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細菌

(生物)

鎖定
細菌學名:Bacteria)是指生物的主要類羣之一,屬於細菌域。也是所有生物中數量最多的一類,據估計,其總數約有5×1030個。細菌的形狀相當多樣,主要有球狀、桿狀,以及螺旋狀。 [1] 
細菌也對人類活動有很大的影響。一方面,細菌是許多疾病的病原體,可以通過各種方式,如接觸、消化道、呼吸道、昆蟲叮咬等在正常人體間傳播疾病,具有較強的傳染性,對社會危害極大。 [2]  另一方面,人類也時常利用細菌,例如乳酪酸奶酒釀的製作、部分抗生素的製造、廢水的處理等,都與細菌有關。在生物科技領域中,細菌也有着廣泛的運用。 [1] 
中文名
細菌
外文名
germs
拉丁學名
Bacteria
細菌界
細菌門
基本構成
細胞膜細胞質、核糖體
特殊結構
莢膜、鞭毛、菌毛
直徑大小
0.5-7μm之間 [3] 
拼    音
Xì Jūn

細菌簡介

細菌的個體非常小,目前已知最小的細菌只有0.2微米長,因此大多隻能在顯微鏡下被看到。細菌一般是單細胞,細胞結構簡單,缺乏細胞核、細胞骨架以及膜狀胞器,例如線粒體和葉綠體。基於這些特徵,細菌屬於原核生物(Prokaryote)。原核生物中還有另一類生物稱作古細菌(Archaea),是科學家依據演化關係而另闢的類別。為了區別,本類生物也被稱為真細菌(Eubacteria)。 [1] 
細菌廣泛分佈於土壤和水中,或者與其他生物共生。人體身上也帶有相當多的細菌。據估計,人體內及表皮上的細菌細胞總數約是人體細胞總數的十倍。此外,也有部分種類分佈在極端的環境中,例如温泉,甚至是放射性廢棄物中,它們被歸類為嗜極生物,其中最著名的種類之一是海棲熱袍菌(Thermotoga maritima),科學家是在意大利的一座海底火山中發現這種細菌的。然而,細菌的種類是如此之多,科學家研究過並命名的種類只佔其中的小部分。細菌域下所有門中,只有約一半是能在實驗室培養的種類。 [1] 
細菌的營養方式有自養及異養,其中異養的腐生細菌是生態系中重要的分解者,使碳循環能順利進行。部分細菌會進行固氮作用,使氮元素得以轉換為生物能利用的形式。細菌也對人類活動有很大的影響。一方面,細菌是許多疾病的病原體,包括肺結核淋病炭疽病梅毒鼠疫沙眼等疾病都是由細菌所引發。然而,人類也時常利用細菌,例如乳酪及酸奶的製作、部分抗生素的製造及廢水的處理等,都與細菌有關。在生物科技領域中,細菌也有着廣泛的運用。 [1] 
細菌是一種單細胞生物體,生物學家把這種生物歸入“裂殖菌類”。細菌細胞的細胞壁非常像普通植物細胞的細胞壁,但沒有葉綠素。因此,細菌往往與其他缺乏葉綠素的植物結成團塊,並被看作“真菌”。細菌因為特別小而區別於其他植物細胞。實際上,細菌也包括存在着的最小的細胞。此外,細菌沒有明顯的核,而具有分散在整個細胞內的核物質。因此,細菌有時與被稱為“藍綠藻”的簡單植物細胞結成團塊,藍綠藻也有分散的核物質,但它還有葉綠素。人們越來越普遍地把細菌和其他大一些的單細胞生物歸在一起,形成既不屬於植物界也不屬於動物界的一類生物,它們組成生命的第三界——“原生物界”。有些細菌是“病原的”細菌,其含義是致病的細菌。然而,大多數類型的細菌不是致病的,而的確常常是非常有用的。例如,土壤的肥沃在很大程度上取決於住在土壤中的細菌的活性。“微生物”,恰當地説,是指任何一種形式的微觀生命。“菌株”一詞用得更加普遍,因為它指的是任何一點小的生命,甚至是一個稍大一點的生物的一部分。例如,包含着實際生命組成部分的一個種子的那個部分就是胚芽,因此説“小麥胚芽”。此外,卵細胞精子(載着最終將發育成一個完整生物的極小生命火花)都稱為“生殖細胞”。然而,在一般情況下,微生物和菌株都用來作為細菌的同義詞;而且確實尤其適用於致病的細菌。 [1] 
大部分細菌是分解者,處在生物鏈的最底層。還有一部分細菌是消費者和生產者。比如硫細菌,鐵細菌等,他們是化能合成異養型,屬於生產者,可以利用無機物硫鐵等製造自身需要的有機物。而根瘤菌則是消費者,它們與豆科植物互利共生,消耗豆科植物光合作用所生產的有機物,因此為消費者。當然,細菌最主要的作用還是分解者,如果沒有細菌真菌等微生物,世界將是屍體的海洋。 [1] 

