010 《现代微生物学：原理、应用与前沿 (Modern Microbiology: Principles, Applications, and Frontiers)》

作者 Lou Xiao, gemini 创建时间 "2025-04-21 06:51:28" 更新时间 "2025-04-21 06:51:28"

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书籍大纲

1. 微生物学导论 (Introduction to Microbiology)

本章概述微生物学的定义、发展历史、研究范畴和重要性，并介绍微生物在自然界和人类生活中的作用。

1.1 什么是微生物学？(What is Microbiology?)

定义微生物学的学科范畴，解释微生物的概念，并区分不同类型的微生物。

1.1.1 微生物的定义与分类 (Definition and Classification of Microorganisms)

明确微生物的生物学定义，介绍微生物的主要分类群，包括细菌 (bacteria)、古菌 (archaea)、真菌 (fungi)、原生生物 (protists) 和病毒 (viruses)。

微生物学 (Microbiology) 是一门研究微生物 (microorganism) 的学科。微生物是微小的生命体，通常肉眼不可见，需要借助显微镜才能观察和研究。它们广泛存在于自然界的各个角落，包括土壤、水、空气，以及动植物体内。微生物种类繁多，功能多样，在地球生态系统和人类社会中扮演着极其重要的角色。

从生物学的角度来看，微生物的定义并非绝对统一，但通常包括以下几个主要特征：

① 个体微小：微生物的个体尺寸通常在微米 (micrometer, μm) 甚至纳米 (nanometer, nm) 级别。例如，细菌的直径通常在 0.5-5 μm 之间，病毒的尺寸则更小，在 20-300 nm 左右。真菌和原生生物的尺寸相对较大，但也属于微观范畴。

② 结构相对简单：与动植物等宏观生物相比，微生物的细胞结构相对简单。例如，原核微生物 (prokaryotic microorganism)，如细菌和古菌，细胞内没有成形的细胞核，遗传物质 DNA 裸露地存在于细胞质中。真核微生物 (eukaryotic microorganism)，如真菌和原生生物，则具有细胞核和复杂的细胞器，但其细胞结构仍然比动植物细胞简单。

③ 繁殖速度快：许多微生物具有惊人的繁殖速度。在适宜的条件下，细菌可以通过二分裂 (binary fission) 在短短几十分钟内完成一代繁殖，病毒则可以在宿主细胞内大量复制。这种快速繁殖的特性使得微生物能够在短时间内适应环境变化，并在生态系统中迅速扩张。

④ 代谢类型多样：微生物的代谢类型极其多样化，远远超过动植物。它们可以利用各种有机物和无机物作为营养来源，进行有氧呼吸 (aerobic respiration)、厌氧呼吸 (anaerobic respiration)、发酵 (fermentation)、光合作用 (photosynthesis)、化能合成作用 (chemosynthesis) 等多种代谢方式。这种代谢多样性使得微生物能够在各种极端环境中生存，并参与地球的物质循环和能量流动。

根据细胞结构、遗传特征和生理生化特性等方面的差异，微生物可以被划分为不同的分类群 (taxonomic group)。主要的微生物类群包括：

① 细菌 (Bacteria)：属于原核生物域 (Domain Bacteria)，是结构最简单、数量最多、分布最广的微生物类群。细菌具有原核细胞 (prokaryotic cell) 结构，细胞壁主要成分是肽聚糖 (peptidoglycan)，通过二分裂繁殖，代谢类型多样。细菌在自然界中广泛分布，参与物质循环、能量流动，部分细菌是病原菌 (pathogen)，引起动植物疾病，也有许多细菌在工业、农业、医药等领域具有重要应用价值。

② 古菌 (Archaea)：也属于原核生物域 (Domain Archaea)，在细胞结构和代谢途径上与细菌有相似之处，但在细胞壁组成、膜脂结构、核糖体 RNA 序列等方面与细菌存在显著差异。古菌通常生活在极端环境中，如高温、高盐、高酸、厌氧等极端环境，因此又被称为极端微生物 (extremophile)。古菌在地球早期生命演化、全球气候变化、生物技术等领域受到广泛关注。

③ 真菌 (Fungi)：属于真核生物域 (Domain Eukarya)，是具有真核细胞 (eukaryotic cell) 结构的微生物类群。真菌细胞具有细胞核和复杂的细胞器，细胞壁主要成分是几丁质 (chitin)，通过孢子繁殖，代谢方式主要是异养 (heterotrophic)。真菌在自然界中广泛分布，参与物质分解循环，部分真菌是植物病原菌或人类机会性病原菌 (opportunistic pathogen)，也有许多真菌在食品工业、医药工业中具有重要应用价值，如酵母菌 (yeast)、霉菌 (mold)、食用菌 (edible fungi) 等。

④ 原生生物 (Protists)：也属于真核生物域 (Domain Eukarya)，是一类结构和功能多样化的真核微生物的总称，包括原生动物 (protozoa) 和藻类 (algae) 等。原生生物的细胞结构是真核细胞，但其形态、运动方式、营养方式和繁殖方式多种多样。原生生物在水域生态系统中扮演重要角色，如浮游藻类是重要的初级生产者 (primary producer)，原生动物在食物链 (food chain) 中扮演消费者角色。部分原生生物是人类和动物的病原体，引起原生生物性疾病 (protozoan disease)，如疟疾 (malaria)、阿米巴病 (amebiasis) 等。

⑤ 病毒 (Viruses)：是一类非细胞 (acellular) 的生物实体，结构极其简单，由核酸 (nucleic acid)（DNA 或 RNA）和蛋白质衣壳 (protein capsid) 组成，有些病毒外层还有包膜 (envelope)。病毒没有细胞结构，不能独立代谢和繁殖，必须寄生 (parasitism) 在活细胞内，利用宿主细胞的物质和能量进行复制。病毒是专性寄生微生物 (obligate intracellular parasite)，可以感染细菌、古菌、真菌、原生生物、植物和动物等各种生物，引起病毒性疾病 (viral disease)，如流感 (influenza)、艾滋病 (AIDS)、肝炎 (hepatitis) 等。由于病毒的特殊性，关于病毒是否属于生命存在争议，通常将病毒视为介于生命与非生命之间的生物实体。

除了以上主要的微生物类群，还有一些特殊的微生物，如支原体 (mycoplasma)（没有细胞壁的细菌）、立克次体 (rickettsia) 和衣原体 (chlamydia)（专性细胞内寄生细菌）、放线菌 (actinomycetes)（具有丝状生长的细菌）等。

理解微生物的定义和分类是学习微生物学的基础，有助于我们系统地认识微生物的多样性和复杂性，为后续深入学习微生物的各个分支学科奠定基础。

1.1.2 微生物学的历史发展 (Historical Development of Microbiology)

回顾微生物学的早期发展，介绍重要人物如列文虎克 (Leeuwenhoek)、巴斯德 (Pasteur)、科赫 (Koch) 等的贡献，以及微生物学发展的重要里程碑事件。

微生物学的历史发展可以追溯到显微镜的发明和应用。在17世纪之前，人类对微生物的存在几乎一无所知，许多疾病和自然现象都无法得到科学的解释。随着显微镜技术的进步，微生物的神秘面纱逐渐被揭开，微生物学也逐渐发展成为一门独立的学科。

① 微生物学的萌芽期 (17世纪 - 19世纪中期)：

⚝ 安东尼· van· 列文虎克 (Antonie van Leeuwenhoek, 1632-1723)：被誉为“微生物学之父 (Father of Microbiology)”。列文虎克是一位荷兰的布商和科学家，他通过自己磨制的高倍率单镜头显微镜 (single-lens microscope)，首次观察到了来自雨水、唾液、牙垢等样品中的各种“微小动物 (animalcules)”，这些“微小动物”实际上就是细菌、原生动物等微生物。列文虎克的发现开启了微生物学研究的大门，使人类第一次认识到微观世界的存在。他详细地记录和描绘了他观察到的各种微生物的形态和运动方式，为后来的微生物学研究奠定了基础。

⚝ 自然发生论 (Spontaneous Generation) 的争论：在列文虎克发现微生物之后，人们开始思考微生物的来源问题。当时，自然发生论 盛行，认为生命可以从非生命物质中自然产生，例如，腐肉可以生蛆，污水可以生虫。对于微生物，自然发生论者认为微生物也可以从肉汤、牛奶等物质中自然产生。为了验证或推翻自然发生论，许多科学家进行了实验研究，其中最著名的包括：

▮▮▮▮⚝ 弗朗西斯科·雷迪 (Francesco Redi, 1626-1697)：意大利医生雷迪通过肉块实验 (meat experiment) 证明了腐肉不能自然产生苍蝇，苍蝇只能由苍蝇卵孵化而来，初步否定了自然发生论。

▮▮▮▮⚝ 拉扎罗·斯帕兰扎尼 (Lazzaro Spallanzani, 1729-1799)：意大利生物学家斯帕兰扎尼通过肉汤煮沸实验 (broth boiling experiment) 证明了煮沸的肉汤在密封条件下不会产生微生物，而暴露在空气中的肉汤则会很快长出微生物，进一步挑战了自然发生论。然而，自然发生论的支持者认为，斯帕兰扎尼的实验破坏了“生命力 (vital force)”，因此煮沸的肉汤失去了产生生命的能力。

▮▮▮▮⚝ 西奥多·施旺 (Theodor Schwann, 1810-1882) 和 弗里德里希·施罗德 (Friedrich Schröder, 1810-1893)：德国生理学家施旺和化学家施罗德分别设计了实验，将空气通过加热管或棉塞过滤后引入煮沸的肉汤中，结果发现肉汤仍然不会长出微生物，证明了空气中的微生物才是污染源，而不是“生命力”的问题。

② 微生物学的奠基期 (19世纪中期 - 20世纪初)：

⚝ 路易·巴斯德 (Louis Pasteur, 1822-1895)：法国化学家和微生物学家巴斯德是微生物学的奠基人之一，被誉为“现代微生物学之父 (Father of Modern Microbiology)”。巴斯德通过一系列精巧的实验，彻底推翻了自然发生论，确立了生源论 (biogenesis)，即生命只能来源于生命，不能从非生命物质中自然产生。他最著名的实验是鹅颈瓶实验 (swan neck flask experiment)，该实验巧妙地设计了鹅颈瓶，使得空气可以自由进入瓶内，但空气中的微生物颗粒会被阻挡在弯曲的颈部，从而保证了煮沸消毒后的肉汤不会被空气中的微生物污染。如果将鹅颈瓶颈部打断，空气中的微生物颗粒就可以直接进入肉汤，肉汤很快就会长出微生物。鹅颈瓶实验以无可辩驳的证据证明了微生物不是自然发生的，而是来源于空气中的微生物颗粒。

巴斯德的贡献远不止于此。他还开创了巴氏消毒法 (pasteurization)，通过低温加热的方式杀灭液体中的微生物，延长食品的保质期，这项技术至今仍在食品工业中广泛应用。巴斯德还研究了发酵 (fermentation) 的本质，证明发酵是由微生物引起的，不同的发酵类型是由不同的微生物引起的。他还研究了疾病的微生物病因 (germ theory of disease)，提出了疾病是由微生物感染引起的理论，为现代医学的发展奠定了基础。巴斯德还成功研制了鸡霍乱疫苗 (chicken cholera vaccine)、炭疽病疫苗 (anthrax vaccine) 和 狂犬病疫苗 (rabies vaccine)，开创了疫苗接种 (vaccination) 的先河，为人类预防和控制传染病做出了巨大贡献。

⚝ 罗伯特·科赫 (Robert Koch, 1843-1910)：德国医生和微生物学家科赫也是微生物学的奠基人之一，被誉为“细菌学之父 (Father of Bacteriology)”。科赫在疾病的微生物病因研究方面做出了杰出贡献。他系统地研究了炭疽病 (anthrax) 的病原菌，首次分离培养出纯培养的炭疽杆菌 (Bacillus anthracis)，并证明炭疽杆菌是引起炭疽病的病原菌。为了确立某种微生物是某种疾病的病原菌，科赫提出了著名的科赫法则 (Koch's postulates)，包括四个基本原则：

① 在患病生物体内总能找到该病原微生物，而在健康生物体内则没有。
② 该病原微生物必须能够从患病生物体内分离出来，并在体外培养获得纯培养物。
③ 用该纯培养的病原微生物接种健康易感生物，必须能够引起与原患病生物相同的疾病症状。
④ 必须能够从接种发病的生物体内再次分离培养出与原接种微生物相同的病原微生物。

科赫法则为确立疾病的病原菌提供了科学依据，推动了医学微生物学 (medical microbiology) 的发展。科赫还分离培养出了结核杆菌 (Mycobacterium tuberculosis)，并证明结核杆菌是引起结核病 (tuberculosis) 的病原菌。科赫及其研究团队还开发了固体培养基 (solid culture medium)，如琼脂培养基 (agar medium)，使得细菌的纯培养 (pure culture) 技术得以实现，为细菌学研究提供了重要的技术手段。科赫因其在结核病研究方面的贡献，获得了1905年诺贝尔生理学或医学奖 (Nobel Prize in Physiology or Medicine)。

⚝ 染色技术 (Staining Techniques) 的发展：为了更好地观察和区分细菌，微生物学家们开发了各种染色技术。革兰氏染色 (Gram stain) 是细菌学中最常用的染色方法之一，由丹麦细菌学家 汉斯·克里斯蒂安·革兰 (Hans Christian Gram, 1853-1938) 于 1884年 发明。革兰氏染色可以将细菌分为革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria) 和 革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria) 两大类，这两类细菌在细胞壁结构、生理特性和对抗生素的敏感性等方面存在显著差异，革兰氏染色成为细菌分类鉴定和临床诊断的重要手段。此外，还有抗酸染色 (acid-fast stain)（用于染色分枝杆菌）、鞭毛染色 (flagella stain)、芽孢染色 (spore stain) 等多种染色技术，用于观察细菌的特殊结构或进行特殊细菌的鉴定。

③ 微生物学的快速发展期 (20世纪至今)：

⚝ 分支学科 (Branches of Microbiology) 的建立：随着微生物学研究的深入，微生物学逐渐分化出许多分支学科，如细菌学 (bacteriology)、病毒学 (virology)、真菌学 (mycology)、原生生物学 (protozoology)、微生物生理学 (microbial physiology)、微生物遗传学 (microbial genetics)、微生物生态学 (microbial ecology)、医学微生物学 (medical microbiology)、工业微生物学 (industrial microbiology)、农业微生物学 (agricultural microbiology)、环境微生物学 (environmental microbiology) 等。这些分支学科从不同的角度研究微生物的生命活动、生态作用和应用价值，推动了微生物学各个领域的发展。

⚝ 分子生物学 (Molecular Biology) 和 基因工程 (Genetic Engineering) 的革命：20世纪中期，分子生物学和基因工程的兴起给微生物学带来了革命性的变革。DNA 双螺旋结构 (double helix structure of DNA) 的发现、中心法则 (central dogma) 的提出、基因重组技术 (recombinant DNA technology) 的发展，使得微生物的遗传物质、基因表达、代谢调控等生命活动可以在分子水平上进行深入研究。微生物遗传学 成为微生物学研究的重要分支，基因工程技术 在微生物学研究和应用中发挥着越来越重要的作用。例如，通过基因工程技术可以改造微生物，使其生产各种有用的物质，如胰岛素 (insulin)、干扰素 (interferon)、疫苗 (vaccine)、酶制剂 (enzyme preparation) 等。

⚝ 基因组学 (Genomics)、宏基因组学 (Metagenomics) 和 生物信息学 (Bioinformatics) 的发展：21世纪，基因组学、宏基因组学和生物信息学等新兴学科的快速发展，为微生物学研究提供了新的技术平台和研究思路。基因组测序技术 (genome sequencing technology) 的进步使得我们可以快速获得微生物的全基因组序列 (whole genome sequence)，从而深入了解微生物的遗传信息、进化关系和功能潜力。宏基因组学 技术可以直接从环境样品中提取总 DNA 进行测序分析，无需分离培养微生物，就可以研究复杂微生物群落的组成、结构和功能，极大地拓展了我们对自然界微生物多样性的认识。生物信息学 则利用计算机技术和数学方法，对海量的微生物基因组数据进行分析和挖掘，揭示微生物的生命规律和应用价值。

⚝ 微生物组 (Microbiome) 研究的兴起：近年来，微生物组 研究成为生命科学领域的热点。微生物组是指宿主 (host) 体内或体表与宿主共生的全部微生物及其遗传物质的总和。研究表明，微生物组在宿主的健康和疾病、营养代谢、免疫调节等方面发挥着重要作用。人体微生物组 (human microbiome) 研究揭示了人体内存在着庞大而复杂的微生物群落，这些微生物与人体相互作用，共同维持人体健康。微生物组研究为理解人类疾病的发生发展机制、开发新的疾病诊断和治疗方法提供了新的视角。

微生物学的历史发展是一部不断探索、不断进步的历史。从列文虎克发现“微小动物”到现代微生物组研究的兴起，微生物学经历了萌芽、奠基、快速发展等阶段，取得了举世瞩目的成就。微生物学的发展不仅改变了人类对生命世界的认识，也深刻地影响了医学、农业、工业、环境等各个领域，为人类社会的进步做出了重要贡献。

1.1.3 微生物学的重要性与研究范畴 (Importance and Scope of Microbiology)

阐述微生物在医学、农业、工业、环境等领域的重要性，概述微生物学的研究范畴，如基础微生物学、应用微生物学等。

微生物虽然个体微小，但数量庞大，分布广泛，功能多样，在自然界和人类社会中发挥着极其重要的作用。微生物学作为一门研究微生物的学科，其重要性体现在以下几个方面：

① 医学领域 (Medical Field)：

⚝ 疾病的病原 (Pathogens of Diseases)：许多微生物是人类和动物的病原菌 (pathogen)，引起各种感染性疾病 (infectious diseases)。例如，细菌可以引起肺炎 (pneumonia)、结核病 (tuberculosis)、食物中毒 (food poisoning) 等，病毒可以引起流感 (influenza)、艾滋病 (AIDS)、肝炎 (hepatitis) 等，真菌可以引起真菌病 (mycosis)，原生生物可以引起原生生物病 (protozoan disease)。医学微生物学研究病原微生物的种类、致病机制、传播途径、诊断方法、治疗策略和预防措施，为人类防治感染性疾病提供科学依据和技术手段。

⚝ 免疫系统 (Immune System) 的激活与调节：人体免疫系统 (immune system) 的发育和功能受到微生物的深刻影响。人体肠道、皮肤等部位存在着大量的共生微生物 (commensal microorganisms)，这些微生物与人体免疫系统相互作用，参与免疫系统的成熟和功能维持。某些微生物可以激活免疫应答 (immune response)，增强机体抵抗病原微生物感染的能力。疫苗 (vaccine) 就是利用微生物或其组分制成的生物制品，通过人工主动免疫 (artificial active immunity) 的方式预防感染性疾病。另一方面，免疫系统对微生物的过度或异常应答也可能导致免疫病理损伤 (immunopathology)，如过敏反应 (allergy)、自身免疫病 (autoimmune disease) 等。医学微生物学还研究微生物与免疫系统的相互作用机制，为理解和治疗免疫相关疾病提供新的思路。

⚝ 抗生素 (Antibiotics) 和其他药物的来源：许多微生物可以产生具有抗菌活性 (antibacterial activity) 的物质，即抗生素 (antibiotics)。抗生素是治疗细菌感染性疾病的重要药物。青霉素 (penicillin)、链霉素 (streptomycin)、四环素 (tetracycline) 等许多重要的抗生素都是从微生物中发现和提取的。工业微生物学 (industrial microbiology) 利用微生物发酵技术大规模生产抗生素，为人类健康提供了重要的保障。此外，一些微生物还可以产生抗病毒药物 (antiviral drugs)、抗真菌药物 (antifungal drugs)、抗肿瘤药物 (antitumor drugs) 等，具有重要的药用价值。

② 农业领域 (Agricultural Field)：

⚝ 土壤肥力 (Soil Fertility) 的维持：土壤微生物在土壤肥力 的维持中发挥着至关重要的作用。固氮菌 (nitrogen-fixing bacteria) 可以将空气中的氮气 (nitrogen gas, N2) 转化为植物可以吸收利用的氨 (ammonia, NH3) 或 硝酸盐 (nitrate, NO3-)，提高土壤的氮素 (nitrogen) 含量。溶磷菌 (phosphate-solubilizing bacteria) 可以将土壤中难溶性的磷 (phosphorus) 转化为植物可以吸收利用的磷酸盐 (phosphate, PO43-)，提高土壤的磷素 (phosphorus) 含量。分解者 (decomposer) 微生物可以将动植物残体和有机废弃物分解为无机物，释放出植物生长所需的营养元素，促进物质循环。农业微生物学 (agricultural microbiology) 研究土壤微生物的种类、功能和生态作用，开发微生物肥料 (microbial fertilizer)、生物农药 (biopesticide) 等微生物农业产品，提高农业生产效率，减少化学肥料和农药的使用，实现农业可持续发展。

⚝ 植物病害 (Plant Diseases) 的防治：一些微生物是植物的病原菌 (plant pathogen)，引起各种植物病害 (plant diseases)，造成农作物减产和品质下降。例如，真菌可以引起小麦锈病 (wheat rust)、水稻稻瘟病 (rice blast) 等，细菌可以引起植物软腐病 (plant soft rot)、植物青枯病 (plant bacterial wilt) 等，病毒可以引起植物病毒病 (plant viral disease)。农业微生物学研究植物病原微生物的种类、致病机制、传播途径和防治方法，开发生物防治 (biological control) 技术，利用拮抗微生物 (antagonistic microorganisms) 或植物免疫诱抗剂 (plant immunity elicitor) 等方法防治植物病害，减少化学农药的使用，保障粮食安全和农产品质量安全。

⚝ 动物养殖 (Animal Husbandry) 的促进：动物肠道内存在着大量的肠道微生物 (gut microbiota)，这些微生物参与动物的营养代谢 (nutrient metabolism)、免疫调节 (immune regulation) 和疾病抵抗 (disease resistance) 等生理过程。益生菌 (probiotics) 是一类对宿主有益的活性微生物，可以改善动物肠道菌群结构，提高动物的生长性能和健康水平。饲料微生物添加剂 (feed microbial additives) 就是利用益生菌或酶制剂等微生物产品制成的饲料添加剂，可以提高饲料利用率，促进动物生长，减少抗生素的使用，提高畜牧业生产效益。

③ 工业领域 (Industrial Field)：

⚝ 发酵工业 (Fermentation Industry)：发酵 (fermentation) 是利用微生物的代谢活动生产各种有用产物的过程。工业微生物学 (industrial microbiology) 是研究利用微生物进行工业生产的学科。发酵工业 是微生物学应用最广泛、最成功的领域之一。食品发酵 (food fermentation) 历史悠久，利用微生物发酵生产酒精饮料 (alcoholic beverages)（如啤酒、葡萄酒、白酒）、发酵食品 (fermented food)（如酸奶、奶酪、酱油、醋、泡菜、面包）等。工业发酵 (industrial fermentation) 则利用微生物发酵生产有机酸 (organic acids)（如柠檬酸、乳酸、醋酸）、氨基酸 (amino acids)（如谷氨酸、赖氨酸）、酶制剂 (enzyme preparations)（如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶）、抗生素 (antibiotics)、维生素 (vitamins)、生物燃料 (biofuels)（如乙醇、生物柴油）等。发酵工业为人类提供了丰富的食品、药品、化工产品和能源。

⚝ 酶制剂工业 (Enzyme Industry)：酶 (enzyme) 是生物催化剂，具有高效、专一、温和等优点。酶制剂工业 利用微生物发酵技术大规模生产各种酶制剂，广泛应用于食品工业、洗涤剂工业、纺织工业、造纸工业、医药工业、饲料工业、环保工业等领域。例如，蛋白酶 (protease) 用于食品加工、洗涤剂、皮革处理等，淀粉酶 (amylase) 用于食品工业、纺织工业、造纸工业等，脂肪酶 (lipase) 用于食品工业、洗涤剂工业、生物柴油生产等，纤维素酶 (cellulase) 用于纺织工业、造纸工业、生物燃料生产等。酶制剂工业是生物技术产业的重要组成部分，为传统产业的升级换代和新兴产业的发展提供了技术支撑。

⚝ 生物制药工业 (Biopharmaceutical Industry)：生物制药 (biopharmaceuticals) 是利用生物技术生产的药物，包括重组蛋白药物 (recombinant protein drugs)、抗体药物 (antibody drugs)、疫苗 (vaccines)、基因治疗药物 (gene therapy drugs) 等。生物制药工业 是近年来发展迅速的新兴产业。基因工程技术 (genetic engineering technology) 的发展使得我们可以利用微生物作为“细胞工厂 (cell factory)”生产各种生物药物。例如，利用大肠杆菌 (Escherichia coli) 或 酵母菌 (yeast) 表达系统生产胰岛素 (insulin)、干扰素 (interferon)、生长激素 (growth hormone)、疫苗 (vaccines) 等重组蛋白药物。单克隆抗体技术 (monoclonal antibody technology) 的发展使得我们可以利用杂交瘤细胞 (hybridoma cell) 或基因工程细胞 (genetically engineered cell) 生产单克隆抗体药物 (monoclonal antibody drugs)，用于治疗肿瘤、自身免疫病等疾病。生物制药工业为人类疾病的治疗提供了新的手段和希望。

④ 环境领域 (Environmental Field)：

⚝ 物质循环 (Nutrient Cycling)：微生物在地球的生物地球化学循环 (biogeochemical cycles) 中发挥着不可替代的作用。碳循环 (carbon cycle)、氮循环 (nitrogen cycle)、硫循环 (sulfur cycle)、磷循环 (phosphorus cycle) 等地球关键的物质循环都离不开微生物的参与。例如，固碳微生物 (carbon-fixing microorganisms)（如植物、藻类、蓝细菌）通过光合作用 (photosynthesis) 将大气中的二氧化碳 (carbon dioxide, CO2) 转化为有机物，分解者微生物 (decomposer microorganisms)（如细菌、真菌）将动植物残体和有机废弃物分解为二氧化碳和无机物，实现碳在生物圈和无机环境之间的循环。固氮微生物 (nitrogen-fixing microorganisms) 将大气中的氮气转化为氨，硝化细菌 (nitrifying bacteria) 将氨转化为硝酸盐，反硝化细菌 (denitrifying bacteria) 将硝酸盐还原为氮气，实现氮在生物圈和无机环境之间的循环。环境微生物学 (environmental microbiology) 研究微生物在各种环境中的分布、功能和生态作用，揭示微生物参与物质循环的机制，为理解地球生态系统的运行规律提供科学依据。

⚝ 生物修复 (Bioremediation)：环境污染 (environmental pollution) 是当今世界面临的重大挑战之一。生物修复 (bioremediation) 是利用生物（主要是微生物）的代谢活动降解或转化环境中的污染物，使其无毒化或低毒化的技术。环境微生物学 在生物修复领域发挥着核心作用。许多微生物具有降解各种污染物的能力，如石油烃 (petroleum hydrocarbons)、农药 (pesticides)、重金属 (heavy metals)、持久性有机污染物 (persistent organic pollutants, POPs) 等。生物修复技术 包括原位生物修复 (in situ bioremediation) 和 异位生物修复 (ex situ bioremediation) 等，广泛应用于土壤污染治理、水污染治理、大气污染治理、固体废弃物处理等领域。生物修复技术具有成本低、效率高、环境友好等优点，是环境污染治理的重要手段。

⚝ 污水处理 (Wastewater Treatment)：污水 (wastewater) 中含有大量的有机污染物和病原微生物，如果不经处理直接排放，会对环境和人类健康造成严重危害。污水处理厂 (wastewater treatment plant) 利用微生物的代谢活动去除污水中的污染物，使其达到排放标准。活性污泥法 (activated sludge process) 是污水处理中最常用的生物处理方法，利用活性污泥 (activated sludge) 中的微生物群落降解污水中的有机污染物。生物滤池法 (biofiltration)、厌氧消化 (anaerobic digestion) 等也是常用的污水生物处理方法。环境微生物学 研究污水处理微生物的种类、功能和代谢途径，优化污水处理工艺，提高污水处理效率，保障水环境安全。

微生物学的研究范畴 (Scope of Microbiology) 非常广泛，可以从不同的角度进行划分。根据研究目的和内容，微生物学可以分为：

⚝ 基础微生物学 (Basic Microbiology)：主要研究微生物的基本生命活动规律，如微生物的形态结构 (morphology and structure)、生理代谢 (physiology and metabolism)、遗传变异 (genetics and variation)、生长繁殖 (growth and reproduction)、分类鉴定 (classification and identification)、进化 (evolution) 等。基础微生物学是微生物学的基础理论，为应用微生物学的发展提供理论指导。

⚝ 应用微生物学 (Applied Microbiology)：主要研究微生物在实际生产和生活中的应用，如医学微生物学 (medical microbiology)、农业微生物学 (agricultural microbiology)、工业微生物学 (industrial microbiology)、环境微生物学 (environmental microbiology) 等。应用微生物学将基础微生物学的理论和技术应用于解决医学、农业、工业、环境等领域的实际问题，为人类社会的发展服务。

⚝ 分子微生物学 (Molecular Microbiology)：利用分子生物学 (molecular biology) 和 基因工程 (genetic engineering) 的理论和技术，从分子水平 研究微生物的生命活动规律，如微生物的基因结构与功能 (gene structure and function)、基因表达调控 (gene expression regulation)、蛋白质组学 (proteomics)、代谢组学 (metabolomics) 等。分子微生物学是微生物学研究的前沿领域，为深入理解微生物的生命本质和开发微生物资源提供强大的技术支撑。

⚝ 微生物生态学 (Microbial Ecology)：研究微生物在自然环境中的分布、多样性、相互作用和生态功能，以及微生物与环境之间的相互关系。微生物生态学关注微生物在生态系统 (ecosystem) 中的作用，如物质循环、能量流动、生物地球化学循环、环境污染治理等。微生物生态学是理解地球生态系统运行规律和应对全球环境变化的重要学科。

总之，微生物学是一门重要的生命科学分支，其研究范畴广泛，应用前景广阔。随着科学技术的不断发展，微生物学将在医学、农业、工业、环境等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。

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2. 微生物的细胞结构与功能 (Microbial Cell Structure and Function)

本章深入解析原核微生物和真核微生物的细胞结构，以及细胞各组分的功能，为理解微生物的生命活动奠定基础。

2.1 原核细胞的结构与功能 (Structure and Function of Prokaryotic Cells)

详细介绍细菌和古菌的细胞结构，包括细胞壁 (cell wall)、细胞膜 (cell membrane)、细胞质 (cytoplasm)、核区 (nucleoid)、鞭毛 (flagella)、菌毛 (pili) 等。

2.1.1 细胞壁 (Cell Wall)

讲解细菌细胞壁的组成（肽聚糖 peptidoglycan）、结构和功能，以及革兰氏染色 (Gram stain) 的原理和应用，并介绍古菌细胞壁的特点。

① 细菌细胞壁的组成：肽聚糖 (Peptidoglycan)

细菌细胞壁最主要的成分是肽聚糖 (peptidoglycan)，也称为胞壁质 (murein)。肽聚糖是一种巨大的网状聚合物，它赋予细菌细胞壁刚性和强度，使其能够抵抗内部渗透压，维持细胞的形态。

▮肽聚糖的基本结构单元是由N-乙酰葡糖胺 (N-acetylglucosamine, NAG) 和 N-乙酰胞壁酸 (N-acetylmuramic acid, NAM) 两种氨基糖交替连接形成的糖链。
▮NAM 分子上连接着一个由四到五个氨基酸组成的肽链 (peptide chain)。
▮相邻肽聚糖链之间，通过肽链之间的肽键交联 (peptide cross-links) 形成三维网状结构。
▮肽聚糖的结构在不同细菌中有所差异，主要体现在肽链的氨基酸组成和肽键交联方式上。

② 细菌细胞壁的结构

根据细胞壁结构和革兰氏染色结果的差异，细菌可以分为两大类：革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria) 和 革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria)。

▮ 革兰氏阳性菌细胞壁：
▮▮▮▮ⓐ 结构相对简单，主要由多层肽聚糖组成，约占细胞壁干重的 50%-90%。
▮▮▮▮ⓑ 肽聚糖层厚而致密，赋予细胞壁强大的机械强度。
▮▮▮▮ⓒ 除了肽聚糖，革兰氏阳性菌细胞壁还含有磷壁酸 (teichoic acid) 和 脂磷壁酸 (lipoteichoic acid)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 磷壁酸 锚定在肽聚糖层上，而 脂磷壁酸 则穿过肽聚糖层，锚定在细胞膜上。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 磷壁酸和脂磷壁酸都是带负电荷的聚合物，有助于维持细胞壁的负电荷，参与离子通道的调节，并可能在细菌的黏附和致病性中发挥作用。

▮ 革兰氏阴性菌细胞壁：
▮▮▮▮ⓐ 结构复杂，由薄层肽聚糖和外膜 (outer membrane) 组成。
▮▮▮▮ⓑ 肽聚糖层位于细胞膜和外膜之间，称为周质空间 (periplasmic space)，约占细胞壁干重的 5%-20%。
▮▮▮▮ⓒ 外膜是革兰氏阴性菌细胞壁的特征性结构，类似于细胞膜，但组成成分有所不同。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 外膜的内层是磷脂，外层主要由脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS) 组成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 脂多糖 (LPS) 是革兰氏阴性菌外膜的重要成分，由三个部分组成：脂质 A (Lipid A)、核心多糖 (core polysaccharide) 和 O-特异性多糖链 (O-specific polysaccharide chain)。
⁃ 脂质 A 是 LPS 的毒性部分，也称为内毒素 (endotoxin)，能引起发热、炎症等免疫反应。
⁃ O-特异性多糖链 具有高度变异性，是细菌血清型分类的重要依据，也参与细菌与宿主细胞的相互作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 外膜上还含有孔蛋白 (porins)，形成水通道，允许小分子物质通过外膜。

③ 细菌细胞壁的功能

细菌细胞壁具有多种重要的生物学功能：

▮ 维持细胞形态：肽聚糖的刚性网状结构赋予细菌细胞固定的形态，如球形、杆形、螺旋形等。
▮ 抵抗渗透压：细菌细胞内部的渗透压远高于外界环境，细胞壁能够抵抗内部渗透压，防止细胞胀破。
▮ 保护细胞：细胞壁可以保护细胞免受外界环境的物理和化学损伤。
▮ 参与细胞分裂：细胞壁在细菌细胞分裂过程中发挥重要作用。
▮ 作为革兰氏染色的基础：革兰氏染色是细菌分类鉴定的重要方法，其染色结果的差异就源于革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞壁结构的差异。
▮ 与致病性相关：细胞壁成分，如革兰氏阴性菌的脂多糖 (LPS) 和革兰氏阳性菌的磷壁酸 (teichoic acid)，可以作为病原相关分子模式 (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)，激活宿主免疫系统，参与细菌的致病过程。
▮ 药物作用靶点：由于细菌细胞壁是动物细胞所没有的结构，因此，细胞壁合成途径是许多抗生素的重要作用靶点，如青霉素 (penicillin)、头孢菌素 (cephalosporin) 等抗生素通过抑制肽聚糖的合成，从而抑制细菌的生长。

④ 革兰氏染色 (Gram stain) 的原理和应用

革兰氏染色 (Gram stain) 是微生物学中最常用、最重要的鉴别染色法 (differential staining)，由丹麦细菌学家 汉斯·克里斯蒂安·革兰 (Hans Christian Gram) 于 1884 年创立。革兰氏染色可以快速区分细菌，为细菌的初步鉴定和临床诊断提供重要依据。

▮ 革兰氏染色步骤：
▮▮▮▮ⓐ 初染 (primary stain)：用 结晶紫 (crystal violet) 染色 1 分钟，所有细菌都被染成紫色。
▮▮▮▮ⓑ 媒染 (mordant)：用 革兰氏碘液 (Gram's iodine) 处理 1 分钟，碘液作为媒染剂，与结晶紫形成 结晶紫-碘复合物 (crystal violet-iodine complex, CV-I)，增加染料与细胞的结合力。
▮▮▮▮ⓒ 脱色 (decolorization)：用 95% 乙醇 (95% ethanol) 或 丙酮 (acetone) 脱色 15-30 秒，革兰氏阳性菌由于细胞壁肽聚糖层厚而致密，脱水后孔径缩小，CV-I 复合物不易渗出，仍保持紫色；而革兰氏阴性菌由于细胞壁肽聚糖层薄，且外膜含有脂类，乙醇或丙酮可以溶解外膜脂类，加速 CV-I 复合物的渗出，导致细菌脱色。
▮▮▮▮ⓓ 复染 (counterstain)：用 番红 (safranin) 染色 1 分钟，脱色后的革兰氏阴性菌被染成红色，而革兰氏阳性菌仍保持紫色。

▮ 革兰氏染色结果判读：
▮▮▮▮ⓐ 革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria, G+)：染色后呈紫色。
▮▮▮▮ⓑ 革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria, G-)：染色后呈红色。

▮ 革兰氏染色的原理：
革兰氏染色结果的差异主要是由于革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞壁结构的差异造成的。
▮▮▮▮ⓐ 革兰氏阳性菌细胞壁肽聚糖层厚而致密，脱色时不易丢失 CV-I 复合物，因此保持紫色。
▮▮▮▮ⓑ 革兰氏阴性菌细胞壁肽聚糖层薄，外膜脂类被溶解后，CV-I 复合物容易渗出，导致细菌脱色，复染后被染成红色。

▮ 革兰氏染色的应用：
▮▮▮▮ⓐ 细菌分类鉴定：革兰氏染色是细菌分类鉴定的重要依据，可以将细菌初步分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。
▮▮▮▮ⓑ 临床诊断：革兰氏染色可以快速检测临床标本中的细菌，为感染诊断和指导经验性抗生素治疗提供重要信息。
▮▮▮▮ⓒ 教学实验：革兰氏染色是微生物学实验教学的基本技能。

⑤ 古菌细胞壁的特点

古菌 (archaea) 是与细菌并列的原核生物域，在细胞结构和代谢方面与细菌既有相似之处，也有显著差异。古菌细胞壁的结构和组成与细菌细胞壁明显不同，是古菌与细菌的重要区别之一。

▮ 古菌细胞壁的特点：
▮▮▮▮ⓐ 不含肽聚糖：古菌细胞壁不含肽聚糖，这是古菌细胞壁与细菌细胞壁最显著的区别。
▮▮▮▮ⓑ 主要成分多样：古菌细胞壁的主要成分多样，不同类群的古菌细胞壁成分差异很大，主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ S-层 (S-layer)：许多古菌细胞壁仅由 S-层 组成，S-层是由蛋白质或糖蛋白亚基组成的表面层 (surface layer)，呈规则排列，形成晶格状结构。S-层在古菌细胞壁中普遍存在，被认为是古菌最原始的细胞壁类型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 假肽聚糖 (pseudopeptidoglycan)：某些产甲烷古菌 (methanogens) 的细胞壁含有 假肽聚糖，也称为胞壁假肽聚糖 (pseudomurein)。假肽聚糖在结构上类似于细菌的肽聚糖，但组成成分不同。
⁃ 假肽聚糖的糖链由 N-乙酰葡糖胺 (NAG) 和 N-乙酰塔罗糖胺酸 (N-acetyltalosaminuronic acid, NAT) 交替连接而成，而不是细菌肽聚糖中的 NAG 和 NAM。
⁃ 假肽聚糖的肽链由 L-氨基酸 组成，而不是细菌肽聚糖中的 D-氨基酸和 L-氨基酸。
⁃ 假肽聚糖糖链之间的连接方式为 β(1,3)-糖苷键，而不是细菌肽聚糖中的 β(1,4)-糖苷键，因此，溶菌酶 (lysozyme) 不能水解假肽聚糖。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 多糖 (polysaccharide)：某些古菌细胞壁由多糖组成，如嗜酸热硫化叶菌属 ( Sulfolobus ) 的细胞壁主要由多糖构成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 蛋白质 (protein)：某些古菌细胞壁主要由 蛋白质 构成。
▮▮▮▮ⓒ 革兰氏染色结果：由于古菌细胞壁成分和结构的特殊性，革兰氏染色结果不稳定，有些古菌呈革兰氏阳性，有些呈革兰氏阴性，有些则染色不均。因此，革兰氏染色不适用于古菌的分类鉴定。

2.1.2 细胞膜 (Cell Membrane)

描述细胞膜的磷脂双分子层结构、膜蛋白 (membrane proteins) 的种类和功能，以及细胞膜的物质运输机制。

① 细胞膜的磷脂双分子层结构 (Phospholipid Bilayer Structure)

细胞膜 (cell membrane)，也称为质膜 (plasma membrane) 或原生质膜 (protoplasmic membrane)，是细胞最外层的选择通透性膜 (selectively permeable membrane)，包围着细胞质，分隔细胞内部和外部环境。细胞膜的基本结构是磷脂双分子层 (phospholipid bilayer)。

▮ 磷脂分子 (phospholipid molecule)：
▮▮▮▮ⓐ 磷脂是细胞膜的主要脂类成分，是一种两亲分子 (amphipathic molecule)，即分子中同时含有亲水部分 (hydrophilic part) 和 疏水部分 (hydrophobic part)。
▮▮▮▮ⓑ 典型的磷脂分子由甘油 (glycerol) 骨架、两个脂肪酸 (fatty acid) 尾部和一个磷酸基团 (phosphate group) 组成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 甘油是一个三碳醇，连接着两个脂肪酸和一个磷酸基团。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 脂肪酸尾部 是长链烃基，疏水，不喜欢与水分子相互作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 磷酸基团 连接着一个极性头部，亲水，容易与水分子相互作用。

▮ 磷脂双分子层的形成：
在水溶液中，由于磷脂分子的两亲性，其亲水头部朝向水相，疏水尾部朝向内部，自发形成双分子层结构。
▮▮▮▮ⓐ 磷脂双分子层由两层磷脂分子组成，磷脂分子的亲水头部朝向膜的内外两侧，与水溶液接触；疏水尾部朝向膜的内部，彼此相对。
▮▮▮▮ⓑ 磷脂双分子层的内部是疏水环境，阻止了带电荷分子和极性分子自由通过膜。
▮▮▮▮ⓒ 磷脂双分子层具有流动性 (fluidity)，膜脂分子可以在膜平面内自由移动，这种流动性对于维持细胞膜的正常功能至关重要。

▮ 古菌细胞膜的特殊性：
古菌细胞膜的脂类成分与细菌和真核生物的细胞膜明显不同，具有独特的结构特征。
▮▮▮▮ⓐ 异戊二烯甘油醚脂 (isoprenoid glycerol ether lipids)：古菌细胞膜的脂类成分主要是 异戊二烯甘油醚脂，而不是细菌和真核生物细胞膜中的脂肪酸甘油酯 (fatty acid glycerol ester lipids)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 异戊二烯甘油醚脂的疏水尾部是由 异戊二烯 (isoprene) 单位聚合而成的异戊二烯链 (isoprenoid chain)，而不是脂肪酸链。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 异戊二烯链通常是支链和 甲基化 的，饱和程度高，可以提高膜的稳定性和耐热性，这与古菌多生活在极端环境有关。
▮▮▮▮ⓓ 甘油醚键 (glycerol ether linkage)：古菌细胞膜中，甘油骨架与疏水尾部之间通过 醚键 (ether linkage) 连接，而不是细菌和真核生物细胞膜中的酯键 (ester linkage)。醚键比酯键更稳定，不易水解，这也有助于提高膜的稳定性。
▮▮▮▮ⓔ 甘油手性构型 (glycerol chirality)：古菌细胞膜中的甘油是 甘油-1-磷酸 (glycerol-1-phosphate)，而细菌和真核生物细胞膜中的甘油是 甘油-3-磷酸 (glycerol-3-phosphate)，两者是手性异构体 (stereoisomers)。
▮▮▮▮ⓕ 单层膜 (monolayer membrane)：某些极端嗜热古菌 (hyperthermophilic archaea) 的细胞膜是由 双极磷脂 (bipolar phospholipids) 组成的单层膜。双极磷脂分子的两个亲水头部分别位于膜的两侧，疏水尾部在膜的中央融合，形成单层膜结构。单层膜比双分子层膜更稳定，更耐热，更适应极端高温环境。

② 膜蛋白 (Membrane Proteins) 的种类和功能

膜蛋白 (membrane proteins) 是细胞膜的重要组成成分，约占细胞膜总质量的 25%-75%。膜蛋白镶嵌在磷脂双分子层中，执行多种重要的生物学功能。根据膜蛋白与膜的结合方式，可以分为两类：整合膜蛋白 (integral membrane proteins) 和 外周膜蛋白 (peripheral membrane proteins)。

▮ 整合膜蛋白 (Integral Membrane Proteins)：
▮▮▮▮ⓐ 整合膜蛋白嵌入或贯穿磷脂双分子层，与膜脂分子结合紧密，不易用盐溶液或温和的洗涤剂洗脱下来，需要用强去污剂或有机溶剂才能将其分离出来。
▮▮▮▮ⓑ 整合膜蛋白通常具有跨膜区 (transmembrane domain)，是由疏水性氨基酸组成的α螺旋或β桶结构，可以穿过疏水的膜内部。
▮▮▮▮ⓒ 整合膜蛋白的功能多样，包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 通道蛋白 (channel proteins) 和 载体蛋白 (carrier proteins)：参与物质跨膜运输。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 受体蛋白 (receptor proteins)：识别和结合细胞外信号分子，传递信号到细胞内部。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 酶 (enzymes)：催化膜上的化学反应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 结构蛋白 (structural proteins)：维持细胞膜的结构完整性，参与细胞与细胞外基质的连接。

▮ 外周膜蛋白 (Peripheral Membrane Proteins)：
▮▮▮▮ⓐ 外周膜蛋白结合在细胞膜的表面，通过非共价键 与整合膜蛋白或膜脂分子的极性头部结合，与膜脂分子结合相对疏松，可以用高盐溶液或 pH 变化等方法将其洗脱下来。
▮▮▮▮ⓑ 外周膜蛋白不嵌入膜的疏水内部，通常是亲水性蛋白。
▮▮▮▮ⓒ 外周膜蛋白的功能主要与膜的信号转导 (signal transduction)、细胞骨架 (cytoskeleton) 的连接、酶活性调节 (enzyme activity regulation) 等有关。

▮ 膜蛋白的功能：
细胞膜蛋白执行多种重要的生物学功能，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 物质运输 (transport)：通道蛋白和载体蛋白介导各种离子、小分子和生物大分子跨膜运输。
▮▮▮▮ⓑ 信号转导 (signal transduction)：受体蛋白接收细胞外信号，激活细胞内信号通路，调控细胞的生理活动。
▮▮▮▮ⓒ 酶催化 (enzymatic catalysis)：膜酶催化膜上的化学反应，如能量代谢、脂类合成等。
▮▮▮▮ⓓ 细胞识别 (cell recognition)：膜蛋白参与细胞与细胞、细胞与细胞外基质之间的识别和相互作用。
▮▮▮▮ⓔ 细胞连接 (cell junction)：膜蛋白参与形成细胞连接，维持组织结构的完整性。
▮▮▮▮ⓕ 细胞骨架连接 (cytoskeleton attachment)：膜蛋白连接细胞骨架，维持细胞形态，参与细胞运动。

③ 细胞膜的物质运输机制 (Mechanisms of Membrane Transport)

细胞膜是选择通透性膜，控制着物质进出细胞。细胞膜的物质运输机制可以分为两大类：被动运输 (passive transport) 和 主动运输 (active transport)。

▮ 被动运输 (Passive Transport)：
▮▮▮▮ⓐ 被动运输是指物质顺浓度梯度 (down concentration gradient) 或 电化学梯度 (electrochemical gradient) 跨膜运输，不需要消耗细胞代谢能量 (ATP)。
▮▮▮▮ⓑ 被动运输主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 简单扩散 (simple diffusion)：小分子、非极性分子（如 O₂, CO₂, N₂）可以直接穿过磷脂双分子层，顺浓度梯度从高浓度侧向低浓度侧运输。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 易化扩散 (facilitated diffusion)：极性分子、离子等不能直接穿过磷脂双分子层，需要借助膜转运蛋白 (membrane transport proteins) 的协助进行扩散。
⁃ 通道蛋白 (channel proteins)：形成亲水性通道，允许特定大小和电荷的离子或小分子通过，如水通道蛋白 (aquaporins)、离子通道 (ion channels)。
⁃ 载体蛋白 (carrier proteins)：与被转运分子特异性结合，发生构象变化，将分子从膜的一侧转运到另一侧，如葡萄糖转运蛋白 (glucose transporters)。

▮ 主动运输 (Active Transport)：
▮▮▮▮ⓐ 主动运输是指物质逆浓度梯度 (against concentration gradient) 或 电化学梯度 跨膜运输，需要消耗细胞代谢能量 (ATP)。
▮▮▮▮ⓑ 主动运输需要膜转运蛋白 的参与，称为泵 (pumps) 或 主动转运载体 (active transporters)。
▮▮▮▮ⓒ 主动运输可以分为两类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 原发性主动运输 (primary active transport)：直接利用 ATP 水解提供的能量进行物质运输，如 钠-钾泵 (Na⁺-K⁺ pump)、钙泵 (Ca²⁺ pump)、质子泵 (H⁺ pump)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 继发性主动运输 (secondary active transport)：不直接利用 ATP，而是利用离子梯度 (ion gradient) 储存的能量进行物质运输。通常与 原发性主动运输 建立的离子梯度偶联。
⁃ 同向转运 (symport)：被转运分子与驱动离子（如 Na⁺, H⁺）同方向跨膜运输。
⁃ 反向转运 (antiport)：被转运分子与驱动离子反方向跨膜运输，如 钠-钙交换器 (Na⁺-Ca²⁺ exchanger)。

▮ 群体感应 (Quorum Sensing) 中的膜通道蛋白：
在群体感应 (quorum sensing) 过程中，细菌通过分泌和检测自体诱导物 (autoinducers) 来感知群体密度，调控基因表达。一些细菌利用膜通道蛋白 介导自体诱导物跨膜运输，参与群体感应信号的传递。例如，革兰氏阴性菌 Pseudomonas aeruginosa 的 MexAB-OprM 外排泵 (efflux pump) 可以外排自体诱导物 N-酰基高丝氨酸内酯 (N-acyl homoserine lactones, AHLs)，参与群体感应调控生物膜形成、毒力因子产生等过程。

2.1.3 细胞质与核区 (Cytoplasm and Nucleoid)

介绍细胞质的组成和功能，核区的结构和遗传物质 DNA 的组织形式，以及质粒 (plasmids) 的特点和作用。

① 细胞质 (Cytoplasm) 的组成和功能

细胞质 (cytoplasm) 是细胞膜以内、核区以外的胶状物质，是细胞代谢活动的主要场所。细胞质主要由细胞质基质 (cytosol) 和 细胞质内含物 (cytoplasmic inclusions) 组成。

▮ 细胞质基质 (Cytosol)：
▮▮▮▮ⓐ 细胞质基质是细胞质的液态部分，主要成分是水 (water)，约占细胞总重量的 70%-80%。
▮▮▮▮ⓑ 细胞质基质中溶解着大量的小分子物质，如离子、氨基酸、糖类、核苷酸、脂类、维生素等，以及各种酶 (enzymes)、代谢中间产物 (metabolic intermediates) 和 核糖体 (ribosomes)。
▮▮▮▮ⓒ 细胞质基质是细胞代谢活动 的主要场所，糖酵解 (glycolysis)、戊糖磷酸途径 (pentose phosphate pathway)、脂肪酸合成 (fatty acid synthesis)、氨基酸合成 (amino acid synthesis) 等重要的代谢途径都发生在细胞质基质中。
▮▮▮▮ⓓ 细胞质基质还参与蛋白质合成 (protein synthesis)，核糖体在细胞质基质中进行翻译过程。

▮ 细胞质内含物 (Cytoplasmic Inclusions)：
▮▮▮▮ⓐ 细胞质内含物是细胞质中不溶性颗粒，没有膜结构包被，是细胞内储存物质 或 代谢产物 的聚集体。
▮▮▮▮ⓑ 细胞质内含物的种类和数量因细菌种类和生长条件而异，常见的细胞质内含物包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 贮藏颗粒 (storage granules)：储存能量或营养物质，如 多聚-β-羟基丁酸酯 (poly-β-hydroxybutyrate, PHB) 颗粒、糖原颗粒 (glycogen granules)、聚磷酸盐颗粒 (polyphosphate granules, 异染粒体 volutin)、硫磺颗粒 (sulfur granules)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 气泡 (gas vesicles)：某些水生细菌（如蓝细菌 cyanobacteria, 紫硫细菌 purple sulfur bacteria）具有气泡，可以调节细胞的浮力 (buoyancy)，使其能够移动到适宜的光照或营养浓度环境中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 磁小体 (magnetosomes)：某些趋磁细菌 (magnetotactic bacteria) 具有磁小体，是由磁铁矿 (magnetite, Fe₃O₄) 或硫化铁 (greigite, Fe₃S₄) 晶体组成的膜包被的细胞器，可以使细菌沿着地磁场方向运动，寻找适宜的生存环境。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 羧酶体 (carboxysomes)：某些自养细菌（如蓝细菌、硝化细菌 nitrifying bacteria）具有羧酶体，是多面体蛋白外壳包裹的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, Rubisco) 的微区室，可以提高二氧化碳固定效率。

② 核区 (Nucleoid) 的结构和遗传物质 DNA 的组织形式

核区 (nucleoid)，也称为拟核 (false nucleus) 或 核质体 (nuclear body)，是原核细胞中遗传物质 DNA 集中存在的区域，但没有核膜 (nuclear membrane) 包被，与真核细胞的细胞核 (nucleus) 不同。

▮ 核区的结构：
▮▮▮▮ⓐ 核区没有膜结构，DNA 直接与细胞质基质接触。
▮▮▮▮ⓑ 核区通常位于细胞的中央区域，呈不规则形状，在革兰氏染色标本中，核区常呈现淡染区。
▮▮▮▮ⓒ 核区主要由DNA 和 核区相关蛋白 (nucleoid-associated proteins, NAPs) 组成。

▮ 遗传物质 DNA 的组织形式：
▮▮▮▮ⓐ 原核细胞的遗传物质是 双链环状 DNA 分子，称为细菌染色体 (bacterial chromosome) 或 基因组 (genome)。
▮▮▮▮ⓑ 细菌染色体通常只有一个，但有些细菌（如霍乱弧菌 Vibrio cholerae）具有两个或多个染色体。
▮▮▮▮ⓒ 细菌染色体 DNA 分子非常长，需要高度折叠和压缩才能容纳在核区内。
▮▮▮▮ⓓ DNA 的折叠和压缩主要依靠 核区相关蛋白 (NAPs)。NAPs 类似于真核细胞的组蛋白 (histones)，但结构和功能有所不同。NAPs 可以与 DNA 结合，介导 DNA 的环化 (looping)、超螺旋 (supercoiling) 和 凝聚 (condensation)，形成紧密的核区结构。
▮▮▮▮ⓔ 细菌染色体 DNA 通常是负超螺旋 (negatively supercoiled) 状态，这种状态有利于 DNA 的复制、转录和重组。

③ 质粒 (Plasmids) 的特点和作用

质粒 (plasmids) 是细菌和其他一些微生物细胞中存在的小型环状 DNA 分子，独立于染色体 DNA，可以自主复制 (autonomously replicate)。质粒不是细菌生存所必需的遗传物质，但常常携带一些对细菌生存和适应环境有利的基因。

▮ 质粒的特点：
▮▮▮▮ⓐ 环状双链 DNA 分子：质粒是环状双链 DNA 分子，大小通常比染色体 DNA 小得多，从几 kb 到几百 kb 不等。
▮▮▮▮ⓑ 自主复制：质粒具有自主复制起点 (origin of replication, ori)，可以在宿主细胞内自主复制，复制方式与染色体 DNA 复制类似，但复制调控机制可能不同。
▮▮▮▮ⓒ 可转移性：某些质粒（如 接合质粒 conjugative plasmids）可以通过接合 (conjugation) 方式在细菌之间转移，促进基因在细菌群体中的水平转移 (horizontal gene transfer)。
▮▮▮▮ⓓ 非必需性：质粒不是细菌生存所必需的遗传物质，细菌细胞即使丢失质粒，通常也能正常生长繁殖。
▮▮▮▮ⓔ 携带多种基因：质粒可以携带多种基因，常见的质粒基因包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 抗生素耐药基因 (antibiotic resistance genes)：赋予细菌对抗生素的耐药性，是细菌耐药性传播的重要载体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 毒力基因 (virulence genes)：编码毒素、黏附素、侵袭素等毒力因子，增强细菌的致病性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 代谢基因 (metabolic genes)：编码特殊的代谢酶，使细菌能够利用特殊的底物或在特殊的环境条件下生长。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 接合转移基因 (conjugation transfer genes)：编码接合转移所需的蛋白，介导质粒的接合转移。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 重金属耐药基因 (heavy metal resistance genes)：赋予细菌对重金属的耐受性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 降解代谢基因 (degradative metabolic genes)：编码降解特殊化合物的酶，如降解农药、石油等污染物的基因。

▮ 质粒的作用：
质粒虽然不是细菌生存所必需的，但可以赋予细菌多种重要的生物学功能，增强细菌的适应性 (adaptability) 和 竞争力 (competitiveness)。
▮▮▮▮ⓐ 抗生素耐药性：携带抗生素耐药基因的质粒是细菌耐药性传播的主要途径，对抗生素的临床应用构成严重威胁。
▮▮▮▮ⓑ 毒力增强：携带毒力基因的质粒可以增强细菌的致病性，导致更严重的感染。
▮▮▮▮ⓒ 代谢多样性：携带代谢基因的质粒可以扩展细菌的代谢能力，使其能够利用新的营养物质或在新的环境中生存。
▮▮▮▮ⓓ 基因工程载体：质粒是基因工程中常用的载体 (vectors)，可以用于基因克隆、基因表达、基因转移等操作。

2.1.4 细胞外结构：鞭毛、菌毛、荚膜 (External Structures: Flagella, Pili, Capsule)

详细描述鞭毛、菌毛、荚膜的结构、组成和功能，以及它们在细菌运动、黏附、致病性等方面的作用。

① 鞭毛 (Flagella)

鞭毛 (flagella) 是某些细菌、古菌和真核细胞（如精子 sperm, 鞭毛虫 flagellates）表面存在的细长丝状 细胞外结构，主要功能是运动 (motility)。细菌鞭毛的结构、组成和运动机制与真核细胞鞭毛明显不同。

▮ 细菌鞭毛的结构：
细菌鞭毛由三个基本部分组成：丝状部 (filament)、钩状部 (hook) 和 基体 (basal body)。
▮▮▮▮ⓐ 丝状部 (Filament)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 丝状部是鞭毛的最外层 和 最主要部分，呈螺旋状，细长而弯曲，突出于细胞表面。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 丝状部由 鞭毛蛋白 (flagellin) 亚基聚合而成，鞭毛蛋白是一种球状蛋白，分子量约为 55 kDa。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 鞭毛蛋白亚基通过非共价键 螺旋排列，形成中空的管状结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 不同细菌的鞭毛蛋白氨基酸序列有所差异，但结构和功能相似。
▮▮▮▮ⓕ 钩状部 (Hook)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 钩状部连接丝状部和基体，是一段短而弯曲 的结构，比丝状部粗。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 钩状部由 钩状蛋白 (hook protein) 组成，钩状蛋白的结构比鞭毛蛋白复杂。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 钩状部起到万向节 (universal joint) 的作用，使丝状部可以 360° 旋转。
▮▮▮▮ⓙ 基体 (Basal Body)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 基体是鞭毛的最复杂部分，锚定在细胞膜和细胞壁上，是鞭毛的马达 (motor) 和 轴心 (axis)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 革兰氏阴性菌的基体由 L环 (L ring)、P环 (P ring)、S环 (S ring) 和 M环 (M ring) 四个环状结构组成，穿过外膜、肽聚糖层和细胞膜。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 革兰氏阳性菌的基体只有 P环和 M环两个环状结构，穿过肽聚糖层和细胞膜。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ M环和 S环与细胞膜内的 鞭毛马达蛋白 (flagellar motor proteins) 结合，形成鞭毛的旋转马达。

▮ 细菌鞭毛的运动机制：
细菌鞭毛的运动是由基体中的 鞭毛马达 (flagellar motor) 驱动的旋转运动 (rotary motion)，类似于螺旋桨的旋转。
▮▮▮▮ⓐ 能量来源：细菌鞭毛马达的能量来源是 质子动力势 (proton motive force, PMF) 或 钠离子动力势 (sodium motive force, SMF)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 质子动力势 (PMF) 是指细胞膜两侧的 质子浓度梯度 (proton concentration gradient, ΔpH) 和 膜电位 (membrane potential, ΔΨ) 共同构成的电化学梯度。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 鞭毛马达蛋白利用 PMF 或 SMF 驱动鞭毛旋转。
▮▮▮▮ⓓ 旋转方向：鞭毛的旋转方向决定细菌的运动方式。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 逆时针旋转 (counterclockwise rotation, CCW)：鞭毛呈束状，推动细菌直线前进 (run)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 顺时针旋转 (clockwise rotation, CW)：鞭毛束散开，细菌翻转 (tumble)，改变运动方向。
▮▮▮▮ⓖ 趋性运动 (Taxis)：细菌可以感知环境中的化学或物理信号，通过调控鞭毛的旋转方向和频率，进行趋性运动，趋向有利环境（如营养物质、氧气）或避开不利环境（如有害物质）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 化学趋性 (chemotaxis)：趋向或避开化学物质的运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 光趋性 (phototaxis)：趋向或避开光的运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 磁趋性 (magnetotaxis)：沿着地磁场方向运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 温度趋性 (thermotaxis)：趋向或避开特定温度的运动。

▮ 鞭毛的类型和分布：
根据鞭毛的数量和分布，细菌可以分为：
▮▮▮▮ⓐ 单鞭毛 (monotrichous)：细胞一端有一根鞭毛。
▮▮▮▮ⓑ 端鞭毛 (polar flagella)：鞭毛位于细胞一端或两端。
▮▮▮▮ⓒ 双鞭毛 (amphitrichous)：细胞两端各有一根鞭毛。
▮▮▮▮ⓓ 周鞭毛 (peritrichous)：鞭毛分布在细胞周围。
▮▮▮▮ⓔ 丛鞭毛 (lophotrichous)：细胞一端或两端有多根鞭毛呈束状。
▮▮▮▮ⓕ 无鞭毛 (atrichous)：没有鞭毛。

▮ 鞭毛的功能：
▮▮▮▮ⓐ 运动：鞭毛的主要功能是使细菌能够运动，趋向有利环境，避开不利环境。
▮▮▮▮ⓑ 黏附：某些细菌的鞭毛可以参与细菌的黏附，如幽门螺杆菌 (Helicobacter pylori) 的鞭毛可以帮助细菌黏附于胃黏膜上皮细胞。
▮▮▮▮ⓒ 生物膜形成：鞭毛运动可以促进细菌在表面定殖，参与生物膜 (biofilm) 的形成。
▮▮▮▮ⓓ 致病性：某些病原菌的鞭毛是重要的毒力因子，可以促进细菌的定殖、侵袭和感染。
▮▮▮▮ⓔ 抗原性：鞭毛蛋白 (flagellin) 具有抗原性，可以刺激宿主产生免疫应答，鞭毛蛋白抗原（H抗原）是细菌血清型分类的重要依据。

② 菌毛 (Pili) 和纤毛 (Fimbriae)

菌毛 (pili) 和 纤毛 (fimbriae) 是细菌细胞表面存在的短而细 的丝状附属物，比鞭毛短而细，数量多，分布广。菌毛和纤毛在结构和功能上有所相似，有时统称为 菌毛 (pili)。

▮ 菌毛和纤毛的结构：
菌毛和纤毛主要由 菌毛蛋白 (pilin) 或 纤毛蛋白 (fimbrial protein) 亚基聚合而成，结构比鞭毛简单，没有钩状部和基体。
▮▮▮▮ⓐ 菌毛蛋白或纤毛蛋白亚基通过非共价键 螺旋排列，形成细长的丝状结构。
▮▮▮▮ⓑ 不同类型的菌毛和纤毛，其菌毛蛋白或纤毛蛋白的氨基酸序列有所差异。

▮ 菌毛和纤毛的类型和功能：
细菌菌毛和纤毛的类型多样，功能也各不相同，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 普通菌毛 (common pili) 或 Ⅰ型菌毛 (type Ⅰ pili)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 广泛分布于多种革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌表面，数量多，长度短。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 主要功能是黏附 (adhesion)，介导细菌黏附于宿主细胞表面、生物或非生物表面，是细菌定殖和生物膜形成的重要结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 例如，大肠杆菌 (Escherichia coli) 的 Ⅰ型菌毛可以介导细菌黏附于尿道上皮细胞，引起尿路感染 (urinary tract infection, UTI)。
▮▮▮▮ⓔ 性菌毛 (sex pili) 或 F菌毛 (F pili)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 主要存在于供体菌 (donor cells) 或 F⁺菌 (F⁺ cells) 表面，数量少，长度较长，通常每个细胞只有 1-2 根。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 主要功能是接合 (conjugation)，介导细菌之间的基因转移 (gene transfer)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 性菌毛可以识别和结合受体菌 (recipient cells) 或 F⁻菌 (F⁻ cells)，形成接合桥 (conjugation bridge) 或 接合管 (conjugation pilus)，将质粒 DNA 或染色体 DNA 从供体菌转移到受体菌。
▮▮▮▮ⓘ Ⅳ型菌毛 (type Ⅳ pili)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 存在于某些革兰氏阴性菌表面，如淋病奈瑟菌 (Neisseria gonorrhoeae)、绿脓杆菌 (Pseudomonas aeruginosa)、霍乱弧菌 (Vibrio cholerae) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 具有多种功能：
⁃ 运动 (twitching motility)：Ⅳ型菌毛可以通过伸缩 (extension and retraction) 运动，使细菌在固体表面爬行 (twitching) 或 滑动 (gliding)。
⁃ 黏附 (adhesion)：介导细菌黏附于宿主细胞表面或生物膜基质。
⁃ DNA 摄取 (DNA uptake)：参与细菌的转化 (transformation) 过程，介导外源 DNA 的摄取。
⁃ 生物膜形成 (biofilm formation)：促进细菌在表面定殖，参与生物膜的形成。
⁃ 致病性 (pathogenicity)：某些病原菌的 Ⅳ型菌毛是重要的毒力因子，参与细菌的定殖、侵袭和感染。

③ 荚膜 (Capsule) 和糖萼 (Glycocalyx)

荚膜 (capsule) 和 糖萼 (glycocalyx) 是细菌细胞表面最外层 的多糖或 蛋白质 组成的粘性层 (viscous layer)。荚膜和糖萼在结构和功能上有所相似，但荚膜通常比糖萼更厚、更致密、结构更规则。

▮ 荚膜和糖萼的组成：
荚膜和糖萼的主要成分是多糖 (polysaccharide) 或 蛋白质 (protein)，不同细菌的荚膜和糖萼组成成分有所不同。
▮▮▮▮ⓐ 多糖荚膜 (polysaccharide capsule)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 最常见的荚膜类型，由重复的寡糖单元 (repeating oligosaccharide units) 组成，可以是同多糖 (homopolysaccharide) 或 杂多糖 (heteropolysaccharide)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 多糖荚膜通常是亲水性 的，不带电荷，非离子型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 例如，肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae) 的荚膜由多糖组成，不同血清型的肺炎链球菌荚膜多糖结构不同。
▮▮▮▮ⓔ 蛋白质荚膜 (protein capsule)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 某些细菌（如炭疽芽孢杆菌 Bacillus anthracis）的荚膜由 多肽 (polypeptide) 组成，如 聚-D-谷氨酸 (poly-D-glutamic acid)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 蛋白质荚膜通常是疏水性 的，带负电荷，离子型。
▮▮▮▮ⓗ 糖萼 (Glycocalyx)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 糖萼通常比荚膜更薄、更疏松、结构更不规则，有时也称为 粘液层 (slime layer)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 糖萼的组成成分可以是多糖、蛋白质或糖蛋白 (glycoprotein)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 糖萼通常与细菌细胞壁结合疏松，容易从细胞表面脱落。

▮ 荚膜和糖萼的功能：
荚膜和糖萼具有多种重要的生物学功能，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 保护作用 (protection)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 抗吞噬作用 (anti-phagocytic)：荚膜可以阻止吞噬细胞 (phagocytes) 的吞噬作用，保护细菌免受宿主免疫系统的清除，是许多病原菌重要的毒力因子 (virulence factor)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 抗干燥作用 (anti-desiccation)：荚膜的亲水性可以结合水分，防止细菌细胞脱水干燥，提高细菌在干燥环境中的生存能力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 抗噬菌体作用 (anti-phage)：荚膜可以阻止噬菌体 (bacteriophage) 吸附到细菌细胞表面，抵抗噬菌体感染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 抗毒性物质作用 (anti-toxic substances)：荚膜可以作为屏障，阻止某些毒性物质（如重金属、抗生素）进入细菌细胞。
▮▮▮▮ⓕ 黏附作用 (adhesion)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 荚膜和糖萼可以介导细菌黏附于宿主细胞表面、生物或非生物表面，促进细菌定殖和生物膜形成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 某些荚膜多糖可以作为黏附素 (adhesins)，特异性识别和结合宿主细胞表面的受体。
▮▮▮▮ⓘ 生物膜形成 (biofilm formation)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 荚膜和糖萼是生物膜基质的重要组成成分，可以促进细菌在表面定殖，形成生物膜。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 生物膜中的细菌受到荚膜和糖萼的保护，对抗生素和宿主免疫系统的抵抗力增强。
▮▮▮▮ⓛ 营养储存 (nutrient storage)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 某些荚膜多糖可以作为细菌的碳源 (carbon source) 和 能源 (energy source)，在营养匮乏时被细菌分解利用。
▮▮▮▮ⓝ 抗原性 (antigenicity)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 荚膜多糖或蛋白质具有抗原性，可以刺激宿主产生免疫应答，荚膜抗原（K抗原）是细菌血清型分类的重要依据。

2.2 真核细胞的结构与功能 (Structure and Function of Eukaryotic Cells)

介绍真菌、原生生物等真核微生物的细胞结构，包括细胞核 (nucleus)、内质网 (endoplasmic reticulum)、高尔基体 (Golgi apparatus)、线粒体 (mitochondria)、叶绿体 (chloroplasts) 等细胞器的结构和功能。

2.2.1 细胞核与遗传物质 (Nucleus and Genetic Material)

讲解真核细胞核的结构、染色体 (chromosomes) 的组成和功能，以及基因表达调控的基本机制。

① 细胞核 (Nucleus) 的结构

细胞核 (nucleus) 是真核细胞中最大、最重要的细胞器，是细胞的遗传控制中心 (genetic control center)，储存和复制遗传物质 DNA，控制细胞的生长、代谢和繁殖。细胞核具有复杂的膜性结构，主要由以下几部分组成：

