芽胞杆菌属
文 / 新 燕
芽胞杆菌属（Bacillus）是一大群需氧或兼性厌氧、革兰阳性大杆菌。由于在有氧条件下可形成芽胞，故本属细菌常以芽胞形式广泛存在于土壤、水、空气尘埃中。至今为止，芽胞杆菌属内菌种数已超过200种，且有新的菌种、菌株不断被发现。该属细菌中致病菌主要有炭疽芽胞杆菌、蜡样芽胞杆菌等，其余多数为腐生菌，偶尔引起人类疾病，如在机体免疫力低下时，枯草芽胞杆菌可引起败血症及虹膜炎等。本属细菌具有营养要求不高，易于大量培养，芽胞存活能力顽强等特点，在医药、食品工业和环境保护等方面具有特殊意义。
第一节 炭疽芽胞杆菌
炭疽芽胞杆菌（B. anthracis），俗称炭疽杆菌，是引起动物和人类炭疽的病原菌，同时，它在微生物学发展史上占有奠基地位。1850年首先在死于炭疽的绵羊血液中发现此菌，1876年由德国医生郭霍（Koch）成功分离获得纯培养，并通过郭霍法则（Koch’s postulate）证实该菌为炭疽的病原菌。这是人类历史上发现的第一个病原菌。1881年由法国学者巴斯德（Pasteur）研制的炭疽芽胞杆菌减毒株也是人类历史上第一个减毒活疫苗。
一、 生物学性状
形态与染色 革兰染色阳性，菌体形态呈直杆状，两端平切，大小1.0～1.2μm×3.0～5.0μm，是致病菌中最大的细菌（图22-1）。在机体内散在或呈短链，在人工培养基中可呈长链排列，由于菌体两端平切，故似竹节状。在氧气充足、温度适宜（25℃～32℃）的环境中易形成芽胞，芽胞位于菌体中央，椭圆形，不膨出。有毒菌株产生荚膜。无鞭毛，无动力。
图22-1 炭疽芽胞杆菌形态
革兰染色，?1000
培养特性 需氧。适宜生长温度30℃～37℃，最适pH为7.0～7.4。营养要求不高，在普通培养基中生长旺盛，培养24小时形成直径2mm～4mm，灰白色、无光泽、不透明、扁平、边缘不整齐的粗糙型菌落。在低倍镜下观察菌落边缘呈卷发状。有毒菌株在含NaHCO3的血琼脂平板上，置5%CO2孵箱中培养48小时，可产生荚膜，呈粘液型菌落。菌落周围一般不溶血或轻微溶血。在肉汤培养基中生长，形成长链，故培养液底部出现卷曲丝状沉淀物，而培养液上中部始终澄清。该菌可缓慢液化明胶，穿刺接种于明胶培养管中，置37℃培养24小时后，培养物中呈现倒置的杉树状。
抗原构造 炭疽芽胞杆菌有荚膜多肽、菌体多糖和芽胞抗原等结构抗原，以及炭疽毒素复合物。
1．荚膜多肽抗原 由高分子D-谷氨酸多肽构成，具有抗吞噬作用，与毒力有关。用炭疽荚膜免疫实验动物不能产生明显保护作用。与相应抗体结合，出现荚膜肿胀反应，对细菌鉴定有意义。
2．菌体多糖抗原 由N-乙酰葡糖胺和D-半乳糖组成，与毒力无关。特异性不高，与本属其他细菌及14型肺炎链球菌，乃至人类A血型多糖抗原之间均有交叉。与相应抗体结合发生沉淀反应，称之为Ascoli沉淀反应。
3．芽胞抗原 是由芽胞外膜、皮质等组成的特异性抗原。可与相应抗血清产生抗原—抗体反应。
4．炭疽毒素复合物 是该菌重要的毒力因子，又具有免疫原性，用其免疫实验动物，可产生针对炭疽芽胞杆菌感染的保护作用。
抵抗力 炭疽芽胞杆菌繁殖体抵抗力与一般细菌相同，可被大多数消毒方法杀死。芽胞抵抗力强，在干燥土壤中可存活几十年，在动物皮毛中也能存活数年而致病力不减，在染色标本中仍可引起实验室污染。芽胞对氧化剂、烷化剂较敏感，1:2500碘液10分钟、1.0%过氧乙酸10～60分钟可破坏芽胞。用环氧乙烷、多聚甲醛熏蒸法，可杀灭空间内芽胞。121℃高压蒸气灭菌15分钟，140℃干烤3小时是消灭芽胞的可靠方法。
