙、氯离子等，用以构成菌细胞的各种成分及维持酶的活性和跨膜化学梯度。细菌尚含有一些原核细胞型微生物所特有的化学组分，如肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸、吡啶二羧酸等。这些物质在真核细胞中还未发现。
二、细菌的物理性状
（一） 光学性质
细菌为半透明体。当光线照射至细菌悬液，部分被吸收，部分被折射，故细菌悬液呈混浊状态。菌数越多浊度越大，使用比浊法或分光光度计可以粗略地估计细菌的数量。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。
（二） 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。如葡萄球菌直径约1μm，则1cm3体积葡萄球菌的表面积可达60 000cm2；而直径为1cm的生物体，每cm3体积的表面积仅6cm2，两者相差1万倍。因此细菌的代谢旺盛，繁殖迅速。
（三） 带电现象
细菌固体成分的50%～80%是蛋白质，蛋白质由兼性离子氨基酸组成。革兰阳性菌pI为2~3，革兰阴性菌pI为4~5，故在近中性或弱碱性环境中，细菌均带负电荷，尤以前者所带电荷更多。细菌的带电现象与细菌的染色反应、凝集反应、抑菌和杀菌作用等都有密切关系。
（四） 半透性
细菌的细胞壁和细胞膜都有半透性，允许水及部分小分子物质通过，有利于吸收营养和排出代谢产物。
（五） 渗透压
细菌体内含有高浓度的营养物质和无机盐，一般革兰阳性菌的渗透压高达20~25个大气压，革兰阴性菌为5~6个大气压。细菌所处一般环境相对低渗，但有坚韧细胞壁的保护不致崩裂。若处于比菌内渗透压更高的环境中，菌体内水分逸出，胞质浓缩，细菌就不能生长繁殖。
第二节 细菌的营养与生长繁殖
一、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。根据细菌所利用的能源和碳源的不同，将细菌分为自养菌和异养菌两大营养类型。
1．自养菌（autotroph） 以简单的无机物为原料合成菌体成分，如利用CO2、CO3-作为碳源，利用N2、NH3、NO2-、NO3-等作为氮源。其中，化能自养菌（chemotroph）所需能量来自无机物的氧化，光能自养菌（phototroph）则通过光合作用获得能量。
2．异养菌（heterotroph） 以多种有机物为原料合成菌体成分并获得能量，如蛋白质、糖类等。异养菌分为腐生菌（saprophyte）和寄生菌（parasite）。腐生菌以动植物尸体和腐败食物等作为营养物；寄生菌寄生于活体内，从宿主的有机物获得营养。所有的病原菌都是异养菌，大部分属寄生菌。
二、细菌的营养物质
细菌的营养物质一般包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。对细菌进行人工培养时，必须供给其生长所必须的各种成分。
1．水 细菌所需营养物质必须先溶于水，营养的吸收与代谢均需有水才能进行。
2．碳源 各种碳的无机或有机物都能被细菌吸收和利用，合成菌体组分和作为获得能量的主要来源。病原菌主要从糖类获得碳。
3．氮源 氮源的主要作用是作为菌体成分的原料，细菌对氮源的需要量仅次于碳源。病原菌主要从氨基酸、蛋白胨等有机氮化物中获得氮。少数病原菌如克雷伯菌也可利用硝酸盐甚至氮气，但利用率较低。
4．无机盐 细菌需要各种无机盐以提供生长所需的各种元素，分为常用元素和微量元素。需要浓度在10-3～10-4mol/L的元素为常用元素，如磷、硫、钾、钠、镁、钙、铁等； 需要浓度在10-6～10-8 mol/L元素为微量元素，如钴、锌、锰、铜、钼等。一些微量元素并非所有细菌都需要，不同菌只需其中的一种或数种。无机盐有以下的功能：①构成有机化合物，成为菌体的成分；②作为酶的组成部分，维持酶的活性；③参与能量的储存和转运；④调节菌体内外的渗透压；⑤某些元素与细菌的生长繁殖和致病作用密切相关。例如白喉棒状杆菌在含铁0.14mg/L的培养基中毒素量最高，铁的浓度达到0.6mg/L时则完全不产生毒素。在人体内，大部分铁均结合在铁蛋白、乳铁蛋白或转铁蛋白中，细菌必须与人体细胞竞争得到铁才能生长繁殖。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有一种称为分枝菌素(mycobactin)的载铁体，而后者则无。
5．生长因子 许多细菌的生长还需一些自身不能合成的生长因子(growth factor)，包括维生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等。少数细菌还需特殊的生长因子，如流感嗜血杆菌的生长需要Ⅹ、Ⅴ两种因子，Ⅹ因子是高铁血红素，Ⅴ因子是辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ，两者为细菌呼吸所必需。
三、细菌摄取营养物质的机制
水溶性物质可以通过具有半透膜性质的细胞壁和细胞膜进入细胞内，而蛋白质和多糖等大分子营养物需经细菌分泌的胞外酶作用，分解成小分子物质后才能被吸收。
营养物质进入菌体内的方式有被动扩散和主动转运系统。
（一） 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，不需要能量。被动扩散可分为简单扩散和易化扩散。简单扩散是指不需要任何细菌组分的帮助，营养物就可以进入细胞质内；而易化扩散需要菌细胞的特异性蛋白来帮助或促进营养物的跨膜转运。甘油的转运属于易化扩散，进入细胞内的甘油要被甘油激酶催化形成磷酸甘油才能在菌体内积累。
（二） 主动转运系统
主动转运系统的特点是营养物质从浓度低向浓度高的一侧转运，并需要提供能量，是细菌吸收营养物质的主要方式。细菌有如下三种主动转运系统：
1．依赖于周浆间隙结合蛋白的转运系统（periplasmic-binding protein-dependent transport system） 营养物与周浆间隙内的受体蛋白结合后，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(ATP-binding cassette-type carrier)，导致ATP水解，从而将能量和营养物通过细胞膜进入胞质内。革兰阳性菌以膜结合脂蛋白作为该系统的受体蛋白。
2．化学渗透驱使转运系统（chemiosmotic-driven transport system） 该系统驱使营养物越膜转移的能量是膜内外两侧质子或离子浓度差产生的质子动力势（proton motive force）或钠动力势（sodium motive force）。转运营养物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结合，而在还原状态时其构象发生变化，使营养物释放进入胞质内。
3．基团转移(group translation) 基团转移是指营养物在转运的过程中被磷酸化，并将营养物的转运与代谢相结合，基团转移可以更为有效地利用能量。如大肠埃希菌摄入葡萄糖需要的磷酸转移酶系统，细胞膜上的载体蛋白首先在胞质内从磷酸烯醇丙酮酸获得磷酸基团后，在细胞膜的外表面与葡萄糖相结合，将其送入胞质内后释放出6-磷酸葡萄糖。经过磷酸化的葡萄糖在胞内累积，不能再逸出菌体。该系统的能量供体是磷酸烯醇丙酮酸。
需要指出的是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、影响细菌生长的环境因素
细菌生长繁殖的必备条件包括营养物质、能量和适宜的环境等。
1． 营养物质 充足的营养物质可以为细菌的新陈代谢及生长繁殖提供必要的原料和充足的能量。
