芽孢

某些細菌（芽孢桿菌，梭狀芽孢桿菌，少數球菌等）在其生長髮育後期，在細胞內形成的一個圓形或橢圓形，厚壁，含水量低，抗逆性強的休眠體構造，稱為芽孢。

在不同細菌中，芽孢所處的位置不同，有的在中部，有的在偏端，有的在頂端。芽孢一般呈圓形、橢圓形、圓柱形。在一些細菌中，芽孢的直徑小於菌體直徑，這些細菌被稱為芽孢桿菌，為好氧細菌；在另一些細菌中，芽孢的直徑大於菌體直徑，使整個菌體呈梭形或鼓塑形，這些細菌則被稱為梭狀芽孢桿菌，為厭氧菌，梭狀芽孢桿菌的芽孢位於菌體中間。破傷風桿菌的芽孢位於菌體的一端，使菌體呈鼓槌狀。好氧芽孢桿菌屬（Bacillus）和厭氧的梭狀芽孢桿菌屬（Clostridium）的所有細菌都具有芽孢。在球菌和螺菌中，只有少數種類有芽孢，球菌中只有芽孢八疊菌（Sporosarcina）屬產芽孢。

芽孢的形成是一個極其複雜的過程，包括形態結構、化學成分等多方面的變化。

光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察研究的結果，表明芽孢的形成在結構上主要經歷以下幾個階段：①核物質融合成軸絲狀（桿狀）。②在細胞中央或一端，細胞膜內陷形成隔膜包圍核物質，產生一個小細胞。③小細胞被原來的細胞膜包圍，生成前孢子。前孢子實質上是一個被兩層同心膜包圍着的原生質體。在光學顯微鏡下觀察未染色的活細菌，可以看到前孢子是一個清亮的、與菌體其他部分明顯不同的區域。④前孢子再被多層膜包圍，如皮層、孢子衣等，最後成為成熟的芽孢，由於細胞壁的潰溶而釋放出來。

芽孢的結構相當複雜，最裏面為核芯（core），含原生質體，被芽孢膜（spore membrane）所包裹。核芯外面為皮層（cortex），成分為肽聚糖，再往外是一層或數層蛋白質組成的芽孢殼（spore coat），最表面為芽孢壁（spore wall），也稱芽孢外壁（exosporium）。

由於芽孢在結構和化學成分上均有別於營養細胞，所以芽孢也就具有了許多不同於營養細胞的特性。芽孢最主要的特點就是抗性強，對高温、紫外線、乾燥、電離輻射和很多有毒的化學物質都有很強的抗性。同時，芽孢還有很強的折光性。在顯微鏡下觀察染色的芽孢細菌塗片時，可以很容易地將芽孢與營養細胞區別開，因為營養細胞染上了顏色，而芽孢因抗染料且折光性強，表現出透明而無色的外觀。研究表明芽孢對不良環境因子的抗性主要由於其含水量低（40%）。且含有耐熱的小分子酶類，富含大量特殊的吡啶二羧酸鈣和帶有二硫鍵的蛋白質，以及具有多層次厚而緻密的芽孢壁等原因。

自由存在的芽孢沒有明顯的代謝作用，只保持潛在的萌發力，稱為隱藏的生命。一旦環境條件合適，芽孢便可以萌發成營養細胞。

整個生物界中抗逆性最強的生命體，在抗熱，抗化學藥物和抗輻射等方面，十分突出。

例如，肉毒梭菌的芽孢在沸水中要經過5至9.5h才被殺死；巨大芽孢桿菌芽孢的抗輻射能力比E.coli細胞要強36倍。芽孢的休眠能力更為突出，在常規條件下，一般可以保持幾年至幾十年而不死。據文獻記載，有的芽孢甚至可以休眠數百至數千年，最極端的例子是在美國的一塊有2500萬~4000萬年曆史的琥珀，從其中蜜蜂腸道內還可以分離到有生命的芽孢。

是否能消滅芽孢是衡量各種消毒滅菌手段的最重要的指標。

芽孢是細菌的休眠體，在適宜的條件下可以重新轉變成為營養態細胞；

產芽孢細菌的保藏多用其芽孢。產芽孢的細菌多為桿菌，也有一些球菌。

芽孢的有無、形態、大小和着生位置是細菌分類和鑑定中的重要指標。

芽孢與營養細胞相比化學組成存在較大差異，容易在光學顯微鏡下觀察。（相差顯微鏡直接觀察；芽孢染色）

1.芽孢的含水率低，38%～40%。

2.芽孢壁厚而緻密，分三層：外層是芽孢外殼，為蛋白質性質。中層為皮層，由肽聚糖構成，含大量2，6-吡啶二羧酸。內層為孢子壁，由肽聚糖構成，包圍芽孢細胞質和核質。芽孢萌發後孢子壁變為營養細胞的細胞壁。

