學習目標
1.掌握球菌、杆菌、螺旋菌的概念、分類。
2.了解細菌細胞的一般結構和特殊結構。
3.掌握細菌細胞壁肽聚糖的結構，革蘭氏染色法的原理、方法。
4.掌握莢膜、芽孢的構造。
5.了解細菌的繁殖方式及二分裂繁殖的過程。
6.掌握菌落、菌苔的概念。
7.掌握放線菌的形態特征，繁殖方式。
8.了解藍細菌、立克次氏體、衣原體、支原體的形態結構及特征。
原核生物，就是廣義的細菌，指一大類細胞核無核膜包裹，隻存在核區的裸露DNA的原始單細胞生物，包括細菌、放線菌、藍細菌、立克次氏體、支原體和衣原體等。在自然界中，細菌分布最廣、數量最多。本章將重點介紹與食品生產、食品汙染和食物中毒密切相關的多種細菌。
第一節 細菌
細菌是一類個體微小、結構簡單、有細胞壁、多以二分裂方式繁殖的單細胞原核生物。
一、細菌的形態與大小
細菌的形態極其簡單，基本形態要借助於光學和電子顯微鏡來觀察和研究。基本形態包括球狀、杆狀和螺旋狀三大類，分別稱為球菌、杆菌和螺旋菌，僅少數為其他形狀。
（一）細菌的個體形態
1.球菌（coccus）
細胞呈球形或橢圓形。依細胞分裂麵的數目和分裂後新細胞的排列方式可區分為以下6種主要類型。
（1）單球菌細胞分裂後產生的兩個子細胞立即分開，如尿素小球菌（Micrococcus ureae）。
（2）雙球菌細胞分裂一次後產生的兩個新細胞不分開而成對排列，如肺炎雙球菌（Diplococcus pneumoniae）。
（3）鏈球菌細胞按一個平行麵多次分裂後產生的新細胞不分開而排列成鏈，如乳酸鏈球菌（Streptococcus lactis）。
（4）四聯球菌細胞按兩個互相垂直的分裂麵各分裂一次後產生的四個細胞不分開，每四個菌體呈田字形，如四聯小球菌（Micrococcus tetragenus）。
（5）八疊球菌細胞沿三個互相垂直的分裂麵連續分裂三次後形成的含八個細胞的立方體，如尿素八疊球菌（Sarcina ureae）。
（6）葡萄球菌細胞經多次不定向分裂後形成的新細胞聚集成葡萄狀，如金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）。
2.杆菌（bacillus）
杆狀的細菌稱為杆菌。一般杆狀的細菌長度差異顯著。根據杆菌的長短不同，可以分為長杆菌、短杆菌、球杆菌等；杆菌菌體的兩端依照菌種的不同呈現各種形狀，大多數菌體兩端鈍圓、有的是平截的，有的呈半圓形、有的略尖。根據菌體某個部位是否膨大可以分為棒狀杆菌和梭狀杆菌；根據芽孢有無可以分為無芽孢杆菌和芽孢杆菌。杆菌總是沿橫軸方向分裂，絕大多數杆菌是分散獨立存在的，但也有成對相連稱雙杆菌，呈鏈狀排列的稱鏈杆菌。
由於杆菌的排列方式既少又不穩定，因而很少用於分類鑒定。
杆菌是細菌中種類最多的。工農業生產中所用的細菌大多數是杆菌。杆菌中也有不少是致病菌。
3.螺旋菌（spirilla）
細胞呈彎曲杆狀的細菌統稱為螺旋菌。一般分散存在，能運動。根據其長度、螺旋數目和螺距等差別，可分為兩種形態：
（1）弧菌菌體彎曲度小於一周，形似C字，如霍亂弧菌（Vibrio cholerae）。