細菌發現

1683年,荷蘭人列文虎克(Antonie van Leeuwemhoek,1632-1723)在一位從未刷過牙的老人牙垢上觀察到了細菌,當時的人們認為細菌是自然產生的,即自然發生論 [1] 
1828年,細菌這個名詞最初由德國科學家埃倫伯格(Christian Gottfried Ehrenberg,1795-1876)提出,用來指代某種細菌。這個詞來源於希臘語βακτηριον,意為“小棍子”。 [1] 
19世紀60年代,法國科學家巴斯德用鵝頸瓶實驗 [16]  指出,細菌不是自然發生的,而是由原來已存在的細菌產生的。由此,巴斯德提出了著名的“生生論”。併發明瞭“巴氏消毒法”,被後人譽為“微生物之父”。1866年,德國動物學家海克爾(Ernst Haeckel,1834-1919)建議使用“原生生物”,包括所有單細胞生物(細菌、藻類真菌原生動物)。
1878年,法國外科醫生塞迪悦(Charles Emmanuel Sedillot,1804-1883)提出“微生物”來描述細菌細胞或者更普遍的用來指微小生物體。 [1] 
因為細菌是單細胞微生物,用肉眼無法看見,需要用顯微鏡來觀察。1683年,安東·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek,1632-1723)最先使用自己設計的單透鏡顯微鏡觀察到了細菌,大概放大200倍。路易·巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)和羅伯特·科赫(Robert Koch,1843-1910)指出細菌可導致疾病 [4] 
據美國《科學》雜誌官網報道,由美國勞倫斯伯克利國家實驗室等機構組成的研究小組在2022年6月24日發行的《科學》雜誌上發表文章稱,發現了最大長度可達2釐米的巨大細菌,這個發現讓很多研究人員感到震驚。
科研團隊在位於加勒比海的法屬海外省瓜德羅普一處紅樹林中,發現了一種附着在落葉上的絲狀生物,通過電子顯微鏡分析後,發現該生物的細胞中存在DNA,具有細菌特徵。科研人員稱,細菌越長,組成細菌的細胞越容易獲取氧氣和硫化物。
九州理工學院的計算生物學家竹本和弘表示,除了顛覆關於微生物可以變得多大和複雜的想法之外,這種細菌“可能是複雜細胞進化中缺失的一環”。據報道,這種細菌模糊了原核生物和真核生物之間的界限。 [18] 

細菌形態結構

細菌基本形態與大小

(1)球菌:
球菌是外形呈圓球形或橢圓形的細菌,直徑0.5-1微米,有以下幾種類型:①單球菌:單獨存在,如尿素小球菌;②雙球菌:如肺炎雙球菌;③鏈球菌:如乳酸鏈球菌;④四聯球菌:形成的4個細胞排列在一起,成田字,如四聯球菌;⑤八疊球菌:如尿素生孢八疊球菌;⑥葡萄球菌:如金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)。 [4] 
(2)桿菌:
外形為桿狀的細菌稱桿菌,常有長寬接近的短杆或球杆狀菌,如甲烷短桿菌屬(Methano—brevibacter);長寬相差較大的棒桿狀或長桿狀菌,如枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis)、梭狀桿菌(Bacterium fusiformis);分枝狀或叉狀菌,如雙歧桿菌屬(Bifidobacterium);竹節狀(兩端平截),如炭疽芽孢桿菌(Bacillusanthracis)等。 [1] 
按桿菌細胞的排列方式不同則有成對的雙桿菌、呈鏈狀的鏈桿菌,另外,常有柵狀、“八”字狀以及由鞘衣包裹在一起的絲狀等多種。典型的桿菌有大腸桿菌、枯草桿菌、鏈桿菌、變形桿菌 [4] 
(3)螺旋狀:
螺旋狀的細菌稱螺旋菌,一般長5-50微米,寬0.5-5微米,根據菌體的彎曲可分為:①弧菌(Vibrio):螺旋不足一環者呈香蕉狀或逗點狀,如霍亂弧菌Vibrio cholerae);②螺菌(Spirillum):滿2-6環的小型、堅硬的螺旋狀細菌,如小螺菌(Spirillum minor);③螺旋體(Spirochaeta):旋轉週數多(通常超過6環)、體長而柔軟的螺旋狀細菌,如梅毒螺旋體Treponema Pallidum)。 [4] 

