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挖掘微生物暗物质——新思路

谷禾健康

对微生物组的深入研究,有望为困扰我们的健康问题提供新的解决之道。

然而目前有大多数微生物基因组尚未被培养,就算在已发现的基因组序列中,也有很多无法进行功能注释。因此还不能充分捕捉微生物系统发育树的功能多样性,这限制了我们对生物序列高级特征进行建模的能力。而模型的构建又是微生物组研究中重要的一块。

这里我们介绍一个新发布的深度学习模型,为大家的微生物研究提供一些新的思路。

该模型能做什么?

研究人员搭建了LookingGlass程序,应用RNN循环神经网络和LSTM长短期记忆神经网络学习方法,学习序列中的每个核苷酸字符,以达到能预测分类不同功能、同源性和环境起源的reads的目的。

LookingGlass模型还具有迁移学习的能力,经过微调后可以执行一系列不同的任务:例如识别新的氧化还原酶,预测酶的最适温度,以及识别氨基酸序列。

LookingGlass模型能够对其他未知和未注释的序列进行功能相关表征,从而挖掘微生物暗物质

方 法

1► LookingGlass模型的训练集、验证集和测试集选择

代表性细菌和古细菌基因组序列的分类由GTDB51(89.0 版)确定。

完整的基因组序列通过 NCBI Genbank ftp下载。这产生了 24,706 个基因组,包括 23,458 个细菌基因组和 1248 个古细菌基因组。

为了确定它们实际的序列长度,使用MetaSeek API下载了它们的测序元数据。去除长度<60bp或>300bp的样本,最终获得了平均序列长度为136bp的共计7909个样本。

LookingGlass模型的训练集、验证集和测试集都是在纲水平上划分的,在该分类水平下三者之间没有重叠的部分

  • 验证集为Actinobacteria, Alphaproteobacteria, Thermoplasmata, Bathyarchaeia每个物种下8个基因组,共计32个基因组;
  • 测试集为Bacteroidia, Clostridia, Methanosarcinia, Nitrososphaeria物种下的共计32个基因组;
  • 训练集为剩下的每个类别的1个基因组,共计32 个古细菌基因组和 298 个细菌基因组。

2LookingGlass模型的架构和训练

主要应用RNN循环神经网络和LSTM长短期记忆神经网络。

LookingGlass使用三层LSTM编码器模型,每个隐藏层有1152个单元,根据超参数调整的结果,embedding大小为104。

LookingGlass以自我监督的方式进行训练,根据序列中前面的核苷酸的上下文,预测一个被掩盖的核苷酸。

对于训练集序列中的每个reads,考虑多个训练输入,将被掩盖的核苷酸沿序列长度从第二位置移动到最后位置。因为它是一个字符级模型,线性解码器从可能的词汇“A”、“C”、“G”和“T”中预测序列中的下一个核苷酸,并带有“开始阅读”的特殊标记、“未知核苷酸”(对于不明确序列的情况)、“读取结束”(在LookingGlass训练期间仅对“读取开始”进行标记)和“填充”标记(仅用于分类)。

LSTM 的正则化和优化利用 dropout 和梯度下降方法以获得最佳性能,使用fastai 库进行训练。

硬件方面,LookingGlass在 Microsoft Azure 上,内存为 16GB的 Pascal P100 GPU 进行训练。总共训练了 12 天,共 75 个 epoch,根据超参数优化的结果逐渐降低学习率:15 个 epoch,学习率为 1e-2,15 个 epoch,学习率为2e-3,并以 1e-3 的学习速率进行 45 个 epoch。

3超参数优化

通过随机搜索调整超参数,主要调整:

  • kmer size
  • stride
  • number of LSTM layers
  • number of hidden nodes per layer
  • dropout rate
  • weight decay
  • momentum
  • embedding size
  • bptt size
  • learning rate
  • batch size

主要结果

LookingGlass能够捕获序列的功能相关特征

功能注释预测的多分类混淆矩阵。横轴表示真实值,纵轴表示预测值。方块内的数值为归一化后的预测百分比,左边为预测正确的,右边为预测错误的。

图a表示对验证集中EC功能编号的第一个位置的预测,图b表示对第二个位置的预测,显示准确率都在80%以上。

LookingGlass能够捕获序列在系统发育上的相关特征

LookingGlass在门水平上识别同源序列对。蓝色为同源(Homologous),红色为非同源(Nonhomologous)。

图a为embedding相似性度的组间比较,同源组显著高于非同源组,embedding相似度计算为embedding向量之间的余弦相似度。

图b准确度、精确度、召回率和 F1分值的变化,可见在embedding相似性阈值为0.62时其准确度(accuracy)最高,达到了66.4%,这是指门水平的。文中表示在纲水平上达到了68.3%,在目水平上达到了73.2%,在科水平上达到了76.6%,在属水平上达到了78.9%。LookingGlass使用embedding方法区分同源和非同源序列,而不依赖它们的序列相似性(Smith-Waterman比对)。

图c比较了这两种方法在搜索同源物时的结果,图中的黑框表示被LookingGlass 正确识别的同源序列,但使用比对时遗漏了。可见许多同源物具有非常低的序列相似性(bit score<50),不能被基于比对的方法捕获到,但LookingGlass可以。LookingGlass识别同源基因的高精度,与它们的序列相似性无关,表明它捕捉到了高水平的特征,可能反映了序列之间的在系统发育上的关系。

LookingGlass区分不同环境样本的序列

来自100个不同环境样本的宏基因组功能注释集作为验证集。从中对每个环境组别中随机抽取20000个序列计算embedding相似度。发现组间的embedding相似性通常低于组内的,即来自相同环境背景的序列通常聚集在一起。

LookingGlass支持迁移学习任务

以LookingGlass的底层架构作为起点,微调预训练模型,以执行不同任务。

1. 预测分类氧化还原酶

对LookingGlass功能注释分类模型进行微调后,执行氧化还原酶的预测分类任务。

上图为对序列相似性(bit score<50)的序列,预测分类是否为氧化还原酶的编码基因的准确度、精确度、召回率和 F1分值的变化,结果表示默认阈值为0.5时,其准确度(accuracy)最高,为82.3%。

基于LookingGlass模型能够区分不同环境背景下的序列这一优势,研究人员使用来自16个海洋宏基因组作为测试集,样品覆盖范围从纬度(从-62 度到 76 度),海洋深度(从表层~5米到中层~ 200-1000米)以及氧浓度(包括来自氧最低区的4个中上层样品),并从中对每个宏基因组随机抽取 2000 万reads。

挖掘其中的氧化还原酶序列,并证明LookingGlass对氧化还原酶的分类优于传统的基于同源性的方法。

图a为LookingGlass在海洋表层区(surface)、中层区(mesopelagic)以及氧浓度最低区(OMZ)预测分类为氧化还原酶序列的比例

图b为在海洋表层区组中,纬度与氧化还原酶的相关性,结果表示存在显著相关(R2 = 0.79,P = 0.04)。

图c为分别使用LookingGlass、MG-RAST mi-faser工具搜索氧化还原酶序列,并统计其预测为氧化还原酶(oxidoreductases)、非氧化还原酶(not oxidoreductases)和未注释(unannotated)的序列比例。结果为MG-RAST 注释了 26.7-50.3% 的reads,其中 0.01-4.0% 被鉴定为氧化还原酶。Mi-faser 注释了 0.17-2.9% 的reads,其中 0.04-0.59% 被鉴定为氧化还原酶。可见,LookingGlass更具优势

2. 使用LookingGlass识别氨基酸序列

LookingGlass直接从CDS预测翻译帧起始位置(1、2、3、-1、-2 或 -3),准确率达到了97.8%,但目前仅用于非编码DNA比例较低的原核序列。

3. 从 DNA 序列片段预测酶的最佳温度

酶的最佳温度部分取决于 DNA 序列特征,但难以预测,尤其是短读长。将温度划分为嗜冷(<15°C)、嗜温(20-40°C)或嗜热(>50°C),微调LookingGlass程序后,输入序列预测最佳温度类别,准确率达70.1%

结 论

LookingGlass程序能够不通过比对参考数据库来预测表征DNA序列,从而获得功能注释和系统发育相关信息。同时,LookingGlass的迁移学习框架能够快速学习、训练和收敛以适用不同分类任务,这对于未来复杂生物系统建模提供了一些贡献。

预测分类氧化还原酶可以挖掘位置序列的潜在功能,未来还会扩大可预测的酶类。预测酶的最佳温度可以用于指导蛋白质设计所需的功能和最佳温度。

总而言之,这是一个不错的探索。作者已经将本文所用到的模型功能封装为python库—fastBio,能够直接使用本文使用到的数据集进行模型训练,可在以下地址获得:github.com/ahoarfrost/fastBio/

主要参考文献:Hoarfrost A, Aptekmann A, Farfañuk G, Bromberg Y. Deep learning of a bacterial and archaeal universal language of life enables transfer learning and illuminates microbial dark matter. Nat Commun. 2022 May 11;13(1):2606. doi: 10.1038/s41467-022-30070-8. PMID: 35545619; PMCID: PMC9095714.

细菌感染和抗生素使用

谷禾健康

人的身体拥有数千种细菌,这些细菌在维持健康方面发挥着重要作用。当这些细菌失控繁殖并侵入身体的其他部位或将有害细菌引入身体的系统时,可能会发生细菌感染

细菌感染的严重程度取决于所涉及的细菌类型和所感染的部位等。细菌最常感染肠道、皮肤和呼吸系统,包括肺、泌尿道和阴道。

目前应对细菌感染的主要治疗方法还是使用抗生素,但是抗生素管理,或改进抗生素的处方和使用方式,对于优化感染患者的治疗、保护患者免受伤害和对抗抗生素耐药性至关重要。

今天我们重点了解下什么是细菌感染,感染的症状、原因和类型,包括诊断测试和治疗方案,抗生素什么时候使用,什么时候不用,抗生素的耐药性如何产生以及使用抗生素的注意事项等。

什么是细菌?

了解什么是细菌感染以及如何治疗细菌感染,我们应该先了解细菌的概念

来源:MedicineNet

地球上所有的生物都是由两种基本类型的细胞中的一种组成:

真核细胞,其遗传物质被包裹在核膜内;

原核细胞,其遗传物质与细胞的其他部分不分离。

传统上,所有的原核细胞都被称为细菌,被归为原核生物界

1970年代后期,美国微生物学家卡尔·沃斯(Carl Woese)率先在分类上进行了重大变革,将所有生物分为真核生物、细菌(原名真细菌)和古细菌(原名古细菌)三个领域,以反映三条古老的进化路线。原核生物以前被称为细菌,然后被分为两个领域,细菌和古细菌。

published by Woese et al.

细菌和古细菌在表面上是相似的,例如,它们没有细胞内的细胞器,它们有环状DNA。但是,它们在本质上是截然不同的,它们的分离是基于其古老而又独立的进化谱系的遗传证据,以及其化学和生理学的根本差异。这两个原核域的成员彼此之间的区别与它们和真核细胞中的区别一样。

细菌细胞在几个方面不同于动物细胞和植物细胞。一个根本的区别是细菌细胞缺乏动物细胞和植物细胞中都存在的细胞内细胞器,例如线粒体,叶绿体和细胞核。细菌体积小,设计简单,代谢能力强,使它们能够迅速生长和分裂,并在几乎任何环境中生存和繁衍。

细菌,动物和植物细胞的比较

除此之外,原核和真核细胞在许多其他方面有所不同,包括脂质组成,关键代谢酶的结构,对抗生素和毒素的反应以及遗传信息的表达机制。

真核生物包含多个线性染色体,这些染色体的基因比编码蛋白质合成所需的基因大得多。遗传信息的核糖核酸(RNA)副本(脱氧核糖核酸或DNA)的大部分被丢弃,剩余的信使RNA(mRNA)在被翻译成蛋白质之前已被充分修饰。相反,细菌具有一个包含所有遗传信息的环形染色体,它们的mRNA是其基因的精确副本,不会被修饰。

细菌细胞在结构上比真核细胞小得多,也简单得多,但细菌是一个在大小、形状、生境和代谢上都有差异的极其多样化的有机体群体。

许多关于细菌的知识来自对致病细菌的研究,这些细菌比许多自由生活的细菌更容易在纯培养中分离出来,也更容易被研究。必须注意的是,许多自由生活的细菌与适应作为动物寄生虫或共生体生活的细菌有很大的不同。因此,关于细菌的组成或结构没有绝对的规则,任何说法都会有许多例外。

大多数细菌对地球上的生命都是有益的,甚至是生命所必需的,但少数细菌却对人类有害。目前,没有一种古细菌被认为是病原体,但是包括人类在内的动物不断遭到大量细菌的“轰击和居住”。

口腔,肠道和皮肤被大量特定类型的细菌定殖,这些细菌适应这些栖息地的生活。这些微生物在正常情况下是无害的,并且仅在它们以某种方式穿过身体的屏障并引起感染时才变得危险。

一些细菌擅长入侵宿主,被称为病原体或疾病产生者。一些病原体作用于人体的特定部位,例如:

  • 脑膜炎球菌(Neisseria meningitidis),它会侵袭并刺激脑膜,大脑和脊髓周围的膜;
  • 白喉棒状杆菌(Corynebacterium diphtheriae),最初感染喉咙;
  • 霍乱弧菌,其产生的毒素导致大量腹泻;
  • 其他能感染人类的细菌包括葡萄球菌(主要是金黄色葡萄球菌),它能感染皮肤引起疖子,在血液引起败血症(血液中毒),在心脏瓣膜引起心内膜炎,或在骨头引起骨髓炎。

在食物中传播的许多致病菌的毒素在摄入时会引起食物中毒

金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus)产生的毒素,能引起迅速、严重但有限的胃肠道不适。

肉毒梭菌Clostridium botulinum)的毒素,通常是致命的。在密封前未完全煮熟的罐装非酸性食品中可能产生肉毒杆菌毒素。肉毒梭菌形成耐热孢子,可以发芽为营养细菌细胞,在厌氧环境中茁壮成长,这有利于产生其极强的毒素

其他食源性感染实际上是由受感染的食物处理者传播的,包括伤寒、沙门氏菌病(沙门氏菌属)和志贺氏菌病(痢疾志贺氏菌属)

关于食物中毒相关细菌详见:正值夏季,警惕食源性疾病,常见的食物中毒的病原菌介绍

细菌感染

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什么是细菌感染?

细菌感染是指病原菌侵入宿主组织。当有害细菌进入人体或伤口并繁殖,导致疾病、器官损伤、组织损伤或疾病时,就会发生细菌感染。细菌可以感染身体的任何部位

细菌感染很常见,但它们并不完全相同。细菌有很多种,每种对身体都有不同的影响。广义上来讲,细菌感染也可以是由任何细菌引起的任何内部或外部疾病的广义术语。

细菌存在于与人体的各种关系中。它们在体表内定殖并提供益处,正常情况下细菌可以与人类身体共存不会产生有害的影响(在共生关系中)。但是有时候,通常无害地存在于我们体内或皮肤上,而不会造成任何异常问题的细菌会失控并导致感染。这种情况通常发生在我们的免疫系统不够强大,无法保持它们的平衡,或者我们的微生物区系的组成发生了一些变化,对某些细菌生存繁殖更有利

细菌感染是由体内的坏细菌引起的。一些细菌感染可能危及生命。标准的医学治疗通常涉及一剂抗生素细菌感染很容易与病毒感染混淆。但是他们并不一样,后面我们会单独解释。

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什么导致细菌感染?

  • 人体因素——免疫力下降

当皮肤粘膜有破损或发生化脓性炎症时,细菌则容易侵入体内。

人体的免疫反应可分为非特异性免疫反应及特异性免疫反应两种,后者又可分为细胞免疫与体液免疫两方面。当机体免疫功能下降时,不能充分发挥其吞噬杀灭细菌的作用时,即使入侵的细菌量较少,致病力不强也能引起感染;条件致病菌所引起的医源性感染也逐渐增多

人体免疫功能正常时,进入血中的细菌迅速被血中防御细胞如单核细胞、嗜中性粒细胞等所清除,而患肝硬变、糖尿病、血液病、结缔组织病等慢性病者,可因代谢紊乱、体液免疫及细胞免疫功能减低,易招致败血症发生;各种免疫抑制药物的使用、放射治疗亦是导致败血症发病率高的原因。广谱抗菌药物使用后,对药物敏感的细菌虽被抑制或杀灭,而一些耐药菌乘机繁殖,亦可酿成败血症。

  • 细菌因素——毒力强、量大造成感染

细菌侵入人体后是否引起感染,除了与人的防御、免疫功能,还与细菌的毒力及数量有关。毒力强或数量多的致病菌进入机体,引起感染的可能性较大。

严重烧伤时,创面为细菌敞开门户,皮肤坏死、血浆渗出又为细菌繁殖提供了良好环境,故极易发生感染。

尿路、胆道、胃肠道、呼吸道粘膜受破坏后,若同时有内容物积滞、压力增高,细菌更易进入血中,保留导尿管、静脉等血管内留置导管、人工辅助呼吸时插管等,也使细菌易于侵入

  • 传播因素——病原细菌传染

细菌是微观的,通常是单细胞生物,到处都可以找到(例如,在我们体内、皮肤上、空气中、水里、土壤中或我们吃的食物里)。细菌具有传染性,因此,它可以通过与患者的密切接触在人与人之间传播。接触受污染的表面、食物、水以及打喷嚏和咳嗽就是例子。

发生感染的几个条件:

  • 来源:传染源(细菌)生活的地方(例如,水槽、表面、人体皮肤)
  • 易感人群:有细菌进入人体的途径
  • 传播:一种将细菌转移到易感人群的方式

此外,细菌还可以导致急性感染(快递治疗)和慢性感染(持续很长时间甚至终生),以及潜伏感染(最初可能没有任何明显迹象或症状但可以过段时间自然发展)。症状可以从轻度、中度到重度不等。在严重的情况下,导致数百万人死亡;例如,许多人死于黑死病或鼠疫。

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细菌感染的特征是什么?