▮ 核膜 (Nuclear Envelope)：
▮▮▮▮ⓐ 核膜是包围细胞核的双层膜结构，将核内物质与细胞质分隔开。
▮▮▮▮ⓑ 核膜由内膜 (inner nuclear membrane) 和 外膜 (outer nuclear membrane) 两层膜组成，两层膜之间是 核膜间隙 (perinuclear space)，与内质网腔 (ER lumen) 相连。
▮▮▮▮ⓒ 外膜与 内质网 (endoplasmic reticulum, ER) 相连，外膜表面附着有 核糖体 (ribosomes)，可以进行蛋白质合成。
▮▮▮▮ⓓ 内膜内侧衬有一层 核纤层 (nuclear lamina)，由 中间纤维蛋白 (intermediate filament proteins) 组成，为核膜提供机械支持，参与染色质 (chromatin) 的组织和核孔复合体 (nuclear pore complexes, NPCs) 的定位。
▮▮▮▮ⓔ 核孔复合体 (Nuclear Pore Complexes, NPCs)：核膜上分布着大量的 核孔复合体 (NPCs)，是核膜上蛋白质通道，直径约为 120 nm，是物质进出细胞核的通道。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ NPC 由 30 多种不同的蛋白质 核孔蛋白 (nucleoporins) 组成，呈复杂的八重对称结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ NPC 可以调节大分子物质（如蛋白质、RNA）和小分子物质（如离子、小分子代谢物）进出细胞核。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 小分子物质可以通过 被动扩散 (passive diffusion) 自由通过 NPC；大分子物质的运输需要 核定位信号 (nuclear localization signal, NLS) 或 核输出信号 (nuclear export signal, NES) 的介导，通过 主动运输 (active transport) 机制进出细胞核。

▮ 核仁 (Nucleolus)：
▮▮▮▮ⓐ 核仁是细胞核内最显著 的结构，没有膜结构 包被，是 rRNA 合成 (rRNA synthesis)、核糖体亚基组装 (ribosomal subunit assembly) 的场所。
▮▮▮▮ⓑ 每个细胞核通常有 1-2 个核仁，核仁的数量和大小与细胞的代谢活性有关。
▮▮▮▮ⓒ 核仁主要由 rDNA (核糖体 DNA)、rRNA、核糖体蛋白 (ribosomal proteins) 和 酶 (enzymes) 组成。
▮▮▮▮ⓓ 核仁可以分为三个区域：纤维中心 (fibrillar center, FC)、致密纤维组分 (dense fibrillar component, DFC) 和 颗粒组分 (granular component, GC)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 纤维中心 (FC)：含有 rDNA 和 RNA 聚合酶 Ⅰ (RNA polymerase Ⅰ)，是 rRNA 转录的场所。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 致密纤维组分 (DFC)：含有新转录的 rRNA 和核仁蛋白，是 rRNA 加工和修饰的场所。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 颗粒组分 (GC)：含有组装中的核糖体亚基，是核糖体亚基组装和成熟的场所。

▮ 染色质 (Chromatin)：
▮▮▮▮ⓐ 染色质是细胞核内 DNA 和 蛋白质 的复合体，是遗传物质 DNA 的存在形式。
▮▮▮▮ⓑ 染色质主要由 DNA 和 组蛋白 (histones) 组成，还含有少量 非组蛋白 (non-histone proteins) 和 RNA。
▮▮▮▮ⓒ 组蛋白 (Histones) 是染色质中主要的蛋白质成分，是一类 碱性蛋白质，富含 赖氨酸 (lysine) 和 精氨酸 (arginine)，带正电荷，可以与带负电荷的 DNA 结合。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 主要有五种组蛋白：H1, H2A, H2B, H3, H4。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 核心组蛋白 (core histones)：H2A, H2B, H3, H4 各两个分子组成 组蛋白八聚体 (histone octamer)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 连接组蛋白 (linker histone)：H1 连接在核小体之间，参与染色质的高级结构折叠。
▮▮▮▮ⓖ 核小体 (Nucleosome)：染色质的基本结构单位是 核小体 (nucleosome)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 核小体由 组蛋白八聚体 和 约 146 bp 的 DNA 片段 缠绕组蛋白八聚体 1.75 圈组成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 核小体之间由 连接 DNA (linker DNA) 连接，长度约为 20-60 bp。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 核小体呈 “串珠状” 结构，是染色质一级结构。
▮▮▮▮ⓚ 染色质的高级结构：染色质在细胞核内进一步折叠和压缩，形成更高级的结构，如 30 nm 纤维 (30 nm fiber)、染色质环 (chromatin loops)、染色质结构域 (chromatin domains) 和 染色体 (chromosomes)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 30 nm 纤维：核小体进一步螺旋化形成 30 nm 纤维，压缩比约为 40 倍。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 染色质环：30 nm 纤维进一步折叠成环状结构，锚定在核纤层上。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 染色质结构域：染色质环进一步组织成染色质结构域，如 常染色质 (euchromatin) 和 异染色质 (heterochromatin)。
⁃ 常染色质 (euchromatin)：染色质疏松状态，DNA 容易接近，转录活性高，基因表达活跃。
⁃ 异染色质 (heterochromatin)：染色质高度凝聚 状态，DNA 不易接近，转录活性低 或 无转录活性，基因表达沉默。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 染色体 (chromosomes)：在细胞分裂期 (cell division phase)，染色质高度螺旋化和凝聚，形成 染色体 (chromosomes)，便于染色体分离和分配。

② 染色体 (Chromosomes) 的组成和功能

染色体 (chromosomes) 是细胞核内 遗传物质 DNA 的载体，在细胞分裂期形成，由染色质高度螺旋化和凝聚而成。染色体的组成和功能与细胞的遗传和繁殖密切相关。

▮ 染色体的组成：
染色体主要由 DNA 和 蛋白质 组成，蛋白质主要是 组蛋白 (histones) 和 非组蛋白 (non-histone proteins)。
▮▮▮▮ⓐ DNA：染色体的主要成分，携带细胞的全部遗传信息。
▮▮▮▮ⓑ 组蛋白 (Histones)：染色体中主要的蛋白质成分，参与 DNA 的包装和染色质的结构形成。
▮▮▮▮ⓒ 非组蛋白 (Non-histone proteins)：染色体中除组蛋白以外的其他蛋白质，种类繁多，功能复杂，包括 DNA 复制酶 (DNA replication enzymes)、RNA 聚合酶 (RNA polymerases)、转录因子 (transcription factors)、染色体结构蛋白 (chromosomal structural proteins) 等。

▮ 染色体的结构：
在细胞分裂中期 (metaphase)，染色体高度凝聚，呈现典型的 “X” 形 结构，由以下几个部分组成：
▮▮▮▮ⓐ 着丝粒 (Centromere)：染色体上 最狭窄 的区域，是 姐妹染色单体 (sister chromatids) 连接的部位，也是 纺锤丝 (spindle fibers) 附着的部位。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 着丝粒含有特殊的 DNA 序列 着丝粒 DNA (centromeric DNA)，富含 重复序列 (repetitive sequences)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 着丝粒与 动粒 (kinetochore) 结构相连，动粒是蛋白质复合体，是纺锤丝附着的部位。
▮▮▮▮ⓓ 臂 (Arms)：着丝粒两侧的染色体部分称为 臂 (arms)，分为 短臂 (p arm) 和 长臂 (q arm)。
▮▮▮▮ⓔ 端粒 (Telomeres)：染色体末端的特殊结构，由 重复序列 (repetitive sequences) 和 端粒结合蛋白 (telomere-binding proteins) 组成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 端粒可以 保护染色体末端，防止染色体融合和降解。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 端粒与 细胞衰老 (cellular senescence) 和 细胞寿命 (cellular lifespan) 有关。
▮▮▮▮ⓗ 次缢痕 (Secondary Constriction) 和 随体 (Satellite)：某些染色体上除了着丝粒以外，还可能存在 次缢痕 (secondary constriction)，次缢痕以外的染色体片段称为 随体 (satellite)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 核仁组织区 (nucleolar organizer region, NOR)：某些染色体的次缢痕部位是 核仁组织区 (NOR)，含有 rDNA，是 rRNA 基因的所在地，与核仁的形成有关。

▮ 染色体的功能：
染色体是遗传物质 DNA 的载体，具有多种重要的生物学功能：
▮▮▮▮ⓐ 储存和传递遗传信息：染色体携带细胞的全部遗传信息，通过细胞分裂将遗传信息精确地传递给子细胞。
▮▮▮▮ⓑ 控制基因表达：染色体 DNA 是基因的载体，染色质的结构状态和染色体上的调控元件参与基因表达的调控。
▮▮▮▮ⓒ 决定生物性状：染色体上的基因决定生物的各种性状，染色体的异常（如染色体数目异常、结构变异）会导致遗传疾病或性状改变。
▮▮▮▮ⓓ 参与细胞分裂：染色体在细胞分裂期高度凝聚，便于染色体的分离和分配，保证子细胞获得完整的染色体组型。

③ 基因表达调控 (Gene Expression Regulation) 的基本机制

基因表达 (gene expression) 是指将基因中编码的遗传信息转化为功能性基因产物（如蛋白质、RNA）的过程。基因表达调控是指细胞在不同发育阶段、不同生理状态和不同环境条件下，精确控制 基因表达的 时间和空间，以适应细胞的生长、分化、代谢和环境变化的需求。真核细胞的基因表达调控机制非常复杂，主要包括以下几个层次：

▮ 转录调控 (Transcriptional Regulation)：
转录调控是基因表达调控的 最主要 和 最重要 的层次，通过调控 基因转录 (gene transcription) 的起始、延伸和终止，控制 mRNA 的合成量。
▮▮▮▮ⓐ 顺式作用元件 (cis-acting elements)：DNA 序列上的 调控元件，位于基因的 启动子 (promoter)、增强子 (enhancer)、沉默子 (silencer) 等区域，是 转录因子 (transcription factors) 结合的靶位点。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 启动子 (Promoter)：位于基因 转录起始位点 (transcription start site, TSS) 上游的 DNA 序列，是 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 结合和起始转录的部位。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 增强子 (Enhancer)：位于基因上游或下游远距离的 DNA 序列，可以增强基因的转录活性，增强子可以与启动子相互作用，提高转录效率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 沉默子 (Silencer)：位于基因上游或下游的 DNA 序列，可以抑制基因的转录活性，沉默子可以与启动子相互作用，降低转录效率。
▮▮▮▮ⓔ 反式作用因子 (trans-acting factors)：蛋白质分子，即 转录因子 (transcription factors, TFs)，可以识别和结合顺式作用元件，调控基因的转录。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 通用转录因子 (general transcription factors, GTFs)：所有基因转录都需要的转录因子，参与 转录起始复合体 (transcription initiation complex) 的组装，如 TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 特异性转录因子 (specific transcription factors)：调控特定基因或基因簇转录的转录因子，具有 DNA 结合域 (DNA-binding domain) 和 激活域 (activation domain) 或 抑制域 (repression domain)。
⁃ 激活型转录因子 (activators)：与增强子结合，激活基因转录。
⁃ 抑制型转录因子 (repressors)：与沉默子结合，抑制基因转录。
▮▮▮▮ⓒ 染色质修饰 (Chromatin Modification)：染色质的结构状态影响 DNA 的可及性，从而调控基因转录。染色质修饰主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ DNA 甲基化 (DNA methylation)：DNA 上的 胞嘧啶 (cytosine) 碱基被甲基化修饰，通常与 基因沉默 (gene silencing) 相关。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 组蛋白修饰 (histone modification)：组蛋白的 氨基末端尾巴 (N-terminal tails) 可以发生多种 共价修饰 (covalent modifications)，如 乙酰化 (acetylation)、甲基化 (methylation)、磷酸化 (phosphorylation)、泛素化 (ubiquitylation) 等。
⁃ 组蛋白乙酰化 通常与 基因激活 (gene activation) 相关，组蛋白去乙酰化 通常与 基因沉默 (gene silencing) 相关。
⁃ 组蛋白甲基化 的作用复杂，取决于甲基化的位点和程度，既可以激活基因表达，也可以抑制基因表达。
▮▮▮▮ⓓ 转录后调控 (Post-transcriptional Regulation)：
转录后调控发生在 mRNA 合成之后，蛋白质翻译之前，通过调控 mRNA 的加工、运输、稳定性和翻译，影响基因表达。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ RNA 剪接 (RNA splicing)：真核细胞基因转录产生的 前体 mRNA (pre-mRNA) 需要经过 RNA 剪接 (RNA splicing)，去除 内含子 (introns)，连接 外显子 (exons)，形成成熟的 mRNA。选择性剪接 (alternative splicing) 可以产生 多种 mRNA 异构体 (mRNA isoforms)，从而产生 多种蛋白质异构体 (protein isoforms)，增加蛋白质的多样性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ mRNA 运输 (mRNA transport)：成熟的 mRNA 需要从细胞核 运输到细胞质，才能进行蛋白质翻译。mRNA 的运输受到多种因素的调控。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ mRNA 稳定性 (mRNA stability)：mRNA 的 半衰期 (half-life) 决定 mRNA 在细胞中的 积累量，从而影响蛋白质的合成量。mRNA 的稳定性受到 mRNA 结构、RNA 结合蛋白 (RNA-binding proteins, RBPs) 和 miRNA (microRNA) 等因素的调控。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 翻译调控 (translational regulation)：通过调控 mRNA 的翻译起始、延伸和终止，影响蛋白质的合成量。翻译调控受到 mRNA 结构、翻译起始因子 (translation initiation factors)、核糖体 (ribosomes) 和 miRNA 等因素的调控。

2.2.2 膜性细胞器：内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体 (Membrane-bound Organelles: ER, Golgi, Lysosomes, Peroxisomes)

详细描述内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体等膜性细胞器的结构、功能和相互关系，以及它们在蛋白质合成、修饰、运输和降解等过程中的作用。

① 内质网 (Endoplasmic Reticulum, ER)

内质网 (endoplasmic reticulum, ER) 是真核细胞中 分布最广 的 膜性细胞器网络，由 相互连接的膜囊 (cisternae) 和 管道 (tubules) 组成，延伸遍布整个细胞质。内质网在 蛋白质合成、加工、运输、脂类合成、钙离子储存 等多种细胞功能中发挥重要作用。根据结构和功能的不同，内质网可以分为 粗面内质网 (rough endoplasmic reticulum, RER) 和 滑面内质网 (smooth endoplasmic reticulum, SER) 两种类型。

▮ 粗面内质网 (Rough Endoplasmic Reticulum, RER)：
▮▮▮▮ⓐ 粗面内质网的膜表面 附着有核糖体 (ribosomes)，呈粗糙状，因此得名。
▮▮▮▮ⓑ RER 主要由 扁平的膜囊 (cisternae) 组成，相互连接成网状结构。
▮▮▮▮ⓒ RER 的主要功能是 蛋白质合成、加工和运输。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 蛋白质合成：RER 上的核糖体负责合成 分泌蛋白 (secretory proteins)、膜蛋白 (membrane proteins) 和 溶酶体蛋白 (lysosomal proteins) 等。这些蛋白质在 RER 上合成后，会进入 内质网腔 (ER lumen) 进行加工和修饰。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 蛋白质加工和修饰：在 ER 腔内，新合成的蛋白质进行 折叠 (folding)、糖基化 (glycosylation)、二硫键形成 (disulfide bond formation) 等加工和修饰，确保蛋白质的正确结构和功能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 蛋白质质量控制 (protein quality control)：ER 具有 蛋白质质量控制系统，可以识别和降解 错误折叠 (misfolded) 或 未组装 (unassembled) 的蛋白质，防止错误蛋白质的积累。内质网应激反应 (endoplasmic reticulum stress response, ER stress) 或 未折叠蛋白反应 (unfolded protein response, UPR) 是细胞应对 ER 压力的一种保护机制。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 蛋白质运输：加工和修饰后的蛋白质可以从 RER 运输到 高尔基体 (Golgi apparatus)、溶酶体 (lysosomes)、细胞膜 (plasma membrane) 或 细胞外 (extracellular space)。

▮ 滑面内质网 (Smooth Endoplasmic Reticulum, SER)：
▮▮▮▮ⓐ 滑面内质网的膜表面 没有核糖体附着，呈光滑状，因此得名。
▮▮▮▮ⓑ SER 主要由 管状膜 (tubules) 组成，相互连接成网状结构。
▮▮▮▮ⓒ SER 的功能多样，不同细胞类型的 SER 功能有所差异，主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 脂类合成 (lipid synthesis)：SER 是 脂类 (lipids) 和 类固醇 (steroids) 合成的主要场所，如 磷脂 (phospholipids)、胆固醇 (cholesterol)、脂肪酸 (fatty acids)、类固醇激素 (steroid hormones) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 解毒作用 (detoxification)：肝细胞 (hepatocytes) 的 SER 富含 细胞色素 P450 酶 (cytochrome P450 enzymes)，参与 药物 (drugs)、毒物 (toxins) 和 代谢废物 (metabolic wastes) 的解毒作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 钙离子储存 (calcium ion storage)：肌肉细胞 (muscle cells) 的 SER，也称为 肌浆网 (sarcoplasmic reticulum, SR)，是 钙离子 (Ca²⁺) 的主要储存场所，参与 肌肉收缩 (muscle contraction) 的调节。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 碳水化合物代谢 (carbohydrate metabolism)：肝细胞的 SER 参与 糖原分解 (glycogenolysis) 和 葡萄糖生成 (gluconeogenesis) 等碳水化合物代谢过程。

▮ 内质网的相互关系：
RER 和 SER 在结构和功能上相互联系，可以相互转化。RER 和 SER 膜是 连续的，ER 腔也是 连通的。某些区域的 ER 可以同时具有 RER 和 SER 的特征。

② 高尔基体 (Golgi Apparatus)

高尔基体 (Golgi apparatus)，也称为 高尔基复合体 (Golgi complex) 或 高尔基器 (Golgi body)，是真核细胞中 重要的膜性细胞器，由 扁平的膜囊 (cisternae) 堆叠而成，呈 “叠层状” 结构。高尔基体在 蛋白质加工、分拣、运输、糖类合成 等多种细胞功能中发挥重要作用。高尔基体具有 极性 (polarity)，可以分为 顺面 (cis-Golgi network, CGN)、中间区 (medial-Golgi) 和 反面 (trans-Golgi network, TGN) 三个区域。

▮ 高尔基体的结构区域：
▮▮▮▮ⓐ 顺面高尔基网络 (cis-Golgi Network, CGN)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ CGN 是高尔基体 面向内质网 (ER) 的一面，是 接收来自 ER 的蛋白质和脂类 的入口。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ CGN 由 相互连接的膜囊 和小管组成，呈 网状结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ CGN 参与 蛋白质的磷酸化 (phosphorylation) 和 糖基化起始 (initiation of glycosylation) 等加工修饰。
▮▮▮▮ⓔ 中间高尔基体 (Medial-Golgi)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ Medial-Golgi 位于 CGN 和 TGN 之间，是高尔基体的 中间区域。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ Medial-Golgi 由 多个扁平的膜囊 堆叠而成，是 蛋白质加工修饰的主要场所。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ Medial-Golgi 参与 糖基化修饰 (glycosylation modification)，如 寡糖链的修剪 (oligosaccharide trimming) 和 糖基转移 (glycosyltransferases) 等。
▮▮▮▮ⓘ 反面高尔基网络 (trans-Golgi Network, TGN)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ TGN 是高尔基体 背向内质网 (ER) 的一面，是 蛋白质分拣和运输 的出口。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ TGN 由 相互连接的膜囊 和小管组成，呈 网状结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ TGN 参与 蛋白质的分拣 (protein sorting)，将蛋白质分拣到不同的目的地，如 溶酶体 (lysosomes)、分泌囊泡 (secretory vesicles)、细胞膜 (plasma membrane) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ TGN 也是 蛋白水解酶原 (proprotein convertases) 加工 前体蛋白 (proproteins) 成熟蛋白的场所。

▮ 高尔基体的功能：
高尔基体在蛋白质和脂类的加工、分拣和运输中发挥核心作用，主要功能包括：
▮▮▮▮ⓐ 蛋白质加工和修饰 (protein processing and modification)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 糖基化修饰 (glycosylation modification)：高尔基体是 糖基化修饰 的主要场所，参与 N-糖基化 (N-glycosylation) 和 O-糖基化 (O-glycosylation) 的修饰，修饰蛋白质的 寡糖链 (oligosaccharide chains)，影响蛋白质的 折叠、稳定性、功能和细胞定位。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 蛋白水解加工 (proteolytic processing)：高尔基体含有 蛋白水解酶原 (proprotein convertases)，可以切割前体蛋白，使其成熟，获得活性，如 激素原 (prohormones)、酶原 (zymogens) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 磷酸化 (phosphorylation) 和 硫酸化 (sulfation) 等其他修饰。
▮▮▮▮ⓔ 蛋白质分拣和运输 (protein sorting and transport)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 高尔基体 TGN 是 蛋白质分拣中心，根据蛋白质的 信号序列 (signal sequences) 或 标签 (tags)，将蛋白质分拣到不同的目的地。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 分拣后的蛋白质被 包装到不同的囊泡 (vesicles) 中，运输到 溶酶体、分泌囊泡、细胞膜 或 细胞外。
▮▮▮▮ⓗ 脂类合成和运输 (lipid synthesis and transport)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 高尔基体参与 糖脂 (glycolipids) 和 鞘磷脂 (sphingomyelin) 的合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 高尔基体也参与 脂类从 ER 到其他细胞器的运输。
▮▮▮▮ⓚ 多糖合成 (polysaccharide synthesis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 植物细胞的高尔基体参与 细胞壁多糖 (cell wall polysaccharides) 的合成，如 纤维素 (cellulose)、半纤维素 (hemicellulose)、果胶 (pectin) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 动物细胞的高尔基体参与 糖胺聚糖 (glycosaminoglycans, GAGs) 的合成，GAGs 是 细胞外基质 (extracellular matrix, ECM) 的重要成分。

③ 溶酶体 (Lysosomes)

溶酶体 (lysosomes) 是真核细胞中 单层膜包被 的 酸性细胞器，含有 多种水解酶 (hydrolases)，是细胞的 “消化系统” (digestive system)，负责降解细胞内 外源性物质 (exogenous materials) 和 内源性物质 (endogenous materials)，参与 细胞自噬 (autophagy) 和 细胞凋亡 (apoptosis) 等过程。溶酶体内的 pH 值维持在 pH 4.5-5.0 的 酸性环境，这有利于水解酶的活性，并防止水解酶在细胞质中误伤细胞组分。

▮ 溶酶体的结构和组成：
▮▮▮▮ⓐ 单层膜 (single membrane)：溶酶体由 单层膜 包被，膜上含有 高度糖基化的膜蛋白 (highly glycosylated membrane proteins)，保护溶酶体膜免受溶酶体酶的降解。
▮▮▮▮ⓑ 酸性环境 (acidic environment)：溶酶体腔内维持 酸性 pH 值 (pH 4.5-5.0)，由 质子泵 (H⁺-ATPase) 将质子 (H⁺) 从细胞质泵入溶酶体腔内形成。
▮▮▮▮ⓒ 水解酶 (hydrolases)：溶酶体含有 40 多种水解酶，包括 蛋白酶 (proteases)、核酸酶 (nucleases)、糖苷酶 (glycosidases)、脂肪酶 (lipases)、磷酸酶 (phosphatases)、硫酸酯酶 (sulfatases) 等，可以水解各种生物大分子，如 蛋白质、核酸、多糖、脂类 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 溶酶体酶都是 酸性水解酶 (acid hydrolases)，在酸性 pH 条件下活性最高，在中性 pH 条件下活性很低，这是一种 安全机制，防止溶酶体酶在细胞质中误伤细胞组分。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 溶酶体酶都是 糖基化蛋白 (glycoproteins)，糖基化修饰可以保护溶酶体酶免受自身蛋白酶的降解。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 溶酶体酶在 RER 上合成，经 高尔基体加工和分拣，最终运输到溶酶体。甘露糖-6-磷酸 (mannose-6-phosphate, M6P) 标签介导溶酶体酶从 TGN 到溶酶体的运输。

▮ 溶酶体的功能：
溶酶体是细胞的 “消化系统” 和 “回收站”，主要功能包括：
▮▮▮▮ⓐ 异噬作用 (Heterophagy)：降解 外源性物质，如 吞噬作用 (phagocytosis) 或 胞饮作用 (pinocytosis) 摄入的 细菌、病毒、细胞碎片、食物颗粒 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 外源性物质被 吞噬体 (phagosome) 或 胞饮囊泡 (pinocytotic vesicle) 包裹，形成 早期内体 (early endosome)，早期内体与溶酶体融合，形成 晚期内体 (late endosome) 或 内溶酶体 (endolysosome)，最终与溶酶体融合，形成 吞噬溶酶体 (phagolysosome) 或 自噬溶酶体 (autolysosome)，在溶酶体酶的作用下，外源性物质被降解为 小分子物质，如 氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸 等，可以被细胞 重新利用。
▮▮▮▮ⓒ 自噬作用 (Autophagy)：降解 内源性物质，如 衰老、损伤或错误折叠的细胞器、蛋白质、脂类 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 自噬作用是一种 细胞自洁机制，维持细胞的 稳态 (homeostasis)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 自噬作用可以分为 巨自噬 (macroautophagy)、微自噬 (microautophagy) 和 分子伴侣介导的自噬 (chaperone-mediated autophagy, CMA) 三种类型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 巨自噬 (macroautophagy) 是最主要的自噬类型，双层膜结构的自噬体 (autophagosome) 包裹细胞质中的靶物质，形成 自噬体，自噬体与溶酶体融合，形成 自噬溶酶体 (autolysosome)，在溶酶体酶的作用下，靶物质被降解。
▮▮▮▮ⓖ 细胞凋亡 (Apoptosis)：溶酶体在 细胞凋亡 过程中也发挥作用，溶酶体膜通透性增加 (lysosomal membrane permeabilization, LMP) 导致溶酶体酶释放到细胞质中，激活 细胞凋亡通路 (apoptotic pathway)，导致细胞死亡。
▮▮▮▮ⓗ 分泌作用 (Secretion)：溶酶体也参与 分泌作用，某些细胞（如 巨噬细胞、成纤维细胞）可以将溶酶体内容物 分泌到细胞外，参与 细胞外基质的降解和重塑。

④ 过氧化物酶体 (Peroxisomes)

过氧化物酶体 (peroxisomes)，也称为 微体 (microbodies)，是真核细胞中 单层膜包被 的 小球形细胞器，含有 多种氧化酶 (oxidases) 和 过氧化氢酶 (catalase)，参与 氧化还原反应 (redox reactions)，如 脂肪酸 β-氧化 (fatty acid β-oxidation)、过氧化氢分解 (hydrogen peroxide detoxification)、嘌呤代谢 (purine metabolism)、生物合成 (biosynthesis) 等。过氧化物酶体在不同细胞类型中功能有所差异。

▮ 过氧化物酶体的结构和组成：
▮▮▮▮ⓐ 单层膜 (single membrane)：过氧化物酶体由 单层膜 包被，膜上含有 多种膜蛋白 (membrane proteins)，参与过氧化物酶体的 生物发生 (biogenesis)、蛋白质输入 (protein import) 和 膜功能 (membrane function)。
▮▮▮▮ⓑ 酶 (enzymes)：过氧化物酶体含有 50 多种酶，主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 氧化酶 (oxidases)：利用 分子氧 (O₂) 氧化底物，产生 过氧化氢 (hydrogen peroxide, H₂O₂)，如 尿酸氧化酶 (urate oxidase)、D-氨基酸氧化酶 (D-amino acid oxidase)、脂肪酰-CoA 氧化酶 (acyl-CoA oxidase) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 过氧化氢酶 (catalase)：催化 过氧化氢分解 为 水 (H₂O) 和 氧气 (O₂)，保护细胞免受过氧化氢的毒害。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 过氧化物酶 (peroxidases)：利用过氧化氢氧化其他底物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 其他酶：参与 嘌呤代谢、氨基酸代谢、脂类代谢、乙醛酸循环 (glyoxylate cycle) 等代谢途径的酶。
▮▮▮▮ⓖ 基质 (matrix)：过氧化物酶体腔内充满 基质 (matrix)，含有 高浓度的酶 和 代谢物。

▮ 过氧化物酶体的功能：
过氧化物酶体参与多种重要的代谢途径，主要功能包括：
▮▮▮▮ⓐ 脂肪酸 β-氧化 (Fatty Acid β-Oxidation)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 过氧化物酶体是 极长链脂肪酸 (very long-chain fatty acids, VLCFAs) 和 支链脂肪酸 (branched-chain fatty acids) β-氧化的主要场所。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 脂肪酸 β-氧化产生 乙酰-CoA (acetyl-CoA)，可以进入 线粒体 (mitochondria) 进行 三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA cycle) 产生能量。
▮▮▮▮ⓓ 过氧化氢分解 (Hydrogen Peroxide Detoxification)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 过氧化物酶体含有 过氧化氢酶 (catalase)，可以 高效分解 氧化酶产生的 过氧化氢，保护细胞免受过氧化氢的毒害。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 过氧化氢是一种 活性氧 (reactive oxygen species, ROS)，具有 细胞毒性 (cytotoxicity)，可以损伤 DNA、蛋白质和脂类。
▮▮▮▮ⓖ 嘌呤代谢 (Purine Metabolism)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 过氧化物酶体参与 嘌呤代谢，含有 尿酸氧化酶 (urate oxidase)，可以将 尿酸 (urate) 氧化为 尿囊素 (allantoin)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 尿酸是嘌呤代谢的终产物，过量积累会导致 痛风 (gout)。
▮▮▮▮ⓙ 生物合成 (Biosynthesis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 过氧化物酶体参与 胆固醇 (cholesterol) 和 胆汁酸 (bile acids) 的合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 过氧化物酶体参与 磷脂 (phospholipids) 和 醚脂 (ether lipids) 的合成，特别是 髓鞘磷脂 (plasmalogens) 的合成，髓鞘磷脂是 神经髓鞘 (myelin sheath) 的重要成分。
▮▮▮▮ⓜ 乙醛酸循环 (Glyoxylate Cycle)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 植物细胞和某些微生物的过氧化物酶体（称为 乙醛酸循环酶体 glyoxysomes）含有 乙醛酸循环酶 (glyoxylate cycle enzymes)，参与 乙醛酸循环。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 乙醛酸循环可以将 脂肪酸 转化为 碳水化合物，在 种子萌发 (seed germination) 和 幼苗生长 (seedling growth) 过程中发挥重要作用。

2.2.3 能量转换细胞器：线粒体与叶绿体 (Energy-Converting Organelles: Mitochondria and Chloroplasts)

介绍线粒体和叶绿体的结构、功能和起源，以及它们在细胞呼吸 (cellular respiration) 和光合作用 (photosynthesis) 中的作用。

① 线粒体 (Mitochondria)

线粒体 (mitochondria) 是真核细胞中 主要的能量转换细胞器，是 细胞呼吸 (cellular respiration) 的场所，负责 氧化分解有机物，产生 ATP (三磷酸腺苷)，为细胞的生命活动提供能量。线粒体具有 双层膜结构，内部结构复杂，功能多样，被称为细胞的 “动力工厂” (powerhouse of the cell)。

▮ 线粒体的结构：
线粒体具有 双层膜结构，由 外膜 (outer membrane)、内膜 (inner membrane)、膜间隙 (intermembrane space) 和 线粒体基质 (mitochondrial matrix) 四个部分组成。
▮▮▮▮ⓐ 外膜 (Outer Membrane)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 外膜是线粒体的 最外层膜，光滑，通透性较高，含有 孔蛋白 (porins)，允许 小分子物质 和离子自由通过。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 外膜含有酶，参与 脂类合成 和 脂肪酸延伸 等代谢过程。
▮▮▮▮ⓓ 内膜 (Inner Membrane)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 内膜是线粒体的 内层膜，折叠成褶皱状，称为 嵴 (cristae)，大大增加了膜表面积。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 内膜 通透性较低，只允许 特定分子 通过，严格控制 物质进出线粒体基质。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 内膜含有 电子传递链 (electron transport chain, ETC) 和 ATP 合酶 (ATP synthase)，是 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 的场所，负责 ATP 的合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 内膜还含有 转运蛋白 (transport proteins)，介导 代谢物 和离子跨膜运输。
▮▮▮▮ⓘ 膜间隙 (Intermembrane Space)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 膜间隙是 外膜和内膜之间的空间，pH 值与细胞质相似。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 膜间隙含有酶，参与 ATP 的磷酸化 和 核苷酸代谢 等过程。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 细胞色素 c (cytochrome c) 位于膜间隙，在 细胞凋亡 (apoptosis) 过程中释放到细胞质中，激活 细胞凋亡通路。
▮▮▮▮ⓜ 线粒体基质 (Mitochondrial Matrix)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 线粒体基质是 内膜包围的内部空间，呈凝胶状，pH 值略高于细胞质。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 线粒体基质含有酶，参与 三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)、脂肪酸 β-氧化 (fatty acid β-oxidation)、氨基酸代谢 (amino acid metabolism) 等代谢过程。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 线粒体基质含有 线粒体 DNA (mtDNA)、核糖体 (mitochondrial ribosomes)、tRNA、酶等，具有 独立的遗传系统，可以 合成部分线粒体蛋白。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 钙离子 (Ca²⁺) 是线粒体基质中的重要离子，线粒体可以 储存和释放 Ca²⁺，参与 细胞内 Ca²⁺ 信号的调节。

▮ 线粒体的功能：
线粒体是细胞的 “动力工厂”，主要功能是 能量转换，此外还参与 细胞信号转导、钙离子调节、细胞凋亡 等多种细胞功能。
▮▮▮▮ⓐ 细胞呼吸 (Cellular Respiration)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 线粒体是 细胞呼吸 的主要场所，通过 氧化分解有机物 (如葡萄糖、脂肪酸、氨基酸)，产生 二氧化碳 (CO₂) 和 水 (H₂O)，释放能量，并将能量 储存在 ATP 分子中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 细胞呼吸包括 糖酵解 (glycolysis)、丙酮酸氧化 (pyruvate oxidation)、三羧酸循环 (TCA cycle) 和 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 四个阶段。
⁃ 糖酵解 发生在 细胞质基质 中，将 葡萄糖 分解为 丙酮酸 (pyruvate)，产生 少量 ATP 和 NADH。
⁃ 丙酮酸氧化 发生在 线粒体基质 中，将 丙酮酸 氧化为 乙酰-CoA (acetyl-CoA)，产生 CO₂ 和 NADH。
⁃ 三羧酸循环 (TCA cycle) 发生在 线粒体基质 中，将 乙酰-CoA 氧化为 CO₂，产生 大量 NADH 和 FADH₂，以及 少量 ATP。
⁃ 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 发生在 线粒体内膜 上，电子传递链 (ETC) 将 NADH 和 FADH₂ 释放的电子传递给 氧气 (O₂)，形成 水 (H₂O)，释放能量，质子泵 (proton pumps) 利用释放的能量将 质子 (H⁺) 从线粒体基质泵入 膜间隙，形成 质子浓度梯度 (proton gradient) 和 膜电位 (membrane potential)，即 质子动力势 (proton motive force, PMF)。ATP 合酶 (ATP synthase) 利用 PMF 驱动 ATP 合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 氧化磷酸化是 ATP 合成的主要方式，效率远高于底物水平磷酸化 (substrate-level phosphorylation)。
▮▮▮▮ⓑ 细胞信号转导 (Cell Signaling)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 线粒体参与 细胞信号转导，如 细胞凋亡信号 (apoptotic signals)、钙离子信号 (Ca²⁺ signals)、活性氧信号 (ROS signals) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 细胞色素 c (cytochrome c) 从线粒体膜间隙释放到细胞质中，激活 细胞凋亡通路。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 线粒体可以 储存和释放 Ca²⁺，参与 细胞内 Ca²⁺ 信号的调节，影响 细胞代谢、肌肉收缩、神经信号传递 等多种细胞功能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 线粒体是 活性氧 (ROS) 的主要产生场所，ROS 作为 信号分子，参与 细胞信号转导 和 细胞应激反应。
▮▮▮▮ⓖ 代谢中间产物合成 (Metabolic Intermediate Synthesis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 线粒体参与 多种代谢途径，除了 能量代谢 外，还参与 氨基酸合成、脂类合成、血红素合成、类固醇激素合成 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 线粒体是 氨基酸合成 的重要场所，参与 天冬氨酸 (aspartate)、谷氨酸 (glutamate)、脯氨酸 (proline) 等氨基酸的合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 线粒体参与 脂肪酸合成 的 延伸步骤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 线粒体是 血红素 (heme) 合成的 起始步骤 和 最后步骤 的场所。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 线粒体参与 类固醇激素 (steroid hormones) 合成的 早期步骤。

② 叶绿体 (Chloroplasts)

叶绿体 (chloroplasts) 是植物细胞和藻类细胞中 特有的能量转换细胞器，是 光合作用 (photosynthesis) 的场所，负责 将光能转化为化学能，合成 碳水化合物，释放 氧气 (O₂)。叶绿体也具有 双层膜结构，内部结构复杂，功能独特，是地球上 最重要的能量转换器。

▮ 叶绿体的结构：
叶绿体也具有 双层膜结构，由 外膜 (outer membrane)、内膜 (inner membrane)、膜间隙 (intermembrane space) 和 基质 (stroma) 四个部分组成，此外，叶绿体还具有 类囊体 (thylakoids) 膜系统。
▮▮▮▮ⓐ 外膜 (Outer Membrane)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 外膜是叶绿体的 最外层膜，光滑，通透性较高，含有 孔蛋白 (porins)，允许 小分子物质 和离子自由通过。
▮▮▮▮ⓒ 内膜 (Inner Membrane)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 内膜是叶绿体的 内层膜，光滑，通透性较低，严格控制 物质进出叶绿体基质。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 内膜含有 转运蛋白 (transport proteins)，介导 代谢物 和离子跨膜运输。
▮▮▮▮ⓕ 膜间隙 (Intermembrane Space)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 膜间隙是 外膜和内膜之间的空间，pH 值与细胞质相似。
▮▮▮▮ⓗ 基质 (Stroma)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 基质是 内膜包围的内部空间，呈凝胶状，pH 值略高于细胞质。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 基质含有酶，参与 卡尔文循环 (Calvin cycle)、脂肪酸合成 (fatty acid synthesis)、淀粉合成 (starch synthesis) 等代谢过程。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 基质含有 叶绿体 DNA (cpDNA)、核糖体 (chloroplast ribosomes)、tRNA、酶等，具有 独立的遗传系统，可以 合成部分叶绿体蛋白。
▮▮▮▮ⓛ 类囊体 (Thylakoids)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 类囊体是叶绿体 内部的膜性结构系统，由 扁平的膜囊 (thylakoid sacs) 堆叠而成，形成 基粒 (grana)，基粒之间由 基质类囊体 (stroma thylakoids) 连接。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 类囊体膜含有 光合色素 (photosynthetic pigments)，如 叶绿素 (chlorophylls)、类胡萝卜素 (carotenoids)，以及 光系统 (photosystems) 和 电子传递链 (electron transport chain, ETC)，是 光反应 (light reactions) 的场所，负责 吸收光能，进行 水的光解 (photolysis of water)，释放 氧气 (O₂)，产生 ATP 和 NADPH。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 类囊体腔 (thylakoid lumen) 是类囊体膜包围的 内部空间，是 质子积累 (proton accumulation) 的场所，形成 质子浓度梯度 (proton gradient)，驱动 ATP 合成。

▮ 叶绿体的功能：
叶绿体是 光合作用 的场所，主要功能是 能量转换，将 光能转化为化学能，合成 碳水化合物，释放氧气。
▮▮▮▮ⓐ 光合作用 (Photosynthesis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 叶绿体是 光合作用 的场所，利用光能、二氧化碳 (CO₂) 和 水 (H₂O) 合成 葡萄糖 (glucose) 等 碳水化合物，并 释放氧气 (O₂)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 光合作用包括 光反应 (light reactions) 和 暗反应 (dark reactions) 两个阶段。
⁃ 光反应 (light reactions) 发生在 类囊体膜 上，光系统 (photosystems) 吸收光能，将 光能转化为化学能，进行 水的光解 (photolysis of water)，释放 氧气 (O₂)，产生 ATP 和 NADPH。
⁃ 暗反应 (dark reactions)，也称为 卡尔文循环 (Calvin cycle) 或 碳固定 (carbon fixation)，发生在 叶绿体基质 中，利用 光反应产生的 ATP 和 NADPH，将 二氧化碳 (CO₂) 固定为 碳水化合物 (如葡萄糖)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 光合作用是地球上 最重要的能量转换过程，为地球上绝大多数生物提供 能量来源 和氧气。
▮▮▮▮ⓑ 其他功能：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 淀粉合成 (Starch Synthesis)：叶绿体基质是 淀粉合成 的场所，将光合作用产生的 葡萄糖 合成为淀粉储存起来。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 脂肪酸合成 (Fatty Acid Synthesis)：叶绿体基质也参与 脂肪酸合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 氨基酸合成 (Amino Acid Synthesis)：叶绿体参与 氨基酸合成，如 谷氨酸 (glutamate)、谷氨酰胺 (glutamine)、甘氨酸 (glycine)、丝氨酸 (serine) 等氨基酸的合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 色素合成 (Pigment Synthesis)：叶绿体是 叶绿素 (chlorophylls) 和 类胡萝卜素 (carotenoids) 等 光合色素 合成的场所。

③ 线粒体和叶绿体的起源：内共生学说 (Endosymbiotic Theory)

内共生学说 (endosymbiotic theory) 认为，线粒体和叶绿体起源于 古代细菌 与 原始真核细胞 之间的 内共生事件 (endosymbiotic event)。

▮ 内共生学说的主要证据：
▮▮▮▮ⓐ 双层膜结构：线粒体和叶绿体都具有 双层膜结构，内膜类似于 细菌细胞膜，外膜类似于 真核细胞膜，这与内共生过程中的 吞噬作用 (phagocytosis) 过程一致。
▮▮▮▮ⓑ 自主复制能力：线粒体和叶绿体都具有 自主复制能力，可以 独立于细胞核 进行复制和分裂。
▮▮▮▮ⓒ 环状 DNA：线粒体和叶绿体都含有 环状 DNA (mtDNA, cpDNA)，类似于 细菌染色体，与真核细胞的 线性染色体 不同。
▮▮▮▮ⓓ 细菌型核糖体：线粒体和叶绿体都含有 细菌型核糖体 (70S 核糖体)，与真核细胞细胞质中的 真核型核糖体 (80S 核糖体) 不同，与 细菌核糖体 相似。
▮▮▮▮ⓔ 基因组简化：线粒体和叶绿体的 基因组 (mtDNA, cpDNA) 相对较小，编码的基因 数量有限，大部分线粒体和叶绿体蛋白基因 转移到细胞核基因组 中，并在细胞质中合成后输入线粒体和叶绿体。
▮▮▮▮ⓕ 16S rRNA 基因序列：线粒体和叶绿体的 16S rRNA 基因序列 与细菌的 16S rRNA 基因序列 高度相似，系统发育分析表明，线粒体起源于 α-变形菌纲 (α-proteobacteria)，叶绿体起源于 蓝细菌 (cyanobacteria)。

▮ 内共生学说的过程：
▮▮▮▮ⓐ 线粒体的起源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 古代 需氧型细菌 (aerobic bacterium) 被 原始真核细胞 吞噬，但 没有被消化，而是 长期共生 在原始真核细胞内。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 需氧型细菌逐渐演化成 线粒体，为原始真核细胞提供 ATP，原始真核细胞为需氧型细菌提供 营养物质 和保护。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 大部分线粒体基因 转移到细胞核基因组 中，线粒体逐渐 失去独立性，成为真核细胞的 细胞器。
▮▮▮▮ⓔ 叶绿体的起源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 在线粒体内共生事件之后，某些真核细胞 再次吞噬 了 光合细菌 (photosynthetic bacterium, 蓝细菌)，也 没有被消化，而是 长期共生 在真核细胞内。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 光合细菌逐渐演化成 叶绿体，为真核细胞提供 碳水化合物，真核细胞为光合细菌提供 营养物质 和保护。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 大部分叶绿体基因 转移到细胞核基因组 中，叶绿体逐渐 失去独立性，成为植物细胞和藻类细胞的 细胞器。

2.2.4 细胞骨架与细胞运动 (Cytoskeleton and Cell Motility)

描述真核细胞骨架的组成（微管 microtubules, 微丝 microfilaments, 中间纤维 intermediate filaments）、结构和功能，以及细胞骨架在细胞形态维持、细胞运动、细胞分裂等过程中的作用。

① 细胞骨架 (Cytoskeleton) 的组成

细胞骨架 (cytoskeleton) 是真核细胞细胞质中 蛋白质纤维网络，由 微管 (microtubules)、微丝 (microfilaments) 和 中间纤维 (intermediate filaments) 三种主要的 蛋白质纤维 组成。细胞骨架赋予细胞 形态、机械强度、运动能力，参与 细胞分裂、物质运输、信号转导 等多种细胞功能。

▮ 微管 (Microtubules)：
▮▮▮▮ⓐ 微管是细胞骨架中最粗的纤维，直径约为 25 nm，呈 中空管状 结构。
▮▮▮▮ⓑ 微管由 α-微管蛋白 (α-tubulin) 和 β-微管蛋白 (β-tubulin) 两种 球状蛋白亚基 组成，α-微管蛋白和 β-微管蛋白 异二聚体 (αβ-tubulin dimer) 是微管的基本结构单元。
▮▮▮▮ⓒ 微管具有 极性 (polarity)，“+” 端 (plus end) 聚合速度快，“-” 端 (minus end) 聚合速度慢。微管的 聚合 (polymerization) 和 解聚 (depolymerization) 处于动态平衡，受多种因素调控。
▮▮▮▮ⓓ 微管在细胞中分布广泛，参与 细胞形态维持、细胞运动、细胞内物质运输、染色体分离 等多种细胞功能。
▮▮▮▮ⓔ 微管相关蛋白 (microtubule-associated proteins, MAPs) 可以与微管结合，调节微管的稳定性、组装和功能。
▮▮▮▮ⓕ 马达蛋白 (motor proteins)，如 驱动蛋白 (kinesins) 和 动力蛋白 (dyneins)，可以沿着微管移动，运输细胞器、囊泡、染色体 等。

▮ 微丝 (Microfilaments)：
▮▮▮▮ⓐ 微丝，也称为 肌动蛋白丝 (actin filaments)，是细胞骨架中最细的纤维，直径约为 7 nm，呈 双螺旋状 结构。
▮▮▮▮ⓑ 微丝由 球状肌动蛋白 (globular actin, G-actin) 亚基聚合而成，G-actin 聚合形成 纤维状肌动蛋白 (filamentous actin, F-actin)，即微丝。
▮▮▮▮ⓒ 微丝也具有 极性 (polarity)，“+” 端 (plus end) 聚合速度快，“-” 端 (minus end) 聚合速度慢。微丝的 聚合 (polymerization) 和 解聚 (depolymerization) 也处于动态平衡，受多种因素调控。
▮▮▮▮ⓓ 微丝在细胞中分布广泛，特别是在 细胞皮层 (cell cortex) 和 细胞突起 (cell protrusions) 中富集，参与 细胞形态维持、细胞运动、细胞质流动、肌肉收缩、细胞分裂 等多种细胞功能。
▮▮▮▮ⓔ 肌动蛋白结合蛋白 (actin-binding proteins, ABPs) 可以与微丝结合，调节微丝的组装、解聚、交联和功能。
▮▮▮▮ⓕ 肌球蛋白 (myosins) 是一类 马达蛋白，可以沿着微丝移动，产生细胞运动和肌肉收缩。

▮ 中间纤维 (Intermediate Filaments)：
▮▮▮▮ⓐ 中间纤维是细胞骨架中 直径介于微管和微丝之间 的纤维，直径约为 10 nm，呈 绳索状 结构，机械强度最高。
▮▮▮▮ⓑ 中间纤维由 中间纤维蛋白 (intermediate filament proteins) 组成，不同细胞类型的中间纤维蛋白种类不同，如 角蛋白 (keratins)、波形蛋白 (vimentin)、结蛋白 (desmin)、神经丝蛋白 (neurofilaments)、核纤层蛋白 (lamins) 等。
▮▮▮▮ⓒ 中间纤维 没有极性，动态性较差，稳定性高，主要功能是 提供机械支持、维持细胞形态、抵抗机械应力。
▮▮▮▮ⓓ 中间纤维在细胞中分布具有 组织特异性，如 角蛋白 主要分布在 上皮细胞 (epithelial cells)，波形蛋白 主要分布在 成纤维细胞 (fibroblasts) 和 内皮细胞 (endothelial cells)，核纤层蛋白 分布在 细胞核内膜。
▮▮▮▮ⓔ 中间纤维相关蛋白 (intermediate filament-associated proteins, IFAPs) 可以与中间纤维结合，调节中间纤维的组装、交联和功能。

② 细胞骨架的功能

细胞骨架是真核细胞 重要的结构和功能支架，具有多种重要的生物学功能：

▮ 维持细胞形态 (Cell Shape Maintenance)：
细胞骨架为细胞提供 内部支架，维持细胞的 基本形态，抵抗 外部机械力，保持细胞的 结构完整性。
▮▮▮▮ⓐ 微管主要负责维持细胞的 整体形态 和极性。
▮▮▮▮ⓑ 微丝主要负责维持 细胞皮层 的形态，参与 细胞表面突起 的形成。
▮▮▮▮ⓒ 中间纤维 主要负责 增强细胞的机械强度，抵抗 拉伸力 和 剪切力。

▮ 细胞运动 (Cell Motility)：
细胞骨架是 细胞运动 的 分子基础，参与 细胞的变形、迁移、肌肉收缩 等运动过程。
▮▮▮▮ⓐ 微管参与 鞭毛 (flagella) 和 纤毛 (cilia) 的运动，驱动细胞在液体环境中游动。
▮▮▮▮ⓑ 微丝参与 伪足 (pseudopodia) 和 膜皱褶 (membrane ruffles) 的形成，驱动细胞在固体表面爬行或滑动。
▮▮▮▮ⓒ 肌球蛋白 与微丝相互作用，产生 肌肉收缩 和 细胞质流动。

▮ 细胞内物质运输 (Intracellular Transport)：
细胞骨架是 细胞内物质运输的“高速公路”，为 细胞器、囊泡、蛋白质、RNA 等物质的 定向运输 提供轨道和动力。
▮▮▮▮ⓐ 微管是 长距离运输 的主要轨道，驱动蛋白 和 动力蛋白 等马达蛋白沿着微管 运输细胞器和囊泡。
▮▮▮▮ⓑ 微丝参与 短距离运输 和 细胞质流动。

▮ 细胞分裂 (Cell Division)：
细胞骨架在 细胞分裂 过程中发挥关键作用，参与 染色体分离、细胞质分裂 等过程。
▮▮▮▮ⓐ 微管形成 纺锤体 (spindle)，牵引染色体 分离，保证染色体 平均分配 到子细胞。
▮▮▮▮ⓑ 微丝在细胞分裂末期形成 收缩环 (contractile ring)，收缩细胞膜，分割细胞质，完成 细胞质分裂 (cytokinesis)。

▮ 细胞信号转导 (Cell Signaling)：
细胞骨架不仅是 结构支架，也参与 细胞信号转导，连接细胞外信号 和 细胞内反应。
▮▮▮▮ⓐ 细胞骨架可以锚定 受体蛋白 (receptor proteins) 和 信号分子 (signaling molecules)，调控信号通路的活性。
▮▮▮▮ⓑ 细胞骨架可以 传递机械信号 (mechanical signals)，将 细胞外机械力 转化为 细胞内生化信号，影响 细胞的生长、分化和功能。

③ 细胞运动 (Cell Motility) 的类型和机制

真核细胞的运动类型多样，运动机制复杂，主要依赖于 细胞骨架 和 马达蛋白 的协同作用。常见的细胞运动类型包括：

▮ 鞭毛和纤毛运动 (Flagellar and Ciliary Motility)：
鞭毛和纤毛是真核细胞表面 细长的细胞突起，由微管组成，主要功能是运动和 物质运输。
▮▮▮▮ⓐ 鞭毛 (Flagella)：通常 数量少，长度长，波动式摆动 (undulating motion)，如 精子 sperm 的鞭毛。
▮▮▮▮ⓑ 纤毛 (Cilia)：通常 数量多，长度短，划桨式摆动 (power stroke and recovery stroke)，如 呼吸道上皮细胞 respiratory epithelial cells 的纤毛。
▮▮▮▮ⓒ 轴丝 (axoneme)：鞭毛和纤毛的 核心结构 是 轴丝 (axoneme)，由 “9+2” 模式 的微管排列组成，即 外周 9 对双联微管 (doublet microtubules) 和 中央 2 根单根微管 (singlet microtubules)。
▮▮▮▮ⓓ 动力蛋白臂 (dynein arms)：外周双联微管上附着有 动力蛋白臂 (dynein arms)，动力蛋白是一种 马达蛋白，利用 ATP 水解 提供的能量，驱动 相邻双联微管之间滑动，产生鞭毛和纤毛的 弯曲运动。

▮ 阿米巴运动 (Amoeboid Movement)：
阿米巴运动是 变形虫 (amoeba) 和 某些动物细胞 (如巨噬细胞 macrophages, 纤维母细胞 fibroblasts) 的一种 细胞爬行运动 方式，通过 伸出伪足 (pseudopodia)，改变细胞形态，实现细胞的 定向移动。
▮▮▮▮ⓐ 伪足 (Pseudopodia)：细胞膜向前方伸出的 细胞质突起，是阿米巴运动的 运动器官。
▮▮▮▮ⓑ 肌动蛋白聚合和解聚：伪足的形成和伸展与 微丝的聚合和解聚 密切相关。在伪足前端，微丝快速聚合，推动细胞膜向前延伸；在伪足后端，微丝解聚，细胞质向前方流动。
▮▮▮▮ⓒ 肌球蛋白收缩：肌球蛋白 与微丝相互作用，产生 收缩力，驱动细胞质流动，推动细胞向前移动。
▮▮▮▮ⓓ 细胞黏附：细胞通过 细胞表面受体 (cell surface receptors) 与 细胞外基质 (extracellular matrix, ECM) 或 其他细胞 建立黏附，为细胞运动提供支撑和 牵引力。

▮ 肌肉收缩 (Muscle Contraction)：
肌肉收缩是 肌肉细胞 (muscle cells) 特有的 细胞运动 方式，是 动物运动 的基础。肌肉收缩主要依赖于 肌丝 (myofilaments) 的滑动。
▮▮▮▮ⓐ 肌丝 (Myofilaments)：肌肉细胞的 收缩单元，主要由 粗肌丝 (thick filaments) 和 细肌丝 (thin filaments) 组成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 粗肌丝 (Thick Filaments)：主要由 肌球蛋白 (myosin) 组成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 细肌丝 (Thin Filaments)：主要由 肌动蛋白 (actin)、原肌球蛋白 (tropomyosin) 和 肌钙蛋白 (troponin) 组成。
▮▮▮▮ⓓ 肌节 (Sarcomere)：肌肉收缩的 基本功能单位，由 Z 盘 (Z-disc) 之间的肌丝组成。
▮▮▮▮ⓔ 滑动丝状机制 (sliding filament mechanism)：肌肉收缩的 分子机制，肌球蛋白头 (myosin heads) 与 细肌丝上的肌动蛋白结合，利用 ATP 水解 提供的能量，牵引细肌丝向粗肌丝滑动，导致 肌节缩短，肌肉收缩。
▮▮▮▮ⓕ 钙离子调节 (Calcium Ion Regulation)：钙离子 (Ca²⁺) 是肌肉收缩的 关键调节因子。细胞内 Ca²⁺ 浓度升高 触发肌肉收缩，细胞内 Ca²⁺ 浓度降低 导致肌肉舒张。肌浆网 (sarcoplasmic reticulum, SR) 负责 储存和释放 Ca²⁺，调节细胞内 Ca²⁺ 浓度。

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3. 微生物的营养与代谢 (Microbial Nutrition and Metabolism)

摘要

本章阐述微生物的营养需求、代谢类型和代谢途径，深入理解微生物的能量获取和物质合成机制。

3.1 微生物的营养需求 (Nutritional Requirements of Microorganisms)

摘要

介绍微生物生长所需的营养物质，包括常量元素 (macronutrients) 和微量元素 (micronutrients)，以及生长因子的概念。

3.1.1 常量元素与微量元素 (Macronutrients and Micronutrients)

摘要

详细列举微生物所需的常量元素（C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe）和微量元素（Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu），并阐述它们在细胞中的作用。

微生物的生长和繁殖需要从环境中获取各种营养物质。这些营养物质根据微生物的需求量可以分为两大类：常量元素 (macronutrients) 和微量元素 (micronutrients)。常量元素是微生物细胞结构和功能所必需的大量元素，通常占细胞干重的百分之几到十分之几；微量元素则是微生物生命活动中不可或缺的少量元素，通常以百万分之几甚至更低的浓度存在。

① 常量元素 (Macronutrients)

常量元素主要包括碳 (Carbon, C)、氢 (Hydrogen, H)、氧 (Oxygen, O)、氮 (Nitrogen, N)、磷 (Phosphorus, P)、硫 (Sulfur, S)、钾 (Potassium, K)、钙 (Calcium, Ca)、镁 (Magnesium, Mg) 和铁 (Iron, Fe)。这些元素在微生物细胞中扮演着至关重要的角色：

⚝ 碳 (C): 碳是构成有机分子的骨架元素，是所有生物大分子，如碳水化合物 (carbohydrates)、脂类 (lipids)、蛋白质 (proteins) 和核酸 (nucleic acids) 的基本组成成分。微生物的细胞干重中，碳元素占比最高，通常超过 50%。微生物利用碳源进行能量代谢和生物合成。
⚝ 氢 (H) 和氧 (O): 氢和氧是水 (water, H₂O) 的组成元素，水是细胞内含量最多的化合物，参与细胞内的各种生化反应，并维持细胞的形态和功能。氢和氧也存在于各种有机分子中，与碳共同构成有机分子的基本框架。
⚝ 氮 (N): 氮是蛋白质和核酸的重要组成元素。蛋白质中的氨基酸 (amino acids) 含有氨基 (-NH₂)，核酸中的碱基 (nucleobases) 也含有氮。氮元素对于微生物的生长、繁殖以及遗传物质的合成至关重要。微生物可以通过多种途径获取氮源，例如氨 (ammonia, NH₃)、硝酸盐 (nitrate, NO₃⁻) 或有机氮化合物。
⚝ 磷 (P): 磷是核酸、磷脂 (phospholipids) 和腺苷三磷酸 (adenosine triphosphate, ATP) 等重要生物分子的组成元素。核酸中的磷酸二酯键连接核苷酸 (nucleotides)，磷脂是细胞膜的主要成分，ATP 是细胞能量的主要载体。磷元素在遗传信息的储存和传递、细胞膜的结构完整性以及能量代谢中发挥关键作用。
⚝ 硫 (S): 硫是某些氨基酸（如半胱氨酸 cysteine 和蛋氨酸 methionine）和维生素（如硫胺素 thiamine 和生物素 biotin）的组成元素。含硫氨基酸参与蛋白质的结构和功能，含硫维生素则作为酶的辅酶参与代谢反应。硫元素对于蛋白质的合成、酶的活性以及细胞的代谢功能具有重要意义。
⚝ 钾 (K): 钾是细胞内主要的阳离子 (cation)，参与维持细胞的渗透压平衡 (osmotic balance) 和膜电位 (membrane potential)。钾离子也是许多酶的激活剂，对于酶的催化活性至关重要。此外，钾还参与核糖体 (ribosome) 的功能和蛋白质合成。
⚝ 钙 (Ca): 钙在微生物细胞中通常以较低浓度存在，但其功能多样。钙离子参与内孢子 (endospore) 的形成（在芽孢杆菌属 Bacillus 和梭菌属 Clostridium 等细菌中），稳定细胞壁，并作为某些酶的辅助因子。在真核微生物中，钙离子还参与信号转导和细胞运动。
⚝ 镁 (Mg): 镁是叶绿素 (chlorophyll) 分子的核心元素（在光合微生物中），也是核糖体的稳定剂，并作为多种酶的辅助因子，特别是参与需要 ATP 的酶促反应。镁离子对于光合作用、蛋白质合成和能量代谢至关重要。
⚝ 铁 (Fe): 铁是细胞色素 (cytochromes) 和铁硫蛋白 (iron-sulfur proteins) 等重要蛋白质的组成元素，参与电子传递链 (electron transport chain) 和氧化还原反应 (redox reactions)。铁对于能量代谢、呼吸作用和许多酶的活性中心功能至关重要。微生物通常需要特殊的铁载体，如铁载体蛋白 (siderophores)，来获取环境中难以利用的三价铁离子 (Fe³⁺)。

② 微量元素 (Micronutrients)

微量元素，也称为痕量元素 (trace elements)，是微生物生长必需但需求量极少的元素。常见的微量元素包括锰 (Manganese, Mn)、锌 (Zinc, Zn)、钴 (Cobalt, Co)、钼 (Molybdenum, Mo)、镍 (Nickel, Ni) 和铜 (Copper, Cu) 等。虽然需求量少，但微量元素在微生物的酶活性、辅酶功能和维持细胞正常生理功能方面发挥着不可替代的作用：

⚝ 锰 (Mn): 锰是某些酶的辅助因子，例如超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase, SOD)，参与抗氧化应激 (oxidative stress)。锰也参与光合作用中水的裂解反应 (water-splitting reaction)。
⚝ 锌 (Zn): 锌是多种酶的组成成分或激活剂，例如 DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 和 RNA 聚合酶 (RNA polymerase)。锌在核酸代谢、蛋白质合成和细胞结构稳定中发挥作用。锌指结构 (zinc finger structure) 是蛋白质中常见的结构域，参与 DNA 结合和基因调控。
⚝ 钴 (Co): 钴是维生素 B₁₂ (vitamin B₁₂) 的核心元素。维生素 B₁₂ 是某些酶的辅酶，参与碳链异构化反应和甲基转移反应。钴对于某些微生物，特别是固氮微生物 (nitrogen-fixing microorganisms) 和产甲烷菌 (methanogens) 的生长至关重要。
⚝ 钼 (Mo): 钼是固氮酶 (nitrogenase) 和硝酸还原酶 (nitrate reductase) 等酶的辅助因子。固氮酶催化生物固氮作用 (biological nitrogen fixation)，将大气中的氮气 (N₂) 转化为氨 (NH₃)。硝酸还原酶参与硝酸盐的还原。钼在氮循环中起着关键作用。
⚝ 镍 (Ni): 镍是尿素酶 (urease)、氢化酶 (hydrogenase) 和一氧化碳脱氢酶 (carbon monoxide dehydrogenase) 等酶的辅助因子。尿素酶催化尿素 (urea) 的水解，氢化酶参与氢气 (H₂) 的氧化或产生，一氧化碳脱氢酶参与一氧化碳 (CO) 的代谢。镍在某些微生物的能量代谢和环境适应中发挥作用。
⚝ 铜 (Cu): 铜是细胞色素 c 氧化酶 (cytochrome c oxidase) 和超氧化物歧化酶等酶的辅助因子。细胞色素 c 氧化酶是呼吸链末端的酶复合体，参与有氧呼吸 (aerobic respiration)。超氧化物歧化酶参与抗氧化应激。铜在能量代谢和抗氧化防御中发挥作用。

微生物对常量元素和微量元素的需求量因种类而异，也受环境条件的影响。了解微生物的营养需求是进行微生物培养、研究微生物生理代谢以及控制微生物活动的基础。在实验室培养微生物时，需要配制含有适量常量元素和微量元素的培养基 (culture medium)，以满足微生物的生长需求。在工业生产和环境保护领域，也需要根据微生物的营养需求来优化工艺条件，提高生产效率或生物修复效果。

3.1.2 生长因子 (Growth Factors)

摘要

解释生长因子的概念，介绍常见的生长因子类型，如氨基酸 (amino acids)、维生素 (vitamins)、嘌呤和嘧啶 (purines and pyrimidines)，以及微生物对生长因子的需求差异。

除了常量元素和微量元素，某些微生物还需要额外的有机小分子才能生长，这些有机小分子被称为生长因子 (growth factors)。生长因子是微生物自身无法合成，必须从环境中获取的有机营养物质。根据微生物对生长因子的需求，可以将微生物分为以下几类：

⚝ 原养型 (prototrophs): 能够自身合成所有必需的有机分子的微生物，不需要从环境中获取生长因子。
⚝ ** auxotrophs):** 由于基因突变等原因，丧失了合成某些必需有机分子的能力，必须从环境中获取这些生长因子才能生长的微生物。

生长因子主要包括以下几类：

① 氨基酸 (Amino acids)

氨基酸是蛋白质的基本组成单位。大多数微生物能够合成自身所需的 20 种常见氨基酸。然而，有些微生物，特别是某些寄生性微生物 (parasitic microorganisms) 或营养缺陷型突变株 (auxotrophic mutants)，可能无法合成一种或多种必需氨基酸 (essential amino acids)，必须从环境中获取。例如，人类和动物的病原菌，如淋病奈瑟菌 (Neisseria gonorrhoeae) 和肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae)，通常需要多种氨基酸作为生长因子。在培养这些微生物时，需要在培养基中添加氨基酸混合物或特定的氨基酸。

② 维生素 (Vitamins)

维生素是一类低分子量的有机化合物，是许多酶的辅酶 (coenzymes) 或辅基 (prosthetic groups) 的组成部分，在微生物的代谢过程中起着至关重要的作用。大多数微生物能够合成自身所需的维生素，但也有一些微生物需要从环境中获取一种或多种维生素作为生长因子。常见的微生物生长因子维生素包括：

⚝ B 族维生素 (B vitamins): 如硫胺素 (thiamine, 维生素 B₁)、核黄素 (riboflavin, 维生素 B₂)、烟酸 (niacin, 维生素 B₃)、泛酸 (pantothenic acid, 维生素 B₅)、吡哆素 (pyridoxine, 维生素 B₆)、生物素 (biotin, 维生素 B₇)、叶酸 (folic acid, 维生素 B<0xE2><0x82><0x89>) 和钴胺素 (cobalamin, 维生素 B₁₂)。B 族维生素参与多种代谢途径，如碳水化合物代谢、氨基酸代谢和核酸代谢。
⚝ 维生素 K (vitamin K): 参与电子传递链和凝血功能（在某些细菌中）。

例如，酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae) 通常需要生物素和泛酸作为生长因子。乳酸菌 (Lactobacillus) 属的许多种需要多种 B 族维生素和氨基酸才能良好生长，这反映了它们在营养上的特殊需求。

③ 嘌呤和嘧啶 (Purines and Pyrimidines)

嘌呤 (purines) 和嘧啶 (pyrimidines) 是核酸 (DNA 和 RNA) 的碱基组成成分。大多数微生物能够从头合成嘌呤和嘧啶核苷酸 (nucleotides)。然而，某些微生物，特别是某些营养缺陷型突变株，可能需要从环境中获取嘌呤或嘧啶碱基、核苷 (nucleosides) 或核苷酸作为生长因子。例如，某些细菌的胸腺嘧啶核苷酸合成途径可能存在缺陷，需要外源胸腺嘧啶 (thymine) 或胸腺嘧啶核苷 (thymidine) 才能合成 DNA。

④ 其他生长因子

除了氨基酸、维生素、嘌呤和嘧啶外，一些微生物还需要其他类型的生长因子，例如：

⚝ 胆固醇 (cholesterol) 和其他类固醇 (steroids): 某些支原体 (Mycoplasma) 需要胆固醇或类固醇来维持细胞膜的稳定性和流动性。
⚝ 血红素 (heme): 某些细菌，如嗜血杆菌属 (Haemophilus)，需要血红素或卟啉 (porphyrins) 作为生长因子，用于合成细胞色素等呼吸链组分。

微生物对生长因子的需求差异很大，反映了不同微生物的代谢能力和生态适应性。了解微生物的生长因子需求对于实验室培养、工业发酵和医学诊断都具有重要意义。在培养营养需求特殊的微生物时，必须在培养基中添加相应的生长因子，才能保证微生物的正常生长和实验的成功。在工业发酵中，可以通过添加生长因子来提高微生物的生长速率和产物产量。在医学诊断中，某些细菌的生长因子需求可以作为鉴别诊断的依据。

3.1.3 营养类型 (Nutritional Types)

摘要

根据碳源 (carbon source) 和能源 (energy source) 对微生物进行分类，介绍自养型 (autotrophs) 和异养型 (heterotrophs)，以及光能自养型 (photoautotrophs)、化能自养型 (chemoautotrophs)、光能异养型 (photoheterotrophs)、化能异养型 (chemoheterotrophs) 等主要营养类型。

微生物的营养类型是根据其碳源 (carbon source) 和能源 (energy source) 的利用方式进行分类的。碳源是微生物构建细胞物质的碳骨架来源，能源是微生物进行生命活动所需的能量来源。根据碳源和能源的不同，可以将微生物分为不同的营养类型。

① 根据碳源分类

根据碳源的不同，微生物可以分为两大类：

⚝ 自养型 (autotrophs): 自养型微生物能够利用无机碳 (inorganic carbon)，如二氧化碳 (CO₂)，作为主要的碳源来构建细胞物质。它们通过二氧化碳固定 (CO₂ fixation) 作用将无机碳转化为有机碳。自养型微生物是生态系统中的初级生产者 (primary producers)，能够将无机物转化为有机物，为生态系统提供能量和有机物质。
⚝ 异养型 (heterotrophs): 异养型微生物必须利用有机碳 (organic carbon) 作为碳源来构建细胞物质。它们无法利用二氧化碳等无机碳，需要从环境中获取现成的有机物，如糖类、蛋白质、脂类等。异养型微生物是生态系统中的消费者 (consumers) 和分解者 (decomposers)，通过分解有机物获取能量和碳源。

② 根据能源分类

根据能源的不同，微生物可以分为两大类：

⚝ 光能型 (phototrophs): 光能型微生物利用光能 (light energy) 作为能源。它们含有光合色素 (photosynthetic pigments)，如叶绿素 (chlorophyll) 或细菌视紫红质 (bacteriorhodopsin)，能够捕获光能并将其转化为化学能 (chemical energy)，用于细胞的生命活动。
⚝ 化能型 (chemotrophs): 化能型微生物利用化学能 (chemical energy) 作为能源。它们通过氧化还原反应 (redox reactions) 获取化学能，将化学物质氧化或还原，释放出的能量用于细胞的生命活动。化能型微生物根据其氧化的底物类型，又可以分为化能无机营养型 (chemolithotrophs) 和化能有机营养型 (chemoorganotrophs)。