（2）螺旋菌菌體回轉如螺旋，彎曲度大於一周。螺旋菌的旋轉圈數和螺距大小因種類而異。有的菌體較短，螺旋緊密；有些很長，並呈現較多的螺旋和彎曲。有些螺旋菌的菌體柔軟，借軸絲收縮運動並稱為螺旋體，如梅毒密螺旋體（Treponema pallidium）。
4.特殊形態的細菌
除以上三種基本形態的細菌外，細菌還有以下幾類特殊形態。例如，柄細菌屬（Caulobacter），細胞呈杆狀、梭狀或弧狀。在細胞的一端有鞭毛，另一端為一特征性的細柄可附著在基質上。又如球衣菌屬（Sphaerotilus），能形成衣鞘，杆狀的細胞呈鏈狀排列在衣鞘內而成為絲狀。還有人從鹽場的曬鹽池中分離出一種特殊的近於正方形的細菌。
細菌的形態與培養時的溫度、培養基的成分與濃度、培養時間等環境條件有關。一般處於幼齡及生產條件適宜時，細菌形態正常、整齊；在營養物質匱乏的培養物中或不正常的培養條件下，細胞常表現出不正常形態。如有的細胞膨大或出現梨形、絲狀等不規則形態。若將它們再轉移到新鮮培養基上並在適宜的條件下培養，它們能重新恢複其原來的形狀。
細菌的形態是細菌分類鑒定的指標之一。
（二）細菌的大小
細菌因種類繁多而大小各異，通常用微米（μm）作為測量單位。細菌細胞的大小一般用顯微測微尺來測量並以多個菌體的平均值或變化範圍來表示。測量球菌的大小用其直徑來表示，一般球菌直徑在0.5～2μm。測量杆菌和螺旋菌則需測量其長度和寬度。螺旋菌的長度是以其自然彎曲的長度來計算，而不是以真正的長度計算的。杆菌一般長1～5μm，寬0.5～1μm，螺旋菌一般長1～50μm，寬0.3～1μm。
由於菌種的不同，細菌的大小存在著較大的差異；染色方法的不同，就是同一菌種也會不一樣；細胞的大小常隨著菌齡變化，一般幼齡細菌比成熟的或老年的細菌大很多。由於以上原因，有關細菌大小，常以平均值來計算。每個細菌細胞質量10-13～10-12g，大約109個大腸杆菌的細胞才達1mg。
二、細菌的細胞結構與功能
細菌的細胞結構模式圖所示。
細菌細胞的結構可分為基本結構和特殊結構，一般細菌都有的結構稱為基本結構，包括細胞壁、細胞膜、細胞質、細胞核等，而僅在部分細菌中才有的或在特殊環境中才形成的構造稱為特殊構造，主要包括鞭毛、纖毛、性菌毛、莢膜和芽孢等。
（一）細菌的基本結構
1.細胞壁（cell wall）
細胞壁是包圍在細胞最外的一層堅韌且略具彈性的無色透明薄膜。它約占菌體幹質量的10%～25%。細胞壁的主要功能是維持細胞形狀；提高機械強度、保護細胞免受機械性或其他破壞；阻攔酶蛋白和某些抗生素等大分子物質進入細胞，保護細胞免受溶菌酶、消化酶等有害物質的損傷等。
革蘭氏染色法是1884年丹麥病理學家Christain Gram發明的一種細菌鑒別方法，也是細菌學中最常用、最重要的一種鑒別染色法。不同細菌細胞壁的化學組成和結構不同，通過革蘭氏染色法可將大多數的細菌分為革蘭氏陽性菌（G+）和革蘭氏陰性菌（G-）兩大類。
（1）革蘭氏陽性菌的細胞壁G+細菌的細胞壁的特點是厚度大，大約20～80nm，但化學成分簡單，一般含肽聚糖和磷壁酸，所含肽聚糖約占幹質量的50%～80%，而磷壁酸是G+細菌特有的成分。