细菌感染的常见特征:

  • 感染持续很长时间。如果感染持续数周以上,最好由医生检查是否是细菌感染。通常,病毒感染的持续时间不会超过几周。为了使诊断更加复杂,有时从病毒感染开始发展为细菌感染。
  • 发烧越来越剧烈。细菌和病毒感染都会导致发烧,但它们之间的一个关键区别是,病毒感染会发烧,可能几天后发烧,但如果是细菌感染,发烧可能会加剧。通常,细菌感染产生的发烧比病毒感染引起的发烧要高。然而,病毒性流感也可能引起高烧。
  • 发烧但没有感染迹象。细菌感染可能会使患者发烧,但医生几乎没有发现感染。一个典型的案例是幼儿感染细菌性尿路感染。这种疾病很难识别,但如果不及时治疗,可能会导致肾脏损害。因此,强烈建议在这些情况下检查孩子的尿液。孩子越小,越需要谨慎。
  • 颈部僵硬。这可能是所有细菌感染中最可怕的一种——脑膜炎的征兆。尽管在很多情况下,颈部僵硬只是由于一段时间的不良姿势造成的,但如果看到小孩子出现这种情况,父母需要特别警惕。有时也可能孩子的精神状态有问题,可能危及生命,需要立即就医。
  • 脱水。如果患者不能正常摄入液体,细菌感染可能会导致患者脱水。这是父母需要特别关心的,而且孩子越小,需要越多的照顾才能保持充足的水分。如果孩子喝水很少,并且在 24 小时内排尿次数不超过 3 次,请带他们进行体检。
  • 肚子不舒服。每个人都会时不时地感到胃部不适,但如果伴随着发烧,很可能是细菌感染。沙门氏菌是所有细菌感染中最著名的一种。如果吃了腐烂的食物或以其他方式污染的食物,可能会出现细菌感染,并患有胃部不适。
  • 血液中的细菌感染。有时,身体其他部位的细菌感染都可能导致细菌进入血液。这会导致败血症,危及生命。发烧,开始颤抖,最终可能会陷入昏迷。这是导致老年人死亡的主要原因。早期诊断和治疗对于挽救生命至关重要。
  • 头痛。这是细菌感染的另一个常见迹象,尽管很明显,头痛还有许多其他原因,例如脱水或压力。有时细菌感染会引起相对轻微的头痛,使患者感到不舒服,但一般或多或少可以正常工作。如果头痛变得剧烈到干扰正常生活,需要及时就医来确定是否是细菌感染。
  • 淋巴结肿大。淋巴结位于手臂下方、颈部后部和身体的各个其他部位。当细菌感染发展时,这些节点可能会在试图抵抗细菌攻击时变得肿胀。虽然这是一种正常的身体反应,通常不需要过度担心,当然也可能是更严重疾病的症状。
  • 皮肤问题。某些类型的细菌感染也可以通过引起的皮肤问题来检测。患者可能会发现水泡或出现皮疹或其他某种皮肤变色。然而,不能自动假设皮肤问题和细菌感染之间存在联系。例如,过敏可能会导致皮疹。
  • 眼睛、耳朵细菌感染。细菌相关的眼部和耳部感染是很常见的。最常见的是结膜炎,中耳炎等。眼睛发红,耳朵疼痛是它们的特征,患者也可能会出现眼睛分泌物和视力模糊,听力下降等。

常见的各部位细菌感染的症状

细菌性感冒

细菌性感冒(Bacterial cold)是指继发细菌感染引起的感冒。感冒在习惯上分为病毒性感冒和细菌性感冒

病毒性感冒有:普通感冒、流行性感冒和病毒性咽炎等。其主要不同是致病因素不同,病毒性感冒是由于病毒所致,而细菌性感冒是由于细菌所致

注:流行性感冒(流感通过病毒传播,不是细菌性感冒,注意区分),是由流感病毒引起的急性呼吸道传染病。

细菌的感染还取决于受感染细菌的类型,常见的细菌感染例如:

  • 沙门氏菌是一种与食物中毒有关的感染。吃未煮熟的家禽是一种常见的感染方法。症状包括严重的胃部不适、腹泻和呕吐。非伤寒沙门氏菌细菌引起沙门氏菌。这些细菌生活在人类和其他动物的胃肠道 (GI) 中。
  • 大肠杆菌(E. coli)也会引起胃肠道不适。感染通常会自行改善,但可能很严重,甚至是致命的。受污染的食物——包括未煮过的蔬菜也会传播大肠杆菌。
  • 结核病是由结核分枝杆菌引起的高度传染性疾病细菌。它通常会导致肺部感染。
  • 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA) 是一种对抗生素产生抗药性的细菌。比较危险,尤其是对于免疫系统受损的人。
  • 艰难梭菌 (C. diff) 是肠道中的一种细菌,通常无害。然而,使用抗生素或免疫系统减弱会导致这些细菌过度生长。这导致以结肠发炎和持续性腹泻为特征的胃肠道感染。
  • 幽门螺杆菌 (H. pylori) 会导致胃溃疡和慢性胃炎,或胃部炎症。胃酸倒流、酸度和吸烟会增加这种细菌感染的风险。
  • 厌氧菌感染 一些感染是由存在氧气时无法存活或繁殖的细菌引起的。这些称为厌氧菌的细菌通常生活在胃肠道中,那里只有有限的氧气。放线菌病(下颌肿块病)最常由一种称为放线菌的细菌引起。这种感染通常发生在面部和颈部,有时发生在牙齿感染或拔牙或口腔手术等手术或面部创伤后。它还可能影响身体的其他部位,包括腹部,这可能与肠道穿孔或该区域的创伤有关。当存在这些感染时,可能会形成脓肿(脓液)。放线菌病很少发生在婴儿和儿童身上。
  • 拟杆菌属和普氏菌感染。来自拟杆菌属和普氏菌属的细菌是厌氧的。它们是口腔、胃肠道和女性生殖道中的常见生物。这两个菌属特定的菌株会导致所有年龄段的儿童和成人身体各个部位发生感染。最常见的是牙齿感染、腹壁炎症(腹膜炎)以及腹部、子宫或管内的脓肿。在身体的其他部位,这些细菌与慢性耳部感染、深部皮肤感染和肺脓肿等疾病有关。
  • 肺炎克雷伯氏菌感染。肺炎克雷伯菌可以自然存在于健康个体的肠道和呼吸道中,具有健康免疫系统的人很少发生感染疾病。肺炎克雷伯氏菌在人宿主中有两个主要的定植渠道:上呼吸道和肠道。肺炎克雷伯菌建立定植必须与这两个位置的微生物群和免疫系统建立的防御系统抗衡。这种细菌与脑膜炎,腹膜炎,败血病和肺炎有关。肺炎克雷伯菌是引起肺炎的人类呼吸系统的主要病原体之一。

如何预防细菌感染

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了解细菌的传播机会

细菌感染具有高度传染性,因此需要特别注意避免通过洗手、打喷嚏和咳嗽时遮盖以及不共用杯子和饮料瓶来传播感染。

细菌有多种传播方式,包括:

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勤洗手,增加免疫力

当你忍不住咳嗽或打喷嚏时,用纸巾捂住口鼻或用手肘内侧。

在下述情况下需要洗手,至少洗20秒:

  • 准备食物之前、之中和之后,吃东西之前
  • 在家照顾因呕吐或腹泻而生病的人之前和之后
  • 在治疗割伤或伤口之前和之后
  • 上完厕所后
  • 换尿布或清理上过厕所的孩子后
  • 擤鼻涕、咳嗽或打喷嚏后
  • 接触动物、动物饲料或动物粪便后
  • 处理宠物食品或宠物零食后
  • 接触垃圾后

如果没有肥皂和水,可以使用酒精含量至少为 60% 的酒精类洗手液。

除此之外,其他需要注意的:

  • 如果生病了,请待在家里休息
  • 避免与生病的人密切接触
  • 在处理、烹饪和储存食物时注意食品安全
  • 定期清洁和消毒经常接触的表面和物体
  • 其他健康的生活方式,包括锻炼、均衡饮食、避免吸烟、充分休息、保持心情愉悦等。

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接种疫苗

接种疫苗。如轮状病毒是一种导致婴儿和幼儿严重肠胃炎的病毒。所有婴儿都应在 6 周和 4 个月大时接种轮状病毒疫苗。

流感疫苗。当患上流感时,免疫系统会被削弱。这使细菌有机会侵入肺部并引起感染。每年注射一次流感疫苗可以防止感染肺部细菌。

肺炎球菌多糖疫苗。美国疾病控制与预防中心 (CDC) 推荐 65 岁及以上的人接种肺炎球菌多糖疫苗 (PPSV)。它也适用于免疫系统较弱或患肺炎风险较高的成年人。

如何治疗细菌感染?

治疗取决于感染的严重程度、患者的年龄、免疫系统有多强、是否存在任何并存症状以及现有的医疗条件。

治疗可能包括:

  • 口服/外用/注射/抗生素
  • 疫苗
  • 天然提取物
  • 中草药
  • 粪菌移植
  • 噬菌体
  • 细菌素
  • 益生菌
  • 单克隆抗体
  • 海洋天然产物…

扩展阅读:

细菌素——对抗感染、保存食品、重塑肠道菌群

还在滥用抗生素?15种天然抗生素助你调节肠道菌群

这里我们主要来了解一下,用于细菌感染的药物——抗生素。

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抗生素及其分类

目前抗生素是对抗细菌感染的常用药物。它们通过破坏细菌细胞生长和增殖所需的过程来发挥作用。

抗生素根据抗菌谱可以分为:

广谱抗生素,中谱抗生素和窄谱抗生素。

✓ 广谱抗生素

广谱抗生素可对抗多种细菌。广谱抗生素可治疗革兰氏阳性菌和阴性菌,因此如果医生不确定有哪些细菌,他或她可能会开出其中一种抗生素。

阿莫西林、奥格门汀、头孢菌素(第 4 代和第 5 代)、四环素氨基糖苷类和氟喹诺酮类(环丙沙星)是广谱抗生素的例子。

✓ 中谱抗生素

中谱抗生素针对一组细菌。青霉素和杆菌肽是流行的中谱抗生素。

✓ 窄谱抗生素

窄谱抗生素用于治疗一种特定的细菌。多粘菌素属于这一小类抗生素。当确定患有哪种细菌感染时,治疗会更容易和更有效

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抗生素的作用方式

抗菌活性通常分为五种机制:

  • 干扰细菌细胞壁合成
  • 抑制细菌蛋白质生物合成
  • 抑制细菌核酸合成
  • 抑制代谢途径
  • 抑制细菌膜功能

Uddin TM, et al., J Infect Public Health. 2021

不同种类抗生素作用的方式

Uddin TM, et al., J Infect Public Health. 2021

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常见抗菌药物的抗菌谱

青霉素

最初的青霉素仅用于革兰阳性菌感染的治疗,由于金黄色葡萄球菌很快产生一种青霉素酶对青霉素产生了耐药,人们研制出了以甲氧西林、苯唑西林为代表的耐酶青霉素,用于产青霉素酶的葡萄球菌( 甲氧西林耐药者除外) 感染。

之后,以氨苄西林、阿莫西林为代表的广谱青霉素由仅对革兰阳性(G+) 菌有效扩展到对革兰阴性(G-) 菌( 主要为肠杆菌科细菌) 也具有抗菌活性。在广谱青霉素的基础上又发展为对铜绿假单胞菌等非发酵菌也具抗菌活性者,当前应用主要为脲基类青霉素,包括: 哌拉西林、阿洛西林、美洛西林。

代表药物: 阿莫西林(amoxicillin)

阿莫西林是一种抗细菌的青霉素抗生素

阿莫西林用于治疗由细菌引起的多种不同类型的感染,例如扁桃体炎、支气管炎、肺炎以及耳、鼻、喉、皮肤或泌尿道感染。

阿莫西林有时还与另一种称为克拉霉素( Biaxin ) 的抗生素一起用于治疗由幽门螺杆菌感染引起的胃溃疡。这种组合有时与一种称为兰索拉唑(Prevacid)的胃酸减少剂一起使用。

四环素

四环素是一类抗生素,可用于治疗由易感微生物引起的感染,例如革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌、衣原体、支原体、原生动物或立克次体

它们是在 1940 年代发现的,第一个四环素是从链霉菌中获得或衍生的。

四环素抑制微生物 RNA 中的蛋白质合成(一种重要的分子,作为 DNA 的信使)。它们主要是抑菌剂,这意味着它们可以防止细菌繁殖,但不一定会杀死它们

四环素类药物现今应用的品种除四环素外,更常用有多西环素( 强力霉素) 和米诺环素( 二甲胺四环素) 。由于常见病原菌对本类药物耐药性普遍升高及其不良反应多见,当前本类药物临床应用已受到很大限制

代表药物:强力霉素(doxycycline)

强力霉素是一种四环素抗生素,可以对抗体内的细菌。

强力霉素用于治疗许多不同的细菌感染,例如痤疮、尿路感染、肠道感染、呼吸道感染、眼部感染、淋病、衣原体、梅毒、牙周炎(牙龈疾病)等。

强力霉素也用于治疗由红斑痤疮引起的瑕疵、肿块和痤疮样病变。

某些形式的强力霉素用于预防疟疾、治疗炭疽或治疗由螨虫、蜱虫或虱子引起的感染。

什么是林可霉素衍生物?

林可霉素衍生物是一小类抗生素,可抑制细菌蛋白质的合成,而细菌蛋白质对细菌的生存至关重要。林可霉素衍生物保留用于治疗由肺炎球菌、葡萄球菌和链球菌的敏感菌株引起的感染。一种衍生物也可用于治疗恶性疟原虫(疟疾)。

林可霉素类包括林可霉素及克林霉素。克林霉素的体外抗菌活性优于林可霉素,主要可应用于敏感肺炎链球菌、其他链球菌属( 肠球菌属除外) 及甲氧西林敏感金葡菌所致的各种感染。该类药物对厌氧菌有良好的抗菌活性常与其他抗菌药物联合用于腹腔感染及盆腔感染,也由于其骨组织浓度较高适用于骨和关节的G + 菌感染。使用本类药物时,应注意假膜性肠炎的发生,如有可疑应及时停药。本类药物有神经肌肉阻滞作用,应避免与其他神经肌肉阻滞剂合用,应注意静脉滴注速度宜缓慢滴注,不可静脉推注。

代表药物:克林霉素(Clindamycin)

克林霉素是一种抗生素,可以对抗体内的细菌。

克林霉素用于治疗由细菌引起的严重感染。

服用此药前 如果对克林霉素或林可霉素过敏,则不应使用该药。

为确保克林霉素的安全,请告诉医生是否曾经有过:结肠炎、克罗恩病或其他肠道疾病; 湿疹或皮肤过敏反应; 肝病; 哮喘或对阿司匹林的严重过敏反应; 对黄色食用色素过敏

什么是喹诺酮类药物?

喹诺酮类是一种抗生素。抗生素杀死或抑制细菌的生长

有五种不同的喹诺酮类。此外,另一类抗生素,称为氟喹诺酮类,是从喹诺酮类通过氟修饰其结构衍生而来的。氟喹诺酮类抗生素可导致严重或致残的副作用,这些副作用可能不可逆。

喹诺酮类药物和氟喹诺酮类药物有许多共同点,但也有一些区别,例如它们对哪些生物有效。有些人互换使用喹诺酮和氟喹诺酮这两个词。

喹诺酮类和氟喹诺酮类对细菌产生的两种酶(拓扑异构酶 IV 和 DNA 促旋酶)的功能产生不利影响,因此它们不能再修复 DNA 或帮助其制造。

现今临床主要应用为氟喹诺酮类,常用有诺氟沙星、环丙沙星等主要用于单纯性下尿路感染或肠道感染。但应注意,现今国内尿路感染的主要病原菌大肠埃希菌中,耐药株已达半数以上。环丙沙星尚与β-内酰胺类抗生素联合用于治疗中、重度革兰阴性杆菌感染包括铜绿假单胞菌的感染

近年来研制的新品种左氧氟沙星、莫西沙星等对肺炎链球菌、化脓性链球菌等G + 球菌的抗菌作用增强,对衣原体属、支原体属、军团菌等细胞内病原或厌氧菌的作用亦有增强,但对G-菌活性增强不明显,对铜绿假单胞菌的抗菌活性仍以环丙沙星为最强。左氧氟沙星、莫西沙星除可用于尿路感染或肠道感染外也可用于呼吸道感染,特别适合于肺炎链球菌( 包括耐青霉素肺炎链球菌) 、支原体、衣原体、军团菌等所致社区获得性肺炎的治疗,此外亦可用于皮肤软组织感染。

在治疗腹腔、胆道感染及盆腔感染时除莫西沙星外需与甲硝唑等抗厌氧菌药物合用。部分品种可与其他药物联合应用作为治疗耐药结核分枝杆菌和其他分枝杆菌感染的二线用药。

代表药物:环丙沙星(Ciprofloxacin)和左氧氟沙星(Levofloxacin)

环丙沙星和左氧氟沙星是一种氟喹诺酮抗生素,用于治疗不同类型的细菌感染。也用于治疗接触过炭疽或某些类型鼠疫的人。环丙沙星和左氧氟沙星应仅用于无法用更安全的抗生素治疗的感染。

左氧氟沙星、莫西沙星:对肺炎链球菌、A 组溶血性链球菌等革兰阳性球菌、衣原体属、支原体属、军团菌等细胞内病原或厌氧菌的作用强。

环丙沙星、左氧氟沙星:主要适用于肺炎克雷伯菌、肠杆菌属、假单胞菌属等革兰阴性杆菌所致的下呼吸道感染。

头孢霉素

头孢菌素是一大类从霉菌顶孢菌(以前称为头孢菌素)中提取的抗生素。头孢菌素具有杀菌作用(杀死细菌),其作用方式与青霉素相似。它们结合并阻断负责制造肽聚糖的酶的活性,肽聚糖是细菌细胞壁的重要组成部分。它们被称为广谱抗生素,因为它们对多种细菌有效。

自 1945 年发现第一个头孢菌素以来,科学家们一直在改进头孢菌素的结构,以使其对更广泛的细菌更有效。每次结构发生变化,都会产生新的“一代”头孢菌素。迄今为止,头孢菌素已有五代。所有头孢菌素均以 cef、ceph 或 kef 开头。请注意,该分类系统在不同国家/地区的使用并不一致。

第一代头孢菌素是指发现的第一组头孢菌素。它们的最佳活性是对抗革兰氏阳性细菌,如葡萄球菌和链球菌。它们对革兰氏阴性菌几乎没有活性。

第二代头孢菌素尚可应用于由流感嗜血杆菌、大肠埃希菌、奇异变形杆菌等中的敏感株所致的尿路感染、皮肤软组织感染、败血症、骨及关节感染和腹腔、盆腔等感染。但如用于腹腔感染和盆腔感染时需与抗厌氧菌药合用。头孢呋辛尚可用于脑膜炎球菌、流感嗜血杆菌所致脑膜炎的治疗,也可作为围术期预防用药。

第三代头孢菌素:对肠杆菌科细菌等革兰阴性杆菌具有强大抗菌作用,头孢他啶和头孢哌酮对铜绿假单胞菌亦具较强抗菌活性;注射品种有头孢噻肟、头孢曲松、头孢他啶、头孢哌酮等,口服品种有头孢克肟和头孢泊肟酯等,口服品种对铜绿假单胞菌均无作用。应注意的是,不是所有的三代头孢菌素都可用于非发酵菌( 如铜绿假单胞菌、不动杆菌等) 感染的治疗,除了头孢哌酮和头孢他啶;外,如头孢曲松和头孢噻肟不可以用于非发酵菌感染的治疗。

第四代头孢菌素:常用者为头孢吡肟,对肠杆菌科细菌作用与第三代头孢菌素大致相仿,对铜绿假单胞菌的作用与头孢他啶相仿,对革兰阳性球菌的作用较第三代头孢菌素略强。其不同于三代头孢菌素之处为对产头孢菌素酶( AmpC) 的肠杆菌属有效,其次是增强了对作用靶位细菌青霉素结合蛋白( PBP) 的亲和力以及其抗革兰阳性菌的抗菌活性亦较三代头孢菌素增强。

第五代(或下一代)头孢菌素头孢洛林( Teflaro ) 对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)具有活性。Avycaz 含有β-内酰胺酶抑制剂avibactam。

代表药物:头孢氨苄(Cephalexin)

头孢氨苄是一种头孢菌素(SEF 一种低孢子)抗生素。它通过对抗体内的细菌起作用。

头孢氨苄用于治疗由细菌引起的感染,包括上呼吸道感染、耳部感染、皮肤感染、尿路感染和骨骼感染。

头孢氨苄用于治疗成人和至少 1 岁儿童的感染。

注意事项:

如果对头孢氨苄或类似抗生素(如Ceftin、Cefzil、Omnicef等)过敏,则不应使用该药。如果对任何药物(尤其是青霉素或其他抗生素)过敏,请告诉医生。

对任何药物(尤其是青霉素)过敏;