細菌結構

細菌的結構分為基本結構和特殊結構。基本結構是各種細菌都具有的結構,包括細菌的細胞壁、細胞膜、細胞質、核質。某些細菌特有的結構稱為特殊結構,包括細菌的莢膜、鞭毛、菌毛、芽胞。 [5] 
(1)細胞壁
細胞壁(cell wall)位於菌細胞的最外層,包繞在細胞膜的周圍,組成較複雜,並隨細菌不同而異。革蘭陽性菌和革蘭陰性菌細胞壁的共有組分為肽聚糖,但各自有其特殊組分。 [5] 
細胞壁厚度因細菌不同而異,一般為15-30nm。主要成分是肽聚糖,由N-乙酰葡糖胺N-乙酰胞壁酸構成雙糖單元,以β-1,4糖苷鍵連接成大分子N-乙酰胞壁酸分子上有四肽側鏈,相鄰聚糖纖維之間的短肽通過肽橋革蘭陽性菌)或肽鍵革蘭陰性菌)橋接起來,形成了肽聚糖片層,像膠合板一樣,粘合成多層。 [1] 
肽聚糖中的多糖鏈在各物種中都一樣,而橫向短肽鏈卻有種間差異。革蘭陽性菌細胞壁厚約20-80nm,有15-50層肽聚糖片層,每層厚1nm,含20-40%的磷壁酸(teichoic acid),有的還具有少量蛋白質。革蘭陰性菌細胞壁厚約10nm,僅2-3層肽聚糖,其他成分較為複雜,由外向內依次為脂多糖細菌外膜脂蛋白。此外,外膜與細胞之間還有間隙。 [1] 
肽聚糖革蘭陽性菌細胞壁的主要成分,凡能破壞肽聚糖結構或抑制其合成的物質,都有抑菌或殺菌作用。如溶菌酶是N-乙酰胞壁酸酶,青黴素抑制轉肽酶的活性,抑制肽橋形成。 [1] 
細菌細胞壁的功能包括:①保持細胞外形,提高機械強度;②抑制機械和滲透損傷(革蘭陽性菌的細胞壁能耐受20kg/cm2的壓力);③介導細胞間相互作用(侵入宿主)④;防止大分子入侵;⑤協助細胞運動和生長,分裂和鞭毛運動;⑥賦予細菌特定的抗原性以對抗生素和噬菌體的敏感性。 [1] 
其中還有一些缺壁細菌,分為四類:①L型細菌,是指某些在實驗室或宿主體內,通過自發突變,形成細胞壁缺陷的變異菌株;②原生質體,是指在人為條件下(用溶菌酶或青黴素)處理革蘭陽性細菌,獲得的無壁細胞;③球狀體,是指在人為條件下,處理革蘭陰性菌,獲得的殘留部分細胞壁的細胞;④支原體,是指在進化過程中獲得的無壁的原核微生物。 [1] 
(2)細胞膜
是典型的單位膜結構,厚約8-10nm,外側緊貼細胞壁,某些革蘭陰性菌還具有細胞外膜。通常不形成內膜系統,除核糖體外,沒有其它類似真核細胞的細胞器,呼吸和光合作用的電子傳遞鏈位於細胞膜上。某些進行光合作用的原核生物(藍細菌紫細菌),質膜內褶形成結合有色素的內膜,與捕光反應有關。某些革蘭陽性細菌質膜內褶形成小管狀結構,稱為中膜體(mesosome)或間體,中膜體擴大了細胞膜的表面積,提高了代謝效率,有擬線粒體(Chondroid)之稱,此外還可能與DNA的複製有關。 [1] 
(3)細胞質與核質體
細菌和其它原核生物一樣,只有擬核,沒有核膜,DNA集中在細胞質中的低電子密度區,稱核區或核質體(nuclear body)。細菌一般具有1-4個核質體,多的可達20餘個。核質體是環狀的雙鏈DNA分子,所含的遺傳信息量可編碼2000-3000種蛋白質,空間構建十分精簡,沒有內含子。由於沒有核膜,因此DNA的複製、RNA轉錄與蛋白質的合成可同時進行,而不像真核細胞的這些生化反應在時間和空間上是嚴格分隔開來的。 [1] 
每個細菌細胞約含5000-50000個核糖體,部分附着在細胞膜內側,大部分遊離於細胞質中。細菌核糖體的沉降係數為70S,由大亞單位(50S)與小亞單位(30S)組成,大亞單位含有23SrRNA,5SrRNA與30多種蛋白質,小亞單位含有16SrRNA與20多種蛋白質。30S的小亞單位對四環素鏈黴素很敏感,50S的大亞單位對紅黴素氯黴素很敏感。 [1] 
細菌核區DNA以外的,可進行自主複製的遺傳因子,稱為質粒(plasmid)。質粒是裸露的環狀雙鏈DNA分子,所含遺傳信息僅為2-200個基因,能進行自我複製,有時能整合到核DNA中去。質粒DNA在遺傳工程研究中很重要,常用作基因重組基因轉移的載體。 [1] 
胞質顆粒是細胞質中的顆粒,起暫時貯存營養物質的作用,包括多糖、脂類、多磷酸鹽等。 [1] 
(4)莢膜
許多細菌的最外表還覆蓋着一層多糖類物質,邊界明顯的稱為莢膜(capsule),如肺炎球菌,邊界不明顯的稱為粘液層(slime layer),如葡萄球菌。莢膜對細菌的生存具有重要意義,細菌不僅可利用莢膜抵禦不良環境;保護自身不受白細胞吞噬;而且能有選擇地粘附到特定細胞的表面上,表現出對靶細胞的專一攻擊能力。例如,傷寒沙門桿菌能專一性地侵犯腸道淋巴組織。細菌莢膜的纖絲還能把細菌分泌的消化酶貯存起來,以備攻擊靶細胞之用。 [1] 
另外在細菌入侵免疫系統時,莢膜可以防止免疫系統識別細菌,從而存活下來。 [1] 
(5)鞭毛
鞭毛是某些細菌運動的特殊結構,由一種稱為鞭毛蛋白(flagellin)的彈性蛋白構成,結構上不同於真核生物的鞭毛。細菌可以通過調整鞭毛旋轉的方向(順和逆時針)來改變運動狀態 [1] 
(6)菌毛
菌毛是在某些細菌表面存在着一種比鞭毛更細、更短而直硬的絲狀物,須用電鏡觀察。特點是:細、短、直、硬、多,菌毛與細菌運動無關,根據形態、結構和功能,可分為普通菌毛性菌毛兩類。前者與細菌吸附和侵染宿主有關,後者為中空管子,與傳遞遺傳物質有關。 [1] 
(7)芽胞
有些細菌在生長髮育的後期,個體縮小,細胞壁增厚,形成芽胞。芽胞是細菌的休眠體,對不良環境有較強的抵抗能力。小而輕的芽胞還可以隨風四處飄散,落在適當環境中,又能萌發成為細菌。細菌快速繁殖和形成芽胞的特性,使它們幾乎無處不在。 [1] 
某些細菌處於不利的環境,或耗盡營養時,形成內生胞子,又稱芽胞,是對不良環境有強抵抗力休眠體,由於芽胞在細菌細胞內形成,故常稱為內生胞子。 [1] 
芽胞的生命力非常頑強,有些湖底沉積土中的芽孢桿菌經500-1000年後仍有活力,肉毒梭菌的芽胞在pH 7.0時能耐受100℃煮沸5-9.5小時。 [1] 

細菌菌落特徵

當細菌劃線接種到固體平板培養基上後,在適宜的培養條件下。細菌便迅速生長繁殖。由於細菌細胞受固體培養基表面或深層的限制,故不能像在液體培養基中那樣自由擴散,因此繁殖的菌體常聚集在一起,形成了肉眼可見的細菌集落,通常稱之為菌落(colony)。由於平板劃線的分散作用,單個菌落來源於細菌的一個細胞,生長一定時間後便肉眼可見,挑選一個菌落移種到另一固體斜面培養基上,即可獲得細菌的純培養。 [6] 
各種細菌在一定條件下形成的菌落均具一定的特徵,包括菌落的大小、形狀、光澤、顏色、硬度、透明程度等.所以細菌菌落特徵是細菌菌種鑑定的重要依據,在細菌分類學上具有重大意義。 [1] 
菌落特徵決定於組成菌落的細胞結構與生長行為,如細菌的莢膜,它的存在與否和菌落形態等有直接關係。肺炎鏈球菌因具有莢膜就形成光滑型菌落,其表面光滑黏稠,不具莢膜的菌株形成的菌落為粗糙型,菌落表面乾燥、有皺摺,表明菌落特徵和細菌細胞的結構密切相關。 [6] 
菌落的形狀和大小不僅決定於菌落中細胞的特性,而且也受到周圍菌落的影響,菌落靠得太近,由於營養物質有限,有害代謝物的分泌和積累,因而生長受到抑制。所以在平板分離菌種時,常可看到平板上互相靠近的菌落都較小,而那些分散開的菌落均較大。即使在同一菌落中,由於各個細菌細胞所處的空間位置不同,在營養物的攝取及空氣供應等方面亦都不一樣,所以在生理上、形態上或多或少會有所差異。 [1] 
平板培養基上形成的菌落往往有三種情況,即表面菌落、深層菌落和底層菌落,上面所介紹的菌落特徵都是指表面菌落。某些細菌在明膠培養基中生長繁殖時,能產生明膠酶水解明膠。如果將這些菌種穿刺接種在盛有明膠培養基的試管中,則由於明膠被水解形成不同形狀的溶解區,由於特定的細菌形成一定形狀的溶解區,所以是細菌分類的項目之一。 [6] 

