細菌芽孢

有些細菌（多為桿菌）在一定條件下，細胞質高度濃縮脫水所形成的一種抗逆性很強的球形或橢圓形的休眠體。1個細菌細胞只形成1個芽孢，有的在細胞一端，有的在細胞中部。由於芽孢是在細胞內形成的，所以也常稱之為內生孢子，亦稱芽孢。每一細胞僅形成一個芽孢，所以其沒有繁殖功能。

基本介紹

• 中文學名：細菌芽孢
• 別稱：內生孢子
• 形態：圓形、橢圓、圓柱
• 特點：抗性強

形態

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。在有些細菌中，芽孢的直徑小於菌體直徑，這些細菌稱為芽孢桿菌，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。弧菌中只有芽孢弧菌屬(Sporovibrio)產芽孢.

細菌芽孢

形成

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著的原生質體。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。
芽泡形成過程中在化學成分方面也發生很大變化。生芽孢的細胞大量吸收鈣離子並大量合成營養細胞中沒有的吡啶二羧酸。在成熟的芽孢中，芽孢原生質體含有極高的吡啶二羧酸鈣，在新合成的、具有特殊化學構造的外（皮層和孢子衣，有時還有芽孢外壁）中也有這種物質。芽孢的壁含有一種特殊的肽聚糖，所有芽孢基本上都一樣，但與營養細胞的細胞壁肽聚糖卻不一樣。同時，芽孢中還含有一些特殊的蛋白質。

特性

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，對高溫、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。

細菌芽孢的特點概要
整個生物界中抗逆性最強的生命體，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、大小和著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）

《環境工程微生物學》一書對其特點的描述：
⒈芽孢的含水率低，38%～40%。
⒉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。
⒊芽孢中的2，6-吡啶二羧酸（dipicolinicacid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。
⒋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：高溫、低溫、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攝氏度時10分鐘就死亡，而芽孢在120～140攝氏度還能生存幾小時，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。

芽孢不易著色，但可用孔雀綠染色。

耐熱機制

滲透調節皮層膨脹學說：芽孢衣對多價陽離子和水分的透性很差皮層的離子強度很高，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。

萌發

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。低溫貯藏也有活化作用，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里萌發出來。萌發通常有三種方式：赤道脫出，末端脫出，斜出。

本質

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；而巨，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機率。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周期的必經階段，也不是細菌繁殖的一種形式，又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，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，不能再象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，伴隨著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。

作用

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，在其形成芽孢並產生晶體時收穫、乾燥，做成粉劑即可。

利用

芽孢可度過不良環境，對乾旱和高、低溫都有極強的抵抗力。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℃的低溫，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，還產生蛋白質伴胞晶體，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。

危害

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。因此需要用高溫滅菌法（121℃，30min）把芽孢殺死，才能使食品長期保存。醫療器械也需經高溫滅菌後才能保證安全。近幾年發展起來的輻射滅菌法，其主要殺滅對象也是芽孢。

伴孢晶體

伴孢晶體（parasporalcrystal）少數芽孢桿菌，例如蘇雲金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis)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。