3.芽孢中的2，6-吡啶二羧酸（dipicolinic acid，簡稱DPA）含量高，為芽孢乾重的5%～15%。吡啶二羧酸以鈣鹽的形式存在，鈣含量高。在營養細胞和不產芽孢的細菌體內未發現2，6-吡啶二羧酸。芽孢形成過程中，2，6-吡啶二羧酸隨即合成，芽孢就具有耐熱性，芽孢萌發形成營養細胞時，2，6-吡啶二羧酸就消失，耐熱性就喪失。

4.含有耐熱性酶。

芽孢由於有以上四個特點，是芽孢對不良環境如：高温、低温、乾燥、光線和化學藥物有很強的抵抗力。細菌的營養細胞在70～80℃時10分鐘就死亡，而芽孢在120～140℃還能生存幾小時，營養細胞在5%苯酚溶液中很快就死亡，芽孢卻能存活15天，芽孢的大多數酶處於不活動狀態，代謝活力極低，所以，芽孢是抵抗外界不良環境的休眠體。

5.伴孢晶體（spore-companioned crystal）

芽孢桿菌屬中有些種如蘇雲金芽孢桿菌、殺螟桿菌等在形成芽孢的同時，在細胞內產生一種晶狀多肽類內含物，稱伴孢晶體，一個細菌一般只產生一個伴孢晶體，它呈斜方形、方形或不規則形。伴孢晶體是一種毒性晶體，對很多昆蟲主要是鱗翅目的昆蟲有毒害作用，對人畜毒性很低，是一種較為理想的殺蟲劑。

芽孢不易着色，但可用孔雀綠染色。

關於芽孢耐熱的本質尚無公認的解釋。較新的是滲透調節皮層膨脹學説。滲透調節皮層膨脹學説：芽孢衣對多價陽離子和水分的透性很差，皮層的離子濃度很高，產生極高的滲透壓奪取芽孢核心的水分，結果造成皮層的充分膨脹。核心部分的細胞質卻變得高度失水，因此，具極強的耐熱性。除滲透調節皮層膨脹學説外，還有別的學説來解釋芽孢的高度耐熱機制。例如，針對在芽孢形成過程中會合成大量的為營養細胞所沒有的DPA－Ca，該物質會使芽孢中的生命大分子物質形成穩定而耐熱性強的凝膠。總之，芽孢耐熱機制還有待於深入研究。

剛形成的芽孢總是處於休眠狀態。熱處理（如65℃放置幾十分鐘）可以使芽孢加速活化。低温貯藏也有活化作用，只是較慢。

芽孢萌發時首先發生吸脹作用，隨之折光性和抗性喪失，繼而呼吸作用開始，顯出代謝活性，芽孢物質（乾重）的30%變為可溶物釋出，營養細胞壁迅速合成，最後，新形成的營養細胞從孢子衣裏萌發出來。萌發通常有三種方式：赤道脱出、末端脱出、斜出。

少數細菌還產生其他休眠狀態的結構，如固氮菌的孢囊等。固氮菌在營養缺乏的條件下，其營養細胞的外壁加厚、細胞失水而形成一種抗乾旱但不抗熱的圓形休眠體——孢囊，與芽孢一樣，也沒有繁殖功能。在適宜的外界條件下，孢囊可萌發，重新進行營養生長。

芽孢細菌的繁殖都是等分橫裂的，一個母細胞產生兩個子細胞。在其分裂的過程中並沒有芽孢的產生；而且，當產生芽孢時，一個細菌只產生一個芽孢，並沒有數量的增加。

一般認為，芽孢是在生長後期、營養物質缺乏時形成的，因而是適應不良環境的產物。但實際上，可能不完全是如此。有人在培養枯草芽孢桿菌時，曾作過追蹤觀察。結果發現，在接種培養4小時後即有芽孢生成。以後每隔4小時觀察一次，芽孢數均呈比例增長。至24小時，約半數產生芽孢；48小時，全部變成芽孢。這種情況表明，在此情形下營養細胞轉向芽孢形成有一定的概率。芽孢開始形成不必等到生長後期，更不必等到生長完全停止。

因此，芽孢形成既不是細菌生活週期的必經階段，也不是細菌繁殖的一種形式，更不是一種消極的對環境的反應，而是一個新器官的積極生成。決定芽孢形成的根本原因在於細菌內部，細菌染色體上有控制芽孢形成的基因。細菌在營養生長中，這些基因通常不表達，它們可能被一個阻遏體系所控制，一旦這一阻遏消除，就可導致芽孢形成。