肽聚糖是原核微生物特有的一類大分子複合物。以金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）為例，每一個肽聚糖單體由3部分組成。①雙糖單位：由一個N-乙酰葡萄糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）通過β-1，4-糖苷鍵相連。②四肽尾：由4個氨基酸交替連接。③肽橋：為甘氨酸五肽，連接前後2個四肽尾，起到了“橋梁”的作用。這種肽聚糖結構形成了堅硬而有彈性的三維空間網絡，覆蓋在整個細胞上。不同種類的細菌細胞壁中肽聚糖的結構與組成不完全相同。一般說，G+細菌的肽聚糖層較厚，如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）為40層，而且交聯度高。
磷壁酸是結合在G+細菌細胞壁上的一種酸性多糖，主要成分為甘油磷酸或核糖醇磷酸。
（2）革蘭氏陰性菌的細胞壁G-細菌細胞壁的特點是厚度較G+細菌薄，層次多，成分較複雜，肽聚糖層很薄，僅2～3nm。G-細菌的細胞壁分為外壁層和內壁層。內壁層緊貼細胞膜，厚1～3nm，占壁質量的5%～10%，是一層到少數幾層的肽聚糖，因而隻能形成較稀疏、機械強度較差的肽聚糖網套。外壁層是G-細菌所特有的結構，位於壁的最外層，厚度為8～10nm，在化學成分和結構上與細胞膜相似，主要成分為脂多糖、脂蛋白，類脂的含量高於G+細菌，但不含磷壁酸。在G+細菌中，其外壁層與細胞膜間的狹窄空間稱周質空間，其中存在著多種周質蛋白。
G+和G-細菌的細胞壁結構和化學成分的差異不僅反映在染色反應上，更反映在一係列形態、構造、化學組分、生理生化和致病性等的差別上，從而對生命科學的基礎理論研究和實際應用產生了巨大的影響。
G+和G-細菌在細胞壁結構和化學組成等方麵的差異。
（3）缺壁細菌在自然界長期進化中和在實驗室菌種的自發突變中都會產生少數缺細胞壁的種類。此外，在實驗室中，還可用人為方法獲得人工缺壁細菌。細胞壁缺陷細菌主要包括①原生質體：人工條件下用溶菌酶除去細胞壁或用青黴素抑製細胞壁合成後，所留下的部分。一般由G+細菌形成。②球形體：殘留部分細胞壁，一般由G-細菌形成，有一定抗性。特點：對滲透壓敏感；長鞭毛也不運動；對噬菌體不敏感；細胞不能分裂等。③L型細菌：一種由自發突變形成的變異型，無完整細胞壁，在固體培養基表麵形成“油煎蛋”狀小菌落。④支原體：長期進化形成的，適應自然生活條件的無細胞壁的原核生物，因為它的細胞膜中含有一般原核生物所沒有的固醇，所以具有較高的機械強度。
（4）細胞壁結構與革蘭氏染色的關係革蘭氏染色法是微生物學中最重要的染色方法，其原理直到該法發明100年後才得到了確切的證明。革蘭氏染色步驟如下：固定過的細胞先用結晶紫染色，接著加碘液媒染，細菌細胞壁內由於染色形成結晶紫與碘的複合物。隨後加酒精從薄的細胞壁中洗出結晶紫與碘染色的複合物，但是結晶紫-碘複合物不能從厚的細胞壁中洗出。最後，用較淺的石炭酸複紅複染，使脫色的細胞呈紅色，但用結晶紫初染的細胞，仍保持第一次的染色結果。保持原來染色（厚的細胞壁）的細胞稱作革蘭氏陽性細菌，在光學顯微鏡下呈現藍紫色。脫色的細胞（薄的細胞壁和外膜）稱作革蘭氏陰性細菌，被染成紅色。所示為革蘭氏染色程序和結果。
2.細胞膜（cell membrane）