③ 主要营养类型

将碳源和能源的分类组合起来，可以将微生物分为四种主要的营养类型：

⚝ 光能自养型 (photoautotrophs): 这类微生物利用光能作为能源，二氧化碳作为碳源。它们进行光合作用 (photosynthesis)，将光能转化为化学能，并将二氧化碳固定为有机物。光能自养型微生物包括：
▮▮▮▮⚝ 蓝细菌 (cyanobacteria): 如念珠藻 (Nostoc)、颤藻 (Oscillatoria) 等，进行产氧光合作用 (oxygenic photosynthesis)，释放氧气 (O₂)。
▮▮▮▮⚝ 藻类 (algae): 如绿藻 (Chlamydomonas)、硅藻 (Diatoms) 等，也进行产氧光合作用。
▮▮▮▮⚝ 植物 (plants): 高等植物也属于光能自养型生物。
▮▮▮▮⚝ 绿硫细菌 (green sulfur bacteria) 和紫硫细菌 (purple sulfur bacteria): 进行不产氧光合作用 (anoxygenic photosynthesis)，利用硫化氢 (H₂S) 或硫 (S) 等作为电子供体，不释放氧气。

⚝ 化能自养型 (chemoautotrophs): 这类微生物利用化学能作为能源，二氧化碳作为碳源。它们通过氧化无机化合物 (inorganic compounds) 获取能量，并将二氧化碳固定为有机物。化能自养型微生物通常生活在黑暗环境中，如深海热泉 (deep-sea hydrothermal vents) 和土壤深层。化能自养型微生物包括：
▮▮▮▮⚝ 硝化细菌 (nitrifying bacteria): 如亚硝酸菌属 (Nitrosomonas) 和硝酸杆菌属 (Nitrobacter)，分别氧化氨 (NH₃) 为亚硝酸盐 (NO₂⁻) 和亚硝酸盐为硝酸盐 (NO₃⁻)。
▮▮▮▮⚝ 硫氧化细菌 (sulfur-oxidizing bacteria): 如硫杆菌属 (Thiobacillus)，氧化硫化氢 (H₂S)、硫 (S) 或硫代硫酸盐 (S₂O₃²⁻) 等硫化合物。
▮▮▮▮⚝ 铁氧化细菌 (iron-oxidizing bacteria): 如铁细菌属 (Ferrobacillus)，氧化亚铁离子 (Fe²⁺) 为三价铁离子 (Fe³⁺)。
▮▮▮▮⚝ 氢氧化细菌 (hydrogen-oxidizing bacteria): 如氢杆菌属 (Hydrogenobacter)，氧化氢气 (H₂)。
▮▮▮▮⚝ 产甲烷菌 (methanogens): 如甲烷杆菌属 (Methanobacterium)，利用二氧化碳和氢气产生甲烷 (CH₄)。

⚝ 光能异养型 (photoheterotrophs): 这类微生物利用光能作为能源，有机碳作为碳源。它们含有光合色素，能够捕获光能，但不能利用二氧化碳进行碳固定，需要从环境中获取有机物作为碳源。光能异养型微生物通常生活在水生环境中。光能异养型微生物包括：
▮▮▮▮⚝ 紫非硫细菌 (purple nonsulfur bacteria): 如红螺菌属 (Rhodospirillum)、红假单胞菌属 (Rhodopseudomonas) 等。
▮▮▮▮⚝ 绿非硫细菌 (green nonsulfur bacteria): 如绿菌属 (Chloroflexus)。
▮▮▮▮⚝ 产视黄醛细菌 (halobacteria): 如盐杆菌属 (Halobacterium)，利用细菌视紫红质进行光能转化。

⚝ 化能异养型 (chemoheterotrophs): 这类微生物利用化学能作为能源，有机碳作为碳源。它们通过氧化有机化合物 (organic compounds) 获取能量和碳源。化能异养型微生物是最常见和多样化的营养类型，包括绝大多数的细菌、真菌、原生生物和动物。化能异养型微生物根据其利用的有机物类型和呼吸方式，又可以进一步细分：
▮▮▮▮⚝ 腐生型 (saprophytes): 分解死亡的动植物遗体或有机废物的微生物，如许多细菌和真菌。
▮▮▮▮⚝ 寄生型 (parasites): 从活的宿主 (host) 获取营养的微生物，如病原菌 (pathogens)。
▮▮▮▮⚝ 需氧型 (aerobes): 利用氧气 (O₂) 作为最终电子受体的微生物，进行有氧呼吸。
▮▮▮▮⚝ 厌氧型 (anaerobes): 在无氧条件下生长的微生物，利用其他物质（如硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳等）作为最终电子受体进行厌氧呼吸 (anaerobic respiration)，或进行发酵 (fermentation)。
▮▮▮▮⚝ 兼性厌氧型 (facultative anaerobes): 既可以在有氧条件下进行有氧呼吸，也可以在无氧条件下进行厌氧呼吸或发酵的微生物。

了解微生物的营养类型对于理解其生态功能、代谢特性和应用价值至关重要。不同营养类型的微生物在自然界中扮演着不同的角色，共同维持着生态系统的物质循环和能量流动。在微生物学研究和应用中，需要根据微生物的营养类型来选择合适的培养条件和研究方法。

3.2 微生物的代谢途径 (Microbial Metabolic Pathways)

摘要

深入解析微生物的能量代谢和物质代谢途径，包括分解代谢 (catabolism) 和合成代谢 (anabolism)。

3.2.1 能量代谢：分解代谢 (Energy Metabolism: Catabolism)

摘要

详细介绍微生物分解代谢的主要途径，包括糖酵解 (glycolysis)、三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)、呼吸链 (electron transport chain) 和发酵 (fermentation)，以及不同代谢途径的能量产生效率和代谢产物。

分解代谢 (catabolism) 是指微生物分解复杂的有机分子 (如碳水化合物、脂类、蛋白质) 为简单的无机或有机分子的代谢过程，同时释放能量 (energy)。这些释放的能量以化学能的形式储存在 ATP 分子中，供细胞进行生命活动使用。分解代谢的主要途径包括糖酵解 (glycolysis)、三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)、呼吸链 (electron transport chain) 和发酵 (fermentation)。

① 糖酵解 (Glycolysis)

糖酵解，也称为 Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) 途径，是大多数生物（包括微生物）共有的分解葡萄糖 (glucose) 的代谢途径。糖酵解发生在细胞质 (cytoplasm) 中，不需要氧气 (O₂)，因此既可以在有氧条件下进行，也可以在厌氧条件下进行。糖酵解的主要过程可以分为两个阶段：

⚝ 能量投入阶段 (energy-investment phase): 在这个阶段，葡萄糖分子经过一系列酶促反应，消耗 2 分子 ATP，转化为果糖-1,6-二磷酸 (fructose-1,6-bisphosphate)。
⚝ 能量释放阶段 (energy-payoff phase): 果糖-1,6-二磷酸裂解为两分子三碳糖磷酸 (glyceraldehyde-3-phosphate, G3P)，每分子 G3P 经过一系列氧化还原反应和磷酸化反应，生成 2 分子 ATP、1 分子 NADH (还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) 和 1 分子丙酮酸 (pyruvate)。由于一分子葡萄糖产生两分子 G3P，因此能量释放阶段总共产生 4 分子 ATP、2 分子 NADH 和 2 分子丙酮酸。

糖酵解的能量产生效率和代谢产物：

⚝ 净 ATP 产量: 每分子葡萄糖经过糖酵解，净产生 2 分子 ATP (4 分子 ATP 产生 - 2 分子 ATP 消耗 = 2 分子 ATP)。
⚝ NADH 产量: 每分子葡萄糖经过糖酵解，产生 2 分子 NADH。
⚝ 代谢产物: 每分子葡萄糖经过糖酵解，产生 2 分子丙酮酸。

丙酮酸是糖酵解的最终产物，在有氧条件下，丙酮酸将进一步进入三羧酸循环和呼吸链进行彻底氧化；在厌氧条件下，丙酮酸则会作为发酵的底物，转化为各种发酵产物。

② 三羧酸循环 (Tricarboxylic Acid Cycle, TCA Cycle)

三羧酸循环，也称为 Krebs 循环或柠檬酸循环 (citric acid cycle)，是有氧呼吸 (aerobic respiration) 的核心代谢途径。三羧酸循环发生在真核细胞的线粒体基质 (mitochondrial matrix) 和原核细胞的细胞质中。三羧酸循环以糖酵解产生的丙酮酸为底物，将其彻底氧化为二氧化碳 (CO₂)，并释放大量能量。在进入三羧酸循环之前，丙酮酸首先要经过丙酮酸脱氢酶复合体 (pyruvate dehydrogenase complex, PDC) 的催化，脱羧并氧化生成乙酰辅酶 A (acetyl-CoA)，同时产生 1 分子 NADH 和 1 分子 CO₂。

乙酰辅酶 A 进入三羧酸循环后，与草酰乙酸 (oxaloacetate) 结合生成柠檬酸 (citrate)，柠檬酸经过一系列脱羧、脱氢和异构化反应，最终又生成草酰乙酸，循环重新开始。在三羧酸循环的每轮反应中，每分子乙酰辅酶 A 氧化生成：

⚝ 2 分子 CO₂
⚝ 3 分子 NADH
⚝ 1 分子 FADH₂ (还原型黄素腺嘌呤二核苷酸)
⚝ 1 分子 GTP (鸟苷三磷酸，可以转化为 ATP)

三羧酸循环的能量产生效率和代谢产物：

⚝ GTP 产量: 每分子乙酰辅酶 A 经过三羧酸循环，产生 1 分子 GTP (相当于 1 分子 ATP)。
⚝ NADH 产量: 每分子乙酰辅酶 A 经过三羧酸循环，产生 3 分子 NADH。加上丙酮酸脱氢酶复合体产生的 1 分子 NADH，每分子丙酮酸进入三羧酸循环共产生 4 分子 NADH。
⚝ FADH₂ 产量: 每分子乙酰辅酶 A 经过三羧酸循环，产生 1 分子 FADH₂。
⚝ 代谢产物: 每分子乙酰辅酶 A 经过三羧酸循环，彻底氧化为 2 分子 CO₂。

三羧酸循环本身产生的 ATP 能量较少，但它产生的大量还原型辅酶 NADH 和 FADH₂ 是呼吸链进行氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 产生大量 ATP 的重要底物。

③ 呼吸链 (Electron Transport Chain, ETC)

呼吸链，也称为电子传递链，是有氧呼吸和厌氧呼吸的关键组成部分。呼吸链位于真核细胞的线粒体内膜 (mitochondrial inner membrane) 和原核细胞的细胞膜上。呼吸链由一系列电子载体 (electron carriers) 组成，包括 NADH 脱氢酶复合体 (complex I)、琥珀酸脱氢酶复合体 (complex II)、泛醌 (ubiquinone, Q)、细胞色素 bc₁ 复合体 (complex III)、细胞色素 c (cytochrome c) 和细胞色素 c 氧化酶复合体 (complex IV)。

呼吸链的功能是将 NADH 和 FADH₂ 中携带的高能电子 (high-energy electrons) 逐步传递给最终电子受体 (final electron acceptor)，同时将质子 (H⁺) 从膜基质 (matrix) 泵出到膜间隙 (intermembrane space)，形成质子梯度 (proton gradient) 或跨膜质子动力势 (proton motive force, PMF)。质子顺浓度梯度流回膜基质时，驱动 ATP 合酶 (ATP synthase) 合成 ATP，这个过程称为氧化磷酸化。

⚝ 有氧呼吸的呼吸链: 在有氧呼吸中，最终电子受体是氧气 (O₂)，氧气接受电子后与质子结合生成水 (H₂O)。有氧呼吸的呼吸链效率最高，每分子 NADH 可以产生约 2.5 分子 ATP，每分子 FADH₂ 可以产生约 1.5 分子 ATP。
⚝ 厌氧呼吸的呼吸链: 在厌氧呼吸中，最终电子受体不是氧气，而是其他无机物，如硝酸盐 (NO₃⁻)、硫酸盐 (SO₄²⁻)、二氧化碳 (CO₂) 等。不同的最终电子受体对应的呼吸链效率不同，通常厌氧呼吸的 ATP 产量低于有氧呼吸。例如，以硝酸盐为最终电子受体的反硝化作用 (denitrification) 呼吸链，ATP 产量接近有氧呼吸；而以硫酸盐为最终电子受体的硫酸盐还原作用 (sulfate reduction) 呼吸链，ATP 产量则较低。

呼吸链的能量产生效率和代谢产物：

⚝ ATP 产量: 每分子 NADH 经过呼吸链和氧化磷酸化，产生约 2.5 分子 ATP (理论值，实际值可能略有差异)。每分子 FADH₂ 经过呼吸链和氧化磷酸化，产生约 1.5 分子 ATP (理论值，实际值可能略有差异)。
⚝ 代谢产物: 有氧呼吸的最终代谢产物是水 (H₂O) 和二氧化碳 (CO₂)。厌氧呼吸的最终代谢产物取决于最终电子受体的种类，如反硝化作用产生氮气 (N₂)，硫酸盐还原作用产生硫化氢 (H₂S)，产甲烷作用产生甲烷 (CH₄)。

有氧呼吸的总能量产量：

将糖酵解、三羧酸循环和有氧呼吸链的 ATP 产量加总，每分子葡萄糖经过有氧呼吸可以产生的 ATP 总量约为：

⚝ 糖酵解: 2 ATP + 2 NADH (约 5 ATP) = 7 ATP
⚝ 丙酮酸脱氢酶复合体: 2 NADH (约 5 ATP) = 5 ATP
⚝ 三羧酸循环: 2 GTP (2 ATP) + 6 NADH (约 15 ATP) + 2 FADH₂ (约 3 ATP) = 20 ATP
⚝ 总计: 7 + 5 + 20 = 32 ATP (理论值，实际值可能略有差异，通常认为在 30-38 ATP 之间)

④ 发酵 (Fermentation)

发酵是在厌氧条件下，微生物利用有机物作为电子供体和最终电子受体，进行不完全氧化分解，产生能量的代谢过程。发酵不需要呼吸链，ATP 产量较低，主要通过底物水平磷酸化 (substrate-level phosphorylation) 产生 ATP。发酵的主要目的是再生 NAD⁺，以维持糖酵解的持续进行。根据发酵产物的不同，可以将发酵分为多种类型，常见的发酵类型包括：

⚝ 乳酸发酵 (lactic acid fermentation): 丙酮酸作为电子受体，被还原为乳酸 (lactic acid)。乳酸发酵主要由乳酸菌 (Lactobacillus, Streptococcus) 等细菌进行，用于生产酸奶、泡菜等发酵食品。
⚝ 酒精发酵 (ethanol fermentation): 丙酮酸首先脱羧生成乙醛 (acetaldehyde)，乙醛再作为电子受体，被还原为乙醇 (ethanol)。酒精发酵主要由酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae) 进行，用于生产酒精饮料、面包等。
⚝ 混合酸发酵 (mixed acid fermentation): 丙酮酸经过多种途径代谢，产生多种发酵产物，如乳酸、乙酸 (acetic acid)、琥珀酸 (succinic acid)、甲酸 (formic acid)、乙醇、二氧化碳和氢气等。混合酸发酵主要由肠杆菌科 (Enterobacteriaceae) 细菌进行，如大肠杆菌 (Escherichia coli)、沙门菌 (Salmonella) 等。
⚝ 丁酸发酵 (butyric acid fermentation): 丙酮酸经过一系列反应，产生丁酸 (butyric acid)、二氧化碳和氢气等。丁酸发酵主要由梭菌属 (Clostridium) 细菌进行。
⚝ 丙酮-丁醇-乙醇发酵 (acetone-butanol-ethanol fermentation): 丙酮酸经过复杂途径，产生丙酮 (acetone)、丁醇 (butanol)、乙醇、二氧化碳和氢气等。丙酮-丁醇-乙醇发酵也主要由梭菌属细菌进行，具有重要的工业应用价值。

发酵的能量产生效率和代谢产物：

⚝ ATP 产量: 发酵的 ATP 产量较低，通常每分子葡萄糖只能产生 2 分子 ATP (与糖酵解的净 ATP 产量相同)。
⚝ 代谢产物: 发酵的代谢产物种类繁多，取决于发酵类型和微生物种类，主要包括乳酸、乙醇、乙酸、丁酸、丙酮、丁醇、二氧化碳、氢气等。

分解代谢途径的比较：

代谢途径	最终电子受体	ATP 产量 (每分子葡萄糖)	主要代谢产物
有氧呼吸	氧气 (O₂)	约 32 ATP	二氧化碳 (CO₂), 水 (H₂O)
厌氧呼吸	无机物 (非 O₂)	2 - 约 30 ATP	二氧化碳 (CO₂), 还原产物 (如 N₂, H₂S, CH₄)
发酵	有机物	2 ATP	多种有机酸、醇、醛、酮、气体等

微生物的分解代谢途径多样，可以根据环境条件和自身代谢能力选择合适的途径。有氧呼吸效率最高，但需要氧气；厌氧呼吸效率次之，可以在无氧条件下进行，但需要特定的最终电子受体；发酵效率最低，但可以在完全厌氧条件下进行，且代谢产物多样，具有重要的工业和生态意义。

3.2.2 物质代谢：合成代谢 (Biosynthesis: Anabolism)

摘要

讲解微生物合成代谢的主要途径，包括糖类合成 (carbohydrate biosynthesis)、脂类合成 (lipid biosynthesis)、氨基酸合成 (amino acid biosynthesis)、核苷酸合成 (nucleotide biosynthesis) 等，以及合成代谢与分解代谢的联系。

合成代谢 (anabolism)，也称为同化作用 (assimilation)，是指微生物利用分解代谢产生的能量和中间代谢物，合成细胞自身所需的各种生物大分子 (如碳水化合物、脂类、蛋白质、核酸) 和小分子 (如氨基酸、核苷酸、脂肪酸) 的代谢过程。合成代谢是构建细胞结构、维持细胞功能和实现细胞生长的基础。合成代谢需要消耗能量 (通常以 ATP 的形式) 和还原力 (通常以 NADPH 的形式)。主要的合成代谢途径包括糖类合成 (carbohydrate biosynthesis)、脂类合成 (lipid biosynthesis)、氨基酸合成 (amino acid biosynthesis) 和核苷酸合成 (nucleotide biosynthesis)。

① 糖类合成 (Carbohydrate Biosynthesis)

微生物合成糖类 (carbohydrates) 的主要途径包括：

⚝ 糖异生 (Gluconeogenesis): 糖异生是指从非糖前体 (如丙酮酸、乳酸、氨基酸、甘油等) 合成葡萄糖或其他糖类的代谢途径。糖异生途径与糖酵解途径在某些步骤上是逆向的，但也有几个关键步骤不同，以保证代谢途径的单向性和调控的独立性。糖异生主要发生在肝脏和肾脏等器官中，在微生物中也广泛存在，特别是在以非糖碳源为生的微生物中，糖异生是合成葡萄糖等重要糖类的主要途径。
⚝ 多糖合成 (Polysaccharide Biosynthesis): 微生物可以合成多种多糖，如纤维素 (cellulose)、淀粉 (starch)、糖原 (glycogen)、肽聚糖 (peptidoglycan)、荚膜多糖 (capsular polysaccharides) 等。多糖合成通常以活化的单糖 (如 UDP-葡萄糖, ADP-葡萄糖) 为底物，通过糖基转移酶 (glycosyltransferases) 的催化，将单糖单元连接起来形成多糖链。不同类型的多糖有不同的合成途径和功能，如纤维素是植物细胞壁的主要成分，肽聚糖是细菌细胞壁的特有成分，荚膜多糖是某些细菌的保护层和致病因子。

② 脂类合成 (Lipid Biosynthesis)

微生物合成脂类 (lipids) 的主要途径包括：

⚝ 脂肪酸合成 (Fatty Acid Biosynthesis): 脂肪酸 (fatty acids) 是脂类的基本组成单位。脂肪酸合成以乙酰辅酶 A 为起始底物，通过脂肪酸合酶复合体 (fatty acid synthase complex, FAS) 的催化，逐步延长碳链，形成饱和或不饱和脂肪酸。脂肪酸合成需要消耗 ATP 和 NADPH。
⚝ 磷脂合成 (Phospholipid Biosynthesis): 磷脂 (phospholipids) 是细胞膜的主要成分。磷脂合成以脂肪酸、甘油-3-磷酸 (glycerol-3-phosphate) 和极性头基 (如胆碱 choline, 乙醇胺 ethanolamine, 丝氨酸 serine) 为底物，通过一系列酶促反应，将脂肪酸酯化到甘油-3-磷酸的 sn-1 和 sn-2 位，再连接极性头基到 sn-3 位，形成磷脂分子。
⚝ 类异戊二烯合成 (Isoprenoid Biosynthesis): 类异戊二烯 (isoprenoids) 包括类胡萝卜素 (carotenoids)、醌类 (quinones)、固醇类 (sterols) 等多种重要的脂类化合物。类异戊二烯合成以异戊烯基焦磷酸 (isopentenyl pyrophosphate, IPP) 和二甲基烯丙基焦磷酸 (dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP) 为基本 building blocks，通过异戊二烯焦磷酸异构酶 (isopentenyl pyrophosphate isomerase) 和异戊二烯基转移酶 (prenyltransferases) 等酶的催化，聚合形成不同长度和结构的类异戊二烯分子。

③ 氨基酸合成 (Amino Acid Biosynthesis)

微生物能够合成 20 种常见的氨基酸。氨基酸合成途径复杂多样，通常以糖酵解和三羧酸循环的中间代谢物为前体，经过多步酶促反应合成。氨基酸合成途径可以分为几个主要的家族，每个家族的氨基酸都来源于共同的前体代谢物。例如：

⚝ 谷氨酸家族 (glutamate family): 由 α-酮戊二酸 (α-ketoglutarate) 合成谷氨酸 (glutamate)、谷氨酰胺 (glutamine)、脯氨酸 (proline) 和精氨酸 (arginine)。
⚝ 天冬氨酸家族 (aspartate family): 由草酰乙酸 (oxaloacetate) 合成天冬氨酸 (aspartate)、天冬酰胺 (asparagine)、赖氨酸 (lysine)、苏氨酸 (threonine)、异亮氨酸 (isoleucine) 和蛋氨酸 (methionine)。
⚝ 丙酮酸家族 (pyruvate family): 由磷酸烯醇式丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP) 合成丙氨酸 (alanine)、缬氨酸 (valine) 和亮氨酸 (leucine)。
⚝ 丝氨酸家族 (serine family): 由 3-磷酸甘油酸 (3-phosphoglycerate) 合成丝氨酸 (serine)、甘氨酸 (glycine) 和半胱氨酸 (cysteine)。
⚝ 芳香族氨基酸家族 (aromatic amino acid family): 由磷酸烯醇式丙酮酸和赤藓糖-4-磷酸 (erythrose-4-phosphate) 合成苯丙氨酸 (phenylalanine)、酪氨酸 (tyrosine) 和色氨酸 (tryptophan)。
⚝ 组氨酸 (histidine): 由 ATP 和磷酸核糖焦磷酸 (phosphoribosyl pyrophosphate, PRPP) 合成。

必需氨基酸 (essential amino acids) 是指动物和人类自身无法合成，必须从食物中获取的氨基酸。但对于大多数微生物来说，它们能够合成所有 20 种氨基酸，因此没有必需氨基酸的概念。然而，某些营养缺陷型微生物可能丧失了合成某些氨基酸的能力，需要从环境中获取这些氨基酸作为生长因子。

④ 核苷酸合成 (Nucleotide Biosynthesis)

核苷酸 (nucleotides) 是核酸 (DNA 和 RNA) 的基本组成单位。核苷酸合成包括嘌呤核苷酸 (purine nucleotides) 合成和嘧啶核苷酸 (pyrimidine nucleotides) 合成。

⚝ 嘌呤核苷酸合成 (Purine Nucleotide Biosynthesis): 嘌呤核苷酸合成是一个复杂的从头合成 (de novo synthesis) 途径，以磷酸核糖焦磷酸 (PRPP) 为起始底物，经过多步酶促反应，逐步构建嘌呤环，最终合成次黄嘌呤核苷酸 (inosine monophosphate, IMP)，IMP 是合成腺嘌呤核苷酸 (adenine nucleotides, AMP, ADP, ATP) 和鸟嘌呤核苷酸 (guanine nucleotides, GMP, GDP, GTP) 的共同前体。嘌呤核苷酸合成需要消耗 ATP、氨基酸、甲酸、二氧化碳等多种前体物质，并需要四氢叶酸 (tetrahydrofolate, THF) 作为一碳单位载体。
⚝ 嘧啶核苷酸合成 (Pyrimidine Nucleotide Biosynthesis): 嘧啶核苷酸合成也包括从头合成和补救合成 (salvage pathway) 两种途径。从头合成途径以天冬氨酸、二氧化碳和谷氨酰胺为前体，逐步合成尿嘧啶核苷酸 (uridine monophosphate, UMP)，UMP 是合成胞嘧啶核苷酸 (cytidine nucleotides, CMP, CDP, CTP) 和胸腺嘧啶核苷酸 (thymidine nucleotides, dTMP, dTDP, dTTP) 的前体。补救合成途径则利用游离的嘧啶碱基或核苷，通过磷酸化或糖基化反应，重新合成嘧啶核苷酸。

合成代谢与分解代谢的联系

合成代谢和分解代谢是细胞代谢的两个重要组成部分，它们相互联系、相互依存，共同维持细胞的生命活动。

⚝ 分解代谢为合成代谢提供能量: 分解代谢释放的能量 (ATP) 是合成代谢的直接能量来源。合成代谢中的许多反应都是吸能反应 (endergonic reactions)，需要 ATP 提供能量驱动。
⚝ 分解代谢为合成代谢提供前体物质: 分解代谢产生的中间代谢物 (如丙酮酸、乙酰辅酶 A、α-酮戊二酸、草酰乙酸等) 是合成代谢的起始底物和 building blocks。合成代谢利用这些前体物质，合成各种生物大分子和小分子。
⚝ 合成代谢和分解代谢的调控相互协调: 细胞根据自身的生理状态和环境条件，精确调控合成代谢和分解代谢的速率，以维持代谢平衡和能量稳态 (energy homeostasis)。例如，当细胞能量充足时，分解代谢速率降低，合成代谢速率升高；当细胞能量不足时，分解代谢速率升高，合成代谢速率降低。

合成代谢和分解代谢共同构成了微生物复杂而精密的代谢网络，保证了微生物的生长、繁殖和适应环境的能力。深入理解微生物的合成代谢途径，对于开发新的生物技术产品 (如生物材料、生物能源、生物医药) 和改造微生物的代谢能力具有重要的理论和应用价值。

3.2.3 代谢调控 (Metabolic Regulation)

摘要

介绍微生物代谢途径的调控机制，包括酶活性调控 (enzyme activity regulation) 和基因表达调控 (gene expression regulation)，以及代谢调控对微生物适应环境变化的重要性。

代谢调控 (metabolic regulation) 是指细胞通过各种机制，精确控制代谢途径的活性和流量，以适应环境变化和满足自身生理需求的动态调节过程。代谢调控对于维持细胞的代谢平衡、能量稳态和生长繁殖至关重要。微生物的代谢调控主要通过以下两种机制实现：酶活性调控 (enzyme activity regulation) 和基因表达调控 (gene expression regulation)。

① 酶活性调控 (Enzyme Activity Regulation)

酶活性调控是指通过改变酶分子的活性，快速调节代谢途径的流量。酶活性调控主要包括以下几种方式：

⚝ 变构调控 (Allosteric Regulation): 变构调控是指代谢途径的产物或其他代谢物作为变构调节剂 (allosteric regulators)，结合到酶分子的变构位点 (allosteric site)，引起酶分子构象 (conformation) 变化，从而改变酶的催化活性。变构调控可以是激活 (activation) 也可以是抑制 (inhibition)。
▮▮▮▮⚝ 反馈抑制 (Feedback Inhibition): 反馈抑制是一种常见的变构调控方式。代谢途径的最终产物作为变构抑制剂，抑制途径中早期步骤的酶活性，从而减少产物的合成，维持代谢平衡。例如，异亮氨酸 (isoleucine) 的合成途径中，异亮氨酸本身可以作为变构抑制剂，抑制苏氨酸脱氨酶 (threonine deaminase) 的活性，从而抑制异亮氨酸的合成。
▮▮▮▮⚝ 前馈激活 (Feedforward Activation): 前馈激活是指代谢途径的早期代谢物作为变构激活剂，激活途径中后期步骤的酶活性，从而促进产物的合成。前馈激活相对较少见，但也有一些例子，如糖酵解途径中，果糖-1,6-二磷酸可以作为变构激活剂，激活丙酮酸激酶 (pyruvate kinase) 的活性，促进糖酵解的进行。
⚝ 共价修饰调控 (Covalent Modification Regulation): 共价修饰调控是指通过共价键连接或去除酶分子上的特定化学基团 (如磷酸基 phosphate, 腺苷酰基 adenylyl, 甲基 methyl, 尿苷酰基 uridylyl 等)，改变酶的活性。常见的共价修饰包括磷酸化 (phosphorylation)、腺苷酰化 (adenylylation)、甲基化 (methylation) 和尿苷酰化 (uridylation) 等。共价修饰通常由特定的修饰酶 (modifying enzymes) 和去修饰酶 (demodifying enzymes) 催化，修饰和去修饰的平衡决定了酶的活性状态。例如，谷氨酰胺合成酶 (glutamine synthetase, GS) 的活性可以通过腺苷酰化和去腺苷酰化进行调控。腺苷酰化修饰使 GS 活性降低，去腺苷酰化修饰使 GS 活性升高。
⚝ 酶蛋白的聚集与解聚调控 (Regulation by Enzyme Aggregation and Disaggregation): 某些酶的活性受其聚集状态的影响。酶蛋白的聚集形成多酶复合体 (multienzyme complex) 或酶簇 (enzyme cluster) 可以提高代谢途径的效率和调控的协同性。酶蛋白的解聚则可能导致酶活性降低。例如，脂肪酸合酶复合体就是一个多酶复合体，其组装和解聚受到代谢物和调控蛋白的调控。
⚝ 酶的定位调控 (Regulation by Enzyme Localization): 酶在细胞内的定位 (localization) 可以影响其活性和代谢途径的流量。将酶定位到特定的细胞区室 (compartment) 或膜结构上，可以提高酶与底物的亲和力，防止酶与非底物的相互作用，并实现代谢途径的区室化 (compartmentalization) 调控。例如，真核细胞的糖酵解酶主要位于细胞质中，而三羧酸循环酶和呼吸链酶则位于线粒体中，这种区室化调控有助于提高有氧呼吸的效率。

② 基因表达调控 (Gene Expression Regulation)

基因表达调控是指通过控制编码酶的基因的转录 (transcription) 和翻译 (translation) 水平，调节细胞内酶的合成量，从而长期地、适应性地调节代谢途径的流量。基因表达调控主要包括以下几种机制：

⚝ 操纵子模型 (Operon Model): 操纵子模型是原核生物基因表达调控的经典模型。操纵子 (operon) 是指在细菌染色体上，将结构基因 (structural genes, 编码代谢酶的基因) 和调控序列 (regulatory sequences, 如启动子 promoter, 操纵序列 operator) 组织在一起的基因表达单元。操纵子通常由一个启动子控制多个结构基因的转录，形成多顺反子 mRNA (polycistronic mRNA)。操纵子的转录受到阻遏蛋白 (repressor protein) 和激活蛋白 (activator protein) 的调控。
▮▮▮▮⚝ 阻遏调控 (Negative Control): 阻遏调控是指阻遏蛋白结合到操纵序列上，阻止 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 与启动子结合，从而抑制基因转录。诱导物 (inducer) 或阻遏物 (corepressor) 可以与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白与操纵序列的亲和力，从而调控基因转录。例如，乳糖操纵子 (lac operon) 和色氨酸操纵子 (trp operon) 就是典型的阻遏调控操纵子。
▮▮▮▮⚝ 激活调控 (Positive Control): 激活调控是指激活蛋白结合到启动子附近的激活序列上，促进 RNA 聚合酶与启动子结合，从而激活基因转录。激活蛋白的活性通常受到激活物 (activator) 的调控。例如，分解代谢物激活蛋白 (catabolite activator protein, CAP) 调控许多分解代谢操纵子的表达。
⚝ 转录因子调控 (Transcription Factor Regulation): 转录因子 (transcription factors, TFs) 是一类能够结合到 DNA 特定序列 (如启动子、增强子 enhancer) 上，调控基因转录的蛋白质。转录因子可以激活或抑制基因转录，根据其功能可以分为激活转录因子 (activator TFs) 和阻遏转录因子 (repressor TFs)。真核生物的基因表达调控主要依赖于转录因子。转录因子的活性和表达受到多种信号的调控，如激素 (hormones)、生长因子 (growth factors)、代谢物 (metabolites) 和环境应激 (environmental stress) 等。
⚝ RNA 水平的调控 (Regulation at RNA Level): 基因表达调控也可以发生在 RNA 水平，包括 RNA 加工 (RNA processing, 如剪接 splicing, 加帽 capping, 加尾 polyadenylation)、RNA 稳定性 (RNA stability) 和 RNA 翻译 (RNA translation) 等环节。例如，核糖体开关 (riboswitches) 是一种位于 mRNA 5' 非翻译区 (5' untranslated region, 5' UTR) 的 RNA 结构，可以结合特定的代谢物，改变 mRNA 的二级结构，从而调控基因的翻译或转录。小 RNA (small RNA, sRNA) 是一类非编码 RNA (non-coding RNA)，可以通过与 mRNA 结合，调控 mRNA 的稳定性或翻译。
⚝ 表观遗传调控 (Epigenetic Regulation): 表观遗传调控是指不改变 DNA 序列，但可以遗传的基因表达调控方式，主要包括 DNA 甲基化 (DNA methylation) 和组蛋白修饰 (histone modification)。DNA 甲基化是指在 DNA 碱基上添加甲基 (methyl group)，通常发生在胞嘧啶 (cytosine) 的 5 位碳原子上 (5-甲基胞嘧啶 5-methylcytosine, 5mC)。DNA 甲基化通常与基因沉默 (gene silencing) 相关。组蛋白修饰是指在组蛋白 (histones) 的氨基酸残基上添加或去除化学基团 (如乙酰基 acetyl, 甲基 methyl, 磷酸基 phosphate, 泛素 ubiquitin 等)。组蛋白修饰可以改变染色质 (chromatin) 的结构，影响基因的转录活性。

代谢调控对微生物适应环境变化的重要性

代谢调控是微生物适应环境变化的关键机制。微生物生活在复杂多变的环境中，需要根据环境条件的变化，快速而灵活地调节自身的代谢途径，以获取所需的营养物质、能量和适应环境胁迫。

⚝ 营养适应 (Nutritional Adaptation): 当环境中的营养物质种类和浓度发生变化时，微生物需要通过代谢调控，调整相应的代谢途径，以高效利用可利用的营养物质。例如，当葡萄糖充足时，大肠杆菌优先利用葡萄糖进行有氧呼吸，抑制其他碳源 (如乳糖、阿拉伯糖) 的利用，这种现象称为葡萄糖效应 (glucose effect) 或分解代谢阻遏 (catabolite repression)。当葡萄糖耗尽时，大肠杆菌解除分解代谢阻遏，开始利用其他碳源。
⚝ 环境胁迫适应 (Stress Adaptation): 当微生物受到环境胁迫 (如温度升高、pH 值变化、渗透压升高、氧化应激等) 时，需要通过代谢调控，启动应激反应 (stress response) 途径，合成应激蛋白 (stress proteins)，保护细胞免受损伤，提高环境耐受性。例如，热休克蛋白 (heat shock proteins, HSPs) 是一类在高温胁迫下大量合成的应激蛋白，可以帮助维持蛋白质的正确折叠，防止蛋白质聚集，提高细胞的热耐受性。
⚝ 代谢网络优化 (Metabolic Network Optimization): 微生物通过代谢调控，优化整个代谢网络的运行效率，提高能量利用率和物质转化率。例如，在有氧条件下，微生物优先进行有氧呼吸，以最大程度地获取能量；在厌氧条件下，微生物则进行厌氧呼吸或发酵，以适应缺氧环境。在营养充足时，微生物主要进行生长代谢 (growth metabolism)，合成细胞物质；在营养匮乏时，微生物则可能进入休眠状态 (dormancy) 或启动次级代谢 (secondary metabolism)，合成次级代谢产物 (secondary metabolites)。

代谢调控是微生物生命活动的核心组成部分，对于微生物的生存、进化和生态功能都具有重要意义。深入研究微生物的代谢调控机制，有助于理解微生物的生理特性、生态适应性和致病机理，并为开发新的微生物调控技术和应用策略提供理论基础。

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4. 微生物的生长与控制 (Microbial Growth and Control)

4.1 微生物的生长 (Microbial Growth)

本节将深入探讨微生物生长的基本概念，包括微生物生长的定义、主要的繁殖方式，以及微生物群体生长的规律和生长曲线。理解微生物的生长特性是微生物学研究的基础，也是控制微生物生长的前提。

4.1.1 微生物生长的定义与繁殖方式 (Definition and Reproduction of Microbial Growth)

微生物的生长 (microbial growth) 在微生物学中通常指的是微生物群体数量的增加，而不是单个微生物细胞体积或大小的增加。对于单细胞微生物，如细菌 (bacteria)、真菌 (fungi) 和原生生物 (protists)，生长通常意味着细胞数量的增加。对于多细胞微生物，如霉菌 (molds)，生长可能包括菌丝 (hyphae) 的延伸和分枝，以及孢子 (spores) 的产生。

微生物的繁殖方式多种多样，但对于细菌等原核微生物 (prokaryotic microorganisms) 而言，二分裂 (binary fission) 是最主要的繁殖方式。

① 二分裂 (Binary Fission)：
▮▮▮▮二分裂是细菌和许多古菌 (archaea) 最常见的无性繁殖方式。其过程大致如下：
▮▮▮▮ⓐ 细胞伸长与DNA复制 (Cell Elongation and DNA Replication)：在适宜的环境条件下，细菌细胞体积增大，细胞壁和细胞膜向外延伸。与此同时，细菌的环状DNA分子开始复制，通常从一个起始位点开始，沿双向复制，最终形成两个完全相同的DNA分子。
▮▮▮▮ⓑ 分隔形成 (Septum Formation)：细胞中央区域的细胞膜和细胞壁内陷，形成横隔膜 (septum)。分隔膜逐渐向细胞中心延伸，将细胞分隔成两个部分。
▮▮▮▮ⓒ 细胞分裂 (Cell Division)：横隔膜完全形成后，细胞从中间分裂成两个子细胞 (daughter cells)。每个子细胞都包含一个完整的DNA分子和细胞组分，与母细胞 (parent cell) 遗传信息相同。
▮▮▮▮二分裂是一个快速且高效的繁殖过程，使得细菌能够在短时间内迅速增加数量。在理想条件下，某些细菌的繁殖周期 (generation time) 可以短至20分钟甚至更短。

② 其他微生物的繁殖方式：
▮▮▮▮除了二分裂，不同类型的微生物还具有其他繁殖方式：
▮▮▮▮ⓐ 出芽生殖 (Budding)：某些酵母菌 (yeasts) 和细菌通过出芽生殖进行繁殖。在母细胞表面形成一个小的突起（芽），芽逐渐长大，细胞核分裂进入芽中，最终芽从母细胞脱落，形成新的子细胞。
▮▮▮▮ⓑ 孢子生殖 (Sporulation)：真菌和某些细菌（如芽孢杆菌属 Bacillus 和梭菌属 Clostridium）可以形成孢子进行繁殖。孢子是具有休眠特性的繁殖细胞，能够抵抗不良环境条件，并在适宜条件下萌发形成新的个体。真菌的孢子类型多样，包括无性孢子 (asexual spores) 和有性孢子 (sexual spores)。细菌的孢子主要是内孢子 (endospores)，用于抵抗恶劣环境而非繁殖，但在环境适宜时可以萌发为营养细胞。
▮▮▮▮ⓒ 断裂生殖 (Fragmentation)：某些丝状细菌和真菌的菌丝可以断裂成片段，每个片段在适宜条件下可以发育成新的个体。
▮▮▮▮ⓓ 多分裂 (Multiple Fission)：某些原生生物，如疟原虫 Plasmodium，可以进行多分裂。细胞核多次分裂后，细胞质也分裂成多个部分，每个部分包含一个细胞核，最终形成多个子细胞。

理解微生物的繁殖方式对于研究其生长规律、遗传变异以及控制其生长具有重要意义。二分裂作为细菌最主要的繁殖方式，是研究细菌群体生长的基础。

4.1.2 微生物的群体生长与生长曲线 (Population Growth and Growth Curve)

在自然环境或实验室培养条件下，微生物通常以群体 (population) 的形式存在和生长。研究微生物的群体生长规律，有助于我们理解微生物在不同环境中的动态变化，以及如何有效地控制微生物的生长。

① 微生物的群体生长规律：
▮▮▮▮当将少量微生物接种到新鲜的培养基 (culture medium) 中时，微生物的群体生长通常会经历一个典型的生长周期，可以用生长曲线 (growth curve) 来描述。在封闭培养系统 (batch culture) 中，生长曲线通常分为四个明显的时期：迟缓期 (lag phase)、对数期 (log phase)、稳定期 (stationary phase) 和 衰亡期 (death phase)。

② 生长曲线 (Growth Curve)：
▮▮▮▮生长曲线是以时间为横坐标，以微生物数量的对数 (logarithmic scale) 或活菌计数 (viable cell count) 为纵坐标绘制的曲线，反映了微生物群体在一定条件下的生长动态。

▮▮▮▮ⓐ 迟缓期 (Lag Phase)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 当微生物被转移到新的培养环境时，并不立即开始快速繁殖，而是经历一个适应新环境的时期，称为迟缓期。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 在迟缓期，微生物细胞代谢活跃，合成细胞生长所需的酶和中间代谢物，为后续的快速生长做准备。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 迟缓期的长短受多种因素影响，如接种量的大小、微生物的生理状态、培养基的成分以及环境条件等。如果接种的微生物处于衰亡期或环境条件剧烈变化，迟缓期可能会延长。

▮▮▮▮ⓑ 对数期 (Log Phase)，也称指数期 (Exponential Phase)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 经过迟缓期的适应后，微生物进入快速生长繁殖的时期，细胞以恒定的速率进行分裂，群体数量呈指数级增长。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 在对数期，微生物的代谢活动最为旺盛，细胞的生理状态也最为一致，因此对数期是研究微生物生理生化特性和遗传特性的最佳时期。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 在对数期，微生物的世代时间 (generation time, g) 达到最短且恒定。世代时间是指微生物群体数量增加一倍所需的时间。可以用以下公式计算世代时间： $g = \frac{t}{n} = \frac{t}{\log_{2} N - \log_{2} N_{0}} = \frac{t}{3.322 (\log_{10} N - \log_{10} N_{0})}$ 其中， $t$ 为对数生长时间， $N_{0}$ 为对数期开始时的细胞数量， $N$ 为对数期结束时的细胞数量， $n$ 为世代数。

▮▮▮▮ⓒ 稳定期 (Stationary Phase)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 随着营养物质的消耗和代谢废物的积累，微生物的生长速率逐渐减缓，最终进入稳定期。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 在稳定期，微生物的生长速率与死亡速率大致相等，活菌数量达到最大值并维持相对稳定。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 稳定期细胞的生理状态发生变化，如细胞体积缩小、芽孢形成、代谢产物积累等。一些次级代谢产物 (secondary metabolites)，如抗生素，通常在稳定期产生。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 稳定期的持续时间因微生物种类和培养条件而异。

▮▮▮▮ⓓ 衰亡期 (Death Phase)，也称下降期 (Decline Phase)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 随着培养时间的延长，营养物质进一步耗尽，有害代谢产物浓度持续升高，环境条件变得极端恶劣，导致微生物细胞开始死亡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 在衰亡期，微生物的死亡速率超过生长速率，活菌数量逐渐减少。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 衰亡期细胞的形态和生理状态发生显著变化，如细胞裂解 (cell lysis)、形态畸变、代谢活性降低等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 衰亡期的死亡速率可以是指数级的，也可以是逐渐减缓的。有些微生物在衰亡期会形成持久存活的休眠细胞，如芽孢或持续存活细胞 (persister cells)。

③ 影响生长曲线的因素：
▮▮▮▮生长曲线的形状和各个时期的持续时间受多种因素影响，包括：
▮▮▮▮ⓐ 微生物种类：不同种类的微生物具有不同的生长特性和世代时间。
▮▮▮▮ⓑ 培养基成分：培养基的营养成分种类和浓度直接影响微生物的生长速率和最大生长量。
▮▮▮▮ⓒ 环境条件：温度、pH值、氧气浓度、渗透压等环境因素都会显著影响微生物的生长。
▮▮▮▮ⓓ 培养方式：封闭培养系统和连续培养系统 (continuous culture) 的生长曲线有所不同。连续培养系统可以通过不断补充新鲜培养基和移除代谢废物，使微生物长期维持在对数生长期。

理解微生物的群体生长规律和生长曲线，对于实验室培养、工业发酵、疾病控制以及生态学研究都具有重要的指导意义。通过分析生长曲线，可以获得微生物的世代时间、最大生长速率、最大生长量等重要参数，从而更好地了解和利用微生物。

4.1.3 影响微生物生长的环境因素 (Environmental Factors Affecting Microbial Growth)

微生物的生长和繁殖受到多种环境因素的影响。了解这些因素及其作用机制，有助于我们在实验室和工业生产中优化微生物的生长条件，以及在疾病控制和食品保藏中有效地抑制微生物的生长。影响微生物生长的主要环境因素包括：温度 (temperature)、pH 值 (pH)、氧气 (oxygen)、水分 (water activity) 和 渗透压 (osmotic pressure) 等。

① 温度 (Temperature)：
▮▮▮▮温度是影响微生物生长最重要的环境因素之一。温度主要通过影响酶的活性、细胞膜的流动性以及核酸和蛋白质的稳定性来影响微生物的生长。根据对温度的适应范围，微生物可以分为以下几类：
▮▮▮▮ⓐ 嗜冷菌 (Psychrophiles)：最适生长温度在 15℃ 左右或更低，最高生长温度低于 20℃，最低生长温度可低至 0℃ 或更低。主要分布在低温环境中，如极地、深海、冷藏食品等。
▮▮▮▮ⓑ 嗜温菌 (Mesophiles)：最适生长温度在 20℃-45℃ 之间，常见于土壤、水、动植物体表和体内。大多数病原微生物和人体正常菌群属于嗜温菌。
▮▮▮▮ⓒ 嗜热菌 (Thermophiles)：最适生长温度在 55℃-65℃ 之间，最高生长温度可达 80℃ 左右。常见于温泉、热泉、堆肥等高温环境中。
▮▮▮▮ⓓ 超嗜热菌 (Hyperthermophiles)：最适生长温度在 80℃ 以上，有些甚至可达 100℃ 以上。主要分布在火山温泉、海底热泉等极端高温环境中，多为古菌。
▮▮▮▮对于每种微生物，都存在一个最适生长温度 (optimum growth temperature)，在此温度下生长速率最快；最高生长温度 (maximum growth temperature)，超过此温度则不能生长；以及最低生长温度 (minimum growth temperature)，低于此温度也不能生长。

② pH 值 (pH)：
▮▮▮▮pH 值是衡量溶液酸碱度的指标，也会显著影响微生物的生长。pH 值主要通过影响酶的活性、细胞膜的稳定性以及营养物质的溶解度和运输来影响微生物的生长。根据对pH值的适应范围，微生物可以分为以下几类：
▮▮▮▮ⓐ 嗜酸菌 (Acidophiles)：最适生长 pH 值在 5.5 以下，有些甚至可低至 pH 1.0 或更低。常见于酸性土壤、酸性矿水、胃液等酸性环境中。
▮▮▮▮ⓑ 中性菌 (Neutrophiles)：最适生长 pH 值在 6.5-7.5 之间，大多数微生物属于中性菌，包括大多数病原微生物和人体正常菌群。
▮▮▮▮ⓒ 嗜碱菌 (Alkaliphiles)：最适生长 pH 值在 8.5 以上，有些甚至可高达 pH 11.5 或更高。常见于碱性土壤、碱湖、碳酸盐沉积物等碱性环境中。
▮▮▮▮大多数微生物的最适生长 pH 值接近中性，但也有许多微生物能够适应极端 pH 环境。例如，真菌通常比细菌更能耐受酸性环境。

③ 氧气 (Oxygen)：
▮▮▮▮氧气是许多生物生命活动所必需的物质，但对于微生物而言，氧气既可以是必需的，也可以是有毒的。根据对氧气的需求，微生物可以分为以下几类：
▮▮▮▮ⓐ 专性需氧菌 (Obligate Aerobes)：必须在有氧条件下才能生长，利用氧气作为最终电子受体进行有氧呼吸 (aerobic respiration) 产生能量。
▮▮▮▮ⓑ 兼性厌氧菌 (Facultative Anaerobes)：既可以在有氧条件下生长（进行有氧呼吸），也可以在无氧条件下生长（进行发酵 fermentation 或无氧呼吸 anaerobic respiration）。在有氧条件下生长更好。
▮▮▮▮ⓒ 专性厌氧菌 (Obligate Anaerobes)：只能在无氧条件下生长，氧气对其有毒。缺乏清除氧自由基 (oxygen free radicals) 的酶，如过氧化物歧化酶 (superoxide dismutase, SOD) 和过氧化氢酶 (catalase)。
▮▮▮▮ⓓ 微需氧菌 (Microaerophiles)：需要在低氧浓度（通常为 2%-10%）下才能生长，高氧浓度对其有毒。
▮▮▮▮ⓔ 耐氧厌氧菌 (Aerotolerant Anaerobes)：可以在有氧条件下生长，但不能利用氧气，也不受氧气的毒害。主要通过发酵产生能量。

④ 水分 (Water Activity, $a_{w}$ )：
▮▮▮▮水分是微生物生命活动的基本需求。水活度 (water activity, $a_{w}$ ) 是衡量环境中水分有效性的指标，定义为环境中水的蒸气压与纯水的蒸气压之比。纯水的 $a_{w}$ 值为 1.0，溶液中溶质浓度越高， $a_{w}$ 值越低。 $a_{w} = \frac{P_{s o l u t i o n}}{P_{w a t e r}}$ 其中， $P_{s o l u t i o n}$ 为溶液的蒸气压， $P_{w a t e r}$ 为纯水的蒸气压。
▮▮▮▮大多数细菌的最适 $a_{w}$ 值在 0.98 以上，真菌的耐旱性通常比细菌强，可以在较低的 $a_{w}$ 值下生长。嗜渗微生物 (Osmophiles) 能够在高糖浓度和低 $a_{w}$ 值下生长，嗜盐微生物 (Halophiles) 能够在高盐浓度和低 $a_{w}$ 值下生长。

⑤ 渗透压 (Osmotic Pressure)：
▮▮▮▮渗透压是溶液中溶质浓度差异造成的压力。微生物细胞内部含有高浓度的溶质，通常处于高渗环境 (hypertonic environment) 中。当环境渗透压发生变化时，会影响细胞的水分进出，从而影响细胞的生长。
▮▮▮▮当微生物处于低渗环境 (hypotonic environment) 中时，水分会进入细胞，可能导致细胞膨胀甚至破裂（细胞裂解）。细菌细胞壁可以抵抗一定的膨胀压力，但原生生物和动物细胞则更容易裂解。
▮▮▮▮当微生物处于高渗环境 (hypertonic environment) 中时，水分会从细胞内流出，导致细胞脱水皱缩（质壁分离 plasmolysis），影响细胞的代谢活动和生长。
▮▮▮▮为了适应渗透压的变化，微生物发展出多种渗透调节机制 (osmoregulation)，如合成或积累相容性溶质 (compatible solutes)，如甘油 (glycerol)、海藻糖 (trehalose)、脯氨酸 (proline) 等，以平衡细胞内外的渗透压。

除了上述主要环境因素外，辐射 (radiation)、静水压 (hydrostatic pressure)、营养物质浓度 (nutrient concentration)、气体成分 (gas composition) 等也会影响微生物的生长。理解这些环境因素对微生物生长的影响，有助于我们更好地控制微生物的生长，应用于食品保藏、疾病防治、工业生产和环境保护等领域。

4.2 微生物生长的控制 (Control of Microbial Growth)

微生物的生长控制是微生物学应用的重要组成部分。在医学、食品工业、制药工业、环境保护等领域，都需要根据不同的目的，采取不同的方法来抑制或杀灭微生物，或者促进特定微生物的生长。微生物生长的控制方法主要分为物理方法 (physical methods) 和 化学方法 (chemical methods)。

4.2.1 物理方法：热力灭菌、辐射灭菌、过滤灭菌 (Physical Methods: Heat Sterilization, Radiation Sterilization, Filtration Sterilization)

物理方法是利用物理因素，如热、辐射、过滤等，来杀灭或去除微生物的方法。物理方法通常具有高效、广谱、无化学残留等优点，在微生物控制中应用广泛。

① 热力灭菌 (Heat Sterilization)：
▮▮▮▮热力灭菌是利用高温来杀灭微生物的方法，是最常用、最有效、最可靠的灭菌方法之一。热力灭菌的原理是高温可以破坏微生物细胞的蛋白质、核酸等重要生物分子，导致细胞死亡。热力灭菌的效果受温度、时间和水分等因素的影响。根据加热方式和温度的不同，热力灭菌可分为多种方法：

▮▮▮▮ⓐ 湿热灭菌 (Moist Heat Sterilization)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 高温灭菌 (Autoclaving)：利用高压蒸汽 (saturated steam) 作为灭菌介质，是最常用的湿热灭菌方法。在标准条件下，高压蒸汽灭菌通常在 121℃、15-20 psi (磅/平方英寸) 的压力下进行 15-30 分钟。高压蒸汽灭菌能够有效地杀灭包括细菌芽孢在内的所有微生物，达到彻底灭菌的效果。常用于培养基、医疗器械、手术器械、实验室用品等的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 巴氏消毒法 (Pasteurization)：利用较低的温度加热一段时间，以杀灭液体食品（如牛奶、果汁、啤酒等）中的病原微生物，同时尽可能保留食品的营养成分和风味。巴氏消毒法不能杀灭所有微生物，不能达到彻底灭菌的效果，但可以显著降低微生物数量，延长食品的保质期。常用的巴氏消毒条件包括：
▮▮▮▮⚝ 低温长时间巴氏消毒 (Low Temperature Long Time, LTLT)：63℃ 加热 30 分钟。
▮▮▮▮⚝ 高温短时间巴氏消毒 (High Temperature Short Time, HTST)：72℃ 加热 15 秒。
▮▮▮▮⚝ 超高温瞬时灭菌 (Ultra-High Temperature, UHT)：135-150℃ 加热 2-5 秒。UHT 灭菌可以达到商业无菌 (commercial sterility) 标准，常用于生产常温奶。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 煮沸消毒 (Boiling)：将物品浸入沸水中加热一段时间（通常为 5-30 分钟），可以杀灭大多数营养细胞，但对某些细菌芽孢和病毒效果有限。煮沸消毒常用于家庭日常用品和餐具的消毒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 间歇灭菌法 (Tyndallization)：又称分段灭菌法，适用于某些不耐高温的培养基或物质的灭菌。将待灭菌物在 100℃ 加热 30-60 分钟，连续加热 3 天，每天加热一次。第一次加热杀灭营养细胞，冷却后萌发的芽孢在第二次加热时被杀灭，如此反复，最终达到灭菌效果。

▮▮▮▮ⓑ 干热灭菌 (Dry Heat Sterilization)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 烘烤灭菌 (Dry Oven Sterilization)：利用干热空气进行灭菌，通常在 160-170℃ 加热 2 小时，或 170-180℃ 加热 1 小时。干热灭菌适用于玻璃器皿、金属器械、耐高温的粉末和油类等物品的灭菌。干热灭菌的穿透力较差，升温和降温时间较长，灭菌效率低于湿热灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 焚烧灭菌 (Incineration)：利用高温火焰将微生物彻底烧毁，是最彻底的灭菌方法。适用于污染物品、病理废弃物、实验动物尸体等的处理。

② 辐射灭菌 (Radiation Sterilization)：
▮▮▮▮辐射灭菌是利用电离辐射 (ionizing radiation) 或非电离辐射 (non-ionizing radiation) 来杀灭微生物的方法。辐射可以损伤微生物的DNA、蛋白质等重要分子，导致细胞死亡或丧失繁殖能力。常用的辐射灭菌方法包括：

▮▮▮▮ⓐ 紫外线辐射灭菌 (Ultraviolet Radiation Sterilization, UV)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 紫外线 (UV) 是一种非电离辐射，波长范围为 200-300 nm，其中波长为 260 nm 左右的紫外线杀菌效果最强。紫外线主要通过损伤 DNA 分子，形成嘧啶二聚体 (pyrimidine dimers)，阻碍 DNA 复制和转录，从而杀灭微生物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 紫外线穿透力弱，只能杀灭物体表面的微生物，适用于空气、水和物体表面的消毒。常用于手术室、实验室、病房、洁净室的空气消毒，以及饮用水和污水消毒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 紫外线灭菌的优点是快速、简便、无化学残留，缺点是穿透力弱、对芽孢杀灭效果较差、长期照射可能对人体有害。

▮▮▮▮ⓑ γ 射线辐射灭菌 (Gamma Radiation Sterilization)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ γ 射线 (gamma ray) 是一种电离辐射，具有很强的穿透力。γ 射线可以穿透包装材料，对物品进行深层灭菌。γ 射线主要通过电离作用产生自由基，损伤微生物的 DNA、蛋白质等重要分子，从而杀灭微生物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ γ 射线灭菌可以达到彻底灭菌的效果，适用于医疗器械、一次性医疗用品、药品、食品等的灭菌。工业上常用的 γ 射线源是 60Co (钴-60) 或 137Cs (铯-137)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ γ 射线灭菌的优点是穿透力强、灭菌彻底、可以进行冷灭菌 (cold sterilization)，缺点是设备昂贵、操作复杂、存在辐射安全问题。

▮▮▮▮ⓒ 电子束辐射灭菌 (Electron Beam Radiation Sterilization, E-beam)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 电子束 (electron beam) 是一种电离辐射，穿透力比 γ 射线弱，但灭菌速率快。电子束主要通过电离作用和激发作用损伤微生物的 DNA、蛋白质等分子，从而杀灭微生物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 电子束灭菌适用于医疗器械、药品、食品等的快速灭菌。电子束灭菌的优点是灭菌速度快、效率高、无辐射残留，缺点是穿透力有限、设备成本较高。

③ 过滤灭菌 (Filtration Sterilization)：
▮▮▮▮过滤灭菌是利用滤膜 (membrane filter) 的孔径小于微生物的尺寸，将微生物从液体或气体中滤除的方法。过滤灭菌是一种物理去除微生物的方法，不依赖于杀灭微生物，因此可以用于对热敏感物质的灭菌。

▮▮▮▮ⓐ 液体过滤灭菌 (Liquid Filtration Sterilization)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 常用的滤膜材料包括纤维素酯 (cellulose ester)、聚碳酸酯 (polycarbonate)、聚砜 (polysulfone) 等。滤膜的孔径通常为 0.22 μm 或 0.45 μm，可以滤除细菌、真菌等微生物，但不能滤除病毒和支原体 (mycoplasmas)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 液体过滤灭菌适用于对热敏感的液体物质的灭菌，如血清 (serum)、疫苗 (vaccines)、抗生素溶液、维生素溶液、酶溶液等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 过滤灭菌的优点是操作简便、不破坏物质的成分和活性，缺点是不能去除病毒和支原体，滤膜易堵塞，成本较高。

▮▮▮▮ⓑ 空气过滤灭菌 (Air Filtration Sterilization)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 高效空气过滤器 (High Efficiency Particulate Air Filter, HEPA filter) 是空气过滤灭菌常用的滤器。HEPA 滤器可以有效滤除空气中 0.3 μm 以上的颗粒物，包括细菌、真菌孢子、花粉、尘埃等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 空气过滤灭菌常用于洁净室、生物安全柜 (biosafety cabinet)、手术室、实验室等场所的空气净化和灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 空气过滤灭菌的优点是高效、安全、无化学残留，缺点是不能杀灭病毒和气溶胶状态的微生物，滤器需要定期更换。

物理灭菌方法各有特点和适用范围，在实际应用中需要根据不同的灭菌对象和目的，选择合适的灭菌方法。

4.2.2 化学方法：消毒剂、防腐剂、抗生素 (Chemical Methods: Disinfectants, Antiseptics, Antibiotics)

化学方法是利用化学物质来抑制微生物生长或杀灭微生物的方法。化学方法具有操作简便、适用范围广等优点，但有些化学物质可能对人体或环境有害。常用的化学控制微生物生长的方法包括使用消毒剂 (disinfectants)、防腐剂 (antiseptics) 和 抗生素 (antibiotics)。

① 消毒剂 (Disinfectants)：
▮▮▮▮消毒剂是指用于杀灭物体表面或环境中病原微生物的化学物质，但通常不能杀灭细菌芽孢。消毒剂主要用于消毒 (disinfection)，降低环境中微生物的数量，达到无害化水平。常用的消毒剂种类繁多，根据化学成分和作用机制可分为多种类型：

▮▮▮▮ⓐ 醇类 (Alcohols)：如乙醇 (ethanol)、异丙醇 (isopropanol)。通过使蛋白质变性、溶解脂质来杀灭微生物。对细菌、真菌和包膜病毒有效，对细菌芽孢和无包膜病毒效果较差。常用浓度为 70%-75% 的乙醇或异丙醇。

▮▮▮▮ⓑ 醛类 (Aldehydes)：如甲醛 (formaldehyde)、戊二醛 (glutaraldehyde)。通过与蛋白质和核酸的氨基和羟基反应，使其烷基化，从而杀灭微生物。具有广谱、高效的杀菌作用，可以杀灭细菌、真菌、病毒和细菌芽孢。甲醛毒性较大，刺激性强，戊二醛毒性相对较低，常用于医疗器械的化学灭菌 (chemical sterilization) 和高级消毒。

▮▮▮▮ⓒ 卤素类 (Halogens)：如氯 (chlorine)、碘 (iodine)。通过氧化微生物细胞的蛋白质和酶来杀灭微生物。氯及其化合物（如次氯酸钠 sodium hypochlorite，漂白粉 bleaching powder）是常用的水处理和环境消毒剂，具有广谱、快速、廉价的优点，但易受有机物影响，腐蚀性强。碘及其制剂（如碘酊 tincture of iodine、碘伏 povidone-iodine）常用于皮肤和黏膜消毒，杀菌效果好，但刺激性较强，可能引起过敏。

▮▮▮▮ⓓ 酚类 (Phenolics)：如苯酚 (phenol)、煤酚皂液 (lysol)、三氯生 (triclosan)。通过破坏细胞膜、使蛋白质变性来杀灭微生物。酚类消毒剂具有广谱杀菌作用，对细菌、真菌和包膜病毒有效，但对细菌芽孢效果较差。苯酚毒性较大，刺激性强，煤酚皂液毒性相对较低，常用于环境消毒。三氯生是一种广谱抗菌剂，曾广泛应用于个人护理产品，但因环境和健康问题，其应用受到限制。

▮▮▮▮ⓔ 季铵盐类 (Quaternary Ammonium Compounds, QACs)：如苯扎氯铵 (benzalkonium chloride)、西吡氯铵 (cetylpyridinium chloride)。阳离子表面活性剂，通过吸附到细胞膜表面，破坏细胞膜的通透性，导致细胞内容物泄漏而杀灭微生物。对革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria) 和包膜病毒效果较好，对革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria)、真菌和细菌芽孢效果较差。季铵盐类消毒剂具有无毒、无刺激、无腐蚀性、去污力强等优点，常用于物体表面消毒和皮肤黏膜消毒。

▮▮▮▮ⓕ 氧化剂 (Oxidizing Agents)：如过氧化氢 (hydrogen peroxide)、高锰酸钾 (potassium permanganate)、臭氧 (ozone)、过氧乙酸 (peracetic acid)。通过释放活性氧自由基，氧化微生物细胞的蛋白质、核酸和脂质等成分，从而杀灭微生物。过氧化氢具有广谱杀菌作用，对细菌、真菌、病毒和细菌芽孢均有效，低浓度过氧化氢可用于伤口消毒，高浓度过氧化氢可用于物体表面和医疗器械消毒。高锰酸钾具有一定的杀菌作用，但易受有机物影响，刺激性强。臭氧是一种强氧化剂，具有高效、广谱、无残留的优点，常用于水处理和空气消毒。过氧乙酸是一种高效、广谱、快速的消毒灭菌剂，对细菌、真菌、病毒和细菌芽孢均有效，常用于医疗器械和环境消毒。

② 防腐剂 (Antiseptics)：
▮▮▮▮防腐剂是指用于抑制或杀灭活体组织（如皮肤、黏膜）表面微生物的化学物质，毒性较低，适用于防腐 (antisepsis)，防止感染。许多消毒剂在低浓度下也可以作为防腐剂使用。常用的防腐剂包括：

▮▮▮▮ⓐ 醇类：如乙醇、异丙醇。70%-75% 乙醇或异丙醇常用于皮肤消毒。
▮▮▮▮ⓑ 碘制剂：如碘酊、碘伏。碘伏刺激性较小，应用更广泛。
▮▮▮▮ⓒ 洗必泰 (Chlorhexidine)：一种阳离子型双胍类化合物，具有广谱抗菌作用，对细菌、真菌和部分病毒有效。刺激性小，毒性低，常用于手术前皮肤消毒、伤口冲洗、口腔漱口液等。
▮▮▮▮ⓓ 聚维酮碘 (Povidone-iodine)：碘与聚乙烯吡咯烷酮 (polyvinylpyrrolidone, PVP) 的复合物，释放碘的速度较慢，刺激性较小，作用持久，常用于皮肤黏膜消毒和伤口冲洗。
▮▮▮▮ⓔ 苯扎氯铵、西吡氯铵 等季铵盐类也常用于皮肤黏膜消毒。

③ 抗生素 (Antibiotics)：
▮▮▮▮抗生素是由微生物（或高等动植物）产生的，或人工合成的，能够抑制或杀灭其他微生物（主要是细菌）的化学物质。抗生素主要用于治疗细菌感染 (bacterial infections)。抗生素的作用机制多样，主要包括：

▮▮▮▮ⓐ 抑制细胞壁合成：如青霉素类 (penicillins)、头孢菌素类 (cephalosporins)、万古霉素 (vancomycin) 等。通过抑制细菌细胞壁肽聚糖 (peptidoglycan) 的合成，导致细菌细胞壁缺陷，最终裂解死亡。对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有作用，但不同种类抗生素的作用谱有所差异。
▮▮▮▮ⓑ 抑制蛋白质合成：如氨基糖苷类 (aminoglycosides)、四环素类 (tetracyclines)、大环内酯类 (macrolides)、氯霉素 (chloramphenicol) 等。通过与细菌核糖体 (ribosome) 结合，干扰蛋白质合成过程，抑制细菌生长。作用谱较广，对多种细菌有效。
▮▮▮▮ⓒ 抑制核酸合成：如喹诺酮类 (quinolones)、利福平 (rifampin)、磺胺类 (sulfonamides) 等。喹诺酮类通过抑制细菌 DNA 回旋酶 (DNA gyrase)，阻碍 DNA 复制。利福平通过抑制 RNA 聚合酶 (RNA polymerase)，阻碍 RNA 合成。磺胺类通过抑制叶酸合成途径，影响核酸合成。
▮▮▮▮ⓓ 损伤细胞膜：如多粘菌素类 (polymyxins)。通过与细菌细胞膜磷脂结合，破坏细胞膜的结构和功能，导致细胞内容物泄漏。主要对革兰氏阴性菌有效。
▮▮▮▮ⓔ 干扰代谢途径：如磺胺类、甲氧苄啶 (trimethoprim) 等。通过抑制细菌特定的代谢途径，如叶酸合成途径，影响细菌的生长和繁殖。

④ 抗生素耐药性 (Antibiotic Resistance)：
▮▮▮▮长期、不合理地使用抗生素，导致细菌产生抗生素耐药性 (antibiotic resistance)，成为全球公共卫生面临的严重挑战。耐药细菌 (resistant bacteria) 难以治疗，可能导致感染难以控制，治疗费用增加，病死率升高。细菌产生耐药性的机制主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 酶降解或修饰抗生素：如细菌产生 β-内酰胺酶 (β-lactamase)，水解青霉素类和头孢菌素类抗生素的 β-内酰胺环，使其失活。
▮▮▮▮ⓑ 改变靶位点：如细菌核糖体突变，导致氨基糖苷类、大环内酯类等抗生素无法有效结合。
▮▮▮▮ⓒ 主动外排抗生素：细菌通过外排泵 (efflux pump) 将进入细胞内的抗生素排出细胞外，降低细胞内抗生素浓度。
▮▮▮▮ⓓ 改变代谢途径：如细菌改变叶酸合成途径，绕过磺胺类抗生素的抑制作用。
▮▮▮▮ⓔ 降低细胞膜通透性：减少抗生素进入细胞的量。

为了应对抗生素耐药性问题，需要采取综合措施，包括：
▮▮▮▮ⓐ 合理使用抗生素：严格控制抗生素的使用，避免滥用和过度使用，遵循“能不用就不用，能少用就不多用，能口服不肌注，能肌注不输液”的原则。
▮▮▮▮ⓑ 研发新型抗生素：加强抗生素研发，开发新的作用机制的抗生素，以及针对耐药菌的抗生素。
▮▮▮▮ⓒ 感染预防与控制：加强医院感染控制，减少抗生素的使用需求。
▮▮▮▮ⓓ 替代疗法研究：探索抗生素替代疗法，如噬菌体疗法 (phage therapy)、抗菌肽疗法 (antimicrobial peptide therapy)、益生菌疗法 (probiotic therapy) 等。

4.2.3 微生物生长的其他控制方法 (Other Methods for Controlling Microbial Growth)

除了热力灭菌、辐射灭菌、过滤灭菌和化学方法外，还有一些其他的物理或化学方法可以用于控制微生物的生长，如干燥 (desiccation)、冷冻 (freezing)、高压处理 (high pressure processing) 等。

① 干燥 (Desiccation)：
▮▮▮▮干燥是指去除微生物生长所需的水分，降低水活度 $a_{w}$ ，从而抑制微生物生长的方法。干燥可以有效地抑制大多数细菌和真菌的生长，但不能杀灭所有微生物，有些微生物（如细菌芽孢、真菌孢子）可以在干燥条件下长期存活。干燥常用于食品保藏，如肉干、果干、脱水蔬菜等。

② 冷冻 (Freezing)：
▮▮▮▮冷冻是指将微生物置于低温（通常为 -20℃ 或更低）条件下，抑制微生物生长和代谢活动的方法。冷冻可以有效地长期保存微生物，但冷冻过程可能对某些微生物细胞造成损伤，解冻后部分细胞可能死亡。冷冻常用于食品保藏和微生物菌种保藏。超低温冷冻 (cryopreservation)，如液氮冷冻 (-196℃)，可以更好地保存微生物的活性。

③ 高压处理 (High Pressure Processing, HPP)：
▮▮▮▮高压处理是利用高静水压 (high hydrostatic pressure) 来杀灭或抑制微生物的方法。高压可以破坏微生物细胞的结构和功能，如蛋白质变性、细胞膜破裂等，从而杀灭微生物。高压处理可以在较低温度下进行，对食品的营养成分和风味影响较小，是一种非热加工技术 (non-thermal processing technology)。高压处理常用于食品保藏，如果汁、肉制品、海产品等。

