细菌的生长与繁殖

一、影响细菌生长的环境因素
营养物质、能量和适宜的环境是细菌生长繁殖的*条件。
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。
氢离子浓度（pH） 每种细菌都有一个可生长的pH范围， 以及zui适生长pH。多数病原菌zui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，结核分枝杆菌生长的zui适pH为6.5～6.8。细菌通过细胞膜的质子转运系统调节细胞内的pH。
温度 各类细菌对温度的要求不一。藉此分为嗜冷菌，其生长范围-5℃～30℃，zui适生长为10℃～20℃；嗜温菌，生长范围10℃～45℃，zui适20℃～40℃；嗜热菌，生长范围25℃～95℃，zui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，zui适生长温度为人的体温，即37℃。细菌与动物或植物一样，当突然暴露于高出适宜生长温度的环境下，可暂时性合成热休克蛋白（heat-shock proteins，Hsp）。这些蛋白质具有耐热性，因而对菌细胞内的热敏感蛋白质起到稳定作用。
根据细菌代谢时对分子氧的需要与否，可以分四类。
1．专性需氧菌（obligate aerobe） 具有完善的呼吸酶系统，需要分子氧作为受氢体来完成需氧呼吸，仅能在有氧环境下生长。如结核分枝杆菌、霍乱弧菌。
2．微需氧菌（microaerophilic bacterium） 在低氧压（～5%）下生长，氧浓度＞10%对其有抑制作用。如空肠弯曲菌、幽门螺杆菌。
3．兼性厌氧菌（facultative anaerobe） 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。大多数病原菌属于此。
4．专性厌氧菌（obligate anaerobe） 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，而且还能受其毒害，甚至死亡。如破伤风梭菌、脆弱拟杆菌。
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）。需氧菌有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和触酶（catalase），前者将超氧阴离子还原成过氧化氢，后者将过氧化氢分解为水和分子氧。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。
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而不能生长繁殖。
渗透压 一般培养基的盐浓度和渗透压对大多数细菌是安全的，少数细菌如嗜盐菌（halophilic bacterium）需要在高浓度（3%）的NaCl环境中生长良好。细菌通过补偿K+主动转运和带有正电荷的有机多胺（丁二胺）的补偿性分泌来调节细胞内的渗透压和离子强度。因此，细菌可以耐受外部较大范围的渗透压和离子强度的变化。
二、细菌的生长与繁殖
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），多数细菌为20～30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。
细菌分裂时菌体首先增大，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，zui后肽聚糖水解酶使细胞壁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。zui后细胞壁沿横隔内陷，整个细胞分裂成两个子代细菌。
细菌群体的生长繁殖 细菌生长速度很快，一般细菌约20分钟分裂一次。若按此速度计算，一个细菌经7小时可繁殖到约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。
将一定数量的细菌接种于适宜的液体培养基中，连续定时取样检查活菌数，可发现其生长过程的规律性。以培养时间为横坐标，培养物中活菌数的对数为纵坐标，可绘制出一条生长曲线（growth curve）（图2-1）。

图2-1 大肠埃希菌的生长曲线
根据细菌浓度，生长曲线可分为六期，即A～F，其中较重要的四个期分述如下。
1．迟缓期（A） 细菌进入新环境后的短暂适应阶段。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，按菌种、接种菌的菌龄和菌量，以及营养物等不同而异，一般为1～ 4小时。
2．对数期（C） 又称指数期（exponential phase）。细菌在该期处于稳定状况， 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。一般细菌对数期在培养后的8～18小时。
3．zui大稳定期（E） 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，死亡数缓慢增加，生长分裂和死亡的菌细胞数处于平衡状态。需氧菌限制其生长的因素通常是氧，当细菌浓度超出1×107/ml，生长速率就会下降；达到4～5×109／ml时，即使振荡培养，氧扩散的速度也难以满足细菌生长的要求。该期细菌形态、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zui大稳定期产生。
4．衰亡期（F） zui大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。