肝脏或肾脏疾病;要么肠道问题,例如结肠炎,请告诉医生。

头孢氨苄可以进入母乳。如果正在哺乳婴儿,请咨询医生。

β-内酰胺酶抑制剂

β-内酰胺酶抑制剂是一类阻断 β-内酰胺酶(也称为 β-内酰胺酶)活性,防止 β-内酰胺类抗生素降解的药物。本类药物适用于因产β-内酰胺酶的细菌感染,其抗菌谱主要依据原有抗生素的活性而酶抑制剂仅有对抗细菌产酶的作用,一般不增加抗菌活性。

β-内酰胺酶由以下细菌的某些菌株产生:拟杆菌属、肠球菌属、流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌、淋病奈瑟菌和葡萄球菌属,无论是组成型还是暴露于抗微生物剂。

β-内酰胺酶裂解易感青霉素和头孢菌素的 β-内酰胺环,使抗生素失活。一些抗微生物药物(如头孢唑啉和氯唑西林)对某些 β-内酰胺酶具有天然耐药性。β-内酰胺类:阿莫西林、氨苄青霉素、哌拉西林和替卡西林,可以通过与β-内酰胺酶抑制剂组合来恢复和扩大其活性。

克拉维酸、舒巴坦和他唑巴坦都是β-内酰胺酶抑制剂。

大环内酯类

大环内酯类药物主要作为青霉素过敏患者的替代药物,用于治疗β-溶血性链球菌、肺炎链球菌中的敏感菌株所致的上、下呼吸道感染、敏感β-溶血性链球菌引起的猩红热及蜂窝织炎等感染。

大环内酯类是从红糖多孢菌(原名红链霉菌)中提取的一类抗生素,一种土壤传播的细菌。

红霉素是第一个发现的大环内酯类;其他大环内酯类包括阿奇霉素、克拉霉素和罗红霉素。

它们的作用主要是抑菌,但在高浓度时可能具有杀菌作用,或取决于微生物的类型。

代表药物:红霉素

红霉素为大环内酯类原型代表药物,由于其胃肠道反应大、口服吸收差使其疗效受到影响。当下在临床应用的主要为大环内酯类新品种罗红霉素、阿奇霉素和克拉霉素等,其他大环内酯类疗效多不如该三种药物。

罗红霉素主要是改善了其药代动力学,口服生物利用度明显提高、给药剂量减小、不良反应明显减少,但其抗菌谱没有明显的改善,是红霉素的替代药物。

氨基糖苷类

临床常用的氨基糖苷类药物主要有: 链霉素、卡那霉素、丁胺卡那霉素、庆大霉素、妥布霉素、奈替米星、依替米星。

其中链霉素当前主要用抗结核治疗,其次可用于治疗鼠疫及布鲁菌病; 庆大霉素、妥布霉素、奈替米星、依替米星肠杆菌科细菌和铜绿假单胞菌等G - 杆菌具强大抗菌活性,对葡萄球菌属亦有良好作用者。所有氨基糖苷类药物对肺炎链球菌、溶血性链球菌的抗菌作用均差

链霉素、卡那霉素:对肠杆菌科和葡萄球菌属细菌有良好抗菌作用,但对铜绿假单胞菌无作用者。

庆大霉素、妥布霉素、奈替米星、阿米卡星、异帕米星、小诺米星、依替米星:对肠杆菌科细菌和铜绿假单胞菌等革兰阴性杆菌具强大抗菌活性,对葡萄球菌属亦有良好作用。

碳青霉烯类

碳青霉烯类药物是当下抗菌药物中抗菌谱最广的药物,对各种革兰氏阳性球菌、革兰氏阴性杆菌( 包括铜绿假单胞菌的非发酵菌) 和多数厌氧菌具强大抗菌活性大多数β-内酰胺酶高度稳定,但对甲氧西林耐药葡萄球菌和嗜麦芽窄食单胞菌等抗菌作用差。

当下在国内应用的碳青霉烯类抗生素有亚胺培南-西司他丁、美罗培南、帕尼培南-倍他米隆、比阿培南。厄他培南与上述品种不同对非发酵菌缺乏抗菌活性,而其他抗菌作用与上述药品基本相同,适合于治疗社区与医院早期特别是G-杆菌感染的重症患者。

碳青霉烯类对各种革兰阳性球菌、革兰阴性杆菌(包括铜绿假单胞菌、不动杆菌属)和多数厌氧菌具强大抗菌活性,对多数β-内酰胺酶高度稳定,但对甲氧西林耐药葡萄球菌和嗜麦芽窄食单胞菌等抗菌作用差。

抗生素的耐药性

现用于细菌感染的抗生素被认为是医学史上最重要的突破之一。不幸的是,细菌的适应性很强,抗生素的过度使用让许多人对抗生素产生了耐药性,造成了严重的问题,尤其是在医院的环境里。

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什么是抗生素耐药性?

抗生素耐药性是细菌抵抗抗生素杀伤力的能力。换句话说,以前治疗感染的抗生素没有效果了,或者说根本无法杀死细菌。

由于过度使用抗生素,抗生素耐药率持续上升,新的抗菌药物开发缓慢。感染耐药细菌可能导致住院时间更长、费用更高,并增加死于感染的风险

抗生素耐药性是对全球健康的紧迫威胁,包括后来逐渐出现危险耐药细菌——“超级细菌”。

疾病控制和预防中心 (CDC)发布了对美国的前 18 种耐药性威胁的清单,至少包括:

  • 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA) MRSA(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)是一种可引起感染的葡萄球菌菌株。通常,抗生素用于杀死细菌。MRSA 细菌对用于治疗葡萄球菌感染的常见抗生素具有抗药性。这使得 MRSA 难以治疗。
  • 耐药肺炎链球菌 社区获得性肺炎是指最近没有住过医院或疗养院的人的肺炎。社区获得性肺炎最常见的细菌原因是肺炎链球菌。
  • 耐万古霉素肠球菌(VRE) VRE 是一种可引起感染的细菌菌株。通常使用抗生素万古霉素来杀死细菌。然而,VRE 对万古霉素耐药,因此难以治疗。VRE 最常引起尿路、血液或伤口感染。VRE 感染很容易在人与人之间传播。它最常发生在医院。
  • 多重耐药铜绿假单胞菌
  • 艰难梭菌 (C. diff)
  • 耐碳青霉烯肠杆菌科(CRE) CRE 是一组感染时很难杀死的细菌。包括大肠杆菌和克雷伯氏菌。CRE 通常引起肺部、泌尿道、伤口和血液感染。碳青霉烯类是一组治疗细菌感染的抗生素。在 CRE 感染中,细菌会释放化学物质,阻止碳青霉烯类杀死它们,也就是抗生素耐药性。CRE 感染可能难以治愈,并可能扩散到身体的其他部位。进入血液的 CRE 感染可能会危及生命。
  • 耐多药结核分枝杆菌(MDR-TB)
  • 耐碳青霉烯不动杆菌
  • 耐药淋病奈瑟菌
  • 抗药性耳念珠菌耳念珠菌(C. auris) 是一种真菌,可以生活在人的身体上而不会引起健康问题。这种真菌会导致耳朵、伤口或血流感染。在医院或疗养院的患者中,感染可能会变得严重。C. auris 可以通过接触带有真菌的物体或表面而传播。它也可以在人与人之间传播。C. auris 会对抗真菌药物产生抗药性。这会使感染难以治疗。

注:以上这些并未全面列出所有耐药菌。抗生素耐药性模式不断演变,细菌可能并不总是对每位患者的选择抗生素表现出耐药性。在正常情况下,抗生素的选择应基于感染部位和由医疗保健专业人员评估的临床表现、培养/敏感性和其他所需的实验室结果、局部耐药性/敏感性模式以及患者的特定特征。

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细菌如何对抗抗生素产生耐药性?

细菌通过以某种方式调整其结构或功能作为防御机制,从而对抗生素产生抗药性。

当细菌以某种方式发生变化时,细菌会抵抗药物。这种变化可以保护细菌免受药物的影响或限制药物接触细菌。或者这种变化可能导致细菌改变药物或破坏药物。

细菌可以用以下方式与抗生素抗争:

  • “先发制人”——在抗生素产生“杀伤”作用之前中和抗生素。从细胞中排出抗生素。
  • “占领根据地”——改变抗生素通常起作用的部位(或受体)
  • “互帮互助”——与其他细菌共享遗传物质以使其具有抗药性。部分细菌可以将其耐药性传递给其他细菌。这类似于他们传递技巧以帮助彼此生存。
  • “愈战愈勇”——存活下来的耐药细菌能够在个人、家庭、社区或医疗保健环境中繁殖、传播并导致进一步感染。反过来,这些感染对另一轮相同或相似的抗生素更具抵抗力。
  • “基因突变”——在细菌复制(点突变)过程中,少数碱基对可能发生变化,导致关键靶点(酶、细胞壁或细胞结构)中的一种或几种氨基酸以及控制基因或染色体结构发生替换,从而产生新的耐药菌株。

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是什么导致抗生素产生耐药性?(外因)

如果说以上列举的是抗生素产生耐药性的内因,那么除细菌本身外的因素也会导致抗生素耐药性的出现

  • 诊断不准确

早前,医生有时会依赖不可靠或不准确的知识,开具抗生素“以防万一”,或在特定窄谱抗生素可能更合适时却开出广谱抗生素。这些情况加剧了选择压力并加速了抗菌素耐药性。

  • 抗生素处方不当

当医生不清楚是细菌或病毒加剧了感染时,他们可能会开抗生素。抗生素对病毒感染不起作用,可能会产生耐药性。

  • 自我用药

抗生素自我治疗(SMA)与药物使用不当的可能性有关,这会使患者面临药物不良反应的风险,掩盖潜在疾病的迹象,并在微生物中产生耐药性。

  • 抗生素使用不足和过度使用

过度使用抗生素,尤其是在不正确治疗的情况下服用抗生素,会促进抗生素耐药性。根据疾病控制和预防中心的数据,人类使用大约三分之一的抗生素既不需要也不合适。

抗生素可以治疗由细菌引起的感染,但不能治疗由病毒引起的感染(病毒感染)。例如,抗生素是可以治疗由细菌引起的链球菌性咽喉炎。但对于大多数由病毒引起的喉咙痛,并不是正确的治疗方法。

  • 医院环境差

每天都有成千上万的患者、工作人员和访客到达医院,每个人的衣服上和身体上/体内都有自己的一套微生物组。如果医院没有适当的程序和规程来帮助保持空间清洁,细菌就会传播。

  • 广泛用于农业

抗生素被用作动物的生长补充剂和生长促进剂。在家畜中发现的耐抗生素细菌可能对人类致病,很容易通过食物链传播给人类,并通过动物粪便在生态系统中广泛传播。在人类中,这可能会导致复杂的、无法治疗的和长期的感染。

  • 新抗生素的可用性少

由于技术挑战、缺乏知识、对抗细菌生理学的重大困难,制药业对新抗生素的发明在很大程度上放缓了,当新抗生素普及时,耐药性的发展(在相对较短的时间内)几乎是不可避免的。

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为什么需要重视抗生素耐药性问题?

世界范围内抗生素的过度使用和滥用正在导致抗生素耐药性的全球医疗问题。可能会发生抗生素耐药性感染,在最坏的情况下,可能会没有有效的抗生素。这种情况在严重感染时可能会危及生命。

大多数病毒性疾病不需要特殊药物并且是“自限性”的,也就是说患者自身的免疫系统可以抵抗疾病。病毒性疾病的患者可以休息、多喝水并使用对症治疗。

由病毒引起的疾病包括:

  • 大多数喉咙痛(咽炎)
  • 咳嗽、感冒和流鼻涕(鼻炎)
  • 鼻窦感染、呼吸道感染(鼻窦炎、支气管炎)
  • 流感(流感病毒)

有时,在复杂或长期的病毒感染中,细菌也可能侵入,并导致所谓的“继发感染”。在这些情况下,如果需要,可以使用抗生素。

如何阻止抗生素耐药性的传播?

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正确合理使用抗生素

  • 患者不应随意要求医生开抗生素。

感染病毒引起的疾病中,例如咳嗽、感冒或流感,患者不应要求医生开抗生素。抗生素不能治愈病毒感染,患者可能会因不必要的药物而产生副作用。医生可以用其他方法来帮助患有病毒性疾病的患者进行治疗。

  • 不应使用为他人开具的抗生素,也不应与他人共用抗生素。

如果感染没有得到正确治疗,抗生素耐药细菌也可能传播给其他人。

  • 把那些可能从以前的疾病中遗留下来的抗生素扔掉,不要想着下次感染还能派上用场。为什么?

——有以下几个原因:

它可能不是治疗感染的正确抗生素

它可能已过时且无效

整个疗程可能没有足够的药物

如果新疾病是病毒感染,则不需要抗生素

  • 及时了解疫苗接种很重要。

一些疫苗可以预防细菌性疾病。抗病毒疫苗,例如流感疫苗或COVID-19 疫苗,可以帮助预防可能与继发性细菌感染(如严重的肺部肺炎)相关的原发性疾病。

  • 完成整个抗生素疗程对于帮助预防抗生素耐药性和防止感染复发非常重要。

在治疗的最初几天感觉好些了的时候,仍应完成整个抗生素疗程。

抗生素使用注意事项

✓ 按照指示使用抗生素

按照医生的指示治疗感染。医生会选择最能对抗导致感染的特定细菌的抗生素类型。目前市面上有许多不同种类的抗生素,大部分需要医生开出的非处方抗生素。

✓ 了解抗生素

有的抗生素需要进行皮试,比如青霉素,以防过敏,不同的抗生素杀菌的作用原理不尽相同,比如青霉素是通过能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类窄普抗生素,杀菌作用强,可用于敏感菌所致的严重感染,由于该类药物作用的靶位为细菌细胞壁,而人体的细胞没有细胞壁,因此毒性低,用于老年人,新生儿和孕妇时安全性相对较高。

✓ 确保清楚抗生素的使用方式

确保明确知道应该服用多少抗生素,以及何时服用。有些抗生素需要与食物一起服用,有些需要在晚上服用等。特别注意要用完整的病征疗程抗生素,有些人担心抗生素对身体有副作用,病情稍微好转就会停止服用或注射抗生素,但是这可能导致体内的致病细菌未完全清楚,再次发生感染,或引起形成抗生素抗药性,使得以后的感染治疗变得困难。

✓ 清洁伤口以防止细菌感染

通过立即正确清洁和包扎伤口来预防皮肤感染。适当的急救治疗对于帮助预防细菌感染至关重要,但不应尝试自己治疗严重的皮肉伤口。如果伤口很深、很宽或出血很多,应该立即寻求医疗帮助。

治疗伤口前先洗手。如果你用脏手治疗伤口,会增加细菌感染的机会。用温水和抗菌肥皂洗手 20 秒,然后擦干。如果有条件可以戴上手套。

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更多的检测手段帮助确定是否是细菌感染

细菌感染性疾病起病急、进展快,重症疑难患者病原细菌复杂,诊断及治疗困难,可危及生命。早期、准确地明确病原微生物对感染判定至关重要,有助于改善预后。

准确诊断细菌感染对于避免不必要的抗生素使用和集中适当的治疗至关重要。

细菌感染是细菌的存在与炎症或全身功能障碍的结合;因此,通常需要不止一种诊断方式进行确认,确定患者是否符合临床病例定义的病史和检查。

不同的病原微生物检测技术对感染的判定价值不同,临床上也会根据患者的病情,可能感染的部位,可供采集的标本等选择适宜的检测技术。

当前,病原微生物检测技术层出不穷,能识别的微生物种类越来越多,但如何正确利用和分析微生物检测结果仍是临床关注的难题。值得注意的是,感染首先是个临床诊断,所有的判定必须基于临床

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区分定植菌与细菌感染

定植容易对感染判定产生混淆。正常生理状态下人体口腔、胃肠道、呼吸道及体表等部位均有细菌、真菌存在,患者无感染症状时称为定植菌。当定植菌的致病力改变机体防御能力下降时,可大量繁殖或被带入机体深部引起感染成为致病菌

临床医生应如何判断所获取的病原体为定植还是感染,是长久以来的难题,且未形成成熟统一的解决方案。

呼吸道定植菌的综合分析:

呼吸道定植菌而言,既往认为可根据菌落数量菌种拷贝数来判定定植与感染,但结果存在偏差。越来越多的学者认为,临床上判定是定植还是感染,需结合患者症状、体征及其他检查结果综合分析

若患者存在与检测阳性结果相匹配的临床症状和体征,如发热、咳嗽、咳痰等,感染指标升高,肺部出现新发病灶,应考虑感染并给予相应的抗感染治疗。如仅培养阳性,患者无任何感染相关临床表现,则倾向于定植菌。

念珠菌定植的综合分析:

念珠菌可广泛定植于呼吸道、胃肠道及泌尿生殖道,正常屏障破坏、免疫功能受损或局部菌群失调时,定植的念珠菌可生长繁殖引起感染。痰和尿标本中分离出的念珠菌亦应根据临床症状和体征鉴别是定植还是感染,念珠菌血培养阳性时要高度警惕念珠菌血症。

此外,病原微生物检测结果阳性,并不意味着患者一定存在感染或感染一定由检出的病原体所致,需结合标本质量、采集部位、病史及其他检测结果综合分析

不同部位标本检测出同一种病原体,其代表的临床意义可能并不相同

以肺炎克雷伯氏菌为例,从肠道粪便样本中检出肺炎克雷伯氏菌,其中丰度占比超过1%的人群有3765例,占比28.2%【谷禾健康数据库】。但是当肺炎克雷伯菌进入血液并感染时,通常会发生细菌血症。症状可能包括发冷,发烧,发抖,肌肉酸痛,疲劳和嗜睡。当肺炎克雷伯菌感染肝脏时,会引起脓性病变,也被称为化脓性肝脓肿。这种类型的感染更常见于患有糖尿病一段时间或已经服用抗生素多年的人。

病原微生物种类不同,微生物检测方法的选择也不相同;即便检测同一种微生物,因采集部位不同所选择的检测方法也有所差别

如大肠埃希菌,血培养阳性时需考虑血流感染,怀疑致病性大肠埃希菌感染肠道时需特殊培养或者血清学、PCR,16s测序检测等。因普通大肠埃希菌可寄居在肠道中,粪便普通培养有大肠埃希菌生长并不能直接考虑大肠埃希菌肠道感染。

结语与总结

病原微生物检测技术快速发展,能识别的微生物种类越来越多,但感染首先是个临床诊断,有的判定必须基于临床。随着检测技术革新带来的是临床辅助手段的进步和多样化更快、更准确地判定感染一直都是病原学检测的挑战,不同方法各有优劣。当前,并没有一项技术可通过从标本中识别微生物来直接判定机体是否感染该病原体,甚至依靠检测的阴性结果来排除感染都很难实现。

在面对细菌感染诊疗过程中始终需要思考3个问题:患者是否存在感染?如果有感染,致病病原体是什么?如何治疗干预?