④ 渗透压控制 (Osmotic Pressure Control)：
▮▮▮▮利用高浓度盐或糖溶液，提高环境渗透压，使微生物细胞脱水，抑制微生物生长。高盐或高糖环境可以降低水活度 $a_{w}$ ，不利于微生物生长。渗透压控制常用于食品保藏，如盐腌 (salting)、糖渍 (sugaring)、蜜饯 (preserved fruits) 等。

⑤ 酸度控制 (Acidity Control)：
▮▮▮▮利用酸性物质降低食品或环境的 pH 值，抑制微生物生长。大多数微生物在酸性条件下生长受到抑制，但真菌和某些细菌（如乳酸菌 lactic acid bacteria）对酸性环境具有较强的耐受性。酸度控制常用于食品保藏，如腌制 (pickling)、发酵食品 (fermented foods) 等。

⑥ 化学防腐剂 (Chemical Preservatives)：
▮▮▮▮在食品、药品、化妆品等产品中添加化学防腐剂，抑制微生物生长，延长产品的保质期。常用的化学防腐剂包括苯甲酸及其盐 (benzoic acid and benzoates)、山梨酸及其盐 (sorbic acid and sorbates)、对羟基苯甲酸酯 (parabens)、二氧化硫 (sulfur dioxide)、亚硫酸盐 (sulfites) 等。化学防腐剂的使用需要符合相关法规和标准，确保安全有效。

⑦ 生物防腐 (Biopreservation)：
▮▮▮▮利用天然的抗菌物质或微生物，抑制食品中腐败菌和病原菌的生长，达到食品保鲜的目的。常用的生物防腐方法包括：
▮▮▮▮ⓐ 发酵 (Fermentation)：利用有益微生物（如乳酸菌、酵母菌）发酵食品，产生乳酸、乙酸、乙醇等代谢产物，抑制腐败菌和病原菌的生长。
▮▮▮▮ⓑ 添加抗菌物质：添加天然抗菌物质，如乳酸链球菌素 (nisin)、溶菌酶 (lysozyme)、壳聚糖 (chitosan)、精油 (essential oils) 等，抑制微生物生长。
▮▮▮▮ⓒ 竞争性排斥 (Competitive Exclusion)：利用有益微生物（如益生菌 probiotics）在肠道或食品表面定植，与病原菌竞争营养和生态位，抑制病原菌的生长和定植。

微生物生长的控制方法多种多样，需要根据不同的应用场景和目的，选择合适的控制方法或组合方法，以达到最佳的控制效果。在实际应用中，还需要综合考虑成本、效率、安全性、环保性等因素，选择经济、有效、安全的微生物控制策略。

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5. 微生物遗传学 (Microbial Genetics)

5.1 微生物的遗传物质与基因表达 (Microbial Genetic Material and Gene Expression)

本节将深入探讨微生物的遗传物质——脱氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 的结构与功能，并详细介绍基因复制 (DNA replication)、转录 (transcription) 和翻译 (translation) 这些基因表达的基本过程。理解这些过程是认识微生物生命活动的基础，也是深入研究微生物遗传学现象的关键。

5.1.1 DNA 的结构与复制 (Structure and Replication of DNA)

DNA 的双螺旋结构与碱基配对 (Double Helix Structure and Base Pairing of DNA)

脱氧核糖核酸 (DNA) 是微生物细胞中主要的遗传物质，携带了生物体生长、发育和繁殖所需的全部遗传信息。DNA 最显著的特征是其独特的双螺旋结构 (double helix structure)，这一结构由詹姆斯·沃森 (James Watson) 和弗朗西斯·克里克 (Francis Crick) 于 1953 年在罗莎琳德·富兰克林 (Rosalind Franklin) 和莫里斯·威尔金斯 (Maurice Wilkins) 的 X 射线衍射数据基础上提出。

DNA 双螺旋结构的主要特点包括：

① 两条多核苷酸链 (polynucleotide chains)：DNA 由两条多核苷酸链组成，这两条链围绕着共同的中心轴反向平行 (antiparallel) 盘旋，形成螺旋结构。一条链的 5' 端与另一条链的 3' 端相对。

② 磷酸二酯骨架 (phosphodiester backbone)：每条多核苷酸链都由脱氧核糖 (deoxyribose) 和磷酸基团 (phosphate group) 交替连接构成磷酸二酯骨架，糖基与磷酸基团的连接形成 3'-5' 磷酸二酯键。碱基 (base) 则连接在脱氧核糖的 1' 碳原子上。

③ 碱基 (bases)：DNA 中包含四种不同的碱基：
▮▮▮▮ⓑ 嘌呤 (purines)：腺嘌呤 (adenine, A) 和鸟嘌呤 (guanine, G)。
▮▮▮▮ⓒ 嘧啶 (pyrimidines)：胞嘧啶 (cytosine, C) 和胸腺嘧啶 (thymine, T)。

④ 碱基配对 (base pairing)：两条 DNA 链通过碱基之间的氢键 (hydrogen bonds) 连接在一起。碱基配对遵循严格的规则，称为查加夫规则 (Chargaff's rules) 或 沃森-克里克碱基配对 (Watson-Crick base pairing) 原则：
▮▮▮▮ⓑ 腺嘌呤 (A) 始终与胸腺嘧啶 (T) 配对，形成两个氢键 (A=T)。
▮▮▮▮ⓒ 鸟嘌呤 (G) 始终与胞嘧啶 (C) 配对，形成三个氢键 (G≡C)。
这种特异性的碱基配对是 DNA 双螺旋结构稳定性的重要因素，也是 DNA 复制和转录的基础。

⑤ 螺旋结构 (helical structure)：两条链以右手螺旋的方式盘绕，每 10 个碱基对 (base pairs, bp) 螺旋旋转 360°，形成一个螺距。螺旋的外侧是亲水的磷酸二酯骨架，内侧是疏水的碱基堆积。螺旋结构形成大沟 (major groove) 和小沟 (minor groove)，这些沟槽是蛋白质与 DNA 相互作用的重要位点。

DNA 的半保留复制机制 (Semi-conservative Replication Mechanism of DNA)

DNA 复制 (DNA replication) 是细胞分裂前将遗传信息精确传递给子代细胞的关键过程。DNA 复制的半保留复制 (semi-conservative replication) 机制由马修·梅塞尔森 (Matthew Meselson) 和富兰克林·施塔尔 (Franklin Stahl) 通过经典实验于 1958 年证实。

半保留复制的主要特点是：

① 复制起点 (origin of replication)：DNA 复制起始于 DNA 分子上的特定序列，称为复制起点 (ori)。在细菌等原核生物中，通常只有一个复制起点，而在真核生物中，染色体上可以有多个复制起点，以加速复制过程。

② 复制叉 (replication fork)：在复制起点，DNA 双螺旋解开，形成 Y 字形的结构，称为复制叉 (replication fork)。复制叉沿着 DNA 分子双向移动，进行 DNA 链的合成。

③ 复制酶系 (replication enzymes)：DNA 复制需要多种酶的协同作用，构成复制酶系 (replisome)，主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 解旋酶 (helicase)：解开 DNA 双螺旋，破坏碱基对之间的氢键，形成单链 DNA 模板。
▮▮▮▮ⓒ 单链 DNA 结合蛋白 (single-stranded DNA-binding proteins, SSB)：结合到单链 DNA 上，防止单链 DNA 重新退火形成双螺旋，保持 DNA 模板的单链状态。
▮▮▮▮ⓓ 拓扑异构酶 (topoisomerase)：解除 DNA 解旋过程中产生的超螺旋 (supercoiling) 张力，防止 DNA 缠绕打结。
▮▮▮▮ⓔ DNA 聚合酶 (DNA polymerase)：催化新的 DNA 链的合成。DNA 聚合酶只能沿着 5'→3' 方向合成 DNA，并且需要一个引物 (primer) 提供 3'-OH 末端才能起始合成。
▮▮▮▮ⓕ 引物酶 (primase)：合成 RNA 引物，为 DNA 聚合酶提供起始复制的 3'-OH 末端。
▮▮▮▮ⓖ DNA 连接酶 (DNA ligase)：连接 DNA 复制过程中产生的冈崎片段 (Okazaki fragments)，形成完整的 DNA 链。

④ 前导链与滞后链 (leading strand and lagging strand)：由于 DNA 聚合酶只能沿着 5'→3' 方向合成 DNA，并且两条 DNA 链是反向平行的，因此 DNA 复制过程中，两条链的合成方式不同：
▮▮▮▮ⓑ 前导链 (leading strand)：沿着复制叉方向连续合成的 DNA 链，只需要一个 RNA 引物。
▮▮▮▮ⓒ 滞后链 (lagging strand)：与复制叉方向相反不连续合成的 DNA 链，需要多个 RNA 引物，合成一系列短的 DNA 片段，称为冈崎片段 (Okazaki fragments)。冈崎片段随后由 DNA 连接酶连接成完整的 DNA 链。

⑤ 半保留复制 (semi-conservative replication)：复制完成后，每个子代 DNA 分子都包含一条来自亲代 DNA 分子的链和一条新合成的链，因此称为半保留复制。这种复制方式保证了遗传信息的忠实传递。

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        graph LR
    A[DNA双螺旋] --> B(解旋酶);
    B --> C{复制叉形成};
    C --> D[前导链合成];
    C --> E[滞后链合成];
    E --> F{冈崎片段};
    F --> G(DNA连接酶);
    G --> H[子代DNA分子];
    D --> H;
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style H fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

        
    

5.1.2 RNA 的结构与转录 (Structure and Transcription of RNA)

RNA 的结构特点与种类 (Structural Features and Types of RNA)

核糖核酸 (RNA) 是细胞中另一类重要的核酸，在基因表达过程中发挥着关键作用。与 DNA 相比，RNA 在结构上有一些显著的差异：

① 单链结构 (single-stranded structure)：RNA 通常是单链分子，而不是双螺旋结构。但 RNA 单链可以折叠形成复杂的二级和三级结构，执行多种生物学功能。

② 核糖 (ribose)：RNA 中的糖是核糖，而不是 DNA 中的脱氧核糖。核糖的 2' 碳原子上有一个羟基 (-OH)，而脱氧核糖的 2' 碳原子上是氢 (-H)。

③ 碱基 (bases)：RNA 中也包含四种碱基，但与 DNA 略有不同：
▮▮▮▮ⓑ 嘌呤 (purines)：腺嘌呤 (A) 和鸟嘌呤 (G)。
▮▮▮▮ⓒ 嘧啶 (pyrimidines)：胞嘧啶 (C) 和尿嘧啶 (uracil, U)。RNA 中使用尿嘧啶 (U) 代替 DNA 中的胸腺嘧啶 (T)。尿嘧啶 (U) 同样可以与腺嘌呤 (A) 配对 (A=U)。

④ 种类 (types)：细胞中存在多种不同类型的 RNA，参与不同的生物学过程，主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 信使 RNA (messenger RNA, mRNA)：携带遗传信息从 DNA 传递到核糖体，作为蛋白质合成的模板。mRNA 的序列决定了蛋白质的氨基酸序列。
▮▮▮▮ⓒ 转运 RNA (transfer RNA, tRNA)：在蛋白质合成过程中，识别 mRNA 上的密码子 (codon)，并携带相应的氨基酸到核糖体，参与氨基酸的正确排列。
▮▮▮▮ⓓ 核糖体 RNA (ribosomal RNA, rRNA)：是核糖体 (ribosome) 的重要组成成分，与核糖体蛋白 (ribosomal proteins) 共同构成核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所。
▮▮▮▮ⓔ 小 RNA (small RNA)：包括多种功能各异的小分子 RNA，如 microRNA (miRNA)、小干扰 RNA (small interfering RNA, siRNA)、小核 RNA (small nuclear RNA, snRNA) 等，参与基因表达调控、RNA 加工等多种细胞过程。

转录的过程、RNA 聚合酶与转录调控机制 (Transcription Process, RNA Polymerase and Transcription Regulation Mechanisms)

转录 (transcription) 是基因表达的第一步，是将 DNA 上的遗传信息转录到 RNA 分子的过程。转录主要由 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 催化完成。

转录过程通常可以分为三个阶段：

① 起始 (initiation)：
▮▮▮▮ⓑ RNA 聚合酶结合 (RNA polymerase binding)：RNA 聚合酶识别并结合到 DNA 分子上的启动子 (promoter) 区域。启动子是位于基因上游的 DNA 序列，决定了转录起始的位置和方向。
▮▮▮▮ⓒ 解链 (DNA unwinding)：RNA 聚合酶结合启动子后，局部解开 DNA 双螺旋，形成转录起始复合物 (transcription initiation complex)，暴露出 DNA 模板链。

② 延伸 (elongation)：
▮▮▮▮ⓑ RNA 链合成 (RNA chain synthesis)：RNA 聚合酶沿着 DNA 模板链移动，以 DNA 模板链为指导，按照碱基配对原则 (A-U, G-C)，将游离的核糖核苷三磷酸 (ribonucleoside triphosphates, rNTPs) 聚合形成 RNA 链。RNA 链的合成方向是 5'→3'，与 DNA 模板链方向相反。
▮▮▮▮ⓒ 转录泡 (transcription bubble)：在 RNA 聚合酶移动的过程中，局部解开 DNA 双螺旋形成转录泡 (transcription bubble)，转录泡内包含 RNA 聚合酶、DNA 模板链和正在合成的 RNA 链。转录泡随着 RNA 聚合酶的移动而移动，DNA 双螺旋在转录泡后方重新形成。

③ 终止 (termination)：
▮▮▮▮ⓑ 终止信号 (termination signal)：当 RNA 聚合酶遇到 DNA 分子上的终止子 (terminator) 序列时，转录过程终止。终止子序列通常包含特定的 DNA 序列，可以形成 RNA 发夹结构，导致 RNA 聚合酶与 DNA 模板和新合成的 RNA 链分离。
▮▮▮▮ⓒ RNA 释放 (RNA release)：RNA 聚合酶释放 RNA 分子，并从 DNA 模板上解离，转录过程结束。

RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 是转录过程的核心酶，负责识别启动子、解开 DNA 双螺旋、催化 RNA 链的合成和识别终止子。不同生物的 RNA 聚合酶结构和组成有所不同。例如，细菌的 RNA 聚合酶是一个多亚基复合物，而真核生物细胞核内有三种不同的 RNA 聚合酶 (RNA polymerase I, II, III)，分别负责转录 rRNA、mRNA 和 tRNA 等不同类型的 RNA。

转录调控机制 (transcription regulation mechanisms) 是细胞调控基因表达的重要方式。细胞可以通过多种机制调控基因的转录水平，以适应环境变化和细胞自身的需求。主要的转录调控机制包括：

① 启动子强度 (promoter strength)：不同基因的启动子序列不同，其与 RNA 聚合酶的亲和力也不同，导致转录起始效率的差异。强启动子可以高效地启动转录，而弱启动子转录效率较低。

② 转录因子 (transcription factors)：转录因子 (transcription factors) 是一类能够与 DNA 特定序列（如启动子或增强子 enhancer）结合，从而调控基因转录的蛋白质。转录因子可以分为激活因子 (activators) 和抑制因子 (repressors)。激活因子促进转录起始，增强基因表达；抑制因子抑制转录起始，降低基因表达。

③ 染色质结构 (chromatin structure)：在真核生物中，DNA 与组蛋白 (histones) 结合形成染色质 (chromatin)。染色质的结构状态影响基因的转录活性。真染色质 (euchromatin) 结构疏松，DNA 容易接近，转录活性较高；异染色质 (heterochromatin) 结构紧密，DNA 不易接近，转录活性受到抑制。染色质结构的动态变化，如组蛋白修饰 (histone modifications) 和 DNA 甲基化 (DNA methylation)，是重要的表观遗传调控 (epigenetic regulation) 机制，可以影响基因的转录水平。

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        graph LR
    A[DNA] --> B(RNA聚合酶);
    B --> C{启动子结合};
    C --> D{DNA解链};
    D --> E[RNA链延伸];
    E --> F{终止子识别};
    F --> G[RNA释放];
    G --> H[RNA];
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style H fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

5.1.3 蛋白质合成：翻译 (Protein Synthesis: Translation)

翻译的过程与核糖体的作用 (Translation Process and the Role of Ribosomes)

翻译 (translation) 是基因表达的最后一步，是将 mRNA 上的遗传信息翻译成蛋白质的氨基酸序列的过程。翻译主要在 核糖体 (ribosome) 上进行，需要 mRNA、tRNA 和多种蛋白质因子的参与。

翻译过程通常可以分为三个阶段：

① 起始 (initiation)：
▮▮▮▮ⓑ 核糖体亚基结合 (ribosomal subunit binding)：核糖体由大小两个亚基组成。翻译起始时，小亚基首先与 mRNA 的 5' 端结合，并识别 mRNA 上的起始密码子 (start codon)，通常是 AUG。
▮▮▮▮ⓒ 起始 tRNA 结合 (initiator tRNA binding)：携带甲硫氨酸 (methionine) 的起始 tRNA (initiator tRNA) (在原核生物中是 N-甲酰甲硫氨酸 formylmethionine, fMet-tRNA) 结合到起始密码子上。
▮▮▮▮ⓓ 大亚基结合 (large subunit binding)：大亚基随后结合到小亚基上，形成完整的核糖体起始复合物 (initiation complex)。起始 tRNA 位于核糖体的 P 位点 (peptidyl-tRNA site)，A 位点 (aminoacyl-tRNA site) 和 E 位点 (exit site) 准备迎接下一个 tRNA。

② 延伸 (elongation)：
▮▮▮▮ⓑ 密码子识别 (codon recognition)：核糖体 A 位点接受携带与 mRNA 密码子互补的反密码子 (anticodon) 的氨酰 tRNA (aminoacyl-tRNA)。密码子-反密码子之间的正确配对是保证氨基酸序列正确性的关键。
▮▮▮▮ⓒ 肽键形成 (peptide bond formation)：核糖体催化 P 位点 tRNA 上的氨基酸与 A 位点 tRNA 上的氨基酸之间形成肽键 (peptide bond)。肽键形成后，P 位点上的 tRNA 失去氨基酸，A 位点上的 tRNA 携带了由两个氨基酸组成的肽链。
▮▮▮▮ⓓ 转位 (translocation)：核糖体沿着 mRNA 向 3' 端移动一个密码子的距离。原来位于 P 位点的 tRNA 移动到 E 位点并释放，原来位于 A 位点的 tRNA 移动到 P 位点，A 位点空出来，准备迎接下一个氨酰 tRNA。

③ 终止 (termination)：
▮▮▮▮ⓑ 终止密码子识别 (stop codon recognition)：当核糖体移动到 mRNA 上的终止密码子 (stop codon) (UAA, UAG, UGA) 时，翻译过程终止。终止密码子不编码氨基酸，而是被释放因子 (release factors, RFs) 识别。
▮▮▮▮ⓒ 释放因子作用 (release factor action)：释放因子结合到核糖体 A 位点，催化肽链从 tRNA 上水解释放出来。
▮▮▮▮ⓓ 核糖体解离 (ribosome dissociation)：核糖体大小亚基解离，mRNA 和 tRNA 也被释放，翻译过程结束。释放的核糖体亚基可以重新参与下一轮翻译。

mRNA 的密码子 (codon) 是 mRNA 上每三个核苷酸组成的序列，编码一个特定的氨基酸。遗传密码 (genetic code) 由 64 个密码子组成，其中 61 个密码子编码 20 种氨基酸，3 个密码子 (UAA, UAG, UGA) 是终止密码子。遗传密码具有简并性 (degeneracy)，即一种氨基酸可以由多个密码子编码。

tRNA 的反密码子 (anticodon) 是 tRNA 分子上与 mRNA 密码子互补的三核苷酸序列，位于 tRNA 的反密码子环 (anticodon loop) 上。tRNA 的作用是识别 mRNA 密码子，并携带相应的氨基酸到核糖体。

核糖体 (ribosome) 是蛋白质合成的分子机器，由 rRNA 和核糖体蛋白组成。核糖体具有三个 tRNA 结合位点：A 位点、P 位点和 E 位点。核糖体的主要功能是：
▮▮▮▮ⓐ mRNA 结合 (mRNA binding)：核糖体结合 mRNA，提供翻译的模板。
▮▮▮▮ⓑ tRNA 结合 (tRNA binding)：核糖体结合氨酰 tRNA，识别密码子并提供氨基酸。
▮▮▮▮ⓒ 肽键形成 (peptide bond formation)：核糖体催化肽键的形成，将氨基酸连接成肽链。
▮▮▮▮ⓓ 转位 (translocation)：核糖体沿着 mRNA 移动，实现翻译的延伸。

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        graph LR
    A[mRNA] --> B(核糖体小亚基);
    B --> C{起始密码子AUG};
    C --> D[起始tRNA];
    D --> E(核糖体大亚基);
    E --> F{密码子识别};
    F --> G{肽键形成};
    G --> H{转位};
    H --> I{终止密码子};
    I --> J(释放因子);
    J --> K{肽链释放};
    K --> L[蛋白质];
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style L fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

        
    

5.1.4 基因表达调控 (Gene Expression Regulation)

原核生物基因表达调控：操纵子模型 (Gene Expression Regulation in Prokaryotes: Operon Model)

操纵子 (operon) 模型是弗朗索瓦·雅各布 (François Jacob) 和雅克·莫诺 (Jacques Monod) 于 1961 年提出的，用于解释原核生物基因表达调控的重要机制，尤其是在细菌中。操纵子是指在基因组中，功能相关的多个基因串联排列在一起，受到同一个启动子 (promoter) 和操纵序列 (operator) 调控的基因簇。操纵子通常编码参与同一代谢途径的酶类。

一个典型的操纵子包括以下组成部分：

① 结构基因 (structural genes)：编码蛋白质的基因，操纵子中通常包含多个结构基因，这些基因编码的蛋白质参与同一代谢途径。

② 启动子 (promoter)：RNA 聚合酶结合的 DNA 序列，控制操纵子中结构基因的转录起始。

③ 操纵序列 (operator)：位于启动子下游，结构基因上游的 DNA 序列，是阻遏蛋白 (repressor protein) 结合的位点。

④ 调节基因 (regulatory gene)：位于操纵子之外，编码阻遏蛋白或激活蛋白的基因。调节基因的表达不受操纵子调控，通常具有自身的启动子和终止子。

操纵子调控主要有两种类型：负调控 (negative control) 和 正调控 (positive control)。

负调控 (negative control)：阻遏蛋白参与调控，阻遏蛋白结合操纵序列，阻止 RNA 聚合酶结合启动子，抑制转录起始。负调控又可以分为可诱导操纵子 (inducible operon) 和 可阻遏操纵子 (repressible operon)。

① 可诱导操纵子 (inducible operon)：通常情况下，操纵子处于关闭状态，只有在诱导物 (inducer) 存在时，操纵子才被激活，进行转录。典型的例子是乳糖操纵子 (lac operon)。
▮▮▮▮ⓑ 乳糖操纵子 (lac operon)：调控大肠杆菌 (Escherichia coli) 乳糖代谢的操纵子。在没有乳糖存在时，乳糖阻遏蛋白 (lac repressor) 结合到操纵序列上，阻止 RNA 聚合酶结合启动子，乳糖操纵子处于关闭状态。当乳糖存在时，乳糖 (或其异构体异乳糖 allolactose) 作为诱导物，与乳糖阻遏蛋白结合，导致阻遏蛋白构象改变，从操纵序列上解离。RNA 聚合酶可以结合启动子，启动乳糖操纵子的转录，合成乳糖代谢所需的酶类，如 β-半乳糖苷酶 (β-galactosidase)、乳糖渗透酶 (lactose permease) 和转乙酰酶 (transacetylase)。

② 可阻遏操纵子 (repressible operon)：通常情况下，操纵子处于开启状态，持续转录，只有在核心阻遏物 (corepressor) 存在时，操纵子才被关闭，转录受到抑制。典型的例子是色氨酸操纵子 (trp operon)。
▮▮▮▮ⓑ 色氨酸操纵子 (trp operon)：调控大肠杆菌色氨酸合成的操纵子。在色氨酸浓度较低时，色氨酸阻遏蛋白 (trp repressor) 处于非活性状态，不能结合操纵序列，RNA 聚合酶可以结合启动子，启动色氨酸操纵子的转录，合成色氨酸合成酶，合成色氨酸。当色氨酸浓度较高时，色氨酸作为核心阻遏物，与色氨酸阻遏蛋白结合，激活阻遏蛋白，使其能够结合操纵序列，阻止 RNA 聚合酶结合启动子，色氨酸操纵子被关闭，色氨酸合成停止。

正调控 (positive control)：激活蛋白参与调控，激活蛋白结合到启动子附近的 DNA 序列，促进 RNA 聚合酶结合启动子，增强转录起始。正调控通常与负调控协同作用，共同调控基因表达。例如，乳糖操纵子也受到 分解代谢物激活蛋白 (catabolite activator protein, CAP) 的正调控。在葡萄糖浓度较低，cAMP 浓度较高时，cAMP 与 CAP 结合形成复合物，结合到乳糖操纵子的启动子区域，增强 RNA 聚合酶的结合，进一步提高乳糖操纵子的转录效率。

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        graph LR
    A[操纵子] --> B{启动子};
    A --> C{操纵序列};
    A --> D{结构基因};
    E[调节基因] --> F{阻遏蛋白};
    F -- 负调控 --> C;
    G[激活蛋白] -- 正调控 --> B;
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style F fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
    style G fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

真核生物基因表达调控：转录因子与表观遗传修饰 (Gene Expression Regulation in Eukaryotes: Transcription Factors and Epigenetic Modifications)

真核生物基因表达调控比原核生物更为复杂，涉及多个层次的调控机制，包括转录调控、RNA 加工调控、翻译调控和蛋白质修饰调控等。其中，转录调控 (transcriptional regulation) 是真核生物基因表达调控的核心环节。

转录因子 (transcription factors) 在真核生物基因转录调控中发挥着关键作用。真核生物细胞中存在大量的转录因子，它们可以与 DNA 特定序列结合，调控基因的转录活性。真核生物转录因子通常具有以下结构域：

① DNA 结合域 (DNA-binding domain, DBD)：负责识别并结合 DNA 特定序列，如启动子、增强子等。常见的 DNA 结合域类型包括锌指结构 (zinc finger)、螺旋-转角-螺旋结构 (helix-turn-helix, HTH)、螺旋-环-螺旋结构 (helix-loop-helix, HLH) 等。

② 激活域 (activation domain, AD) 或 抑制域 (repression domain, RD)：负责与其他蛋白质相互作用，激活或抑制基因转录。激活域可以招募 辅激活因子 (coactivators)，增强转录活性；抑制域可以招募 辅阻遏因子 (corepressors)，抑制转录活性。

③ 二聚化域 (dimerization domain)：促进转录因子形成二聚体或多聚体，增强 DNA 结合能力和调控活性。

真核生物基因的转录调控通常需要多个转录因子的协同作用。转录因子可以与启动子 (promoter) 区域的顺式作用元件 (cis-acting elements) 结合，也可以与远离启动子的 增强子 (enhancer) 或 沉默子 (silencer) 区域结合，通过 DNA 环化等方式影响启动子的转录活性。

表观遗传修饰 (epigenetic modifications) 是指不改变 DNA 序列，但可以遗传的基因表达调控机制。主要的表观遗传修饰包括 DNA 甲基化 (DNA methylation) 和 组蛋白修饰 (histone modifications)。

① DNA 甲基化 (DNA methylation)：是指在 DNA 序列的胞嘧啶 (cytosine, C) 碱基上添加甲基 (CH3) 基团，形成 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC)。在哺乳动物中，DNA 甲基化主要发生在 CpG 二核苷酸序列上。DNA 甲基化通常与基因沉默 (gene silencing) 相关。启动子区域的 CpG 岛 (CpG islands) 高甲基化可以抑制基因的转录起始。DNA 甲基化模式可以通过 DNA 复制 半保留 (semi-conservatively) 传递给子代细胞，实现基因表达的稳定遗传。

② 组蛋白修饰 (histone modifications)：是指组蛋白 N 端尾巴 (histone tails) 上的氨基酸残基发生共价修饰，如 乙酰化 (acetylation)、甲基化 (methylation)、磷酸化 (phosphorylation)、泛素化 (ubiquitylation) 等。组蛋白修饰可以改变染色质的结构状态，影响基因的转录活性。例如，组蛋白乙酰化通常与基因激活相关，可以使染色质结构疏松，促进转录起始；组蛋白甲基化则与基因激活或抑制都相关，取决于甲基化的位点和程度。组蛋白修饰模式也可以通过细胞分裂传递给子代细胞，参与表观遗传调控。

除了 DNA 甲基化和组蛋白修饰，非编码 RNA (non-coding RNA, ncRNA)，如 microRNA (miRNA) 和长链非编码 RNA (long non-coding RNA, lncRNA)，也参与真核生物基因表达调控。miRNA 可以通过与靶 mRNA 结合，抑制 mRNA 的翻译或促进 mRNA 的降解；lncRNA 可以作为支架 (scaffold) 分子，与 DNA、RNA 和蛋白质相互作用，调控基因转录、RNA 加工和染色质结构等。

真核生物基因表达调控是一个复杂而精细的网络，多种调控机制相互协调，共同决定基因的表达模式，从而实现细胞的分化发育和对环境的适应。

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        graph LR
    A[真核生物基因] --> B{启动子};
    A --> C{增强子/沉默子};
    D[转录因子] --> B;
    D --> C;
    E[表观遗传修饰] --> F{染色质结构};
    F -- 影响 --> B;
    G[非编码RNA] -- 调控 --> H{mRNA};
    H -- 影响 --> I{蛋白质};
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style D fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
    style E fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
    style G fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

        
    

5.2 微生物的基因突变与基因转移 (Microbial Mutation and Gene Transfer)

本节将深入探讨微生物基因组的变异机制，包括基因突变 (gene mutation) 和基因转移 (gene transfer)。基因突变是遗传变异的原始来源，而基因转移则加速了微生物基因组的进化和多样化。理解这些机制对于研究微生物的进化、耐药性产生和基因工程应用至关重要。

5.2.1 基因突变 (Gene Mutation)

基因突变的类型 (Types of Gene Mutation)

基因突变 (gene mutation) 是指 DNA 序列发生的可遗传的改变 (heritable change)。基因突变是生物变异的根本来源，也是生物进化的动力。根据突变发生的性质和范围，基因突变可以分为多种类型：

① 点突变 (point mutation)：指 DNA 序列中单个碱基对 (single base pair) 的改变。点突变是最常见的突变类型，可以分为以下几种：
▮▮▮▮ⓑ 碱基置换 (base substitution)：指一个碱基对被另一个碱基对替换。碱基置换又可以分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 转换 (transition)：嘌呤替换为嘌呤 (A↔G)，或嘧啶替换为嘧啶 (C↔T)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 颠换 (transversion)：嘌呤替换为嘧啶 (A↔C, A↔T, G↔C, G↔T)，或嘧啶替换为嘌呤 (C↔A, C↔G, T↔A, T↔G)。
▮▮▮▮ⓔ 移码突变 (frameshift mutation)：指 DNA 序列中插入或缺失非 3 的倍数 (non-multiple of 3) 的碱基对，导致阅读框 (reading frame) 发生改变，从而改变下游氨基酸序列。移码突变通常会导致蛋白质功能完全丧失。
▮▮▮▮ⓕ 无义突变 (nonsense mutation)：指密码子突变成终止密码子 (UAA, UAG, UGA)，导致蛋白质翻译提前终止，产生截短的蛋白质 (truncated protein)，通常功能丧失。
▮▮▮▮ⓖ 错义突变 (missense mutation)：指密码子突变成编码另一种氨基酸的密码子，导致蛋白质中一个氨基酸被替换 (single amino acid substitution)。错义突变对蛋白质功能的影响取决于氨基酸替换的位置和性质。有些错义突变可能对蛋白质功能没有显著影响 (中性突变 neutral mutation)，有些可能导致蛋白质功能部分丧失或增强，甚至完全丧失。
▮▮▮▮ⓗ 同义突变 (silent mutation)：指密码子突变成编码相同氨基酸的密码子，由于遗传密码的简并性，同义突变不改变蛋白质的氨基酸序列，通常对蛋白质功能没有影响。

② 插入突变 (insertion mutation)：指 DNA 序列中插入一段 DNA 片段，可以是单个碱基对 (single base pair) 的插入，也可以是较大 DNA 片段 (large DNA fragment) 的插入，如转座子 (transposon) 插入。

③ 缺失突变 (deletion mutation)：指 DNA 序列中缺失一段 DNA 片段，可以是单个碱基对 (single base pair) 的缺失，也可以是较大 DNA 片段 (large DNA fragment) 的缺失。

④ 大片段重排 (large-scale rearrangements)：指染色体水平上的结构变异，包括：
▮▮▮▮ⓑ 倒位 (inversion)：染色体片段颠倒 180°。
▮▮▮▮ⓒ 易位 (translocation)：染色体片段从一个位置移动到另一个位置，可以是同一染色体内的易位，也可以是不同染色体之间的易位。
▮▮▮▮ⓓ 重复 (duplication)：染色体片段重复出现。
▮▮▮▮ⓔ 大片段缺失 (large deletion)：染色体大片段的缺失。

基因突变的发生机制与诱变剂 (Mechanisms of Gene Mutation and Mutagens)

基因突变的发生可以是自发性的 (spontaneous)，也可以是诱导性的 (induced)。

自发突变 (spontaneous mutation) 是指在正常生长条件下，由于 DNA 复制、DNA 损伤修复等细胞代谢过程中的内在错误 (inherent errors) 导致的突变。自发突变的发生频率通常较低，但由于细胞数量庞大，自发突变仍然是微生物遗传变异的重要来源。自发突变的主要机制包括：

① 碱基互变异构 (tautomeric shifts)：DNA 碱基可以以不同的互变异构体 (tautomers) 形式存在，互变异构体之间的转换可能导致碱基配对错误，如 A-C 配对、G-T 配对等，从而引起碱基置换突变。

② 复制错误 (replication errors)：DNA 聚合酶在复制过程中可能发生碱基插入错误、缺失错误等，导致点突变或移码突变。DNA 聚合酶通常具有校对功能 (proofreading function)，可以纠正复制错误，但校对功能并非完全有效，仍有一定概率发生复制错误。

③ DNA 损伤 (DNA damage)：细胞代谢过程中产生的活性氧 (reactive oxygen species, ROS)、水解作用等可以导致 DNA 损伤，如碱基氧化、脱嘌呤、脱氨基、DNA 链断裂等。DNA 损伤如果不能有效修复，可能导致突变。

诱导突变 (induced mutation) 是指在诱变剂 (mutagen) 的作用下发生的突变。诱变剂是能够提高突变频率的物理或化学因素。常用的诱变剂包括：

① 物理诱变剂 (physical mutagens)：
▮▮▮▮ⓑ 紫外线 (ultraviolet, UV) 辐射：UV 辐射可以被 DNA 吸收，导致嘧啶二聚体 (pyrimidine dimers) 的形成，阻碍 DNA 复制和转录，引起突变。
▮▮▮▮ⓒ 电离辐射 (ionizing radiation)：如 X 射线、γ 射线等，具有高能量，可以直接或间接地损伤 DNA，引起 DNA 链断裂、碱基损伤、染色体畸变等多种突变。

② 化学诱变剂 (chemical mutagens)：
▮▮▮▮ⓑ 碱基类似物 (base analogs)：结构与正常碱基相似的化合物，可以掺入 DNA 中，导致碱基配对错误，引起碱基置换突变。如 5-溴尿嘧啶 (5-bromouracil, 5-BU) 可以代替胸腺嘧啶 (T) 掺入 DNA 中，与腺嘌呤 (A) 或鸟嘌呤 (G) 配对，引起 A-T → G-C 或 G-C → A-T 转换。
▮▮▮▮ⓒ 碱基修饰剂 (base-modifying agents)：可以修饰 DNA 碱基的化学物质，改变碱基的配对特性，引起碱基置换突变。如亚硝酸 (nitrous acid, HNO2) 可以使胞嘧啶 (C) 脱氨基变成尿嘧啶 (U)，导致 C-G → T-A 转换。
▮▮▮▮ⓓ 嵌入剂 (intercalating agents)：可以嵌入 DNA 双螺旋碱基对之间的平面分子，引起 DNA 结构变形，导致 DNA 复制或转录错误，引起移码突变。如吖啶橙 (acridine orange)、溴化乙锭 (ethidium bromide, EB) 等。

突变对微生物表型的影响 (Effects of Mutation on Microbial Phenotype)

基因突变可以导致微生物表型 (phenotype) 发生改变。突变对表型的影响可以是多样的，取决于突变发生的基因和突变的类型。常见的突变表型包括：

① 营养缺陷型 (auxotroph)：由于基因突变导致某种代谢途径受阻，微生物丧失合成某种必需营养物质的能力，需要在培养基中额外添加该营养物质才能生长。例如，氨基酸营养缺陷型、维生素营养缺陷型等。营养缺陷型突变常用于遗传筛选和菌株构建。

② 抗药性 (drug resistance)：由于基因突变导致微生物对某种抗生素或其他药物产生耐药性。抗药性突变是临床医学和公共卫生领域面临的严重问题。抗药性突变的产生机制复杂多样，包括靶位点突变、外排泵增强、药物修饰酶产生等。

③ 形态突变 (morphological mutation)：由于基因突变导致微生物的细胞形态、菌落形态等发生改变。例如，细菌的鞭毛突变可能导致运动能力丧失，荚膜突变可能导致菌落形态改变。

④ 代谢突变 (metabolic mutation)：由于基因突变导致微生物的代谢途径发生改变，如碳源利用能力改变、发酵产物改变等。代谢突变常用于工业微生物菌株的选育和改造。

⑤ 致病性突变 (virulence mutation)：对于病原微生物，基因突变可能影响其致病性。有些突变可能增强病原微生物的致病力 (毒力增强突变 virulence-enhancing mutation)，有些突变可能降低或丧失病原微生物的致病力 (毒力减弱突变 virulence-attenuating mutation)。毒力减弱突变常用于疫苗的开发。

⑥ 条件致死突变 (conditional lethal mutation)：在某种条件下 (如高温、低温、特定营养物质缺乏等) 导致微生物死亡，而在另一种条件下可以正常生长的突变。条件致死突变常用于遗传分析和基因功能研究。

⑦ 回复突变 (reversion mutation)：指突变体再次发生突变，使其表型恢复到野生型 (wild type) 的突变。回复突变可以发生在原突变位点，也可以发生在基因组的其他位点 (抑制突变 suppressor mutation)。回复突变常用于研究突变机制和基因功能。

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        graph LR
    A[基因突变] --> B{点突变};
    A --> C{插入突变};
    A --> D{缺失突变};
    A --> E{大片段重排};
    B --> BA[碱基置换];
    B --> BB[移码突变];
    B --> BC[无义突变];
    B --> BD[错义突变];
    B --> BE[同义突变];
    BA --> BAA[转换];
    BA --> BAB[颠换];
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style B fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

        
    

5.2.2 基因转移：转化 (Gene Transfer: Transformation)

细菌转化的过程与机制 (Process and Mechanism of Bacterial Transformation)

转化 (transformation) 是指感受态细胞 (competent cell) 直接摄取环境中游离 DNA (naked DNA) 分子，并将外源 DNA 整合到自身基因组中，从而获得新的遗传性状的基因转移方式。转化是细菌基因转移的三种主要方式之一 (转化、转导、接合)。

细菌转化的过程通常包括以下几个步骤：

① 感受态细胞的形成 (competence development)：并非所有细菌都能够自然转化，只有感受态细胞 (competent cell) 才具备转化能力。感受态细胞是指处于一种特殊生理状态的细菌细胞，能够主动摄取外源 DNA。感受态的形成是一个复杂的生理过程，受到多种环境因素和基因调控的影响。一些细菌 (如肺炎链球菌 Streptococcus pneumoniae, 枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis, 流感嗜血杆菌 Haemophilus influenzae) 可以自然产生感受态，称为自然感受态 (natural competence)。另一些细菌 (如大肠杆菌 Escherichia coli) 在自然条件下不具备感受态，需要通过人工方法 (artificial competence) 处理，如钙离子处理 (calcium chloride treatment) 或 电穿孔 (electroporation)，才能使其获得转化能力。

② DNA 的结合与摄取 (DNA binding and uptake)：感受态细胞表面存在DNA 受体 (DNA receptor)，可以特异性识别并结合环境中游离的 DNA 分子。DNA 受体通常是细胞表面蛋白，可以识别 DNA 分子的特定序列或结构。DNA 分子结合到细胞表面后，通过DNA 转运系统 (DNA transport system) 被摄取到细胞内。对于革兰氏阳性菌，通常是双链 DNA 分子被摄取，然后一条链被降解，另一条单链 DNA 进入细胞。对于革兰氏阴性菌，通常是双链 DNA 分子被摄取进入周质空间 (periplasmic space)，然后一条链穿过细胞膜进入细胞质。

③ DNA 的整合与重组 (DNA integration and recombination)：进入细胞内的单链 DNA 或双链 DNA 片段，需要通过同源重组 (homologous recombination) 或 非同源重组 (non-homologous recombination) 整合到宿主细胞的基因组中，才能稳定遗传。
▮▮▮▮ⓑ 同源重组 (homologous recombination)：外源 DNA 片段与宿主细胞基因组中具有同源序列 (homologous sequence) 的 DNA 片段发生交换，将外源 DNA 片段整合到基因组中，同时替换掉宿主细胞原有的同源 DNA 片段。同源重组需要 RecA 蛋白 (RecA protein) 等重组酶的参与。同源重组是自然转化中最主要的 DNA 整合方式。
▮▮▮▮ⓒ 非同源重组 (non-homologous recombination)：外源 DNA 片段与宿主细胞基因组中没有明显同源序列 (no obvious homologous sequence) 的 DNA 片段发生整合。非同源重组的机制尚不完全清楚，可能涉及 DNA 连接酶等酶的参与。非同源重组在人工转化中较为常见，尤其是在使用质粒 DNA 进行转化时。

④ 表型表达与选择 (phenotypic expression and selection)：外源 DNA 整合到宿主细胞基因组后，如果外源 DNA 包含新的基因，受体细胞可能会获得新的遗传性状，如抗药性、营养代谢能力改变等。通过选择培养基 (selective medium)，可以筛选出成功转化的细胞。例如，如果外源 DNA 包含抗生素抗性基因，可以在含有该抗生素的培养基上筛选出抗性转化子。

转化在基因工程中的应用 (Application of Transformation in Genetic Engineering)

转化是基因工程中常用的基因导入 (gene delivery) 方法之一，尤其是在细菌基因工程中。通过转化，可以将外源基因 (如目的基因、质粒 DNA) 导入细菌细胞，构建重组菌株 (recombinant strain)，用于基因克隆、基因表达、基因功能研究、蛋白质工程、代谢工程等。

常用的转化方法包括：

① 自然转化 (natural transformation)：利用自然感受态细菌的转化能力，将游离 DNA (通常是质粒 DNA) 与感受态细胞混合，通过培养孵育，促进 DNA 摄取和整合。自然转化方法操作简便，但转化效率相对较低，且只适用于少数自然感受态细菌。

② 钙离子转化 (calcium chloride transformation)：利用钙离子 (Ca2+) 处理细菌细胞，使细胞膜通透性增加，促进 DNA 摄取。钙离子转化方法适用于多种细菌，如大肠杆菌等，转化效率比自然转化高，但仍相对较低。

③ 电穿孔转化 (electroporation transformation)：利用高压脉冲电场处理细菌细胞，在细胞膜上形成瞬时孔道，使 DNA 分子能够通过孔道进入细胞。电穿孔转化方法转化效率高，适用于多种细菌和真核细胞，但操作条件较为苛刻，对细胞损伤较大。

④ 化学转化 (chemical transformation)：利用聚乙二醇 (polyethylene glycol, PEG)、二甲基亚砜 (dimethyl sulfoxide, DMSO) 等化学物质处理细菌细胞，促进 DNA 摄取。化学转化方法操作简便，适用于多种细菌，转化效率介于钙离子转化和电穿孔转化之间。

转化技术的发展和应用，极大地推动了微生物遗传学和基因工程的研究进展，为人类认识生命现象、改造生物功能、开发生物技术产品提供了强大的工具。

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        graph LR
    A[游离DNA] --> B{感受态细胞};
    B --> C{DNA结合};
    C --> D{DNA摄取};
    D --> E{DNA整合};
    E --> F{转化子};
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style F fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

5.2.3 基因转移：转导 (Gene Transfer: Transduction)

转导的类型与噬菌体的作用机制 (Types of Transduction and the Mechanism of Bacteriophages)

转导 (transduction) 是指噬菌体 (bacteriophage) (细菌病毒) 作为媒介，将供体菌 (donor cell) 的 DNA 片段转移到受体菌 (recipient cell) 的基因转移方式。转导是细菌基因转移的三种主要方式之一 (转化、转导、接合)。

根据转导发生的机制和转移 DNA 的范围，转导可以分为两种类型：普遍性转导 (generalized transduction) 和 特殊性转导 (specialized transduction)。

① 普遍性转导 (generalized transduction)：指噬菌体在裂解性周期 (lytic cycle) 中，随机 (randomly) 将供体菌基因组的任何 DNA 片段包装到噬菌体颗粒中，并转移到受体菌的转导方式。普遍性转导的发生频率较低，但可以转移供体菌基因组的任何基因。普遍性转导的机制主要包括：
▮▮▮▮ⓑ DNA 片段包装错误 (packaging error)：在噬菌体裂解性周期中，噬菌体复制并组装新的噬菌体颗粒。在 DNA 包装过程中，有时会发生错误，将供体菌基因组的 DNA 片段 (而不是噬菌体 DNA) 包装到噬菌体衣壳 (capsid) 中，形成转导颗粒 (transducing particle)。转导颗粒中不包含噬菌体基因，因此不具有感染性，但可以携带供体菌的 DNA 片段。
▮▮▮▮ⓒ 转导颗粒感染受体菌 (transducing particle infection)：转导颗粒感染受体菌后，将携带的供体菌 DNA 片段注入受体菌细胞。
▮▮▮▮ⓓ DNA 整合与重组 (DNA integration and recombination)：注入受体菌细胞的供体菌 DNA 片段，通过同源重组等方式整合到受体菌基因组中，受体菌获得新的遗传性状。

② 特殊性转导 (specialized transduction)：指温和噬菌体 (temperate phage) 在溶原性周期 (lysogenic cycle) 中，特异性 (specifically) 将整合在细菌基因组中的前噬菌体 (prophage) 附近的特定基因 (specific genes) 包装到噬菌体颗粒中，并转移到受体菌的转导方式。特殊性转导的发生频率较高，但只能转移前噬菌体附近的特定基因。特殊性转导的机制主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 前噬菌体不精确切离 (imprecise excision of prophage)：温和噬菌体在溶原性周期中，将其 DNA 整合到细菌基因组中，形成前噬菌体。当前噬菌体从细菌基因组中切离，进入裂解性周期时，有时会发生不精确切离，导致前噬菌体附近的细菌基因被错误地切离下来，并与噬菌体 DNA 一起包装到噬菌体颗粒中，形成特殊性转导颗粒 (specialized transducing particle)。特殊性转导颗粒中包含部分噬菌体基因和部分细菌基因。
▮▮▮▮ⓒ 特殊性转导颗粒感染受体菌 (specialized transducing particle infection)：特殊性转导颗粒感染受体菌后，将携带的噬菌体-细菌融合 DNA 注入受体菌细胞。
▮▮▮▮ⓓ DNA 整合与溶原性转化 (DNA integration and lysogenic conversion)：注入受体菌细胞的噬菌体-细菌融合 DNA，通过整合到受体菌基因组中，受体菌获得新的遗传性状。由于特殊性转导颗粒中通常包含部分噬菌体基因，受体菌可能同时获得噬菌体基因和细菌基因，甚至发生溶原性转化 (lysogenic conversion)，即受体菌的表型因整合了噬菌体基因而发生改变。例如，白喉棒状杆菌 (Corynebacterium diphtheriae) 的白喉毒素基因 (diphtheria toxin gene) 就是通过特殊性转导由 β 噬菌体 (β phage) 导入细菌基因组的。

噬菌体 (bacteriophage) 是细菌病毒，结构包括头部 (head) (包含核酸) 和 尾部 (tail) (负责吸附和注入核酸)。噬菌体具有两种生命周期：裂解性周期 (lytic cycle) 和 溶原性周期 (lysogenic cycle)。
▮▮▮▮ⓐ 裂解性周期 (lytic cycle)：噬菌体感染细菌后，利用细菌的代谢系统复制自身 DNA 和蛋白质，组装新的噬菌体颗粒，最终裂解细菌细胞，释放大量子代噬菌体。普遍性转导通常发生在裂解性周期中。
▮▮▮▮ⓑ 溶原性周期 (lysogenic cycle)：温和噬菌体感染细菌后，将其 DNA 整合到细菌基因组中，形成前噬菌体，与细菌基因组一起复制，但不裂解细菌细胞。溶原性细菌 (lysogen) 携带前噬菌体，但通常不表现出噬菌体裂解性周期。在一定条件下 (如 UV 照射、化学诱导等)，前噬菌体可以从细菌基因组中切离，进入裂解性周期。特殊性转导通常发生在溶原性周期向裂解性周期转换的过程中。

转导在细菌进化和基因工程中的作用 (Role of Transduction in Bacterial Evolution and Genetic Engineering)

转导是细菌基因水平转移 (horizontal gene transfer, HGT) 的重要方式之一，在细菌进化和基因组多样化中发挥着重要作用。通过转导，细菌可以快速获得新的基因，如抗药性基因、毒力基因、代谢基因等，从而适应环境变化，增强生存竞争能力。

转导在基因工程中也有重要的应用价值。利用噬菌体作为基因载体 (gene vector)，可以将外源基因导入细菌细胞，构建重组菌株。常用的转导方法包括：

① 噬菌体转导文库 (phage transduction library)：利用普遍性转导，将供体菌基因组 DNA 片段随机包装到噬菌体颗粒中，构建基因组文库 (genomic library)。噬菌体转导文库可以用于基因克隆、基因组分析等。

② 噬菌体展示技术 (phage display technology)：将外源基因 (如抗体基因、肽段基因) 与噬菌体外壳蛋白基因融合，使外源蛋白展示在噬菌体表面。噬菌体展示技术可以用于蛋白质相互作用研究、药物筛选、抗体工程等。

③ 噬菌体治疗 (phage therapy)：利用噬菌体特异性裂解细菌的特性，开发噬菌体治疗细菌感染的新方法。噬菌体治疗在抗生素耐药性日益严重的背景下，受到越来越多的关注。

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        graph LR
    A[噬菌体] --> B{供体菌};
    B --> C{噬菌体感染};
    C --> D{DNA包装错误/不精确切离};
    D --> E{转导颗粒};
    E --> F{受体菌};
    F --> G{DNA注入};
    G --> H{DNA整合};
    H --> I{转导子};
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style I fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

        
    

5.2.4 基因转移：接合 (Gene Transfer: Conjugation)

细菌接合的过程与 F 质粒的作用 (Process of Bacterial Conjugation and the Role of F Plasmid)

接合 (conjugation) 是指供体菌 (donor cell) 和 受体菌 (recipient cell) 之间通过直接接触 (direct cell-to-cell contact)，将质粒 (plasmid) 或染色体 DNA (chromosomal DNA) 从供体菌转移到受体菌的基因转移方式。接合是细菌基因转移的三种主要方式之一 (转化、转导、接合)。接合通常需要接合质粒 (conjugative plasmid) 的参与，最典型的接合质粒是 F 质粒 (fertility factor plasmid, F plasmid)。

细菌接合的过程通常包括以下几个步骤：

① 供体菌与受体菌的配对 (donor-recipient cell pairing)：供体菌 (F+ 菌) 表面具有 F 菌毛 (F pilus) (或称 性菌毛 sex pilus, 接合菌毛 conjugation pilus)，F 菌毛是由 F 质粒编码的蛋白质组成的管状结构。F 菌毛可以识别并结合到受体菌 (F- 菌) 表面，介导供体菌与受体菌的初步接触 (initial contact)。

② 接合管的形成 (conjugation bridge formation)：供体菌与受体菌初步接触后，F 菌毛缩短，将供体菌和受体菌拉近，使细胞膜紧密贴合，形成接合管 (conjugation bridge) 或 胞质桥 (cytoplasmic bridge)。接合管是连接供体菌和受体菌细胞质的通道，DNA 分子可以通过接合管从供体菌转移到受体菌。

③ DNA 的转移与复制 (DNA transfer and replication)：F 质粒 DNA 在供体菌细胞内进行滚环复制 (rolling circle replication)。滚环复制起始于 F 质粒 DNA 的 oriT (origin of transfer) 位点。F 质粒 DNA 的一条链被切开，5' 端进入受体菌细胞，3' 端作为模板，在供体菌细胞内边转移边复制 (transfer and replication simultaneously)，合成一条新的 F 质粒 DNA 链，补充转移出去的链。进入受体菌细胞的单链 F 质粒 DNA，也以自身为模板，合成互补链，形成完整的双链 F 质粒 DNA。

④ 接合完成与细胞分离 (conjugation completion and cell separation)：当一条完整的 F 质粒 DNA 链转移到受体菌细胞后，接合管断裂，供体菌和受体菌分离。原来是 F- 菌的受体菌，由于获得了 F 质粒，转变为 F+ 菌，成为新的供体菌。原来是 F+ 菌的供体菌，由于复制了 F 质粒，仍然是 F+ 菌。

F 质粒 (F plasmid) 是一种大型环状双链 DNA 分子 (large circular double-stranded DNA molecule)，属于接合性质粒 (conjugative plasmid)。F 质粒携带了编码接合所需基因的 tra 区 (transfer region)，包括：
▮▮▮▮ⓐ F 菌毛合成基因 (pilin genes)：编码 F 菌毛的结构蛋白。
▮▮▮▮ⓑ DNA 转移基因 (transfer genes)：编码 DNA 转移所需的酶类和结构蛋白，如滚环复制酶、接合管形成蛋白等。
▮▮▮▮ⓒ 复制起点 (oriV, oriT)：oriV 是复制起始位点，oriT 是转移起始位点。

F 质粒的存在与否决定了细菌的接合类型：
▮▮▮▮ⓐ F+ 菌 (F-positive cell)：携带 F 质粒的细菌，作为供体菌，可以转移 F 质粒或染色体 DNA 给受体菌。
▮▮▮▮ⓑ F- 菌 (F-negative cell)：不携带 F 质粒的细菌，作为受体菌，可以接受来自 F+ 菌的 F 质粒或染色体 DNA。
▮▮▮▮ⓒ Hfr 菌 (high frequency of recombination cell)：F 质粒整合到细菌染色体上的 F+ 菌。Hfr 菌在接合时，可以高频率地将染色体 DNA 转移给受体菌。

接合介导的染色体 DNA 转移与耐药基因传播 (Conjugation-mediated Chromosomal DNA Transfer and Spread of Antibiotic Resistance Genes)

除了 F 质粒自身可以在细菌之间转移外，接合还可以介导染色体 DNA (chromosomal DNA) 的转移。染色体 DNA 转移主要发生在 Hfr 菌 (high frequency of recombination cell) 与 F- 菌之间。

Hfr 菌 (high frequency of recombination cell) 是指 F 质粒通过同源重组 (homologous recombination) 整合到细菌染色体上的 F+ 菌。F 质粒整合到染色体上后，细菌仍然可以进行接合，但接合转移的 DNA 不仅仅是 F 质粒，还包括与 F 质粒整合位点相连的染色体 DNA 片段。

Hfr 菌与 F- 菌接合时，接合过程与 F+ 菌与 F- 菌接合类似，但 DNA 转移的起点是 F 质粒在染色体上的整合位点，转移的 DNA 是线性的染色体 DNA 片段，而不是环状的 F 质粒 DNA。由于染色体 DNA 分子很大，通常在接合管断裂前，只有部分染色体 DNA 片段转移到受体菌细胞。转移到受体菌细胞的线性染色体 DNA 片段，可以通过同源重组整合到受体菌染色体上，受体菌获得新的遗传性状。但由于转移的 DNA 片段通常不包含完整的 F 质粒基因，受体菌通常不会转变为 F+ 菌，仍然是 F- 菌。

接合是抗生素耐药基因 (antibiotic resistance genes) 传播的重要途径之一。许多抗药性基因位于质粒上，尤其是接合性质粒。通过接合，携带抗药性基因的质粒可以在不同细菌之间快速传播，导致抗药性在细菌群体中迅速扩散，加剧了抗生素耐药性问题。例如，R 质粒 (resistance plasmid, R plasmid) 是一种携带多个抗药性基因的接合性质粒，可以在不同种类的细菌之间转移，导致多重耐药菌 (multidrug-resistant bacteria) 的产生和传播。

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        graph LR
    A[F+菌] --> B{F-菌};
    B --> C{F菌毛接触};
    C --> D{接合管形成};
    D --> E{DNA转移};
    E --> F{滚环复制};
    F --> G{接合完成};
    G --> H[F+菌 + F+菌];
    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style H fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

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6. 病毒学 (Virology)

6.1 病毒的结构与分类 (Structure and Classification of Viruses)

6.1.1 病毒的结构组成 (Structural Components of Viruses)

病毒 (virus) 是一类非细胞形态的生命实体，其结构简单，主要由核酸 (nucleic acid) 和蛋白质衣壳 (protein capsid) 构成，有些病毒还具有包膜 (envelope)。了解病毒的结构组成是理解其生物学特性、复制机制和致病性的基础。

① 核酸 (Nucleic Acid)：病毒的遗传物质，可以是 DNA (脱氧核糖核酸) 或 RNA (核糖核酸)，但不能同时存在。根据核酸类型，病毒可分为 DNA 病毒 (DNA viruses) 和 RNA 病毒 (RNA viruses)。
▮▮▮▮ⓑ DNA 病毒 (DNA viruses)：以 DNA 作为遗传物质的病毒。DNA 可以是 双链 DNA (double-stranded DNA, dsDNA) 或 单链 DNA (single-stranded DNA, ssDNA)，线状或环状。例如，痘病毒 (poxviruses)、疱疹病毒 (herpesviruses) 和 乳头瘤病毒 (papillomaviruses) 是常见的 dsDNA 病毒，而 细小病毒 (parvoviruses) 则是 ssDNA 病毒。
▮▮▮▮ⓒ RNA 病毒 (RNA viruses)：以 RNA 作为遗传物质的病毒。RNA 病毒的基因组多样性更高，可以是 双链 RNA (double-stranded RNA, dsRNA) 或 单链 RNA (single-stranded RNA, ssRNA)。ssRNA 病毒又可根据其 RNA 的功能进一步分为 正链 RNA 病毒 (positive-sense RNA viruses, (+)RNA 病毒) 和 负链 RNA 病毒 (negative-sense RNA viruses, (-)RNA 病毒)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 正链 RNA 病毒 ((+)RNA 病毒)：其 RNA 基因组可以直接作为 mRNA (信使 RNA) 进行翻译，合成病毒蛋白质。例如，脊髓灰质炎病毒 (poliovirus)、丙型肝炎病毒 (hepatitis C virus, HCV) 和 寨卡病毒 (Zika virus)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 负链 RNA 病毒 ((-)RNA 病毒)：其 RNA 基因组不能直接作为 mRNA，需要先通过病毒携带的 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 转录成正链 RNA，才能进行翻译。例如，流感病毒 (influenza virus)、狂犬病病毒 (rabies virus) 和 麻疹病毒 (measles virus)。
▮▮▮▮值得注意的是，逆转录病毒 (retroviruses) 是一类特殊的 RNA 病毒，它们具有 逆转录酶 (reverse transcriptase)，可以将 RNA 逆转录成 DNA，再将 DNA 整合到宿主细胞基因组中。人类免疫缺陷病毒 (human immunodeficiency virus, HIV) 就是典型的逆转录病毒。

② 衣壳 (Capsid)：包绕在核酸外层的蛋白质外壳，主要功能是保护核酸免受外界环境的破坏，并介导病毒与宿主细胞的吸附。衣壳由许多亚单位 壳粒 (capsomere) 组成，壳粒的排列方式决定了衣壳的形状，主要有以下几种类型：
▮▮▮▮ⓑ 螺旋对称衣壳 (Helical Symmetry)：壳粒呈螺旋状排列，形成管状结构，核酸包裹在螺旋结构的空腔内。具有螺旋对称衣壳的病毒通常呈杆状或线状。例如，烟草花叶病毒 (tobacco mosaic virus, TMV) 和 狂犬病病毒 (rabies virus)。
▮▮▮▮ⓒ 立方对称衣壳 (Icosahedral Symmetry)：壳粒以正二十面体的方式排列，形成近似球形的结构。正二十面体有 20 个等边三角形面、12 个顶点和 30 条棱，具有高度的对称性。许多动物病毒和植物病毒具有立方对称衣壳，例如，腺病毒 (adenoviruses)、脊髓灰质炎病毒 (poliovirus) 和 疱疹病毒 (herpesviruses)。
▮▮▮▮ⓓ 复合型衣壳 (Complex)：结构复杂，不属于螺旋对称或立方对称。例如，痘病毒 (poxviruses) 和 噬菌体 (bacteriophages)，它们的结构可能包含多种蛋白质层和复杂的外部附件。噬菌体通常具有头部（包含核酸和衣壳）、尾部和尾丝等结构，用于吸附和注入细菌细胞。

③ 包膜 (Envelope)：某些病毒，特别是动物病毒，在衣壳外层还包裹着一层包膜。包膜来源于宿主细胞的细胞膜或内质网膜，主要成分是脂质双分子层 (lipid bilayer)、蛋白质 (proteins) 和糖蛋白 (glycoproteins)。包膜上的糖蛋白通常称为 刺突 (spikes) 或 包膜糖蛋白 (envelope glycoproteins)，参与病毒的吸附、侵入和免疫逃逸等过程。
▮▮▮▮ⓑ 包膜的来源：病毒包膜是在病毒粒子从宿主细胞释放的过程中，通过出芽 (budding) 方式获得的。病毒衣壳包裹核酸后，会与宿主细胞的膜结合，然后从细胞膜或内膜系统（如内质网、高尔基体膜）出芽释放，同时获得包膜。
▮▮▮▮ⓒ 包膜的组成：包膜的脂质成分主要来源于宿主细胞膜，而包膜蛋白则是由病毒基因编码的，并插入到宿主细胞膜上。这些病毒蛋白在病毒的复制和感染过程中发挥重要作用，例如，流感病毒的血凝素 (hemagglutinin, HA) 和 神经氨酸酶 (neuraminidase, NA) 就是重要的包膜糖蛋白，参与病毒的吸附和释放。
▮▮▮▮ⓓ 包膜的功能：包膜病毒通常对外界环境的抵抗力较弱，对脂溶剂、去污剂等敏感，容易失活。但包膜上的糖蛋白可以介导病毒与宿主细胞的特异性结合，增强病毒的感染性，并参与病毒的免疫逃逸。

④ 病毒粒子的组装 (Virus Particle Assembly)：病毒复制的最后阶段是将复制的病毒核酸和合成的衣壳蛋白等组装成完整的病毒粒子，称为 病毒组装 (virus assembly) 或 病毒成熟 (virus maturation)。
▮▮▮▮ⓑ 自组装 (Self-assembly)：许多病毒的组装过程具有自组装特性，即病毒的各个组分（核酸、衣壳蛋白、包膜蛋白等）在适当的条件下可以自发地组装成完整的病毒粒子，无需宿主细胞的酶或复杂机制的参与。
▮▮▮▮ⓒ 组装的步骤：病毒组装通常包括以下步骤：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 前体蛋白的加工 (Processing of precursor proteins)：一些病毒衣壳蛋白或包膜蛋白以多聚蛋白前体的形式合成，需要经过蛋白酶的切割加工才能成为成熟的、具有组装活性的蛋白。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 衣壳的形成 (Capsid formation)：壳粒蛋白亚单位聚集形成衣壳的骨架结构，核酸可能在衣壳形成的同时或之后进入衣壳内部。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 核酸的包装 (Genome packaging)：病毒核酸被选择性地包装到衣壳中，包装信号通常位于病毒核酸上，与衣壳蛋白相互识别。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 包膜的获得 (Envelope acquisition)：对于包膜病毒，衣壳包裹核酸后，会出芽穿过宿主细胞膜，获得包膜，包膜蛋白在出芽过程中整合到包膜上。
▮▮▮▮ⓗ 组装的部位：病毒组装的部位因病毒种类而异，DNA 病毒通常在细胞核内组装，RNA 病毒通常在细胞质内组装，包膜病毒的出芽释放过程则发生在细胞膜或内膜系统。

了解病毒的结构组成，有助于我们认识病毒的生命周期、感染机制和致病原理，为病毒性疾病的诊断、治疗和预防提供理论基础。例如，针对病毒衣壳或包膜蛋白的抗体可以中和病毒，阻止其吸附和侵入宿主细胞；干扰病毒核酸复制的药物可以抑制病毒的繁殖。

6.1.2 病毒的分类系统 (Classification of Viruses)

病毒的分类是一个复杂且不断发展的领域。由于病毒的独特性质（非细胞结构、专性寄生等），传统的生物分类系统（界、门、纲、目、科、属、种）在病毒分类中并不完全适用。目前，国际病毒分类委员会 (International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV) 是病毒分类的权威机构，制定和维护着病毒的分类系统。

① 病毒分类的主要依据 (Main Criteria for Virus Classification)：ICTV 的病毒分类系统主要基于以下几个方面的特征：
▮▮▮▮ⓑ 核酸类型 (Nucleic Acid Type)：病毒基因组的类型是分类的重要依据，包括 DNA 或 RNA，双链或单链，线状或环状，以及分节段或不分节段。这是最基本的分类特征，将病毒分为 DNA 病毒和 RNA 病毒两大类。
▮▮▮▮ⓒ 衣壳结构 (Capsid Structure)：衣壳的形状和对称性是分类的重要特征，包括螺旋对称、立方对称和复合型等。衣壳蛋白的组成和排列方式也具有分类意义。
▮▮▮▮ⓓ 包膜有无 (Presence or Absence of Envelope)：病毒是否具有包膜是分类的重要依据。包膜病毒和裸露病毒在生物学特性、感染方式和对外界环境的抵抗力等方面存在显著差异。
▮▮▮▮ⓔ 复制方式 (Replication Strategy)：病毒的复制方式，特别是基因组复制和 mRNA 合成的机制，是分类的重要依据。例如，RNA 病毒的复制方式多样，正链 RNA 病毒、负链 RNA 病毒和双链 RNA 病毒的复制机制各不相同；逆转录病毒的逆转录过程也是其独特的复制特征。
▮▮▮▮ⓕ 宿主范围 (Host Range)：病毒的宿主范围，即病毒可以感染的生物种类，也是分类的参考依据。病毒可以感染细菌、古菌、真菌、植物和动物等各种生物。
▮▮▮▮ⓖ 基因组序列 (Genome Sequence)：随着分子生物学技术的发展，病毒基因组序列分析成为病毒分类的重要手段。基因组序列的同源性可以反映病毒之间的进化关系，用于构建病毒的系统发育树。

② ICTV 病毒分类系统 (ICTV Virus Classification System)：ICTV 采用层次分类系统，类似于传统的生物分类系统，但层级有所不同。从高到低依次为：界 (Kingdom)、门 (Phylum)、纲 (Class)、目 (Order)、科 (Family)、亚科 (Subfamily)、属 (Genus) 和 种 (Species)。
▮▮▮▮ⓑ 种 (Species)：病毒分类的基本单元。ICTV 对病毒种的定义是：一个病毒种是一个多型的、可自我复制的病毒的类群，并且构成这样的类群的病毒可以被后代谱系所复制，占据特定的生态位。在实际应用中，病毒种的划分通常基于多种特征的综合考虑，包括基因组序列、血清学特性、生物学特性和生态学特性等。病毒种的名称通常用斜体字表示，例如 Human immunodeficiency virus 1。
▮▮▮▮ⓒ 属 (Genus)：由具有共同特征的病毒种组成的类群。属的名称通常以 -virus 结尾，例如 Lentivirus 属（慢病毒属），HIV 属于该属。
▮▮▮▮ⓓ 科 (Family)：由具有共同特征的病毒属组成的类群。科的名称通常以 -viridae 结尾，例如 Retroviridae 科（逆转录病毒科），慢病毒属属于该科。
▮▮▮▮ⓔ 目 (Order)：由具有共同特征的病毒科组成的类群。目的名称通常以 -virales 结尾，例如 Picornavirales 目（小 RNA 病毒目）。
▮▮▮▮ⓕ 纲 (Class)、门 (Phylum)、界 (Kingdom)：更高级别的分类单元，用于反映病毒的进化关系。随着对病毒多样性和进化认识的深入，ICTV 分类系统也在不断完善和扩展，高级别的分类单元也在逐步建立。例如，目前已建立了 Riboviria 界（RNA 病毒界）和 Duplodnaviria 界（双链 DNA 病毒界）等。

③ 病毒的命名 (Virus Nomenclature)：病毒的命名是一个复杂的问题，历史上曾出现过多种命名方式，例如，根据疾病名称（如天花病毒）、宿主名称（如噬菌体）、地理位置（如埃博拉病毒）或发现者名称等命名。ICTV 致力于建立统一的病毒命名系统，但由于历史原因和病毒的多样性，目前仍存在一些命名不规范的情况。
▮▮▮▮ⓑ 二名法 (Binomial Nomenclature)：类似于生物的二名法，病毒种的名称由属名和种名两部分组成，例如 Human immunodeficiency virus 1。
▮▮▮▮ⓒ 通用名 (Common Name)：许多病毒除了正式的学名外，还有通用的俗名，例如，流感病毒、狂犬病病毒、乙肝病毒等。这些通用名在日常交流和医学实践中广泛使用。
▮▮▮▮ⓓ 缩写 (Abbreviations)：病毒的名称通常较长，为了方便使用，常采用缩写形式，例如，HIV（人类免疫缺陷病毒）、HCV（丙型肝炎病毒）、HBV（乙型肝炎病毒）等。

了解病毒的分类系统，有助于我们系统地认识病毒的多样性和进化关系，为病毒性疾病的防控和研究提供框架。ICTV 分类系统是一个动态的系统，随着新的病毒不断被发现和研究深入，病毒分类系统也在不断更新和完善。通过对病毒进行分类，可以更好地理解病毒的起源、进化、传播和致病机制，为开发有效的抗病毒策略提供科学依据。

6.2 病毒的复制与感染 (Viral Replication and Infection)

6.2.1 病毒的复制周期 (Viral Replication Cycle)

病毒是专性细胞内寄生微生物，必须依赖宿主细胞的代谢 machinery (机器) 才能进行复制。病毒的复制周期 (viral replication cycle) 是指病毒从吸附宿主细胞开始，到产生新的病毒粒子并释放的过程。根据病毒种类和宿主细胞的不同，复制周期可能有所差异，但基本步骤是相似的，通常包括 吸附 (attachment)、侵入 (penetration)、脱壳 (uncoating)、生物合成 (biosynthesis)、组装 (assembly) 和 释放 (release) 六个阶段。