有時人們把芽孢與莢膜、鞭毛等並列，統稱為細菌的特殊結構，這一稱呼也值得商榷。因為在正常生長中的營養細胞本身並沒有芽孢，而當芽孢形成後，營養細胞就不復存在。雖然在有些菌類，芽孢形成後還有部分菌體殘存，但這時的菌體已喪失了營養細胞的作用，不能再像無芽孢時的菌體那樣進行生命活動。而莢膜和鞭毛就不同了，它們不影響細菌的生命活動，伴隨着營養細胞的生存而存在。因此，把芽孢看成是一種獨立的休眠體，是一種積極產生的新的生命形式或新器官，或許是恰當的。

1．分類鑑定不同細菌的芽孢具有不同的特點，從形狀、大小、表面特徵，直到與菌體的關係等都有不同的表現，因此可以作為分類鑑定的依據或參考。

2．科研材料 由於芽孢獨特的產生方式，成為研究形態發生和遺傳控制的好材料。

3．保存菌種芽孢對不良環境有很強的抵抗力，可以保持生命力達數十年之久，在自然界使細菌度過惡劣的環境，在實驗室是保存菌種的好材料。

4．分離菌種芽孢的耐熱性有助於芽孢細菌的分離。將含菌懸浮液進行熱處理，殺死所有營養細胞，可以篩選出形成芽孢的細菌種類。

5．生物殺蟲有些芽孢細菌在產生芽孢的同時，可以產生一種雙錐形的結晶內含物，稱為伴孢晶體，這是一種蛋白質毒素，可以殺死某些昆蟲（特別是鱗翅目）的幼蟲。蛋白質晶體的毒性是有高度專性的，對其他動物與植物完全沒有毒性。因此，它們便成為一種理想的生物殺蟲劑，這種殺蟲劑的生產，並不需將蛋白質分離出來，只需培養大量細菌，在其形成芽孢併產生晶體時收穫、乾燥，做成粉劑即可。

6.研究芽孢的意義研究細菌芽孢有着重要的理論和實踐意義。①芽孢的有無、形態、大小和着生位置等是細菌分類和鑑定中的重要形態學指標；②這類菌種芽孢的存在，有利於提高菌種的篩選效率，有利於菌種的長期保藏；③是否能殺滅一些代表菌的芽孢是衡量和制定各種消毒滅菌標準的主要依據；④許多產芽孢細菌是強致病菌。例如，炭疽芽孢桿菌、肉毒梭菌和破傷風梭菌等；⑤有些產芽孢細菌可伴隨產生有用的產物，如抗生素短桿菌肽、桿菌肽等。

芽孢可度過不良環境，對乾旱和高、低温都有極強的抵抗力。條件轉好時，1個芽孢可形成1個細菌細胞。有些細菌的芽孢，在乾燥條件下，可保持10多年或更長的時間仍能萌發，有的能忍耐-253℃的低温，有的在沸水中煮30小時後仍有生活力，但也有的芽孢在80～90℃下幾分鐘即死亡。因此，外科手術或注射器的消毒，一定要用高壓滅菌。能形成芽孢的細菌為桿菌科中的梭狀芽孢桿菌屬和芽孢桿菌屬的所有種類。此外，還有少數螺旋菌、孤菌和八疊球菌等屬的種類。研究芽孢的形成和萌發，具有重要的理論和實踐意義。因為有些能形成芽孢的細菌是人體的病原菌。在食品、醫藥，以及發酵工業都要徹底消滅細菌的芽孢。有些芽孢菌可用來殺滅害蟲，如蘇雲金桿菌、青蟲菌、殺螟桿菌等在形成芽孢時，還產生蛋白質伴孢晶體，對鱗翅目昆蟲有強大的毒殺作用。因而將這些芽孢桿菌製成殺蟲劑，實行以菌治蟲，並稱之為細菌農藥。

芽孢對人類也有有害的一面。最常見的情況之一，就是用加熱法保存食品時，芽孢往往會造成保存的失敗。這是因為芽孢極耐熱，一般加熱法不能把它殺死，它萌發成營養細胞後大量繁殖，會導致食品腐敗變質。因此需要用高温間歇滅菌法把芽孢殺死，才能使食品長期保存。醫療器械也需經高温滅菌後才能保證安全。發展起來的輻射滅菌法，其主要殺滅對象也是芽孢。 ^[1] 

伴孢晶體（parasporal crystal）少數芽孢桿菌，例如蘇雲金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）在其形成芽孢的同時，會在芽孢旁形成一顆菱形或雙錐形的鹼溶性蛋白晶體—δ內毒素，稱為伴孢晶體。特點：不溶於水，對蛋白酶類不敏感；容易溶於鹼性溶劑。伴孢晶體對200多種昆蟲尤其是鱗翅目的幼蟲有毒殺作用，因而可將這類產伴孢晶體的細菌製成有利於環境保護的生物農藥——細菌殺蟲劑。