充分利用现有的病原微生物检测方法和其他实验室检查手段,综合判定,给出合适的抗菌治疗或其他综合治疗方法,是科学可持续的手段。

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Nature子刊 | 大序列数据时代的原核生物分类学和命名法

谷禾健康

随着基因组测序的发展,大量的数据为分类学提供了更全面的框架。基因组序列的空前可用性意味着分类学可以建立在一个全面的进化框架上,这是分类学家的长期目标

然而,采用单一的框架来保持分类自由存在阻碍,而且从未培养的原核生物衍生的基因组数量不断增加,威胁着目前基于特征分离物的命名实践。

接下来的挑战是就分类学框架达成共识,并对现有的命名密码进行调整和扩展,或者创建一个新的密码,以系统地将未培养的分类单元纳入所选择的框架。

近日,一篇发表在The ISME Journal(10.1038/s41396-021-00941-x)题为“Prokaryotic taxonomy and nomenclature in the age of big sequence data” 的文章,针对微生物分类学和命名法进行完整概述,主要侧重于细菌和古菌,从过去到现代研究其发展脉络,并探讨了如何利用基因组测序技术来让微生物分类学更加全面和完善

将生命形式分类为一个等级系统(taxonomy 分类学),并将名称应用于这个等级系统(nomenclature 命名法)是微生物学领域的一个重要转折点

最早在1700年代,Linnaeus在工作中就引入了现代生物分类学 taxonomy(将动植物分类为等级类别)和命名法 nomenclature(命名动植物分类组的规则)的原理,这些原则如今已成为生物分类的基础。

最初的分类法是基于共同的特性,发育过程和行为,后来统称为表型,这些特征用于区分遗传信息(基因型)。

分类法 Taxonomy — 完善框架

Taxonomy 分类学在生物学中最常被定义为科学的一个分支,它根据共同的特性对生物体进行命名和分类。

生物学家认同分类学应该建立在进化关系的基础上,因为进化关系是排列生物的最自然的方式。由于微生物的表型特征大部分都没有揭示其共同祖先,所以微生物仍是系统发育框架中最有争议的分类单元 。

表型分类

第一次尝试根据表型特性对细菌进行分类,始于1923年Bergey 写的第一版确定性细菌学手册,细菌分类为嵌套的层次分类,以指示不同的相关度。最初,排名从最高(最远亲)到最低(最紧密相关)排名。关键主要依赖于形态、培养条件和致病特征,其主要目标是在物种水平上进行分离菌株的实际鉴定,而不是构建一个进化框架。

数值分类法,由Sokal和Sneath于1962年提出,用于定量比较包含几十种特征的细菌的表型特性。虽然在原则上,数字分类法可以纳入系统发育信息,但在实践中,它主要用于鉴定,缺乏一个严格的进化框架。

微生物分子分类先驱:小亚基rRNA

Zuckerkandl 和 Pauling 通过使用信息大分子来推断进化关系,打破了表型预测的局限性。Woese 发现核糖体可以用来构成所有生命进化框架的基础。最著名的是小亚基核糖体RNA(16S / 18S rRNA),基于其高度的序列保守性,并且和可变区域穿插在一起。而对小亚基rRNA的比较分析能够为整个生命树提供客观的进化框架。 Woese和他的同事的分析的亮点是发现古细菌

图源:scienceterms.net

传统培养方法遗漏的大量微生物可以通过16S rRNA基因获取。Pace和同事首次通过使用高度保守的“通用”引物,直接从环境中获得的16S rRNA序列表征微生物。这些引物随后用于从提取的基因组环境DNA中PCR扩增16S rRNA基因。 然后将混合的扩增子克隆并测序,来获得微生物群落。随着测序技术的改进,大量的样本从各种环境被提取出来,从而开发出各种数据库和工具,用于分析和分类16S rRNA基因序列(表1)。

Hugenholtz P ,et al. ISME J,2021

多相分类法整合了表型和基因型的一种共识分类法,该分类法最能反映生物体的多种属性

随着16S rRNA分析的出现,系统发育分类得到发展,由于16S rRNA基因的高序列保守性,对多相分类进行了分层,以使16S rRNA树可为属及以上分类水平属提供分类信息。

化学分类学方法(如多基因座酶电泳和全细胞蛋白质分析)可以更好地划分物种和亚种水平

全基因组测序的出现以及近年来技术的进步,加速了细菌和古细菌分类学上的发展,从基于16S rRNA的分类向基于基因组分类过渡。

基于基因组分类

与16S rRNA基因一样,基因组序列也可用于构建系统发育框架,并以此为基础进行系统分类。

基于基因组的分类比16S rRNA基因(仅占平均3-Mbp原核基因组的0.05%)对最古老和最近的关系提供了更高的分辨率,这是因为在比较中使用了更大比例的基因组,从而提供了更好的系统发育信号。

基于基因组序列构建进化树的方法有两种:超级树 supertrees 和 超级矩阵 supermatrices。

超级树:创建独立的基因树,然后将其组合以产生生物之间的系统发育关系。

超级矩阵:将基因连接到比对序列的系统发育矩阵中,然后从该矩阵中推断出树。

两种方法尽管基于不同的标记基因集,它们在分类学上的一致性为98.2%。

基于基因组序列的其他方法包括:成对的基因组之间进行相似性测量,或在编码蛋白质水平,或在核酸水平和DNA-DNA杂交,这些方法主要用于定义和识别物种

基因组测序也可以对未培养的物种进行分析。随着测序技术和计算方法的改进,如今可以从环境DNA中获得天然微生物种群近乎完整的基因组序列,即所谓的宏基因组组装的基因组(MAG)。由于相对容易从单个基因组中获得多个MAG,因此可用MAG的数量迅速超过了分离基因组的数量。

未培养的分类单元的基因组数据的快速积累给分类学带来巨大挑战,根据系统发育树的指标,估计未培养的分类单元占微生物多样性的85%以上,意味着过去几十年建立的分类框架在其中存在重大差距。这个问题在病毒世界中更加明显。

众所众知,原核微生物分类学在系统发育上存在不一致的情况(多系统分类学)由以下原因导致:沿用历史上的表型数据、基于16S rRNA基因序列嵌合来自环境的PCR产物、基于早期的系统发育结论缺乏合适群体。来自未培养分类群的基因组使得问题更加复杂。

因此,已经开发了一些数据库和工具,试图通过建立可靠的微生物分类系统发育框架来解决这些缺点,首先使用16srRNA基因序列,最近使用宏基因组序列。但这必须建立在数十万个序列提供的微生物多样性全局视图上,对于单个基因来说已经很困难了,对于宏基因组来说更为困难。随着信息的不断增长,这些数据库能否继续扩张还有待观察。

从历史上看,基于表型数据的等级定义非常主观,特别是对于物种以上等级。基于基因组的分类能实现量化操作更加客观,并且可实现定义属和更高等级的机会。

2014年,Yarza及其同事提出了基于16S rRNA基因序列同一性的标准化阈值,用于定义从属到门的原核世系。尽管可以肯定地消除了分类学分类中的许多不一致之处,并且可以容纳未培养的分类单元,但这种方法并未考虑谱系之间的系统发育关系和可变的进化速率

命名法 Nomenclature — 控制词汇表

命名法的发展

图1:过去100年中原核生物分类学和命名法中的关键事件

Hugenholtz P ,et al. ISME J,2021

缺乏未培养的多样性的命名法

由于技术的进步,未培养微生物的详细分子表征是一项相对较新的创新(请参见16S rRNA和基于基因组的分类)。这类生物对原核生物的编码构成了挑战,因为它们的名称不能被有效命名,这是由于物种描述必须建立在纯培养型菌株的基础上

1994年,通过引入Candidatus的临时状态介绍,提出了一种未培养类群的早期命名规则。Candidatus一词作为任何等级的共同名称的前缀,以表示该分类单元的临时性质。

Candidatus最初是在16S rRNA环境调研时提出的。与分离株相比,它们的描述范围是受限的。然而随着MAGs和SAGs的出现,微生物不需要分离就能描述其功能。在2016年,有人提出,基因序列作为类型材料,因为它们能够用于命名法提供明确的参考点,特别是全基因组序列。鉴于掺入未培养的微生物进原核代码的命名法的困难,建议创建一个独立的编码命名这些类群。

命名定标问题

最近的一项估计显示,全球原核生物的数量在220万—430万之间,低于之前估计的数万亿。即使是这个向下修正的估计,在数百万种物种和目前有效公布的物种数量(~21K)和基因组描述的物种数量(~25K)之间仍存在巨大差距。

在未来的几十年里,作者很可能在基因组表达方面弥补这一差距,但通过原核密码验证如此大量的新物种的名称目前还不可能用于未培养的类群。并不是所有被识别的物种都需要用拉丁名称,前提是建立和维持一个系统的分类框架,该框架具有基因组限定物种的唯一和永久对象标识符。只有对科学界有足够兴趣的物种才会被更深入地描述和命名。

原核命名和微生物生态学间争论

微生物生态学家一直认为有必要为他们研究的微生物命名,然而,大多数生态学家并不太熟悉命名规则。这导致了两个学科之间的一些争论点,一旦在原核代码或新代码下更正式地考虑到未培养的分类群,这些争论点可能会扩大。

首先,代码要求严格遵守正确的拉丁语语法,在作为原始文章或验证列表发表在《国际系统与进化微生物学杂志》(IJSEM)上之前,由一小群专家定期检查名称的词源正确性。

第二,自1975年《原核生物密码法》修订以来,有一项要求,即从属名的词干和标准化后缀组成更高级别的属名

此外,要求在从属属茎上形成更高等级的名称,导致有人提议完全改变一些更高分类单元的名称,尽管法典中有保留这一要求之前的较早名称的余地。

原核生物分类学和命名法的十字路口

原核生物的分类和命名处在一个有趣的十字路口。从积极的方面来看,从来没有像现在这样,利用新兴的微生物基因组测序资源,以客观的进化关系为基础来发展一种分类方法。随着时间的推移,微生物分类法随着方法的改进而不断演变,有人认为,出于这个原因,应该避免正式的分类法,以防止它在方法上过时。然而,基因组是生命最基本的蓝图,因此不太可能出现一种被广泛接受的替代方法,从而产生一种完全不同的、改进的分类方法。尽管开发一个全面的基于基因组的分类法在生物信息学上面临挑战,但使用不同标记基因组合的独立项目之间的高度一致性预示着一个稳健的进化框架,可以形成一个稳定的分类法的基础。

虽然分类学的多相方法的想法是可以理解的,特别是使用多种特征来定义生态一致单位的目标,但作者认为,单独的基因组序列,特别是保守的垂直遗传核心操作基因的子集,应该构成分类学框架的基础。所有其他表型、基因型和生态数据都可以有效地叠加到这个框架上,以便了解它们相对于树种的个体分布和进化轨迹。

科学界普遍接受的单一一致分类法的好处是多方面的,包括改进互操作性和通信。这是发展GTDB的动力,GTDB非常强调包含性(即,使用尽可能多的来自培养和未培养分类群的高质量序列数据)和系统化(例如,定义物种代表性和等级的统一和可复制的方法,提供从领域到物种的完整分类学分配)。

一个标准化的分类学框架需要一个相似的、可复制的、客观的、能随手头的任务而扩展命名法。官方的原核命名法是在大规模基因组测序和未培养分类群特征化出现之前制定的,因此不包括未培养微生物的大多数

要克服这一点,要么开发一种以基因组序列为类型材料的单独命名法,要么对原核代码中分类群的管理规则进行重大修改。如果有必要开发一个单独的命名法,它可以提供一个机会,利用原核生物代码的最佳元素,简化陷入历史遗留问题的其他部分,这些部分对用户不友好,不能很好地适应大序列数据的挑战。一个例子是简化或自动形成拉丁语或希腊语的名称,并具有正确的词源,否则全世界只有少数实践者能够确保这一点。

消极的一面是,采用统一的标准化分类法将不可避免地伴随着越来越多的漏洞。一些行业已经开始制定特定的分类法和相关的命名法,它们不一定遵循进化框架。开发一个新的命名法,它确实带有与现有原核代码互操作性挑战的潜在负面影响。然而,这并不是史无前例的,例如蓝细菌的案例,因此应该通过命名委员会之间的公开对话来管理。

通过精心管理和充足的资源,对于新一代使用现代方法研究微生物世界的研究人员而言,基于基因组的分类和简化的命名将会受到欢迎

你认识细菌吗?一文带你读懂了解它

谷禾健康

 细  菌  

单一细菌,是一种微观的单细胞微生物,生活在地球上的几乎每个角落,从深海喷口到地表以下再到人类的消化道,都存在于其中。

结核分枝杆菌

图源:Centers for Disease Control and Prevention

革兰氏阳性结核分枝杆菌细菌(结核病的原因)的扫描电子显微照片

01

初识细菌

细菌细胞

细菌缺乏与膜结合的细胞核和其他内部结构,因此被称为原核生物。原核生物是地球上占主导地位的生物,在地球历史上大约有四分之三的时间都存在,并且已经适应了几乎所有可用的生态栖息地。

作为一个群体,它们表现出极其多样化的代谢能力,几乎可以使用任何有机化合物一些无机化合物作为食物来源。一些细菌可以引起人类、动物或植物的疾病,但大多数是无害的,是有益的生态因子,其代谢活动维持更高的生命形式。

其他细菌是植物和无脊椎动物的共生体,它们对宿主起着重要的作用,如固氮和纤维素降解。没有原核生物,土壤就不会肥沃,死去的有机物腐烂的速度也会慢得多。一些细菌被广泛用于食品、化学品和抗生素的制备。对不同细菌群之间关系的研究,不断为地球生命起源和进化机制提供新的见解。

细菌——原核生物

地球上所有的生物都是由两种基本类型的细胞中的一种组成:一种是真核细胞,其遗传物质被包裹在核膜内;另一种是原核细胞,其遗传物质不与细胞的其他部分分离。传统上,所有的原核细胞都被称为细菌,被归为原核生物界。但是,它们的分类为Monera,在分类学上与其他王国(植物界,动物界,真菌和原生生物)相当,这低估了原核细胞相对于真核细胞表现出的显着遗传和代谢多样性。

1970年代后期,美国微生物学家卡尔·沃斯(Carl Woese)率先在分类上进行了重大变革,将所有生物分为真核生物、细菌(原名真细菌)和古细菌(原名古细菌)三个领域,以反映三条古老的进化路线。原核生物以前被称为细菌,然后被分为两个领域,细菌和古细菌。细菌和古细菌在表面上是相似的;例如,它们没有细胞内的细胞器,它们有环状DNA。但是,它们在本质上是截然不同的,它们的分离是基于其古老而又独立的进化谱系的遗传证据,以及其化学和生理学的根本差异。 这两个原核域的成员彼此之间的区别与它们与真核细胞中的区别一样。

细菌,动物和植物细胞的比较 

细菌细胞在几个方面不同于动物细胞和植物细胞。一个根本的区别是细菌细胞缺乏动物细胞和植物细胞中都存在的细胞内细胞器,例如线粒体,叶绿体和细胞核。

原核细胞(即细菌和古细菌)与构成其他生命形式的真核细胞有根本的不同。原核细胞的定义比真核细胞要简单得多。最明显的简化是缺乏细胞内的细胞器,这是真核细胞的特征。所有由细胞器执行的活动也发生在细菌中,但它们不是由专门的结构执行的。此外,原核细胞通常比真核细胞小得多。细菌体积小,设计简单,代谢能力强,使它们能够迅速生长和分裂,并在几乎任何环境中生存和繁衍。

杆菌型细菌细胞 

典型的芽孢杆菌属细菌细胞的结构示意图

原核和真核细胞在许多其他方面有所不同,包括脂质组成,关键代谢酶的结构对抗生素和毒素的反应以及遗传信息的表达机制。 真核生物包含多个线性染色体,这些染色体的基因比编码蛋白质合成所需的基因大得多。 遗传信息的核糖核酸(RNA)副本(脱氧核糖核酸或DNA)的大部分被丢弃,剩余的信使RNA(mRNA)在被翻译成蛋白质之前已被充分修饰。相反,细菌具有一个包含所有遗传信息的环形染色体,它们的mRNA是其基因的精确副本,不会被修饰。

细菌结构的多样性

尽管细菌细胞在结构上比真核细胞小得多,也简单得多,但细菌是一个在大小、形状、生境和代谢上都有差异的极其多样化的有机体群体。许多关于细菌的知识来自对致病细菌的研究,这些细菌比许多自由生活的细菌更容易在纯培养中分离出来,也更容易被研究。必须注意的是,许多自由生活的细菌与适应作为动物寄生虫或共生体生活的细菌有很大的不同。因此,关于细菌的组成或结构没有绝对的规则,任何一般的说法都会许多例外。

单个细菌可以呈现三种基本形状之一:球形(球菌)、棒状(芽孢杆菌)或弧形(弧菌、螺旋体或螺旋体) 。在细菌的实际形状中可以看到相当大的变化,细胞可以在一维中拉伸或压缩。细胞分裂后不分离的细菌形成有助于鉴定的特征性簇。

例如,有些球菌主要成对出现,包括肺炎链球菌Streptococcus pneumoniae(一种引起细菌性大叶性肺炎的肺炎球菌)和淋病奈瑟菌Neisseria gonorrhoeae(一种引起性传播疾病淋病的淋病球菌)。大多数链球菌类似于一长串珠子,而葡萄球菌则形成随机的团块(“葡萄球菌”这个名字来源于希腊语staphyle,意思是“葡萄簇”)。

此外,有些球菌呈方形或立方形。杆状杆菌通常单独出现,但有些菌株形成长链,如棒状杆菌的杆状杆菌,通常以任意角度彼此相连。有些杆菌的末端是尖的,而有些杆菌的末端是方的,有些杆菌的杆弯曲成逗号形状。这些弯曲的杆状病毒通常被称为弧菌,包括霍乱弧菌,它能引起霍乱

其他形状的细菌包括弯曲和弯曲的螺旋形螺线管和螺旋形螺线管,螺旋形螺线管类似于开瓶器,其中细胞体包裹在称为轴向细丝的中央纤维周围。

变形链球菌

图源:David M. Phillips/Visuals Unlimited

变形链球菌细菌是球形(球菌)细菌的一个例子。这种细菌通常会聚集成对和短链。

细菌是最小的生命体。一种细菌的平均大小,如杆状大肠杆菌,是人类和动物肠道的“正常居民”,长约2微米(μm;百万分之一米),直径0.5μm,金黄色葡萄球菌的球形细胞直径可达1μm。

少数细菌种类甚至更小,如肺炎支原体是最小的细菌之一,其宽度约为0.1至0.25μm,长度约为1至1.5μm;百日咳的病原体为棒状百日咳杆菌,其直径为0.2至0.5μm,长度为0.5至1μm;梅毒病原体螺旋形梅毒螺旋体直径仅0.1~0.2μm,长度6~15μm。蓝藻聚球藻平均直径约0.5~1.6μm。有些细菌相对较大,例如固氮菌,其直径为2至5μm或更大;无色菌,其最小宽度为5μm,最大长度为100μm,视物种而定。用肉眼可以看到巨大的细菌,例如平均直径为750μm的Thiomargarita namibiensis和长度在30到600μm之间的杆状Epulopiscium fishelsoni

细菌是单细胞微生物,因此通常不会组织起来。 每个细菌的生长和分裂都独立于其他任何细菌,尽管常会发现细菌的聚集体,有时包含不同物种的成员。许多细菌可以形成称为生物膜的聚集结构

生物膜中的生物通常表现出与处于个体状态或浮游状态的同一生物基本不同的特性。 聚集到生物膜中的细菌可以传达有关种群大小和代谢状态的信息。 这种类型的通信称为群体感应,通过产生称为自动诱导剂或信息素的小分子来进行操作。

群体感应分子(最常见的是肽或酰化高丝氨酸内酯(AHL;特殊的信号化学物质))的浓度与生物膜中相同或不同物种的细菌数量有关,有助于协调生物膜的行为。

02

细菌的形态特征

革兰氏染色

细菌如此之小,直到1677年才被首次发现,当时荷兰科学家安东尼·列文虎克借助原始显微镜(在设计上与现代放大镜比现代显微镜更相似)在各种物质中看到了微生物,其中一些能放大200倍以上。现在细菌通常在能放大1000倍以上的光学显微镜下进行检查;然而,只有借助更强大的透射电子显微镜才能观察到其内部结构的细节。除非使用特殊的合适的显微镜,否则细菌必须用有色染料染色,以使它们从背景中脱颖而出。