① 吸附 (Attachment)：病毒复制周期的第一步是病毒粒子吸附到宿主细胞表面。病毒的吸附具有高度的特异性，通常依赖于病毒表面的 吸附蛋白 (attachment proteins) 或 包膜糖蛋白 (envelope glycoproteins) 与宿主细胞表面 受体 (receptors) 之间的特异性结合。
▮▮▮▮ⓑ 受体的特异性 (Receptor Specificity)：宿主细胞表面的受体通常是细胞正常生理功能所需的分子，例如，蛋白质、糖蛋白、糖脂等。不同的病毒识别和结合不同的受体，决定了病毒的宿主范围和组织嗜性 (tissue tropism)。例如，HIV 主要感染 CD4+ T 淋巴细胞 (CD4+ T lymphocytes)，因为 HIV 包膜糖蛋白 gp120 可以特异性结合 CD4+ T 细胞表面的 CD4 分子 (CD4 molecule) 和 辅助受体 (co-receptors)（如 CCR5 或 CXCR4）。流感病毒 的 血凝素 (HA) 可以结合呼吸道上皮细胞表面的 唾液酸 (sialic acid) 受体。
▮▮▮▮ⓒ 吸附的方式 (Attachment Mechanisms)：病毒吸附的方式多样，有些病毒通过静电相互作用、疏水相互作用或氢键等非共价键结合受体，有些病毒的吸附蛋白具有多价结合位点，可以增强吸附的强度和特异性。吸附过程通常是可逆的，但一旦病毒与受体结合紧密，就会启动下一步的侵入过程。

② 侵入 (Penetration)：病毒吸附到宿主细胞后，需要穿过细胞膜进入细胞内部，这个过程称为侵入。病毒侵入细胞的方式因病毒种类和宿主细胞类型而异，主要有以下几种方式：
▮▮▮▮ⓑ 直接穿膜 (Direct Penetration)：某些小型裸露病毒，如 脊髓灰质炎病毒 (poliovirus)，吸附到细胞表面后，可以直接穿过细胞膜，将核酸注入细胞质内，衣壳则留在细胞外。
▮▮▮▮ⓒ 胞吞作用 (Endocytosis)：许多病毒，包括裸露病毒和包膜病毒，通过胞吞作用侵入细胞。病毒吸附到细胞表面后，诱导细胞膜内陷，形成 胞吞小泡 (endocytic vesicle)，将病毒包裹在小泡内进入细胞。胞吞作用又可分为 网格蛋白介导的胞吞 (clathrin-mediated endocytosis)、小窝蛋白介导的胞吞 (caveolin-mediated endocytosis) 和 巨胞饮作用 (macropinocytosis) 等不同类型。例如，流感病毒 和 腺病毒 主要通过网格蛋白介导的胞吞侵入细胞。
▮▮▮▮ⓓ 膜融合 (Membrane Fusion)：包膜病毒特有的侵入方式。病毒包膜与宿主细胞膜融合，将病毒核衣壳释放到细胞质内。膜融合可以发生在细胞表面，也可以发生在胞吞小泡内。例如，HIV 的包膜糖蛋白 gp41 介导病毒包膜与细胞膜的融合；流感病毒 在胞吞小泡的酸性环境下，血凝素 (HA) 发生构象变化，介导病毒包膜与内体膜的融合。

③ 脱壳 (Uncoating)：病毒侵入细胞后，需要将核酸从衣壳或包膜中释放出来，暴露病毒基因组，以便进行后续的复制和表达，这个过程称为脱壳。脱壳的部位和机制因病毒种类而异。
▮▮▮▮ⓑ 脱壳的部位 (Location of Uncoating)：脱壳可以发生在细胞质内，也可以发生在细胞核内。DNA 病毒通常需要在细胞核内完成复制，因此，许多 DNA 病毒在侵入细胞后，会将核酸运输到细胞核内进行脱壳。RNA 病毒的复制通常在细胞质内进行，因此，RNA 病毒的脱壳通常发生在细胞质内。
▮▮▮▮ⓒ 脱壳的机制 (Mechanisms of Uncoating)：脱壳的机制多样，可以依赖于宿主细胞的酶，也可以依赖于病毒自身的酶。例如，溶酶体酶 (lysosomal enzymes) 可以降解病毒衣壳或包膜，促进核酸释放。某些病毒的衣壳蛋白具有 脱壳酶活性 (uncoating enzyme activity)，可以自身催化脱壳过程。HIV 的脱壳过程较为复杂，可能发生在细胞质内，也可能在病毒逆转录酶的作用下，在逆转录复合体中完成。

④ 生物合成 (Biosynthesis)：脱壳后，病毒基因组释放出来，开始利用宿主细胞的代谢系统和原料，合成病毒的各种组分，包括 病毒核酸 (viral nucleic acids) 和 病毒蛋白质 (viral proteins)。生物合成是病毒复制周期的核心阶段，不同类型的病毒，其生物合成的机制和场所差异较大。
▮▮▮▮ⓑ DNA 病毒的生物合成 (Biosynthesis of DNA Viruses)：大多数 DNA 病毒的复制和基因表达发生在细胞核内，利用宿主细胞的 DNA 聚合酶、RNA 聚合酶和核糖体等 machinery。DNA 病毒的复制过程类似于细胞 DNA 复制，但有些 DNA 病毒，如 痘病毒 (poxviruses)，具有自身编码的 DNA 聚合酶和 RNA 聚合酶，可以在细胞质内完成复制。DNA 病毒的基因表达通常分为 早期基因 (early genes) 和 晚期基因 (late genes)。早期基因编码调控蛋白和酶，参与病毒 DNA 复制和早期 mRNA 合成；晚期基因编码结构蛋白，用于病毒粒子的组装。
▮▮▮▮ⓒ RNA 病毒的生物合成 (Biosynthesis of RNA Viruses)：RNA 病毒的复制和基因表达主要发生在细胞质内。RNA 病毒的复制机制多样，不同类型的 RNA 病毒，其复制策略差异很大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 正链 RNA 病毒 ((+)RNA 病毒)：其 RNA 基因组可以直接作为 mRNA 进行翻译，合成病毒蛋白质。同时，利用病毒编码的 RNA 依赖的 RNA 聚合酶 (RNA-dependent RNA polymerase, RdRp)，以正链 RNA 为模板，合成负链 RNA 中间体，再以负链 RNA 为模板，合成新的正链 RNA 基因组。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 负链 RNA 病毒 ((-)RNA 病毒)：其 RNA 基因组不能直接作为 mRNA，需要先通过病毒携带的 RdRp 转录成正链 RNA，作为 mRNA 进行翻译，合成病毒蛋白质。同时，利用 RdRp 以负链 RNA 为模板，合成正链 RNA 中间体，再以正链 RNA 为模板，合成新的负链 RNA 基因组。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 双链 RNA 病毒 (dsRNA viruses)：其复制机制较为复杂，通常在细胞质内的 病毒复制工厂 (viral replication factories) 中进行。利用病毒携带的 RdRp，以 dsRNA 的负链为模板，转录合成正链 RNA，作为 mRNA 进行翻译，并作为合成新的 dsRNA 基因组的中间体。
▮▮▮▮ⓖ 逆转录病毒的生物合成 (Biosynthesis of Retroviruses)：逆转录病毒的复制过程独特，需要经过 逆转录 (reverse transcription) 过程。病毒 RNA 基因组进入细胞后，利用病毒携带的 逆转录酶 (reverse transcriptase, RT)，以 RNA 为模板，合成 互补 DNA (complementary DNA, cDNA)，再以 cDNA 为模板，合成 双链 DNA (dsDNA)。dsDNA 进入细胞核，整合到宿主细胞基因组中，成为 前病毒 (provirus)。前病毒可以长期潜伏在宿主细胞内，也可以转录合成病毒 RNA 基因组和 mRNA，指导病毒蛋白质的合成。

⑤ 组装 (Assembly)：生物合成阶段产生大量的病毒核酸和蛋白质组分，需要将这些组分组装成完整的病毒粒子。组装是一个高度有序和精确的过程，通常具有自组装特性。组装的部位因病毒种类而异，DNA 病毒通常在细胞核内组装，RNA 病毒通常在细胞质内组装。
▮▮▮▮ⓑ 裸露病毒的组装 (Assembly of Non-enveloped Viruses)：裸露病毒的组装相对简单，通常是衣壳蛋白亚单位自发聚集形成衣壳，然后核酸进入衣壳内部，形成完整的病毒粒子。例如，脊髓灰质炎病毒 (poliovirus) 的衣壳蛋白 VP1、VP2、VP3 先形成前体结构，再聚集形成五聚体，最后 12 个五聚体组装成正二十面体衣壳，病毒 RNA 基因组在衣壳组装过程中或之后进入衣壳。
▮▮▮▮ⓒ 包膜病毒的组装 (Assembly of Enveloped Viruses)：包膜病毒的组装过程较为复杂，需要将衣壳、核酸和包膜组装在一起。包膜病毒的包膜蛋白在宿主细胞膜上合成和修饰，然后运输到特定的细胞膜区域。病毒核衣壳在细胞质内组装完成后，会移动到包膜蛋白富集的细胞膜区域，通过出芽方式获得包膜。例如，流感病毒 (influenza virus) 的血凝素 (HA) 和神经氨酸酶 (NA) 包膜糖蛋白在宿主细胞膜上合成，病毒 RNA 基因组与核蛋白 NP 和 RNA 聚合酶等结合形成核糖核蛋白复合体 (RNP)，RNP 与 M1 蛋白结合后，移动到细胞膜表面，出芽形成病毒粒子。

⑥ 释放 (Release)：病毒复制周期的最后一步是将组装好的病毒粒子从宿主细胞中释放出来，以便感染新的宿主细胞。病毒释放的方式主要有两种：
▮▮▮▮ⓑ 细胞裂解 (Cell Lysis)：裸露病毒通常通过细胞裂解的方式释放。病毒在细胞内大量复制，最终导致宿主细胞破裂，释放出大量的病毒粒子。细胞裂解通常会引起细胞死亡，并可能导致炎症反应。例如，脊髓灰质炎病毒 (poliovirus) 和 腺病毒 (adenoviruses) 主要通过细胞裂解释放。
▮▮▮▮ⓒ 出芽释放 (Budding)：包膜病毒通常通过出芽释放的方式。病毒核衣壳与宿主细胞膜结合，从细胞膜出芽，形成包膜，同时将病毒粒子释放出来。出芽释放通常不会立即导致细胞死亡，宿主细胞可以持续产生病毒粒子，但长期感染也可能对细胞造成损伤。例如，流感病毒 (influenza virus)、HIV 和 疱疹病毒 (herpesviruses) 主要通过出芽释放。

不同类型的病毒，其复制周期在细节上有所差异，但基本步骤是相似的。了解病毒的复制周期，有助于我们认识病毒的生命活动规律，为开发抗病毒药物和疫苗提供靶点。例如，可以开发抑制病毒吸附、侵入、脱壳、复制、组装或释放的药物，也可以通过疫苗诱导机体产生抗体，阻止病毒吸附和侵入宿主细胞。

6.2.2 病毒感染的类型与致病机制 (Types of Viral Infections and Pathogenic Mechanisms)

病毒感染宿主细胞后，可以引起多种类型的感染，并导致不同的致病效应。根据感染的持续时间和对宿主细胞的影响，病毒感染可分为 溶细胞性感染 (lytic infection)、持续性感染 (persistent infection)、潜伏性感染 (latent infection) 和 转化性感染 (transforming infection) 等类型。病毒的致病机制复杂多样，主要包括 细胞损伤 (cell damage) 和 免疫病理反应 (immunopathology) 等方面。

① 病毒感染的类型 (Types of Viral Infections)：
▮▮▮▮ⓑ 溶细胞性感染 (Lytic Infection)：也称为 急性感染 (acute infection)。病毒感染后，在宿主细胞内大量复制，最终导致细胞裂解死亡，释放出大量新的病毒粒子，感染新的细胞。溶细胞性感染通常发病迅速，病程较短，但病情可能较重。例如，流感病毒 (influenza virus)、脊髓灰质炎病毒 (poliovirus) 和 腺病毒 (adenoviruses) 等引起的感染多为溶细胞性感染。溶细胞性感染的特点包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 病毒复制活跃 (Active viral replication)：病毒在宿主细胞内高效复制，产生大量的病毒粒子。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 细胞损伤和死亡 (Cell damage and death)：病毒复制和释放过程导致宿主细胞结构和功能破坏，最终细胞裂解死亡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 炎症反应 (Inflammatory response)：细胞死亡和病毒产物释放，激活免疫系统，引起炎症反应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 病程短 (Short duration)：感染通常在数天或数周内结束，宿主可以清除病毒或死亡。
▮▮▮▮ⓖ 持续性感染 (Persistent Infection)：病毒感染后，病毒在宿主细胞内持续存在，并不断释放病毒粒子，但宿主细胞不立即死亡，可以长期存活。持续性感染通常病程较长，病情较轻或隐匿，但可能导致慢性疾病。持续性感染又可分为 慢性感染 (chronic infection) 和 慢病毒感染 (slow infection)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 慢性感染 (Chronic Infection)：病毒持续复制，病毒产量相对较低，宿主细胞功能受到一定影响，但细胞不立即死亡。例如，乙型肝炎病毒 (hepatitis B virus, HBV) 和 丙型肝炎病毒 (hepatitis C virus, HCV) 引起的慢性肝炎，HIV 引起的慢性感染。慢性感染的特点包括：
▮▮▮▮ⓘ 病毒持续复制 (Persistent viral replication)：病毒在宿主细胞内持续复制，但复制水平可能较低。
▮▮▮▮ⓙ 宿主细胞存活 (Host cell survival)：宿主细胞可以长期存活，但功能可能受到影响。
▮▮▮▮ⓚ 病程长 (Long duration)：感染持续数月、数年甚至终生。
▮▮▮▮ⓛ 慢性疾病 (Chronic diseases)：长期感染可能导致慢性炎症、组织损伤和器官功能障碍。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 慢病毒感染 (Slow Infection)：潜伏期很长，感染后数月、数年甚至数十年才发病，一旦发病，病情进展缓慢，但最终致命。例如，亚急性硬化性全脑炎 (subacute sclerosing panencephalitis, SSPE) 是 麻疹病毒 (measles virus) 引起的慢病毒感染；进行性多灶性白质脑病 (progressive multifocal leukoencephalopathy, PML) 是 JC 病毒 (JC virus) 引起的慢病毒感染；朊病毒 (prions) 引起的 克雅病 (Creutzfeldt-Jakob disease, CJD) 也属于慢病毒感染。慢病毒感染的特点包括：
▮▮▮▮ⓝ 潜伏期长 (Long incubation period)：感染后数月、数年甚至数十年才发病。
▮▮▮▮ⓞ 病情进展缓慢 (Slow disease progression)：发病后病情进展缓慢，但最终致命。
▮▮▮▮ⓟ 神经系统受累 (Neurological involvement)：许多慢病毒感染主要累及神经系统，引起神经退行性疾病。
▮▮▮▮ⓠ 潜伏性感染 (Latent Infection)：病毒感染后，病毒基因组整合到宿主细胞基因组中，或以 附加体 (episome) 的形式存在于细胞核内，病毒基因组保持静止状态，不复制、不表达或表达极少，宿主细胞无明显病变，病毒处于潜伏状态。在一定条件下（如免疫抑制、应激等），潜伏病毒可以被激活，重新开始复制，引起疾病复发。例如，疱疹病毒 (herpesviruses) 引起的感染多为潜伏性感染，如 单纯疱疹病毒 (herpes simplex virus, HSV) 引起的 唇疱疹 (cold sores) 和 生殖器疱疹 (genital herpes)，水痘-带状疱疹病毒 (varicella-zoster virus, VZV) 引起的 水痘 (chickenpox) 和 带状疱疹 (shingles)，EB 病毒 (Epstein-Barr virus, EBV) 引起的 传染性单核细胞增多症 (infectious mononucleosis) 和 鼻咽癌 (nasopharyngeal carcinoma)。潜伏性感染的特点包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 病毒基因组潜伏 (Latent viral genome)：病毒基因组整合到宿主细胞基因组或以附加体形式存在。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 病毒复制静止 (Dormant viral replication)：病毒基因组不复制或复制极少，病毒蛋白表达极少或不表达。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 宿主细胞无明显病变 (No apparent host cell damage)：宿主细胞功能基本正常，无明显病变。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 病毒激活和复发 (Viral reactivation and recurrence)：在一定条件下，潜伏病毒可以被激活，重新开始复制，引起疾病复发。
▮▮▮▮ⓥ 转化性感染 (Transforming Infection)：某些病毒，特别是 肿瘤病毒 (oncoviruses)，感染宿主细胞后，可以诱导细胞发生 转化 (transformation)，使细胞获得永生性 (immortality) 和肿瘤性 (tumorigenicity)，导致肿瘤发生。转化性感染通常与病毒基因整合和病毒癌基因 (viral oncogenes) 的表达有关。例如，人乳头瘤病毒 (human papillomavirus, HPV) 与 宫颈癌 (cervical cancer) 的发生密切相关；乙型肝炎病毒 (HBV) 和 丙型肝炎病毒 (HCV) 与 肝细胞癌 (hepatocellular carcinoma) 的发生有关；EB 病毒 (EBV) 与 鼻咽癌 (nasopharyngeal carcinoma) 和 淋巴瘤 (lymphoma) 的发生有关；人类嗜 T 淋巴细胞病毒 1 型 (human T-cell lymphotropic virus type 1, HTLV-1) 与 成人 T 细胞白血病 (adult T-cell leukemia) 的发生有关。转化性感染的特点包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 细胞转化 (Cellular transformation)：病毒感染诱导宿主细胞发生转化，获得永生性和肿瘤性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 病毒基因整合 (Viral gene integration)：病毒基因组通常整合到宿主细胞基因组中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 肿瘤发生 (Tumorigenesis)：转化细胞异常增殖，形成肿瘤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 潜伏期长 (Long latency period)：肿瘤发生通常需要较长的潜伏期，可能数年甚至数十年。

② 病毒的致病机制 (Pathogenic Mechanisms of Viruses)：病毒的致病机制复杂多样，主要通过以下几种方式引起疾病：
▮▮▮▮ⓑ 细胞损伤 (Cell Damage)：病毒复制直接损伤宿主细胞，是病毒致病的主要机制之一。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 细胞病变效应 (Cytopathic effect, CPE)：病毒复制引起的宿主细胞形态、结构和功能异常，如细胞肿胀、变圆、溶解、融合、形成合胞体 (syncytia) 或包涵体 (inclusion bodies) 等。CPE 是病毒感染的直接细胞损伤效应，是病毒诊断的重要依据。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 细胞功能障碍 (Cellular dysfunction)：病毒感染可以干扰宿主细胞的正常代谢和功能，如抑制细胞 DNA、RNA 和蛋白质合成，改变细胞膜的通透性，影响细胞信号转导等，导致细胞功能障碍。
▮▮▮▮ⓔ 免疫病理反应 (Immunopathology)：宿主免疫系统对病毒感染的免疫应答，在清除病毒的同时，也可能对自身组织造成损伤，引起免疫病理反应。免疫病理反应是病毒致病的重要机制之一，有时甚至比病毒的直接细胞损伤更严重。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 细胞免疫病理 (Cell-mediated immunopathology)：细胞毒性 T 淋巴细胞 (cytotoxic T lymphocytes, CTLs) 介导的免疫应答，在清除病毒感染细胞的同时，也可能损伤正常组织细胞。例如，乙型肝炎病毒 (HBV) 感染引起的肝损伤，部分是由于 CTLs 介导的免疫病理反应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 体液免疫病理 (Humoral immunopathology)：抗体介导的免疫应答，如 免疫复合物沉积 (immune complex deposition) 和 抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用 (antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC)，也可能引起组织损伤。例如，登革病毒 (dengue virus) 感染引起的 登革出血热 (dengue hemorrhagic fever)，部分是由于抗体介导的免疫病理反应。
▮▮▮▮ⓗ 病毒毒力因子 (Viral Virulence Factors)：病毒编码的一些蛋白质分子，可以直接或间接地增强病毒的致病性，称为病毒毒力因子。病毒毒力因子可以影响病毒的复制效率、传播能力、细胞损伤能力和免疫逃逸能力等。例如，流感病毒 (influenza virus) 的 血凝素 (HA) 和 神经氨酸酶 (NA) 是重要的毒力因子，影响病毒的吸附、侵入和释放；HIV 的 gp120 和 gp41 包膜糖蛋白，以及 Tat 和 Nef 调控蛋白，都是重要的毒力因子，影响病毒的感染性、复制效率和免疫逃逸能力。
▮▮▮▮ⓘ 宿主因素 (Host Factors)：宿主的遗传背景、免疫状态、年龄、营养状况和合并症等因素，也会影响病毒感染的病程和预后。例如，免疫缺陷个体更容易发生机会性病毒感染，病情也更严重；老年人和婴幼儿对某些病毒感染的抵抗力较弱，容易发生重症。

病毒感染的类型和致病机制是复杂多样的，不同病毒的致病性差异很大。了解病毒的感染类型和致病机制，有助于我们认识病毒性疾病的发病规律，为病毒性疾病的诊断、治疗和预防提供理论指导。例如，针对溶细胞性感染，可以采取抗病毒治疗，抑制病毒复制，减轻细胞损伤；针对免疫病理反应，可以采取免疫调节治疗，减轻免疫损伤；针对肿瘤病毒感染，可以采取抗肿瘤治疗和预防措施。

6.3 重要的病毒性疾病 (Important Viral Diseases)

6.3.1 呼吸道病毒感染：流感病毒 (Respiratory Viral Infections: Influenza Virus)

流行性感冒 (influenza)，简称 流感 (flu)，是由 流感病毒 (influenza virus) 引起的急性呼吸道传染病。流感病毒具有高度的变异性，容易引起季节性流行和全球性大流行，对人类健康和社会经济造成严重威胁。

① 流感病毒的特点 (Characteristics of Influenza Virus)：流感病毒属于 正黏病毒科 (Orthomyxoviridae)，根据 核蛋白 (nucleoprotein, NP) 和 基质蛋白 (matrix protein, M) 的抗原性差异，分为 甲型 (A型)、乙型 (B型)、丙型 (C型) 和 丁型 (D型) 四个型别。其中，甲型流感病毒变异性最强，宿主范围广，是引起流感大流行的主要病原；乙型流感病毒变异性较甲型弱，主要在人群中传播，引起季节性流行；丙型流感病毒主要引起散发病例，病情较轻；丁型流感病毒主要感染猪和牛，尚未发现感染人类。
▮▮▮▮ⓑ 结构特点 (Structure)：流感病毒是 包膜病毒 (enveloped virus)，呈球形或丝状，直径约 80-120 nm。病毒基因组为 分节段的负链 RNA (segmented negative-sense RNA)，甲型和乙型流感病毒基因组由 8 个 RNA 片段组成，丙型流感病毒基因组由 7 个 RNA 片段组成。病毒包膜上有两种重要的糖蛋白 刺突 (spikes)：血凝素 (hemagglutinin, HA) 和 神经氨酸酶 (neuraminidase, NA)。HA 介导病毒吸附到宿主细胞，NA 促进病毒从宿主细胞释放。
▮▮▮▮ⓒ 抗原变异性 (Antigenic Variation)：流感病毒具有高度的抗原变异性，是其引起反复感染和流行的主要原因。抗原变异主要发生在 HA 和 NA 糖蛋白上，分为 抗原漂移 (antigenic drift) 和 抗原转变 (antigenic shift) 两种类型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 抗原漂移 (Antigenic Drift)：由于 RNA 病毒 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 缺乏校对功能，复制过程中容易发生 点突变 (point mutations)，导致 HA 和 NA 基因序列发生微小变异，抗原性发生轻微改变。抗原漂移是流感病毒季节性流行的主要原因，也是流感疫苗需要每年更新换代的原因。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 抗原转变 (Antigenic Shift)：发生在甲型流感病毒中。当不同亚型的甲型流感病毒同时感染同一宿主细胞时，不同病毒基因组片段可能发生 基因重配 (genetic reassortment)，产生新的 HA 或 NA 亚型，导致抗原性发生巨大改变。抗原转变是流感病毒引起全球性大流行的主要原因，因为人群对新的抗原亚型普遍缺乏免疫力。例如，2009 年 甲型 H1N1 流感大流行 (2009 H1N1 influenza pandemic) 就是由于猪流感病毒、禽流感病毒和人流感病毒基因重配产生新的 H1N1 亚型病毒引起的。
▮▮▮▮ⓕ 亚型分类 (Subtype Classification)：甲型流感病毒根据 HA 和 NA 糖蛋白的抗原性差异进行亚型分类。目前已发现 18 种 HA 亚型 (H1-H18) 和 11 种 NA 亚型 (N1-N11)。不同 HA 和 NA 亚型的组合构成不同的甲型流感病毒亚型，例如，H1N1、H3N2、H5N1、H7N9 等。

② 流行病学 (Epidemiology)：流感病毒主要通过 呼吸道飞沫 (respiratory droplets) 和 密切接触 (close contact) 传播。流感具有高度的传染性，人群普遍易感。流感在全球范围内呈季节性流行，在温带地区，流感主要发生在冬春季；在热带地区，流感流行季节性不明显，全年均可发生。
▮▮▮▮ⓑ 传播途径 (Transmission Routes)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 呼吸道飞沫传播 (Droplet transmission)：患者咳嗽、打喷嚏或说话时产生的飞沫中含有病毒，易感人群吸入含有病毒的飞沫后可能被感染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 接触传播 (Contact transmission)：病毒可以污染物体表面，易感人群接触被病毒污染的物体表面后，再接触口、鼻或眼睛黏膜，也可能被感染。
▮▮▮▮ⓔ 易感人群 (Susceptible Population)：人群对流感普遍易感，但 老年人 (elderly)、儿童 (children)、孕妇 (pregnant women) 和 慢性病患者 (chronic disease patients) 属于高危人群，感染后容易发生并发症，病情较重。
▮▮▮▮ⓕ 季节性流行 (Seasonal Epidemics)：流感在全球范围内呈季节性流行，在温带地区，流感流行高峰通常在冬季和早春；在热带和亚热带地区，流感流行季节性不明显，全年均可发生，但雨季或潮湿季节可能更易流行。

③ 致病机制 (Pathogenesis)：流感病毒主要感染 呼吸道上皮细胞 (respiratory epithelial cells)，引起 急性呼吸道炎症 (acute respiratory inflammation)。病毒感染导致上皮细胞坏死脱落，破坏呼吸道黏膜屏障，引起局部炎症反应和全身症状。
▮▮▮▮ⓑ 病毒感染和复制 (Viral Infection and Replication)：流感病毒通过 HA 糖蛋白吸附到呼吸道上皮细胞表面的 唾液酸 (sialic acid) 受体，侵入细胞后，在细胞内复制。病毒复制导致细胞损伤和死亡。
▮▮▮▮ⓒ 炎症反应 (Inflammatory Response)：病毒感染引起局部炎症反应，释放 细胞因子 (cytokines) 和 趋化因子 (chemokines)，如 干扰素 (interferon, IFN)、肿瘤坏死因子 α (tumor necrosis factor-α, TNF-α) 和 白细胞介素 (interleukins, ILs) 等，导致发热、头痛、肌肉酸痛等全身症状。炎症反应也有助于清除病毒，但过度的炎症反应也可能导致组织损伤。
▮▮▮▮ⓓ 继发性细菌感染 (Secondary Bacterial Infection)：流感病毒感染破坏呼吸道黏膜屏障，容易继发细菌感染，特别是 肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae)、金黄色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus) 和 流感嗜血杆菌 (Haemophilus influenzae) 等细菌感染，引起 细菌性肺炎 (bacterial pneumonia)、中耳炎 (otitis media) 和 鼻窦炎 (sinusitis) 等并发症。细菌性肺炎是流感最常见的严重并发症，也是导致流感死亡的主要原因。

④ 临床表现 (Clinical Manifestations)：流感的典型临床表现为 突发高热 (sudden onset of high fever)、畏寒 (chills)、头痛 (headache)、肌肉酸痛 (muscle aches)、乏力 (fatigue) 和 咳嗽 (cough) 等全身症状和呼吸道症状。
▮▮▮▮ⓑ 全身症状 (Systemic Symptoms)：突发高热，体温可达 39-40℃，畏寒、寒战，头痛、全身肌肉酸痛、关节痛，乏力、食欲不振等。
▮▮▮▮ⓒ 呼吸道症状 (Respiratory Symptoms)：咳嗽，通常为干咳，也可有少量痰液，咽痛、鼻塞、流涕等。
▮▮▮▮ⓓ 并发症 (Complications)：流感可能引起多种并发症，包括 肺炎 (pneumonia)、支气管炎 (bronchitis)、中耳炎 (otitis media)、鼻窦炎 (sinusitis)、心肌炎 (myocarditis)、脑炎 (encephalitis) 和 Reye 综合征 (Reye's syndrome) 等。肺炎是流感最常见的并发症，也是导致流感死亡的主要原因。Reye 综合征是一种罕见但严重的并发症，主要发生在儿童和青少年，与服用阿司匹林有关。

⑤ 诊断 (Diagnosis)：流感的诊断主要依据 临床表现 (clinical manifestations)、流行病学史 (epidemiological history) 和 实验室检查 (laboratory tests)。
▮▮▮▮ⓑ 临床诊断 (Clinical Diagnosis)：根据典型的流感症状和流行病学史，可以做出临床诊断。在流感流行季节，出现突发高热、全身酸痛、咳嗽等症状，应考虑流感。
▮▮▮▮ⓒ 实验室诊断 (Laboratory Diagnosis)：实验室检查可以确诊流感，并区分流感病毒型别和亚型。常用的实验室诊断方法包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 病毒核酸检测 (Viral nucleic acid detection)：实时荧光 PCR (real-time fluorescent PCR) 是目前最常用的流感病毒核酸检测方法，灵敏度和特异性高，可以快速检测和分型流感病毒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 病毒抗原检测 (Viral antigen detection)：快速抗原检测 (rapid antigen test) 可以在数分钟内检测出鼻咽分泌物中的流感病毒抗原，操作简便，但灵敏度较低，可能出现假阴性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 病毒分离培养 (Virus isolation and culture)：病毒分离培养是传统的病毒诊断方法，灵敏度和特异性高，但耗时较长，通常需要数天才能获得结果。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 血清学检测 (Serological tests)：血清学检测 主要用于回顾性诊断和流行病学调查，检测患者血清中流感病毒特异性抗体，如 血凝抑制试验 (hemagglutination inhibition test, HI test) 和 中和试验 (neutralization test) 等。

⑥ 防治 (Prevention and Control)：流感的防治主要包括 疫苗接种 (vaccination) 和 药物治疗 (antiviral therapy)，以及 非药物性预防措施 (non-pharmaceutical interventions)。
▮▮▮▮ⓑ 疫苗接种 (Vaccination)：流感疫苗是预防流感最有效的手段。流感疫苗主要有 灭活疫苗 (inactivated vaccine) 和 减毒活疫苗 (live attenuated vaccine) 两种类型。由于流感病毒抗原变异性强，流感疫苗需要每年更新换代，根据世界卫生组织 (WHO) 推荐的毒株组分，生产 季节性流感疫苗 (seasonal influenza vaccine)。疫苗接种可以有效降低流感发病率和并发症发生率，特别是对高危人群具有重要保护作用。
▮▮▮▮ⓒ 药物治疗 (Antiviral Therapy)：抗流感病毒药物可以有效治疗流感，缩短病程，减轻症状，降低并发症发生率。常用的抗流感病毒药物主要有 神经氨酸酶抑制剂 (neuraminidase inhibitors) 和 M2 蛋白抑制剂 (M2 protein inhibitors) 两类。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 神经氨酸酶抑制剂 (Neuraminidase Inhibitors)：如 奥司他韦 (oseltamivir)、扎那米韦 (zanamivir)、帕拉米韦 (peramivir) 和 拉尼米韦 (laninamivir) 等，通过抑制病毒神经氨酸酶活性，阻止病毒从宿主细胞释放，从而抑制病毒传播。神经氨酸酶抑制剂对甲型和乙型流感病毒均有效，是目前临床上治疗流感的主要药物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ M2 蛋白抑制剂 (M2 Protein Inhibitors)：如 金刚烷胺 (amantadine) 和 金刚乙胺 (rimantadine) 等，通过抑制甲型流感病毒 M2 蛋白的离子通道功能，阻止病毒脱壳，从而抑制病毒复制。M2 蛋白抑制剂只对甲型流感病毒有效，但由于耐药性问题严重，临床应用受限。
▮▮▮▮ⓕ 非药物性预防措施 (Non-pharmaceutical Interventions)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 保持良好的个人卫生习惯 (Good personal hygiene)：勤洗手，避免用手触摸口、鼻、眼睛，咳嗽或打喷嚏时用纸巾或肘部遮挡口鼻。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 保持室内空气流通 (Good ventilation)：经常开窗通风，保持室内空气新鲜。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 避免人群聚集 (Avoid crowded places)：在流感流行季节，尽量避免去人群聚集场所，如必须前往，应佩戴口罩。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 早期隔离和治疗 (Early isolation and treatment)：流感患者应尽早隔离，居家休息，避免传染他人。及时就医，接受抗病毒治疗。

流感是全球重要的公共卫生问题，加强流感监测、疫苗研发和药物开发，提高人群疫苗接种率，规范抗病毒药物使用，对于有效防控流感具有重要意义。

6.3.2 逆转录病毒感染：人类免疫缺陷病毒 (Retroviral Infections: Human Immunodeficiency Virus, HIV)

人类免疫缺陷病毒 (human immunodeficiency virus, HIV) 感染引起的 获得性免疫缺陷综合征 (acquired immunodeficiency syndrome, AIDS)，简称 艾滋病 (AIDS)，是一种严重的慢性传染病。HIV 主要攻击人体免疫系统，特别是 CD4+ T 淋巴细胞 (CD4+ T lymphocytes)，导致免疫功能严重受损，患者容易发生机会性感染和肿瘤，最终导致死亡。

① HIV 的特点 (Characteristics of HIV)：HIV 属于 逆转录病毒科 (Retroviridae)、慢病毒属 (Lentivirus)。HIV 有两种主要类型：HIV-1 和 HIV-2。全球流行的 AIDS 主要由 HIV-1 引起，HIV-2 主要流行于西非地区，致病性较 HIV-1 弱。
▮▮▮▮ⓑ 结构特点 (Structure)：HIV 是 包膜病毒 (enveloped virus)，呈球形，直径约 100-120 nm。病毒基因组为 二聚体的正链 RNA (diploid positive-sense RNA)，每个病毒粒子含有两份相同的 RNA 基因组。病毒包膜上有两种重要的糖蛋白 刺突 (spikes)：表面糖蛋白 gp120 (glycoprotein 120) 和 跨膜糖蛋白 gp41 (glycoprotein 41)，gp120 介导病毒吸附到 CD4+ T 细胞，gp41 介导病毒包膜与细胞膜融合。病毒核心包含 衣壳蛋白 p24 (capsid protein p24)、核酸结合蛋白 p7 (nucleocapsid protein p7)、蛋白酶 (protease, PR)、逆转录酶 (reverse transcriptase, RT) 和 整合酶 (integrase, IN) 等重要酶。
▮▮▮▮ⓒ 复制特点 (Replication)：HIV 复制周期独特，需要经过 逆转录 (reverse transcription) 过程。病毒 RNA 基因组进入细胞后，利用病毒携带的 逆转录酶 (RT)，以 RNA 为模板，合成 双链 DNA (dsDNA)。dsDNA 进入细胞核，在 整合酶 (IN) 的作用下，整合到宿主细胞基因组中，成为 前病毒 (provirus)。前病毒可以长期潜伏在宿主细胞内，也可以转录合成病毒 RNA 基因组和 mRNA，指导病毒蛋白质的合成。
▮▮▮▮ⓓ 靶细胞 (Target Cells)：HIV 主要攻击 CD4+ T 淋巴细胞 (CD4+ T lymphocytes)，也可感染 巨噬细胞 (macrophages)、树突状细胞 (dendritic cells) 和 小胶质细胞 (microglia) 等免疫细胞。CD4+ T 细胞是免疫系统的核心细胞，在细胞免疫和体液免疫中发挥重要作用。HIV 感染导致 CD4+ T 细胞数量进行性减少和功能障碍，免疫系统受到严重破坏。

② 传播途径 (Transmission Routes)：HIV 主要通过 性接触 (sexual contact)、血液传播 (bloodborne transmission) 和 母婴传播 (mother-to-child transmission) 三种途径传播。
▮▮▮▮ⓑ 性接触传播 (Sexual Contact)：包括 无保护性性行为 (unprotected sexual intercourse)，是 HIV 最主要的传播途径。HIV 可以通过精液、阴道分泌物和直肠黏膜等途径传播。
▮▮▮▮ⓒ 血液传播 (Bloodborne Transmission)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 输血或血液制品 (Blood transfusion or blood products)：输入被 HIV 污染的血液或血液制品，可导致 HIV 感染。目前，献血筛查已基本杜绝经输血传播 HIV。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 共用注射器 (Sharing needles)：静脉吸毒者共用被 HIV 污染的注射器，是血液传播 HIV 的重要途径。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 医疗操作 (Medical procedures)：使用被 HIV 污染的医疗器械，如注射器、手术刀等，可导致医源性 HIV 感染。严格执行医疗器械消毒灭菌措施，可以有效预防医源性 HIV 感染。
▮▮▮▮ⓖ 母婴传播 (Mother-to-Child Transmission)：感染 HIV 的母亲在 妊娠 (pregnancy)、分娩 (delivery) 和 哺乳 (breastfeeding) 过程中，可以将 HIV 传播给婴儿。通过抗逆转录病毒治疗 (antiretroviral therapy, ART) 和剖宫产等措施，可以显著降低母婴传播率。

③ 致病机制 (Pathogenesis)：HIV 感染导致 免疫缺陷 (immunodeficiency)，是 AIDS 的核心致病机制。HIV 主要攻击 CD4+ T 淋巴细胞 (CD4+ T lymphocytes)，导致 CD4+ T 细胞数量进行性减少和功能障碍，免疫系统受到严重破坏。
▮▮▮▮ⓑ CD4+ T 细胞减少 (CD4+ T Cell Depletion)：HIV 感染 CD4+ T 细胞后，可以通过多种机制导致 CD4+ T 细胞死亡，包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 病毒直接细胞毒作用 (Direct cytopathic effect)：HIV 在 CD4+ T 细胞内大量复制，导致细胞病变效应，最终细胞裂解死亡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 免疫介导的细胞死亡 (Immune-mediated cell death)：宿主免疫系统识别和攻击 HIV 感染的 CD4+ T 细胞，如细胞毒性 T 淋巴细胞 (CTLs) 介导的细胞毒作用，抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用 (ADCC) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 细胞凋亡 (Apoptosis)：HIV 感染可以诱导 CD4+ T 细胞发生程序性细胞死亡 (apoptosis)。
▮▮▮▮ⓕ 免疫功能障碍 (Immune Dysfunction)：CD4+ T 细胞是免疫系统的核心细胞，在细胞免疫和体液免疫中发挥重要作用。CD4+ T 细胞减少和功能障碍，导致免疫系统功能全面受损，包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 细胞免疫缺陷 (Cellular immunodeficiency)：CD4+ T 细胞减少，导致辅助性 T 细胞 (Th cells) 功能障碍，影响细胞毒性 T 淋巴细胞 (CTLs) 和巨噬细胞的激活和功能，细胞免疫功能受损。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 体液免疫缺陷 (Humoral immunodeficiency)：CD4+ T 细胞减少，导致辅助性 T 细胞 (Th cells) 对 B 细胞的辅助作用减弱，影响 B 细胞的活化、增殖和抗体产生，体液免疫功能受损。
▮▮▮▮ⓘ 机会性感染 (Opportunistic Infections)：免疫功能严重受损后，患者容易发生各种机会性感染，即在免疫功能正常人群中不易感染的病原微生物引起的感染。常见的机会性感染包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 卡氏肺孢子菌肺炎 (Pneumocystis pneumonia, PCP)：由 卡氏肺孢子菌 (Pneumocystis jirovecii) 引起的肺部感染，是 AIDS 患者最常见的机会性感染和死亡原因之一。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 结核病 (Tuberculosis, TB)：由 结核分枝杆菌 (Mycobacterium tuberculosis) 引起的感染，HIV 感染者患结核病的风险显著增加。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 念珠菌病 (Candidiasis)：由 念珠菌属 (Candida) 真菌引起的感染，常见的有 口腔念珠菌病 (oral candidiasis) 和 食管念珠菌病 (esophageal candidiasis)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 巨细胞病毒感染 (Cytomegalovirus infection, CMV)：由 巨细胞病毒 (cytomegalovirus, CMV) 引起的感染，可引起 视网膜炎 (retinitis)、肺炎 (pneumonia) 和 脑炎 (encephalitis) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 弓形虫病 (Toxoplasmosis)：由 弓形虫 (Toxoplasma gondii) 引起的感染，可引起 脑弓形虫病 (cerebral toxoplasmosis)。
▮▮▮▮ⓞ 肿瘤 (Tumors)：免疫功能受损后，患者患肿瘤的风险也显著增加，特别是 卡波西肉瘤 (Kaposi's sarcoma, KS)、非霍奇金淋巴瘤 (non-Hodgkin lymphoma, NHL) 和 宫颈癌 (cervical cancer) 等。卡波西肉瘤是由 人疱疹病毒 8 型 (human herpesvirus 8, HHV-8) 引起的血管内皮细胞肿瘤；非霍奇金淋巴瘤与 EB 病毒 (Epstein-Barr virus, EBV) 感染有关；宫颈癌与 人乳头瘤病毒 (human papillomavirus, HPV) 感染有关。

④ 临床表现 (Clinical Manifestations)：HIV 感染的临床病程可分为 急性期 (acute phase)、无症状期 (asymptomatic phase) 和 艾滋病期 (AIDS phase) 三个阶段。
▮▮▮▮ⓑ 急性期 (Acute Phase)：通常发生在感染后 2-4 周，部分患者出现 急性逆转录病毒综合征 (acute retroviral syndrome)，表现为 发热 (fever)、咽痛 (sore throat)、皮疹 (rash)、淋巴结肿大 (lymphadenopathy)、肌痛 (myalgia) 和 乏力 (fatigue) 等类似流感的症状，持续数周后自行缓解。急性期病毒载量 (viral load) 很高，具有很强的传染性。
▮▮▮▮ⓒ 无症状期 (Asymptomatic Phase)：也称为 潜伏期 (latency period) 或 慢性感染期 (chronic infection phase)，患者无明显症状，但病毒在体内持续复制，CD4+ T 细胞数量缓慢下降。无症状期持续时间长短不一，平均约 8-10 年，个体差异很大。
▮▮▮▮ⓓ 艾滋病期 (AIDS Phase)：当 CD4+ T 细胞计数降至 <200 cells/μL 或发生 AIDS 指示性疾病 (AIDS-defining illnesses) 时，诊断为 AIDS 期。AIDS 期患者免疫功能严重受损，容易发生各种机会性感染和肿瘤，病情严重，预后不良。常见的 AIDS 指示性疾病包括 卡氏肺孢子菌肺炎 (PCP)、食管念珠菌病 (esophageal candidiasis)、卡波西肉瘤 (KS) 和 结核病 (TB) 等。

⑤ 诊断 (Diagnosis)：HIV 感染的诊断主要依据 实验室检查 (laboratory tests)，包括 抗体检测 (antibody tests)、抗原检测 (antigen tests) 和 核酸检测 (nucleic acid tests)。
▮▮▮▮ⓑ 抗体检测 (Antibody Tests)：检测血清或体液中 HIV 特异性抗体，是目前最常用的 HIV 筛查方法。常用的抗体检测方法包括 酶联免疫吸附试验 (enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA) 和 免疫层析法 (immunochromatography assay, ICA)（快速检测试剂）。抗体检测通常在感染后 2-8 周出现阳性，称为 窗口期 (window period)。
▮▮▮▮ⓒ 抗原检测 (Antigen Tests)：检测血清中 HIV p24 抗原 (p24 antigen)，可以缩短窗口期，早期诊断 HIV 感染。酶联免疫吸附试验 (ELISA) 和 化学发光免疫分析 (chemiluminescence immunoassay, CLIA) 可用于抗原检测。
▮▮▮▮ⓓ 核酸检测 (Nucleic Acid Tests)：检测血浆或血清中 HIV RNA 或 DNA，是诊断 HIV 感染的金标准，可以最早检测出 HIV 感染，用于窗口期诊断、新生儿诊断和病毒载量监测。实时荧光 PCR (real-time fluorescent PCR) 是常用的核酸检测方法。
▮▮▮▮ⓔ 确诊流程 (Diagnostic Algorithm)：通常采用 筛查试验 (screening test) 和 确证试验 (confirmatory test) 两步法进行 HIV 诊断。筛查试验通常采用 ELISA 或快速检测试剂进行抗体筛查，筛查阳性者需进行确证试验，如 免疫印迹试验 (Western blot assay) 或 间接免疫荧光试验 (indirect immunofluorescence assay, IFA)，以确诊 HIV 感染。目前，一些实验室采用 抗原/抗体联合检测 (antigen/antibody combination assay) 作为筛查试验，可以缩短窗口期，提高早期诊断率。

⑥ 治疗 (Treatment)：目前尚无根治 HIV 感染的方法，但 抗逆转录病毒治疗 (antiretroviral therapy, ART) 可以有效抑制病毒复制，提高免疫功能，延长患者寿命，提高生活质量，并降低传播风险。
▮▮▮▮ⓑ 抗逆转录病毒药物 (Antiretroviral Drugs)：ART 采用多种抗逆转录病毒药物联合治疗，称为 高效抗逆转录病毒治疗 (highly active antiretroviral therapy, HAART) 或 联合抗逆转录病毒治疗 (combination antiretroviral therapy, cART)。常用的抗逆转录病毒药物主要有以下几类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 核苷类逆转录酶抑制剂 (nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NRTIs)：如 齐多夫定 (zidovudine, AZT)、拉米夫定 (lamivudine, 3TC)、替诺福韦 (tenofovir, TDF) 和 恩曲他滨 (emtricitabine, FTC) 等，通过竞争性抑制逆转录酶活性，阻止病毒 RNA 逆转录为 DNA。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 非核苷类逆转录酶抑制剂 (non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NNRTIs)：如 依非韦伦 (efavirenz, EFV)、奈韦拉平 (nevirapine, NVP) 和 利匹韦林 (rilpivirine, RPV) 等，通过非竞争性抑制逆转录酶活性，阻止病毒 RNA 逆转录为 DNA。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 蛋白酶抑制剂 (protease inhibitors, PIs)：如 洛匹那韦 (lopinavir, LPV)、利托那韦 (ritonavir, RTV) 和 达芦那韦 (darunavir, DRV) 等，通过抑制病毒蛋白酶活性，阻止病毒前体蛋白的切割加工，导致病毒粒子组装不成熟，失去感染性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 整合酶抑制剂 (integrase inhibitors, INIs)：如 拉替拉韦 (raltegravir, RAL)、艾维雷韦 (elvitegravir, EVG) 和 多替拉韦 (dolutegravir, DTG) 等，通过抑制病毒整合酶活性，阻止病毒 DNA 整合到宿主细胞基因组中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 融合抑制剂 (fusion inhibitors, FIs)：如 恩夫韦地 (enfuvirtide, ENF)，通过阻止病毒包膜与细胞膜融合，阻止病毒侵入细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ CCR5 趋化因子受体拮抗剂 (CCR5 chemokine receptor antagonists)：如 马拉维若 (maraviroc, MVC)，通过阻断 HIV 与 CCR5 受体结合，阻止病毒吸附和侵入细胞。
▮▮▮▮ⓘ 治疗目标 (Treatment Goals)：ART 的主要治疗目标是 最大限度地抑制病毒复制 (maximal viral suppression)，重建或维持免疫功能 (immune reconstitution or maintenance)，减少机会性感染和肿瘤发生 (reduction of opportunistic infections and tumors)，延长患者寿命，提高生活质量 (prolongation of life and improvement of quality of life)，并 降低 HIV 传播风险 (reduction of HIV transmission risk)。
▮▮▮▮ⓙ 治疗策略 (Treatment Strategies)：ART 强调 早期治疗 (early treatment)、联合用药 (combination therapy)、个体化治疗 (individualized therapy) 和 长期治疗 (long-term therapy)。一旦确诊 HIV 感染，应尽早开始 ART。初始治疗方案通常采用 三联疗法 (triple therapy)，即 2 种 NRTIs 联合 1 种 NNRTI、PI 或 INI。治疗方案的选择应根据患者的具体情况，如病毒载量、CD4+ T 细胞计数、耐药性检测结果和合并症等，进行个体化调整。ART 需要长期坚持，甚至终生治疗，以维持病毒抑制和免疫功能。

HIV/AIDS 是全球性的重大公共卫生挑战，加强 HIV 预防、检测和治疗，消除社会歧视，提高公众健康意识，对于控制 HIV 流行，实现联合国艾滋病规划署 (UNAIDS) 提出的 90-90-90 目标（90% 的感染者知晓自身感染状况，90% 已诊断的感染者接受抗逆转录病毒治疗，90% 接受治疗的感染者病毒得到抑制）具有重要意义。

6.3.3 肝炎病毒感染：甲型、乙型、丙型肝炎病毒 (Hepatitis Viral Infections: Hepatitis A, B, C Viruses)

病毒性肝炎 (viral hepatitis) 是由多种肝炎病毒引起的肝脏炎症性疾病。常见的肝炎病毒包括 甲型肝炎病毒 (hepatitis A virus, HAV)、乙型肝炎病毒 (hepatitis B virus, HBV)、丙型肝炎病毒 (hepatitis C virus, HCV)、丁型肝炎病毒 (hepatitis D virus, HDV) 和 戊型肝炎病毒 (hepatitis E virus, HEV)。其中，甲型、乙型和丙型肝炎病毒感染最为常见，对全球公共卫生构成重大威胁。

① 甲型肝炎病毒 (Hepatitis A Virus, HAV)：HAV 属于 小 RNA 病毒科 (Picornaviridae)、肝炎病毒属 (Hepatovirus)。HAV 引起 甲型肝炎 (hepatitis A)，主要表现为 急性肝炎 (acute hepatitis)，不引起慢性肝炎。
▮▮▮▮ⓑ 特点 (Characteristics)：HAV 是 裸露病毒 (non-enveloped virus)，呈立方对称，直径约 27-30 nm。病毒基因组为 正链 RNA (positive-sense RNA)。HAV 对外界环境抵抗力较强，耐酸、耐热，在水中和食物中可以存活较长时间。
▮▮▮▮ⓒ 传播途径 (Transmission Route)：HAV 主要通过 粪-口途径 (fecal-oral route) 传播，即通过摄入被 HAV 污染的食物或水而感染。也可通过 密切接触 (close contact) 传播。
▮▮▮▮ⓓ 致病机制 (Pathogenesis)：HAV 感染主要引起 急性肝细胞炎症和坏死 (acute hepatocellular inflammation and necrosis)。HAV 不直接引起细胞病变效应，肝损伤主要是由于宿主 细胞免疫应答 (cell-mediated immune response) 介导的免疫病理反应。
▮▮▮▮ⓔ 临床表现 (Clinical Manifestations)：甲型肝炎通常表现为 急性起病 (acute onset)，黄疸 (jaundice)、乏力 (fatigue)、食欲不振 (anorexia)、恶心 (nausea)、呕吐 (vomiting) 和 腹痛 (abdominal pain) 等症状。儿童感染通常症状较轻或无症状，成人感染症状较明显。甲型肝炎病程呈自限性 (self-limiting)，通常在数周至数月内痊愈，不转为慢性肝炎，病死率极低。
▮▮▮▮ⓕ 诊断 (Diagnosis)：甲型肝炎的诊断主要依据 血清学检测 (serological tests)，检测血清中 抗-HAV IgM 抗体 (anti-HAV IgM antibody)。抗-HAV IgM 抗体在急性期出现阳性，持续数月后消失，是诊断急性甲型肝炎的指标。抗-HAV IgG 抗体 (anti-HAV IgG antibody) 在感染后期出现阳性，持续终生，是既往感染或疫苗接种的标志，具有保护性免疫作用。
▮▮▮▮ⓖ 防治 (Prevention and Control)：甲型肝炎的预防主要依靠 疫苗接种 (vaccination) 和 改善卫生条件 (improved sanitation)。甲型肝炎疫苗 (hepatitis A vaccine) 是预防甲型肝炎的有效手段，包括 灭活疫苗 (inactivated vaccine) 和 减毒活疫苗 (live attenuated vaccine) 两种类型。改善饮水和食品卫生，加强粪便管理，养成良好的个人卫生习惯，可以有效预防甲型肝炎传播。

② 乙型肝炎病毒 (Hepatitis B Virus, HBV)：HBV 属于 肝 DNA 病毒科 (Hepadnaviridae)、嗜肝 DNA 病毒属 (Orthohepadnavirus)。HBV 引起 乙型肝炎 (hepatitis B)，可表现为 急性肝炎 (acute hepatitis) 和 慢性肝炎 (chronic hepatitis)，慢性乙型肝炎可发展为 肝硬化 (liver cirrhosis) 和 肝细胞癌 (hepatocellular carcinoma, HCC)。
▮▮▮▮ⓑ 特点 (Characteristics)：HBV 是 包膜病毒 (enveloped virus)，呈球形或椭圆形，直径约 42 nm，又称 Dane 颗粒 (Dane particle)。病毒基因组为 部分双链环状 DNA (partially double-stranded circular DNA)。HBV 复制周期独特，需要经过 逆转录 (reverse transcription) 过程。HBV 对外界环境抵抗力较强，耐干燥、耐冷冻，在室温下可存活数月。
▮▮▮▮ⓒ 传播途径 (Transmission Routes)：HBV 主要通过 血液传播 (bloodborne transmission)、性接触传播 (sexual contact) 和 母婴传播 (mother-to-child transmission) 传播。
▮▮▮▮ⓓ 致病机制 (Pathogenesis)：HBV 感染引起 肝细胞炎症和坏死 (hepatocellular inflammation and necrosis)。HBV 不直接引起细胞病变效应，肝损伤主要是由于宿主 细胞免疫应答 (cell-mediated immune response) 介导的免疫病理反应。慢性 HBV 感染可导致 慢性炎症 (chronic inflammation)、肝纤维化 (liver fibrosis)、肝硬化 (liver cirrhosis) 和 肝细胞癌 (hepatocellular carcinoma)。
▮▮▮▮ⓔ 临床表现 (Clinical Manifestations)：乙型肝炎的临床表现多样，可表现为 无症状携带者 (asymptomatic carrier)、急性肝炎 (acute hepatitis)、慢性肝炎 (chronic hepatitis)、肝硬化 (liver cirrhosis) 和 肝细胞癌 (hepatocellular carcinoma)。急性乙型肝炎的症状与甲型肝炎相似，但病情可能较重，病程较长。慢性乙型肝炎通常症状不明显，但肝脏持续受损，可逐渐发展为肝硬化和肝细胞癌。
▮▮▮▮ⓕ 诊断 (Diagnosis)：乙型肝炎的诊断主要依据 乙肝血清学标志物检测 (hepatitis B serological markers)。常用的乙肝血清学标志物包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 乙肝表面抗原 (hepatitis B surface antigen, HBsAg)：是 HBV 包膜蛋白，是 HBV 感染的标志，HBsAg 阳性提示 HBV 感染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 乙肝表面抗体 (antibody to HBsAg, anti-HBs)：是保护性抗体，anti-HBs 阳性提示既往感染 HBV 已康复或疫苗接种成功，具有保护性免疫作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 乙肝 e 抗原 (hepatitis B e antigen, HBeAg)：是 HBV 复制活跃的标志，HBeAg 阳性提示病毒复制活跃，传染性强。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 乙肝 e 抗体 (antibody to HBeAg, anti-HBe)：是 HBV 复制减弱或停止的标志，anti-HBe 阳性提示病毒复制减弱或停止，传染性降低。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 乙肝核心抗体 (antibody to hepatitis B core antigen, anti-HBc)：是既往或现症 HBV 感染的标志，anti-HBc IgM 阳性提示急性或新近 HBV 感染，anti-HBc IgG 阳性提示既往或慢性 HBV 感染。
▮▮▮▮ⓛ 防治 (Prevention and Control)：乙型肝炎的预防主要依靠 疫苗接种 (vaccination) 和 阻断传播途径 (blocking transmission routes)。乙型肝炎疫苗 (hepatitis B vaccine) 是预防乙型肝炎最有效的手段，新生儿出生后应尽早接种乙肝疫苗。阻断血液传播、性接触传播和母婴传播途径，可以有效预防乙肝传播。抗病毒治疗 (antiviral therapy) 是治疗慢性乙型肝炎的主要方法，常用的抗病毒药物包括 干扰素 (interferon, IFN) 和 核苷（酸）类似物 (nucleoside/nucleotide analogs, NAs)，如 恩替卡韦 (entecavir, ETV)、替诺福韦 (tenofovir, TDF) 和 阿德福韦酯 (adefovir dipivoxil, ADV) 等。

③ 丙型肝炎病毒 (Hepatitis C Virus, HCV)：HCV 属于 黄病毒科 (Flaviviridae)、肝炎病毒属 (Hepacivirus)。HCV 引起 丙型肝炎 (hepatitis C)，主要表现为 慢性肝炎 (chronic hepatitis)，易发展为 肝硬化 (liver cirrhosis) 和 肝细胞癌 (hepatocellular carcinoma, HCC)。
▮▮▮▮ⓑ 特点 (Characteristics)：HCV 是 包膜病毒 (enveloped virus)，呈球形，直径约 50-60 nm。病毒基因组为 正链 RNA (positive-sense RNA)。HCV 基因组变异性极强，存在多种基因型和亚型，给疫苗研发和治疗带来挑战。
▮▮▮▮ⓒ 传播途径 (Transmission Route)：HCV 主要通过 血液传播 (bloodborne transmission) 传播，如 输血或血液制品 (blood transfusion or blood products)、共用注射器 (sharing needles) 和 医疗操作 (medical procedures) 等。性接触传播和母婴传播较少见。
▮▮▮▮ⓓ 致病机制 (Pathogenesis)：HCV 感染引起 肝细胞炎症和坏死 (hepatocellular inflammation and necrosis)。HCV 不直接引起细胞病变效应，肝损伤主要是由于宿主 细胞免疫应答 (cell-mediated immune response) 介导的免疫病理反应。慢性 HCV 感染易导致 慢性炎症 (chronic inflammation)、肝纤维化 (liver fibrosis)、肝硬化 (liver cirrhosis) 和 肝细胞癌 (hepatocellular carcinoma)。
▮▮▮▮ⓔ 临床表现 (Clinical Manifestations)：丙型肝炎通常起病隐匿，急性丙型肝炎 (acute hepatitis C) 症状轻微或无症状，容易转为 慢性丙型肝炎 (chronic hepatitis C)。慢性丙型肝炎通常也症状不明显，但肝脏持续受损，可逐渐发展为肝硬化和肝细胞癌。
▮▮▮▮ⓕ 诊断 (Diagnosis)：丙型肝炎的诊断主要依据 抗-HCV 抗体检测 (anti-HCV antibody test) 和 HCV RNA 检测 (HCV RNA test)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 抗-HCV 抗体 (anti-HCV antibody)：是 HCV 感染的标志，anti-HCV 抗体阳性提示既往或现症 HCV 感染，但不能区分急性感染和慢性感染，也不能区分病毒是否清除。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ HCV RNA 检测 (HCV RNA test)：检测血清中 HCV RNA，是确诊 HCV 感染的金标准，可以判断病毒是否复制，病毒载量水平，以及治疗效果。定量 HCV RNA 检测 (quantitative HCV RNA test) 用于监测病毒载量，评估治疗效果。基因分型检测 (genotype test) 用于指导治疗方案选择。
▮▮▮▮ⓘ 防治 (Prevention and Control)：丙型肝炎的预防主要依靠 阻断血液传播途径 (blocking bloodborne transmission routes)。加强血液和血液制品筛查，规范医疗操作，避免共用注射器，可以有效预防丙肝传播。目前尚无有效预防丙肝的疫苗。直接抗病毒药物 (direct-acting antivirals, DAAs) 是治疗丙型肝炎的主要方法，DAAs 可以直接靶向 HCV 复制的关键酶，如 NS3/4A 蛋白酶 (NS3/4A protease)、NS5A 蛋白 (NS5A protein) 和 NS5B RNA 聚合酶 (NS5B RNA polymerase)，具有疗效高、疗程短、不良反应少等优点，丙型肝炎已成为可治愈的疾病 (hepatitis C is now a curable disease)。常用的 DAAs 包括 索非布韦 (sofosbuvir, SOF)、达卡他韦 (daclatasvir, DCV)、雷迪帕韦 (ledipasvir, LDV)、维帕他韦 (velpatasvir, VEL) 和 格卡普韦/哌仑他韦 (glecaprevir/pibrentasvir, G/P) 等。

病毒性肝炎是全球重要的公共卫生问题，加强肝炎病毒监测、疫苗研发和药物开发，提高人群疫苗接种率，规范抗病毒药物使用，对于有效防控病毒性肝炎具有重要意义。特别是丙型肝炎，随着 DAAs 的广泛应用，丙肝已成为可治愈的疾病，有望在全球范围内消除丙肝。

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7. 细菌学 (Bacteriology)

本章系统介绍细菌的分类、形态结构、生理代谢、重要细菌类群，以及细菌性疾病。

7.1 细菌的分类与鉴定 (Classification and Identification of Bacteria)

介绍细菌的分类系统，包括传统分类和分子分类方法，以及细菌的鉴定方法。

7.1.1 细菌的分类系统 (Classification Systems of Bacteria)

介绍细菌分类的层次结构，以及基于表型特征 (phenotypic characteristics) 和基因型特征 (genotypic characteristics) 的分类方法，如 16S rRNA 基因序列分析。

细菌的分类学 (bacterial taxonomy) 是一门动态发展的学科，旨在对细菌进行命名 (nomenclature)、分类 (classification) 和鉴定 (identification)。一个完善的分类系统能够反映细菌之间的进化关系，并为微生物学研究和应用提供框架。细菌的分类系统经历了从早期主要依赖表型特征到现代整合表型和基因型特征的转变，特别是分子生物学技术的进步，极大地推动了细菌分类学的发展。

① 细菌分类的层次结构 (Hierarchical Classification of Bacteria)

细菌的分类采用林奈 (Linnaean) 等级系统，从高到低依次为：

▮▮▮▮ⓐ 域 (Domain)：在生物分类的最高层级，细菌 (Bacteria) 域与古菌 (Archaea) 域、真核生物 (Eukarya) 域并列为三大生命域。域的划分主要基于rRNA基因序列的差异，反映了生命演化树上的根本分歧。

▮▮▮▮ⓑ 界 (Kingdom)：在细菌域内，早期曾根据营养方式等特征划分为不同的界，但随着分子系统学的深入，界的概念在细菌分类中已较少使用。

▮▮▮▮ⓒ 门 (Phylum)：门是细菌分类中的主要分支，代表了具有共同祖先和基本特征的细菌类群。例如，变形菌门 (Proteobacteria)、厚壁菌门 (Firmicutes)、放线菌门 (Actinobacteria)、拟杆菌门 (Bacteroidetes)、螺旋菌门 (Spirochaetes) 等都是重要的细菌门。门的划分主要基于16S rRNA基因序列的系统发育分析，以及一些共同的生理生化特征。

▮▮▮▮ⓓ 纲 (Class)：纲是门之下的分类单元，进一步细化了门的分类。例如，变形菌门下又可分为 α-变形菌纲 (Alphaproteobacteria)、β-变形菌纲 (Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲 (Gammaproteobacteria) 等。

▮▮▮▮ⓔ 目 (Order)：目是纲之下的分类单元，继续细分细菌类群。例如，γ-变形菌纲下有肠杆菌目 (Enterobacterales)、假单胞菌目 (Pseudomonadales) 等。

▮▮▮▮ⓕ 科 (Family)：科是目之下的分类单元，包含具有相似特征的细菌属。例如，肠杆菌目下有肠杆菌科 (Enterobacteriaceae)、弧菌科 (Vibrionaceae) 等。

▮▮▮▮ⓖ 属 (Genus)：属是科之下的分类单元，是细菌分类的重要基本单位。同一属的细菌具有较高的相似性，在形态、生理、遗传等方面表现出共同特征。例如，Escherichia (埃希氏菌属)、Bacillus (芽孢杆菌属)、Staphylococcus (葡萄球菌属)、Streptococcus (链球菌属) 等都是重要的细菌属。

▮▮▮▮ⓗ 种 (Species)：种是细菌分类的最基本单位。生物学种的概念在细菌中应用较为复杂，通常将细菌种定义为具有高度相似的基因组序列，且在特定生态位中具有独特生理生化特征的细菌群体。细菌种的命名采用双名法，由属名和种名组成，例如 Escherichia coli (大肠埃希氏菌)、Bacillus subtilis (枯草芽孢杆菌)。

▮▮▮▮ⓘ 亚种 (Subspecies)、菌株 (Strain)、血清型 (Serotype)、生物型 (Biotype) 等：在种的层级之下，还可以根据更细微的特征进行亚种、菌株、血清型、生物型等的划分，用于描述同一物种内的不同变异类型，在流行病学、临床微生物学等领域具有重要意义。

② 细菌分类的方法 (Methods of Bacterial Classification)

细菌的分类方法经历了从传统表型分类到现代多相分类 (polyphasic taxonomy) 的发展，目前主要整合表型特征和基因型特征进行分类。

▮▮▮▮ⓐ 表型分类 (Phenotypic Classification)：

早期的细菌分类主要依赖表型特征，即细菌的可观察、可测量的性状。表型特征包括：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 形态学特征 (Morphological characteristics)：细菌的细胞形态 (cell shape, 如球菌 cocci, 杆菌 bacilli, 螺旋菌 spirilla)、大小、排列方式 (arrangement, 如链状 streptococci, 葡萄状 staphylococci)、特殊结构 (如芽孢 spores, 荚膜 capsule, 鞭毛 flagella) 等。显微镜观察和染色技术 (如革兰氏染色 Gram stain, 鞭毛染色 flagella stain, 芽孢染色 spore stain) 是形态学鉴定的主要手段。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 生理生化特征 (Physiological and biochemical characteristics)：细菌的营养需求 (nutritional requirements)、代谢能力 (metabolic capabilities, 如糖发酵 sugar fermentation, 酶活性 enzyme activity, 呼吸类型 respiration type)、生长条件 (growth conditions, 如温度 temperature, pH, 盐浓度 salt concentration, 需氧性 oxygen requirement) 等。通过一系列生理生化实验 (biochemical tests) 可以测定细菌的这些特征，例如糖发酵实验、氧化酶实验 (oxidase test)、过氧化氢酶实验 (catalase test)、尿素酶实验 (urease test) 等。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 化学分类学特征 (Chemotaxonomic characteristics)：细菌细胞组分的化学成分，如细胞壁成分 (cell wall components, 如肽聚糖 peptidoglycan, 脂多糖 lipopolysaccharide, 分枝菌酸 mycolic acid)、脂肪酸组成 (fatty acid composition)、醌类 (quinones)、多胺 (polyamines) 等。这些化学成分的分析可以提供细菌分类的依据。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生态学特征 (Ecological characteristics)：细菌的自然栖息地 (natural habitat)、地理分布 (geographical distribution)、与其他生物的相互关系 (interactions with other organisms) 等。生态学特征有助于理解细菌的生态功能和进化适应性。

▮▮▮▮ⓑ 基因型分类 (Genotypic Classification)：

随着分子生物学技术的发展，基因型特征在细菌分类中的地位日益重要。基因型分类主要基于细菌的遗传物质 (DNA, RNA) 的分析。主要的基因型分类方法包括：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 核酸碱基组成分析 (Nucleic acid base composition analysis)：测定细菌DNA的鸟嘌呤-胞嘧啶 (guanine-cytosine, G+C) 摩尔百分含量 (%G+C mol%)。不同细菌的 %G+C 含量可能存在差异，可以作为分类的参考指标。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ DNA-DNA杂交 (DNA-DNA hybridization)：将两种细菌的DNA进行杂交，测定DNA杂交的程度。DNA杂交程度越高，表明两种细菌的基因组相似性越高，亲缘关系越近。DNA-DNA杂交是细菌种的划定金标准，通常认为DNA杂交率 ≥ 70% 的细菌属于同一物种。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 16S rRNA基因序列分析 (16S rRNA gene sequence analysis)：16S rRNA基因是编码核糖体RNA (ribosomal RNA) 的基因，在所有生物中都高度保守且普遍存在，但不同物种的16S rRNA基因序列又存在一定程度的变异。通过测定细菌的16S rRNA基因序列，进行序列比对和系统发育分析，可以确定细菌的系统发育位置和亲缘关系。16S rRNA基因序列相似性 ≥ 97% 通常被认为是同一物种的标准之一。16S rRNA基因序列分析已成为细菌分类学研究中最常用的分子方法。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 全基因组序列分析 (Whole genome sequence analysis)：随着基因组测序技术的快速发展，全基因组序列分析在细菌分类学中发挥越来越重要的作用。全基因组序列数据可以提供更全面、更精细的遗传信息，用于计算平均核苷酸一致性 (average nucleotide identity, ANI)、基因组-基因组距离 (genome-to-genome distance, GGDC) 等指标，更准确地评估细菌之间的亲缘关系，解决传统分类方法难以区分的细菌类群的分类问题。

▮▮▮▮ⓒ 多相分类 (Polyphasic Taxonomy)：

现代细菌分类学强调多相分类的原则，即综合运用表型特征、基因型特征、化学分类学特征、生态学特征等多方面的信息，进行细菌的分类和鉴定。多相分类方法能够更全面、更准确地反映细菌的生物学特性和进化关系，提高分类的科学性和实用性。

③ 细菌分类的资源 (Resources for Bacterial Classification)

The Prokaryotes、Bergey's Manual of Systematics of Archaea and Bacteria 等是细菌分类学的重要参考书籍和在线资源，提供了详细的细菌分类信息、描述和鉴定方法。国际原核生物系统分类学委员会 (International Committee on Systematics of Prokaryotes, ICSP) 是负责细菌命名和分类规则制定的国际组织。

总之，细菌的分类系统是一个不断完善和发展的体系。从表型分类到基因型分类，再到多相分类，细菌分类学的方法和理念不断进步，为我们理解细菌的多样性、进化和生态功能提供了重要的基础。16S rRNA基因序列分析等分子生物学技术的应用，极大地推动了细菌分类学的发展，使得我们能够更深入地认识这个庞大而复杂的微生物世界。

7.1.2 细菌的鉴定方法 (Identification Methods of Bacteria)

介绍细菌的形态学鉴定 (morphological identification)、生理生化鉴定 (physiological and biochemical identification)、血清学鉴定 (serological identification) 和分子生物学鉴定 (molecular biological identification) 方法。