2． 氢离子浓度(pH) 每种细菌都有一个可生长的pH范围以及最适生长pH。大多数嗜中性细菌（neutrophile）生长的pH范围是6.0~8.0，嗜酸性细菌（acidophile）最适生长 pH低于5.5，嗜碱性细菌（alkaliphile）最适生长pH高于8.5。多数病原菌最适pH为7.2~7.6，在宿主体内极易生存。个别细菌如霍乱弧菌在pH8.4~9.2生长最好，结核分枝杆菌生长的最适pH为6.5~6.8。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，从而调节菌体内的pH，使其保持稳定。
3． 温度 根据细菌对温度的要求将细菌分为嗜冷菌(psychrophile)、嗜温菌(mesophile)和嗜热菌(thermophile)。嗜冷菌生长范围-5~30℃，最适生长温度为15～20℃；嗜温菌生长范围10～45℃，最适30～37℃；嗜热菌生长范围25～95℃，最适50～60℃。病原菌在长期进化过程中适应人体环境，均为嗜温菌，最适生长温度为人的体温，即37℃。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。
4． 渗透压 大多数细菌的生长需要等渗或低渗环境。少数细菌喜好高渗环境，称嗜高渗菌osmophilic bacterium）。如嗜盐菌(halophilic bacterium)在高浓度（3%）的NaCl环境中生长良好。（
5． 气体 根据细菌代谢时对分子氧的需要与否，可以分为四类（表3-1）。
表3-1 根据细菌对氧的需要的细菌分类
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细 菌 类 型
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定 义
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举 例
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专性需氧
(obligate aerobe)
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具有完善的呼吸酶系统，需要分子氧作为受氢体以完成需氧呼吸，仅能在有氧环境下生长
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结核分枝杆菌
假单胞菌属
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微需氧菌
（microaerophilic
bacterium）
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在低氧压（5%～6%）生长最好，氧浓度>10%对其有抑制作用
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弯曲菌属、螺杆菌属
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兼性厌氧菌
(facultative anaerobe)
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兼有需氧呼吸和无氧发酵两种功能，不论在有氧或无氧环境中都能生长，但以有氧时生长较好
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大多数病原菌
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专性厌氧菌
(obligate anaerobe)
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缺乏完善的呼吸酶系统，利用氧以外的其他物质作为受氢体，只能在无氧环境中进行发酵。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。
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厌氧芽孢梭菌属、类杆菌属
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专性厌氧菌在有氧环境中不能生长，可能由于下述原因：
（1）缺乏氧化还原电势(Eh)高的呼吸酶：各种物质均有其固有的Eh。在氧化还原过程中，Eh高的物质可氧化Eh低的物质，反之不能。人组织的Eh约为150mV，普通培养基在有氧环境中Eh可达300mV左右，因此细菌必须具有Eh比它们更高的呼吸酶，如细胞色素和细胞色素氧化酶，才能氧化环境中的营养物质。专性厌氧菌缺乏这类高Eh呼吸酶，只能在120mV以下的Eh时生长，有氧时Eh 高于此值，故不能生长。
（2）缺乏分解有毒氧基团的酶：细菌在有氧环境中代谢时，常产生具有强烈杀菌作用的超氧阴离子(O2-)和过氧化氢(H2O2)。在有铁存在条件下，这两种物质还可产生对生物大分子有损害作用的羟基( .OH)。
Fe3+/Fe2+
O2-+ H2O2 —————→ O2 +OH- + .OH
需氧菌有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和触酶(catalase)，前者将超氧离子还原成过氧化氢，后者将过氧化氢分解为水和分子氧。
SOD
2O 2- + 2H+ —————→ H2O2 +O2
触酶
2H2O2 —————→ 2H2O+O2
有的细菌不产生触酶，而是产生过氧化物酶(peroxidase)，将H2O2还原成无毒的水分子。
过氧化物酶
H2O2 + AH2—————→ 2H2O+A（某种有机物）
专性厌氧菌缺乏这三种酶，故在有氧时受到有毒氧基团的影响，不能生长繁殖。
五、细菌的生长繁殖
（一） 细菌个体的生长繁殖
细菌一般以简单的二分裂方式binary fission）进行无性繁殖。在适宜条件下，多数细菌繁殖速度很快。细菌分裂数量倍增所需要的时间称为代时(generation time)，在最佳生长条件下，多数细菌的代时仅为20~60 分钟。个别细菌繁殖速度较慢，如结核分枝杆菌的代时达18~20小时。体内的情况则不同，大多数病原体在体内的代时为5~10小时。（
细菌分裂时菌细胞首先增大，染色体复制。革兰阳性菌的染色体与中介体相连，当染色体复制时，中介体一分为二，各向两端移动，分别将复制好的一条染色体拉向细胞的一侧。接着染色体中部的细胞膜向内陷入，形成横隔。同时细胞壁亦向内生长，最后肽聚糖水解酶使细胞壁的肽聚糖的共价键断裂，分裂成为两个菌细胞。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，在两点间形成的新细胞膜将各自的染色体分隔在两侧。最后细胞壁沿横隔内陷，整个细胞分裂成两个子代细胞。
（二） 细菌群体的生长繁殖
细菌生长速度很快，按一般细菌约20 分钟分裂一次计算，7 小时后一个细胞可繁殖到约200万个，10 小时后可达10亿以上，细菌群体将庞大到难以想象的程度。但事实上由于细菌繁殖中营养物质的逐渐耗竭，有害代谢产物的逐渐积累，细菌不可能始终保持高速度的无限繁殖。经过一段时间后，细菌繁殖速度渐减，死亡菌数增多，活菌增长率随之下降并趋于停滞。
如果将取自饱和菌液的细菌接种至适宜的液体培养基，连续定时计数每毫升液体中的活细胞并作图，可发现其生长过程的规律性。以培养时间为横坐标，活菌数的对数值为纵坐标，可以绘制出一条生长曲线（growth curve）（图3-1）。