細胞膜又稱原生質膜或質膜，是細胞壁以內包圍著細胞質的一層柔軟而具有彈性的半透膜，厚度約7～8nm。通過質壁分離、鑒定性染色或原生質破裂等方法可在光學顯微鏡下觀察到；也可用電子顯微鏡觀察細菌的超薄切片，可更清晰地觀察到細胞膜表現為內外兩暗色層夾著一淺色中間層的一種雙層膜結構，稱為單位膜。
（1）化學成分細胞膜由含有親水區域和疏水區域的兩親性分子磷脂組成。在膜中磷脂以雙分子層排列，極性頭部親水區指向膜的外表麵，而其疏水區脂肪酸的尾部指向膜的內層。膜對於大分子或電荷高的分子成為一個選擇滲透屏障，使它們不易通過磷脂雙分子的疏水性內層。原生質膜（細胞膜）的磷脂雙分子層中埋藏有各種功能的蛋白，包括轉運蛋白、能量代謝中的蛋白和能夠對化學刺激檢測和反應的受體蛋白。整合蛋白（integral proteins）是完全地與膜連接而且貫穿全膜的蛋白，所以這些蛋白在此區域中有疏水性氨基酸埋藏在磷脂中。外周蛋白（peripheral proteins）是由於磷脂帶正電荷極性頭，隻是通過電荷作用與膜鬆散連接的一類，用鹽溶液洗滌可以從純化的膜上除去。脂類和蛋白質均在運動，而且是彼此之間相對運動。這就是被廣泛接受的稱作液態鑲嵌模式的細胞膜結構模型。
（2）細胞膜的功能
①維持滲透壓的梯度和溶質的轉移；②細胞質膜是半滲透膜，具有選擇性的滲透作用，能阻止高分子通過，並選擇性地逆濃度梯度吸收某些低分子進入細胞；③由於膜有極性，膜上有各種與滲透有關的酶，還可使兩種結構相類似的糖進入細胞的比例不同，吸收某些分子，排出某些分子；④細胞質膜上有合成細胞壁和形成橫隔膜組分的酶，故在膜的外表麵合成細胞壁；⑤膜內陷形成的中間體（相當於高等植物的線粒體）含有細胞色素，參與呼吸作用；⑥中間體與染色體的分離和細胞分裂有關，還為DNA提供附著點。
細胞質膜上有琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶、細胞色素氧化酶、電子傳遞係統、氧化磷酸化酶及三磷酸腺苷酶（ATPase），能夠在細胞質膜上進行物質代謝和能量代謝。
細胞質膜上有鞭毛基粒，鞭毛由此長出，即為鞭毛提供附著點。
3.間體和其他內膜結構
原核生物沒有由單位膜包裹形成的細胞器，但許多原核生物類群也演化出一類由細胞膜凹陷和折疊形成的特殊結構，主要包括：
（1）間體（mesosome）是從質膜向內伸展的細胞質中主要單位膜結構，常常同核質相聯係，位於細胞分裂處。間體的功能可能參與呼吸作用、同DNA的複製和細胞的分裂有關。
（2）載色體（chromatophore）也稱為色素體，是光合細菌進行光合作用的部位，由單層的與細胞膜相連的內膜所圍繞，主要化學成分是蛋白質和脂類。它們含有菌綠素、胡蘿卜素等色素以及光合磷酸化所需的酶係和電子傳遞體。在綠硫菌科和紅硫菌科中存在。
（3）羧酶體（carboxysome）又稱為多角體，是自養細菌所特有的內膜結構，可能是固定CO2場所。
（4）類囊體（thylakoid）由單位膜組成，含有葉綠素、胡蘿卜素等光合色素和有關酶類，在藍細菌中為其進行光合作用的場所。
4.細胞質及其內含物
細胞質（cytoplasm）是指被細胞膜包圍的除核區以外的一切半透明、膠狀物質的總稱。其主要成分是水、蛋白質、核酸、脂類、糖、無機鹽以及核糖體和一些顆粒狀內含物。