细菌的鉴定 (bacterial identification) 是指确定未知细菌的分类地位，即判断该细菌属于哪个种、属，甚至科、目等分类单元的过程。准确的细菌鉴定是微生物学研究、临床诊断、食品安全、环境监测等领域的重要基础。细菌的鉴定方法多种多样，可以根据不同的目的和条件选择合适的方法。

① 形态学鉴定 (Morphological Identification)

形态学鉴定是最基本、最常用的细菌鉴定方法之一。通过显微镜观察细菌的细胞形态、大小、排列方式、特殊结构等特征，可以初步判断细菌的类型。常用的形态学鉴定技术包括：

▮▮▮▮ⓐ 显微镜观察 (Microscopy)：使用光学显微镜 (light microscope) 或电子显微镜 (electron microscope) 观察细菌的形态特征。光学显微镜是实验室最常用的显微镜，可以观察细菌的细胞形态、大小、染色特性等。电子显微镜具有更高的分辨率，可以观察细菌的超微结构，如细胞壁结构、鞭毛结构、内膜系统等。

▮▮▮▮ⓑ 染色技术 (Staining Techniques)：染色技术可以增强细菌与背景之间的对比度，使细菌的形态结构更清晰可见。常用的染色技术包括：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 革兰氏染色 (Gram stain)：革兰氏染色是细菌学中最经典、最常用的鉴别染色方法。根据细菌细胞壁结构的不同，将细菌分为革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria, G+) 和革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria, G-) 两大类。革兰氏阳性菌细胞壁较厚，肽聚糖层多，染色后呈紫色；革兰氏阴性菌细胞壁较薄，肽聚糖层少，外膜脂多糖含量高，染色后呈红色。革兰氏染色是细菌分类和鉴定的重要依据。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 鞭毛染色 (Flagella stain)：鞭毛是细菌的运动器官。鞭毛染色可以显示细菌鞭毛的有无、数量和排列方式，有助于某些细菌的鉴定，如 Proteus (变形杆菌属)、Pseudomonas (假单胞菌属) 等。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 芽孢染色 (Spore stain)：芽孢是某些细菌在不良环境下形成的一种休眠体，具有很强的抵抗力。芽孢染色可以显示细菌芽孢的形态、大小和位置，有助于芽孢杆菌属 (Bacillus)、梭菌属 (Clostridium) 等芽孢菌的鉴定。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 荚膜染色 (Capsule stain)：荚膜是某些细菌细胞壁外的一层多糖或多肽物质，具有保护作用和致病性。荚膜染色可以显示细菌荚膜的有无和大小，有助于肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae)、肺炎克雷伯菌 (Klebsiella pneumoniae) 等荚膜菌的鉴定。

形态学鉴定快速简便，但分辨率有限，只能提供初步的鉴定信息。对于形态相似的细菌，需要结合其他鉴定方法。

② 生理生化鉴定 (Physiological and Biochemical Identification)

生理生化鉴定是基于细菌的生理特性和代谢能力进行鉴定的方法。通过一系列生理生化实验，测定细菌的营养需求、代谢产物、酶活性等特征，与已知细菌的特征进行比较，从而确定细菌的分类地位。常用的生理生化鉴定实验包括：

▮▮▮▮ⓐ 营养需求实验 (Nutritional requirement tests)：测定细菌对不同碳源 (carbon sources)、氮源 (nitrogen sources)、生长因子 (growth factors) 的利用能力，例如糖发酵实验、氨基酸利用实验等。

▮▮▮▮ⓑ 代谢产物检测 (Metabolic product detection)：检测细菌的代谢产物，例如发酵产物 (fermentation products, 如乳酸 lactic acid, 乙酸 acetic acid, 乙醇 ethanol, 丁酸 butyric acid, 丙酮酸 pyruvic acid)、酶活性产物 (enzyme activity products, 如吲哚 indole, 硫化氢 hydrogen sulfide, 氨 ammonia) 等。常用的代谢产物检测实验包括甲基红实验 (methyl red test, MR test)、V-P实验 (Voges-Proskauer test, VP test)、硫化氢实验 (hydrogen sulfide test, H₂S test)、吲哚实验 (indole test)、尿素酶实验 (urease test)、硝酸盐还原实验 (nitrate reduction test) 等。

▮▮▮▮ⓒ 酶活性测定 (Enzyme activity assays)：测定细菌的酶活性，例如氧化酶 (oxidase)、过氧化氢酶 (catalase)、凝固酶 (coagulase)、明胶酶 (gelatinase)、DNA酶 (DNase) 等。常用的酶活性测定实验包括氧化酶实验、过氧化氢酶实验、凝固酶实验、明胶液化实验 (gelatin liquefaction test)、DNA酶实验等。

▮▮▮▮ⓓ 抗生素敏感性实验 (Antibiotic susceptibility tests)：测定细菌对抗生素的敏感性，例如纸片扩散法 (disk diffusion method, Kirby-Bauer method)、微量肉汤稀释法 (broth microdilution method) 等。抗生素敏感性实验不仅可以用于临床药敏试验，也可以作为细菌鉴定的辅助手段。

生理生化鉴定方法种类繁多，可以提供丰富的鉴定信息。但生理生化反应受环境因素影响较大，结果可能存在变异。对于某些生理生化特征相似的细菌，需要结合其他鉴定方法。

③ 血清学鉴定 (Serological Identification)

血清学鉴定是基于抗原-抗体反应原理进行细菌鉴定的方法。细菌细胞表面或细胞组分含有特异性抗原 (antigens)，可以与相应的抗体 (antibodies) 发生特异性结合反应。利用已知抗体的血清 (antisera) 与待鉴定细菌进行反应，根据反应结果判断细菌的抗原类型，从而确定细菌的分类地位。常用的血清学鉴定方法包括：

▮▮▮▮ⓐ 凝集试验 (Agglutination test)：将细菌悬液与特异性抗体血清混合，如果细菌表面含有与抗体对应的抗原，则发生凝集反应，形成肉眼可见的凝集块。凝集试验常用于鉴定细菌的血清型，例如沙门菌属 (Salmonella)、志贺菌属 (Shigella)、大肠埃希氏菌 (Escherichia coli) 等的血清型鉴定。

▮▮▮▮ⓑ 沉淀试验 (Precipitation test)：将可溶性抗原与特异性抗体血清在一定条件下混合，如果抗原与抗体发生特异性结合，则形成肉眼可见的沉淀物。沉淀试验常用于检测细菌的荚膜抗原、鞭毛抗原等。

▮▮▮▮ⓒ 补体结合试验 (Complement fixation test, CFT)：补体结合试验是一种灵敏度较高的血清学试验，可以检测微量的抗原或抗体。补体结合试验的原理是抗原抗体复合物可以激活补体系统，消耗补体。通过检测补体的消耗情况，判断抗原抗体反应是否发生。补体结合试验常用于诊断某些细菌感染性疾病，如梅毒 (syphilis)、结核病 (tuberculosis) 等。

▮▮▮▮ⓓ 酶联免疫吸附试验 (Enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)：酶联免疫吸附试验是一种灵敏度高、特异性强、操作简便的免疫学检测方法。ELISA的原理是将抗原或抗体吸附在固相载体上，通过酶标记的抗体或抗原进行检测。ELISA广泛应用于细菌抗原或抗体的检测，以及细菌性疾病的诊断。

▮▮▮▮ⓔ 免疫荧光试验 (Immunofluorescence assay, IFA)：免疫荧光试验是利用荧光染料标记的抗体或抗原进行检测的方法。将荧光标记的抗体与细菌样品反应，如果细菌含有与抗体对应的抗原，则抗体与抗原结合，在荧光显微镜下可以观察到荧光。免疫荧光试验常用于快速检测和鉴定细菌，如军团菌 (Legionella)、百日咳杆菌 (Bordetella pertussis) 等。

血清学鉴定方法特异性强，灵敏度高，可以快速鉴定某些细菌。但血清学鉴定需要制备特异性抗体，成本较高，且某些细菌的血清型复杂，鉴定难度较大。

④ 分子生物学鉴定 (Molecular Biological Identification)

分子生物学鉴定是基于细菌遗传物质 (DNA, RNA) 的分析进行鉴定的方法。分子生物学鉴定方法具有灵敏度高、特异性强、快速准确等优点，已成为现代细菌鉴定的重要手段。常用的分子生物学鉴定方法包括：

▮▮▮▮ⓐ 核酸探针技术 (Nucleic acid probe technology)：核酸探针是一段已知序列的DNA或RNA片段，可以与待测样品中互补序列的核酸分子发生特异性杂交。利用特异性核酸探针可以检测样品中是否含有目标细菌的特异性基因序列，从而进行细菌鉴定。常用的核酸探针技术包括斑点杂交 (dot blot hybridization)、Southern印迹杂交 (Southern blot hybridization)、Northern印迹杂交 (Northern blot hybridization)、原位杂交 (in situ hybridization) 等。

▮▮▮▮ⓑ 聚合酶链式反应 (Polymerase chain reaction, PCR)：聚合酶链式反应是一种体外扩增DNA片段的技术，可以在短时间内将目标DNA片段扩增数百万倍。利用特异性引物 (primers) 对细菌的特异性基因序列进行PCR扩增，检测扩增产物，可以快速鉴定细菌。常用的PCR技术包括普通PCR、实时荧光PCR (real-time PCR)、多重PCR (multiplex PCR) 等。实时荧光PCR可以定量检测细菌的DNA含量，多重PCR可以同时检测多种细菌。

▮▮▮▮ⓒ 16S rRNA基因序列测定 (16S rRNA gene sequencing)：16S rRNA基因序列分析是细菌系统发育分析和鉴定的金标准。通过PCR扩增细菌的16S rRNA基因，进行DNA序列测定，将测序结果与数据库 (如GenBank, RDP) 中的已知序列进行比对，可以确定细菌的分类地位。16S rRNA基因序列测定已成为细菌鉴定的常规方法，广泛应用于临床微生物学、环境微生物学、食品微生物学等领域。

▮▮▮▮ⓓ 限制性片段长度多态性分析 (Restriction fragment length polymorphism, RFLP)：限制性片段长度多态性分析是利用限制性内切酶 (restriction enzymes) 切割细菌基因组DNA，产生不同长度的DNA片段，通过电泳分离，根据DNA片段的长度和分布模式进行细菌鉴定的方法。RFLP可以反映细菌基因组DNA的差异，用于细菌的种型鉴定和流行病学分析。

▮▮▮▮ⓔ 脉冲场凝胶电泳 (Pulsed-field gel electrophoresis, PFGE)：脉冲场凝胶电泳是一种高分辨率的DNA电泳技术，可以分离大片段的DNA分子。利用脉冲场凝胶电泳分离限制性内切酶切割的细菌基因组DNA片段，根据DNA片段的分布模式进行细菌的种型鉴定和流行病学分析。PFGE常用于食源性致病菌的溯源分析。

▮▮▮▮ⓕ 基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱 (Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry, MALDI-TOF MS)：基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱是一种快速、高通量的微生物鉴定技术。MALDI-TOF MS的原理是利用激光解吸电离细菌细胞组分 (主要是蛋白质)，测定离子碎片飞行时间，获得质谱图谱，将质谱图谱与数据库中的已知图谱进行比对，从而快速鉴定细菌。MALDI-TOF MS具有快速、准确、成本低廉等优点，已成为临床微生物实验室常用的细菌鉴定技术。

分子生物学鉴定方法灵敏度高、特异性强、快速准确，但需要一定的技术设备和专业知识，成本相对较高。在实际应用中，常常需要根据具体情况，综合运用多种鉴定方法，才能准确鉴定细菌。

总之，细菌的鉴定方法不断发展和完善。从传统的形态学鉴定、生理生化鉴定、血清学鉴定，到现代的分子生物学鉴定，各种方法各有特点，相互补充。在细菌鉴定中，应根据实际需求和条件，选择合适的鉴定方法或组合，以达到快速、准确、经济的目的。随着科技的进步，新的细菌鉴定技术不断涌现，将为微生物学研究和应用提供更强大的工具。

7.2 重要的细菌类群 (Important Groups of Bacteria)

介绍几种重要的细菌类群，如革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria)、革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria)、分枝杆菌 (Mycobacteria)、螺旋体 (Spirochetes)、支原体 (Mycoplasmas) 等，以及它们的特点和代表菌属。

细菌种类繁多，分布广泛，在自然界和人类社会中发挥着重要作用。根据革兰氏染色结果、细胞壁结构、形态特征、生理代谢特点等，可以将细菌划分为不同的类群。以下介绍几种重要的细菌类群：

7.2.1 革兰氏阳性菌 (Gram-positive Bacteria)

介绍革兰氏阳性菌的特点、重要菌属（如葡萄球菌 Staphylococcus, 链球菌 Streptococcus, 芽孢杆菌 Bacillus, 梭菌 Clostridium）及其医学和工业意义。

革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria, G+) 是细菌的两大类群之一，约占细菌总数的1/3。革兰氏阳性菌在革兰氏染色中呈紫色，这是由于其细胞壁结构的特点所决定的。

① 革兰氏阳性菌的特点 (Characteristics of Gram-positive Bacteria)

▮▮▮▮ⓐ 细胞壁结构 (Cell wall structure)：革兰氏阳性菌的细胞壁主要由厚厚的肽聚糖层 (peptidoglycan layer) 组成，约占细胞壁干重的50%-90%。肽聚糖层由N-乙酰葡糖胺 (N-acetylglucosamine, NAG) 和N-乙酰胞壁酸 (N-acetylmuramic acid, NAM) 交替连接形成的糖链，以及四肽侧链和肽桥交联而成，形成三维网状结构，赋予细胞壁强度和刚性。革兰氏阳性菌细胞壁中还含有磷壁酸 (teichoic acid) 和脂磷壁酸 (lipoteichoic acid)。磷壁酸是细胞壁特有的成分，由磷酸核糖醇或磷酸甘油醇聚合物组成，与肽聚糖层共价连接。脂磷壁酸是磷壁酸的一种，其脂质部分锚定在细胞膜上，贯穿整个细胞壁。磷壁酸和脂磷壁酸在细胞壁的组装、离子通透性、细胞表面电荷、免疫原性等方面发挥重要作用。

▮▮▮▮ⓑ 细胞膜结构 (Cell membrane structure)：革兰氏阳性菌的细胞膜为典型的磷脂双分子层结构，镶嵌有多种膜蛋白 (membrane proteins)，负责物质运输、能量代谢、信号转导等功能。

▮▮▮▮ⓒ 无外膜 (Absence of outer membrane)：与革兰氏阴性菌不同，革兰氏阳性菌没有外膜结构。外膜是革兰氏阴性菌细胞壁的最外层，由脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS)、磷脂和蛋白质组成。外膜的存在使得革兰氏阴性菌对某些抗生素和消毒剂的敏感性较低。

▮▮▮▮ⓓ 芽孢形成能力 (Spore-forming ability)：某些革兰氏阳性菌具有形成芽孢的能力，如芽孢杆菌属 (Bacillus) 和梭菌属 (Clostridium)。芽孢是一种休眠体，具有很强的抵抗力，可以抵抗高温、干燥、辐射、化学消毒剂等不良环境因素。芽孢的形成是细菌在不利条件下生存的一种适应性策略。

▮▮▮▮ⓔ 对某些抗生素敏感 (Sensitivity to certain antibiotics)：由于细胞壁结构的差异，革兰氏阳性菌对某些抗生素，如青霉素 (penicillin)、万古霉素 (vancomycin) 等，比革兰氏阴性菌更敏感。这些抗生素主要作用于肽聚糖的合成，而革兰氏阳性菌的肽聚糖层较厚，更容易受到影响。

② 重要的革兰氏阳性菌属 (Important Genera of Gram-positive Bacteria)

▮▮▮▮ⓐ 葡萄球菌属 (Staphylococcus)：葡萄球菌属是革兰氏阳性球菌，兼性厌氧，触酶阳性 (catalase-positive)，不形成芽孢，无鞭毛，常呈葡萄状排列。葡萄球菌广泛分布于人和动物的皮肤、黏膜、毛发等部位，也存在于环境中。葡萄球菌属中，金黄色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus) 是重要的条件致病菌，可以引起多种感染，如皮肤和软组织感染 (脓疱疮 impetigo, 疖 furuncle, 痈 carbuncle, 蜂窝织炎 cellulitis)、食物中毒 (food poisoning)、败血症 (septicemia)、肺炎 (pneumonia)、骨髓炎 (osteomyelitis)、心内膜炎 (endocarditis) 等。表皮葡萄球菌 (Staphylococcus epidermidis) 是皮肤的正常菌群，但在免疫力低下或植入医疗器械的情况下，也可能引起感染。腐生葡萄球菌 (Staphylococcus saprophyticus) 是泌尿道感染的常见病原菌之一。葡萄球菌属在工业上也有应用，如某些葡萄球菌可以产生凝固酶 (coagulase)、DNA酶 (DNase) 等酶制剂。

▮▮▮▮ⓑ 链球菌属 (Streptococcus)：链球菌属是革兰氏阳性球菌，兼性厌氧或厌氧，触酶阴性 (catalase-negative)，不形成芽孢，无鞭毛，常呈链状排列。链球菌广泛分布于人和动物的呼吸道、消化道、泌尿生殖道等部位，也存在于环境中。链球菌属中，化脓性链球菌 (Streptococcus pyogenes) (A群链球菌) 是重要的致病菌，可以引起咽炎 (pharyngitis, 俗称“链球菌咽喉炎” strep throat)、猩红热 (scarlet fever)、丹毒 (erysipelas)、风湿热 (rheumatic fever)、肾小球肾炎 (glomerulonephritis) 等疾病。肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae) 是肺炎、脑膜炎、中耳炎等感染的常见病原菌。无乳链球菌 (Streptococcus agalactiae) (B群链球菌) 是新生儿感染的重要病原菌。粪链球菌 (Streptococcus faecalis, 现分类为 Enterococcus faecalis 粪肠球菌) 和 Streptococcus faecium (现分类为 Enterococcus faecium 屎肠球菌) 是肠道正常菌群，但也可能引起尿路感染、心内膜炎等感染。链球菌属在食品工业上也有应用，如乳酸链球菌 (Streptococcus lactis, 现分类为 Lactococcus lactis 乳酸乳球菌) 用于乳制品发酵。

▮▮▮▮ⓒ 芽孢杆菌属 (Bacillus)：芽孢杆菌属是革兰氏阳性杆菌，需氧或兼性厌氧，触酶阳性，形成芽孢，多数有鞭毛。芽孢杆菌广泛分布于土壤、水、空气、植物、动物等环境中。芽孢杆菌属中，炭疽芽孢杆菌 (Bacillus anthracis) 是炭疽病的病原菌，是一种人畜共患病。蜡样芽孢杆菌 (Bacillus cereus) 可以引起食物中毒，主要表现为呕吐型和腹泻型。枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis) 是模式生物，广泛应用于工业生产，如酶制剂 (蛋白酶 proteases, 淀粉酶 amylases)、抗生素 (杆菌肽 bacitracin, 多粘菌素 polymyxin)、维生素 (核黄素 riboflavin) 等的生产。苏云金芽孢杆菌 (Bacillus thuringiensis) 可以产生杀虫晶体蛋白 (insecticidal crystal proteins, Cry proteins)，广泛应用于生物农药。短小芽孢杆菌 (Bacillus brevis) 可以产生短杆菌肽S (gramicidin S)，是一种抗生素。

▮▮▮▮ⓓ 梭菌属 (Clostridium)：梭菌属是革兰氏阳性杆菌，严格厌氧，触酶阴性，形成芽孢，多数有鞭毛。梭菌广泛分布于土壤、沉积物、人和动物的肠道等厌氧环境中。梭菌属中，破伤风梭菌 (Clostridium tetani) 是破伤风的病原菌，其产生的破伤风毒素 (tetanus toxin) 是一种强烈的神经毒素。肉毒梭菌 (Clostridium botulinum) 是肉毒中毒的病原菌，其产生的肉毒毒素 (botulinum toxin) 是已知最强的生物毒素之一，可引起弛缓性麻痹。肉毒毒素在医学美容 (Botox) 和神经肌肉疾病治疗方面也有应用。产气荚膜梭菌 (Clostridium perfringens) 可以引起气性坏疽 (gas gangrene) 和食物中毒，其产生的α毒素 (alpha toxin) 是一种磷脂酶C (phospholipase C)。艰难梭菌 (Clostridioides difficile, 原 Clostridium difficile) 可以引起抗生素相关性腹泻 (antibiotic-associated diarrhea) 和假膜性肠炎 (pseudomembranous colitis)。丁酸梭菌 (Clostridium butyricum) 可以产生丁酸 (butyric acid)，在工业上有应用。

除了以上介绍的几个重要属外，革兰氏阳性菌还包括李斯特菌属 (Listeria)、棒状杆菌属 (Corynebacterium)、乳杆菌属 (Lactobacillus)、放线菌属 (Actinomyces)、诺卡氏菌属 (Nocardia)、链霉菌属 (Streptomyces) 等。这些革兰氏阳性菌在医学、工业、农业、环境等领域都具有重要意义。例如，乳杆菌属和双歧杆菌属 (Bifidobacterium) 是肠道益生菌，对人体健康有益；链霉菌属是抗生素的主要来源，如链霉素 (streptomycin)、四环素 (tetracycline)、红霉素 (erythromycin) 等都是链霉菌产生的。

总之，革兰氏阳性菌是一类多样性丰富、功能重要的细菌类群。它们在自然界中广泛分布，参与物质循环和能量流动，与人类健康和疾病密切相关，在工业生产和生物技术领域也具有广泛的应用前景。深入研究革兰氏阳性菌的生物学特性，对于理解微生物世界、防治细菌感染、开发生物资源具有重要意义。

7.2.2 革兰氏阴性菌 (Gram-negative Bacteria)

介绍革兰氏阴性菌的特点、重要菌属（如大肠杆菌 Escherichia coli, 沙门菌 Salmonella, 志贺菌 Shigella, 假单胞菌 Pseudomonas, 弧菌 Vibrio）及其医学和环境意义。

革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria, G-) 是细菌的两大类群之一，种类繁多，约占细菌总数的2/3。革兰氏阴性菌在革兰氏染色中呈红色，这是由于其细胞壁结构与革兰氏阳性菌存在显著差异。

① 革兰氏阴性菌的特点 (Characteristics of Gram-negative Bacteria)

▮▮▮▮ⓐ 细胞壁结构 (Cell wall structure)：革兰氏阴性菌的细胞壁结构复杂，由薄的肽聚糖层 (peptidoglycan layer) 和外膜 (outer membrane) 两部分组成。肽聚糖层位于细胞壁的内层，厚度较薄，仅占细胞壁干重的5%-10%。外膜位于细胞壁的最外层，是革兰氏阴性菌的特征性结构。外膜由脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS)、磷脂 (phospholipids) 和蛋白质 (proteins) 组成。脂多糖是外膜的主要成分，由脂质A (lipid A)、核心寡糖 (core oligosaccharide) 和O-特异性多糖链 (O-specific polysaccharide chain) 三部分组成。脂质A是LPS的毒性部分，又称内毒素 (endotoxin)，可以引起发热、休克、炎症等病理反应。O-特异性多糖链是LPS的抗原性部分，具有血清型特异性，可用于细菌的血清分型。外膜还含有孔道蛋白 (porins)，形成跨膜通道，允许小分子物质通过。肽聚糖层与外膜之间存在周质空间 (periplasmic space)，含有多种酶类，参与营养物质的代谢和细胞壁的合成。

▮▮▮▮ⓑ 细胞膜结构 (Cell membrane structure)：革兰氏阴性菌的细胞膜为典型的磷脂双分子层结构，与革兰氏阳性菌相似。

▮▮▮▮ⓒ 外膜的存在 (Presence of outer membrane)：外膜是革兰氏阴性菌细胞壁的特征性结构，赋予革兰氏阴性菌一些独特的性质。外膜可以阻止某些大分子物质 (如某些抗生素、酶类) 进入细胞，使得革兰氏阴性菌对某些抗生素和消毒剂的敏感性较低。外膜上的脂多糖 (LPS) 是内毒素，是革兰氏阴性菌致病性的重要因素。

▮▮▮▮ⓓ 无芽孢形成能力 (Absence of spore-forming ability)：革兰氏阴性菌不形成芽孢。

▮▮▮▮ⓔ 对某些抗生素敏感性较低 (Lower sensitivity to certain antibiotics)：由于外膜的存在，革兰氏阴性菌对某些抗生素，如青霉素、万古霉素等，比革兰氏阳性菌敏感性较低。但革兰氏阴性菌对另一些抗生素，如氨基糖苷类抗生素 (aminoglycosides)、四环素类抗生素 (tetracyclines)、氯霉素 (chloramphenicol) 等，可能更敏感。

② 重要的革兰氏阴性菌属 (Important Genera of Gram-negative Bacteria)

▮▮▮▮ⓐ 大肠埃希氏菌属 (Escherichia)：大肠埃希氏菌属是革兰氏阴性杆菌，兼性厌氧，氧化酶阴性 (oxidase-negative)，触酶阳性，不形成芽孢，多数有周鞭毛，发酵葡萄糖和乳糖产酸产气。大肠埃希氏菌 (Escherichia coli) 是人和动物肠道正常菌群的主要成员，在肠道中参与维生素K和维生素B族合成，抑制肠道致病菌的生长，维持肠道微生态平衡。但某些特定血清型的大肠埃希氏菌是致病菌，可以引起肠道外感染 (如尿路感染 urinary tract infection, 腹膜炎 peritonitis, 败血症 septicemia, 脑膜炎 meningitis) 和肠道感染 (如腹泻 diarrhea, 痢疾 dysentery)。致病性大肠埃希氏菌主要分为肠致病性大肠埃希氏菌 (Enteropathogenic E. coli, EPEC)、肠产毒素性大肠埃希氏菌 (Enterotoxigenic E. coli, ETEC)、肠侵袭性大肠埃希氏菌 (Enteroinvasive E. coli, EIEC)、肠出血性大肠埃希氏菌 (Enterohemorrhagic E. coli, EHEC)、肠聚集性大肠埃希氏菌 (Enteroaggregative E. coli, EAEC) 等。其中，O157:H7 型大肠埃希氏菌是典型的肠出血性大肠埃希氏菌，可以引起出血性结肠炎 (hemorrhagic colitis) 和溶血性尿毒综合征 (hemolytic uremic syndrome, HUS)。大肠埃希氏菌是分子生物学和基因工程研究中最重要的模式生物之一，也是工业生产中常用的工程菌，用于重组蛋白、酶制剂、生物燃料等的生产。

▮▮▮▮ⓑ 沙门菌属 (Salmonella)：沙门菌属是革兰氏阴性杆菌，兼性厌氧，氧化酶阴性，触酶阳性，不形成芽孢，有周鞭毛，发酵葡萄糖产酸产气，不发酵乳糖，产生硫化氢 (H₂S)。沙门菌广泛分布于人和动物的肠道、粪便、食品、水、土壤等环境中。沙门菌属是重要的食源性致病菌，可以引起沙门菌病，主要表现为食物中毒 (salmonellosis) 和伤寒 (typhoid fever)。鼠伤寒沙门菌 (Salmonella enterica serovar Typhimurium) 和肠炎沙门菌 (Salmonella enterica serovar Enteritidis) 是常见的食物中毒病原菌，主要引起急性胃肠炎 (acute gastroenteritis)。伤寒沙门菌 (Salmonella enterica serovar Typhi) 和副伤寒沙门菌 (Salmonella enterica serovar Paratyphi) 是伤寒和副伤寒的病原菌，引起全身性感染，病情较重。沙门菌的血清分型复杂，根据O抗原、H抗原和Vi抗原的不同组合，可分为2500多个血清型。沙门菌的耐药性问题日益严重，多重耐药沙门菌的出现给临床治疗带来挑战。

▮▮▮▮ⓒ 志贺菌属 (Shigella)：志贺菌属是革兰氏阴性杆菌，兼性厌氧，氧化酶阴性，触酶阳性，不形成芽孢，无鞭毛，发酵葡萄糖产酸，不发酵乳糖，不产硫化氢。志贺菌是人的肠道致病菌，主要引起细菌性痢疾 (bacillary dysentery, shigellosis)。志贺菌通过粪-口途径传播，具有高度传染性，少量细菌即可引起感染。志贺菌侵袭结肠黏膜上皮细胞，引起炎症和溃疡，主要临床表现为腹痛、腹泻、黏液脓血便、里急后重、发热等。志贺菌属分为痢疾志贺菌 (Shigella dysenteriae)、福氏志贺菌 (Shigella flexneri)、鲍氏志贺菌 (Shigella boydii) 和宋内志贺菌 (Shigella sonnei) 四个种，其中痢疾志贺菌产生的志贺毒素 (Shiga toxin, Stx) 毒力最强，可引起重症痢疾和溶血性尿毒综合征。志贺菌的耐药性问题也日益突出，多重耐药志贺菌的流行给公共卫生带来威胁。

▮▮▮▮ⓓ 假单胞菌属 (Pseudomonas)：假单胞菌属是革兰氏阴性杆菌，严格需氧，氧化酶阳性，触酶阳性，不形成芽孢，有极鞭毛，代谢类型多样，营养需求简单，适应性强。假单胞菌广泛分布于土壤、水、空气、植物、人和动物等环境中，是自然界中分布最广的细菌之一。假单胞菌属中，铜绿假单胞菌 (Pseudomonas aeruginosa) 是重要的条件致病菌，可以引起医院感染 (nosocomial infections)，如肺炎、败血症、尿路感染、烧伤感染、外耳道炎、角膜炎等，尤其容易感染免疫力低下的患者。铜绿假单胞菌具有多重耐药性 (multidrug resistance, MDR)，对多种抗生素耐药，治疗困难。荧光假单胞菌 (Pseudomonas fluorescens) 和恶臭假单胞菌 (Pseudomonas putida) 等是环境微生物，具有生物降解能力，可以降解多种有机污染物，应用于生物修复 (bioremediation)。假单胞菌属在工业上也有应用，如酶制剂、生物塑料、生物农药等的生产。

▮▮▮▮ⓔ 弧菌属 (Vibrio)：弧菌属是革兰氏阴性杆菌，兼性厌氧，氧化酶阳性，触酶阳性，不形成芽孢，有极鞭毛，嗜盐 (halophilic) 或耐盐 (halotolerant)，发酵葡萄糖产酸。弧菌主要分布于海洋、河口等水生环境中。弧菌属中，霍乱弧菌 (Vibrio cholerae) 是霍乱的病原菌，引起急性肠道传染病，主要临床表现为剧烈腹泻、呕吐、脱水、电解质紊乱，严重者可危及生命。霍乱弧菌通过污染的水源和食物传播，流行于卫生条件差的地区。副溶血性弧菌 (Vibrio parahaemolyticus) 是常见的食源性致病菌，引起副溶血性弧菌食物中毒，主要临床表现为腹痛、腹泻、呕吐、发热等，常与食用生或未煮熟的海产品有关。创伤弧菌 (Vibrio vulnificus) 可以引起创伤感染和原发性败血症，病情凶险，死亡率高，常与伤口接触海水或食用生蚝等海产品有关。弧菌属在海洋生态系统中发挥重要作用，参与物质循环和能量流动。

除了以上介绍的几个重要属外，革兰氏阴性菌还包括奈瑟菌属 (Neisseria)、嗜血杆菌属 (Haemophilus)、百日咳杆菌属 (Bordetella)、军团菌属 (Legionella)、弯曲菌属 (Campylobacter)、幽门螺杆菌属 (Helicobacter)、拟杆菌属 (Bacteroides)、普氏菌属 (Prevotella) 等。这些革兰氏阴性菌在医学、环境、农业、工业等领域都具有重要意义。例如，奈瑟菌属包括淋病奈瑟菌 (Neisseria gonorrhoeae) (淋病病原菌) 和脑膜炎奈瑟菌 (Neisseria meningitidis) (流行性脑脊髓膜炎病原菌)；嗜血杆菌属包括流感嗜血杆菌 (Haemophilus influenzae) (呼吸道感染和脑膜炎病原菌)；弯曲菌属包括空肠弯曲菌 (Campylobacter jejuni) (细菌性食物中毒常见病原菌)；幽门螺杆菌属包括幽门螺杆菌 (Helicobacter pylori) (胃炎、胃溃疡、胃癌相关菌)。

总之，革兰氏阴性菌是一类极其多样化、适应性极强的细菌类群。它们在自然界中广泛分布，参与各种生态过程，与人类健康和疾病密切相关，在生物技术和环境保护领域也具有重要的应用价值。深入研究革兰氏阴性菌的生物学特性，对于理解微生物生态、防治细菌感染、开发生物资源具有重要意义。革兰氏阴性菌的耐药性问题日益突出，特别是碳青霉烯类耐药肠杆菌科细菌 (carbapenem-resistant Enterobacteriaceae, CRE) 的出现，给全球公共卫生带来严峻挑战。

7.2.3 其他重要细菌类群 (Other Important Groups of Bacteria)

简要介绍分枝杆菌 (Mycobacteria)、螺旋体 (Spirochetes)、支原体 (Mycoplasmas) 等特殊细菌类群的特点和代表菌属，以及它们引起的疾病。

除了革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类群外，还有一些特殊的细菌类群，它们在细胞壁结构、形态特征、生理代谢等方面具有独特的特点，在医学和生态学上具有重要意义。以下简要介绍分枝杆菌、螺旋体、支原体等特殊细菌类群：

① 分枝杆菌属 (Mycobacterium)

分枝杆菌属是放线菌门 (Actinobacteria) 下的一属，是一类革兰氏阳性杆菌，但革兰氏染色不稳定，常呈弱阳性或不染色，故又称抗酸杆菌 (acid-fast bacilli, AFB)。分枝杆菌的细胞壁结构特殊，含有大量的分枝菌酸 (mycolic acid)、蜡质 (waxes)、糖脂 (glycolipids) 等脂质成分，使得细胞壁具有疏水性、抵抗力强、生长缓慢等特点。

▮▮▮▮ⓐ 特点 (Characteristics of Mycobacterium)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 抗酸性 (Acid-fastness)：分枝杆菌细胞壁的脂质成分使其具有抗酸性，即染色后不易被酸性脱色剂脱色。抗酸染色 (acid-fast stain, Ziehl-Neelsen stain) 是分枝杆菌的特征性染色方法，染色后分枝杆菌呈红色，背景呈蓝色。抗酸性是分枝杆菌鉴定的重要依据。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 细胞壁富含脂质 (Lipid-rich cell wall)：分枝杆菌细胞壁含有高达60%的脂质，主要成分是分枝菌酸。分枝菌酸是一种长链脂肪酸，与肽聚糖层共价连接，形成细胞壁的骨架。细胞壁的脂质成分赋予分枝杆菌疏水性、抵抗力强、生长缓慢等特点。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 生长缓慢 (Slow growth)：分枝杆菌的生长速度非常缓慢，世代时间长，培养周期长。这是由于细胞壁的脂质成分阻碍营养物质的吸收和代谢，以及细胞代谢途径的特殊性所致。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 需氧菌 (Aerobic)：分枝杆菌是严格需氧菌。

▮▮▮▮ⓑ 重要菌种及疾病 (Important species and diseases)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 结核分枝杆菌 (Mycobacterium tuberculosis)：结核病 (tuberculosis, TB) 的病原菌，是全球重要的传染病病原菌之一，主要侵犯肺部，引起肺结核，也可侵犯其他器官，引起肺外结核。结核病通过呼吸道飞沫传播，主要临床表现为咳嗽、咳痰、咯血、发热、盗汗、消瘦等。结核病的诊断主要依靠痰涂片抗酸染色、结核菌素试验 (tuberculin skin test, TST)、γ-干扰素释放试验 (interferon-gamma release assays, IGRAs)、胸部X线、细菌培养、分子生物学检测等。结核病的治疗主要采用抗结核药物联合化疗，疗程长，需坚持规律用药。耐药结核病 (drug-resistant TB, DR-TB) 问题日益严重，包括耐多药结核病 (multidrug-resistant TB, MDR-TB) 和广泛耐药结核病 (extensively drug-resistant TB, XDR-TB)，治疗难度更大。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 麻风分枝杆菌 (Mycobacterium leprae)：麻风病 (leprosy) 的病原菌，是一种慢性传染病，主要侵犯皮肤、周围神经、上呼吸道黏膜、眼睛、睾丸等。麻风病的传播途径尚不完全清楚，可能通过长期密切接触传播。麻风病的临床表现多样，主要分为结核样型麻风 (tuberculoid leprosy, TL) 和瘤型麻风 (lepromatous leprosy, LL) 两种类型。麻风病的诊断主要依靠皮肤涂片抗酸染色、组织病理学检查、麻风菌素试验 (lepromin skin test)、分子生物学检测等。麻风病的治疗主要采用多种药物联合化疗 (multi-drug therapy, MDT)，疗程较长。麻风病是可治愈的疾病，早期诊断和治疗可以有效控制病情，预防残疾。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 鸟分枝杆菌复合群 (Mycobacterium avium complex, MAC)：包括鸟分枝杆菌 (Mycobacterium avium) 和胞内分枝杆菌 (Mycobacterium intracellulare) 等多种分枝杆菌，是条件致病菌，主要引起免疫力低下患者的感染，如艾滋病 (AIDS) 患者的播散性MAC感染，也可引起肺部感染、淋巴结炎、皮肤软组织感染等。MAC感染的诊断和治疗较为复杂，需要根据具体情况选择合适的药物和方案。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 其他分枝杆菌：如堪萨斯分枝杆菌 (Mycobacterium kansasii)、脓肿分枝杆菌 (Mycobacterium abscessus)、偶发分枝杆菌 (Mycobacterium fortuitum) 等，也可能引起肺部感染、皮肤软组织感染、手术部位感染等。

② 螺旋体目 (Spirochaetales)

螺旋体目是一类革兰氏阴性菌，但革兰氏染色不易着色，需用姬姆萨染色 (Giemsa stain) 或银染色 (silver stain) 染色。螺旋体具有螺旋状的细胞形态，细胞壁外有一层外鞘 (outer sheath)，细胞内有轴丝 (axial filaments, 又称内鞭毛 endoflagella)，位于细胞壁和外鞘之间，负责细菌的运动。

▮▮▮▮ⓐ 特点 (Characteristics of Spirochaetes)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 螺旋状形态 (Spiral shape)：螺旋体具有螺旋状的细胞形态，螺旋的长度、宽度、螺旋数、螺旋的紧密度等因菌种而异。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 轴丝运动 (Axial filament motility)：螺旋体的运动方式独特，依靠轴丝的旋转和弯曲实现螺旋运动、屈曲运动、滑动运动等。轴丝位于细胞壁和外鞘之间，与细胞两端的鞭毛基体 (basal bodies) 相连。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 革兰氏染色不易着色 (Poor Gram staining)：螺旋体的细胞壁结构特殊，肽聚糖层薄，外膜结构复杂，革兰氏染色不易着色，常呈淡红色或无色。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 培养困难 (Difficult to culture)：许多螺旋体培养条件苛刻，生长缓慢，甚至无法在人工培养基上培养，如梅毒螺旋体 (Treponema pallidum)。

▮▮▮▮ⓑ 重要菌属及疾病 (Important genera and diseases)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 密螺旋体属 (Treponema)：梅毒螺旋体 (Treponema pallidum) 是梅毒 (syphilis) 的病原菌，是一种性传播疾病 (sexually transmitted infection, STI)，也可通过母婴传播和血液传播。梅毒螺旋体无法在人工培养基上培养，诊断主要依靠血清学试验 (梅毒血清试验 syphilis serology)。梅毒的临床病程分为一期梅毒、二期梅毒、三期梅毒和晚期梅毒，不同时期临床表现不同。梅毒早期治疗效果好，晚期可引起心血管梅毒、神经梅毒等严重并发症。非梅毒性密螺旋体 (non-treponemal treponematoses) 包括地方性梅毒 (endemic syphilis, bejel)、品他病 (yaws)、巴尔通体病 (pinta) 等，主要流行于发展中国家，通过非性接触传播。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 疏螺旋体属 (Borrelia)：伯氏疏螺旋体 (Borrelia burgdorferi) 是莱姆病 (Lyme disease) 的病原菌，是一种人畜共患病，通过蜱虫 (ticks) 叮咬传播。莱姆病主要临床表现为游走性红斑 (erythema migrans, EM)、关节炎 (arthritis)、神经系统损害、心脏损害等。莱姆病的诊断主要依靠临床表现、流行病学史、血清学试验 (莱姆病抗体检测 Lyme disease antibody test)。莱姆病早期治疗效果好，晚期可引起慢性莱姆病，治疗难度较大。回归热疏螺旋体 (Borrelia recurrentis) 是流行性回归热 (epidemic relapsing fever) 的病原菌，通过人虱 (human body louse) 传播。杜氏疏螺旋体 (Borrelia duttonii) 是地方性回归热 (endemic relapsing fever) 的病原菌，通过软蜱 (soft ticks) 传播。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 钩端螺旋体属 (Leptospira)：问号钩端螺旋体 (Leptospira interrogans) 是钩端螺旋体病 (leptospirosis) 的病原菌，是一种人畜共患病，通过接触污染的水源或土壤传播。钩端螺旋体病主要临床表现为发热、头痛、肌痛、黄疸、肾功能衰竭、出血等，严重者可危及生命。钩端螺旋体病的诊断主要依靠临床表现、流行病学史、血清学试验 (钩端螺旋体凝集试验 microscopic agglutination test, MAT)、细菌培养、分子生物学检测等。

③ 支原体属 (Mycoplasma)

支原体属是一类细菌，但没有细胞壁，是最小的、能独立生活的原核生物。支原体的细胞膜含有固醇 (sterols)，增强了细胞膜的稳定性。支原体形态多样，可呈球形、杆状、丝状、分支状等，大小微小，可通过细菌滤器。支原体是兼性厌氧或需氧，营养需求复杂，生长缓慢。

▮▮▮▮ⓐ 特点 (Characteristics of Mycoplasma)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 无细胞壁 (Lack of cell wall)：支原体没有细胞壁，是其最显著的特点。由于没有细胞壁，支原体形态多样，可塑性强，对青霉素等作用于细胞壁的抗生素不敏感。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 细胞膜含固醇 (Sterols in cell membrane)：支原体的细胞膜含有固醇，如胆固醇 (cholesterol)，增强了细胞膜的稳定性和流动性。固醇通常存在于真核细胞膜中，在原核生物中较为罕见。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 体积微小 (Small size)：支原体是最小的、能独立生活的原核生物，直径约为0.2-0.3 μm，可通过细菌滤器。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 营养需求复杂 (Complex nutritional requirements)：支原体营养需求复杂，需要富含固醇、脂肪酸、氨基酸、维生素等成分的特殊培养基才能生长。

▮▮▮▮ⓑ 重要菌种及疾病 (Important species and diseases)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 肺炎支原体 (Mycoplasma pneumoniae)：肺炎支原体肺炎 (mycoplasma pneumonia, 又称原发性非典型肺炎 primary atypical pneumonia) 的病原菌，是一种呼吸道传染病，通过呼吸道飞沫传播，主要侵犯肺部，引起间质性肺炎。肺炎支原体肺炎主要临床表现为发热、咳嗽、咽痛、头痛、乏力等，肺部体征常不明显，胸部X线显示肺纹理增粗、斑片状阴影等。肺炎支原体肺炎的诊断主要依靠临床表现、胸部X线、血清学试验 (肺炎支原体抗体检测 Mycoplasma pneumoniae antibody test)、分子生物学检测 (PCR检测)。肺炎支原体肺炎的治疗主要采用大环内酯类抗生素 (macrolides, 如红霉素 erythromycin, 阿奇霉素 azithromycin)、四环素类抗生素、喹诺酮类抗生素 (quinolones) 等，青霉素、头孢菌素等作用于细胞壁的抗生素无效。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 人型支原体 (Mycoplasma hominis) 和 生殖支原体 (Mycoplasma genitalium)：泌尿生殖道感染的病原菌，可以引起非淋菌性尿道炎 (non-gonococcal urethritis, NGU)、宫颈炎 (cervicitis)、盆腔炎 (pelvic inflammatory disease, PID) 等。生殖支原体被认为是非淋菌性尿道炎的重要病原菌之一，与性传播感染有关。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 解脲支原体 (Ureaplasma urealyticum)：泌尿生殖道感染的病原菌，可以引起非淋菌性尿道炎、前列腺炎、附睾炎、盆腔炎等，也与不孕不育、早产、流产等有关。解脲支原体具有尿素酶 (urease) 活性，可以分解尿素产生氨。

除了以上介绍的分枝杆菌、螺旋体、支原体外，还有衣原体 (Chlamydiae)、立克次体 (Rickettsiae)、放线菌 (Actinobacteria)、古菌 (Archaea) 等重要的特殊细菌类群，它们在医学、生态学、进化生物学等领域都具有重要的研究价值。微生物世界的多样性和复杂性远超我们的想象，随着研究的深入，我们对微生物的认识将不断拓展和深化。

7.3 细菌性疾病 (Bacterial Diseases)

介绍几种重要的细菌性疾病，如结核病 (tuberculosis)、肺炎 (pneumonia)、脑膜炎 (meningitis)、食物中毒 (food poisoning)、尿路感染 (urinary tract infection) 等，包括病原菌、传播途径、临床症状、诊断和治疗。

细菌性疾病 (bacterial diseases) 是由细菌感染引起的疾病，是人类和动物疾病的重要组成部分。细菌性疾病种类繁多，涉及人体各个系统和器官，从轻微的局部感染到严重的全身性感染，甚至危及生命。了解细菌性疾病的病原菌、传播途径、致病机制、临床表现、诊断和治疗，对于预防和控制细菌性疾病至关重要。以下介绍几种重要的细菌性疾病：

7.3.1 呼吸道细菌感染：结核病 (Respiratory Bacterial Infections: Tuberculosis)

介绍结核分枝杆菌 Mycobacterium tuberculosis 的特点、传播途径、致病机制、临床表现、诊断和治疗策略。

结核病 (tuberculosis, TB) 是一种由结核分枝杆菌 (Mycobacterium tuberculosis) 引起的慢性传染病，主要侵犯肺部，引起肺结核，也可侵犯其他器官，引起肺外结核。结核病是全球重要的公共卫生问题，是导致死亡的主要传染病之一。

① 病原菌：结核分枝杆菌 (Mycobacterium tuberculosis)

结核分枝杆菌是一种抗酸杆菌，革兰氏染色不稳定，常呈弱阳性或不染色，抗酸染色阳性 (红色)。结核分枝杆菌细胞壁富含脂质 (分枝菌酸、蜡质、糖脂等)，具有疏水性、抵抗力强、生长缓慢等特点。结核分枝杆菌是严格需氧菌，生长缓慢，在人工培养基上培养周期长 (4-8周)。

② 传播途径 (Transmission routes)

结核病主要通过呼吸道飞沫传播。肺结核患者在咳嗽、咳痰、打喷嚏、大声说话时，会排出含有结核分枝杆菌的飞沫，健康人吸入含有结核分枝杆菌的飞沫后，可能发生感染。密切接触、空气不流通的环境中，传播风险较高。牛型结核分枝杆菌 (Mycobacterium bovis) 可通过饮用未经消毒的牛奶传播，引起肺外结核，如骨结核、肠结核等，但目前已较少见。

③ 致病机制 (Pathogenic mechanisms)

结核分枝杆菌感染人体后，主要致病机制包括：

▮▮▮▮ⓐ 原发感染 (Primary infection)：结核分枝杆菌经呼吸道侵入肺部，在肺泡内被巨噬细胞吞噬。部分细菌被巨噬细胞杀灭，部分细菌在巨噬细胞内存活和繁殖。感染部位形成原发灶 (Ghon focus)，周围淋巴结受累，形成原发综合征 (Ghon complex)。大多数原发感染者无症状或症状轻微，通过细胞免疫和体液免疫，可以控制感染，形成潜伏性结核感染 (latent tuberculosis infection, LTBI)。

▮▮▮▮ⓑ 潜伏性结核感染 (Latent tuberculosis infection, LTBI)：潜伏性结核感染是指人体感染结核分枝杆菌后，细菌在体内休眠，不引起临床症状，不具有传染性。潜伏性结核感染者结核菌素试验阳性或γ-干扰素释放试验阳性，胸部X线正常，痰涂片和培养阴性。潜伏性结核感染者体内仍有活菌存在，当免疫力下降时，潜伏的结核分枝杆菌可能复活，引起活动性结核病 (active tuberculosis disease)。

▮▮▮▮ⓒ 活动性结核病 (Active tuberculosis disease)：活动性结核病是指结核分枝杆菌在体内大量繁殖，引起组织破坏和临床症状的结核病。活动性结核病包括肺结核和肺外结核。肺结核是活动性结核病最常见的类型，主要病理特征是结核结节 (tubercle) 的形成和干酪样坏死 (caseous necrosis)。结核结节是由巨噬细胞、淋巴细胞、成纤维细胞等组成的肉芽肿，中央发生干酪样坏死。结核结节可以液化、空洞形成，细菌通过空洞播散，引起继发性肺结核。肺外结核是指肺部以外器官的结核病，如胸膜结核、淋巴结结核、骨结核、脑膜结核、肠结核、泌尿生殖系统结核等。肺外结核的临床表现因受累器官而异。

④ 临床表现 (Clinical manifestations)

肺结核的典型症状包括：

▮▮▮▮ⓐ 全身症状：低热 (午后低热)、盗汗 (夜间盗汗)、乏力、食欲减退、消瘦、贫血等。

▮▮▮▮ⓑ 呼吸系统症状：咳嗽 (慢性咳嗽，持续>2周)、咳痰 (白色黏液痰或脓痰)、咯血 (痰中带血或鲜血)、胸痛、呼吸困难等。

肺外结核的临床表现因受累器官而异，如淋巴结结核表现为淋巴结肿大，骨结核表现为骨痛、关节活动受限，脑膜结核表现为头痛、呕吐、脑膜刺激征等。

⑤ 诊断 (Diagnosis)

结核病的诊断主要依据：

▮▮▮▮ⓐ 病史和症状：了解患者的结核病接触史、既往史、症状等。

▮▮▮▮ⓑ 结核菌素试验 (Tuberculin skin test, TST)：皮内注射结核菌素 (PPD)，48-72小时后观察皮肤红肿硬结反应。TST阳性提示感染过结核分枝杆菌，但不能区分潜伏性感染和活动性疾病。

▮▮▮▮ⓒ γ-干扰素释放试验 (Interferon-gamma release assays, IGRAs)：检测血液中T细胞释放的γ-干扰素，IGRAs阳性提示感染过结核分枝杆菌，特异性高于TST。

▮▮▮▮ⓓ 痰涂片抗酸染色 (Sputum smear acid-fast stain)：痰液涂片进行抗酸染色，镜检抗酸杆菌。痰涂片阳性提示排菌的活动性肺结核，具有传染性。

▮▮▮▮ⓔ 痰培养 (Sputum culture)：痰液进行结核分枝杆菌培养，金标准，阳性可确诊结核病，并可进行药敏试验。但培养周期长 (4-8周)。

▮▮▮▮ⓕ 胸部X线 (Chest X-ray)：检查肺部病灶，如肺纹理增粗、斑片状阴影、空洞、钙化灶等。

▮▮▮▮ⓖ 分子生物学检测 (Molecular biological tests)：如核酸扩增试验 (nucleic acid amplification tests, NAATs)，如PCR，可以快速检测痰液或其他标本中的结核分枝杆菌DNA，快速诊断结核病，并可检测耐药基因。

▮▮▮▮ⓗ 病理学检查 (Pathological examination)：组织活检标本进行病理学检查，观察结核结节、干酪样坏死等病理特征。

⑥ 治疗策略 (Treatment strategies)

结核病的治疗原则是早期、联合、适量、规律、全程用药。

▮▮▮▮ⓐ 抗结核药物 (Anti-tuberculosis drugs)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 一线抗结核药物：异烟肼 (isoniazid, INH)、利福平 (rifampicin, RIF)、吡嗪酰胺 (pyrazinamide, PZA)、乙胺丁醇 (ethambutol, EMB)、链霉素 (streptomycin, SM)。一线药物疗效好，不良反应相对较小，是结核病治疗的基础。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 二线抗结核药物：氟喹诺酮类 (fluoroquinolones, 如氧氟沙星 ofloxacin, 莫西沙星 moxifloxacin)、氨基糖苷类 (aminoglycosides, 如阿米卡星 amikacin, 卡那霉素 kanamycin)、卷曲霉素 (capreomycin)、对氨基水杨酸钠 (para-aminosalicylic acid, PAS)、环丝氨酸 (cycloserine)、乙硫异烟胺 (ethionamide)、丙硫异烟胺 (prothionamide)、利福布汀 (rifabutin)、氯法齐明 (clofazimine)、贝达喹啉 (bedaquiline)、德拉马尼 (delamanid)、利奈唑胺 (linezolid)。二线药物疗效相对较差，不良反应较大，主要用于耐药结核病的治疗。

▮▮▮▮ⓑ 治疗方案 (Treatment regimens)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 初治肺结核：强化期 (2个月)：异烟肼 (H) + 利福平 (R) + 吡嗪酰胺 (Z) + 乙胺丁醇 (E)；巩固期 (4个月)：异烟肼 (H) + 利福平 (R)。总疗程6个月 (2HRZE/4HR)。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 复治肺结核、耐药结核病：根据药敏试验结果，选择敏感药物或耐药药物，制定个体化治疗方案，疗程更长 (18-24个月或更长)。耐多药结核病 (MDR-TB) 需使用二线药物治疗，广泛耐药结核病 (XDR-TB) 治疗难度极大。

▮▮▮▮ⓒ 辅助治疗 (Adjunctive therapy)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 糖皮质激素：用于重症结核病，如结核性脑膜炎、重症肺结核等，减轻炎症反应，改善预后。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 手术治疗：少数情况下，如大咯血、支气管扩张、胸膜增厚等，可考虑手术治疗。

▮▮▮▮ⓓ 预防 (Prevention)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 卡介苗接种 (Bacille Calmette-Guérin, BCG vaccination)：新生儿接种卡介苗，可预防儿童重症结核病，如结核性脑膜炎、粟粒性结核病，但对成人肺结核的保护作用有限。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 潜伏性结核感染治疗 (Latent tuberculosis infection treatment, LTBI treatment)：对高危人群 (如结核病患者的密切接触者、HIV感染者、免疫抑制剂使用者等) 进行潜伏性结核感染筛查，对LTBI阳性者进行预防性治疗，常用药物为异烟肼 (6-9个月) 或利福平 (4个月) 或异烟肼+利福平 (3个月)。

结核病是可防可治的疾病。加强结核病防治知识宣传，提高公众防治意识；早期发现、早期诊断、早期治疗结核病患者；规范化治疗，提高治疗成功率，减少耐药性产生；加强密切接触者筛查和潜伏性结核感染治疗；改善生活环境，提高人群免疫力，是控制结核病流行的关键措施。

7.3.2 消化道细菌感染：细菌性食物中毒 (Gastrointestinal Bacterial Infections: Bacterial Food Poisoning)

介绍常见的引起食物中毒的细菌（如沙门菌 Salmonella, 弯曲菌 Campylobacter, 金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus, 肉毒梭菌 Clostridium botulinum）及其毒素、传播途径、临床表现和预防措施。

细菌性食物中毒 (bacterial food poisoning) 是指食用了被细菌或细菌毒素污染的食物后引起的急性胃肠道疾病。细菌性食物中毒是常见的食源性疾病 (foodborne diseases) 之一，在全球范围内广泛发生。

① 常见病原菌 (Common pathogenic bacteria)

多种细菌及其毒素可以引起食物中毒，常见的病原菌包括：

▮▮▮▮ⓐ 沙门菌属 (Salmonella)：鼠伤寒沙门菌 (Salmonella enterica serovar Typhimurium)、肠炎沙门菌 (Salmonella enterica serovar Enteritidis) 等是常见的食物中毒病原菌，主要引起感染型食物中毒。沙门菌主要污染肉类、禽蛋、乳制品等动物性食品，也可能污染蔬菜、水果等植物性食品。

▮▮▮▮ⓑ 弯曲菌属 (Campylobacter)：空肠弯曲菌 (Campylobacter jejuni) 是最常见的细菌性食物中毒病原菌之一，主要引起感染型食物中毒。弯曲菌主要污染禽肉 (尤其是鸡肉)、生牛奶、污染的水等。

▮▮▮▮ⓒ 金黄色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus)：金黄色葡萄球菌可以产生肠毒素 (staphylococcal enterotoxins, SEs)，引起毒素型食物中毒。金黄色葡萄球菌广泛分布于人和动物的皮肤、鼻腔、咽喉等部位，容易污染熟食、乳制品、糕点等食品。

▮▮▮▮ⓓ 肉毒梭菌 (Clostridium botulinum)：肉毒梭菌可以产生肉毒毒素 (botulinum toxin, BoNT)，引起肉毒中毒 (botulism)，是一种神经毒素型食物中毒，病情严重，可危及生命。肉毒梭菌是厌氧菌，主要污染罐头食品、真空包装食品、发酵食品等厌氧环境下的食品。

▮▮▮▮ⓔ 蜡样芽孢杆菌 (Bacillus cereus)：蜡样芽孢杆菌可以产生催吐毒素 (emetic toxin, cereulide) 和腹泻毒素 (diarrheal toxins)，引起毒素型食物中毒。蜡样芽孢杆菌主要污染米饭、炒饭、剩饭剩菜等淀粉类食品。

▮▮▮▮ⓕ 副溶血性弧菌 (Vibrio parahaemolyticus)：副溶血性弧菌主要污染海产品，如鱼、虾、贝类等，引起感染型食物中毒。

▮▮▮▮ⓖ 其他细菌：如产气荚膜梭菌 (Clostridium perfringens)、单核细胞增生李斯特菌 (Listeria monocytogenes)、致病性大肠埃希氏菌 (Escherichia coli) (如肠出血性大肠埃希氏菌 EHEC, 肠产毒素性大肠埃希氏菌 ETEC, 肠侵袭性大肠埃希氏菌 EIEC, 肠致病性大肠埃希氏菌 EPEC) 等，也可能引起食物中毒。

② 传播途径 (Transmission routes)

细菌性食物中毒主要通过食物传播，污染途径包括：

▮▮▮▮ⓐ 食品生产环节污染：食品原料 (如肉类、禽蛋、蔬菜、水果) 在养殖、种植、屠宰、采摘等环节可能被细菌污染。

▮▮▮▮ⓑ 食品加工环节污染：食品在加工、制作、包装、运输、储存等环节可能被细菌污染，如加工环境卫生差、操作人员带菌、交叉污染等。

▮▮▮▮ⓒ 食品储存不当：食品在常温下长时间储存，细菌容易繁殖，产生毒素。

▮▮▮▮ⓓ 食品烹饪不彻底：食品加热不充分，未煮熟煮透，不能有效杀灭细菌。

▮▮▮▮ⓔ 生熟食品交叉污染：生食和熟食在加工、储存、使用过程中交叉污染。

③ 临床表现 (Clinical manifestations)

细菌性食物中毒的临床表现主要为胃肠道症状，潜伏期、症状和病情严重程度因病原菌和毒素类型而异。

▮▮▮▮ⓐ 感染型食物中毒：如沙门菌食物中毒、弯曲菌食物中毒、副溶血性弧菌食物中毒等，潜伏期较长 (6-48小时)，主要临床表现为腹痛、腹泻 (水样便或脓血便)、恶心、呕吐、发热等，病程一般为1-7天。

▮▮▮▮ⓑ 毒素型食物中毒：如金黄色葡萄球菌肠毒素食物中毒、蜡样芽孢杆菌催吐毒素食物中毒等，潜伏期较短 (0.5-6小时)，主要临床表现为恶心、呕吐 (剧烈呕吐)、腹痛、腹泻 (水样便)，发热少见，病程较短 (6-24小时)。

▮▮▮▮ⓒ 神经毒素型食物中毒：如肉毒中毒，潜伏期较长 (12-36小时)，主要临床表现为神经系统症状，如视力模糊、复视、眼睑下垂、吞咽困难、声音嘶哑、呼吸困难、肌肉麻痹等，胃肠道症状可能不明显。肉毒中毒病情严重，可因呼吸麻痹而死亡。

④ 预防措施 (Prevention measures)

细菌性食物中毒是可以预防的。预防细菌性食物中毒的关键是控制食品污染，防止细菌繁殖，彻底杀灭细菌。

▮▮▮▮ⓐ 食品安全五要点：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 保持清洁 (Keep clean)：勤洗手 (饭前便后、接触生食后)、清洗和消毒厨房用具和餐具、保护食物免受昆虫、鼠类等污染。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 生熟分开 (Separate raw and cooked)：生食和熟食要分开存放、分开加工、分开使用餐具和砧板，防止交叉污染。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 烧熟煮透 (Cook thoroughly)：食品要烧熟煮透，尤其是肉类、禽蛋、海产品等高风险食品，中心温度达到70℃以上。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 安全温度存放食物 (Keep food at safe temperatures)：熟食在室温下存放不超过2小时，冷藏温度在5℃以下，冷冻温度在**-18℃以下**。剩饭剩菜要及时冷藏，再次食用前要彻底加热。

▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 使用安全的水和食品原料 (Use safe water and raw materials)：饮用水要煮沸或使用合格的饮用水，食品原料要新鲜、卫生，不食用来源不明、腐败变质的食品。

▮▮▮▮ⓑ 高风险食品管理：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 肉类和禽肉：彻底煮熟，避免生食或半生食，加工和储存过程中防止交叉污染。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 禽蛋：彻底煮熟，避免生食或半生食，储存和使用过程中防止污染。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 乳制品：饮用和食用经过巴氏消毒或高温灭菌的乳制品，生牛奶要煮沸后饮用。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 海产品：彻底煮熟，避免生食或半生食，生食海产品要选择新鲜、卫生的，注意风险。

▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 罐头食品、真空包装食品、发酵食品：注意检查包装是否完好，有无胀罐、漏气等现象，不食用可疑食品。自制罐头、发酵食品要注意卫生，控制风险。

⑤ 治疗 (Treatment)

细菌性食物中毒的治疗主要为对症治疗和支持治疗。

▮▮▮▮ⓐ 补液：轻症食物中毒，口服补液盐 (oral rehydration salts, ORS) 补液；重症食物中毒，静脉输液，纠正脱水和电解质紊乱。

▮▮▮▮ⓑ 止吐、止泻：轻症食物中毒，可暂禁食，清淡饮食；重症食物中毒，可使用止吐药、止泻药，但不宜滥用止泻药，以免影响毒素排出。

▮▮▮▮ⓒ 抗菌治疗：感染型食物中毒，如沙门菌食物中毒、弯曲菌食物中毒、副溶血性弧菌食物中毒等，一般无需抗菌治疗，轻症食物中毒可自愈；重症食物中毒或特殊人群 (如婴幼儿、老年人、免疫力低下者)，可考虑抗菌治疗，根据药敏试验结果选择敏感抗生素。毒素型食物中毒，如金黄色葡萄球菌肠毒素食物中毒、蜡样芽孢杆菌食物中毒等，抗菌治疗无效。肉毒中毒，需尽早注射肉毒抗毒素，清除胃肠道毒素，呼吸支持等。

细菌性食物中毒是常见的食源性疾病，严重影响人们的健康和生活质量。加强食品安全监管，提高食品生产经营者的食品安全意识和管理水平，加强公众食品安全知识宣传教育，提高公众食品安全意识和自我保护能力，是预防和控制细菌性食物中毒的重要措施。

7.3.3 泌尿生殖系统细菌感染：尿路感染 (Urinary Tract Infections, UTIs)

介绍引起尿路感染的常见细菌（如大肠埃希氏菌 Escherichia coli, 奇异变形杆菌 Proteus mirabilis）及其致病机制、临床表现、诊断和治疗。

尿路感染 (urinary tract infections, UTIs) 是指细菌等病原微生物侵入尿路 (包括肾脏、输尿管、膀胱、尿道) 引起的炎症反应。尿路感染是常见的细菌感染性疾病之一，女性发病率高于男性。

① 常见病原菌 (Common pathogenic bacteria)

引起尿路感染的病原菌主要是细菌，其次是真菌、病毒、寄生虫等。细菌性尿路感染是最常见的类型，约占95%以上。常见的细菌性尿路感染病原菌包括：

▮▮▮▮ⓐ 大肠埃希氏菌 (Escherichia coli)：最常见的尿路感染病原菌，约占75%-90%的非复杂性尿路感染和50%的复杂性尿路感染。尿路致病性大肠埃希氏菌 (uropathogenic E. coli, UPEC) 具有特殊的毒力因子，如菌毛 (fimbriae, 如P菌毛 P fimbriae, 1型菌毛 type 1 fimbriae)、荚膜 (capsule)、溶血素 (hemolysin)、细胞毒性坏死因子 (cytotoxic necrotizing factor, CNF) 等，增强其黏附、侵袭、定植和致病能力。

▮▮▮▮ⓑ 奇异变形杆菌 (Proteus mirabilis)：常见的尿路感染病原菌，尤其容易引起复杂性尿路感染、导尿管相关性尿路感染、肾结石相关性尿路感染。奇异变形杆菌具有尿素酶 (urease) 活性，可以分解尿素产生氨，使尿液碱化，促进磷酸镁铵结石 (struvite stones) 的形成，引起感染性结石。

▮▮▮▮ⓒ 克雷伯菌属 (Klebsiella)：如肺炎克雷伯菌 (Klebsiella pneumoniae)、产酸克雷伯菌 (Klebsiella oxytoca) 等，是常见的尿路感染病原菌，尤其容易引起医院感染、复杂性尿路感染。

▮▮▮▮ⓓ 肠球菌属 (Enterococcus)：如粪肠球菌 (Enterococcus faecalis)、屎肠球菌 (Enterococcus faecium) 等，是常见的尿路感染病原菌，尤其容易引起医院感染、复杂性尿路感染、抗生素耐药性尿路感染。

▮▮▮▮ⓔ 葡萄球菌属 (Staphylococcus)：如腐生葡萄球菌 (Staphylococcus saprophyticus) 是年轻女性尿路感染的常见病原菌，表皮葡萄球菌 (Staphylococcus epidermidis)、金黄色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus) 等也可能引起尿路感染，尤其容易引起导尿管相关性尿路感染、医院感染。

▮▮▮▮ⓕ 其他细菌：如铜绿假单胞菌 (Pseudomonas aeruginosa)、阴沟肠杆菌 (Enterobacter cloacae)、沙雷菌属 (Serratia)、枸橼酸杆菌属 (Citrobacter) 等，也可能引起尿路感染，尤其容易引起医院感染、复杂性尿路感染。

② 致病机制 (Pathogenic mechanisms)

细菌引起尿路感染的致病机制复杂，主要包括：

▮▮▮▮ⓐ 细菌黏附 (Bacterial adhesion)：细菌通过菌毛等黏附素 (adhesins) 黏附于尿路上皮细胞，是尿路感染发生的首要步骤。不同细菌具有不同的菌毛类型，与不同的尿路上皮细胞受体结合，介导不同的黏附特性。如UPEC的P菌毛与肾盂肾炎相关，1型菌毛与膀胱炎相关。

▮▮▮▮ⓑ 细菌侵袭 (Bacterial invasion)：某些细菌可以侵入尿路上皮细胞，在细胞内繁殖，逃避宿主免疫防御，引起细胞内感染。如UPEC可以侵入膀胱上皮细胞，形成细胞内菌库 (intracellular bacterial communities, IBCs)，导致复发性尿路感染。

▮▮▮▮ⓒ 炎症反应 (Inflammatory response)：细菌感染尿路后，引起炎症反应，免疫细胞 (如中性粒细胞、巨噬细胞) 浸润，释放炎症介质 (如细胞因子 cytokines, 趋化因子 chemokines)，导致尿路上皮细胞损伤、组织破坏，引起临床症状。

▮▮▮▮ⓓ 毒力因子 (Virulence factors)：不同细菌具有不同的毒力因子，增强其致病能力。如UPEC的溶血素可以破坏红细胞和尿路上皮细胞，荚膜可以抵抗吞噬作用，细胞毒性坏死因子可以诱导细胞坏死。奇异变形杆菌的尿素酶可以分解尿素产生氨，使尿液碱化，促进结石形成。

▮▮▮▮ⓔ 宿主因素 (Host factors)：宿主因素在尿路感染的发生和发展中也起重要作用。女性尿道短，易于细菌上行感染；妊娠、糖尿病、免疫抑制、尿路梗阻、导尿管等因素增加尿路感染的风险。遗传因素也可能影响尿路感染的易感性。

③ 临床表现 (Clinical manifestations)

尿路感染的临床表现因感染部位和病情严重程度而异。

▮▮▮▮ⓐ 下尿路感染 (Lower urinary tract infection)：主要指膀胱炎 (cystitis) 和尿道炎 (urethritis)。

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 膀胱炎：尿频、尿急、尿痛 (排尿时疼痛或烧灼感)、血尿 (肉眼血尿或镜下血尿)、耻骨上区疼痛或不适。全身症状一般不明显，无发热或低热。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 尿道炎：尿道分泌物 (脓性分泌物)、尿道瘙痒、尿道刺痛、排尿不适。

▮▮▮▮ⓑ 上尿路感染 (Upper urinary tract infection)：主要指肾盂肾炎 (pyelonephritis)。

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 急性肾盂肾炎：发热 (高热或寒战)、腰痛 (肾区叩击痛)、膀胱刺激征 (尿频、尿急、尿痛)、恶心、呕吐、全身不适。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 慢性肾盂肾炎：症状不典型，可有乏力、低热、腰酸、夜尿增多等，反复发作的下尿路感染症状或急性肾盂肾炎发作史。晚期可引起肾功能损害、高血压、肾性贫血等。

④ 诊断 (Diagnosis)

尿路感染的诊断主要依据：

▮▮▮▮ⓐ 病史和症状：了解患者的症状、病程、既往史、诱因等。

▮▮▮▮ⓑ 尿液检查 (Urine tests)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 尿常规检查 (Urine routine test)：尿白细胞 (leukocytes) 增多 (≥10个/HPF)，尿红细胞 (erythrocytes) 可能增多，尿亚硝酸盐 (nitrite) 可能阳性 (革兰氏阴性菌感染时)。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 尿沉渣镜检 (Urine sediment microscopy)：白细胞 (leukocytes) 增多 (≥5个/HPF)，红细胞 (erythrocytes) 可能增多，细菌 (bacteria) 可能可见。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 尿培养 (Urine culture)：金标准，清洁中段尿培养，菌落计数 ≥10⁵ CFU/mL (菌落形成单位/毫升) 可诊断为有意义菌尿 (significant bacteriuria)。尿培养可鉴定病原菌，并进行药敏试验。

▮▮▮▮ⓒ 影像学检查 (Imaging tests)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ B超 (Ultrasound)：检查肾脏、输尿管、膀胱有无结石、积水、肿瘤等梗阻性病变，肾盂肾炎时可能显示肾脏肿大、肾盂分离等。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ CT (Computed tomography)：更清晰地显示肾脏、输尿管、膀胱的解剖结构和病变，复杂性尿路感染、肾盂肾炎、肾周脓肿等可考虑CT检查。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ IVP (Intravenous pyelography, 静脉肾盂造影)：了解尿路解剖结构和功能，梗阻性病变、肾盂肾炎等可考虑IVP检查，但肾功能不全者慎用。