二、 致病性与免疫性
致病物质 炭疽芽胞杆菌有毒菌株产生荚膜及炭疽毒素，是其主要致病物质。荚膜由pOX2质粒编码，炭疽毒素由pOX1质粒编码，这两种质粒丢失，则失去形成荚膜和产生毒素的能力，成为弱毒或无毒株。
1．荚膜 具有抗吞噬作用，有利于细菌在机体组织中繁殖、扩散，是重要的侵袭因子。在体外，荚膜覆盖了噬菌体受体，可阻止噬菌体的吸附和裂解作用。
2．炭疽毒素 由保护性抗原（protective antigen，PA）、水肿因子（edema factor，EF）和致死因子（lethal factor，LF）三种蛋白质组成，符合毒素A-B型分子结构模式。PA是结合亚单位B，介导毒素与靶细胞表面受体结合，且有穿膜作用；EF和LF为具有酶活性的A亚单位，两者竞争性与PA结合。EF与PA结合构成完全水肿毒素（edema toxin，ET）；LF与PA 结合构成完全致死毒素（lethal toxin，LT）。PA、EF和LF的单一组分均不能发挥毒性作用。如将三者混合注射实验动物，可出现炭疽的典型中毒症状，导致微血管内皮细胞损伤，血管壁通透性增强，组织水肿，有效循环血量下降，血液呈高凝状态，迅速发生休克、DIC，甚至死亡。
近年研究证实，EF为钙离子和钙调素依赖的腺苷酸环化酶前体，EF与PA结合后，通过受体介导的内吞作用进入吞噬细胞，EF被细胞内钙调素激活，使ATP转为cAMP，迅速提高胞浆内cAMP水平，导致细胞离子转运增加，液体大量渗出，引起局部组织水肿。
关于LF的作用机制，目前还不十分清楚。根据一些实验观察认为LF可能是一种金属蛋白酶，其细胞活性也是钙依赖性的。只有巨噬细胞及巨噬细胞样细胞对LT敏感，在LF作用下，巨噬细胞产生大量IL-1、TNF等细胞因子，可能是导致实验动物死亡的主要原因。
所致疾病 炭疽是一种急性的人畜共患传染病。所谓人畜（兽）共患疾病（zoonosis）是指由共同病原体引起的人类和动物的某些传染病的总称。此类疾病中绝大多数传染源是动物，又称为动物源性疾病（animal-bome disease）。与之相应的细菌称为动物源性细菌。炭疽主要为草食动物所患疾病，牛、羊、马最敏感。至今在世界各大洲仍有地方性流行，是世界性五大兽疫之一。在炭疽疫区，动物通常因炭疽芽胞侵入受损皮肤、粘膜而引起感染，如草食动物食入带刺的和刺激性的植物时，口腔、消化道粘膜受损，土壤、饲料中的炭疽芽胞随之侵入机体造成感染。杂食动物和肉食动物可因误食炭疽病畜肉或内脏而感染。人对该菌中度敏感，全球每年约有2～10万病例，人类炭疽是典型的动物源性疾病。由于感染途径不同，表现为不同的临床类型：
1．皮肤炭疽 最为常见，接触病畜或污染的皮毛等物品时，病菌或芽胞通过皮肤微小伤口侵入，12～36小时后，局部出现丘疹，并迅速变为水疱、脓疮，进而发展成无痛性、周围水肿、中央呈坏死黑痂的典型炭疽痈。患者常伴有发热、寒战等全身症状，轻症2～3周可治愈。
2．肠炭疽 食入未煮熟的病畜肉、内脏及其它污染食物引起。有连续性呕吐和血便，肠内有炭疽痈，全身症状严重，可于2～3天死于毒血症。
3．肺炭疽 由于吸入炭疽芽胞引起的肺感染，多发生于皮毛加工业的工人。初期为感冒样症状，痰有粘性血块，进而成严重支气管肺炎。病情发展迅速，可在2～3天死于中毒性休克。上述三种感染类型，病菌均可侵入局部淋巴结，进入血流播及全身，引起败血症，并发急性出血性脑膜炎等。组织和器官的出血性坏死及水肿为炭疽的特征性病理变化。