（1）核糖體（ribosome）亦稱核蛋白體，由一個小的亞基和一個大的亞基組成，核糖體的亞基是由蛋白質和RNA組成的複合物，是細胞中合成蛋白質的場所。原核細胞中的核糖體，盡管在形狀上和功能上與真核細胞相似，但是組建核糖體亞基的蛋白質和RNA性質有差別。
（2）顆粒狀內含物某些細菌含有與特殊功能相關的結構，可以在光學顯微鏡下觀察到。這些顆粒常是儲存物，可以與膜結合，例如聚-β-羥丁酸鹽（PHB）顆粒；根瘤菌屬（Rhizobium）、固氮菌屬（Azotobacter）、假單胞菌屬（Pseudomonas）等細菌常積累 PHB。細胞質中發現的分散顆粒如多聚磷酸鹽顆粒（也稱為異染粒）。某些細菌中也能看到脂肪滴。一個有趣的內含體是在藍細菌（藍綠藻）和生活在水環境中的其他光合細菌內發現的氣泡——由蛋白質構成、在細胞內四周排列並提供浮力，使得細菌漂浮靠近水的表麵。少數趨磁細菌細胞內含有特有的磁粒，主要成分是Fe3O4，具有導向功能，即借鞭毛引導細菌遊向最有利的泥、水界麵微氧環境。
5.細胞核
原核生物所特有的無核膜包裹、無固定形態的原始細胞核。又稱原核、擬核或核基因組。
細菌的DNA在細胞質中為大型的環狀DNA分子，長度0.25～3.0nm。不同種的細菌之間DNA大小不同（大腸杆菌染色體有4×106堿基對長）。DNA是環狀、致密超螺旋，而且與真核細胞中發現的組蛋白相類似的蛋白質結合。雖然染色體沒有核膜包圍，但在電子顯微鏡中常可看到細胞內分離的核區，稱為擬核（nucleoid），是細菌等原核生物負載遺傳信息的主要物質基礎，是細菌生長發育、新陳代謝和遺傳變異的控製中心。
古細菌的染色體和真細菌的染色體類似，是一個單個環狀的DNA分子，不包含在核膜內，而DNA分子大小通常小於大腸杆菌的DNA。
（二）細菌的特殊結構
細菌的特殊結構是細胞可變部分，不是每個都有，如糖被鞭毛、莢膜、芽孢等。
1.糖被（glycocalyx）
包被於某些細菌細胞壁外的一層厚度不定的透明膠狀物質。糖被的有無、厚薄與菌種的遺傳性相關外，還與環境尤其是營養條件密切相關。糖被按其有無固定層次、層次厚薄又可細分為莢膜（capsule或macrocapsule即大莢膜）、微莢膜（microcapsule）、黏液層（slime layer）和菌膠團（zoogloea）等數種。
糖被的功能：①保護作用，如保護細胞免受幹旱損傷，保護細胞免受吞噬等；②貯藏養料，以備營養缺乏時重新利用；③作為滲透屏障和離子交換係統，以保護細菌免受金屬離子的毒害；④表麵附著作用，引起齲齒的唾液鏈球菌（Streptococcus salivarius）分泌的糖被將細菌牢牢地黏附於齒表；⑤細菌間的信息識別作用；⑥堆積代謝廢物。
糖被在科學研究和生產實踐中都有較多的應用，例如用於菌種鑒定；用作藥物和生化試劑，有些細菌的糖被可提取葡聚糖用來製備生化試劑和“代血漿”；用作工業原料的黃原膠，已經用於石油開采中的鑽井液添加劑以及印染、食品等行業；形成菌膠團的細菌，有助於吸附、沉降汙水中的有害物質。當然，如管理不當，有些細菌的糖被也會給人類帶來有害作用，除了幾種致病菌外，還會影響製糖廠和食品廠的生產，並影響食糖、酒類、麵包、牛乳等的質量。