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图3-1 大肠埃希菌的生长曲线 ①~② 迟缓期 ②~③ 对数期
③~④ 稳定期 ④~⑤ 衰亡期
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根据生长曲线，可将细菌的群体生长繁殖分为四期：
1．迟缓期(lag phase) 由于前一期不利的环境条件使细菌细胞耗尽了代谢物和酶，细菌进入新环境后开始其适应阶段。该期菌体增大，代谢活跃，为细菌的分裂繁殖合成并积累充足的酶、辅酶和中间代谢产物；但分裂迟缓，繁殖极少。迟缓期长短不一，一般为1~ 4 小时。影响因素主要有菌种、接种菌的菌龄和菌量以及营养物等。
2．对数期(logarithmic phase) 又称指数期(exponential phase)， 一般细菌对数期在培养后的8~18小时。细菌在该期生长迅速，活菌数以恒定的几何级数增长，生长曲线图上细菌数的对数呈直线上升，达到顶峰状态。此期细菌的形态、染色性、生理活性等都较典型，对外界环境因素的作用敏感。因此，研究细菌的生物学性状（形态染色、生化反应、药物敏感试验等）应选用该期的细菌。
3．稳定期(stationary phase) 由于培养基中营养物质消耗，有害代谢产物积聚，该期细菌繁殖速度渐减，死亡数逐渐增加，二者在此期恰好达到平衡，这样，总的细菌数缓慢增加，而活菌数保持恒定。细菌形态、染色性和生理性状常有改变。一些细菌的芽胞、外毒素和抗生素等代谢产物大多在稳定期产生。
4．衰亡期(death or decline phase) 稳定期后细菌繁殖越来越慢，死亡数越来越多，并超过活菌数。该期细菌形态显著改变，出现衰退型或菌体自溶，难以辨认；生理代谢活动也趋于停滞。因此，陈旧培养的细菌难以鉴定。
细菌生长曲线只有在体外人工培养的条件下才能观察到。在自然界或人类、动物体内繁殖时，受多种环境因素和机体免疫因素的多方面影响，不可能出现在培养基中的那种典型的生长曲线。
细菌的生长曲线在研究工作和生产实践中都有指导意义。掌握细菌生长规律，可以人为地改变培养条件，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。例如在培养过程中，不断地更新培养液和对需氧菌进行通气，使细菌长时间地处于生长旺盛的对数期，这种培养称为连续培养。
第三节 细菌的新陈代谢和能量转换
细菌的代谢过程如下：胞外酶水解外环境中的大分子营养物质，产生亚单位分子（单糖、短肽、脂肪酸），经主动或被动转运机制进入胞质内。这些亚单位分子在一系列酶的催化作用下，经过一种或多种途径转变为共同通用的中间产物丙酮酸，再从丙酮酸进一步分解产生能量或合成新的糖类、氨基酸、脂类和核酸。在上述过程中，底物分解和转化为能量的过程称为分解代谢，所产生的能量用于细胞组分的合成称为合成代谢，将两者紧密结合在一起称为中间代谢。在代谢过程中，细菌可产生许多在医学上有重要意义的代谢产物。
一、细菌的能量代谢
细菌能量代谢活动中主要涉及ATP形式的化学能。细菌的有机物分解或无机物氧化过程中释放的能量通过底物磷酸化或氧化磷酸化合成ATP。
生物体能量代谢的基本生化反应是生物氧化。生物氧化的方式包括加氧、脱氢和脱电子反应，细菌则以脱氢或氢的传递更为常见。在有氧或无氧环境中，各种细菌的生物氧化过程、代谢产物和产生能量的多少均有所不同。以有机物为受氢体的称为发酵；以无机物为受氢体的称为呼吸，其中以分子氧为受氢体的是有氧呼吸，以其他无机物（硝酸盐、硫酸盐等）为受氢体的是厌氧呼吸。有氧呼吸在有氧条件下进行，厌氧呼吸和发酵必须在无氧条件下进行。
病原菌合成细胞组分和获得能量的基质（生物氧化的底物）主要为糖类，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。现以葡萄糖为例，简述细菌的能量代谢。
（一） 发酵
1．EMP(Embden-Meyerhof-Parnas)途径 又称糖酵解。这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。反应最终的受氢体为未彻底氧化的中间代谢产物，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+。关于丙酮酸以后的代谢随细菌的种类不同而异。
2．磷酸戊糖途径 又称一磷酸己糖（hoxose monophasphote, HMP）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，反应获得的12(NADPH+H+)可供进一步利用，产能效果仅为EMP途径的一半，所以不是产能的主要途径。
（二） 需氧呼吸
1分子葡萄糖在有氧条件下彻底氧化，生成CO2 和H2O，并产生38分子ATP。需氧呼吸中，葡萄糖经过EMP途径生成丙酮酸，后者脱羧产生乙酰辅酶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。进行需氧呼吸的细菌为需氧菌和兼性厌氧菌。
（三） 厌氧呼吸
专性厌氧菌没有需氧电子传递链和完整的三羧酸循环，1分子葡萄糖经厌氧糖酵解只能产生2分子ATP，最终以外源的无机氧化物(CO2 、SO42- 、NO3-）作为受氢体。厌氧呼吸是一类产能效率低的特殊呼吸。
二、细菌的代谢产物
（一）分解代谢产物和细菌的生化反应
各种细菌所具有的酶不完全相同，对营养物质的分解能力亦不一致，因而具有不同的代谢产物。因此，在培养基中加入指示剂，指示剂可以和被测终产物反应，产生肉眼可见的变化，如颜色的改变等，这种利用生物化学方法来鉴别细菌的方法称为细菌的生化反应试验。常见的生化反应试验有：
1．糖发酵试验 不同细菌分解糖类的能力和代谢产物不同。例如大肠埃希菌能发酵葡萄糖和乳糖；而伤寒沙门菌可发酵葡萄糖，但不能发酵乳糖。即使两种细菌均可发酵同一糖类，其结果也不尽相同，如大肠埃希菌有甲酸脱氢酶，能将葡萄糖发酵生成的甲酸进一步分解为CO2和H2，故产酸并产气；而伤寒沙门菌缺乏该酶，发酵葡萄糖仅产酸不产气。
2．VP（Voges-Proskauer）试验 大肠埃希菌和产气杆菌均能发酵葡萄糖，产酸产气，两者不能区别。但产气杆菌能使丙酮酸脱羧生成中性的乙酰甲基甲醇，后者在碱性溶液中被氧化生成二乙酰，二乙酰与含胍基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 产气杆菌分解葡萄糖产生丙酮酸，后者经脱羧后生成中性的乙酰甲基甲醇，故培养液pH>5.4，甲基红指示剂呈桔黄色，为甲基红试验阴性。大肠埃希菌分解葡萄糖产生丙酮酸，培养液pH ≤4.5，甲基红指示剂呈红色，则为甲基红试验阳性。
4．柠檬酸盐利用（citrate utilization）试验 某些细菌（如产气杆菌）可利用柠檬酸盐作为唯一碳源，并利用铵盐作为唯一氮源，即可在柠檬酸盐培养基上生长，分解柠檬酸盐生成碳酸盐，并分解铵盐生成氨，使培养基变为碱性，为该试验阳性。大肠埃希菌不能利用柠檬酸盐为唯一碳源，故在该培养基上不能生长，为柠檬酸盐试验阴性。
5．吲哚（indol）试验 有些细菌如大肠埃希菌、变形杆菌、霍乱弧菌等能分解培养基中的色氨酸生成吲哚（吲哚），经与试剂中的对二甲基氨基苯甲醛作用，生成玫瑰吲哚而呈红色，为吲哚试验阳性。
6．硫化氢试验 有些细菌如沙门菌、变形杆菌等能分解培养基中的含硫氨基酸（如胱氨酸、甲硫氨酸）生成硫化氢，硫化氢和培养基中的铅离子或铁离子生成黑色的硫化物，为硫化氢试验阳性。
7．尿素酶试验 有些细菌如变形杆菌有尿素酶，能分解培养基中的尿素产生氨，使培养基变碱，以酚红为指示剂检测为红色，为尿素酶试验阳性。
细菌的生化反应用于鉴别细菌，尤其对形态、革兰染色反应和培养特性相同或相似的细菌更为重要。吲哚（I）、甲基红（M）、VP（V）、柠檬酸盐利用（C）四种试验常用于鉴定肠道杆菌，合称为IMViC试验。例如大肠埃希菌对这四种试验的结果是“＋＋――”，产气杆菌则为“――＋＋”。