肺炎克雷伯菌

图源:AW Rakosy /Encyclopædia

从肺炎患者的肺脓肿中分离出的革兰氏阴性杆菌肺炎克雷伯菌。

对细菌最有用的染色反应之一叫革兰氏染色,由医生汉斯·克里斯蒂安·格兰姆(Hans Christian Gram)于1884年开发。

悬浮液中的细菌通过短暂加热固定在玻片上,然后暴露在两种染料中,这些染料会在每个细胞内结合形成大的蓝色染料复合物。 当用酒精溶液冲洗载玻片时,革兰氏阳性菌会保留蓝色而革兰氏阴性菌会失去蓝色。然后用一种较弱的粉红色染料将玻片染色,这种粉红色的染料会使革兰氏阴性菌变成粉红色,而革兰氏阳性菌则保持蓝色。革兰氏染色剂对细菌细胞表面结构的差异起反应,当在电子显微镜下观察细胞时,这种差异是显而易见的。

金黄色葡萄球菌

图源:AW Rakosy /Encyclopædia

实验室培养中的革兰氏阳性球菌金黄色葡萄球菌

细胞包膜

细菌细胞表面(或包膜)的结构变化很大,它在细胞的性质和能力中起着核心作用。所有细胞的一个特征是细胞质膜,它将细胞内部与外部环境分开,调节营养物质的流动,维持适当的细胞内环境,并防止细胞内容物的丢失。细胞质膜执行许多必要的细胞功能,包括能量产生、蛋白质分泌、染色体分离和有效的营养物质主动运输。它是一种典型的由蛋白质和脂类组成的单位膜,与包围所有真核细胞的膜基本相似。在电子显微照片中,它是由脂质和蛋白质组成的三层结构,完全包围细胞质。

水螺螺旋藻的肽聚糖层

图源:AW Rakosy /Encyclopædia

革兰氏阴性细菌蛇形藻(Aquaspirillum serpens)具有薄的肽聚糖层,位于细胞膜和外膜之间。

肽聚糖只存在于细菌中(没有细胞壁的细菌除外,如支原体)。肽聚糖是两个重复糖(N-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰壁酸)的长链聚合物,其中相邻的糖链通过肽桥相互连接,从而提供刚性稳定性。

肽桥的性质在不同种类的细菌之间有很大差异,但一般由四种氨基酸组成:L-丙氨酸与D-谷氨酸相连,在革兰氏阴性细菌中与二氨基丙酸相连,或在革兰氏阳性细菌中与赖氨酸、L-鸟氨酸或二氨基丙酸相连,最后与D-丙氨酸相连。

在革兰氏阴性菌中,肽桥将一条链上的D-丙氨酸连接到另一条链上的二氨基丙酸。在革兰氏阳性细菌中,可以有一个额外的肽链延伸交叉连接的范围;例如,在金黄色葡萄球菌中有一个额外的五个甘氨酸桥。

肽聚糖的合成是许多有用的抗菌剂的目标,包括阻断肽桥交联的β-内酰胺类抗生素(如青霉素)。动物合成的一些蛋白质作为天然抗菌防御因子攻击细菌的细胞壁。例如,一种名为溶菌酶的酶分解肽聚糖分子的主链糖链。这些药物中的任何一种都会削弱细胞壁并破坏细菌。

在革兰氏阳性细菌中,细胞壁主要由一层厚的肽聚糖网状结构组成,该网状结构与被称为磷壁酸(来自希腊单词teichos,意思是“壁”)的其他聚合物以及一些蛋白质或脂质交织在一起。相反,革兰氏阴性菌有一个复杂的细胞壁,由多层组成,其中一个外膜层位于一个薄肽聚糖层的顶部。这种外膜由磷脂和脂多糖组成,磷脂是一种含有磷酸盐分子的复合脂质,脂多糖是一种复合脂质,通过脂质末端锚定在细胞外膜上,并有一长链糖从细胞延伸到培养基中。

脂多糖,通常被称为内毒素,对动物和人类是有毒的;它们在血液中的存在会导致发烧、休克,甚至死亡。

对于大多数革兰氏阴性细菌来说,外膜形成了一道屏障,阻碍了许多对细菌有害的化学物质的通过,例如通常溶解细胞膜的染料和洗涤剂。对油溶性化合物的不渗透性在其他生物膜中是不存在的,这是由于膜中存在脂多糖和外膜蛋白的不寻常特性造成的。作为外膜抵抗恶劣环境的能力的证据,一些革兰氏阴性细菌在浮油、喷气燃料箱、酸性矿井排水甚至是瓶装消毒剂中生长良好。

古细菌的表面结构与细菌明显不同。它们没有肽聚糖;相反,它们的膜脂是由支链类异戊二烯通过乙醚键与甘油相连组成的。一些古菌的壁材料与肽聚糖相似,只是与氨基酸桥相连的特定糖不是壁酸而是塔罗糖胺酸。许多其他古细菌使用蛋白质作为其细胞壁的基本组成部分,有些则缺乏坚硬的细胞壁。

胶囊和粘液层

许多细菌细胞以荚膜或粘液层的形式分泌一些细胞外物质。黏液层松散地与细菌结合在一起,很容易被洗掉,而胶囊则紧紧地附着在细菌上,并有明确的边界。通过将细胞置于印度墨水的悬浮液中,在光学显微镜下可以看到胶囊。胶囊排除了墨汁,在细菌细胞周围出现了清晰的光晕。

胶囊通常是单糖(多糖)的聚合物,尽管炭疽杆菌的胶囊是由聚谷氨酸制成的。大多数胶囊都是亲水的,可以通过防止水分流失帮助细菌避免干燥(脱水)。胶囊可以保护细菌细胞免受白细胞的吞噬和破坏。虽然逃避吞噬作用的确切机制尚不清楚,但可能是因为胶囊使细菌表面成分更光滑,帮助细菌逃避吞噬细胞的吞噬。肺炎链球菌中存在的胶囊是导致肺炎的最重要因素。肺炎链球菌的突变株失去了形成荚膜的能力,很容易被白细胞吸收,不会引起疾病。在许多其他种类的细菌中也发现了毒力和荚膜形成的联系。

醋酸钙不动杆菌

图源:T.J. Beveridge

这些细菌周围的荚膜材料(钙不动杆菌)显示在印度墨水的悬浮液中,并通过光学显微镜(放大约2500倍)观察。

胞外多糖材料的包膜层可以将许多细菌包裹成一个生物膜,并具有多种功能引起龋齿的变形链球菌Streptococcus mutans,会分解食物中的蔗糖,并利用其中一种糖类来构建它的荚膜,使之紧紧地附着在牙齿上。被困在胶囊中的细菌利用其他糖来促进新陈代谢,并产生一种强酸(乳酸)攻击牙釉质。当绿假单胞菌定植于囊性纤维化患者的肺部时,它会产生一种厚的海藻酸囊膜聚合物,从而导致根除细菌的困难。Zoogloea属的细菌分泌纤维素纤维,将细菌缠绕成漂浮在液体表面的絮状物,使细菌暴露在空气中,这是该属新陈代谢的需要。一些杆状细菌,如Sphaerotilus,分泌长而复杂的管状鞘,这些鞘包围了大量的细菌。这些细菌和许多其他环境细菌的外壳会被铁或锰氧化物包裹。

变形链球菌

图源:Kateryna Kon / Shutterstock

变形链球菌是一种在口腔中发现的细菌,可导致蛀牙。

鞭毛、菌毛

许多细菌是运动的,能够在液体介质中游动,或在固体表面滑动或聚集。游动和成群的细菌拥有鞭毛,鞭毛是运动所需的细胞外附属物。

鞭毛是由单一类型的蛋白质组成的长而螺旋的细丝,位于杆状细胞的末端,如霍乱弧菌或铜绿假单胞菌,或遍布细胞表面,如大肠杆菌。鞭毛可以在革兰氏阳性和革兰氏阴性杆菌上找到,但在球菌上很少见,并且被困在螺旋体的轴向丝中。

鞭毛在其基部附着在细胞膜的基体上。在膜上产生的原动力被用来转动鞭毛丝,就像涡轮一样,由氢离子流通过基体进入细胞。当鞭毛以逆时针方向旋转时,细菌细胞以直线游动;顺时针方向旋转导致以相反方向游动,或者,如果每个细胞有多个鞭毛,则随机翻滚。趋化性使细菌能够调整自己的游泳行为,使其能够感觉到并向不断增加的引诱性化学物质或远离排斥性化学物质的方向迁移。

细菌不仅能够游向或滑向更有利的环境,而且它们还有附属物,使它们能够粘附在表面,防止被流动的液体冲走。有些细菌,如大肠杆菌和淋病奈瑟菌,会产生笔直、坚硬的尖刺状突起,称为菌毛,它们从细菌表面延伸出来,附着在这些菌株的其他细胞上的特定糖上,肠上皮细胞或泌尿道上皮细胞菌毛只存在于革兰氏阴性菌中。某些菌毛是用来让一个细菌识别和坚持另一个在有性交配过程中称为接合。许多水生细菌产生一种酸性粘多糖固着物,使它们能够紧紧地附着在岩石或其他表面。

细胞质

虽然细菌在表面结构上有很大的不同,但它们的内部内容物非常相似,显示出相对较少的结构特征。

所有细胞的遗传信息都存在于DNA超长分子的含氮碱基序列中。与真核细胞中的DNA不同的是,细菌细胞中的DNA并没有被隔离在膜结合的细胞器中,而是呈长螺旋状分布在细胞质中。

在许多细菌中,DNA是以单个环状染色体的形式存在的,尽管有些细菌可能含有两条染色体,而且在某些情况下DNA是线性的而不是环状的。可变数量的较小的,通常是圆形的(虽然有时是线性的)DNA分子,称为质粒,可以携带辅助信息。

DNA中的碱基序列已经为数百种细菌所确定。细菌染色体的DNA含量从生殖支原体的580000碱基对到大肠杆菌的4700000碱基对,再到黄色粘球菌的9450000碱基对。粘液杆菌纤维素(Sorangium cellulosum),拥有最大的细菌基因组之一,包含超过1300万个碱基对。大肠杆菌染色体的长度,如果从细胞中取出并拉伸到最大限度,约为1.2毫米,考虑到细胞的长度约为0.001毫米,这蛮惊人的。

与所有生物体一样,细菌DNA含有四种含氮碱基腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)。 双链DNA分子碱基配对的规则要求腺嘌呤和胸腺嘧啶碱基的数目相等,胞嘧啶和鸟嘌呤碱基的数目也相等。

G和C碱基对的数量与A和T碱基对的数量之间的关系是生物体内进化和适应性遗传变化的重要指标。  

G + C的比例或摩尔比可以用G + C除以所有碱的总和(A + T + G + C)乘以100%来测量。生物体之间G + C比率的变化程度可能是相当大的。在动植物中,G + C的比例约为50%。 在原核生物中,G + C的比例范围更广,从大多数支原体的约25%到大肠杆菌中的约50%,到微球菌,放线菌和结实的粘菌中的近75%。但是,单个属中某个物种内的G + C含量非常相似。

细菌的细胞质包含高浓度的酶,代谢产物和盐。 另外,细胞的蛋白质是在分散在整个细胞质中的核糖体上制造的。 细菌核糖体与真核细胞中的核糖体不同之处在于它们更小,具有更少的成分(由三种类型的核糖体RNA和55种蛋白质组成,而真核生物中则由四种类型的rRNA和78种蛋白质组成)并且与作用于真核核糖体的抗生素相比,它们受到不同抗生素的抑制

细菌细胞质中有许多包涵体或颗粒。这些物体从不被膜封闭,而是作为储存容器。糖原是葡萄糖的聚合物,是碳水化合物和能量的储备。 Volutin或变色颗粒含有聚合磷酸盐,是无机磷酸盐和能量的储存形式。许多细菌具有含有聚β-羟基丁酸聚合物酯或相关化合物的脂滴。这与真核生物不同,真核生物利用脂滴储存甘油三酯。在细菌中,储存颗粒是在有利的生长条件下产生的,并在营养物质从培养基中耗尽后被消耗掉。 许多水生细菌产生气体空泡(或叫气囊),这是一种蛋白质结合的结构,含有空气,其中包含空气,并使细菌能够调节其浮力。 细菌也可以有内部的膜结构,作为细胞质膜的外生物形成。

细菌的生物类型  

致病细菌不断地与宿主的免疫系统搏斗,这一事实可能解释了属于同一物种但可通过血清学试验加以区分的不同菌株或类型的细菌数量之多,令人困惑。微生物学家通常通过细胞表面的特定分子来识别细菌,这些分子是用特定的抗体检测出来的。抗体是一种血清蛋白,在免疫反应中与外来分子(抗原)紧密结合,以清除或破坏抗原。抗体具有显着的特异性,蛋白质中甚至一个氨基酸的取代都可能阻止该蛋白质被抗体识别。

对于许多细菌种类,有成千上万种不同的菌株(称为血清变异体,用于血清学变异体),它们主要或仅在其脂多糖、鞭毛或荚膜的抗原特性上彼此不同。例如,肠内细菌的不同血清型,如大肠杆菌和沙门氏菌,常常被发现与栖息在不同宿主动物或引起不同疾病的能力有关。这些众多血清型的形成反映了细菌对免疫系统强烈的防御行为作出有效反应的能力。

03

细菌的繁殖

生殖过程

二分裂法

大多数原核生物通过二分裂过程进行繁殖,细胞体积不断增大,直至分裂成两半,产生两个完全相同的子细胞。每个子细胞可以继续以与父细胞相同的速度生长。为了实现这一过程,细胞必须在其整个表面生长,直到细胞分裂时,在细胞中部的分裂隔膜处形成一个新的半球形极

革兰氏阳性细菌中,隔膜沿着细胞的中点从质膜向内生长;在革兰氏阴性细菌中,细胞壁更具弹性,当侧壁向内挤压时形成分裂隔膜,将细胞一分为二。为了使细胞分裂成两半,肽聚糖的结构必须在半球形帽中不同于在细胞壁的笔直部分,并且不同的壁交联酶必须在隔膜处比在其他地方更活跃。

出芽生殖

一群环境细菌通过出芽繁殖。在这个过程中,在母细胞的一端或丝上形成一个小的芽,称为前列腺癌。随着生长的进行,母细胞的大小保持不变,但芽会扩大。当芽的大小和母细胞差不多时,它就会分离。这种繁殖方式类似于萌芽真菌,如啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae。分裂和出芽的一个区别是,在后者中,母细胞通常具有与后代不同的特性。在某些巴氏杆菌菌株(Pasteuria strains)中,子芽有鞭毛,并能运动,而母细胞没有鞭毛,但有长的菌毛,但在芽对面的末端具有长的菌毛和固定的附肢。在浮游生物中发现的相关浮萍菌在芽对面的末端具有长的纤维状茎。 在Hyphomicrobium中,菌丝(prostheca)从细胞的一端长出,芽从prostheca的尖端长出,与母细胞相距相对较长的距离。

多形生丝单胞菌

图源:Biological Photo Service

在萌芽的多形性hyphomonas细菌中,芽长在称为prostheca的细丝末端。

孢子繁殖

许多环境细菌能够产生稳定的休眠或休眠形式,作为其生命周期的一个分支,以增强其在不利条件下的生存能力。这些过程不是细胞生命周期的一个强制性阶段,而是一种中断。这种休眠形式被称为内生孢子、胞囊或异胞囊(主要见于蓝藻),这取决于孢子形成的方法,而孢子形成的方法因细菌群而异

在许多属的细菌中都发现了形成内生孢子的能力这些细菌主要是革兰氏阳性菌,包括需氧芽孢杆菌(aerobic rod Bacillus),微需氧菌芽孢杆菌(microaerophilic rod Sporolactobacillus),厌氧菌梭状芽孢杆菌(anaerobic rods Clostridium)脱硫芽孢杆菌(Desulfotomaculum),球菌孢子菌(coccus Sporosarcina)丝状嗜热放线菌(filamentous Thermoactinomyces)

孢子的形成是对营养缺乏的反应。 因此,在营养物质可用之前,内生孢子不具有代谢活性,这时它们能够从孢子分化为营养细胞。 在孢子形成过程中,每个细菌细胞内部仅形成一个孢子。孢子的形成始于细菌染色体拷贝周围细胞质膜的内陷,从而使较小细胞的内容物与母细胞分离。

母细胞的膜吞噬了其细胞质内的较小细胞,有效地提供了两个同心的单元膜来保护正在发育的孢子。 薄的孢子膜和厚的肽聚糖皮质位于两个单元膜之间。 皮质外部形成坚硬的孢子皮,包围整个孢子结构。孢子皮具有类似于角蛋白的特性,能够抵抗热,干燥(脱水),冷冻,化学药品和辐射的致死作用。 内生孢子抵抗这些有害物质的能力可能来自于孢子内部极低的水含量。 甲基肌球菌属中的甲烷氧化细菌(Methylosinus)也会产生耐干燥性的孢子,称为外孢子。

包囊是由固氮菌(Azotobacter), 蛭弧菌Bdellovibrio,蛭包囊)和粘球菌Myxococcus,粘孢子)的休眠成员产生的厚壁结构。它们对干燥和其他有害条件有抵抗力,但程度低于内生孢子。在固氮固氮菌的包囊中,细胞分裂后形成一层厚厚的多层细胞壁和外壳,包围着静息细胞。

丝状放线菌产生两类生殖孢子:分生孢子,是在地上或基质菌丝体上形成的多个孢子链;孢子囊孢子,是在称为孢子囊的特殊囊中形成的。

遗传信息交流

细菌在其生命周期中没有一个专有性生殖阶段,但它们可以非常活跃地交换遗传信息。DNA中携带的遗传信息可以从一个细胞转移到另一个细胞;然而,这不是真正的交换,因为只有一个’同伴’接收到新的信息。

此外,转移的DNA量通常只是染色体的一小部分。发生这种情况有几种机制。在转化过程中,细菌吸收漂浮在培养基中的游离DNA片段。为了有效地吸收DNA,细菌细胞必须处于一种有能力的状态,这是由细菌结合DNA自由片段的能力来定义的,并且仅在有限数量的细菌中自然形成,例如嗜血杆菌(Haemophilus)、奈瑟菌(Neisseria)、链球菌(Streptococcus)和芽孢杆菌(Bacillus)。在实验室条件下,例如通过暴露于氯化钙(CaCl2)溶液,可以使许多其他细菌,包括大肠杆菌,变得人为地具有竞争力。转化是重组DNA技术中的一个主要工具,因为来自一个生物体的DNA片段可以被另一个生物体摄取,从而使第二个生物体获得新的特性

细菌之间交换遗传物质

图源:Encyclopædia

细菌DNA可以通过结合和转导过程从一个细胞传递到另一个细胞。

转导是指通过一种称为噬菌体的细菌感染病毒将DNA从一种细菌转移到另一种细菌。转导是在细菌之间转移DNA的有效手段,因为封闭在噬菌体中的DNA受到保护,免受物理降解和环境中酶的攻击,并通过噬菌体直接注入细胞中。 然而,通过转导的广泛基因转移具有有限的意义,因为将细菌DNA包装到病毒中效率低下,并且噬菌体通常在它们可感染的细菌种类范围内受到高度限制。 因此,通过转导进行种间转移的DNA很少。