細菌理化性狀

細菌化學組成

細菌和其他生物細胞相似,含有多種化學成分,包括水、無機鹽、蛋白質、糖類、脂質和核酸等。水分是菌細胞重要的組成部分,佔細胞總重量的75%~90%。菌細胞去除水分後,主要為有機物,包括碳、氫、氮、氧、磷和硫等。還有少數的無機離子,如鉀、鈉、鐵、鎂、鈣、氯等,用以構成菌細胞的各種成分及維持酶的活性和跨膜化學梯度。細菌尚含有一些原核細胞型微生物所特有的化學組成,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,這些物質在真核細胞中還未發現。 [17] 

細菌物理性狀

1.光學性質 細菌為半透明體。當光線照射至細菌,部分被吸收,部分被折射,故細菌懸液呈混濁狀態。菌數越多濁度越大,使用比濁法或分光光度計可以粗略地估計細菌的數量。由於細菌具有這種光學性質,可用相差顯微鏡觀察其形態和結構。
2.表面積 細菌體積微小,相對錶面積大,有利於同外界進行物質交換。如葡萄球菌直徑約1μm,則1cm3體積的表面積可達60 000cm2;直徑為1cm的生物體,每1cm3體積的表面積僅6cm2,兩者相差1萬倍。因此細菌的代謝旺盛,繁殖迅速。
3.帶電現象 細菌固體成分的50%~80%是蛋白質,蛋白質由兼性離子氨基酸組成。G+菌的等電點pH為2~3,而G-菌的等電點pH為4~5,故在近中性或弱鹼性環境中,細菌均帶負電荷,尤以前者所帶電荷更多。細菌的帶電現象與細菌的染色反應、凝集反應、抑菌和殺菌作用等都有密切關係。
4.半透性 細菌的細胞壁和細胞膜都有半透性,允許水及部分小分子物質通過,有利於吸收營養和排出代謝產物。
5.滲透壓 細菌體內含有高濃度的營養物質和無機鹽,一般G+菌的滲透壓高達20~25個大氣壓,G-菌為5~6個大氣壓。細菌所處一般環境相對低滲,但因有堅韌細胞壁的保護不致崩裂。若處於比菌內滲透壓更高的環境中,菌體內水分逸出,胞質濃縮,細菌就不能生長繁殖。 [17] 

細菌繁殖

細菌是非常微小而又原始的生物,所以它們的繁殖方式及在培養基上的生長情況與高等動植物細胞有較大的差異。 [1] 

細菌細菌的繁殖方式

細菌主要以無性二分裂方式繁殖(裂殖),即細菌生長到一定時期,在細胞中間逐漸形成橫隔,由一個母細胞分裂為兩個大小相等的子細胞。細胞分裂是連續的過程,分裂中的兩個子細胞形成的同時,在子細胞的中間又形成橫隔,開始細菌的第二次分裂。有些細菌分裂後的子細胞分開,形成單個的菌體,有的則不分開,形成一定的排列方式,如鏈球菌、鏈桿菌等。 [1] 
採用電子顯微鏡研究細菌的分裂過程表明:細菌細胞分裂大致可經過核物質與細胞質分裂、橫隔壁形成和子細胞分離等過程。細菌細胞分裂時,核質DNA與中介體或細胞膜相連,首先DNA複製並向細胞兩端移動,與此同時,細菌細胞膜向內凹陷並形成一垂直於細胞長軸的細胞質隔膜,使細胞質和核質均勻分配到兩個子細胞中。其次細胞形成橫隔壁,在細胞膜不斷內陷,形成子細胞各自的細胞質膜同時,母細胞的細胞壁也從四周向中心逐漸延伸。最後,逐漸形成子細胞各自完整的細胞壁。接着,子細胞分裂,形成兩個大小基本相等的子細胞。 [1] 
細菌繁殖速度快,一般細菌約20-30min便分裂一次,即為一代。接種子肉湯培養中的細菌在適宜的温度下迅速生長繁殖,肉湯很快即可變渾濁,表明有細菌的大量生長,有些細菌,如結核分枝桿菌的繁殖速度較慢,需要15-18小時才能繁殖一代。 [6] 

細菌代謝

細菌具有許多不同的代謝方式。一些細菌只需要二氧化碳作為它們的碳源,被稱作自養生物。那些通過光合作用從光中獲取能量的,稱為光合自養生物。那些依靠氧化化合物中獲取能量的,稱為化能自養生物。另外一些細菌依靠有機物形式的碳作為碳源,稱為異養生物 [1] 
光合自養菌包括藍細菌,它是已知的最古老的生物,可能在製造地球大氣的氧氣中起了重要作用。其他的光合細菌進行一些不製造氧氣的過程。包括綠硫細菌,綠非硫細菌,紫硫細菌,紫非硫細菌和太陽桿菌。 [1] 
正常生長所需要的營養物質包括,硫,磷,維生素金屬元素,例如,鈣,,鋅和 [1] 
根據它們對氧氣的反應,大部分細菌可以被分為以下三類:一些只能在氧氣存在的情況下生長,稱為需氧菌;另一些只能在沒有氧氣存在的情況下生長,稱為厭氧菌;還有一些無論有氧無氧都能生長,稱為兼性厭氧菌。細菌也能在人類認為是極端的環境中旺盛地生長,這類生物被稱為極端微生物。一些細菌存在於温泉中,被稱為嗜熱細菌;另一些居住在高鹽湖中,稱為喜鹽微生物;還有一些存在於酸性或鹼性環境中,被稱為嗜酸細菌和嗜鹼細菌;另有一些存在於阿爾卑斯山冰川中,被稱為嗜冷細菌 [1] 