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。同时，也可用细菌鉴定软件分析细菌的生化反应谱。更为先进的如VITEK全自动细菌鉴定及高级专家系统药敏报告仪完成了细菌生化鉴定的自动化。此外，应用气相、液相色谱法鉴定细菌分解代谢产物中挥发性或非挥发性有机酸和醇类，能够快速确定细菌的种类。
（二）合成代谢产物及其医学上的意义
细菌利用分解代谢产物和产生的能量不断合成菌体自身成分，如细胞壁、多糖、蛋白质、脂肪酸、核酸等，同时还合成一些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，注入人体或动物体内能引起发热反应。细菌热原质的主要成分是其细胞壁的脂多糖，因此产生热原质的细菌大多是革兰阴性菌。（
热原质耐高温，高压蒸气灭菌（121℃ 20分钟）亦不被破坏，250℃高温干烤才能破坏热原质。用吸附剂和特殊石棉滤板可除去液体中大部分热原质，蒸馏法效果最好。因此，在制备和使用注射药品过程中应严格遵守无菌操作，防止细菌污染。
2．毒素与侵袭性酶 细菌产生外毒素和内毒素两类毒素，在细菌致病作用中甚为重要。外毒素（exotoxin）是多数革兰阳性菌和少数革兰阴性菌在生长繁殖过程中释放到菌体外的蛋白质；内毒素（endotoxin）是革兰阴性菌细胞壁的脂多糖，当菌体死亡崩解后游离出来，外毒素毒性强于内毒素。
某些细菌可产生具有侵袭性的酶，能损伤机体组织，促使细菌的侵袭和扩散，是细菌重要的致病物质。如产气荚膜梭菌的卵磷脂酶，链球菌的透明质酸酶等。
3．色素（pigments） 某些细菌能产生不同颜色的色素，有助于鉴别细菌。细菌的色素有两类，一类为水溶性，能弥散到培养基或周围组织，如铜绿假单胞菌产生的色素使培养基或感染的脓汁呈绿色。另一类为脂溶性，不溶于水，只存在于菌体，使菌落显色而培养基颜色不变，如金黄色葡萄球菌的色素。细菌色素产生需要一定的条件，如营养丰富、氧气充足、温度适宜。细菌色素不能进行光合作用，其功能尚不清楚。
4．抗生素（antibiotics） 某些微生物代谢过程中产生的一类能抑制或杀死某些其他微生物或肿瘤细胞的物质，称为抗生素。抗生素大多由放线菌和真菌产生，细菌产生的少，只有多粘菌素polymyxin）、杆菌肽bacitracin）等。（（
5．细菌素（bacteriocin） 某些菌株产生的一类具有抗菌作用的蛋白质称为细菌素。细菌素与抗生素不同的是作用范围狭窄，仅对与产生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用, 可用于细菌分型和流行病学调查。例如大肠埃希菌产生的细菌素称大肠埃希菌素colicin），其编码基因位于Col质粒上。（
6．维生素(vitamin) 细菌能合成某些维生素除供自身需要外，还能分泌至周围环境中。例如人体肠道内的大肠埃希菌，合成的B族维生素和维生素K也可被人体吸收利用。
第四节 细菌的人工培养
了解细菌的生理需要，掌握细菌生长繁殖的规律，可用人工方法提供细菌所需要的条件来培养细菌 ，细菌的人工培养在科学研究，工农医药等领域具有重要意义。在医学领域的应用主要有：1．感染性疾病的病原学诊断 明确感染性疾病的病原菌必须取病人有关标本进行细菌分离培养、鉴定和药物敏感试验，其结果可指导临床用药。2．细菌学的研究 有关细菌生理、遗传变异、致病性和耐药性等研究都离不开细菌的培养和菌种的保存等。3．生物制品的制备 供防治用的疫苗、类毒素、抗毒素、免疫血清及供诊断用的菌液、抗血清等均来自培养的细菌或其代谢产物。
一、培养细菌的方法
人工培养细菌，除需要提供充足的营养物质使细菌获得生长繁殖所需要的原料和能量外，尚要有适宜的环境条件，如酸碱度、渗透压、温度和必要的气体等。
根据不同标本及不同培养目的，可选用不同的接种和培养方法。常用的有细菌的分离培养和纯培养两种方法。已接种标本或细菌的培养基置于合适的气体环境，需氧菌和兼性厌氧菌置于空气中即可，专性厌氧菌须在无游离氧的环境中培养。多数细菌在代谢过程中需要CO2，但分解糖类时产生的CO2已足够其所需，且空气中还有微量CO2，不必额外补充。只有少数菌如布鲁菌、脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌等，初次分离培养时必须在5%～10% 的CO2环境中才能生长。
病原菌的人工培养一般采用35～37℃，培养时间多数为18～24 小时，但有时需根据菌种及培养目的作最佳选择，如细菌的药物敏感试验则应选用对数期的培养物。
二、培养基
培养基（culture medium）是由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。pH一般为7.2～7.6，少数细菌的培养基按生长要求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。
培养基按其营养组成和用途不同，分为以下几类：
1．基础培养基（basic medium） 尽管不同微生物的营养需求各不相同，但大多数微生物所需的基本营养物质是相同的。基础培养基是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基，是最常用的培养基。如牛肉膏蛋白胨培养基、营养肉汤、营养琼脂、蛋白胨水等。基础培养基是配制特殊培养基的基础，也可作为一般培养基用。
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。通用增菌培养基为基础培养基中添加血液、血清、酵母浸膏、动植物组织提取液以及合适的生长因子或微量元素等，用以培养要求比较苛刻的某些微生物。例如链球菌、肺炎链球菌需在含血液或血清的培养基中生长。专用增菌培养基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，如碱性蛋白胨水用于霍乱弧菌的增菌培养。
3．选择培养基（selective medium） 在培养基中加入某种化学物质，使之抑制某些细菌生长，而有利于另一些细菌生长，从而将后者从混杂的标本中分离出来，这种培养基称为选择培养基。例如培养肠道致病菌的SS琼脂，其中的胆盐能抑制革兰阳性菌，柠檬酸钠和煌绿能抑制大肠埃希菌，因而容易分离到致病的沙门菌和志贺菌。若在培养基中加入抗生素，也可起到选择作用。
4．鉴别培养基（differential medium） 在培养基中加入某种特殊化学物质，某种细菌在培养基中生长后能产生某种代谢产物，而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化，根据这种特征性变化鉴别细菌，此种培养基称为鉴别培养基。鉴别培养基主要用于微生物的快速分类鉴定，如糖发酵管、三糖铁培养基、伊红-美蓝琼脂等。
5．厌氧培养基（anaerobic medium） 专供厌氧菌的分离、培养和鉴别使用。厌氧培养基营养成分丰富，含有特殊生长因子，氧化还原电势低，并加入美蓝作为氧化还原指示剂。心、脑浸液和肝块、肉渣含有不饱和脂肪酸，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。常用的有庖肉培养基（cooked meat medium ）、硫乙醇酸盐肉汤等，并在液体培养基表面加入凡士林或液体石蜡以隔绝空气。
此外，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（defined medium），又称为合成培养基（synthetic medium）；和化学成分不确定的培养基（undefined medium），又称天然培养基（complex medium）。