图源:Encyclopædia

接合是通过质粒(非染色体DNA分子)介导的细胞间直接接触的DNA转移。接合质粒编码一种极其有效的机制,它介导自己从供体细胞到受体细胞的转移。因为仅供体细胞包含结合质粒,所以该过程在一个方向上发生。在革兰氏阴性细菌中,供体细胞产生特定的质粒编码菌毛,称为性菌毛,该菌毛将供体细胞附着到受体细胞上。 连接后,两个细胞将直接接触,并形成一个偶联桥,DNA通过该桥从供体转移到受体。 许多接合质粒可以在大量不同的革兰氏阴性细菌之间转移,并在其中繁殖 质粒的大小不等,从几千个到超过100,000个碱基对。 后者有时被称为巨质粒。

巴氏杀菌如何保护食物

图源:Encyclopædia

细菌可能是致病的(引起疾病),并可能产生毒素,使食物变质并引起食物中毒。细菌引起的某些疾病包括肉毒杆菌中毒,伤寒和肺炎。

细菌的种群增长

细菌培养物的生长被定义为一个群体中细菌数量的增加,而不是单个细胞大小的增加。细菌种群的生长是以几何或指数方式发生的:每一个分裂周期(世代),一个细胞产生2个细胞,然后是4个细胞,然后是8个细胞,然后是16个细胞,然后是32个细胞,依此类推。生成一代所需的时间,即生成时间(G),可通过以下公式计算:

在公式中,B是观察开始时出现的细菌数量,B是时间段t后出现的细菌数量,n是世代数。这种关系表明,平均产生时间是恒定的,细菌数量增加的速度与任何给定时间的细菌数量成正比。这种关系只在种群以指数方式增长的时期有效,称为对数增长期。因此,显示细菌培养物生长的图形被绘制为细胞数的对数。

枯草芽孢杆菌生长周期

图源:AW Rakosy /Encyclopædia

细菌菌落通过生长的四个阶段进行:滞后阶段,对数阶段,静止阶段和死亡阶段。

细菌的产生时间因细菌而异,受许多环境条件和细菌种类的性质所控制。例如,生长最快的细菌之一产气荚膜梭状芽胞杆菌的最佳生成时间约为10分钟。 大肠杆菌每20分钟可以翻一倍; 生长缓慢的结核分枝杆菌的产生时间为12至16小时。 一些研究人员建议,某些生活在地球表面深处的细菌种群可能以极慢的速度生长,每隔几千年才繁殖一次。 “生长培养基”  例如摄入食物的组成是控制生长速率的主要因素。 当培养基提供更好的能源和细胞原本必须自己制造的更多生物合成中间体时,生长速率会增加到最大。

细菌生长曲线

广义细菌生长曲线显示了细菌菌落生长的各个阶段。

当细菌被放置在一个能提供其生长所需的所有营养物质的培养基中时,菌群表现出四个生长阶段,这四个阶段代表了典型的细菌生长曲线。一旦接种到新的培养基中,细菌不会立即繁殖,种群大小保持不变。在这一时期,称为滞后期,细胞代谢活跃,只增加细胞大小。它们还在新的环境条件下合成细胞分裂和种群增长所需的酶和因子。

然后,种群进入对数阶段,细胞数量以对数方式增加,每一代细胞与前一代细胞在相同的时间间隔内发生,从而使每一代细胞的成分均衡增加。对数阶段一直持续到营养物质耗尽或有毒物质积累,此时细胞生长速度减慢,一些细胞可能开始死亡。在最佳条件下,对数末期某些细菌的最大种群密度可达每毫升100亿至300亿个细胞。

枯草芽孢杆菌

图源:AW Rakosy /Encyclopædia

枯草芽孢杆菌的细菌菌落在37℃下进入生长的对数期培养18-24小时后,(98.6°F;放大约6倍)

细菌生长的对数阶段之后是稳定阶段,在这个阶段,细菌种群的大小保持不变,即使一些细胞继续分裂,而另一些细胞开始死亡。稳定期之后是死亡期,在这一阶段,群体中细胞的死亡超过了新细胞的形成。死亡阶段开始前的时间长短取决于物种和培养介质。即使在缺乏营养的情况下,细菌也不一定会死亡,并且它们可以长期存活。

04

细菌的生态

大自然中的分布

原核生物在地球表面无处不在。 从极地冰到冒泡的温泉,从山顶到海底,从动植物到森林土壤,都可以找到它们。 有些细菌可以在接近冰点的温度下在土壤或水中生长,而另一些细菌则可以在接近沸腾(100°C 的温度下繁殖。 每种细菌都适合生活在特定的环境环境中,无论是海洋表面,泥浆沉积物,土壤还是其他生物的表面。 空气中的细菌含量很低,但是当灰尘被悬浮时含量会升高。 在未受污染自然水体中,细菌数可以是每毫升数千。 在肥沃的土壤中,细菌数可以达到每克数百万。 在粪便中,细菌数量可能超过每克数十亿。

细菌在有机分解中的作用是从垃圾填埋场和水中去除不需要的生物材料的过程的一部分。

细菌是其栖息生态系统中的重要成员。尽管它们的体积很小,但它们的数量之多意味着它们的新陈代谢在外部环境中的元素转化中起着巨大的作用,有时有益,有时有害。可能每一种自然产生的物质,以及许多人工合成的物质,都能被某些种类的细菌降解(代谢)。奶牛最大的胃——瘤胃是一个发酵室,细菌在其中消化草料和饲料中的纤维素,将其转化为脂肪酸和氨基酸,这是奶牛使用的基本营养素,也是奶牛产奶的基础。污水或堆肥堆中的有机废物被细菌转化为适合植物新陈代谢的营养物质,或转化为气态甲烷(CH4)和二氧化碳。包括动植物在内的所有有机物质的残余物最终通过细菌和其他微生物的活动转化为土壤和气体,从而可供进一步生长。

许多细菌生活在溪流和其他水源中,它们在水样中的低种群密度并不一定表明水不适合饮用。然而,含有大肠杆菌等细菌的水,是人类和动物肠道的正常居民,表明污水或粪便物质最近污染了该水源。这类大肠菌群本身可能是病原体(致病生物),它们的存在表明其他不太容易检测到的细菌和病毒病原体也可能存在。净水厂中使用的沉淀、过滤和氯化程序旨在去除这些以及任何其他可能存在于人类饮用水中的微生物和传染源。水中微生物分解有机物质消耗氧气(生化需氧量),导致氧气水平下降,这对接收废水的溪流和湖泊中的水生生物非常有害。污水处理的一个目标是在有机物排放到水系统之前尽可能地氧化它们,从而降低废水的生化需氧量。为此,污水消化池和曝气装置专门利用细菌的代谢能力。

土壤细菌通过转化土壤的各种物质、腐殖质和矿物质,在影响生物化学变化方面极为活跃。对生命至关重要的元素,如碳、氮和硫,被细菌从无机气态化合物转化为可供植物和动物使用的形式

细菌还将动植物代谢的最终产物转化为细菌和其他微生物可以利用的形式。氮循环可以说明细菌在影响各种化学变化中的作用。氮在自然界中以几种氧化状态存在,如硝酸盐、亚硝酸盐、二氮气体、几种氮氧化物、氨和有机胺(含有一种或多种取代烃的氨化合物)。固氮是将大气中的二氮气体转化为可供生物利用的形式。一些固氮细菌,如固氮菌、巴氏梭菌和肺炎克雷伯菌,是自由生活的,而根瘤菌则与豆科植物密切相关。

土壤中的根瘤菌生物识别并侵入其特定植物宿主的根毛,进入植物组织,并形成根瘤。 这个过程导致细菌失去许多自由活动特性。 它们变得依赖于植物所提供的碳,并且作为碳的交换,它们将氮气转化为氨,氨被植物用于其蛋白质的合成和生长。 另外,当硝酸盐用作电子受体时,许多细菌可以将硝酸盐转化为胺,以合成细胞材料,或将其转化为氨。反硝化细菌将硝酸盐转化为氮气。 氨或有机胺向硝酸盐的转化是通过需氧生物硝化单胞菌和硝化细菌的联合活动来完成的,它们利用氨作为电子供体。

固氮细菌 (右)豌豆植物(Pisum sativum)的根部,其根瘤内藏有固氮细菌(Rhizobium)。(左)根瘤是根瘤菌与植物根毛之间共生关系的结果。细菌识别根毛并开始分裂(A),通过感染线(B)进入根部,使细菌进入根细胞,然后分裂成结节(C)

在碳循环中,二氧化碳被植物和自养原核生物转化为细胞物质,有机碳通过异养生物返回大气。 微生物分解的主要分解产物是二氧化碳,它是由呼吸需氧生物而形成的。

甲烷是碳代谢的另一种气体最终产物,是全球碳循环中相对次要的组成部分,但在当地情况下具有重要意义,是供人类使用的可再生能源。甲烷的产生是由高度专业化和专性厌氧产甲烷原核生物进行的,它们都是古细菌。产甲烷菌利用二氧化碳作为末端电子受体,从氢气(H2)中接收电子。其他一些物质可以被这些生物转化为甲烷,包括甲醇、甲酸、乙酸和甲胺。

尽管产甲烷菌可利用的物质范围极窄,但在许多有机物质(包括纤维素、淀粉、蛋白质、氨基酸、脂肪、醇和大多数其他底物)的厌氧分解过程中,甲烷的生成非常普遍。从这些物质中生成甲烷需要其他厌氧菌将这些物质降解为醋酸盐或二氧化碳和氢气,然后由产甲烷菌(methanogens)使用。产甲烷菌通过去除甲烷代谢活动中产生的氢气来支持混合物中其他厌氧菌的生长。消耗氢气会刺激其他细菌的新陈代谢

尽管产甲烷菌的代谢能力非常有限,而且对氧非常敏感,但它们在地球上很普遍。大量的甲烷是在厌氧环境中产生的,比如沼泽和沼泽,但是土壤和反刍动物也会产生大量的甲烷。大气中至少80%的甲烷是由产甲烷菌作用产生的,其余的则是从煤层或天然气井中释放出来的。

食物中的细菌

健康奶牛的牛奶最初含有很少的细菌,这些细菌主要来自奶牛的皮肤和处理牛奶的程序。牛奶是许多细菌的极好生长介质,除非牛奶经过适当加工,否则细菌的数量会迅速增加。如果存在致病菌,细菌生长会破坏牛奶,甚至对健康造成严重危害。可以从被感染的牛传播的疾病包括结核病(结核分枝杆菌,Mycobacterium tuberculosis),不发烧的发热(流产的布鲁氏菌Brucella abortus)和发热的病原体(柯氏杆菌Coxiella burnetii)。

此外,伤寒可通过受感染的牛奶处理者的牛奶传播。 巴氏杀菌程序将牛奶的温度升高30分钟至63°C(145°F)或15秒升高至71°C(160°F),这可以杀死可能存在的任何病原菌,尽管这些程序不能杀死所有微生物

某些细菌将牛奶转化成有用的乳制品,如酪乳、酸奶和奶酪。商业培养的酪乳是从接种了乳酸菌(Lactococcus)发酵剂(通常是乳酸乳杆菌或乳酪乳杆菌)的牛奶中制备的。酸奶和其他发酵乳制品是用不同的细菌培养物以类似的方式生产的。许多奶酪也是通过细菌的作用制成的。产酸细菌如乳乳酸杆菌在牛奶中的生长会使酪蛋白沉淀成凝乳。除去水分和加盐后,凝乳在其他微生物的作用下成熟。不同的细菌赋予食物不同的风味和特性;例如,干酪乳杆菌、嗜热链球菌和舍曼丙酸杆菌的混合物负责瑞士奶酪的成熟,并产生其特有的味道和大气泡。其他类型的细菌长期以来被用于制备和保存通过细菌发酵生产的各种食品,包括腌制产品、泡菜和橄榄

在食物中传播的许多致病菌的毒素在摄入时会引起食物中毒。其中包括一种由金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)产生的毒素,这种毒素能引起迅速、严重但有限的胃肠道不适,或者肉毒梭菌(Clostridium botulinum)的毒素,这种毒素通常是致命的。在密封前未完全煮熟的罐装非酸性食品中可能产生肉毒杆菌毒素。肉毒梭菌形成耐热孢子,可以发芽为营养细菌细胞,在厌氧环境中茁壮成长,这有利于产生其极强的毒素。其他食源性感染实际上是由受感染的食物处理者传播的,包括伤寒、沙门氏菌病(沙门氏菌属)和志贺氏菌病(痢疾志贺氏菌属)。

图源:Encyclopædia

工业中的细菌

各种细菌的厌氧糖发酵反应会产生不同的最终产物。用酵母生产乙醇已经被酿酒工业开发了几千年,并被用于燃料生产。在醋的生产过程中,特定的细菌将酒精氧化成醋酸。其他的发酵过程可以制造出更有价值的产品。有机化合物,如丙酮、异丙醇和丁酸,是由各种梭状芽孢杆菌(Clostridium)在发酵过程中产生的,可以在工业规模上制备。在极端环境的生物中也发现了其他细菌产物和反应。 从嗜热细菌中分离出的酶引起了极大的兴趣,在这些酶中,由于可以在较高的温度下进行反应,因此可以以较高的速率进行反应。

来源:Encyclopædia

烃类氧化细菌和真菌对石油产品的微生物分解具有重要的生态学意义。石油的微生物分解是一个好氧过程,如果石油沉淀到底部的厌氧沉积物层(厌氧环境中的天然石油沉积物有数百万年的历史),那么这一过程就会被阻止。碳氢化合物氧化细菌附着在水面上漂浮的油滴上,它们的作用最终将油分解为二氧化碳。 将此类细菌及其生长因子喷洒到溢油上以提高非挥发性脂族和芳族烃的降解速度已成为一种常见的做法。

医学中的细菌

菌性疾病在人类历史上起着主导作用。 霍乱和鼠疫的广泛流行使世界上某些地区的人口减少了三分之一以上。细菌性肺炎可能是老年人死亡的主要原因。 也许有更多的军队被伤寒,痢疾和其他细菌感染击败,而不是被武力击败。 随着管道和卫生设备的现代发展,细菌疫苗的发展以及抗菌素的发现,细菌性疾病的发生率已降低。 然而,细菌没有继续作为传染因子消失,因为它们继续进化,产生了越来越强的毒株并获得了对许多抗生素的抗性

尽管大多数细菌对地球上的生命都是有益的,甚至是生命所必需的,但少数细菌却对人类有害。 目前,没有一种古细菌被认为是病原体,但是包括人类在内的动物不断遭到大量细菌和各种细菌的轰击和居住。 与动物接触的大多数细菌都可以通过宿主的防御系统迅速消除。 口腔,肠道和皮肤被大量特定类型的细菌定殖,这些细菌适应这些栖息地的生活。 这些生物在正常情况下是无害的,并且仅在它们以某种方式穿过身体的屏障并引起感染时才变得危险

一些细菌擅长入侵宿主,被称为病原体或疾病产生者。 一些病原体作用于人体的特定部位,例如脑膜炎球菌(Neisseria meningitidis),它会侵袭并刺激脑膜,大脑和脊髓周围的膜,并刺激脑膜。白喉细菌(Corynebacterium diphtheriae),最初感染喉咙; 以及在肠道中繁殖的霍乱细菌(霍乱弧菌),其产生的毒素导致该霍乱的大量腹泻。 其他能感染人类的细菌包括葡萄球菌(主要是金黄色葡萄球菌),它能感染皮肤引起疖子(疖子),血液引起败血症(血液中毒),心脏瓣膜引起心内膜炎,或骨头引起骨髓炎

来源:Encyclopædia

人体中的细菌

图源:Encyclopædia

人体屏障(例如皮肤和肠道内壁)中的天然细菌在正常的人类生理过程中起着重要的作用。

侵入动物血液的病原菌可以利用多种机制中的任何一种来逃避宿主的免疫系统,包括形成长的脂多糖链,从而对一组血清免疫蛋白(称为补体)产生抵抗力,补体通常会抑制细菌的生长。细菌表面蛋白的致病性重组阻止动物产生的抗体识别病原体,在某些情况下使病原体能够在吞噬性白细胞中存活和生长。许多病原菌产生毒素,协助它们入侵宿主。这些毒素包括蛋白酶,分解组织蛋白质的酶,以及脂肪酶,分解脂质(脂肪)并通过破坏细胞膜来损伤细胞的酶。其他毒素通过在细胞膜上形成孔或通道来破坏细胞膜。一些毒素是修饰参与蛋白质合成或控制宿主细胞代谢的特定蛋白质的酶;例如白喉、霍乱和百日咳毒素

补体激活途径

补体蛋白的主要功能是通过刺穿病原体的外膜(细胞裂解)或使它们对吞噬细胞(例如巨噬细胞)更具吸引力来帮助破坏病原体(这一过程称为调理作用)。一些补体成分还通过刺激细胞释放组胺和将吞噬细胞吸引到感染部位来促进炎症。

一些病原细菌在宿主体内形成区域,在这些区域中它们被封闭并不受免疫系统的保护,例如葡萄球菌形成的皮肤疖子和结核分枝杆菌形成的肺部空洞脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)大量存在于人体肠中,但是一般不会对宿主造成任何困难。如果这种细菌通过损伤进入体内,细菌囊会刺激身体将细菌隔离成脓肿,从而减少细菌的传播。在许多情况下,细菌感染的症状实际上是免疫系统过度反应的结果,而不是细菌产生毒性因子的结果。

对抗致病性细菌感染的其他方法包括使用生物治疗剂或益生菌。这些无害的细菌会干扰病原菌的定殖。另一种方法是利用噬菌体,即杀死细菌的病毒,来治疗特定细菌病原体的感染。此外,20世纪80年代发展起来的重组DNA技术使细菌合成几乎任何蛋白质成为可能,大肠杆菌是这一过程中常见的宿主。重组DNA技术用于廉价、大规模生产极为稀缺和有价值的动物或人类蛋白质,如激素、凝血因子,甚至抗体

05

细菌的进化演变

细菌自地球生命史以来就已经存在。 在岩石中发现的细菌化石至少可以追溯到泥盆纪时期(4.192亿至3.589亿年前),并且令人信服的论点是自前寒武纪大约35亿年前就已经存在细菌。细菌至少在大约18亿年前的古元古代末期就已在地球上广泛传播,当时由于蓝细菌的作用,大气中出现了氧气。 因此,细菌有足够的时间来适应其环境,并产生了许多后代

关于生命起源所涉及的原始祖先的性质,人们有相当多的猜测。有人认为原始细胞可能使用RNA作为其遗传物质,因为研究表明RNA分子可以具有多种催化功能。在这个时期,细菌和古菌很早就从它们共同的前体中分化出来。这两类原核生物倾向于栖息在不同类型的环境中,并以不同的速度产生新的物种。许多古菌喜欢高温生态位。古细菌树的一个主要分支仅由嗜热物种组成,而另一个主要分支中的许多产甲烷菌可以在高温下生长。相反,没有一个主要的真细菌分支仅仅由嗜热菌组成。细菌和古细菌都含有能够在高温下生长的成员,以及其他能够在低温下生长的物种。另一个显著的区别是细菌广泛地适应好氧条件,而许多古细菌是专性厌氧菌。没有古细菌是专性光合作用的。也许古细菌是一种较原始的生物体,对变化的环境条件的遗传反应受损。 适应新情况的能力有限可能会将古细菌限制在恶劣的环境中,与其他生命形式的竞争较少。