免疫性 感染炭疽后可获得持久的免疫力，免疫保护作用主要是机体针对炭疽芽胞杆菌保护性抗原产生的相应抗体的保护作用，以及吞噬细胞的吞噬作用。
三、 微生物学检查法
标本 死于炭疽的牲畜尸体严禁室外剖检，以免芽胞污染环境。一般要在无菌条件下，割取动物舌尖或耳尖组织送检，以利早期确诊，查清疫源。皮肤炭疽患者，早期取病灶渗出液，后期取血液；肠炭疽患者，取粪便、血液或可疑畜肉；肺炭疽则取痰、血液、胸腔渗出液；脑膜炎时，可采取脑脊液。采取标本及送检过程中，要注意个人和环境的保护。
直接涂片镜检 渗出液、血液可直接涂片，新鲜组织作印片，先用1:1000升汞液固定5分钟以杀死芽胞，而后作革兰染色，如见有完整荚膜、呈竹节状排列的革兰阳性大杆菌，结合临床症状，可作初步诊断。也可用荧光抗体染色法或荚膜肿胀试验进行检查。
分离培养与鉴定 将待检样品接种于血平板或NaHCO3琼脂平板，如污染样品可使用PLET（多粘菌素－溶菌酶－EDTA－醋酸铵）选择培养基进行分离培养。血液等细菌含量较少的样品需先在血肉汤中作增菌培养后，再进行分离培养。37℃孵育 18～24小时，观察菌落形态。有毒株菌落为粘液型，不溶血或微溶血，可与芽胞杆菌属其它细菌进行鉴别，并作青霉素串珠试验和动物试验进行鉴定。
炭疽芽胞杆菌在含少量青霉素（0.05 U/ml～0.5U/ml）的培养基中，细胞壁合成受阻，细胞膜受胞质压力膨出，细菌形态变为大而均匀的圆球形，呈链状排列，似串珠状，为串珠试验阳性。在芽胞杆菌属中，唯有炭疽芽胞杆菌呈阳性结果。
将样品或培养物皮下注射小鼠或豚鼠，动物多在注射后2～3天发病，死于败血症。在有特殊防护设备的实验室中剖检，可见感染部位有皮下胶液性水肿，肝脾肿大呈暗褐色等典型病变，在感染组织、内脏及血液中有大量带有荚膜的炭疽芽胞杆菌。
如果检测结果符合炭疽芽胞杆菌特征，但菌体无荚膜或实验动物不发病，此株菌可能是毒力质粒缺失，注意不应轻易放弃。为避免有毒菌株的可能存在，这类菌株应送专业实验室作基因谱分析。
炭疽抗原检查 菌体多糖抗原对热相当稳定，将可疑病畜的皮毛、腐败脏器及感染组织的滤液经煮沸后与相应抗体进行Ascoli沉淀反应，如果出现环状沉淀，为阳性。由于此抗原特异性不高，本试验敏感度较差，只能作为判断炭疽病的参考。
四、防治原则
预防人类炭疽的关键是有效控制动物炭疽。对炭疽老疫区及常发地区牲畜进行疫苗接种，控制畜间炭疽传播。对病畜要立即隔离或宰杀，病畜尸体应焚烧或深埋于2米以下，并加大量石灰，避免芽胞污染环境，成为长期疫点。严禁使用病畜制成食品、骨粉、皮毛等产品出售。
对疫区牧民、兽医、牲畜屠宰人员、皮革毛纺工人，可使用炭疽减毒活疫苗进行特异性预防接种，接种半月后产生免疫力，可维持一年左右。与牲畜经常接触者应每年接种一次。
由于本菌易培养，炭疽芽胞抵抗力强，人类和家蓄均对炭疽易感等原因，长期被用作生物武器，应提高警惕，及时采取生物防护措施。
治疗炭疽以青霉素为首选。红霉素、四环素和强力霉素等也有效。
第二节 蜡样芽胞杆菌
蜡样芽胞杆菌（B. cereus），俗称蜡样杆菌。广泛分布于空气、土壤、水等自然环境中，健康成人粪便带菌率为14.5%，淀粉或乳制品食品由于储存不当等原因造成污染的机会很高。本菌可引起人类食物中毒以及多种肠外感染，并呈上升趋势。