▮▮▮▮ⓓ 其他检查：如血常规、肾功能、C反应蛋白 (C-reactive protein, CRP)、降钙素原 (procalcitonin, PCT) 等，辅助诊断和评估病情。膀胱镜检查 (cystoscopy) 用于反复发作或复杂性尿路感染，排除尿路解剖异常、肿瘤等。

⑤ 治疗 (Treatment)

尿路感染的治疗原则是及时、有效、足量、足疗程使用抗菌药物，清除病原菌，缓解症状，预防复发。

▮▮▮▮ⓐ 抗菌药物治疗 (Antimicrobial therapy)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 非复杂性下尿路感染：经验性治疗，可选用磷霉素氨丁三醇 (fosfomycin trometamol)、呋喃妥因 (nitrofurantoin)、三甲氧苄啶 (trimethoprim)、头孢地尼 (cefdinir)、头孢克肟 (cefixime) 等口服抗菌药物，疗程3-5天。氟喹诺酮类药物 (如环丙沙星 ciprofloxacin, 左氧氟沙星 levofloxacin) 不作为首选，因耐药性问题日益严重。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 复杂性尿路感染、急性肾盂肾炎：经验性治疗或根据药敏试验结果选择抗菌药物，可选用氟喹诺酮类药物 (如环丙沙星、左氧氟沙星)、头孢菌素类药物 (如头孢曲松 ceftriaxone, 头孢他啶 ceftazidime)、氨基糖苷类药物 (如庆大霉素 gentamicin, 阿米卡星) 等口服或静脉抗菌药物，疗程7-14天或更长。重症感染、脓毒血症需静脉联合用药。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 导尿管相关性尿路感染：拔除导尿管，更换导尿管，根据药敏试验结果选择抗菌药物，疗程7-14天或更长。不推荐无症状性导尿管菌尿的常规抗菌治疗。

▮▮▮▮ⓑ 对症治疗 (Symptomatic treatment)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 解痉止痛药：如颠茄合剂、黄酮哌酯等，缓解膀胱痉挛、尿痛等症状。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 碱化尿液：如碳酸氢钠，碱化尿液，减轻尿路刺激症状，但不宜长期使用。

▮▮▮▮ⓒ 一般治疗 (General treatment)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 多饮水、勤排尿：增加尿量，冲洗尿道，促进细菌排出。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 注意休息、加强营养、增强免疫力。

▮▮▮▮ⓓ 预防复发 (Prevention of recurrence)：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 注意个人卫生：勤洗澡、勤换内裤，女性注意会阴部清洁，避免尿道口污染。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 多饮水、勤排尿，不憋尿。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 避免不必要的导尿和侵入性操作。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 治疗原发疾病，如糖尿病、尿路梗阻等。

▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 复发性尿路感染可考虑预防性抗菌治疗，如低剂量、长疗程抗菌药物，或排尿后预防、性交后预防等。

尿路感染是常见的细菌感染性疾病，及时诊断和规范治疗可以有效控制病情，预防并发症和复发。提高公众对尿路感染的认识，注意个人卫生，养成良好的生活习惯，对于预防尿路感染具有重要意义。

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8. 真菌学 (Mycology)

8.1 真菌的分类与结构 (Classification and Structure of Fungi)

8.1.1 真菌的分类系统 (Classification Systems of Fungi)

真菌学 (Mycology) 是生物学中专门研究真菌 (fungi) 的分支学科。真菌是一个极其多样化的生物类群，在自然界中扮演着至关重要的角色，从分解者到病原体，再到食品和药物的生产者，都离不开真菌的参与。为了更好地理解和研究真菌，建立一个系统且合理的分类系统至关重要。真菌的分类是一个不断发展的领域，随着分子生物学技术 (molecular biology techniques) 的进步，特别是 DNA 序列分析 (DNA sequence analysis) 的应用，真菌的分类系统经历了多次变革。

① 早期分类系统：

早期的真菌分类主要基于形态学特征 (morphological characteristics)，例如菌丝 (hyphae) 的形态、孢子 (spores) 的类型和有性生殖结构等。林奈 (Linnaeus) 最初将真菌与植物归为一类，但随着对真菌认识的深入，魏泰克 (Whittaker) 在 1969 年提出的五界系统 (Five-Kingdom System) 中，将真菌提升为一个独立的界 (Kingdom Fungi)，与植物界 (Kingdom Plantae)、动物界 (Kingdom Animalia)、原生生物界 (Kingdom Protista) 和原核生物界 (Kingdom Monera) 并列。这一分类系统奠定了现代真菌分类学的基础。

② 传统的真菌分类：

传统的真菌分类主要依据真菌的有性生殖结构，将真菌分为以下几个主要的门 (phyla)：

▮▮▮▮ⓐ 壶菌门 (Chytridiomycota)：这是一类原始的真菌，通常被认为是真菌中最古老的类群。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 特点：具有动孢子 (zoospores)，这是它们区别于其他高等真菌最显著的特征。动孢子具有鞭毛 (flagella)，可以在水中游动。细胞壁主要成分是几丁质 (chitin)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 代表菌属： Batrachochytrium (蛙壶菌属) ，其中 Batrachochytrium dendrobatidis (树蛙壶菌) 是引起蛙类壶菌病 (chytridiomycosis) 的病原菌，对全球两栖动物 (amphibians) 造成了严重的威胁。
▮▮▮▮ⓓ 接合菌门 (Zygomycota)：这是一类主要通过产生接合孢子 (zygospores) 进行有性生殖的真菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 特点：菌丝无隔膜 (aseptate)，呈多核体 (coenocytic) 结构。无性繁殖产生孢囊孢子 (sporangiospores)。有性生殖产生厚壁的接合孢子。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 代表菌属： Rhizopus (根霉属) 和 Mucor (毛霉属) 是常见的腐生菌 (saprophytes)，在食品腐败和工业发酵中具有重要作用。例如， Rhizopus stolonifer (匍匐根霉) 常见于面包霉 (bread mold)。
▮▮▮▮ⓖ 子囊菌门 (Ascomycota)：这是真菌界中最大的门，包含了大量的真菌种类。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 特点：有性繁殖产生子囊孢子 (ascospores)，子囊孢子产生于子囊 (ascus) 内。子囊通常聚集形成子实体 (ascocarp)，子实体形态多样，如闭囊壳 (cleistothecium)、周囊壳 (perithecium)、顶囊壳 (apothecium) 等。菌丝有隔膜 (septate)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 代表菌属： Saccharomyces (酵母菌属)、 Penicillium (青霉菌属)、 Aspergillus (曲霉菌属)、 Neurospora (脉孢菌属)、 Candida (假丝酵母菌属) 等。子囊菌门包含了许多重要的工业、医学和农业真菌。例如， Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) 用于面包、啤酒和葡萄酒的生产； Penicillium chrysogenum (产黄青霉) 用于生产抗生素 (antibiotics) ； Aspergillus flavus (黄曲霉) 产生黄曲霉毒素 (aflatoxins)，是一种强致癌物。
▮▮▮▮ⓙ 担子菌门 (Basidiomycota)：这是一类高等真菌，包括我们常见的蘑菇 (mushrooms)、木耳 (wood ear)、灵芝 (Ganoderma) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 特点：有性繁殖产生担孢子 (basidiospores)，担孢子产生于担子 (basidium) 上。担子通常聚集形成担子果 (basidiocarp)，即我们俗称的“蘑菇”。菌丝有隔膜，具有特殊的锁状联合 (clamp connections) 结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 代表菌属： Agaricus (蘑菇属)、 Pleurotus (侧耳属)、 Lentinus (香菇属)、 Ganoderma (灵芝属)、 Cryptococcus (隐球菌属) 等。担子菌门包含了大量的食用菌、药用菌和重要的植物病原菌 (plant pathogens)。例如， Agaricus bisporus (双孢蘑菇) 是世界上栽培最广泛的食用菌； Cryptococcus neoformans (新型隐球菌) 是一种重要的机会性病原菌，引起隐球菌脑膜炎 (cryptococcal meningitis)。

③ 现代分子分类系统：

随着分子系统学 (molecular systematics) 的发展，特别是 rRNA 基因 (ribosomal RNA genes) 和蛋白质编码基因 (protein-coding genes) 序列分析技术的广泛应用，真菌的分类系统发生了深刻的变革。基于分子数据的系统发育分析 (phylogenetic analysis) 结果，对传统的真菌分类进行了修正和完善。现代真菌分类系统更加强调系统发育关系 (phylogenetic relationships)，而不仅仅是形态学特征。

现代真菌分类系统在门级水平上，除了传统的壶菌门、接合菌门、子囊菌门和担子菌门之外，还增加了一些新的门，例如：

▮▮▮▮ⓐ 球囊菌门 (Glomeromycota)：这是一类与植物根系形成丛枝菌根 (arbuscular mycorrhizae, AM) 共生体的真菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 特点： obligate symbionts，无法独立培养。菌丝无隔膜，产生大型的厚垣孢子 (chlamydospores)。在陆地生态系统中扮演着至关重要的角色，促进植物对营养物质的吸收。
▮▮▮▮ⓒ 微孢子虫门 (Microsporidia)：这是一类专性细胞内寄生 (obligate intracellular parasites) 的真菌，寄生于动物和原生生物细胞内。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 特点：结构高度简化，具有特殊的极丝 (polar tube) 结构，用于侵染宿主细胞。曾被认为是原生生物，但分子证据表明它们是真菌。
▮▮▮▮ⓔ Neocallimastigomycota 门：这是一类生活在草食动物 (herbivores) 消化道 (digestive tract) 中的厌氧真菌 (anaerobic fungi)，能够分解植物纤维素 (cellulose)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 特点：具有多鞭毛动孢子 (polyflagellated zoospores)，适应厌氧环境。在反刍动物 (ruminants) 的消化过程中发挥重要作用。

此外，在门以下的分类阶元，如纲 (classes)、目 (orders)、科 (families)、属 (genera) 和种 (species) 水平，分子分类也带来了许多调整和修订。例如，传统的“鞭毛菌亚门 (Mastigomycotina)” 和 “接合菌亚门 (Zygomycotina)” 被证明是多系群 (polyphyletic groups)，已被拆分或重新归类。

④ 真菌分类的依据：

现代真菌分类主要依据以下几个方面的特征：

▮▮▮▮ⓐ 形态学特征：包括菌丝的形态（有隔或无隔）、孢子的类型和形态、有性生殖结构（子囊、担子、接合孢子囊等）的形态和子实体的结构等。
▮▮▮▮ⓑ 生理生化特征 (physiological and biochemical characteristics)：包括营养方式、代谢产物、酶活性、细胞壁成分等。
▮▮▮▮ⓒ 生态学特征 (ecological characteristics)：包括生境 (habitat)、营养方式（腐生、寄生、共生）、地理分布等。
▮▮▮▮ⓓ 分子生物学特征：主要是 核糖体 RNA 基因 (rRNA genes) 序列，特别是 18S rRNA 基因 和 ITS 区域 (internal transcribed spacer region) 序列，以及蛋白质编码基因序列。分子数据为真菌的系统发育分析提供了强有力的证据。

⑤ 真菌分类的意义：

真菌分类不仅是基础生物学研究的重要组成部分，也具有重要的应用价值 (applied value)。

▮▮▮▮ⓐ 基础研究：真菌分类为理解真菌的进化历史 (evolutionary history)、多样性 (diversity) 和 生态功能 (ecological functions) 提供了框架。
▮▮▮▮ⓑ 生物资源利用：准确的真菌分类是生物资源 (biological resources) 开发和利用的基础。例如，食用菌的栽培、药用菌的开发、工业菌种的筛选等都依赖于对真菌的正确鉴定和分类。
▮▮▮▮ⓒ 疾病防控：对于病原真菌 (pathogenic fungi) 的准确分类和鉴定，是疾病诊断、治疗和防控的关键。例如，对临床分离的真菌进行鉴定，可以指导临床医生选择合适的抗真菌药物 (antifungal drugs)。
▮▮▮▮ⓓ 生态环境保护：真菌在生态系统中扮演着重要的角色，例如分解者、菌根真菌等。了解真菌的多样性和分布，有助于生态环境保护 (ecological environment protection) 和 生物多样性保护 (biodiversity conservation)。

总之，真菌分类学是一个动态发展的领域。随着研究的深入和技术的进步，我们对真菌的认识将不断提高，真菌的分类系统也将更加完善和精确。现代真菌分类学结合了传统的形态学、生理生化特征和现代分子生物学技术，为我们理解和利用真菌这一重要的生物类群提供了坚实的基础。

8.1.2 真菌的细胞结构与形态 (Cellular Structure and Morphology of Fungi)

真菌是真核生物 (eukaryotes)，具有典型的真核细胞结构。与细菌 (bacteria) 等原核生物 (prokaryotes) 相比，真菌细胞具有细胞核 (nucleus) 和各种膜性细胞器 (membrane-bound organelles)，如线粒体 (mitochondria)、内质网 (endoplasmic reticulum)、高尔基体 (Golgi apparatus) 等。同时，真菌细胞又与植物细胞 (plant cells) 和动物细胞 (animal cells) 有所不同，具有其独特的结构和形态特征。

① 真菌细胞的结构特点：

▮▮▮▮ⓐ 细胞壁 (Cell Wall)：真菌细胞最显著的特征之一是具有细胞壁。与植物细胞壁的主要成分是纤维素 (cellulose) 不同，真菌细胞壁的主要成分是几丁质 (chitin)，这是一种由 N-乙酰葡糖胺 (N-acetylglucosamine) 聚合而成的多糖 (polysaccharide)。此外，真菌细胞壁还含有其他成分，如葡聚糖 (glucans)、甘露聚糖 (mannans)、蛋白质 (proteins) 和脂类 (lipids) 等，不同类群的真菌细胞壁成分有所差异。细胞壁赋予真菌细胞形状 (shape) 和 机械强度 (mechanical strength)，保护细胞免受外界环境的损害。同时，细胞壁也参与真菌细胞的生长 (growth)、发育 (development) 和 与环境的相互作用 (interaction with the environment)。

▮▮▮▮ⓑ 细胞膜 (Cell Membrane)：真菌细胞膜是典型的磷脂双分子层 (phospholipid bilayer) 结构，镶嵌有各种膜蛋白 (membrane proteins)。与动物细胞膜的主要固醇 (sterol) 成分是胆固醇 (cholesterol) 不同，真菌细胞膜的主要固醇成分是麦角固醇 (ergosterol)。麦角固醇是抗真菌药物 (antifungal drugs) 的重要靶点。细胞膜控制物质进出细胞，维持细胞内部环境的稳定，并参与细胞信号转导 (cell signal transduction) 等过程。

▮▮▮▮ⓒ 细胞质 (Cytoplasm)：真菌细胞质是细胞膜以内、细胞核以外的区域，包含细胞质基质 (cytosol) 和各种细胞器。细胞质基质是细胞内各种代谢活动 (metabolic activities) 进行的场所。

▮▮▮▮ⓓ 细胞核 (Nucleus)：真菌细胞具有单核 (uninucleate) 或 多核 (multinucleate) 细胞。细胞核是遗传物质 DNA 的储存和复制场所，也是 RNA 合成和加工的场所，控制着细胞的遗传和代谢活动。

▮▮▮▮ⓔ 细胞器 (Organelles)：真菌细胞含有各种膜性细胞器，包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 线粒体 (Mitochondria)：是细胞的“能量工厂”，进行有氧呼吸 (aerobic respiration)，产生 ATP (三磷酸腺苷)，为细胞活动提供能量。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 内质网 (Endoplasmic Reticulum, ER)：分为粗面内质网 (rough ER) 和 滑面内质网 (smooth ER)。粗面内质网上附着有核糖体 (ribosomes)，参与蛋白质的合成和加工；滑面内质网参与脂类和碳水化合物的合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 高尔基体 (Golgi Apparatus)：参与蛋白质的修饰、分类和运输，以及细胞壁成分的合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 溶酶体 (Lysosomes)：含有多种水解酶 (hydrolases)，参与细胞内物质的降解和消化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 液泡 (Vacuoles)：在真菌细胞中，液泡通常较大，具有多种功能，包括储存营养物质、调节细胞膨压 (turgor pressure)、降解废物等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 核糖体 (Ribosomes)：是蛋白质合成的场所，真菌细胞的核糖体是 80S 核糖体，由 60S 和 40S 亚基组成。

② 真菌的形态特点：

真菌的形态多样，主要分为丝状真菌 (filamentous fungi) 和 酵母菌 (yeasts) 两种基本类型，有些真菌还存在双相型 (dimorphic) 形态。

▮▮▮▮ⓐ 丝状真菌 (Filamentous Fungi)：丝状真菌是真菌界中最常见的形态类型。其基本结构单位是菌丝 (hypha)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 菌丝 (Hyphae)：菌丝是细长的、管状的丝状结构，是真菌营养生长的基本单元。菌丝通过顶端生长 (apical growth) 方式延伸和分枝，形成菌丝体 (mycelium)。菌丝体是真菌的营养体，负责吸收营养物质。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 菌丝的类型：根据菌丝内隔膜 (septa) 的有无，菌丝可分为有隔菌丝 (septate hyphae) 和 无隔菌丝 (aseptate hyphae)。
▮▮▮▮ⓓ 有隔菌丝：菌丝内具有横向的隔膜，将菌丝分隔成多个细胞，每个细胞通常含有一个或多个细胞核。隔膜上通常有孔隙 (pores)，允许细胞质和细胞器在细胞之间流动。子囊菌门和担子菌门的真菌通常具有有隔菌丝。
▮▮▮▮ⓔ 无隔菌丝：菌丝内没有隔膜，整个菌丝呈多核体结构，细胞质和细胞核可以自由流动。壶菌门和接合菌门的真菌通常具有无隔菌丝。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 菌丝的特化：在某些真菌中，菌丝可以特化形成不同的结构，例如：
▮▮▮▮ⓖ 假根 (Rhizoids)：某些霉菌产生的短小的、根状的菌丝，用于固着 (anchorage) 和 吸收营养 (nutrient absorption)。
▮▮▮▮ⓗ 吸器 (Haustoria)：寄生性真菌侵入宿主细胞内部的特化菌丝，用于吸收宿主细胞的营养物质 (nutrient absorption from host cells)。
▮▮▮▮ⓘ 菌索 (Rhizomorphs)：由多条菌丝聚集形成的绳索状结构，具有营养运输 (nutrient transport) 和 抵抗不良环境 (resistance to adverse environments) 的功能。

▮▮▮▮ⓑ 酵母菌 (Yeasts)：酵母菌是单细胞 (unicellular) 真菌，细胞形态通常呈卵圆形 (ovoid) 或 球形 (spherical)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 酵母菌的繁殖：酵母菌主要通过出芽生殖 (budding) 或 裂殖 (fission) 方式进行无性繁殖。在出芽生殖中，母细胞 (mother cell) 产生一个小的突起 (bud)，突起逐渐长大，最终与母细胞分离，形成新的酵母细胞。在裂殖中，细胞横向分裂成两个大小相近的子细胞 (daughter cells)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 假菌丝 (Pseudohyphae)：某些酵母菌，如 Candida albicans (白色假丝酵母)，在特定条件下可以形成假菌丝。假菌丝是由一系列** Budding** 产生的酵母细胞连接而成，细胞之间连接处收缩，但细胞并没有完全分离，形成链状结构，类似于菌丝，但没有真菌菌丝的结构特征。假菌丝的形成与酵母菌的致病性 (pathogenicity) 有关。

▮▮▮▮ⓒ 双相型真菌 (Dimorphic Fungi)：某些真菌在不同的环境条件下可以呈现两种不同的形态，即霉菌相 (mold phase) 和 酵母相 (yeast phase)，称为双相型真菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 形态转变：通常情况下，在室温 (room temperature, 25℃左右) 或 自然环境中 (natural environment)，双相型真菌以菌丝形态 (mold form) 生长；而在动物或人体组织内 (animal or human tissues) 或 37℃ 培养条件下 (37℃ culture conditions)，则转变为酵母形态 (yeast form) 生长。这种形态转变与真菌的致病性 (pathogenicity) 密切相关。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 医学意义：许多重要的病原真菌 (pathogenic fungi) 都是双相型真菌，例如 Histoplasma capsulatum (荚膜组织胞浆菌)、 Blastomyces dermatitidis (皮炎芽生菌)、 Coccidioides immitis (粗球孢子菌) 等。了解双相型真菌的形态转变机制，对于研究真菌的致病机制和开发诊断治疗方法具有重要意义。

③ 真菌的营养方式和繁殖方式：

▮▮▮▮ⓐ 营养方式 (Nutrition)：真菌是异养生物 (heterotrophs)，不能进行光合作用 (photosynthesis) 自行合成有机物，必须从外界环境中获取现成的有机物作为营养来源。根据营养方式的不同，真菌可以分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 腐生型 (Saprotrophs)：从死亡的有机物 (dead organic matter) 中获取营养，是自然界中重要的分解者 (decomposers)，参与物质循环 (nutrient cycling)。大多数霉菌和大型真菌 (macroscopic fungi) 属于腐生型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 寄生型 (Parasites)：从活的生物体 (living organisms) 中获取营养，对宿主造成损害，引起疾病 (diseases)。许多植物病原菌、动物病原菌和人类病原菌属于寄生型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 共生型 (Symbionts)：与其他生物 (other organisms) 互利共生 (mutualistic symbiosis)，例如菌根真菌 (mycorrhizal fungi) 与植物根系形成菌根，地衣真菌 (lichen fungi) 与藻类 (algae) 或蓝细菌 (cyanobacteria) 形成地衣。

▮▮▮▮ⓑ 繁殖方式 (Reproduction)：真菌可以通过无性繁殖 (asexual reproduction) 和 有性繁殖 (sexual reproduction) 两种方式进行繁殖。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 无性繁殖：无性繁殖是指不经过配子结合 (gamete fusion) 的繁殖方式，产生遗传物质与亲代相同的后代。真菌的无性繁殖方式多样，主要包括：
▮▮▮▮ⓒ 孢子繁殖 (Spore Reproduction)：产生各种类型的无性孢子 (asexual spores)，如孢囊孢子 (sporangiospores)、分生孢子 (conidia)、关节孢子 (arthrospores)、厚垣孢子 (chlamydospores) 等。孢子通过空气、水或动物等传播，在适宜条件下萌发形成新的菌丝体。
▮▮▮▮ⓓ 营养繁殖 (Vegetative Reproduction)：通过菌丝断裂 (hyphal fragmentation)、出芽生殖 (budding) 或裂殖 (fission) 等方式产生新的个体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 有性繁殖：有性繁殖是指经过配子结合和减数分裂 (meiosis) 的繁殖方式，产生遗传物质与亲代不同的后代，增加遗传多样性 (genetic diversity)。真菌的有性繁殖过程复杂，不同类群的真菌有性繁殖方式有所不同，但基本过程包括：
▮▮▮▮ⓕ 质配 (Plasmogamy)：两个相配对的细胞或菌丝的细胞质融合 (cytoplasmic fusion)，但细胞核尚未融合，形成双核期 (dikaryotic stage)。
▮▮▮▮ⓖ 核配 (Karyogamy)：双核细胞中的两个细胞核融合 (nuclear fusion)，形成二倍体合子核 (diploid zygote nucleus)。
▮▮▮▮ⓗ 减数分裂 (Meiosis)：二倍体合子核进行减数分裂，产生单倍体孢子 (haploid spores)，即有性孢子 (sexual spores)，如接合孢子 (zygospores)、子囊孢子 (ascospores)、担孢子 (basidiospores) 等。有性孢子萌发后形成单倍体菌丝体。

总之，真菌细胞具有独特的结构和形态特征，适应其多样化的生活方式和生态功能。了解真菌的细胞结构和形态，对于研究真菌的生理代谢、遗传变异、致病机制以及开发利用真菌资源都具有重要的意义。

8.2 重要的真菌类群 (Important Groups of Fungi)

8.2.1 酵母菌 (Yeasts)

酵母菌 (Yeasts) 是一类单细胞真菌 (unicellular fungi) 的统称，并非分类学上的一个类群。许多不同分类地位的真菌都具有酵母型形态。酵母菌在自然界中分布广泛，在土壤 (soil)、水 (water)、植物表面 (plant surfaces)、动物体表和体内 (animal surfaces and inside) 等多种环境中都能找到它们的身影。酵母菌在人类生活和生产中具有极其重要的作用，尤其是在食品工业 (food industry)、酿酒业 (brewing industry) 和 生物技术 (biotechnology) 领域。

① 酵母菌的特点：

▮▮▮▮ⓐ 形态特征 (Morphological Characteristics)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 单细胞形态：酵母菌最显著的特征是其单细胞形态，细胞通常呈卵圆形 (ovoid)、球形 (spherical)、椭圆形 (ellipsoidal) 或 腊肠形 (sausage-shaped)。细胞大小通常为 3-15 μm。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 细胞结构：酵母菌是真核细胞 (eukaryotic cells)，具有典型的真核细胞结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核和各种细胞器。酵母菌细胞壁的主要成分是葡聚糖 (glucans) 和 甘露聚糖 (mannans)，几丁质 (chitin) 含量相对较低，与丝状真菌有所不同。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 假菌丝：某些酵母菌，如 Candida albicans (白色假丝酵母)，可以形成假菌丝 (pseudohyphae)，是由 Budding 产生的酵母细胞连接而成的链状结构。

▮▮▮▮ⓑ 生理生化特征 (Physiological and Biochemical Characteristics)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 营养方式：酵母菌是异养生物 (heterotrophs)，主要通过吸收 (absorption) 方式从外界环境中获取营养物质。大多数酵母菌是兼性厌氧型 (facultative anaerobes)，既可以在有氧条件下进行有氧呼吸 (aerobic respiration)，也可以在无氧条件下进行发酵 (fermentation)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 发酵能力：酵母菌最突出的生理特性是其强大的发酵能力，特别是酒精发酵 (alcoholic fermentation)。在无氧条件下，酵母菌可以将糖类 (sugars) 分解为乙醇 (ethanol) 和 二氧化碳 (carbon dioxide)，这是酿酒、面包制作等工业的基础。 $C_{6} H_{12} O_{6} \overset{酵母菌}{\to} 2 C_{2} H_{5} O H + 2 C O_{2}$ ▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 代谢产物：除了乙醇和二氧化碳，酵母菌还可以产生多种其他代谢产物，如甘油 (glycerol)、有机酸 (organic acids)、酯类 (esters)、高级醇 (fusel alcohols) 等，这些代谢产物对食品和饮料的风味 (flavor) 和品质 (quality) 具有重要影响。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生长速度快：酵母菌的生长速度 (growth rate) 相对较快，世代时间 (generation time) 短，易于培养和繁殖，这使得酵母菌成为工业生产和实验室研究的理想微生物。

▮▮▮▮ⓒ 繁殖方式 (Reproduction)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 无性繁殖：酵母菌主要通过无性繁殖方式进行繁殖，最常见的无性繁殖方式是出芽生殖 (budding)。此外，一些酵母菌也可以通过裂殖 (fission) 或产生无性孢子 (asexual spores) 进行繁殖。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 有性繁殖：一些酵母菌也具有有性繁殖能力，可以进行接合 (conjugation)、子囊孢子 (ascospore) 或 担孢子 (basidiospore) 的形成。有性繁殖有助于增加遗传多样性，适应环境变化。

② 重要的酵母菌属：

▮▮▮▮ⓐ 酿酒酵母属 ( Saccharomyces)：这是酵母菌中最重要的属之一，也是研究最深入的酵母菌属。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母)：俗称面包酵母 (baker's yeast) 或 啤酒酵母 (brewer's yeast)，是人类利用最广泛的酵母菌。
▮▮▮▮ⓒ 应用领域：
▮▮▮▮ⓓ 食品工业：用于面包 (bread)、馒头 (steamed buns) 等发酵面食的制作，利用其产生的二氧化碳使面团膨胀。
▮▮▮▮ⓔ 酿酒业：用于啤酒 (beer)、葡萄酒 (wine)、黄酒 (rice wine) 等酒精饮料的酿造，利用其酒精发酵能力将糖类转化为乙醇。
▮▮▮▮ⓕ 生物技术：作为模式生物 (model organism) 用于基础生物学研究，如基因表达调控、细胞周期、蛋白质折叠等。也是重要的基因工程菌 (genetically engineered strain)，用于生产重组蛋白 (recombinant proteins)、酶制剂 (enzymes)、生物燃料 (biofuels) 等。
▮▮▮▮ⓖ 特点：发酵能力强，生长速度快，遗传背景清晰，易于基因操作。

▮▮▮▮ⓑ 假丝酵母属 ( Candida)：这是一类重要的条件致病菌 (opportunistic pathogens)，可以引起念珠菌病 (candidiasis)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Candida albicans (白色假丝酵母)：是最常见的人类病原性酵母菌，也是念珠菌病的主要病原菌。
▮▮▮▮ⓒ 致病性：可以引起皮肤念珠菌病 (cutaneous candidiasis)、黏膜念珠菌病 (mucosal candidiasis)（如鹅口疮 oral thrush, 阴道炎 vaginitis）、侵袭性念珠菌病 (invasive candidiasis)（如念珠菌血症 candidemia, 深部组织器官感染 deep organ infections）等。
▮▮▮▮ⓓ 易感人群：免疫功能低下者 (immunocompromised individuals)，如艾滋病患者 (AIDS patients)、器官移植受者 (organ transplant recipients)、肿瘤化疗患者 (cancer chemotherapy patients)、长期使用广谱抗生素者 (prolonged broad-spectrum antibiotic use) 等，是念珠菌病的高危人群。
▮▮▮▮ⓔ 特点：具有多形性 (polymorphism)，可以酵母型、假菌丝型和真菌丝型等多种形态存在，形态转变与致病性有关。能够产生多种毒力因子 (virulence factors)，如黏附素 (adhesins)、蛋白酶 (proteinases)、磷脂酶 (phospholipases) 等。

▮▮▮▮ⓒ 裂殖酵母属 ( Schizosaccharomyces)：与酿酒酵母属亲缘关系较远，以裂殖方式进行繁殖。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Schizosaccharomyces pombe (粟酒裂殖酵母)：也是重要的模式生物，用于研究细胞周期、细胞分裂、DNA 修复等基本生命过程。

▮▮▮▮ⓓ 克鲁维酵母属 ( Kluyveromyces)：一些种具有乳糖发酵能力 (lactose fermentation ability)，用于乳制品工业。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Kluyveromyces marxianus (马克斯克鲁维酵母)：用于生产乳糖酶 (lactase)，用于改善乳糖不耐受症 (lactose intolerance)。

▮▮▮▮ⓔ 毕赤酵母属 ( Pichia)：一些种具有甲醇利用能力 (methanol utilization ability)，用于生产重组蛋白。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Pichia pastoris (巴斯德毕赤酵母)：是重要的重组蛋白表达系统 (recombinant protein expression system)，用于生产各种生物药物 (biopharmaceuticals) 和 工业酶 (industrial enzymes)。

③ 酵母菌的应用：

▮▮▮▮ⓐ 食品工业：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 发酵食品：面包、馒头、啤酒、葡萄酒、黄酒、果酒、酸奶、奶酪等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 食品添加剂：酵母抽提物 (yeast extract) 作为天然增鲜剂 (natural flavor enhancer)，用于食品调味。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 营养保健品：酵母细胞富含蛋白质 (protein)、维生素 B 族 (B vitamins)、矿物质 (minerals) 等营养成分，可作为膳食补充剂 (dietary supplements)。

▮▮▮▮ⓑ 酿酒业：利用酵母菌的酒精发酵能力生产各种酒精饮料。不同类型的酒精饮料需要使用不同种类的酵母菌，以获得特定的风味和品质。

▮▮▮▮ⓒ 生物技术：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 模式生物：酿酒酵母和裂殖酵母是重要的模式生物，用于研究细胞生物学、遗传学、分子生物学等基础生命科学问题。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 基因工程菌：酵母菌是重要的基因工程菌，用于生产重组蛋白药物、工业酶、生物燃料、生物材料等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生物传感器 (biosensors)：利用酵母菌的代谢特性和生物识别功能，开发用于环境监测、食品安全检测、疾病诊断等领域的生物传感器。

▮▮▮▮ⓓ 医药领域：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 药物生产：利用酵母菌生产胰岛素 (insulin)、疫苗 (vaccines)、干扰素 (interferon)、酶制剂 等生物药物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 疾病治疗：某些酵母菌具有益生菌 (probiotics) 作用，可用于调节肠道菌群 (gut microbiota)，改善肠道健康。

总之，酵母菌是一类极其重要的真菌，在自然界和人类社会中都扮演着重要的角色。深入研究酵母菌的生物学特性和应用潜力，将有助于我们更好地利用这一宝贵的生物资源，为人类的健康和福祉做出贡献。

8.2.2 霉菌 (Molds)

霉菌 (Molds) 也是一类丝状真菌 (filamentous fungi) 的统称，同样不是分类学上的一个类群。霉菌在自然界中分布极其广泛 (extremely widespread)，几乎在所有环境中都能找到它们的身影，尤其是在土壤 (soil)、腐烂的有机物 (decaying organic matter)、潮湿的室内环境 (damp indoor environments) 中最为常见。霉菌以其快速生长 (rapid growth) 和 强大的分解能力 (strong decomposition ability) 而著称，在自然界的物质循环 (nutrient cycling) 中扮演着至关重要的角色。然而，某些霉菌也会引起食品腐败 (food spoilage)、材料霉变 (material mildew)、动植物疾病 (plant and animal diseases)，甚至产生毒素 (toxins) 危害人类健康。同时，一些霉菌也具有重要的工业价值 (industrial value)，用于生产抗生素 (antibiotics)、酶制剂 (enzymes)、有机酸 (organic acids) 等。

① 霉菌的特点：

▮▮▮▮ⓐ 形态特征 (Morphological Characteristics)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 菌丝形态：霉菌是丝状真菌，由菌丝 (hyphae) 组成，菌丝通过顶端生长 (apical growth) 方式延伸和分枝，形成菌丝体 (mycelium)。菌丝体通常呈绒毛状 (fluffy)、絮状 (cottony) 或 粉状 (powdery) 外观。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 孢子：霉菌通过产生大量的孢子 (spores) 进行繁殖，孢子是霉菌主要的传播单位 (dispersal units)。霉菌产生的孢子种类繁多，包括分生孢子 (conidia)、孢囊孢子 (sporangiospores)、关节孢子 (arthrospores)、厚垣孢子 (chlamydospores) 等。孢子的颜色、形状、大小和排列方式是霉菌分类鉴定的重要依据。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 菌落特征 (Colony Characteristics)：霉菌在固体培养基上生长形成菌落 (colonies)，菌落的颜色、质地、边缘形态、产孢情况等是霉菌鉴定的重要特征。不同种类的霉菌菌落特征差异很大，例如 Penicillium (青霉菌属) 菌落通常呈青绿色 (blue-green) 或 黄绿色 (yellow-green)，Aspergillus (曲霉菌属) 菌落颜色多样，可呈黑色 (black)、黄色 (yellow)、绿色 (green)、褐色 (brown) 等，Rhizopus (根霉属) 菌落通常呈白色 (white) 或 灰黑色 (gray-black)，绒毛状。

▮▮▮▮ⓑ 生理生化特征 (Physiological and Biochemical Characteristics)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 营养方式：霉菌是异养生物 (heterotrophs)，主要通过吸收 (absorption) 方式从外界环境中获取营养物质。大多数霉菌是需氧型 (aerobes)，需要有氧条件才能生长。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 分解能力：霉菌具有强大的分解能力，能够分解复杂的有机物 (complex organic matter)，如纤维素 (cellulose)、半纤维素 (hemicellulose)、木质素 (lignin)、蛋白质 (proteins)、脂肪 (fats) 等。这是因为霉菌能够分泌多种胞外酶 (extracellular enzymes)，如纤维素酶 (cellulases)、半纤维素酶 (hemicellulases)、蛋白酶 (proteases)、脂肪酶 (lipases)、淀粉酶 (amylases) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 代谢产物：霉菌代谢产物多样，包括有机酸 (organic acids)、抗生素 (antibiotics)、毒素 (toxins)、色素 (pigments)、酶制剂 (enzymes) 等。一些代谢产物具有重要的经济价值 (economic value)，如抗生素、酶制剂、有机酸等；而另一些代谢产物，如霉菌毒素，则对人类健康和农作物生产造成危害。

▮▮▮▮ⓒ 繁殖方式 (Reproduction)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 无性繁殖：霉菌主要通过无性繁殖方式进行繁殖，产生大量的无性孢子，如分生孢子、孢囊孢子、关节孢子、厚垣孢子 等。不同属的霉菌产生不同类型的无性孢子，孢子的产生方式和结构也各不相同，是霉菌分类鉴定的重要依据。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 有性繁殖：一些霉菌也具有有性繁殖能力，可以进行接合孢子 (zygospores)、子囊孢子 (ascospores) 或 担孢子 (basidiospores) 的形成。有性繁殖有助于增加遗传多样性，适应环境变化。但许多霉菌的有性生殖阶段在自然界中很少见，甚至缺失，被称为不完全真菌 (Fungi Imperfecti) 或 半知菌 (Deuteromycota)。然而，随着分子生物学技术的发展，许多不完全真菌的有性生殖阶段被发现，或者通过分子系统学方法确定了其在完全真菌 (perfect fungi) 中的分类地位。

② 重要的霉菌属：

▮▮▮▮ⓐ 青霉菌属 ( Penicillium)：这是一类极其重要的霉菌，在自然界 (nature)、工业 (industry) 和 医药 (medicine) 领域都具有广泛的应用和影响。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 形态特征：分生孢子梗 (conidiophores) 顶端分枝呈帚状 (brush-like)，分生孢子链状 (chains) 排列，孢子通常呈青绿色 (blue-green) 或 黄绿色 (yellow-green)。菌落通常呈绒毛状，颜色多样，常见青绿色、黄绿色、白色等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 重要种：
▮▮▮▮ⓓ Penicillium chrysogenum (产黄青霉)：是青霉素 (penicillin) 的主要生产菌种，青霉素是最早发现和应用最广泛的抗生素之一，对革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria) 和 某些革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria) 具有强大的抗菌活性，挽救了无数生命，被誉为“神奇的药物 (miracle drug)”。
▮▮▮▮ⓔ Penicillium roqueforti (洛克福青霉) 和 Penicillium camemberti (卡门培尔青霉)：用于蓝纹奶酪 (blue cheese) 和 白霉奶酪 (white mold cheese) 的生产，赋予奶酪独特的风味和质地。
▮▮▮▮ⓕ Penicillium citrinum (桔青霉)：可以产生桔霉素 (citrinin)，一种霉菌毒素 (mycotoxin)，具有肾毒性 (nephrotoxicity)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 应用领域：
▮▮▮▮ⓗ 抗生素生产：青霉素、灰黄霉素 (griseofulvin) 等。
▮▮▮▮ⓘ 食品工业：奶酪生产、食品风味改良。
▮▮▮▮ⓙ 酶制剂生产：葡萄糖氧化酶 (glucose oxidase)、果胶酶 (pectinases) 等。
▮▮▮▮ⓚ 有机酸生产：柠檬酸 (citric acid)、葡糖酸 (gluconic acid) 等。

▮▮▮▮ⓑ 曲霉菌属 ( Aspergillus)：也是一类极其重要的霉菌，在自然界 (nature)、工业 (industry)、农业 (agriculture) 和 医药 (medicine) 领域都具有广泛的影响。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 形态特征：分生孢子梗顶端膨大形成顶囊 (vesicle)，顶囊表面着生瓶梗 (phialides)，瓶梗上产生分生孢子链 (conidial chains)。分生孢子颜色多样，可呈黑色 (black)、黄色 (yellow)、绿色 (green)、褐色 (brown) 等。菌落颜色多样，质地多样，常见绒毛状、颗粒状、粉状等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 重要种：
▮▮▮▮ⓓ Aspergillus niger (黑曲霉)：用于柠檬酸 (citric acid) 的工业生产，柠檬酸是重要的食品添加剂 (food additive) 和 工业原料 (industrial raw material)。也用于酶制剂 (enzymes) 的生产，如葡萄糖氧化酶、果胶酶、淀粉酶等。
▮▮▮▮ⓔ Aspergillus flavus (黄曲霉) 和 Aspergillus parasiticus (寄生曲霉)：产生黄曲霉毒素 (aflatoxins)，这是一类剧毒 (highly toxic) 的 霉菌毒素，具有强致癌性 (highly carcinogenic)，主要污染花生 (peanuts)、玉米 (corn)、棉籽 (cottonseed) 等农产品，对人类健康和畜牧业造成严重危害。
▮▮▮▮ⓕ Aspergillus fumigatus (烟曲霉)：是最常见的人类机会性病原菌 (opportunistic pathogen) 之一，引起侵袭性曲霉病 (invasive aspergillosis)，特别是肺曲霉病 (pulmonary aspergillosis)，对免疫功能低下者构成严重威胁。
▮▮▮▮ⓖ Aspergillus oryzae (米曲霉)：用于传统发酵食品 (traditional fermented foods) 的生产，如酱油 (soy sauce)、味噌 (miso)、清酒 (sake) 等，利用其产生的酶类 (enzymes) 分解大分子物质，改善食品风味和营养价值。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 应用领域：
▮▮▮▮ⓘ 有机酸生产：柠檬酸、葡糖酸、曲酸 (kojic acid) 等。
▮▮▮▮ⓙ 酶制剂生产：淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶等。
▮▮▮▮ⓚ 传统发酵食品：酱油、味噌、清酒、豆豉 (douchi) 等。
▮▮▮▮ⓛ 生物技术：重组蛋白表达、生物转化 (biotransformation)。
▮▮▮▮ⓜ 医药领域：某些曲霉菌代谢产物具有抗肿瘤、免疫抑制等活性，具有开发药物的潜力。

▮▮▮▮ⓒ 毛霉菌属 ( Mucor)：这是一类腐生性 (saprophytic) 霉菌，在土壤 (soil)、腐烂的植物 (decaying plants)、粪便 (dung) 等环境中广泛分布。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 形态特征：菌丝无隔膜 (aseptate)，呈多核体 (coenocytic) 结构。孢囊孢子 (sporangiospores) 产生于孢子囊 (sporangium) 内，孢子囊呈球形 (globose) 或 梨形 (pyriform)，孢子囊梗 (sporangiophores) 通常直立 (erect) 或 弯曲 (curved)。菌落通常呈白色 (white) 或 灰黑色 (gray-black)，绒毛状，生长迅速。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 重要种：
▮▮▮▮ⓓ Mucor plumbeus (铅灰毛霉) 和 Mucor circinelloides (卷枝毛霉)：是最常见的毛霉菌种，广泛分布于土壤、空气、食品等环境中，常引起食品霉变 (food spoilage)。
▮▮▮▮ⓔ Mucor hiemalis (冬毛霉)：用于γ-亚麻酸 (γ-linolenic acid, GLA) 的生产，γ-亚麻酸是一种ω-6 不饱和脂肪酸 (ω-6 unsaturated fatty acid)，具有生理活性 (physiological activity)，可用于保健食品 (health foods) 和 医药 (medicine) 领域。
▮▮▮▮ⓕ Rhizomucor pusillus (小根霉毛霉) 和 Mucor indicus (印度毛霉)：具有耐热性 (thermotolerance)，可以在较高温度下生长，用于工业发酵 (industrial fermentation) 生产乙醇 (ethanol)、乳酸 (lactic acid) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 应用领域：
▮▮▮▮ⓗ 食品工业：食品发酵、食品风味改良。
▮▮▮▮ⓘ 有机酸生产：乳酸、富马酸 (fumaric acid) 等。
▮▮▮▮ⓙ 生物转化：甾体化合物转化 (steroid biotransformation)。
▮▮▮▮ⓚ 生物燃料生产：乙醇生产。

▮▮▮▮ⓓ 根霉菌属 ( Rhizopus)：也是一类腐生性 (saprophytic) 霉菌，与毛霉菌属亲缘关系较近，在土壤 (soil)、腐烂的植物 (decaying plants)、食品 (food) 等环境中广泛分布。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 形态特征：菌丝无隔膜 (aseptate)，呈多核体 (coenocytic) 结构。具有假根 (rhizoids) 和 匍匐菌丝 (stolons)，这是根霉菌属的典型特征 (typical characteristics)。孢囊孢子产生于孢子囊内，孢子囊梗从匍匐菌丝的节 (node) 上长出，与假根相对。菌落通常呈白色 (white) 或 灰黑色 (gray-black)，绒毛状，生长迅速。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 重要种：
▮▮▮▮ⓓ Rhizopus stolonifer (匍匐根霉)：俗称面包霉 (bread mold)，是最常见的根霉菌种，常在面包 (bread)、水果 (fruits)、蔬菜 (vegetables) 等食品上生长，引起食品霉变 (food spoilage)。
▮▮▮▮ⓔ Rhizopus oryzae (米根霉)：用于传统发酵食品 (traditional fermented foods) 的生产，如豆腐乳 (fermented bean curd)、** Tempeh (丹贝)** 等，也用于酒精发酵 (alcoholic fermentation) 生产白酒 (baijiu)。还用于乳酸 (lactic acid) 和 富马酸 (fumaric acid) 的工业生产。
▮▮▮▮ⓕ Rhizopus microsporus (小孢根霉)：某些菌株可以产生根霉毒素 (rhizoxin)，一种霉菌毒素 (mycotoxin)，对植物和动物具有毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 应用领域：
▮▮▮▮ⓗ 食品工业：传统发酵食品、食品风味改良。
▮▮▮▮ⓘ 有机酸生产：乳酸、富马酸。
▮▮▮▮ⓙ 生物转化：甾体化合物转化。
▮▮▮▮ⓚ 生物燃料生产：乙醇生产。

③ 霉菌的应用与危害：

▮▮▮▮ⓐ 应用 (Applications)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 抗生素生产：青霉素、灰黄霉素等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 酶制剂生产：淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 有机酸生产：柠檬酸、葡糖酸、乳酸、富马酸等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 传统发酵食品：酱油、味噌、清酒、豆腐乳、 Tempeh 、奶酪等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 生物转化：甾体化合物转化、药物中间体合成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 生物修复 (bioremediation)：降解环境污染物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 农业应用：生物防治 (biocontrol)、菌根菌 (mycorrhizal fungi)。

▮▮▮▮ⓑ 危害 (Hazards)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 食品腐败：引起食品霉变，降低食品品质，造成经济损失。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 材料霉变：引起纺织品、皮革、木材、纸张、文物等材料霉变，影响使用寿命和美观。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 霉菌毒素：某些霉菌产生霉菌毒素，污染食品和饲料，危害人类和动物健康。常见的霉菌毒素包括黄曲霉毒素、赭曲霉毒素 (ochratoxins)、伏马菌素 (fumonisins)、玉米赤霉烯酮 (zearalenone)、脱氧雪腐镰刀菌烯醇 (deoxynivalenol, DON) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 引起疾病：某些霉菌是病原菌 (pathogens) 或 过敏原 (allergens)，可以引起动植物疾病 (plant and animal diseases) 和 人类疾病 (human diseases)。人类霉菌病主要包括浅部真菌病 (superficial mycoses)、深部真菌病 (deep mycoses) 和 机会性真菌病 (opportunistic mycoses)，以及过敏性疾病 (allergic diseases)，如过敏性鼻炎 (allergic rhinitis)、哮喘 (asthma)、过敏性肺炎 (hypersensitivity pneumonitis) 等。

总之，霉菌是一类复杂而重要的真菌类群，既有有益的一面 (beneficial aspects)，也有有害的一面 (harmful aspects)。我们需要深入了解霉菌的生物学特性，充分利用其有益特性，同时有效控制和预防其危害，以服务于人类社会的可持续发展。

8.2.3 食用菌与药用菌 (Edible and Medicinal Fungi)

食用菌 (Edible Fungi) 和 药用菌 (Medicinal Fungi) 是指那些可以食用 (edible) 或具有药用价值 (medicinal value) 的大型真菌 (macroscopic fungi)，主要是担子菌 (Basidiomycota) 和 少数子囊菌 (Ascomycota)。食用菌和药用菌是重要的生物资源 (important biological resources)，不仅为人类提供美味的食物 (delicious food) 和 丰富的营养 (rich nutrition)，还在传统医学 (traditional medicine) 和 现代医药 (modern medicine) 中发挥着越来越重要的作用。

① 食用菌 (Edible Fungi)：

▮▮▮▮ⓐ 营养价值 (Nutritional Value)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 高蛋白 (High Protein)：食用菌含有丰富的蛋白质，蛋白质含量通常为干重的 20%-40%，某些种类甚至高达 50% 以上，与肉类 (meat) 相当，高于大多数蔬菜 (vegetables) 和水果 (fruits)。食用菌蛋白质含有人体必需的氨基酸 (essential amino acids)，且氨基酸组成比例合理，属于优质蛋白质 (high-quality protein)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 低脂肪 (Low Fat)：食用菌的脂肪含量较低，通常为干重的 1%-8%，且主要是不饱和脂肪酸 (unsaturated fatty acids)，如亚油酸 (linoleic acid)、油酸 (oleic acid) 等，胆固醇 (cholesterol) 含量极低或不含胆固醇，是一种健康食品 (healthy food)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 富含膳食纤维 (Rich in Dietary Fiber)：食用菌含有丰富的膳食纤维，主要是几丁质 (chitin)、葡聚糖 (glucans) 等，膳食纤维可以促进肠道蠕动 (intestinal peristalsis)，预防便秘 (constipation)，降低胆固醇，调节血糖 (blood glucose)，对预防心血管疾病 (prevention of cardiovascular diseases) 和 糖尿病 (diabetes) 有益。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 富含维生素和矿物质 (Rich in Vitamins and Minerals)：食用菌含有多种维生素 (vitamins)，特别是 B 族维生素 (B vitamins)，如 维生素 B1 (thiamine)、维生素 B2 (riboflavin)、烟酸 (niacin)、叶酸 (folic acid) 等，以及 维生素 D (vitamin D) 和 维生素 E (vitamin E) 等。还含有多种矿物质 (minerals)，如 钾 (potassium)、磷 (phosphorus)、钙 (calcium)、铁 (iron)、锌 (zinc)、硒 (selenium) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 低热量 (Low Calorie)：食用菌的热量 (calorie) 较低，是一种低热量食品 (low-calorie food)，适合减肥 (weight loss) 人群和糖尿病患者 (diabetic patients) 食用。

▮▮▮▮ⓑ 常见的食用菌种类 (Common Edible Fungi Species)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Agaricus bisporus (双孢蘑菇)：俗称蘑菇 (mushroom)、口蘑 (button mushroom)，是世界上栽培最广泛 (most widely cultivated) 的食用菌，产量最大 (largest production)。肉质肥厚，味道鲜美，营养丰富，可炒、炖、烤、炸、做汤等多种烹饪方式。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ Lentinus edodes (香菇)：俗称香蕈 (shiitake)，是中国传统的珍贵食用菌 (precious edible fungus)，也是世界上第二大栽培食用菌 (second largest cultivated edible fungus)。香味浓郁，口感滑嫩，营养丰富，具有增强免疫力 (enhance immunity)、抗肿瘤 (anti-tumor) 等药理活性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ Pleurotus ostreatus (平菇)：俗称蚝菇 (oyster mushroom)，是栽培容易 (easy to cultivate)、产量高 (high yield) 的食用菌，价格便宜 (cheap)，营养丰富，味道鲜美，适合大众消费。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ Flammulina velutipes (金针菇)：俗称冬菇 (enoki mushroom)，菌柄细长，菌盖小巧，口感脆嫩，味道鲜美，适合涮火锅、凉拌、炒菜等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ Volvariella volvacea (草菇)：俗称中国蘑菇 (Chinese mushroom)，是高温型食用菌 (high-temperature edible fungus)，适合在高温高湿 (high temperature and high humidity) 环境下生长，味道鲜美，营养丰富，但不易保鲜 (not easy to preserve)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ Auricularia auricula-judae (木耳)：俗称黑木耳 (black fungus)，是胶质菌 (gelatinous fungus)，口感爽脆，营养丰富，具有清肺益气 (lung-clearing and qi-benefiting)、活血化瘀 (blood-activating and stasis-resolving) 等药理活性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ Tremella fuciformis (银耳)：俗称白木耳 (white fungus)，也是胶质菌，口感滑润，营养丰富，具有滋阴润肺 (yin-nourishing and lung-moistening)、美容养颜 (beauty-enhancing and complexion-improving) 等功效。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ Boletus edulis (美味牛肝菌)：俗称白牛肝菌 (porcini)，是野生食用菌 (wild edible fungus) 中的珍品 (delicacy)，味道鲜美，营养丰富，价格昂贵 (expensive)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ Cantharellus cibarius (鸡油菌)：俗称黄菌 (chanterelle)，也是野生食用菌，颜色金黄，香味独特，口感细腻，价格较高 (relatively high)。

▮▮▮▮ⓒ 食用菌的栽培 (Cultivation of Edible Fungi)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 人工栽培 (Artificial Cultivation)：大多数常见的食用菌都可以进行人工栽培，栽培方式主要有地面栽培 (ground cultivation)、床架栽培 (bed cultivation)、袋料栽培 (bag cultivation)、瓶栽 (bottle cultivation)、液体发酵 (liquid fermentation) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 栽培基质 (Cultivation Substrates)：食用菌栽培基质主要包括农作物秸秆 (crop straws)、木屑 (wood chips)、棉籽壳 (cottonseed hulls)、玉米芯 (corn cobs)、麸皮 (wheat bran) 等农业废弃物 (agricultural wastes)，将农业废弃物转化为高价值的食用菌 (high-value edible fungi)，具有生态环保 (ecological and environmental protection) 和 经济效益 (economic benefits) 双重意义。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 栽培技术 (Cultivation Techniques)：食用菌栽培技术包括菌种制备 (spawn preparation)、培养基配制 (culture medium preparation)、接种 (inoculation)、培养管理 (culture management)、采收 (harvesting) 等环节，每个环节都需要严格控制环境条件 (environmental conditions)，如温度 (temperature)、湿度 (humidity)、光照 (light)、通风 (ventilation) 等，以保证食用菌的优质高产 (high quality and high yield)。

② 药用菌 (Medicinal Fungi)：

▮▮▮▮ⓐ 药用价值 (Medicinal Value)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 传统医学应用 (Traditional Medicine Applications)：在中国传统医学 (Traditional Chinese Medicine, TCM) 和 其他传统医学体系 (other traditional medicine systems) 中，许多大型真菌被用作药物 (medicines)，用于治疗疾病 (treating diseases) 和 保健养生 (health preservation)。例如，灵芝 (Ganoderma lucidum)、冬虫夏草 (Cordyceps sinensis)、茯苓 (Wolfiporia extensa)、猪苓 (Polyporus umbellatus)、猴头菇 (Hericium erinaceus) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 现代药理研究 (Modern Pharmacological Research)：现代药理研究表明，许多药用菌含有丰富的生物活性成分 (bioactive components)，如多糖 (polysaccharides)、三萜类化合物 (triterpenoids)、甾醇类化合物 (sterols)、生物碱 (alkaloids)、酶类 (enzymes) 等，这些成分具有多种药理活性 (various pharmacological activities)，如免疫调节 (immunomodulation)、抗肿瘤 (anti-tumor)、抗氧化 (antioxidant)、降血糖 (hypoglycemic)、降血脂 (hypolipidemic)、抗炎 (anti-inflammatory)、抗菌 (antibacterial)、抗病毒 (antiviral)、保肝 (hepatoprotective)、神经保护 (neuroprotective) 等。

▮▮▮▮ⓑ 常见的药用菌种类 (Common Medicinal Fungi Species)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Ganoderma lucidum (灵芝)：俗称仙草 (herb of immortality)，是中国传统医学中最著名 (most famous) 的药用菌之一，被誉为“百草之王 (king of herbs)”。具有扶正固本 (strengthening the body's resistance and consolidating the constitution)、延年益寿 (prolonging life) 的功效。现代研究表明，灵芝含有灵芝多糖 (Ganoderma lucidum polysaccharides, GLP) 和 灵芝三萜 (Ganoderma lucidum triterpenoids, GLT) 等多种活性成分，具有免疫调节、抗肿瘤、保肝、抗衰老 (anti-aging) 等多种药理活性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ Cordyceps sinensis (冬虫夏草)：俗称虫草 (caterpillar fungus)，是中国传统名贵药材 (precious Chinese medicinal material)，也是世界三大补品 (world's three major tonics) 之一（另外两种是人参 ginseng 和鹿茸 deer antler）。具有补肾益肺 (kidney-tonifying and lung-benefiting)、止咳化痰 (cough-relieving and phlegm-resolving)、增强免疫力 (enhance immunity) 等功效。现代研究表明，冬虫夏草含有虫草多糖 (Cordyceps sinensis polysaccharides, CSP) 和 虫草素 (cordycepin) 等活性成分，具有免疫调节、抗肿瘤、抗疲劳 (anti-fatigue)、抗氧化 等多种药理活性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ Hericium erinaceus (猴头菇)：俗称刺猬菌 (lion's mane mushroom)，外形酷似猴子的头，故名猴头菇。具有健脾养胃 (spleen-strengthening and stomach-nourishing)、安神益智 (mind-calming and intelligence-boosting) 的功效。现代研究表明，猴头菇含有猴头菇多糖 (Hericium erinaceus polysaccharides, HEP) 和 猴头菇素 (hericenones)、猴头菇酮 (erinacines) 等活性成分，具有神经保护、抗痴呆 (anti-dementia)、抗溃疡 (anti-ulcer)、免疫调节 等药理活性，对神经退行性疾病 (neurodegenerative diseases) 和 胃肠道疾病 (gastrointestinal diseases) 具有潜在的治疗价值。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ Grifola frondosa (灰树花)：俗称舞茸 (maitake)，是日本传统食用菌和药用菌 (traditional Japanese edible and medicinal fungus)。具有增强免疫力、降血糖、抗肿瘤 等功效。现代研究表明，灰树花含有灰树花多糖 (Grifola frondosa polysaccharides, GFP) 等活性成分，具有免疫调节、抗肿瘤、降血糖、降血脂 等药理活性，对糖尿病、高血脂症 (hyperlipidemia)、肿瘤等疾病具有潜在的治疗价值。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ Inonotus obliquus (桦褐孔菌)：俗称白桦茸 (chaga)，主要生长在寒冷地区 (cold regions) 的桦树 (birch trees) 上。在俄罗斯 (Russia) 和 东欧 (Eastern Europe) 地区被广泛用作民间药物 (folk medicine)，用于治疗癌症 (treating cancer) 和 其他疾病 (other diseases)。现代研究表明，桦褐孔菌含有桦褐孔菌多糖 (Inonotus obliquus polysaccharides, IOP) 和 桦褐孔菌素 (inonotusobliquol) 等活性成分，具有抗肿瘤、抗氧化、免疫调节、抗炎等药理活性。

▮▮▮▮ⓒ 药用菌的开发与利用 (Development and Utilization of Medicinal Fungi)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 提取有效成分 (Extraction of Active Components)：从药用菌中提取有效成分，如多糖、三萜、生物碱等，开发中药制剂 (traditional Chinese medicine preparations)、保健食品 (health foods)、功能性食品 (functional foods)、膳食补充剂 (dietary supplements) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 药理活性研究 (Pharmacological Activity Research)：深入研究药用菌的药理活性 和 作用机制 (mechanism of action)，为开发新药 (new drugs) 提供科学依据。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 人工栽培与规模化生产 (Artificial Cultivation and Large-scale Production)：通过人工栽培 实现药用菌的规模化生产 (large-scale production)，保证药材的质量稳定 (stable quality) 和 供应充足 (sufficient supply)，降低生产成本，提高经济效益。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 基因工程与生物技术 (Genetic Engineering and Biotechnology)：利用基因工程 (genetic engineering) 和 生物技术 (biotechnology) 手段，提高药用菌活性成分的产量 (increase the yield of active components)，改良菌种 (strain improvement)，开发新的药用菌产品 (develop new medicinal fungi products)。

总之，食用菌和药用菌是宝贵的生物资源，具有重要的营养价值和药用价值。随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，食用菌和药用菌的市场需求将持续增长，其开发和利用前景广阔。我们需要加强对食用菌和药用菌的基础研究 (basic research) 和 应用研究 (applied research)，充分挖掘其潜力，为人类的健康和福祉做出更大的贡献。

8.3 真菌性疾病 (Fungal Diseases)

8.3.1 浅部真菌病 (Superficial Mycoses)

浅部真菌病 (Superficial Mycoses) 是指真菌感染 (fungal infections) 仅限于皮肤 (skin) 的角质层 (stratum corneum)、毛发 (hair) 和 指（趾）甲 (nails) 等表浅组织 (superficial tissues) 的一类真菌病。浅部真菌病通常不侵犯 (do not invade) 活组织，不引起 (do not cause) 明显的炎症反应 (inflammatory response)，病程缓慢 (slow progression)，但易复发 (prone to recurrence)，影响美观 (affect aesthetics)，给患者带来心理负担 (psychological burden)。引起浅部真菌病的真菌主要包括皮肤癣菌 (dermatophytes) 和 马拉色菌 (Malassezia) 等。

① 皮肤癣菌病 (Dermatophytosis, Ringworm)：

▮▮▮▮ⓐ 病原真菌 (Causative Fungi)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 皮肤癣菌属 (Dermatophyte Genera)：引起皮肤癣菌病的真菌统称为皮肤癣菌 (dermatophytes)，属于子囊菌门 (Ascomycota) 的 节丛孢科 (Arthrodermataceae)。主要包括三个属：
▮▮▮▮ⓒ 毛癣菌属 ( Trichophyton)：是最常见 (most common) 的皮肤癣菌属，引起头癣 (tinea capitis)、体癣 (tinea corporis)、股癣 (tinea cruris)、手足癣 (tinea manuum and tinea pedis)、甲癣 (tinea unguium, onychomycosis) 等多种皮肤癣菌病。
▮▮▮▮ⓓ 小孢子菌属 ( Microsporum)：主要引起头癣 (tinea capitis) 和 体癣 (tinea corporis)，动物源性 (zoophilic) 较多，人传人 (anthropophilic) 较少。
▮▮▮▮ⓔ 表皮癣菌属 ( Epidermophyton)：主要引起手足癣 (tinea manuum and tinea pedis)、股癣 (tinea cruris) 和 甲癣 (tinea unguium)，不感染 (do not infect) 毛发。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 常见致病菌种 (Common Pathogenic Species)：
▮▮▮▮ⓖ Trichophyton rubrum (红色毛癣菌)：是全球范围 (worldwide) 内最常见 (most common) 的皮肤癣菌病病原菌，引起慢性 (chronic)、顽固性 (recalcitrant) 的手足癣、甲癣、体癣、股癣等。
▮▮▮▮ⓗ Trichophyton mentagrophytes (须癣毛癣菌)：主要引起足癣 (tinea pedis)、须癣 (tinea barbae) 和 动物源性体癣 (zoophilic tinea corporis)，炎症反应 (inflammatory reaction) 较明显。
▮▮▮▮ⓘ Microsporum canis (犬小孢子菌)：是动物源性头癣 (zoophilic tinea capitis) 和 体癣 (tinea corporis) 的主要病原菌 (main pathogen)，儿童头癣 (childhood tinea capitis) 常见病原菌。
▮▮▮▮ⓙ Epidermophyton floccosum (絮状表皮癣菌)：主要引起股癣 (tinea cruris) 和 足癣 (tinea pedis)，不感染头皮和毛发 (does not infect scalp and hair)。

▮▮▮▮ⓑ 临床表现 (Clinical Manifestations)：皮肤癣菌病根据感染部位不同，临床表现多样，常见的类型包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 头癣 (Tinea Capitis)：感染头皮 (scalp) 和 毛发 (hair) 的皮肤癣菌病，儿童 (children) 多见。表现为脱发 (hair loss)、鳞屑 (scales)、瘙痒 (itching)，可分为炎症型 (inflammatory type) 和 非炎症型 (non-inflammatory type)。炎症型头癣可形成脓癣 (kerion)，表现为化脓性 (purulent)、疼痛性 (painful) 的头皮肿块 (scalp mass)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 体癣 (Tinea Corporis)：感染除头皮、掌跖、甲以外的皮肤 (skin other than scalp, palms, soles, and nails) 的皮肤癣菌病。表现为环形 (annular) 或 弧形 (arciform) 的红斑 (erythema)、丘疹 (papules)、水疱 (vesicles)，边缘隆起 (raised)，中央消退 (clearing)，呈环状 (ring-like) 或 钱币状 (nummular)，故俗称** ringworm (癣)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 股癣 (Tinea Cruris)：发生在腹股沟 (groin)、大腿内侧 (inner thighs) 和 会阴部 (perineum) 的皮肤癣菌病，男性 (males) 多见。表现为红斑 (erythema)、脱屑 (desquamation)、瘙痒 (itching)，可蔓延至肛周 (perianal area)** 和 臀部 (buttocks)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 手足癣 (Tinea Manuum and Tinea Pedis)：分别指发生在手掌 (palms)、手指 (fingers) 和 足底 (soles)、趾间 (toes) 的皮肤癣菌病，成人 (adults) 多见。足癣 (tinea pedis) 又称香港脚 (athlete's foot)、脚气 (foot odor)，是最常见 (most common) 的皮肤癣菌病。表现为趾间糜烂 (interdigital erosion)、水疱 (vesicles)、脱屑 (desquamation)、皲裂 (fissures)、瘙痒 (itching) 等。手癣 (tinea manuum) 表现与足癣类似，但干燥脱屑型 (dry desquamation type) 较多见。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 甲癣 (Tinea Unguium, Onychomycosis)：感染指（趾）甲 (nails) 的皮肤癣菌病，俗称灰指甲 (onychomycosis)。表现为指（趾）甲变色 (nail discoloration)（灰白色、黄褐色）、增厚 (thickening)、变形 (deformation)、甲板与甲床分离 (onycholysis)、甲板下碎屑堆积 (subungual debris) 等。

▮▮▮▮ⓒ 诊断 (Diagnosis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 直接镜检 (Direct Microscopy)：取皮屑 (skin scales)、毛发 (hair) 或 甲屑 (nail clippings)，用 10%-20% KOH 溶液 (KOH solution) 处理后，在显微镜下观察，可见菌丝 (hyphae) 或 关节孢子 (arthrospores)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 真菌培养 (Fungal Culture)：将标本接种于 沙氏培养基 (Sabouraud dextrose agar, SDA) 上，25-28℃ 培养 2-4 周，观察菌落生长情况，进行菌种鉴定 (species identification)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 伍德灯检查 (Wood's Lamp Examination)：某些动物源性小孢子菌 (zoophilic Microsporum species) 感染的头癣，在伍德灯 (Wood's lamp) 下可发出黄绿色荧光 (yellow-green fluorescence)，可作为辅助诊断依据。

▮▮▮▮ⓓ 治疗 (Treatment)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 局部用药 (Topical Medications)：适用于皮损范围小 (small lesions)、病情较轻 (mild cases) 的皮肤癣菌病，如体癣、股癣、手足癣等。常用的局部抗真菌药物 (topical antifungal drugs) 包括：
▮▮▮▮ⓒ 咪唑类 (Imidazoles)：如克霉唑 (clotrimazole)、咪康唑 (miconazole)、酮康唑 (ketoconazole)、益康唑 (econazole) 等，广谱抗真菌药 (broad-spectrum antifungals)，对皮肤癣菌和念珠菌 ( Candida) 均有效。
▮▮▮▮ⓓ 丙烯胺类 (Allylamines)：如特比萘芬 (terbinafine)、萘替芬 (naftifine) 等，对皮肤癣菌疗效好 (good efficacy)，疗程短 (short treatment duration)。
▮▮▮▮ⓔ 环吡酮胺 (Ciclopirox olamine)：广谱抗真菌药，对皮肤癣菌、念珠菌和马拉色菌均有效。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 口服药物 (Oral Medications)：适用于皮损范围广 (extensive lesions)、病情顽固 (recalcitrant cases)、累及毛发和甲 (involving hair and nails) 的皮肤癣菌病，如头癣、甲癣、严重的体癣和手足癣等。常用的口服抗真菌药物 (oral antifungal drugs) 包括：
▮▮▮▮ⓖ 灰黄霉素 (Griseofulvin)：传统的口服抗真菌药，对头癣疗效较好 (good efficacy for tinea capitis)，但疗程长 (long treatment duration)，不良反应较多 (more adverse reactions)。
▮▮▮▮ⓗ 特比萘芬 (Terbinafine)：对皮肤癣菌疗效好，疗程相对较短 (relatively short treatment duration)，不良反应较少 (fewer adverse reactions)，是甲癣 (onychomycosis) 和 体癣 (tinea corporis) 的首选药物 (first-line drug)。
▮▮▮▮ⓘ 伊曲康唑 (Itraconazole)：广谱抗真菌药，对皮肤癣菌、念珠菌、曲霉菌 ( Aspergillus) 等均有效，疗效好，不良反应较少，是甲癣、手足癣、体癣、股癣等的常用药物 (commonly used drug)。
▮▮▮▮ⓙ 氟康唑 (Fluconazole)：广谱抗真菌药，口服吸收好 (good oral absorption)，不良反应少，疗程短，但对皮肤癣菌的疗效不如特比萘芬和伊曲康唑 (less effective against dermatophytes than terbinafine and itraconazole)，主要用于念珠菌病 (candidiasis) 和 马拉色菌病 (malasseziasis) 的治疗。

② 花斑癣 (Tinea Versicolor)：

▮▮▮▮ⓐ 病原真菌 (Causative Fungus)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Malassezia furfur (糠秕马拉色菌)：是花斑癣 (tinea versicolor) 的病原菌 (pathogen)，也是正常人体皮肤 (normal human skin) 的共生菌 (commensal fungus)。在高温高湿 (high temperature and high humidity)、多汗 (excessive sweating)、免疫力下降 (decreased immunity) 等条件下，糠秕马拉色菌过度繁殖 (overgrowth)，侵犯皮肤角质层，引起花斑癣。

▮▮▮▮ⓑ 临床表现 (Clinical Manifestations)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 皮损特点 (Lesion Characteristics)：好发于胸背部 (chest and back)、颈部 (neck)、上臂 (upper arms) 和 腋窝 (axillae) 等多汗部位 (sweaty areas)。表现为圆形 (round) 或 卵圆形 (oval) 的斑疹 (macules) 或 斑片 (patches)，表面覆有糠秕状鳞屑 (fine, powdery scales)，颜色多样 (varied colors)，可呈淡白色 (pale white)、淡红色 (pale red)、褐色 (brown) 或 棕黑色 (dark brown)，故名花斑癣 (tinea versicolor)，又称汗斑 (pityriasis versicolor)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 自觉症状 (Subjective Symptoms)：通常无明显自觉症状 (no obvious subjective symptoms)，或仅有轻微瘙痒 (mild itching)。