根据培养基的物理状态的不同分为液体、固体和半固体三大类。液体培养基中不加任何赋形剂。这种培养基成分均匀，微生物能充分接触和利用培养基中的养料，可用于大量繁殖细菌。在液体培养基中加入1.5%的琼脂(agar)，即成固体培养基，常用于细菌的分离和纯化。琼脂在培养基中作为赋形剂，不具营养作用。琼脂含量在0.3%～0.5%时，则为半固体培养基。用于观察细菌的动力、鉴定菌种和短期保存细菌。
三、细菌在培养基中的生长情况
（一） 在液体培养基中生长情况
大多数细菌在液体培养基生长后呈现均匀混浊状态；少数链状的细菌则呈沉淀生长；枯草芽胞杆菌和结核分枝杆菌等专性需氧菌呈表面生长，常形成菌膜。
（二） 在固体培养基中生长情况
将标本或培养物划线接种在固体培养基的表面，因划线的分散作用，使许多原混杂的细菌在固体培养基表面上散开，称为分离培养。一般经过18～24 h培养后，单个细菌分裂繁殖成一堆肉眼可见的细菌集团，称为菌落（colony）。挑取一个菌落，移种到另一培养基中，生长出来的细菌均为纯种，称为纯培养（pure culture）。这是从临床标本中检查鉴定细菌很重要的第一步。各种细菌在固体培养基上形成的菌落，在大小、形状、颜色、气味、透明度、表面光滑或粗糙、湿润或干燥、边缘整齐与否，以及在血琼脂平板上的溶血情况等均有不同表现，这些有助于识别和鉴定细菌。此外，取一定量的液体标本或培养液均匀接种于琼脂平板上，可计数菌落，推算标本中的活菌数。这种菌落计数法常用于检测自来水、饮料、污水和临床标本的活菌含量。
细菌的菌落一般分为三型：
1. 光滑型菌落（smooth colony, S型菌落） 菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。新分离的细菌大多呈S型菌落。
2. 粗糙型菌落（rough colony, R型菌落） 菌落表面粗糙、干燥、呈皱纹或颗粒状，边缘大多不整齐。S型细菌变异后失去菌体表面多糖或蛋白质，从而可以形成R型细菌。R型细菌抗原不完整，毒力和抗吞噬能力都比S型菌弱。但也有少数细菌新分离的毒力株就是R型，如炭疽芽胞杆菌、结核分枝杆菌等。
3. 粘液型菌落（mucoid colony, M型菌落） 菌落粘稠、有光泽，似水珠样。多见于有厚荚膜或丰富粘液层的细菌，如肺炎克雷伯菌等。
（三） 在半固体培养基中生长情况
半固体培养基粘度低，有鞭毛的细菌在其中仍可自由游动，沿穿刺线呈羽毛状或云雾状混浊生长。无鞭毛细菌只能沿穿刺线呈明显的线状生长。
第五节 细菌的分类
一、细菌的分类原则与层次
细菌的分类原则上分为传统分类和种系分类两种。选择细菌较为稳定的生物学性状，如菌体形态与结构、染色性、培养特性、生化反应、抗原性等作为分类的标记，称为表型分类phenotypic classification）。表型分类奠定了传统分类的基础。1960年代将数值分类numerical taxonomy）引入了细菌分类，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（一般种的水平相似度>80%），以此划分种和属。（（
1970年代以来，化学分析和核酸分析方法引入细菌分类，使细菌种群的划分建立在更为客观的基础上。化学分析分类法（analytic classification）应用电泳、色谱、质谱等方法，对菌体组分、代谢产物组成与图谱等特征进行分析，为揭示细菌表型差异提供了有力的手段。核酸分析分类法（genotypic classification）包括分析DNA碱基组成(G + C 含量)、核酸分子杂交（DNA-DNA同源性、DNA-rRNA同源性）和16S rRNA同源性分析，比较细菌大分子（核酸、蛋白质）结构的同源程度进行分类，揭示了细菌进化的信息。这种以细菌发育关系为基础的细菌分类称为系统分类或种系分类(phylogenetic classification)，又称为自然分类(natural classification)。其中16S rRNA最为重要，因其在进化过程中保守、稳定，很少发生变异，可以看作为生物进化的时间标尺，记录着生物进化的真实痕迹。在大量16S rRNA序列分析的基础上，Woese在1987年描绘出生物系统发育树，由真细菌、古细菌和真核生物共同构成并列的生物三域。真细菌即是平常意义上的细菌。古细菌和真细菌同为原核生物，核糖体均为70S。古细菌细胞壁无肽聚糖，蛋白质合成起始甲硫氨酸不需甲酰化，tRNA基因中有内含子，含有多种RNA多聚酶，蛋白质合成对白喉毒素的抑制敏感，而对氯霉素的抑制不敏感，这些特性与真核生物相同，而与真细菌不同。目前，尚未在古细菌中发现病原菌。
目前国际上普遍采用伯杰（Bergey）分类系统，2004年5月出版的《伯杰系统细菌学手册》与以前有很大不同，首先是在各级分类单元中广泛采用细胞化学分析、数值分类方法和核酸技术，尤其是 16S rRNA 寡核苷酸序列分析技术，以阐明细菌的亲缘关系，并对《伯杰细菌鉴定手册》第八版的分类作了必要的调整。《伯杰系统细菌学手册》按照细菌的门、纲、目、科、属进行分类，反映了细菌分类从人为的按表型分类体系向自然的分类体系转变所发生的变化。与医学有关的主要细菌见表3-2。
《伯杰系统细菌学手册》第二版更多地采用核酸序列资料对各类群进行新的调整，无疑这是细菌系统发育分类的重大进展，但另一方面，我们也应看到，在某些类群中，由于序列特征与某些重要的表型特征相矛盾，如乳杆菌目包括葡萄球菌属，这将给主要按表型特征进行细菌鉴定带来新的困难，如何解决这些问题 ，有待进一步研究。
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表3-2 与医学有关的细菌
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科
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属
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主要致病菌
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螺旋体科(Spirochaetaceae)
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密螺旋体属(Treponema)
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苍白密螺旋体(T.pallidum)
品他密螺旋体(T.carateum)
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疏螺旋体属(Borrelia)
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伯氏疏螺旋体(B.burgdorferi)
回归热疏螺旋体(B.recurrentis)
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钩端螺旋体科(Leptospiraceae)
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钩端螺旋体属(Leptospira)
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问号钩端螺旋体(L.interrogans)
鲍氏钩端螺旋体(L. borgpetersenii )
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布鲁菌科(Brucellaceae)