根据三域系统的生命之树

有机体必须不断进化或适应不断变化的环境,很明显,突变,即有机体DNA中核苷酸序列的变化,在所有有机体中不断发生。DNA序列的变化可能会导致该DNA片段编码的蛋白质的氨基酸序列发生变化。因此,改变后的蛋白质可能更适合或不太适合在当前条件下发挥功能。尽管DNA中可能发生的许多核苷酸变化对细胞的适应性没有影响,但如果核苷酸变化能促进细胞的生长,哪怕是很小的程度,那么突变型细胞就能够增加其在群体中的相对数量。然而,如果核苷酸的改变阻碍了细胞的生长,那么突变形式就会被其他细胞所取代而丧失

在生物体之间传递遗传信息的能力是适应环境变化的一个主要因素。DNA交换是高等真核生物生命周期的重要组成部分,在所有真核生物中都有发生。基因交换也发生在整个细菌世界,虽然转移的DNA量很小,但这种转移可以发生在远缘生物之间。携带在质粒上的基因可以进入细菌染色体,成为细菌遗传的稳定部分。生物体通常拥有称为转座子的可移动遗传元件,可以重新排列染色体上任何基因的顺序和存在。转座子可能在帮助加快进化速度方面发挥作用。

细菌快速进化的例子很多。在20世纪40年代以前,抗生素还没有用于医疗实践。当抗生素最终投入使用时,大多数致病菌对它们很敏感。然而,从那时起,细菌对一种或多种抗生素的耐药性增加,以至于以前有效的抗生素对某些类型的细菌不再有用。大多数致病细菌对抗生素耐药的例子并不是由于突变改变了抗生素攻击的蛋白质,尽管这种机制可能发生。相反,抗生素抗性通常涉及细菌产生的酶,这些酶会改变抗生素并使之失活。抗生素耐药性传播的一个主要因素是可传播的质粒,它将药物灭活酶的基因从一个细菌携带到另一个细菌。尽管这些酶的基因的原始来源尚不清楚,但可移动的基因元件(转座子)可能在它们的出现中起了作用,也可能允许它们转移到其他细菌类型。

06

细菌的生物合成,营养和生长

影响细菌生长的因素

细菌在最佳生长所需的条件上有很大的不同。就营养需求而言,所有细胞都需要碳、氮、硫、磷、多种无机盐(如钾、镁、钠、钙和铁)以及大量其他微量元素(如锌、铜、锰、硒、钨和钼)。碳是细菌最需要的元素,因为氢和氧可以从水中获得,这是细菌生长的先决条件。同时还需要一种能量来源来促进细菌的新陈代谢。组织细菌的一种方法是基于这些基本的营养需求:碳源和能源

细胞可用于碳的来源有两种:无机化合物和有机化合物。使用无机化合物二氧化碳(CO2)作为碳源的生物称为自养生物。 需要碳的有机源(例如糖,蛋白质,脂肪或氨基酸)的细菌称为异养生物(或有机营养菌)。 许多异养生物,例如大肠杆菌或铜绿假单胞菌,都由简单的糖(例如葡萄糖)合成所有细胞成分,因为它们具有必要的生物合成途径。 其他异养生物失去了其中一些生物合成途径。 为了生长,它们要求其环境包含化学上完整的特定氨基酸,含氮碱或维生素。

铜绿假单胞菌

除了碳,细菌还需要能量,能量几乎总是通过电子从电子供体转移到电子受体来获得的。有三种基本的能源:光、无机化合物和有机化合物。光营养细菌利用光合作用从光能中产生三磷酸腺苷(ATP)形式的细胞能量。化学营养体从化学物质(有机和无机化合物)中获取能量;化学石营养体从与无机盐的反应中获取能量;化学异养体从有机化合物中获取碳和能量(能量源也可作为这些生物体的碳源)。

在大多数情况下,细胞能量是通过电子转移反应产生的,其中电子通过一种途径从电子或有机供体分子移动到受体分子,从而保留了电子在转移过程中释放出的能量,其形式为电子俘获 细胞可用于其化学或物理工作的物质。 从电子传输中捕获的主要能量形式是ATP。 分解有机分子以产生能量的代谢过程称为分解代谢反应。 相反,合成分子的代谢过程称为合成代谢反应。

许多细菌可以使用大量的化合物作为碳和能源,而其他细菌的代谢能力受到很大限制。尽管碳水化合物是真核生物的常见能源,但是由于大多数细菌不具有代谢这些通常复杂的分子所必需的酶,因此这些分子仅通过有限数量的细菌进行代谢。 相反,许多细菌都依赖于其他能源,例如氨基酸,脂肪或其他化合物。 对细菌重要的其他化合物包括磷酸盐,硫酸盐和。 由于许多细菌无法合成磷酸盐,因此在许多环境中,尤其是在水中,磷酸盐含量低可能是细菌生长的限制因素。 另一方面,大多数细菌可以将硫酸盐或硫化物转化为蛋白质合成所需的有机形式。 生命有机体从氨中吸收氮的能力是广泛存在的,细菌将其他形式的氮(例如土壤中的硝酸盐或大气中的二氧化氮转化为细胞物质的能力也有所不同。

有些细菌是专性寄生虫,只在活的宿主细胞内生长。例如,立克次体(Rickettsia)和衣原体(Chlamydia), 在真核细胞中生长,蛭弧菌(Bdellovibrio)在细菌细胞中生长。梅毒螺旋体(Treponema pallidum)很难(即使不是不可能)在培养中生长,可能是因为它需要低的氧张力和低的氧化还原水平,这是由于存在动物细胞而不是任何特定的营养素所致。因为有些细菌可能只以动物或植物寄生虫的形式生长,或者只在牛奶等营养丰富的来源中生长,所以它们在自然界中不可能以游离细菌的形式生长。许多来自自然环境的细菌与其他细菌联合存在,很难从该伙伴关系的其他成员中分离和培养。

对于不同的细菌类型来说,最适合细菌生长的物理条件有很大的不同。作为一个群体,细菌在不同环境中的生存能力在所有生物中表现出最大的差异。

氧 气 

细菌之间最显著的区别之一是它们对大气氧(O2)的需求和反应。实际上,所有的真核生物都需要氧气才能茁壮成长,而许多种类的细菌可以在厌氧条件下生长。需要氧气才能生长的细菌称为专性需氧细菌。在大多数情况下,这些细菌需要氧气才能生长,因为它们产生能量和呼吸的方法依赖于电子向氧气的转移,而氧气是电子传递反应中的最终电子受体

专性需氧菌包括枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)和氧化亚铁硫杆菌(cidithiobacillus ferrooxidans)

只有在缺氧条件下才能生长的细菌,如梭状芽孢杆菌、类杆菌和产甲烷的古细菌(产甲烷菌)被称为专性厌氧菌,因为它们产生能量的代谢过程与氧气的消耗相无关。事实上,氧气的存在实际上会毒害它们的一些关键酶。有些细菌(肺炎链球菌)是微需氧或耐氧厌氧菌,因为它们在低浓度的氧气中生长得更好。在这些细菌中,氧气通常会刺激微小的代谢过程,从而增强能量产生的主要途径。兼性厌氧菌可以根据氧气的存在改变其代谢过程,在氧气存在时使用更有效的呼吸过程,在缺氧时使用效率较低的发酵过程。兼性厌氧菌包括大肠杆菌和金黄色葡萄球菌

破伤风梭状芽胞杆菌

图源:Centers for Disease Control and Prevention

细菌对氧的反应不仅仅取决于它们的代谢需要。氧是一种非常活泼的分子,会形成一些有毒的副产物,如超氧物(O2-)、过氧化氢(H2O2)和羟基自由基(OH·)。有氧生物产生的酶可以使这些氧气产物解毒。 

最常见的排毒酶是分解过氧化氢的过氧化氢酶和分解超氧化物的超氧化物歧化酶。 厌氧细菌通常不产生过氧化氢酶,其超氧化物歧化酶的水平随细胞对氧气的敏感性而成比例地变化。 许多厌氧菌对氧气过敏,短时间接触就会被杀死,而其他厌氧菌,包括大多数梭状芽孢杆菌,对氧的存在更具耐受性。这些酶的联合作用,以消除过氧化氢和超氧物是重要的,因为这些副产品与铁一起形成极为活跃的羟基自由基,这是能够杀死细胞

温度  

细菌已适应多种温度。 在低于约15°C(59°F)的温度下生长的细菌是嗜冷菌。细菌在低温下生长的能力并不意外,因为温带土壤的平均地下温度约为12°C(54°F),90%的海洋温度为5°C(41°F)或更低。专性嗜冷菌是从北极和南极海水和沉积物中分离出来的,其最适生长温度约为10℃(50℉),如果暴露在20℃(68℉)下,则无法存活。

大多数嗜冷细菌属于革兰氏阴性菌属假单胞菌属、黄杆菌属、无色杆菌属和产碱菌属中温细菌是指在20至45°C(68至113°F)之间发生最佳生长的细菌,尽管它们通常可以在10至50°C(50至122°F)的温度下存活和生长。动物病原体一般是嗜中性的。

嗜热原核生物可以在高于60°C(140°F)的温度下生长。这些温度在腐烂的堆肥堆、温泉和海洋地热喷口中都会遇到。在温泉的径流中,在温度下降到70℃左右的源头附近发现了嗜热菌,如水热菌(生长的最适温度为70℃[158℉];最高温度为79℃[174℉])。

蓝藻合成球藻和光营养滑动细菌氯曲菌的厚席在径流较冷的部分发育。古生酸硫菌对酸性条件有很高的耐受性,允许在pH值约为1.0至6.0的范围内生长,最适温度为80°C(176°F)。许多细菌和古细菌适应于50至70°C(122至158°F)的温度范围,包括芽孢杆菌属、热放线菌属、甲烷杆菌属、甲基球菌属和硫菌属的一些成员。

最引人注目的是上世纪80年代中期在深海海底营养丰富、温度极高的热液喷口中发现了细菌和古细菌。焦菌属的古细菌在80到110°C(176到230°F)的温度范围内繁衍生息,在这种温度下,水只有在极高的压力下才能保持液态。

pH值  

大多数细菌在中性pH值范围内(5-8之间)生长,尽管有些物种已经适应了酸性或碱性极端条件下的生活。 嗜酸细菌的一个例子是氧化铁曲霉。 当煤层通过采矿作业暴露于空气中时,黄铁矿硫化物沉积物会受到A.ferrooxidans的攻击而生成硫酸,从而将pH值降低至2.0甚至0.7。 但是,铁氧化农杆菌的耐酸性仅适用于硫酸,因为这些细菌在暴露于等浓度的其他酸(例如盐酸)时会死亡。许多细菌不能耐受酸性环境,特别是在厌氧条件下,结果,植物聚合物在酸性沼泽(pH值在3.7和5.5之间),松树林和湖泊中会缓慢降解。 与嗜酸菌相反,嗜碱菌能够在高达10至11的pH值的碱性浓度下生长。嗜碱菌已从土壤中分离出来,大多数是革兰氏阳性芽孢杆菌属

盐和水  

水是生命的基本需求。有些细菌喜欢咸的环境,因此被称为嗜盐菌。极端嗜盐菌,如嗜盐杆菌,在含盐量为20%至30%的条件下表现出最佳生长,如果盐含量降低,它们会溶解(破裂)。这种细菌存在于死海、盐水池中,有时也存在于咸鱼和兽皮上。中度嗜盐细菌在含盐量为5%至20%的条件下生长,在盐卤和泥浆中也有发现。

死海中的盐柱

图片来源:Peter Carmichael/ASPECT

细菌代谢

异养代谢  

如上所述,异养(或有机营养)细菌需要有机分子来提供它们的碳和能量。产生能量的分解代谢反应可以有许多不同的类型,尽管它们都涉及电子转移反应,其中电子从一个分子到另一个分子的运动与产生ATP的能量捕获反应相耦合。一些异养细菌可以代谢糖或复杂的碳水化合物来产生能量这些细菌必须产生许多特定的蛋白质,包括将多糖降解为其组成糖单位的酶,在细胞内积累糖的运输系统,以及将糖转化为代谢中间产物之一的酶,如葡萄糖-6-磷酸。糖酵解的Embden-Meyerhof途径和磷酸戊糖途径都存在于真核细胞中。有些细菌拥有Entner-Doudoroff途径,主要将葡萄糖转化为丙酮酸,还有一些途径可以用较少的酶催化步骤将葡萄糖转化为较小的化合物。

糖代谢通过发酵和呼吸两个不同的过程为细胞产生能量。发酵是在没有任何外部电子受体的情况下进行的厌氧过程。有机化合物,如糖或氨基酸,被分解成更小的有机分子,这些分子接受在能量源分解过程中释放的电子。

这些分解代谢反应包括几个步骤,直接形成ATP。当葡萄糖被分解成乳酸时,就像某些乳球菌和乳酸杆菌以及高等真核生物的肌肉细胞中发生的那样,每个葡萄糖分子只产生两个ATP分子,相当数量的葡萄糖必须被降解以提供足够的能量供细菌生长。由于有机分子在发酵过程中仅被部分氧化,发酵细菌的生长会产生大量的有机终产物,而消耗的每个葡萄糖分子的能量输出相对较小。

很少有细菌只产生乳酸乳酸对细菌毒性很大,限制了菌落的生长。特定细菌利用多种额外的发酵途径分解葡萄糖;这些途径的特征性终产物有助于细菌的鉴定。这些最终产物通常比乳酸毒性小,或者是利用额外的代谢能量形成的。例如,大肠杆菌混合酸发酵的产物包括乳酸、琥珀酸、乙酸、甲酸、乙醇、二氧化碳和氢气。产气肠杆菌能产生大部分相同的发酵产物,以及大量的2,3-丁二醇,它是非酸性的,允许更多的细菌生长

细胞可以从呼吸中获得相当多的能量,在这个过程中,糖分子的电子不是转移到另一个有机分子,而是转移到一个无机分子上。最常见的呼吸过程(有氧呼吸)使用氧气作为最终的电子受体。糖被完全分解成二氧化碳和水,每分子葡萄糖最多产生38个ATP分子

电子通过电子传递链转移到氧中,电子传递链是位于细胞膜上的酶和辅助因子系统,其排列方式使电子沿着链的传递与质子(氢离子)穿过膜并离开细胞的运动相耦合。电子传输引起带正电荷的氢离子向细胞外移动,带负电荷的离子向细胞内移动。这种离子梯度导致外部介质的酸化和带电的质膜,其电荷为150至200毫伏。离子梯度的产生,包括质子动力(质子梯度),是所有生物能量产生和储存的一个共同方面。

质子的梯度被细胞直接用于许多过程,包括营养物质的主动运输和鞭毛的旋转。质子还可以通过一种被称为F1F0质子转位ATP酶的膜酶从细胞外部进入细胞质,该酶将质子运动与ATP合成结合,其过程与真核细胞线粒体中发生的过程相同。

能够利用呼吸作用的细菌每一个糖分子产生的能量比发酵细胞多得多,因为能量源的完全氧化(分解)可以完全提取所有可用的能量,如呼吸生物的ATP产量比发酵细菌的ATP产量大得多所示。呼吸有机体利用一定量的营养物质获得更高的细胞物质产量;它们也产生更少的有毒最终产品。然而,氧在水中的溶解度是有限的,需氧菌群的生长和存活与可用的氧供应量成正比。只有与空气接触的细菌才能获得连续的氧气供应,当细菌能够漂浮在暴露在空气中的表面上时,或者当细菌所在的介质被剧烈搅拌时,就会发生这种情况。

在厌氧条件下,呼吸也可以通过称为厌氧呼吸的过程发生,其中最终的电子受体是无机分子,如硝酸盐(NO3-)、亚硝酸盐(NO2-)、硫酸盐(SO42-)或二氧化碳(CO2)。在硫酸盐和二氧化碳的情况下,使用这些受体的细胞可获得的能量产量比氧气的呼吸低得多,但它们仍然比发酵可获得的能量产量高得多。一些细菌利用无机分子进行无氧呼吸的能力可能具有环境意义。大肠杆菌可以使用氧气,硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体,斯图氏假单胞菌在反硝化,硝酸盐转化为亚硝酸盐和氮气(N2)方面具有重要的全球意义。脱硫弧菌和脱硫单胞菌分别还原硫酸盐和元素硫,产生硫化物(S2-),而木醋杆菌和产甲烷古细菌,如嗜热甲烷杆菌,将二氧化碳还原为乙酸盐和甲烷。古细菌通常使用氢作为电子供体,使用二氧化碳作为电子受体以产生甲烷,或者使用硫酸盐作为电子受体以产生硫化物。

自养代谢  

自养细菌以二氧化碳为碳源合成所有的细胞成分。从二氧化碳合成有机化合物的最常见途径是还原性戊糖磷酸(Calvin)循环还原性三羧酸循环和乙酰辅酶A途径。 由美国生物化学家梅尔文·卡尔文(Melvin Calvin)阐明的卡尔文循环是这些途径中分布最广泛的途径,在植物,藻类,光合细菌和大多数需氧自养细菌中起作用。

卡尔文循环的关键步骤是核酮糖1,5-二磷酸与二氧化碳的反应,产生两个分子的3-磷酸甘油酯,葡萄糖的前体。这种循环在能量方面对细胞来说是极其昂贵的,因此一个甘油醛-3-磷酸分子的合成需要消耗九个ATP分子和六个电子供体分子的氧化,即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的还原形式。自养行为取决于细胞进行光合作用或有氧呼吸代谢的能力,这是唯一能够提供足够能量来维持碳固定的过程。

卡尔文循环 

细菌使用加尔文循环来合成有机化合物。核糖1,5-二磷酸(RuBP)与二氧化碳的反应导致生成3-磷酸甘油酸酯(PGA)分子,该分子通过多次中间反应转化为一分子3-磷酸甘油醛(Gal3P)。然后可以将3-磷酸甘油醛转化为其他分子,包括糖或淀粉。

需氧非光合自养菌是指不仅以二氧化碳为唯一碳源,而且以氧为电子受体的无机化合物(电子供体)为能源的细菌。这些细菌在分类上是多样的,通常由它们使用的电子供体来定义。例如,欧洲亚硝基单胞菌将氨(NH4+)氧化为亚硝酸盐,而Nitrobacter winogradskyi将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。 硫杆菌将硫代硫酸盐和元素硫氧化为硫酸盐,而氧化铁曲霉将亚铁离子氧化为三价铁

这种不同的氧化能力使氧化亚铁杆菌能够耐受高浓度的许多不同离子,包括铁、铜、钴、镍和锌。所有这些类型的细菌似乎都是专性的岩性滋养菌,不能在很大程度上利用有机化合物。一氧化碳(CO)被寡糖carboxidovorans氧化成二氧化碳,而氢气(H2)被真核产碱杆菌(Alcaligenes eutrophus)氧化,在较小程度上也能被其他许多细菌氧化。

代谢能是由这些电子供体的氧化提供的,其方式基本上与呼吸异养生物相同,异养生物将电子从有机分子转移到氧气中。当电子沿着电子传递链传递到氧时,质子在细胞膜上产生梯度。这个梯度被用来产生ATP分子。岩石自养生物中存在的其他反应是用于从无机供体中去除电子和固定二氧化碳的反应。

光营养代谢  

地球上的生命依靠光合作用将太阳能转化为细胞能量。光合作用的一般过程是利用叶绿素来吸收来自太阳的光能,并释放出一个能量更高的电子。这种电子通过电子传递链,通过形成质子梯度和伴随的ATP合成产生能量。电子最终返回叶绿素。这种循环反应路径可以满足电池的能量需求。