細菌運動

運動型細菌可以依靠鞭毛,細菌滑行或改變浮力來四處移動。另一類細菌,螺旋體,具有一些類似鞭毛的結構,稱為軸絲,連接周質的兩細胞膜。當他們移動時,身體呈現扭曲的螺旋型。螺旋菌則不具軸絲,但其具有鞭毛。 [1] 
細菌鞭毛以不同方式排布。細菌一端可以有單獨的極鞭毛,或者一叢鞭毛。周毛菌表面具有分散的鞭毛。 [1] 
運動型細菌可以被特定刺激吸引或驅逐,這個行為稱作趨性,例如,趨化性趨光性,趨機械性。在一種特殊的細菌,粘細菌中,個體細菌互相吸引,聚集成團,形成子實體 [1] 

細菌種類

細菌按細菌形狀分類

細菌具有不同的形狀,並可根據形狀分為三類,即:球菌桿菌螺旋菌(包括弧菌螺菌螺桿菌)。按細菌的生活方式來分類,分為兩大類:自養菌異養菌,其中異養菌包括腐生菌和寄生菌。按細菌對氧氣的需求來分類,可分為需氧(完全需氧和微需氧)和厭氧(不完全厭氧、有氧耐受和完全厭氧)細菌。按細菌生存温度分類,可分為喜冷、常温和喜高温三類。 [1] 

細菌按細胞壁的組成分類

細菌的結構十分簡單,原核生物,沒有成形的細胞核,沒有膜結構的細胞器例如線粒體和葉綠體,但是有細胞壁,有的細菌還有鞭毛和莢膜,根據細胞壁的組成成分,細菌分為革蘭氏陽性菌革蘭氏陰性菌。“革蘭氏”來源於丹麥細菌學家革蘭(Hans Christian Gram),他發明了革蘭氏染色 [1] 
細菌 細菌
有些細菌細胞壁外有多糖形成的莢膜,形成了一層遮蓋物或包膜。莢膜可以幫助細菌在乾旱季節處於休眠狀態,並能儲存食物和處理廢物。鞭毛可以幫助細菌運動。 [1] 
細菌的分類的變化根本上反應了發展史思想的變化,許多種類甚至經常改變或改名。隨着基因測序,基因組學,生物信息學和計算生物學的發展,細菌學被放到了一個合適的位置。最初除了藍細菌外(它完全沒有被歸為細菌,而是歸為藍綠藻),其他細菌被認為是一類真細菌。隨着它們的特殊的原核細胞結構被發現,這明顯不同於其他生物(它們都是真核生物),導致細菌歸為一個單獨的種類,在不同時期被稱為原核生物,細菌,原核生物界。一般認為真核生物來源於原核生物。 [1] 
通過研究rRNA序列,美國微生物學家伍茲(Carl Woese)於1976年提出,原核生物包含兩個大的類羣。他將其稱為真細菌(Eubacteria)和古細菌(Archaebacteria),後來被改名為細菌(Bacteria)和古菌(Archaea)。伍茲指出,這兩類細菌真核細胞是由一個原始的生物分別起源的不同的種類。研究者已經拋棄了這個模型,但是三域系統獲得了普遍的認同。這樣,細菌就可以被分為幾個界,而在其他體系中被認為是一個界。它們通常被認為是一個單源的羣體,但是這種方法仍有爭議。 [1] 

細菌古細菌

古細菌(archaeobacteria)(又可叫做古生菌或者古菌)是一類很特殊的細菌,多生活在極端的生態環境中。具有原核生物的某些特徵,如無核膜及內膜系統;也有真核生物的特徵,如以甲硫氨酸起始蛋白質的合成、核糖體對氯黴素不敏感、RNA聚合酶和真核細胞的相似、DNA具有內含子並結合組蛋白;此外還具有既不同於原核細胞也不同於真核細胞的特徵,如:細胞膜中的脂類是不可皂化的;細胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白質為主,有的含雜多糖,有的類似於肽聚糖,但都不含胞壁酸D型氨基酸二氨基庚二酸 [1] 

細菌培養方法

常用的細菌培養基

細菌牛肉膏瓊脂

牛肉膏0.3克,蛋白腖1.0克,氯化鈉0.5克,瓊脂1.5克,
水100毫升
在燒杯內加水100毫升,放入牛肉膏蛋白腖氯化鈉,用蠟筆在燒杯外作上記號後,放在火上加熱。待燒杯內各組分溶解後,加入瓊脂,不斷攪拌以免粘底。等瓊脂完全溶解後補足失水,用10%鹽酸或10%的氫氧化鈉調整pH值到7.2-7.6,分裝在各個試管裏,加棉花塞,用高壓蒸汽滅菌30分鐘。 [7] 

細菌馬鈴薯

取新鮮牛心(除去脂肪和血管)250克,用刀細細剁成肉末後,加入500毫升蒸餾水和5克蛋白腖。在燒杯上做好記號,煮沸,轉用文火燉2小時。過濾,濾出的肉末乾燥處理,濾液pH值調到7.5左右。每支試管內加入10毫升肉湯和少量碎末狀的幹牛心,滅菌,備用。 [7] 

細菌根瘤菌

葡萄糖 10克 磷酸氫二鉀 0.5克
碳酸鈣 3克 硫酸鎂 0.2克
酵母粉 0.4克 瓊脂 20克
水 1000毫升 1%結晶紫溶液 1毫升
先把瓊脂加水煮沸溶解,然後分別加入其他組分,攪拌使溶解後,分裝,滅菌,備用。 [7] 