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布鲁菌属(Brucella)
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羊布氏菌(B. melitensis)
牛布氏菌(B. abortus)
猪布氏菌(B. suis)
犬布氏菌(B. canis)
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立克次体科(Rickettsiaceae)
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立克次体属(Rickettsia)
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普氏立克次体(R. prowazekii)
斑疹伤寒立克次体(R.typhi)
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东方体属(Orientia)
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恙虫病东方体(O.tsutsugamushi)
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无形体科(Anaplasmataceae)
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埃立克体属(Ehrlichia)
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巴通体科(Bartonellaceae)
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巴通体属(Bartonella)
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汉赛巴通体(B.henselae)
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奈瑟菌科(Neisseriaceae)
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奈瑟菌属(Neisseria)
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脑膜炎奈瑟菌(N.meningitidis)
淋病奈瑟菌(N. gonorrhoeae)
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产碱菌科(Alcaligenaceae)
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产碱菌属(Alcaligenes)
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鲍特菌属(Bordetella)
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百日咳鲍特菌(B.pertussis)
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螺菌科(Spirillaceae)
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螺菌属(Spirillum)
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柯克斯体科(Coxiellaceae)
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柯克斯体属(Coxiella)
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贝纳柯克斯体(C.burnetii)
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军团菌科(Legionellaceae)
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军团菌属(Legionella)
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嗜肺军团菌(L. pneumophila)
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假单胞菌科
(Pseudomonadaceae)
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假单胞菌属(Pseudomonas)
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铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)
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莫拉菌科(Moraxellaceae)
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莫拉菌属(Moraxella)
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弗朗西斯菌科
(Francisellaceae)
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弗朗西斯菌属(Francisella)
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土拉弗氏菌(F.tularensis)
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肠杆菌科(Enterobacteriaceae)
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埃希菌属 (Escherichia)
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大肠埃希菌(E.coli）
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志贺菌属(Shigella)
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痢疾志贺菌(S. dysenteriae)
福氏志贺菌(S. flexneri)
鲍氏志贺菌(S. boydii)
宋内志贺菌(S. sonnei)
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沙门菌属(Salmonella)
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伤寒沙门菌(S.typhi)
副伤寒沙门菌(S.paratyphi )
鼠伤寒沙门菌(S.typhimurium)
猪霍乱沙门菌(S.choleraesuis)