然而,为了使细胞生长,二氧化碳固定的卡尔文循环必须被激活,电子必须转移到辅助因子NADP以形成NADPH,这是循环运行所需要的大量的NADPH。因此,光营养细胞的生长需要一个电子源来取代生物合成反应中消耗的电子。

光合生物根据这些电子来源的性质分为两大类。其中一类包括高等植物、真核藻类和蓝藻(蓝绿藻);这些生物含有色素叶绿素a,在产生氧气的反应中以水为电子源。

据认为,到18亿年前,蓝藻的前身已经在全球产生了足够的氧气,开始允许更高形式的生命的发展。析氧光合作用需要两个独立的光吸收系统的作用,将水中电子的能量提高到足以转移到NADP的水平。因此,在这些生物体中存在两个不同的光反应中心,一个用于产氧反应,另一个用于能量产生的循环过程。

在蓝藻中,两个光反应中心都含有叶绿素a。它们的光合器官还含有其他光吸收色素,这些色素作为触角来捕获光能并将其转移到反应中心。蓝藻触角包括额外的叶绿素a分子和藻胆体,叶绿素a分子将能量转移到循环反应中心,藻胆体是一种蛋白质色素,它们吸收短、高能波长的光,并将能量传递到析氧反应中心。在几乎所有的蓝藻中,光合器都包含在一个广泛的细胞内扁平膜囊系统中,称为类囊体,其外表面布满规则排列的藻胆体颗粒。这种色素聚集体存在于类囊体表面的排列称为光系统。

其他光合细菌只含有一种不同色素的单一反应中心,称为细菌叶绿素,它能吸收长而低能波长的光。这些生物需要除水以外的电子供体,并且不释放氧气。绿色细菌(绿藻科)和紫色硫细菌(藻科)使用元素硫、硫化物、硫代硫酸盐或氢气作为电子供体,而紫色非硫细菌使用氢或有机基质中的电子。这些细菌需要厌氧条件才能进行光合作用。绿色细菌的光系统与高等植物的光系统Ⅰ有关,而紫色细菌的光系统Ⅱ则与光系统Ⅱ有关,后者提供了从细菌到植物的进化轨迹。

细菌的生物合成途径

许多原核生物能够将何给定的碳源转化为生物合成的组成部分,例如氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂类、糖和酶辅因子。在这些生物合成途径中,每种酶的数量和活性都受到严格的调节,因此细胞在任何时候只产生所需的任何化合物

在进化过程中,一些细菌失去了编码某些生物合成反应的基因,因此可能需要营养补充。例如,支原体的DNA含量约为大肠杆菌的四分之一,它有许多营养需求,甚至丧失了形成细胞壁的能力。

支原体

图源:Centers for Disease Control and Prevention

革兰氏阴性人型支原体和在琼脂培养基上生长的常见机会性T株支原体的分离株。

07

结语

细菌是肉眼看不到的单细胞微生物,是地球上最古老的生物之一,它们无处不在且数量惊人,难以逃避。由于我们看不到它们并且对它们的了解相对较少,因此细菌的世界对我们来说是神秘的,并且通常不为大众所重视。

人类每天使用细菌。细菌可用于保存食物,为农作物增添养分,制作奶酪和酸奶以及消除固体废物。这些用途有益于人类的日常生活。一些细菌在生物研究以及药物和疫苗的开发中非常有用。有的细菌帮助管理化粪池系统和清理漏油,或制作酸奶,奶酪和葡萄酒。人体中的细菌可以使身体受益,这取决于它们是细菌的类型。一些细菌有助于训练免疫系统,并有助于预防过敏。其他的则可以保护人体免受有害的致病细菌的侵害。细菌负责帮助我们消化食物,有些细菌会产生对人体非常有用的酶,激素和维生素。

细菌还会导致人患病或死亡。当人打喷嚏或咳嗽时,传染病(例如普通感冒和流感)可能会从细菌中传播。粪便中的细菌也会使人生病。如果一个人上完洗手间后没有正确洗手,他们可能会感染大肠杆菌和自己。这些特性使人类需要花更大精力来研究和重视细菌。

客观全面认识细菌,是我们正确管理和利用它们的第一步。

附录:

常见革兰氏阳性菌属:

Corynebacterium 棒杆菌属 , Propionibacterium 丙酸杆菌属, Alloiococcus 差异球菌属, Oscillospira 颤螺菌属, Enterococcus 肠球菌属, Dialister 戴阿利斯特杆菌属, Anaerostipes 丁酸弧菌属, Butyrivibrio 丁酸弧菌属, Mobiluncus 动弯杆菌属, Planomicrobium 动性杆菌属, Brevibacillus 短芽孢杆菌属, Actinomycetales 放线菌目, Actinomyces 放线菌属, Mycobacterium 分枝杆菌属, Finegoldia 芬戈尔德菌属, Faecalibacterium 粪杆菌属, Coprococcus 粪球菌属, Coprobacillus 粪芽孢菌属, Gordonia 戈登氏菌, Holdemania 霍尔德曼氏菌属, Rhodococcus 红球菌属, Arthrobacter 节杆菌属, Blautia 经黏液真杆菌属, Rubrobacter 红色杆菌属, Cetobacterium 鲸杆菌属, Catonella 卡托氏菌属, Lachnobacterium 毛螺旋菌属, Collinsella 柯林斯氏菌属, Nocardioides 类诺卡氏菌属, Paenibacillus 类芽孢杆菌属, Streptococcus 链球菌属, Ruminococcus 瘤胃球菌属, Roseburia 罗氏菌属, Rothia 罗氏菌属, Vagococcus 漫游球菌属, Lachnospira 毛螺菌属, Moryella 毛螺旋菌属, Oribacterium 毛螺旋菌属, Leuconostoc 明串珠菌属, Ureaplasma 尿枝原体属, Dermabacter 皮杆菌属, Staphylococcus 葡萄球菌属, Aerococcus 气球菌属, Carnobacterium 肉杆菌属, Lactobacillus 乳杆菌属, Lactococcus 乳球菌属, Slackia 史雷克氏菌属, Bifidobacterium 双歧杆菌属, Fusobacterium 梭杆菌属,  Parvimonas 微单胞菌属, Weissella 魏斯氏菌属, Peptostreptococcus 消化链球菌属, Peptococcus 消化球菌属, Sporosarcina 芽孢八叠球菌属, Bacillus 芽孢杆菌属, Anaerococcus 厌氧球菌属, Alicyclobacillus 脂环酸杆菌属, Dactylosporangium 指孢囊菌属

常见革兰氏阴性菌属:

Escherichia 埃希氏菌属, Eikenella 艾肯氏菌属, Acidaminococcus 氨基酸球菌属, Hymenobacter 薄层菌属, Phenylobacterium 苯基杆菌属, Burkholderia 伯克霍尔德氏菌属, Acinetobacter 不动杆菌属, Filifactor 产丝菌属, Asticcacaulis 不粘柄菌属, Ochrobactrum 苍白杆菌属, Oxalobacter 草酸杆菌属, Flavobacterium 产黄菌属, Enterobacter 肠杆菌属, Comamonas 丛毛单胞菌属, Acetobacter 醋杆菌属, Brevundimonas 短波单胞菌属, Capnocytophaga 二氧化碳嗜纤维菌属, Delftia 代尔夫特菌属, Paracoccus 副球菌属, Arcobacter 弓形菌属, Devosia 德沃斯氏菌属, Mesorhizobium 根瘤菌属, Citrobacter 枸橼酸杆菌属, Azospirillum 固氮螺菌属, Stenotrophomonas 寡养单胞菌属, Marinobacter 海杆菌属, Rhodobacter 红细菌属, Rhodoplanes 红游动菌属, Porphyromonas 红棕色单胞菌属, Vibrio 弧菌属, Methylobacterium 甲基杆菌属, Pseudomonas 假单胞菌属, Succiniclasticum 解琥珀酸菌属, Chryseobacterium 金黄杆菌属, Kingella 金氏菌属, Megasphaera 巨球形菌属, Megamonas 巨单胞菌属, Klebsiella 克雷伯氏菌属, Lautropia 口动菌属, Aggregatibacter 凝聚杆菌属, Bradyrhizobium 慢生根瘤菌属, Agrobacterium 农杆菌属, Sphingomonas 鞘氨醇单胞菌属, Rikenella 理研菌属, Myroides 类香味菌属, Helicobacter 螺杆菌属, Chloronema 绿丝菌属, Erwinia 欧文氏菌属, Bilophila 嗜胆菌属, Treponema 密螺旋体属, Moraxella 莫拉氏菌属, Neisseria 奈瑟氏菌属, Sphingobacterium 鞘氨醇杆菌属, Bacteroides 拟杆菌属, Prevotella 普雷沃氏菌属, Sporocytophaga 生孢噬纤维菌属, Psychrobacter 嗜冷杆菌属, Hyphomicrobium 生丝微菌属, Prosthecobacter 突柄杆菌属, Cytophagales 嗜细胞菌目, Pectinatus 梳状菌属, Lysobacter 溶杆菌属, Sutterella 萨特氏菌属, Serratia 赛氏杆菌属, Cupriavidus 贪铜菌属, Leptotrichia 纤毛菌属, Haemophilus 嗜血杆菌属, Cytophaga 噬纤维菌属, Leptolyngbya 瘦鞘丝藻属, Campylobacter 弯曲杆菌属, Desulfobulbus 脱硫叶菌属, Enhydrobacter 水栖菌属, Pedomicrobium 土微菌属, Desulfovibrio 脱硫弧菌属, Veillonella 韦荣菌属, Shewanella 希瓦氏菌属, Gemmatimonas 牙单胞菌属, Selenomonas 月形单胞菌属, Phormidium 席蓝细菌属, Nitrospira 硝化螺菌属, Cardiobacterium 心杆菌属, Anaerovibrio 厌氧弧菌属, Halomonas 盐单胞菌属, Anaerobiospirillum 厌氧螺菌, Bdellovibrio 蛭弧菌属

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肠道免疫是如何运作的-Nature

头皮屑与菌群有关,科学的去屑建议

谷禾健康

大部分人都遭受过头皮屑的困扰。头皮屑虽然看起来不是严重的疾病,但有时候足以令人头疼和尴尬,影响整体生活质量。

01

什么是头皮屑?

头皮屑是一种非常常见的皮肤病,无论年龄,性别等,任何人都可能会有。

头皮屑通常看起来像油腻的皮肤片,如果飘落在深色衣服上更加明显。在头皮上,它也可能表现为皮肤的鳞片状斑点,有时伴有发红、发痒或发炎。

02

头皮屑与真菌和细菌都有关?

头皮表面为微生物提供了独特的微环境,主要来自宿主的生理条件,包括皮脂含量,水分,pH值等。

头皮屑与多种可能的原因有关,包括卫生差,压力大和饮食不当,当然头皮屑的产生也离不开微生物群。

微生物包括真菌和细菌。

  真菌  

少量脱落实际上是正常的,因为皮肤细胞会死亡,以便形成新的皮肤。然而,在某些情况下,由于一种或多种潜在的问题可能会使头皮真菌的过量生长,导致剥落异常大量。

头皮表面发现的最多的真菌马拉色菌(malassezia)。这种真菌生活在头皮上,以皮肤油脂为食。

马拉色菌里有限制性马拉色菌、球形马拉色菌等,不同种类的马拉色菌的致病性不同,并适应人体皮肤的不同部位,这主要归因于宿主的生理条件(皮脂,免疫反应,汗液等),环境(温度,湿度,紫外线暴露)以及其他微生物的存在。

其中限制性马拉色菌与球形马拉色菌的比例较低健康的头皮有关。

当球形马拉色菌利用脂肪酶代谢其消耗的油脂时,会产生一种副产物——油酸,该副产物渗透到头皮并引起头皮屑。

功能分析表明,真菌菌群主要通过与头皮屑头皮细胞-宿主粘附有关的途径富集。马拉色菌的粘附与头皮角质层屏障功能受损有关,可能进一步有助于头皮屑区马拉色菌的发育。

与健康头皮相比,头皮屑头皮中还发现了大量与一般功能和遗传信息处理相关的通路(硫中继系统、蛋白酶体通路、酵母细胞周期和减数分裂等),且与限制性马拉色菌呈显著正相关

“酵母细胞周期”和“减数分裂”是参与真菌细胞周期和增殖的重要通路,这两通路在头皮屑头皮上的较高数量表明,它们在头皮屑头皮上的马拉色菌的增殖中起作用。

“蛋白酶体通路”与包膜的形成有关,包膜是真菌的主要致病决定因素。

  细菌  

头皮表面发现的最丰富的两个细菌属是Cutibacterium(健康头皮)和葡萄球菌(头皮屑头皮)。

研究表明,与健康人群相比,头皮屑患者的限制性马拉色菌和葡萄球菌的丰度较高(p <0.05)。

不同的葡萄球菌丰度变化也不同。

与健康人群相比,头皮屑患者头皮上表皮葡萄球菌的丰度减少,而同时头状葡萄球菌的丰度显著增加。头状葡萄球菌丰度的增加足以驱动头皮屑损伤部位葡萄球菌绝对物种丰度的总体增加。

细菌菌群的功能分析显示出,健康头皮与以下代谢相关通路明显高于头皮屑头皮:

氨基酸:丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、脯氨酸、赖氨酸、组氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸代谢;

维生素:维生素B6,B7

其他辅助因子:卟啉,叶绿素,烟酸和烟酰胺代谢,泛醌和其他萜醌的生物合成。

这些头皮微生物群合成的维生素、生物素、氨基酸等被头皮角质形成细胞吸收,为头皮提供营养,在保持头发和头皮健康以及控制头皮屑方面起着有益的作用。

03

可能引起头皮屑的原因?

可能引起头皮屑的一些潜在潜在问题包括:

皮肤状况-例如脂溢性皮炎,湿疹和牛皮癣,会增加头皮屑的风险。

神经系统疾病-发现患有帕金森氏症等神经系统疾病的人更容易患头皮屑。

洗护用品的刺激-购买的洗护品含有许多化学物质,可能会刺激头皮并导致发炎,发痒和脱落。

不良的饮食习惯-摄入含锌和B族维生素的食物不足,可能会导致头皮屑。

年龄-虽然说任何年龄的任何人都可能患有头皮屑,但往往在年轻人和中年人中更为普遍。

气候-冬季的寒冷天气可能促进头皮中酵母样真菌的生长。

激素-体内激素的变化可能会影响头皮的天然皮脂分泌。激素失调的人更容易有头皮屑。

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药用洗发水有效吗?

为了想要尽快清除头皮屑,有人会选择含药的洗发水。但是,药用洗发水真的可以治愈头皮问题吗?

首先,含药的洗发香波只有在您持续使用时才有效-它们不能彻底治愈头皮屑。这就意味着,必须要每周使用几次这种洗发水才能看到效果,一旦停止使用,头皮屑很可能卷土重来。

这些洗发剂大多数都含有抗真菌成分,例如酮康唑。虽然可以有效控制头皮屑,但连续使用会刺激头皮,并使头发变得蓬松干燥。

其他药用去屑洗发水也可能含有煤焦油,煤焦油是通过延迟皮肤细胞再生的过程来控制头皮屑。但是,煤焦油是已知的致癌物质,因此最好避免含有这种成分的洗发水。

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去除头皮屑的自然疗法

皮肤会吸收施加的任何物质,自然疗法是最佳选择。

快速去除头皮屑且不使用任何有害化学物质的最安全方法之一是:用来去除片状头皮屑。

在洗澡之前,将盐轻轻按摩到干头皮上,使头发在漂洗时更容易去除。

 椰子油 

椰子油可以帮助改善水合作用,减少刺激感,并防止真菌在头皮上生长。恢复头皮的水分有助于止痒。

根据一项临床试验的结果,在117名1-13岁的儿童中,将纯净的椰子油涂在皮肤上可使特应性皮炎症状减少68.23%。当然也需要进行更多研究,以评估椰子油在治疗头皮屑中的作用。

椰子油的保湿和抗菌特性,使其成为抵抗干燥的绝佳自然选择。

   茶树油

使用茶树油治疗头皮屑也是比较快速简便的。有研究人员认为茶树油中的化合物可以有效控制表皮葡萄球菌。

只需在头皮上按摩几滴茶树油,可减少瘙痒和多余油脂的产生。也可以在洗发水中混合几滴茶树油。

芦荟凝胶

芦荟是一种多汁植物,以其愈合特性而闻名。叶片中的凝胶含有几种生物活性化合物,例如氨基酸和抗氧化剂,可减少头皮屑。

2019年一项研究检查了23项涉及芦荟的临床试验。这些研究的结果表明,芦荟凝胶可以改善皮肤中的水分保留并促进伤口愈合。芦荟还可以减轻炎症,这可以帮助有头皮屑症状的人减轻症状,例如发痒。

2015年的研究表明,芦荟的抗菌性能可预防头皮屑。

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生活方式的改变帮助去屑

  饮 食   

头皮屑通常与不良饮食有关,首先请开始调整饮食习惯。

 Omega-3脂肪酸 

Omega-3脂肪酸可以降低血压,增加“良好的” HDL胆固醇水平,并支持心脏和大脑健康。这种脂肪酸的缺乏会导致不良症状,例如头皮屑,指甲变脆和皮肤干燥。

   锌   

锌是支持人体免疫系统并促进细胞生长的矿物质。可以从动物蛋白,坚果等获取锌。

根据NIH研究表明,严重的锌缺乏与脱发、腹泻、皮肤损伤等有关。

2016年的一研究将缺锌列为脂溢性皮炎和头皮屑的潜在诱因。

   减少糖和谷物   

应该减少糖和谷物的摄入,因为已知这些会促进酵母或真菌的过度生长。

   水果   

水果和蔬菜含有许多必需的维生素,矿物质和抗氧化剂,可以帮助减轻炎症。

一项涉及4379人的观察性研究称,多吃水果的人患脂溢性皮炎的可能性较小。

研究结果还表明,典型的西方饮食可能会增加女性脂溢性皮炎的风险

   生物素   

2018年的一项审查显示,生物素缺乏症可能导致几种皮肤疾病,包括脂溢性皮炎。生物素,也称为维生素B7,在支持健康的头发,指甲和皮肤方面发挥作用。富含生物素的食物包括:肝、蛋黄、坚果、三文鱼等。

晒太阳

还有一种非常简单的方法是:经常晒晒太阳。阳光可以防止真菌在头皮上繁衍。同时可以增加维生素D的含量,从而有助于改善皮肤状况。

解 压

此外,压力是头皮屑的最常见诱因之一。学习如何正确处理压力也很重要。适当培养一些兴趣爱好,定期放松解压,尽可能远离压力源。

其 他  

最后,要保持良好的个人卫生习惯,避免过多抓挠,发痒最初是由头皮屑引起的刺激引起的,抓挠会增加刺激性并导致恶性循环。

避免使用过多的护发产品,防止头皮发炎。

摆脱头皮屑需要时间,精力和耐心,才能获得持久的效果。


Q & A 

如何区分头皮屑和虱子?

如果白色颗粒在吹动或梳理头发时掉落,痒的程度相对较轻,则很可能是头皮屑。头虱在头皮部叮咬吸血,主要症状头皮部剧烈瘙痒,斑点粘在发干上,则可能是虱子或虱子空卵。

头皮屑可以治愈吗?

没有永久治愈的方法,但合理的方式可以控制住头皮屑。一些自然疗法包括茶树油、椰子油等。

头皮屑会导致脱发吗?

头皮屑本身不会直接导致脱发。然而,因为头皮屑抓挠发痒的头皮,久而久之可能会导致发丝脱落。

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