細菌區別

細菌與病毒的區別

細菌和病毒同屬於微生物,只有在顯微鏡下才能看到。但兩者是截然不同的東西。 [1] 
病毒是一類個體微小,無完整細胞結構,由蛋白質和核酸組成,必須在活細胞內寄生並複製的非細胞型微生物 [8] 
細菌和病毒均屬於微生物。在一定的環境條件下,細菌和病毒都可以在人體中增殖,並可能導致疾病發生。細菌較大,用普通光學顯微鏡就可看到,它們的生長條件也不高。病毒則比較小,一般要用放大倍數超過萬倍的電子顯微鏡才能看到。病毒沒有自己的生長代謝系統,它的生存靠寄生在宿主(如人)和細胞中依賴他人的代謝系統。也是因為如此,目前抗病毒的特殊藥物不多。有一點值得指出的是,在人們身體的許多部位都有細菌的增殖。醫學上稱之為正常菌羣,它們與我們和平相處,互惠互利。而在任何情況下從機體中發現病毒都非正常狀況。因為只有侵入我們的活組織細胞中這些病毒才能存活。 [8] 
病毒與細菌不同之處是,病毒沒有細胞結構,可以説是最低等的生物,但是它的能耐可不小,人類的疾病從小的感冒到大的癌症都和它有關係。細菌是和植物一樣,有細胞壁,而人的細胞是沒有細胞壁的,這就是很多抗生素殺菌的原理。比如破壞它的細胞壁或者阻止合成細胞壁,細菌就死掉了,而人沒有這個結構,所以對人無影響。 [8] 
病毒:構造很簡單,外面是一層蛋白質,稱為病毒外殼。蛋白質外殼內部包裹着病毒的遺傳物質,可以是DNA,也可以是RNA。病毒自己不能完成新陳代謝,也不能完成繁殖,需要寄生在其它細胞內完成。病毒和細菌的絕大部分是對人類沒有害的,有害的只是很小的一部分。 [1] 
病毒和細菌可以通過結膜到達血液中,説明它能夠抵抗溶菌酶的消化降解。細菌和病毒共有的生物元素是C、H、O、N、P。細菌一般可在特定培養基上培養,而病毒一般不能。 [1] 

細菌與真菌的區別

細菌和真菌的名稱中均有一個“菌”字,同屬微生物,但兩者在生物類型、結構、大小、增殖方式和名稱上卻有着諸多不同。比較如下:
1.生物類型:一是就有無成形的細胞核來看:細菌沒有核膜包圍形成的細胞核,屬於原核生物;真菌有核膜包圍形成的細胞核,屬於真核生物。二是就組成生物的細胞數目來看:細菌全部是由單個細胞構成,為單細胞型生物;真菌既有由單個細胞構成的單細胞型生物(如酵母菌),也有由多個細胞構成的多細胞型生物(如食用菌、黴菌等)。 [1] 
2.細胞結構:細菌和真菌都具有細胞結構,屬於細胞型生物,在它們的細胞結構中都具有細胞壁、細胞膜、細胞質,但卻存在諸多不同,具體表現在:一是細胞壁的成分不同:細菌細胞壁的主要成分是肽聚糖,而真菌細胞壁的主要成分是幾丁質。二是細胞質中的細胞器組成不同:細菌只有核糖體一種細胞器;而真菌除具有核糖體外,還有內質網高爾基體、線粒體、中心體等多種細胞器。三是細菌沒有成形的細胞核,只有擬核;真菌具有。四是細菌沒有染色體,其DNA分子單獨存在;真菌細胞核中的DNA與蛋白質結合在一起形成染色體(染色質)。 [1] 
3.細胞大小:原核細胞一般較小,直徑一般為1μm-10μm;真核細胞較大,直徑一般為10μm-100μm。 [1] 
4.增殖方式:細菌是原核生物,為單細胞型生物,通過細胞分裂而增殖,具有原核生物增殖的特有方式——二分裂;真菌為真核生物,細胞的增殖主要通過有絲分裂進行,因真菌種類的不同其個體增殖方式主要有出芽生殖(如酵母菌)和孢子生殖(食用菌)等方式。 [1] 
5.名稱組成:儘管在細菌和真菌的名稱中都有一個菌字,但細菌的名稱中一般含有:球、杆、弧、螺旋等描述細菌形態的字眼,只有乳酸菌例外(實為乳酸桿菌);而真菌名稱中則不含有。 [1] 

細菌合成與重組

細菌細菌合成

2016年3月28日科學家在實驗室中製造了一個人工細菌基因組, [9]  只包括生命所需的最少量基因。這一成果使得為了特定任務——如清除石油——而定製基因組的合成生物體成為可能。這種人工細菌能夠代謝營養物質並自我複製(分裂和增殖)。它只含有473個基因,相比之下,自然界中的細菌往往擁有數千個基因。不過,研究團隊目前還不知道該基因組中149個基因的確切功能。 [9] 

細菌基因重組

將性狀不同的個體細胞的遺傳基因,轉移到另一細胞內,使之發生遺傳變異的過程。 [1] 
細菌的基因重組有:
(1)轉化。受菌直接攝取供菌的遊離DNA片斷,並將它整合到自己的基因組中,而獲得供菌部分遺傳性狀的現象。 [1] 
(2)轉導。以噬菌體為媒介,供菌中的DNA片段被帶至受菌中,使後者獲得部分遺傳性狀。 [1] 
(3)溶原轉變。當温和噬菌體感染其寄主,將噬菌體基因帶入寄生基因組時,使後者獲得新的性狀的現象。當寄生菌喪失該噬菌體時,所獲得新的性狀亦消失。 [1] 
(4)接合。供菌與受菌通過直接接觸或性菌毛介導,供菌的大段DNA(包括質粒)進入受菌,而與後者發生基因重組的現象。 [1] 