肠炎沙门菌(S.enteritidis)
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克雷伯菌属(Klebsiella)
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肺炎克雷伯菌(K.peneumoniae)
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变形杆菌属(Proteus)
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普罗威登斯菌属(Providencia)
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耶尔森菌属(Yersinia)
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鼠疫耶氏菌(Y. pestis)
小肠结肠炎耶氏菌(Y. enterocolitica)
假结核耶氏菌(Y. pseudotuberculosis)
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弧菌科(Vibrionaceae)
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弧菌属(Vibrio)
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霍乱弧菌(Vibrio cholerae)
副溶血性弧菌(V．parahemolyticus)
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巴斯德氏菌科
(Pasteurellaceae)
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巴氏菌属(Pasteurella)
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多杀巴氏菌(P. multocida)
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嗜血杆菌属(Haemophilus)
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流感嗜血杆菌(H.influenzae)
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弯曲菌科
(Campylobacteraceae)
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弯曲菌属(Campylobacter)
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空肠弯曲菌(C.jejuni)
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螺杆菌科(Helicobacteraceae)
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螺杆菌属(Helicobacter)
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幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)
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拟杆菌科(Bacteroidaceae)
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类杆菌属(Bacteroides)
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脆弱类杆菌(B．fragilis)
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梭杆菌科(Fusobacteriaceae)
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梭杆菌属(Fusobacterium)
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坏死梭杆菌(F．necrophorum)
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衣原体科(Chlamydiaceae)
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衣原体属(Chlamydia)
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沙眼衣原体(C. trachomatis)
鹦鹉热衣原体(C. psittaci)
肺炎衣原体(C. pneumoniae)
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氨基酸球菌科
(Acidaminococcaceae)
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韦荣球菌属(Veillonella)
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消化链球菌科
(Peptostreptococcaceae)
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消化链球菌属
(Peptostreptococcus)
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梭菌科(Clostridiaceae)
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梭菌属(Clostridium)
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破伤风梭菌(C．tetani）
产气荚膜梭菌(C．perfrimgens)
肉毒梭菌(C．botulinum)
艰难梭菌(C．difficile)
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肠球菌科(Enterococcaceae)
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肠球菌属(Enterococcus)
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链球菌科
(Streptococcaceae)
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链球菌属(Streptococcus)
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化脓性链球菌(S. pyogenes)
无乳链球菌(S.agalactiae)
肺炎链球菌(S. pneumoniae)
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葡萄球菌科