一、生物学性状
蜡样芽胞杆菌繁殖体 1.0～1.2μm×3～5μm，为革兰阳性大杆菌，两端钝圆，有周鞭毛，能运动。无荚膜。培养6小时后即可形成芽胞，芽胞位于菌体中央，椭圆形，不膨出。需氧或兼性厌氧。在普通琼脂培养基中生长旺盛，形成较大、灰白色、表面粗糙似融蜡状菌落，因此而得名。
二、致病性
致病物质 蜡样芽胞杆菌在生长过程中产生多种酶和胞外毒性物质，在引起食物中毒时，腹泻毒素和呕吐毒素这两类肠毒素起主要作用。
1．腹泻毒素 是该菌在对数生长期合成并释放的胞外毒素，由多组分蛋白质构成。有抗原性，不耐热，56℃5分钟失活，对胰蛋白酶敏感。具有致实验动物肠襻液体积聚、坏死、皮肤血管通透性改变，致实验动物死亡等多种生物学活性。目前认为其作用机制与大肠杆菌不耐热肠毒素相似。
2．呕吐毒素 是某些菌株在芽胞形成时产生的小分子多肽。无抗原性，对热、酸、碱稳定，对胰蛋白酶、胃蛋白酶有抗性，可引起实验动物呕吐。作用机制不详。
所致疾病 本菌引起的食物中毒多发生在夏、秋季，摄入污染了大量蜡样芽胞杆菌的食物（食物含菌量＞106/g）可导致发病。常见的食物有米饭、乳品、果汁等。食物中毒可分为腹泻型和呕吐型：①腹泻型食物中毒：由腹泻肠毒素所致，临床表现发病急，有恶心、腹痛、腹泻、里急后重等。平均病程24小时；②呕吐型食物中毒：由呕吐肠毒素所致，潜伏期1～5小时，主要症状有恶心、呕吐、腹痛，仅少数患者出现腹泻，平均病程不超过10小时。
此外，蜡样芽胞杆菌也是外伤后眼部感染的常见病原菌，引起的全眼炎常需进行眼球摘除。在免疫功能低下或使用免疫抑制剂的人，本菌可引起心内膜炎、败血症和脑膜炎等。
三、微生物学检查法
疑为食物中毒时，应采取足够量的可疑食物和患者的呕吐物、粪便进行检查。由于暴露在空气中的食物在一定程度上都可能受到本菌的污染，故在分离培养的同时，需做活菌计数方有意义。根据形态、染色性、菌落特征和生化反应作出判定。毒素检测主要依靠动物试验。
四、防治原则
食物中毒的预防措施主要是加强食品的卫生管理，由于中毒食物往往是加热烹调过的熟食，故避免二次污染以及低温保存十分重要。治疗可选用红霉素、庆大霉素等。该菌能产生青霉素酶，对青霉素有抗性，治疗时应予注意。
除上述致病菌外，芽胞杆菌属中枯草芽胞杆菌（B. subtilis）分布广泛，是实验室中常见的污染菌，也常污染酒类、乳制品等引起食品变质，有些菌株还可引起结膜炎、虹膜炎、全眼炎及败血症。嗜热脂肪芽胞杆菌（B. stearothermophilus）可致使罐头食品发酸、膨出，其芽胞对湿热抵抗力极强，煮沸100℃需5小时，高压蒸气121℃需12分钟才能杀灭，因此是国际通用的评价灭菌效果的指示菌。多粘芽胞杆菌（B. polymyxa）产生多粘菌素，枯草芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌（B. licheniformis）产生杆菌肽，短杆菌（B. brevis）产生短杆菌肽，均有经济价值。苏云金芽胞杆菌（B.thuringiensis）等昆虫致病菌作为生物杀虫剂，在土中活性时间长、不污染环境、不易产生耐受等优点。枯草芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌常用作分子克隆的工具菌株。炭疽毒素常用于蛋白质、多肽向细胞内转运机制的研究。