細菌滅菌方法

(1)温度。細菌對低温的耐受性較強,大多數細菌在液態空氣(-190℃)或液態氧(-252℃)下可保存多年。高温對細菌有明顯的殺傷作用,大多數無芽胞菌在100℃煮沸時立即死亡,而有芽胞的細菌對高熱有抗力,如炭疽芽胞可耐受煮沸5-15分鐘,濕熱滅菌比干熱效果強,因為濕熱滅菌滲透性大。 [1] 
(2)乾燥。大多數細菌的繁殖體在乾燥空氣中很快死亡,有些菌如結核桿菌對乾燥耐力強,在幹痰中保存數月後仍有傳染性,乾燥不能作為有效的滅菌手段,只能用於保存食物,但細菌在濕度<15%、真菌在濕度<5%時,均不利其生長,因此乾燥的食物可保藏相當一段時間而不壞。 [1] 
(3)射線。紫外線對細菌的作用包括誘發突變及致死,紫外線的波長260nm時作用最強。主要作用於細菌的DNA,但紫外線的穿透力很弱,一薄層蓋玻片就能吸收大部分紫外線,紫外線適量照射可以殺死細菌,但在照射後3小時再用可見光照射,則部分細菌又能恢復其活力,這種現象稱為光復活作用。可見光殺菌作用雖不大,但在通過某些染料時,染料放出的熒光具有與紫外線同樣的作用,可殺死細菌,稱為光感作用。其原理尚不太清楚。 [1] 
(4)電離射線。放射性核素可以放出α、β、γ三種射線。β射線穿透力強,在幾秒鐘內就能滅菌;γ射線穿透力比α、β射線都強,但對細菌作用弱,消毒需要的時間長;α射線穿透力弱,有殺菌和抑菌作用。電離射線損傷細胞的DNA,使細胞死亡,電離輻射通過介質時還可引起猛烈衝擊。其他影響表面張力的溶液如有機酸肥皂等也可使一些細菌不生長或溶解。 [1] 

細菌主要用途

細菌發酵與生物覆育

細菌通常與酵母菌及其他種類的真菌一起用於發酵食物,例如在醋的傳統制造過程中,就是利用空氣中的醋酸菌(Acetobacter)使酒轉變成醋。其他利用細菌製造的食品還有奶酪、泡菜、醬油、醋、酒、優格等。細菌也能夠分泌多種抗生素,例如鏈黴素即是由鏈黴菌(Steptomyces)所分泌的。 [1] 
細菌能降解多種有機化合物的能力也常被用來清除污染,稱做生物覆育(bioremediation)。舉例來説,科學家利用嗜甲烷菌(methanotroph)來分解美國佐治亞州的三氯乙烯四氯乙烯污染。 [1] 

細菌細菌發電

生物學家預言,21世紀將是細菌發電造福人類的時代。説起細菌發電,可以追溯到1910年,英國植物學家利用鉑作為電極放進大腸桿菌的培養液裏,成功地製造出世界上第一個細菌電池。1984年,美國科學家設計出一種太空飛船使用的細菌電池,其電極的活性物質是宇航員的尿液和活細菌。不過,那時的細菌電池發電效率較低。到了20世紀80年代末,細菌發電才有了重大突破,英國化學家讓細菌在電池組裏分解分子,以釋放電子向陽極運動產生電能。其方法是,在糖液中添加某些諸如染料之類的芳香族化合物作為稀釋液,來提高生物系統輸送電子的能力。在細菌發電期間,還要往電池裏不斷地充氣,用以攪拌細菌培養液和氧化物質的混合物。據計算,利用這種細菌電池,每100克糖可獲得1352930庫侖的電能,其效率可達40%,遠遠高於使用的電池的效率,而且還有10%的潛力可挖掘。只要不斷地往電池裏添入糖就可獲得2安培電流,且能持續數月之久。 [10] 
利用細菌發電原理,還可以建立細菌發電站。在10米見方的立方體盛器裏充滿細菌培養液,就可建立一個1000千瓦的細菌發電站,每小時的耗糖量為200千克,發電成本是高了一些,但這是一種不會污染環境的"綠色"電站,更何況技術發展後,完全可以用諸如鋸末、秸稈、落葉等廢棄的有機物的水解物來代替糖液,因此,細菌發電的前景十分誘人。 [10] 
各發達國家如八仙過海,各顯神通:美國設計出一種綜合細菌電池,是由電池裏的單細胞藻類首先利用太陽光將二氧化碳和水轉化為糖,然後再讓細菌利用這些糖來發電;日本將兩種細菌放入電池的特製糖漿中,讓一種細菌吞食糖漿產生醋酸和有機酸,而讓另一種細菌將這些酸類轉化成氫氣,由氫氣進入磷酸燃料電池發電;英國則發明出一種以甲醇為電池液,以醇脱氫酶鉑金為電極的細菌電池。 [10] 
而且,各種不同的細菌電池相繼問世。例如有一種綜合細菌電池,先由電池裏的單細胞藻類利用日光將二氧化碳和水轉化成糖,然後再讓細菌利用這些糖來發電。還有一種細菌電池則是將兩種細菌放入電池的特製糖漿中,讓一種細菌吞食糖漿產生醋酸和有機酸,再讓另一種細菌將這些酸類轉化成氫氣,利用氫氣進入磷酸燃料電池發電。 [10] 
人們還驚奇地發現,細菌還具有捕捉太陽能並把它直接轉化成電能的"特異功能"。美國科學家在死海大鹽湖裏找到一種嗜鹽桿菌,它們含有一種紫色素,在把所接受的大約10%的陽光轉化成化學物質時,即可產生電荷。科學家們利用它們製造出一個小型實驗性太陽能細菌電池,結果證明是可以用嗜鹽性細菌來發電的,用鹽代替糖,其成本就大大降低了。由此可見,讓細菌為人類供電已不是遙遠的設想,而是不久的現實。 [10] 