(Staphylococcaceae)
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葡萄球菌属(Staphylococcus)
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金黄色葡萄球菌(S. aureus)
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芽孢杆菌科(Bacillaceae)
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芽胞杆菌属(Bacillus)
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炭疽芽胞杆菌(B. anthracis)
蜡样芽胞杆菌(B. cereus)
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李斯特氏菌科(Listeriaceae)
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李斯特菌属(Listeria)
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产单核细胞李氏菌(L. monocytogenes)
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丹毒丝菌科
(Erysipelothrichaceae)
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丹毒丝菌属(Erysipelothrix)
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支原体科(Mycoplasmataceae)
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支原体属(Mycoplasma)
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肺炎支原体(M.pneumoniae)
人型支原体(M. hominis)
生殖器支原体(M. genitalium)
穿透支原体(M.penetraus)
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脲原体属(Ureaplasma)
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溶脲脲原体(U. urealyticum)
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放线菌科
(Actinomycetaceae)
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放线菌属(Actinomyces)
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衣氏放线菌(A.israelii)
牛放线菌(A.bovis)
内氏放线菌(A.naeslundii)
粘液放线菌(A.viscous)
龋齿放线菌(A.odontolyticus)
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棒杆菌科(Corynebacteriaceae)
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棒状杆菌属(Corynebacterium)
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白喉棒状杆菌(C.diphtheriae)
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分枝杆菌科
(Mycobacteriaceae)
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分枝杆菌属(Mycobacterium)
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结核分枝杆菌(M. tuberculosis)
麻风分枝杆菌(M. laprae)
鸟-胞内分枝杆菌(M. avium-intracellulare)
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诺卡氏菌科(Nocardiaceae)
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奴卡菌属(Nocardia)
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星形诺卡菌(N.asteroids)
豚鼠诺卡菌(N.caviae)
巴西诺卡菌(N.brasiliensis)
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细菌的分类层次与其他生物相同，依次为界 (kingdom) 、门phylum）、纲 (class) 、目(order) 、科(fami1y) 、属(genus) 、种 (species) 。（
种(species)是细菌分类的基本单位。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。同一菌种的各个细菌，虽性状基本相同，但在某些方面仍有一定差异，差异较明显的称亚种(subspecies, subsp.)或变种（variety, var.），差异小的则为型type）。例如按抗原结构不同而分血清型(serotype)；对噬菌体和细菌素的敏感性不同而分噬菌体型(phage-type)和细菌素型(bacteriocin-type)；生化反应和其他某些生物学性状不同而分为生物型(biotype)。变种因易与亚种混淆，已不再单独使用，与其他词复合构成代替“型”的术语，如biovar就是生物型(biotype)。（
对不同来源的同一菌种的细菌称为该菌的不同菌株(strain)。具有某种细菌典型特征的菌株称为该菌的标准菌株(standard strain)或模式菌株(type strain)。
二、细菌的命名法
细菌的命名采用拉丁双名法，每个菌名由两个拉丁字组成。前一字为属名，用名词，大写；后一字为种名，用形容词，小写。一般属名表示细菌的形态或发现或有贡献者，种名表明细菌的性状特征、寄居部位或所致疾病等。中文的命名次序与拉丁文相反，是种名在前，属名在后。例如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大肠埃希菌（Escherichia coli）、脑膜炎奈瑟菌（Neisseria meningitidis）等。属名亦可不将全文写出，只用第一个字母代表，如M. tuberculosis，S. typhi等。有些常见菌有其习惯通用的俗名，如结核杆菌（tubercle bacillus）、伤寒杆菌（typhoid bacillus）、脑膜炎球菌（meningococcus）等。有时泛指某一属细菌，不特指其中某个菌种，则可在属名后加sp.（单数）或spp.（复数），如Salmonella sp.表示为沙门菌属中的细菌。