細菌益生菌

益生菌是指有益的細菌或真菌,其中乳酸細菌Lactic acid bacteria,LAB)是最重要的益生菌,其中包括乳桿菌(Latobacillus)、乳球菌(Lactococcus)、鏈球菌(Streptococcus)、腸球菌(Enterococcus)和雙歧桿菌Bifidobacterium)等。雙歧桿菌和乳桿菌一直是公認的安全的益生菌,對機體健康沒有致病性,具有一定的食用安全性。目前益生菌的分離和篩選主要來源於傳統發酵食品、自然環境、動物和人體等,由於外源益生菌的生長環境與人體胃腸道的環境相差甚遠,因而許多學者認為理想的益生菌最好來自於人體自身的胃腸道。高全新等研究發現,宿主和腸道菌羣之間存在着特異性相互選擇的關係,當菌株的來源和使用對象一致時,就會增強菌株對宿主益生功效的特異性和針對性。此外,He等人發現人源益生菌相比外源益生菌,在耐膽汁、耐酸和耐胃液,胃腸道定植和黏附力,抑菌作用等方面的功能性更具優勢。因此,相對於其它來源的益生菌,人源益生菌具有安全性高,不容易被人體腸道的免疫系統所排斥,具有遺傳穩定性,因而更適合作為人類益生菌來使用。 [11] 
目前,益生菌的產值已佔據了世界功能性食品市場的65%,而且這一數值仍在不斷增長。大量的研究已證實,益生菌除了具有常規的預防和治療腹瀉、調節人體免疫力、預防癌症等功能外,還具有降膽固醇、降血壓、抗氧化等功能。而且對人源益生菌的功能特性、益生作用機制、安全性、細胞自身的代謝、與疾病的關係等方面都進行了深入研究。 [11] 

細菌識別身份

美國科羅拉多大學的科學家開展了一項研究,他們分別從三個人的指尖與他們個人電腦的鍵盤和鼠標上採集細菌樣本,然後又從數量眾多的,他們未接觸過的鍵盤、鼠標上採集細菌樣本。經過對這些樣本的DNA比較,科學家們發現,在三人未接觸過的電腦部件上找不到存活於三人雙手上的細菌。科學家還發現,在室温條件下,手上的細菌離開人體還可以存活兩週左右。另外,細菌繁殖力非常強大,即使我們用殺菌力超強的香皂洗手,它們也能在幾小時內“死灰復燃”。 [12] 

細菌磁性菌的利用

磁性細菌是1975年發現的一種對地磁敏感、沿磁力線遊動的細菌。磁性細菌在菌體內合成有約50一100nm的四氧化三鐵(Fe3O4)磁性微拉子(磁性細菌粒子),該磁性細菌粒子在菌體內形成稱之為磁性體的鏈。磁性細菌是一種微好氧性、對地磁敏感且沿磁力線遊動的細菌。 [13] 
磁性細菌對地磁敏感且能識別磁力線的方向,如對其性質巧妙地加以利用,就可做為微磁傳感器加以應用。或者將磁性細菌微粒子導入其他細胞,使得可以對細胞進行誘導。 [13] 

細菌危害

細菌是許多疾病的病原體,可以通過各種方式,如接觸、消化道、呼吸道、昆蟲叮咬等在正常人體間傳播疾病,具有較強的傳染性,對社會危害極大。 [2]  在植物中,細菌導致葉斑病、火疫病和萎蔫。 [1] 
致病性
細菌對寄主的侵犯,包括細菌吸附於體表,侵入組織細胞,生長繁殖,產生毒素,乃至擴散蔓延以及抗拒寄主的一系列防禦機能,造成機體損傷。 [14] 
(1)吸附:細菌能以它表面的特殊成分和結構附着於寄主體表或各器官的上皮粘膜,如大腸桿菌的某些菌株借其表面抗原(K88)吸附於腸上皮,淋球菌借其表面絲狀突出物吸附於尿道上皮,化膿性鏈球菌借其表面特異性M蛋白吸附於咽部粘膜等。 [15] 
(2)侵入機體
1.細菌在表面生長繁殖,釋放毒素,毒素進入人體,如破傷風白喉等。 [15] 
2.有些細菌在吸附後,細胞膜上形成裂隙,細菌進入細胞內繁殖產生毒素,使細胞死亡,如痢疾桿菌沙門氏桿菌 [15] 
3.另有些細菌,通過粘膜上皮細胞進入皮下組織,並進一步擴散如鏈球菌所致丹毒蜂窩組織炎等。 [15] 
(3)在體內繁殖:細菌在體內繁殖,要求適合它生長的營養條件和抵抗寄主的能力,如變形桿菌,由於具有尿素酶,能利用尿素生長,併產生氨損傷組織,所以比其他細菌引起更為嚴重的腎盂腎炎。又如布氏桿菌能在胎型絨毛膜和羊水中大量生長,造成流產,因為胚胎組織中有豐富的赤癬醇是布氏桿菌生長的刺激素。 [15] 
(4)擴散:某些細菌能產生可溶性物質,分解結締組織基質中的透明質酸,造成皮下擴散,如化膿性鏈球菌。另外有些細菌如布氏桿菌、鼠疫桿菌,在淋巴結內不被清除,反而能生長繁殖,通過淋巴液擴散至體內其他部位。在機體抵抗力差時,局部感染的細菌可侵入血循環造成菌血症 [15] 
對寄主防禦機能的抵抗:如鏈球菌的溶血素肺炎球菌的莢膜、金黃色葡萄球菌凝固酶結核桿菌的抑制和抵抗溶菌酶的作用,有些致病菌還能產生某些物質殺傷吞噬細胞等,這些均能使細菌在機體內存活而致病。 [15] 
(5)毒素:有外毒素內毒素兩類,肉毒桿菌的肉毒素和葡萄球菌的腸毒素即是外毒素(在體外產生)。還有在傳染病中起主要作用或起部分致病作用的如白喉、破傷風的毒素以及鏈球菌的紅斑毒素等。引起腸道感染的細菌,可產生一些毒素激活腺苷酸環化酶使cAMP增加,腸道分泌增多而致腹瀉。內毒素是和革蘭氏陰性細菌細胞壁相關的磷脂多糖蛋白質,大分子複合物,脂多糖是其主要成分,內毒素可以引起微循環灌注不足,休克、瀰漫性毛細血管內凝血和施瓦茨曼氏反應(局部皮膚反應)等。 [15] 
參考資料
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