▮▮▮▮ⓒ 诊断 (Diagnosis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 直接镜检 (Direct Microscopy)：取皮屑 (skin scales)，用 KOH 溶液 处理后，在显微镜下观察，可见短粗菌丝 (short, thick hyphae) 和 球形孢子 (spherical spores)，呈**“肉丸 spaghetti and meatballs”** 样外观。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 伍德灯检查 (Wood's Lamp Examination)：花斑癣皮损在伍德灯下可发出黄绿色荧光 (yellow-green fluorescence)，可作为辅助诊断依据。

▮▮▮▮ⓓ 治疗 (Treatment)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 局部用药 (Topical Medications)：是花斑癣的主要治疗方法 (main treatment method)。常用的局部抗真菌药物包括：
▮▮▮▮ⓒ 咪唑类 (Imidazoles)：如酮康唑洗剂 (ketoconazole shampoo)、咪康唑乳膏 (miconazole cream)、克霉唑乳膏 (clotrimazole cream) 等。
▮▮▮▮ⓓ 硫化硒洗剂 (Selenium sulfide lotion)：具有抗马拉色菌 (anti- Malassezia ) 和 去角质 (keratolytic) 作用。
▮▮▮▮ⓔ 丙烯胺类 (Allylamines)：如特比萘芬乳膏 (terbinafine cream)，对马拉色菌也有效。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 口服药物 (Oral Medications)：适用于皮损范围广 (extensive lesions)、反复发作 (recurrent episodes) 的花斑癣。常用的口服抗真菌药物包括：
▮▮▮▮ⓖ 伊曲康唑 (Itraconazole)：疗效好，疗程短。
▮▮▮▮ⓗ 氟康唑 (Fluconazole)：口服方便 (convenient oral administration)，不良反应少。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 预防复发 (Prevention of Recurrence)：花斑癣易复发，治疗后应注意保持皮肤干燥 (keep skin dry)、通风 (ventilated)，减少出汗 (reduce sweating)，避免高温高湿环境 (avoid hot and humid environments)。可定期 (periodically) 使用抗真菌洗剂 (antifungal shampoo) 预防复发。

总之，浅部真菌病虽然不危及生命 (not life-threatening)，但影响美观 (affect aesthetics)，易复发 (prone to recurrence)，给患者带来困扰 (troubles)。及时诊断和规范治疗，注意预防复发，可以有效控制病情，提高患者的生活质量。

8.3.2 深部真菌病 (Deep Mycoses)

深部真菌病 (Deep Mycoses) 是指真菌感染 (fungal infections) 侵犯皮肤深层 (deep layers of skin)、皮下组织 (subcutaneous tissues)、内脏器官 (visceral organs) 和 全身 (systemic) 的一类真菌病。深部真菌病通常由条件致病菌 (opportunistic pathogens) 或 真致病菌 (true pathogens) 引起，病情严重 (severe conditions)，病死率高 (high mortality rate)，对人类健康构成严重威胁 (serious threat)。深部真菌病根据感染部位和病原菌的不同，可分为皮下真菌病 (subcutaneous mycoses) 和 系统性真菌病 (systemic mycoses)。

① 皮下真菌病 (Subcutaneous Mycoses)：

▮▮▮▮ⓐ 感染途径 (Route of Infection)：皮下真菌病通常是由于外伤 (trauma) 或 异物刺入 (foreign body penetration) 等原因，将土壤 (soil) 或 植物 (plants) 中的真菌接种 (inoculation) 到皮下组织 (subcutaneous tissues) 引起的局部感染 (localized infections)。不发生 (do not occur) 人与人之间的传播。

▮▮▮▮ⓑ 常见的皮下真菌病 (Common Subcutaneous Mycoses)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 孢子丝菌病 (Sporotrichosis)：
▮▮▮▮ⓒ 病原菌 (Pathogen)： Sporothrix schenckii (申克孢子丝菌)，是一种双相型真菌 (dimorphic fungus)，在自然界 (nature) 中以霉菌形态 (mold form) 存在，在动物和人体组织内 (animal and human tissues) 以酵母形态 (yeast form) 存在。广泛分布于土壤 (soil)、植物 (plants)、腐烂的有机物 (decaying organic matter) 中。
▮▮▮▮ⓓ 临床表现 (Clinical Manifestations)：淋巴管皮炎型 (lymphocutaneous type) 最常见，表现为局部皮肤 (local skin) 的结节 (nodules) 或 溃疡 (ulcers)，沿淋巴管 (lymphatic vessels) 呈链珠状 (beaded) 排列的皮下结节 (subcutaneous nodules)，可伴有淋巴管炎 (lymphangitis) 和 淋巴结肿大 (lymphadenopathy)。也可引起固定型皮炎 (fixed cutaneous type)、播散型 (disseminated type) 和 内脏型 (visceral type) 孢子丝菌病，但少见 (rare)。
▮▮▮▮ⓔ 诊断 (Diagnosis)：组织病理学检查 (histopathology) 可见酵母样细胞 (yeast-like cells) 和 星状小体 (asteroid bodies)。真菌培养 (fungal culture) 可分离出 申克孢子丝菌。
▮▮▮▮ⓕ 治疗 (Treatment)：伊曲康唑 (itraconazole) 是首选药物 (first-line drug)。饱和碘化钾溶液 (saturated potassium iodide solution) 也可用于皮肤型 (cutaneous type) 孢子丝菌病。两性霉素 B (amphotericin B) 用于严重播散型 (severe disseminated type) 或 内脏型 (visceral type) 孢子丝菌病。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 着色芽生菌病 (Chromoblastomycosis)：
▮▮▮▮ⓗ 病原菌 (Pathogens)：多种暗色丝孢霉 (dematiaceous fungi)，如 Fonsecaea pedrosoi (佩德罗 Fonsecaea 菌)、 Phialophora verrucosa (疣状瓶霉)、 Cladophialophora carrionii (卡氏枝状瓶霉) 等，均为土壤腐生菌 (soil saprophytes)。
▮▮▮▮ⓘ 临床表现 (Clinical Manifestations)：慢性 (chronic)、局部性 (localized) 的皮肤和皮下组织感染 (skin and subcutaneous tissue infection)。早期表现为疣状丘疹 (verrucous papules) 或 结节 (nodules)，逐渐发展成疣状斑块 (verrucous plaques) 或 菜花状肿块 (cauliflower-like masses)，表面粗糙 (rough)，色素沉着 (pigmented)，呈褐色 (brown) 或 黑色 (black)，故名着色芽生菌病 (chromoblastomycosis)。病程缓慢 (slow)，可持续数年 (last for years) 或 数十年 (decades)。
▮▮▮▮ⓙ 诊断 (Diagnosis)：组织病理学检查 (histopathology) 可见厚壁 (thick-walled)、褐色 (brown) 的 “硬膜细胞 (sclerotic bodies)”，又称 “铜币样细胞 (copper pennies)”。真菌培养 (fungal culture) 可分离出病原菌。
▮▮▮▮ⓚ 治疗 (Treatment)：手术切除 (surgical excision)、冷冻治疗 (cryotherapy)、激光治疗 (laser therapy) 等局部治疗 (local treatments) 适用于早期 (early stage)、病灶小 (small lesions) 的着色芽生菌病。伊曲康唑 (itraconazole)、特比萘芬 (terbinafine) 等口服抗真菌药物 (oral antifungal drugs) 可用于广泛性 (extensive) 或 难治性 (refractory) 病例。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 足菌肿 (Mycetoma)：
▮▮▮▮ⓜ 病原菌 (Pathogens)：可由真菌 (fungi) 或 放线菌 (actinomycetes) 引起。真菌性足菌肿 (eumycetoma) 的病原菌主要包括 Madurella mycetomatis (马杜拉足菌肿菌)、 Exophiala jeanselmei (詹氏外瓶霉) 等。放线菌性足菌肿 (actinomycetoma) 的病原菌主要包括 Nocardia brasiliensis (巴西诺卡菌)、 Actinomadura madurae (马杜拉放线菌) 等。
▮▮▮▮ⓝ 临床表现 (Clinical Manifestations)：慢性 (chronic)、进行性 (progressive) 的皮下组织 (subcutaneous tissue)、肌肉 (muscle) 和 骨骼 (bone) 的感染 (infection)。足部 (foot) 最常见，也可发生于手 (hand)、臀部 (buttocks)、背部 (back) 等部位。典型三联征 (classic triad)：肿胀 (swelling)、窦道 (sinus tracts) 和 脓性分泌物 (purulent discharge) 中含有颗粒 (grains) 或 菌粒 (granules)。病程缓慢 (slow)，可持续数年 (last for years) 或 数十年 (decades)，严重者 (severe cases) 可导致肢体残疾 (limb disability)。
▮▮▮▮ⓞ 诊断 (Diagnosis)：脓液 (pus) 或 组织 (tissue) 中颗粒的形态学检查 (morphological examination) 和 培养 (culture)，可确定病原菌类型（真菌或放线菌）。组织病理学检查 (histopathology) 可见菌丝 (hyphae) 或 放线菌丝 (actinomycete filaments) 和 炎症反应 (inflammatory response)。
▮▮▮▮ⓟ 治疗 (Treatment)：真菌性足菌肿 的治疗困难 (difficult)，疗效差 (poor efficacy)。伊曲康唑 (itraconazole)、酮康唑 (ketoconazole)、特比萘芬 (terbinafine) 等口服抗真菌药物 (oral antifungal drugs) 可试用，但疗效有限 (limited efficacy)。手术切除 (surgical excision) 或 截肢 (amputation) 可能是必要 (necessary) 的。放线菌性足菌肿 对抗菌药物 (antibacterial drugs) 治疗反应较好 (better response)，常用的药物包括磺胺类 (sulfonamides)、氨基糖苷类 (aminoglycosides)、四环素类 (tetracyclines) 等。

② 系统性真菌病 (Systemic Mycoses)：

▮▮▮▮ⓐ 感染途径 (Route of Infection)：系统性真菌病通常是由于吸入 (inhalation) 空气中的真菌孢子 (fungal spores) 引起的肺部感染 (pulmonary infections)，然后通过血液 (blood) 或 淋巴 (lymph) 播散至全身各器官 (various organs)，引起全身性感染 (systemic infections)。不发生 (do not occur) 人与人之间的传播，内源性感染 (endogenous infections) 也少见 (rare)。

▮▮▮▮ⓑ 常见的系统性真菌病 (Common Systemic Mycoses)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 组织胞浆菌病 (Histoplasmosis)：
▮▮▮▮ⓒ 病原菌 (Pathogen)： Histoplasma capsulatum (荚膜组织胞浆菌)，是一种双相型真菌 (dimorphic fungus)，在自然界 (nature) 中以霉菌形态 (mold form) 存在，在动物和人体组织内 (animal and human tissues) 以酵母形态 (yeast form) 存在。主要分布于北美 (North America)、中美洲 (Central America) 和 南美洲 (South America) 的河流流域 (river valleys)，特别是俄亥俄河谷 (Ohio River Valley) 和 密西西比河谷 (Mississippi River Valley) 地区。鸟粪 (bird droppings) 和 蝙蝠粪 (bat guano) 污染的土壤中含量丰富 (abundant)。
▮▮▮▮ⓓ 临床表现 (Clinical Manifestations)：肺组织胞浆菌病 (pulmonary histoplasmosis) 最常见，大多数 (most) 为无症状感染 (asymptomatic infection) 或 轻微的流感样症状 (mild flu-like symptoms)，自限性 (self-limiting)。免疫功能低下者 (immunocompromised individuals) 可发展为慢性肺组织胞浆菌病 (chronic pulmonary histoplasmosis) 或 播散性组织胞浆菌病 (disseminated histoplasmosis)，病情严重 (severe conditions)，病死率高 (high mortality rate)。播散性组织胞浆菌病可累及全身各器官 (various organs)，如肝 (liver)、脾 (spleen)、淋巴结 (lymph nodes)、骨髓 (bone marrow)、中枢神经系统 (central nervous system) 等。
▮▮▮▮ⓔ 诊断 (Diagnosis)：组织病理学检查 (histopathology) 可见吞噬细胞内 (intracellular) 的小酵母样细胞 (small yeast-like cells)。真菌培养 (fungal culture) 可分离出 荚膜组织胞浆菌。血清学检查 (serology) 可检测组织胞浆菌抗体 (histoplasma antibodies)。尿抗原检测 (urine antigen test) 可用于播散性组织胞浆菌病 的快速诊断 (rapid diagnosis)。
▮▮▮▮ⓕ 治疗 (Treatment)：轻症 (mild cases) 组织胞浆菌病无需治疗 (no treatment needed)，自愈 (spontaneous recovery)。伊曲康唑 (itraconazole) 是轻中度 (mild to moderate) 组织胞浆菌病的首选药物 (first-line drug)。两性霉素 B (amphotericin B) 用于重症 (severe cases) 或 播散性 (disseminated) 组织胞浆菌病。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 球孢子菌病 (Coccidioidomycosis)：
▮▮▮▮ⓗ 病原菌 (Pathogen)： Coccidioides immitis (粗球孢子菌) 和 Coccidioides posadasii (波沙达斯球孢子菌)，均为双相型真菌 (dimorphic fungi)，在自然界 (nature) 中以霉菌形态 (mold form) 存在，在动物和人体组织内 (animal and human tissues) 以球形小体 (spherule form) 存在。主要分布于美国西南部 (southwestern United States)、加利福尼亚州 (California)、亚利桑那州 (Arizona)、新墨西哥州 (New Mexico) 和 德克萨斯州 (Texas) 等干旱半干旱地区 (arid and semi-arid regions) 的土壤 (soil) 中。
▮▮▮▮ⓘ 临床表现 (Clinical Manifestations)：肺球孢子菌病 (pulmonary coccidioidomycosis) 最常见，大多数 (most) 为无症状感染 (asymptomatic infection) 或 轻微的流感样症状 (mild flu-like symptoms)，又称 “山谷热 (valley fever)”，自限性 (self-limiting)。免疫功能低下者 (immunocompromised individuals) 或 特定种族人群 (certain ethnic groups)（如菲律宾人 (Filipinos)、非洲裔美国人 (African Americans)）易发展为慢性进行性肺球孢子菌病 (chronic progressive pulmonary coccidioidomycosis) 或 播散性球孢子菌病 (disseminated coccidioidomycosis)，病情严重 (severe conditions)，可累及皮肤 (skin)、骨骼 (bones)、关节 (joints)、脑膜 (meninges) 等器官。球孢子菌性脑膜炎 (coccidioidal meningitis) 是最严重 (most serious) 的并发症，病死率高 (high mortality rate)。
▮▮▮▮ⓙ 诊断 (Diagnosis)：组织病理学检查 (histopathology) 可见内含子孢子 (endospores) 的 球形小体 (spherules)。真菌培养 (fungal culture) 可分离出 粗球孢子菌 或 波沙达斯球孢子菌。血清学检查 (serology) 可检测球孢子菌抗体 (coccidioides antibodies)。皮肤试验 (skin test)（球孢子菌素皮试 (coccidioidin skin test) 或 球红素皮试 (spherulin skin test)）阳性提示感染 (infection) 或 既往感染 (past infection)。
▮▮▮▮ⓚ 治疗 (Treatment)：轻症 (mild cases) 球孢子菌病无需治疗 (no treatment needed)，自愈 (spontaneous recovery)。氟康唑 (fluconazole) 或 伊曲康唑 (itraconazole) 用于轻中度 (mild to moderate) 球孢子菌病。两性霉素 B (amphotericin B) 用于重症 (severe cases) 或 播散性 (disseminated) 球孢子菌病，球孢子菌性脑膜炎 需长期 (long-term) 使用 氟康唑 或 伊曲康唑 治疗。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 芽生菌病 (Blastomycosis)：
▮▮▮▮ⓜ 病原菌 (Pathogen)： Blastomyces dermatitidis (皮炎芽生菌)，是一种双相型真菌 (dimorphic fungus)，在自然界 (nature) 中以霉菌形态 (mold form) 存在，在动物和人体组织内 (animal and human tissues) 以酵母形态 (yeast form) 存在。主要分布于北美 (North America) 的五大湖地区 (Great Lakes region)、圣劳伦斯河谷 (St. Lawrence River valley) 和 密西西比河谷 (Mississippi River Valley) 地区，以及非洲 (Africa) 和 印度 (India) 等地。潮湿土壤 (moist soil) 和 腐烂的木材 (decaying wood) 中含量丰富 (abundant)。
▮▮▮▮ⓝ 临床表现 (Clinical Manifestations)：肺芽生菌病 (pulmonary blastomycosis) 最常见，大多数 (most) 为无症状感染 (asymptomatic infection) 或 轻微的流感样症状 (mild flu-like symptoms)，自限性 (self-limiting)。免疫功能低下者 (immunocompromised individuals) 或 男性 (males) 易发展为慢性肺芽生菌病 (chronic pulmonary blastomycosis) 或 播散性芽生菌病 (disseminated blastomycosis)，病情严重 (severe conditions)，可累及皮肤 (skin)、骨骼 (bones)、前列腺 (prostate)、中枢神经系统 (central nervous system) 等器官。皮肤芽生菌病 (cutaneous blastomycosis) 表现为疣状 (verrucous) 或 溃疡性 (ulcerative) 皮损。
▮▮▮▮ⓞ 诊断 (Diagnosis)：组织病理学检查 (histopathology) 可见厚壁 (thick-walled)、单芽 (single budding) 的 酵母样细胞 (yeast-like cells)。真菌培养 (fungal culture) 可分离出 皮炎芽生菌。尿抗原检测 (urine antigen test) 可用于芽生菌病 的快速诊断 (rapid diagnosis)。
▮▮▮▮ⓟ 治疗 (Treatment)：伊曲康唑 (itraconazole) 是轻中度 (mild to moderate) 芽生菌病的首选药物 (first-line drug)。两性霉素 B (amphotericin B) 用于重症 (severe cases) 或 播散性 (disseminated) 芽生菌病。氟康唑 (fluconazole) 对芽生菌病 的疗效较差 (less effective)，不推荐 (not recommended) 使用。

③ 机会性真菌病 (Opportunistic Mycoses)：

8.3.3 机会性真菌病 (Opportunistic Mycoses)

机会性真菌病 (Opportunistic Mycoses) 是指在免疫功能正常 (normal immune function) 的个体中很少引起疾病 (rarely cause disease)，而在免疫功能低下 (compromised immune function) 的个体中容易发生感染 (prone to infection) 的一类真菌病。机会性真菌病的病原菌通常是条件致病菌 (opportunistic pathogens)，广泛存在于自然环境 (natural environment) 和 人体正常菌群 (normal human flora) 中。随着免疫抑制剂 (immunosuppressants)、广谱抗生素 (broad-spectrum antibiotics)、侵袭性医疗操作 (invasive medical procedures) 的广泛应用，以及 HIV 感染 (HIV infection)、器官移植 (organ transplantation)、肿瘤化疗 (cancer chemotherapy) 等免疫抑制状态 (immunosuppressed states) 患者的增多，机会性真菌病的发病率 (incidence rate) 呈逐年上升趋势 (increasing trend year by year)，已成为临床 (clinical practice) 上重要的感染性疾病 (important infectious diseases)。

① 念珠菌病 (Candidiasis)：

▮▮▮▮ⓐ 病原菌 (Pathogens)：假丝酵母属 ( Candida) 的多种酵母菌，最常见 (most common) 的病原菌是 Candida albicans (白色假丝酵母)，其次是 Candida glabrata (光滑假丝酵母)、 Candida parapsilosis (近平滑假丝酵母)、 Candida tropicalis (热带假丝酵母)、 Candida auris (耳念珠菌) 等。白色假丝酵母 是人体正常菌群 (normal human flora) 的组成部分 (component)，定植 (colonize) 于口腔 (oral cavity)、消化道 (digestive tract)、阴道 (vagina) 等部位。其他念珠菌通常来源于外环境 (from external environment) 或 内源性感染 (endogenous infection)。

▮▮▮▮ⓑ 易感人群 (Susceptible Populations)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 免疫功能低下者 (Immunocompromised Individuals)：
▮▮▮▮ⓒ HIV 感染者 (HIV-infected individuals)：口腔念珠菌病 (oral candidiasis)（鹅口疮 (thrush)）和 食管念珠菌病 (esophageal candidiasis) 是 AIDS 患者 (AIDS patients) 常见的机会性感染 (opportunistic infections)。
▮▮▮▮ⓓ 器官移植受者 (Organ Transplant Recipients)：免疫抑制治疗 (immunosuppressive therapy) 增加念珠菌感染的风险，侵袭性念珠菌病 (invasive candidiasis) 是 器官移植受者 重要的感染并发症 (infectious complications)。
▮▮▮▮ⓔ 肿瘤化疗患者 (Cancer Chemotherapy Patients)：化疗 (chemotherapy) 导致粒细胞缺乏 (neutropenia) 和 黏膜损伤 (mucosal damage)，增加念珠菌感染的风险。
▮▮▮▮ⓕ 长期使用广谱抗生素者 (Prolonged Broad-spectrum Antibiotic Use)：抗生素 (antibiotics) 破坏正常菌群 (normal flora) 的生态平衡 (ecological balance)，念珠菌过度生长 (candida overgrowth)，引起感染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 其他高危因素 (Other Risk Factors)：
▮▮▮▮ⓗ 新生儿 (Neonates) 和 婴幼儿 (Infants)：免疫系统发育不完善 (immature immune system)，易发生鹅口疮 (thrush) 和 尿布皮炎 (diaper dermatitis) 等念珠菌感染。
▮▮▮▮ⓘ 妊娠期妇女 (Pregnant Women)：激素水平变化 (hormonal changes) 易导致外阴阴道念珠菌病 (vulvovaginal candidiasis)。
▮▮▮▮ⓙ 糖尿病患者 (Diabetic Patients)：高血糖 (hyperglycemia) 环境有利于念珠菌生长，易发生皮肤黏膜念珠菌病 (mucocutaneous candidiasis)。
▮▮▮▮ⓚ 长期留置导管者 (Long-term Catheterization)：静脉导管 (intravenous catheters)、尿管 (urinary catheters) 等医疗器械 (medical devices) 可作为念珠菌侵入途径 (entry routes) 和 生物膜形成 (biofilm formation) 的支架 (scaffolds)，增加血流感染 (bloodstream infections) 和 尿路感染 (urinary tract infections) 的风险。

▮▮▮▮ⓒ 临床表现 (Clinical Manifestations)：念珠菌病根据感染部位和程度不同，临床表现多样，常见的类型包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 皮肤黏膜念珠菌病 (Mucocutaneous Candidiasis)：
▮▮▮▮ⓒ 鹅口疮 (Oral Thrush)：口腔黏膜 (oral mucosa) 的白色斑片 (white plaques)，擦拭后可剥脱 (removable after wiping)，基底红肿 (erythematous base)。常见于新生儿 (neonates)、婴幼儿 (infants)、免疫功能低下者 (immunocompromised individuals)。
▮▮▮▮ⓓ 外阴阴道念珠菌病 (Vulvovaginal Candidiasis, VVC)：女性 (women) 常见，表现为外阴瘙痒 (vulvar itching)、灼痛 (burning pain)、阴道分泌物增多 (increased vaginal discharge)，分泌物呈白色凝乳状 (white curd-like) 或 豆渣样 (cottage cheese-like)。
▮▮▮▮ⓔ 念珠菌性皮炎 (Candidal Dermatitis)：发生在皮肤皱褶部位 (skin folds)，如腋窝 (axillae)、腹股沟 (groin)、乳房下 (inframammary folds)、指（趾）间 (interdigital spaces) 等，表现为红斑 (erythema)、糜烂 (erosion)、渗出 (exudation)、卫星状丘疹 (satellite papules) 或 脓疱 (pustules)。尿布皮炎 (diaper dermatitis) 是 婴幼儿 (infants) 常见的念珠菌性皮炎。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 侵袭性念珠菌病 (Invasive Candidiasis)：
▮▮▮▮ⓖ 念珠菌血症 (Candidemia)：血液 (blood) 中分离出念珠菌，是最常见 (most common) 的侵袭性念珠菌病，病死率高 (high mortality rate)。常继发于静脉导管感染 (intravascular catheter infection)、腹腔感染 (abdominal infections)、手术 (surgery)、严重烧伤 (severe burns) 等。临床表现无特异性 (non-specific)，可有发热 (fever)、寒战 (chills)、脓毒血症 (sepsis) 等。
▮▮▮▮ⓗ 深部组织器官念珠菌病 (Deep Organ Candidiasis)：念珠菌血症播散 (dissemination) 至全身各器官 (various organs) 引起，如肝念珠菌病 (hepatic candidiasis)、脾念珠菌病 (splenic candidiasis)、肾念珠菌病 (renal candidiasis)、眼内炎 (endophthalmitis)、心内膜炎 (endocarditis)、脑膜炎 (meningitis) 等。

▮▮▮▮ⓓ 诊断 (Diagnosis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 直接镜检 (Direct Microscopy)：皮肤黏膜念珠菌病 可取分泌物 (secretions) 或 刮取物 (scrapings)，用 革兰染色 (Gram stain) 或 KOH 染色 后镜检，可见酵母样细胞 (yeast-like cells) 和 假菌丝 (pseudohyphae)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 真菌培养 (Fungal Culture)：念珠菌培养阳性 (positive candida culture) 是诊断 (diagnosis) 念珠菌病的重要依据 (important basis)。血培养 (blood culture) 阳性可确诊念珠菌血症。深部组织器官念珠菌病 需组织活检 (tissue biopsy) 进行病理学检查 (pathological examination) 和 真菌培养。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 血清学检查 (Serology)：血清念珠菌抗原检测 (serum candida antigen detection)（如 甘露聚糖抗原 (mannan antigen) 和 β-葡聚糖抗原 (β-glucan antigen)）可用于侵袭性念珠菌病 的辅助诊断 (adjunctive diagnosis)，但敏感性和特异性 (sensitivity and specificity) 有限。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 分子生物学检测 (Molecular Biological Tests)：PCR 检测 (PCR tests) 可用于快速 (rapid)、敏感 (sensitive) 地检测念珠菌 DNA，但临床应用 (clinical application) 尚不普及 (not widespread)。

▮▮▮▮ⓔ 治疗 (Treatment)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 局部用药 (Topical Medications)：适用于皮肤黏膜念珠菌病，如鹅口疮、外阴阴道念珠菌病、念珠菌性皮炎 等。常用的局部抗真菌药物包括：
▮▮▮▮ⓒ 咪唑类 (Imidazoles)：如克霉唑 (clotrimazole)、咪康唑 (miconazole)、酮康唑 (ketoconazole) 等乳膏 (creams)、栓剂 (suppositories)、洗剂 (lotions)。
▮▮▮▮ⓓ 制霉菌素 (Nystatin)：混悬液 (suspension)、片剂 (tablets)、软膏 (ointment) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 口服药物 (Oral Medications)：适用于皮肤黏膜念珠菌病 和 侵袭性念珠菌病。常用的口服抗真菌药物包括：
▮▮▮▮ⓕ 氟康唑 (Fluconazole)：口服吸收好 (good oral absorption)，不良反应少，是皮肤黏膜念珠菌病 和 非中枢神经系统 (non-central nervous system) 的 侵袭性念珠菌病 的首选药物 (first-line drug)。但对 光滑假丝酵母 ( Candida glabrata ) 和 克柔念珠菌 ( Candida krusei ) 等耐药菌株 (resistant strains) 无效。
▮▮▮▮ⓖ 伊曲康唑 (Itraconazole)：对氟康唑耐药 (fluconazole-resistant) 的 念珠菌 有效，但口服吸收不稳定 (unstable oral absorption)，药物相互作用多 (multiple drug interactions)。
▮▮▮▮ⓗ 伏立康唑 (Voriconazole)：广谱抗真菌药 (broad-spectrum antifungal drug)，对氟康唑耐药 的 念珠菌 和 曲霉菌 均有效，疗效好，但不良反应较多 (more adverse reactions)。
▮▮▮▮ⓘ 泊沙康唑 (Posaconazole)：广谱抗真菌药，口服吸收好，不良反应少，对氟康唑耐药 的 念珠菌 和 毛霉菌 ( Mucorales ) 均有效。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 静脉用药 (Intravenous Medications)：适用于侵袭性念珠菌病，特别是 念珠菌血症 和 深部组织器官念珠菌病。常用的静脉抗真菌药物包括：
▮▮▮▮ⓚ 两性霉素 B (Amphotericin B)：传统的广谱抗真菌药，疗效好，但肾毒性大 (high nephrotoxicity)，不良反应多 (multiple adverse reactions)。脂质体两性霉素 B (liposomal amphotericin B) 肾毒性相对较低 (relatively low nephrotoxicity)。
▮▮▮▮ⓛ 棘白菌素类 (Echinocandins)：如卡泊芬净 (caspofungin)、米卡芬净 (micafungin)、阿尼芬净 (anidulafungin)，新型抗真菌药 (new antifungal drugs)，对念珠菌疗效好 (good efficacy against Candida )，肾毒性低 (low nephrotoxicity)，不良反应少 (fewer adverse reactions)，是侵袭性念珠菌病 的一线治疗药物 (first-line treatment drugs)。

② 曲霉菌病 (Aspergillosis)：

▮▮▮▮ⓐ 病原菌 (Pathogens)：曲霉菌属 ( Aspergillus) 的多种霉菌，最常见 (most common) 的病原菌是 Aspergillus fumigatus (烟曲霉)，其次是 Aspergillus flavus (黄曲霉)、 Aspergillus niger (黑曲霉)、 Aspergillus terreus (土曲霉)、 Aspergillus nidulans (构巢曲霉) 等。烟曲霉 是最常见 的空气传播 (airborne) 的霉菌 (mold)，广泛存在于自然环境 (widely present in natural environment) 中，土壤 (soil)、腐烂的植物 (decaying plants)、空气 (air)、水 (water) 中均有分布。

▮▮▮▮ⓑ 易感人群 (Susceptible Populations)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 免疫功能低下者 (Immunocompromised Individuals)：
▮▮▮▮ⓒ 粒细胞缺乏症患者 (Neutropenic Patients)：化疗 (chemotherapy)、造血干细胞移植 (hematopoietic stem cell transplantation) 等导致粒细胞缺乏 (neutropenia)，是侵袭性曲霉病 (invasive aspergillosis) 的最主要 (most important) 的危险因素 (risk factor)。
▮▮▮▮ⓓ 器官移植受者 (Organ Transplant Recipients)：免疫抑制治疗 (immunosuppressive therapy) 增加曲霉菌感染的风险，侵袭性肺曲霉病 (invasive pulmonary aspergillosis, IPA) 是 肺移植受者 (lung transplant recipients) 常见的感染并发症 (infectious complications)。
▮▮▮▮ⓔ 慢性肉芽肿病患者 (Chronic Granulomatous Disease, CGD)：先天性免疫缺陷病 (congenital immunodeficiency disease)，吞噬细胞 (phagocytes) 杀菌功能障碍，易发生侵袭性曲霉病。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 肺部结构异常者 (Underlying Lung Diseases)：
▮▮▮▮ⓖ 肺结核空洞 (Pulmonary Tuberculosis Cavities)、支气管扩张 (Bronchiectasis)、肺气肿 (Emphysema) 等慢性肺部疾病 (chronic lung diseases) 患者，易发生曲霉菌球 (aspergilloma)。
▮▮▮▮ⓗ 哮喘 (Asthma)、囊性纤维化 (Cystic Fibrosis, CF) 等气道高反应性疾病 (airway hyperreactivity diseases) 患者，易发生变应性支气管肺曲霉菌病 (Allergic Bronchopulmonary Aspergillosis, ABPA)。

▮▮▮▮ⓒ 临床表现 (Clinical Manifestations)：曲霉菌病根据感染类型和部位不同，临床表现多样，常见的类型包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 侵袭性肺曲霉菌病 (Invasive Pulmonary Aspergillosis, IPA)：最常见 (most common) 的侵袭性曲霉菌病，病情严重 (severe condition)，病死率高 (high mortality rate)。主要发生于粒细胞缺乏症患者。临床表现无特异性 (non-specific)，可有发热 (fever)、咳嗽 (cough)、胸痛 (chest pain)、咯血 (hemoptysis)、呼吸困难 (dyspnea) 等。胸部影像学 (chest imaging) 可见结节 (nodules)、浸润影 (infiltrates)、空洞 (cavities)、晕轮征 (halo sign)、空气新月征 (air crescent sign) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 曲霉菌球 (Aspergilloma)：又称肺曲霉菌球 (pulmonary aspergilloma)，真菌球 (fungus ball) 在肺部空腔 (pulmonary cavities) 内生长形成。常发生于肺结核空洞、支气管扩张 等肺部结构异常 的患者。大多数 (most) 患者无症状 (asymptomatic)，或仅有慢性咳嗽 (chronic cough)、咯血 (hemoptysis)。大量咯血 (massive hemoptysis) 是 曲霉菌球 的严重并发症 (serious complication)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 变应性支气管肺曲霉菌病 (Allergic Bronchopulmonary Aspergillosis, ABPA)：过敏反应性疾病 (hypersensitivity reaction disease)，哮喘和 囊性纤维化 患者常见 (common)。是机体对气道 (airways) 内曲霉菌 的过敏反应 (allergic reaction) 引起的炎症 (inflammation) 和 气道阻塞 (airway obstruction)。临床表现为哮喘发作 (asthma exacerbations)、咳嗽 (cough)、咳痰 (sputum production)（可为棕色痰栓 (brown plugs)）、发热 (fever)、胸闷 (chest tightness)、喘息 (wheezing) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 其他类型曲霉菌病 (Other Types of Aspergillosis)：侵袭性曲霉菌病 可播散至全身各器官 (various organs)，引起脑曲霉菌病 (cerebral aspergillosis)、心内膜炎 (endocarditis)、鼻窦炎 (sinusitis)、皮肤曲霉菌病 (cutaneous aspergillosis)、眼内炎 (endophthalmitis) 等，但少见 (rare)。外耳道曲霉菌病 (otomycosis) 较常见，表现为耳痒 (ear itching)、耳痛 (ear pain)、耳道分泌物增多 (increased ear discharge)。

▮▮▮▮ⓓ 诊断 (Diagnosis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 影像学检查 (Imaging Examinations)：胸部 CT (chest CT) 是 侵袭性肺曲霉菌病 和 曲霉菌球 的重要诊断手段 (important diagnostic tool)，可显示肺部病灶 (pulmonary lesions) 的形态 (morphology)、大小 (size)、部位 (location) 和 动态变化 (dynamic changes)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 病原学检查 (Pathogen Detection)：
▮▮▮▮ⓓ 痰液 (sputum)、支气管肺泡灌洗液 (bronchoalveolar lavage fluid, BALF)、组织活检标本 (tissue biopsy specimens) 等标本进行 真菌培养 (fungal culture) 和 镜检 (microscopy)，可分离和鉴定曲霉菌。
▮▮▮▮ⓔ 半乳甘露聚糖检测 (Galactomannan Assay, GM Assay)：血清 (serum) 或 BALF 的 GM 检测 阳性是 侵袭性肺曲霉菌病 的重要诊断指标 (important diagnostic indicator)，敏感性和特异性 (sensitivity and specificity) 较高。
▮▮▮▮ⓕ β-葡聚糖检测 (β-Glucan Assay)：血清 β-葡聚糖检测 阳性可提示侵袭性真菌感染 (invasive fungal infection)，包括 曲霉菌、念珠菌、肺孢子菌 ( Pneumocystis ) 等，特异性 (specificity) 较低。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 血清学检查 (Serology)：变应性支气管肺曲霉菌病 可检测血清曲霉菌特异性 IgE 抗体 (serum aspergillus-specific IgE antibodies) 和 IgG 抗体 (IgG antibodies)，总 IgE 水平 (total IgE level) 也升高 (elevated)。

▮▮▮▮ⓔ 治疗 (Treatment)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 侵袭性肺曲霉菌病 (Invasive Pulmonary Aspergillosis, IPA)：
▮▮▮▮ⓒ 伏立康唑 (Voriconazole)：是 IPA 的首选药物 (first-line drug)，疗效好，不良反应可耐受 (tolerable adverse reactions)。
▮▮▮▮ⓓ 两性霉素 B (Amphotericin B)：脂质体两性霉素 B (liposomal amphotericin B) 可作为 伏立康唑 的替代药物 (alternative drug)，或用于 伏立康唑 治疗无效 (ineffective) 或 不能耐受 (intolerable) 的患者。
▮▮▮▮ⓔ 棘白菌素类 (Echinocandins)：如卡泊芬净 (caspofungin)、米卡芬净 (micafungin)、阿尼芬净 (anidulafungin)，可作为 IPA 的替代药物 或 联合治疗 (combination therapy) 的组成部分 (component)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 曲霉菌球 (Aspergilloma)：
▮▮▮▮ⓖ 手术切除 (Surgical Resection)：是 曲霉菌球 的首选治疗方法 (first-line treatment method)，适用于单发 (solitary)、局限性 (localized)、咯血严重 (severe hemoptysis) 的 曲霉菌球。
▮▮▮▮ⓗ 抗真菌药物治疗 (Antifungal Drug Therapy)：伊曲康唑 (itraconazole) 是 曲霉菌球 的常用药物 (commonly used drug)，可长期 (long-term) 口服治疗，控制病情 (control disease progression)，减少咯血 (reduce hemoptysis)。伏立康唑 (voriconazole)、两性霉素 B (amphotericin B) 也可用于 曲霉菌球 的治疗。抗真菌药物 通常不能根除 (cannot eradicate) 曲霉菌球，主要用于控制症状 (mainly used to control symptoms) 和 预防并发症 (prevent complications)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 变应性支气管肺曲霉菌病 (Allergic Bronchopulmonary Aspergillosis, ABPA)：
▮▮▮▮ⓙ 糖皮质激素 (Corticosteroids)：是 ABPA 的主要治疗药物 (main treatment drug)，减轻炎症反应 (reduce inflammatory response)，缓解症状 (relieve symptoms)，改善肺功能 (improve lung function)。
▮▮▮▮ⓚ 伊曲康唑 (Itraconazole)：可联合糖皮质激素 (combined with corticosteroids) 使用，抑制曲霉菌生长 (inhibit aspergillus growth)，减少激素用量 (reduce corticosteroid dosage)，预防复发 (prevent recurrence)。

③ 隐球菌病 (Cryptococcosis)：

▮▮▮▮ⓐ 病原菌 (Pathogens)：隐球菌属 ( Cryptococcus) 的 新型隐球菌 ( Cryptococcus neoformans ) 和 格特隐球菌 ( Cryptococcus gattii )。新型隐球菌 是最常见 (most common) 的病原菌，引起绝大多数 (vast majority) 的 隐球菌病。格特隐球菌 主要引起免疫功能正常者 (immunocompetent individuals) 的 隐球菌病，地理分布 (geographical distribution) 相对局限 (limited)，主要分布于热带 (tropical) 和 亚热带地区 (subtropical regions)，如澳大利亚 (Australia)、北美洲西海岸 (west coast of North America) 等。隐球菌 广泛存在于自然环境 (natural environment) 中，鸽粪 (pigeon droppings) 中含量丰富 (abundant)。

▮▮▮▮ⓑ 易感人群 (Susceptible Populations)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 免疫功能低下者 (Immunocompromised Individuals)：
▮▮▮▮ⓒ HIV 感染者 (HIV-infected individuals)：隐球菌脑膜炎 (cryptococcal meningitis) 是 AIDS 患者 (AIDS patients) 常见的机会性感染 (opportunistic infection) 和 主要死亡原因 (leading cause of death) 之一。
▮▮▮▮ⓓ 器官移植受者 (Organ Transplant Recipients)：免疫抑制治疗 (immunosuppressive therapy) 增加隐球菌感染的风险，隐球菌病 是 器官移植受者 常见的感染并发症 (infectious complications)。
▮▮▮▮ⓔ 糖皮质激素长期使用者 (Long-term Corticosteroid Users)：糖皮质激素 (corticosteroids) 抑制细胞免疫 (cellular immunity)，增加隐球菌感染的风险。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 免疫功能正常者 (Immunocompetent Individuals)：格特隐球菌 主要感染免疫功能正常者，新型隐球菌 也可感染免疫功能相对正常者 (relatively immunocompetent individuals)，如老年人 (elderly)、糖尿病患者 (diabetic patients)、慢性肺病患者 (chronic lung disease patients) 等。

▮▮▮▮ⓒ 临床表现 (Clinical Manifestations)：隐球菌病根据感染部位和程度不同，临床表现多样，常见的类型包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 隐球菌脑膜炎 (Cryptococcal Meningitis)：最常见 (most common) 和 最严重 (most serious) 的隐球菌病类型，病死率高 (high mortality rate)。主要发生于免疫功能低下者。临床表现无特异性 (non-specific)，可有头痛 (headache)、发热 (fever)、颈项强直 (neck stiffness)、恶心 (nausea)、呕吐 (vomiting)、意识障碍 (altered mental status) 等脑膜刺激征 (meningeal signs) 和 神经系统症状 (neurological symptoms)。免疫功能极度低下者 (severely immunocompromised individuals) 可表现为亚急性 (subacute) 或 慢性 (chronic) 脑膜炎，症状不典型 (atypical symptoms)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 肺隐球菌病 (Pulmonary Cryptococcosis)：第二常见 (second most common) 的隐球菌病类型，免疫功能正常者 和 免疫功能低下者 均可发生。大多数 (most) 患者无症状 (asymptomatic) 或 轻微症状 (mild symptoms)，如咳嗽 (cough)、咳痰 (sputum production)、胸痛 (chest pain)、发热 (fever) 等，自限性 (self-limiting)。免疫功能低下者 可发展为慢性肺隐球菌病 (chronic pulmonary cryptococcosis) 或 播散性隐球菌病 (disseminated cryptococcosis)。胸部影像学 (chest imaging) 可见结节 (nodules)、肿块 (masses)、浸润影 (infiltrates)、空洞 (cavities) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 皮肤隐球菌病 (Cutaneous Cryptococcosis)：播散性隐球菌病 的常见表现 (common manifestation)，也可单独发生 (occur alone)。表现为丘疹 (papules)、结节 (nodules)、脓疱 (pustules)、溃疡 (ulcers)、蜂窝织炎样病变 (cellulitis-like lesions) 等，形态多样 (varied morphologies)，无特异性 (non-specific)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 其他类型隐球菌病 (Other Types of Cryptococcosis)：播散性隐球菌病 可累及全身各器官 (various organs)，如骨骼 (bones)、关节 (joints)、前列腺 (prostate)、眼 (eyes)、心脏 (heart) 等，但少见 (rare)。

▮▮▮▮ⓓ 诊断 (Diagnosis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 脑脊液检查 (Cerebrospinal Fluid, CSF Examination)：隐球菌脑膜炎 需进行 腰椎穿刺 (lumbar puncture) 获取 脑脊液 进行检查。
▮▮▮▮ⓒ 墨汁染色 (India Ink Stain)：脑脊液墨汁染色 阳性是 隐球菌脑膜炎 的快速诊断方法 (rapid diagnostic method)，可见圆形 (round) 或 卵圆形 (oval) 的 酵母样细胞，周围有荚膜 (capsule) 形成的 透明晕圈 (clear halo)。但敏感性 (sensitivity) 较低，阴性 (negative) 不能排除 隐球菌脑膜炎。
▮▮▮▮ⓓ 隐球菌荚膜抗原检测 (Cryptococcal Capsular Antigen Detection)：脑脊液 或血清的 隐球菌荚膜抗原检测 阳性是 隐球菌病 的重要诊断依据 (important diagnostic basis)，敏感性和特异性 (sensitivity and specificity) 均较高 (high)。乳胶凝集试验 (latex agglutination test, LA) 和 酶免疫测定法 (enzyme immunoassay, EIA) 是常用的 抗原检测方法 (antigen detection methods)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 病原学检查 (Pathogen Detection)：
▮▮▮▮ⓕ 痰液 (sputum)、BALF、脑脊液、皮肤活检标本 (skin biopsy specimens) 等标本进行 真菌培养 (fungal culture) 和 镜检 (microscopy)，可分离和鉴定隐球菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 组织病理学检查 (Histopathology)：组织活检标本 进行 组织病理学检查，HE 染色 (HE staining)、GMS 染色 (GMS staining)、PAS 染色 (PAS staining) 等染色方法可显示组织中 的 隐球菌。

▮▮▮▮ⓔ 治疗 (Treatment)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 诱导治疗 (Induction Therapy)：初始治疗阶段 (initial treatment phase)，迅速降低 (rapidly reduce) 体内真菌负荷 (fungal burden)，控制病情 (control disease progression)。
▮▮▮▮ⓒ 两性霉素 B (Amphotericin B) 联合 氟胞嘧啶 (Flucytosine)：是 隐球菌脑膜炎 的首选诱导治疗方案 (first-line induction therapy regimen)，疗效好，但不良反应较多 (more adverse reactions)。脂质体两性霉素 B (liposomal amphotericin B) 肾毒性相对较低 (relatively low nephrotoxicity)。氟胞嘧啶 需联合应用 (combined use)，单药易产生耐药性 (monotherapy prone to drug resistance)。
▮▮▮▮ⓓ 氟康唑 (Fluconazole)：大剂量氟康唑 (high-dose fluconazole) 也可用于 轻中度 (mild to moderate) 隐球菌脑膜炎的 诱导治疗，不良反应较少 (fewer adverse reactions)，但疗效不如两性霉素 B 联合氟胞嘧啶 (less effective than amphotericin B plus flucytosine)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 巩固治疗 (Consolidation Therapy)：诱导治疗后 (after induction therapy)，继续治疗 (continue treatment) 以清除残余病灶 (clear residual lesions)，巩固疗效 (consolidate efficacy)。
▮▮▮▮ⓕ 氟康唑 (Fluconazole)：是 巩固治疗 的首选药物 (first-line drug)，长期 (long-term) 口服治疗，至少 8 周 (at least 8 weeks)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 维持治疗 (Maintenance Therapy)：巩固治疗后 (after consolidation therapy)，长期 (long-term) 或 终身 (lifelong) 服用 小剂量氟康唑 (low-dose fluconazole)，预防复发 (prevent recurrence)，特别是 HIV 感染者 (HIV-infected individuals) 和 器官移植受者 (organ transplant recipients) 等高危人群 (high-risk populations)。

总之，机会性真菌病是临床 (clinical practice) 上重要的感染性疾病 (important infectious diseases)，发病率高 (high incidence rate)，病情严重 (severe conditions)，病死率高 (high mortality rate)。早期诊断 (early diagnosis)、及时治疗 (timely treatment)、积极预防 (active prevention) 是降低病死率 (reduce mortality rate)、改善预后 (improve prognosis) 的关键 (key)。对于高危人群 (high-risk populations)，应加强监测 (monitoring) 和 预防 (prevention)，早期发现 (early detection) 和 早期治疗 (early treatment) 机会性真菌感染。

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9. 原生生物学 (Protozoology)

摘要

本章系统介绍原生生物的分类、形态结构、生理代谢、重要原生生物类群，以及原生生物性疾病。

9.1 原生生物的分类与结构 (Classification and Structure of Protozoa)

9.1.1 原生生物的分类系统 (Classification Systems of Protozoa)

原生生物 (protozoa) 是一类真核 (eukaryotic)、单细胞 (unicellular) 的微生物，传统上被归类于原生生物界 (Protista)。然而，随着分子生物学和系统发育学的发展，传统的原生生物界已被认为是一个并系群 (paraphyletic group)，即它不包含其所有后代。现代分类学更多地基于系统发育关系 (phylogenetic relationships)，利用核糖体RNA基因 (ribosomal RNA genes) 和其他分子标记来构建进化树。因此，原生生物不再被视为一个统一的分类单元，而是分散在真核生物的各个主要分支中。

尽管分类系统不断演变，为了教学和理解的方便，我们仍然可以根据传统的形态和生理特征，将原生生物大致划分为以下主要类群：

① 鞭毛虫类 (Flagellates, Mastigophora)：
▮▮▮▮ⓑ 特点：主要通过鞭毛 (flagella) 运动，具有一至多条鞭毛。许多鞭毛虫具有明确的细胞核 (nucleus) 和其他细胞器。营养方式多样，包括自养型 (autotrophic)、异养型 (heterotrophic) 和兼性营养型 (mixotrophic)。
▮▮▮▮ⓒ 代表属：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 眼虫属 ( Euglena)：兼性营养型，含有叶绿体 (chloroplasts) 可以进行光合作用，也能够通过吞噬或吸收有机物获取营养。具有眼点 (eyespot) 感光。 $眼虫属 (*Euglena*) 的光合作用反应式： 6 C O_{2} + 6 H_{2} O \overset{光能/叶绿素}{\to} C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2}$ ▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 锥虫属 (Trypanosoma)：寄生性，引起锥虫病 (trypanosomiasis)，如非洲锥虫病 (African trypanosomiasis, 俗称昏睡病 sleeping sickness) 和 美洲锥虫病 (American trypanosomiasis, 俗称查加斯病 Chagas disease)。具有波动膜 (undulating membrane) 辅助运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 利什曼原虫属 (Leishmania)：寄生性，引起利什曼病 (leishmaniasis)，通过白蛉 (sandflies) 传播。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 贾第鞭毛虫属 (Giardia)：寄生性，引起贾第鞭毛虫病 (giardiasis)，也称为梨形鞭毛虫病 (beaver fever)，是常见的肠道寄生虫，通过污染的水源和食物传播。

② 肉足虫类 (Amoeboids, Sarcodina)：
▮▮▮▮ⓑ 特点：通过伪足 (pseudopods) 运动和摄食。细胞形态不定，细胞质流动性强。大多数为异养型 (heterotrophic)，通过吞噬作用 (phagocytosis) 摄取食物。
▮▮▮▮ⓒ 代表属：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 变形虫属 (Amoeba)：自由生活，常见于淡水环境。经典的肉足虫代表，具有明显的伪足运动和吞噬作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 内阿米巴属 (Entamoeba)：寄生性，如溶组织内阿米巴 (Entamoeba histolytica)，引起阿米巴病 (amebiasis)，包括阿米巴痢疾 (amebic dysentery) 和 阿米巴肝脓肿 (amebic liver abscess)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 棘阿米巴属 (Acanthamoeba)：自由生活和机会性致病，可引起棘阿米巴角膜炎 (Acanthamoeba keratitis) 和 肉芽肿性阿米巴脑炎 (granulomatous amebic encephalitis, GAE)。

③ 纤毛虫类 (Ciliates, Ciliophora)：
▮▮▮▮ⓑ 特点：细胞表面覆盖纤毛 (cilia)，用于运动和摄食。具有大核 (macronucleus) 和 小核 (micronucleus) 两种细胞核，大核负责营养代谢，小核负责遗传信息的传递和有性生殖。
▮▮▮▮ⓒ 代表属：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 草履虫属 (Paramecium)：自由生活，广泛分布于淡水环境中。是纤毛虫的典型代表，结构复杂，具有口沟 (oral groove)、伸缩泡 (contractile vacuole) 等结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 喇叭虫属 (Stentor)：自由生活，体型较大，呈喇叭状，顶端纤毛环用于捕食。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 人结肠小袋纤毛虫 (Balantidium coli)：寄生性，是唯一能感染人类的纤毛虫，引起结肠小袋纤毛虫病 (balantidiasis)，主要症状为腹泻。

④ 孢子虫类 (Sporozoans, Apicomplexa)：
▮▮▮▮ⓑ 特点：全部为寄生性 (parasitic)，生活史复杂，常有世代交替 (alternation of generations) 和 宿主转换 (host alternation)。顶端复合器 (apical complex) 是其特征结构，用于侵入宿主细胞。运动方式复杂，在不同生活阶段有所不同，成熟的孢子通常无明显运动能力。
▮▮▮▮ⓒ 代表属：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 疟原虫属 (Plasmodium)：引起疟疾 (malaria)，通过按蚊 (Anopheles mosquitoes) 传播。是人类最重要的寄生虫之一，严重威胁全球公共健康。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 弓形虫属 (Toxoplasma)：引起弓形虫病 (toxoplasmosis)，感染广泛，可通过食用未煮熟的肉类、接触猫的粪便等途径传播，对孕妇和免疫缺陷者危害较大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 隐孢子虫属 (Cryptosporidium)：引起隐孢子虫病 (cryptosporidiosis)，主要引起腹泻，可通过污染的水源传播，对免疫力低下人群和儿童威胁较大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 等孢子球虫属 (Isospora) 和 环孢子球虫属 (Cyclospora)：引起等孢子球虫病 (isosporiasis) 和 环孢子球虫病 (cyclosporiasis)，主要引起肠道感染和腹泻。

需要强调的是，上述分类是基于传统形态学和生理学的划分，现代分子系统发育学研究表明，这些类群之间的关系远比传统分类复杂。例如，一些传统的鞭毛虫类与肉足虫类在进化上可能更接近，而孢子虫类则与纤毛虫类和鞭毛虫类的一些类群有更近的亲缘关系。因此，微生物分类学是一个不断发展和完善的领域。

9.1.2 原生生物的细胞结构与运动方式 (Cellular Structure and Motility of Protozoa)

原生生物作为真核单细胞生物 (eukaryotic unicellular organisms)，其细胞结构具有真核细胞的典型特征，但也表现出多样性和独特性。

① 细胞结构 (Cellular Structure)：
▮▮▮▮ⓑ 真核细胞的典型结构：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 细胞核 (Nucleus)：具有核膜 (nuclear membrane) 包裹的细胞核，内含染色体 (chromosomes)，是遗传信息的中心。纤毛虫类具有大核 (macronucleus) 和 小核 (micronucleus)，功能分化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 细胞质 (Cytoplasm)：包含各种细胞器，如线粒体 (mitochondria)、内质网 (endoplasmic reticulum, ER)、高尔基体 (Golgi apparatus)、溶酶体 (lysosomes)、核糖体 (ribosomes) 等，执行细胞的代谢和生理功能。一些自养型原生生物，如眼虫，还含有叶绿体 (chloroplasts)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 细胞膜 (Cell Membrane)：包围细胞，控制物质进出。
▮▮▮▮ⓕ 细胞壁 (Cell Wall)：与细菌、真菌和植物细胞不同，大多数原生生物缺乏细胞壁 (cell wall)。这使得它们细胞形态多变，运动灵活。但有些原生生物，如一些鞭毛虫，具有胞膜外壳 (pellicle)，由细胞膜下方的蛋白质层构成，可以提供一定的结构支持和保护。
▮▮▮▮ⓖ 特殊结构：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 伸缩泡 (Contractile Vacuole)：主要功能是渗透压调节 (osmoregulation)，排出细胞内多余的水分，维持细胞内环境的稳定，在淡水原生生物中尤为重要。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 食物泡 (Food Vacuole)：在吞噬作用过程中形成，用于消化摄入的食物颗粒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 顶端复合器 (Apical Complex)：孢子虫类特有的结构，由极环 (polar ring)、棒状体 (rhoptries)、微管 (microtubules) 等组成，在寄生虫侵入宿主细胞时发挥关键作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 眼点 (Eyespot)：一些自养型鞭毛虫，如眼虫，具有眼点，可以感知光线，帮助细胞趋光运动，以利于光合作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 波动膜 (Undulating Membrane)：一些鞭毛虫，如锥虫，具有波动膜，是由鞭毛侧面延伸出的细胞膜，辅助细胞运动。

② 运动方式 (Motility)：
原生生物的运动方式多样，主要取决于其运动细胞器的类型：
▮▮▮▮ⓐ 鞭毛运动 (Flagellar Movement)：通过鞭毛 (flagella) 的摆动或旋转实现运动。鞭毛结构精细，由微管 (microtubules) 组成，基部连接基粒 (basal body)。鞭毛的运动方式可以是波动式 (undulating) 或 螺旋式 (helical)。鞭毛虫类主要依靠鞭毛运动。
▮▮▮▮ⓑ 纤毛运动 (Ciliary Movement)：通过纤毛 (cilia) 的协调摆动实现运动。纤毛比鞭毛短而数量多，覆盖细胞表面。纤毛的摆动具有节律性，可以推动细胞运动，也可以用于在口沟 (oral groove) 处产生水流，辅助摄食。纤毛虫类主要依靠纤毛运动。
▮▮▮▮ⓒ 伪足运动 (Pseudopodial Movement)：通过伪足 (pseudopods) 的伸出和收缩实现运动。伪足是细胞质的临时性突起，形成机制复杂，与细胞骨架 (cytoskeleton) 的动态变化有关，包括肌动蛋白 (actin) 和 肌球蛋白 (myosin) 的相互作用。肉足虫类主要依靠伪足运动。伪足的类型多样，包括叶状伪足 (lobopodia)、丝状伪足 (filopodia)、根状伪足 (rhizopodia) 等。
▮▮▮▮ⓓ 滑行运动 (Gliding Motility)：一些原生生物，如孢子虫的一些阶段，可以进行滑行运动，机制尚不完全清楚，可能与细胞表面蛋白的相互作用有关。

③ 营养方式 (Nutrition)：
原生生物的营养方式多样，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 异养型 (Heterotrophic)：从外界摄取有机物作为营养来源。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 吞噬作用 (Phagocytosis)：摄取固体颗粒，如细菌、藻类、其他原生生物或有机碎屑。通过形成伪足 (pseudopods) 包围食物颗粒，形成食物泡 (food vacuole) 在细胞内消化。肉足虫类和一些鞭毛虫主要通过吞噬作用摄食。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 渗透吸收 (Osmotrophy)：直接吸收溶解在水中的小分子有机物。
▮▮▮▮ⓓ 自养型 (Autotrophic)：通过光合作用或化能合成作用，利用无机物合成有机物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 光能自养型 (Photoautotrophic)：利用光能进行光合作用，如眼虫等含有叶绿体的鞭毛虫。 $光合作用总反应式： 6 C O_{2} + 6 H_{2} O \overset{光能/叶绿素}{\to} C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2}$ ▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 化能自养型 (Chemoautotrophic)：利用化学能合成有机物，在原生生物中较为少见。
▮▮▮▮ⓒ 兼性营养型 (Mixotrophic)：既可以进行光合作用自养，也可以通过异养方式获取营养，如眼虫。

④ 繁殖方式 (Reproduction)：
原生生物的繁殖方式包括无性繁殖 (asexual reproduction) 和 有性繁殖 (sexual reproduction)。
▮▮▮▮ⓐ 无性繁殖 (Asexual Reproduction)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 二分裂 (Binary Fission)：细胞核和细胞质分裂成两个大小相近的子细胞，是最常见的无性繁殖方式，如变形虫、眼虫等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 多分裂 (Multiple Fission)：细胞核多次分裂，然后细胞质分裂，形成多个子细胞，如疟原虫的裂殖生殖。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 出芽生殖 (Budding)：母细胞产生一个或多个芽体，芽体逐渐长大，与母细胞分离，形成新的个体，在一些原生生物中可见。
▮▮▮▮ⓔ 有性繁殖 (Sexual Reproduction)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 接合生殖 (Conjugation)：两个细胞暂时结合，进行遗传物质的交换，然后分离，如纤毛虫的接合生殖。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 配子生殖 (Syngamy)：产生配子 (gametes)，配子结合形成合子 (zygote)，合子发育成新的个体，如疟原虫的孢子生殖。

原生生物的细胞结构、运动方式、营养方式和繁殖方式的多样性，反映了它们对不同生态环境的适应性，以及在生物进化中的重要地位。

9.2 重要的原生生物类群 (Important Groups of Protozoa)

9.2.1 寄生性原生生物 (Parasitic Protozoa)

寄生性原生生物 (parasitic protozoa) 是指那些生活在其他生物（宿主）体内或体表，并从宿主获取营养，对宿主造成损害的原生生物。它们是许多重要人类和动物疾病的病原体，对公共健康和畜牧业产生重大影响。

① 疟原虫属 (Plasmodium) 🦟：
▮▮▮▮ⓑ 疾病：疟疾 (malaria)，是全球最重要的寄生虫病之一。
▮▮▮▮ⓒ 种类：主要有恶性疟原虫 (Plasmodium falciparum)、间日疟原虫 (Plasmodium vivax)、卵形疟原虫 (Plasmodium ovale)、三日疟原虫 (Plasmodium malariae) 和 诺氏疟原虫 (Plasmodium knowlesi) 等。其中恶性疟原虫引起的疟疾最为严重，病死率高。
▮▮▮▮ⓓ 生活周期：复杂的生活周期，涉及人和雌性按蚊 (female Anopheles mosquitoes) 两个宿主，包括裂殖生殖 (schizogony)（在人体内）和 孢子生殖 (sporogony)（在蚊体内）两个阶段。
▮▮▮▮ⓔ 传播途径：通过雌性按蚊叮咬传播。
▮▮▮▮ⓕ 致病机制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 红细胞内期 (erythrocytic stage)：在红细胞内大量繁殖，导致红细胞破裂，引起周期性发热、寒战等症状。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 细胞因子风暴 (cytokine storm)：机体免疫反应过度，释放大量炎症细胞因子，导致严重的全身炎症反应，如脑型疟疾。
▮▮▮▮ⓘ 临床表现：周期性发热、寒战、头痛、肌肉痛、贫血、脾肿大等。严重者可出现脑型疟疾、肾功能衰竭、肺水肿等并发症。
▮▮▮▮ⓙ 诊断：显微镜镜检血涂片，检测疟原虫。快速诊断试剂 (rapid diagnostic tests, RDTs) 检测疟原虫抗原。分子生物学方法 (PCR) 检测疟原虫DNA。
▮▮▮▮ⓚ 防治：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 药物治疗：氯喹 (chloroquine)、青蒿素类 (artemisinin derivatives) 联合疗法 (artemisinin-based combination therapies, ACTs) 等抗疟药物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 媒介控制：使用蚊帐 (mosquito nets)、杀虫剂 (insecticides) 喷洒、清除蚊虫滋生地等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 疫苗研发：疟疾疫苗研发是重点和难点，目前已有部分疫苗进入临床应用。

② 锥虫属 (Trypanosoma) 🐛：
▮▮▮▮ⓑ 疾病：锥虫病 (trypanosomiasis)，包括非洲锥虫病 (African trypanosomiasis) 和 美洲锥虫病 (American trypanosomiasis)。
▮▮▮▮ⓒ 种类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 非洲锥虫 (Trypanosoma brucei)：引起非洲锥虫病，主要有冈比亚锥虫 (T. b. gambiense) 和 罗得西亚锥虫 (T. b. rhodesiense) 两个亚种。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 克氏锥虫 (Trypanosoma cruzi)：引起美洲锥虫病，也称查加斯病 (Chagas disease)。
▮▮▮▮ⓕ 传播途径：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 非洲锥虫病：通过采采蝇 (tsetse flies) 叮咬传播。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 美洲锥虫病：通过锥猎蝽 (reduviid bugs, kissing bugs) 的粪便污染伤口或黏膜传播。
▮▮▮▮ⓘ 致病机制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 非洲锥虫病：锥虫在血液、淋巴系统和中枢神经系统繁殖，引起淋巴结肿大 (lymphadenopathy)、睡眠障碍 (sleep disturbances)、神经系统症状 (neurological symptoms) 等。晚期侵犯中枢神经系统，引起昏睡 (coma)，故又称昏睡病 (sleeping sickness)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 美洲锥虫病：急性期引起局部炎症反应、发热等症状。慢性期主要损害心脏和消化系统，引起心肌病 (cardiomyopathy)、巨食管症 (megaesophagus)、巨结肠症 (megacolon) 等。
▮▮▮▮ⓛ 临床表现：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 非洲锥虫病：早期发热、头痛、关节痛、淋巴结肿大。晚期嗜睡、精神错乱、昏迷。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 美洲锥虫病：急性期局部红肿（罗马纳征 Romaña's sign，眼睑水肿），发热、淋巴结肿大。慢性期心力衰竭、心律失常、消化功能障碍。
▮▮▮▮ⓞ 诊断：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 非洲锥虫病：显微镜镜检血液、淋巴液、脑脊液，检测锥虫。血清学检测抗体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 美洲锥虫病：急性期显微镜镜检血液，检测锥虫。慢性期血清学检测抗体。
▮▮▮▮ⓡ 防治：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 药物治疗：喷他脒 (pentamidine)、苏拉明 (suramin)、美拉索醇 (melarsoprol)、依氟鸟氨酸 (eflornithine)、硝呋替莫 (nifurtimox)、苯硝唑 (benznidazole) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 媒介控制：控制采采蝇和锥猎蝽的滋生，避免昆虫叮咬。

③ 利什曼原虫属 (Leishmania) 🪰：
▮▮▮▮ⓑ 疾病：利什曼病 (leishmaniasis)，也称黑热病 (kala-azar)。
▮▮▮▮ⓒ 种类：主要有内脏利什曼原虫 (Leishmania donovani)、热带利什曼原虫 (Leishmania tropica)、巴西利什曼原虫 (Leishmania braziliensis) 等，引起不同类型的利什曼病。
▮▮▮▮ⓓ 传播途径：通过雌性白蛉 (female sandflies) 叮咬传播。
▮▮▮▮ⓔ 致病机制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 内脏利什曼病 (visceral leishmaniasis)：原虫侵犯内脏器官 (visceral organs)，如脾 (spleen)、肝 (liver)、骨髓 (bone marrow)，引起脾肿大 (splenomegaly)、肝肿大 (hepatomegaly)、贫血 (anemia)、免疫抑制 (immunosuppression) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 皮肤利什曼病 (cutaneous leishmaniasis)：原虫感染皮肤 (skin)，引起皮肤溃疡 (skin ulcers)，俗称东方疖 (oriental sore)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 黏膜利什曼病 (mucocutaneous leishmaniasis)：原虫侵犯黏膜 (mucous membranes)，如鼻黏膜、口腔黏膜，引起黏膜破坏 (mucosal destruction)。
▮▮▮▮ⓘ 临床表现：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 内脏利什曼病：长期发热、消瘦、乏力、脾肿大、肝肿大、贫血、全血细胞减少。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 皮肤利什曼病：皮肤溃疡，边缘隆起，中央凹陷，愈合缓慢，可留疤痕。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 黏膜利什曼病：黏膜溃疡、破坏，可导致鼻中隔穿孔、唇部毁损等。
▮▮▮▮ⓜ 诊断：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 内脏利什曼病：骨髓、脾脏或淋巴结穿刺涂片镜检，检测利什曼原虫。血清学检测抗体。分子生物学方法 (PCR) 检测原虫DNA。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 皮肤和黏膜利什曼病：皮损刮取物或活检组织涂片镜检，检测利什曼原虫。
▮▮▮▮ⓟ 防治：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 药物治疗：锑剂 (antimonials)（如葡甲胺锑酸钠 sodium stibogluconate）、两性霉素B (amphotericin B)、米替福新 (miltefosine)、帕罗米星 (paromomycin) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 媒介控制：控制白蛉滋生，避免白蛉叮咬。

④ 贾第鞭毛虫属 (Giardia) 💧：
▮▮▮▮ⓑ 疾病：贾第鞭毛虫病 (giardiasis)，也称梨形鞭毛虫病 (beaver fever)。
▮▮▮▮ⓒ 种类：兰氏贾第鞭毛虫 (Giardia lamblia)，也称肠贾第鞭毛虫 (Giardia intestinalis) 或 十二指肠贾第鞭毛虫 (Giardia duodenalis)。
▮▮▮▮ⓓ 传播途径：粪-口途径 (fecal-oral route) 传播，主要通过污染的水源和食物传播。也可通过人与人之间接触传播。
▮▮▮▮ⓔ 致病机制：贾第鞭毛虫寄生在小肠 (small intestine) 上段，吸附在肠黏膜 (intestinal mucosa) 表面，干扰营养物质吸收 (nutrient absorption)，引起炎症反应 (inflammatory response)。
▮▮▮▮ⓕ 临床表现：腹泻、腹痛、腹胀、恶心、呕吐、脂肪泻 (steatorrhea)、体重减轻等。慢性感染可导致营养不良、生长迟缓。
▮▮▮▮ⓖ 诊断：粪便检查，检测贾第鞭毛虫的滋养体 (trophozoites) 或 包囊 (cysts)。酶联免疫吸附试验 (ELISA) 检测粪便抗原。
▮▮▮▮ⓗ 治疗：甲硝唑 (metronidazole)、替硝唑 (tinidazole)、奎纳克林 (quinacrine)、阿苯达唑 (albendazole) 等药物。
▮▮▮▮ⓘ 预防：注意饮水和食品卫生，避免粪-口传播。

⑤ 内阿米巴属 (Entamoeba) 💩：
▮▮▮▮ⓑ 疾病：阿米巴病 (amebiasis)，包括阿米巴痢疾 (amebic dysentery) 和 阿米巴肝脓肿 (amebic liver abscess)。
▮▮▮▮ⓒ 种类：溶组织内阿米巴 (Entamoeba histolytica)。
▮▮▮▮ⓓ 传播途径：粪-口途径 (fecal-oral route) 传播，主要通过污染的水源和食物传播。也可通过苍蝇、蟑螂等机械传播。
▮▮▮▮ⓔ 致病机制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 肠道感染：滋养体侵入结肠黏膜 (colonic mucosa)，引起溃疡 (ulcers)，导致阿米巴痢疾 (amebic dysentery)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 肠外感染：滋养体通过血液循环播散到肝脏 (liver) 等器官，形成脓肿 (abscess)，最常见的是阿米巴肝脓肿 (amebic liver abscess)。也可侵犯肺、脑等其他器官。
▮▮▮▮ⓗ 临床表现：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 阿米巴痢疾：腹痛、腹泻、黏液脓血便、里急后重。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 阿米巴肝脓肿：发热、肝区疼痛、肝肿大、压痛。
▮▮▮▮ⓚ 诊断：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 阿米巴痢疾：粪便检查，检测溶组织内阿米巴的滋养体 (trophozoites) 或 包囊 (cysts)。结肠镜检查和活检。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 阿米巴肝脓肿：B超、CT等影像学检查。脓液抽吸镜检，检测滋养体。血清学检测抗体。
▮▮▮▮ⓝ 治疗：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 肠道阿米巴病：甲硝唑 (metronidazole)、替硝唑 (tinidazole)、依米丁 (emetine)、二氯尼特 (diloxanide furoate) 等药物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 阿米巴肝脓肿：甲硝唑 (metronidazole) 或 替硝唑 (tinidazole) 联合氯喹 (chloroquine)。必要时脓肿穿刺引流。
▮▮▮▮ⓠ 预防：注意饮水和食品卫生，避免粪-口传播。

9.2.2 自由生活原生生物 (Free-living Protozoa)

自由生活原生生物 (free-living protozoa) 是指那些不依赖于宿主，生活在自然环境中的原生生物，如土壤、淡水、海水等。它们在生态系统中扮演着重要的角色，参与物质循环和能量流动。

① 草履虫属 (Paramecium) 🌿：
▮▮▮▮ⓑ 特点：纤毛虫，细胞呈鞋底状 (slipper-shaped)，全身覆盖纤毛 (cilia)，运动迅速。具有口沟 (oral groove) 用于摄食，伸缩泡 (contractile vacuole) 用于渗透压调节，大核 (macronucleus) 和 小核 (micronucleus) 两种细胞核。
▮▮▮▮ⓒ 生态作用：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 食物链中的重要环节：以细菌、藻类、小型原生生物等为食，同时也是一些小型无脊椎动物的食物来源，在水生生态系统中扮演着初级消费者 (primary consumers) 和 次级消费者 (secondary consumers) 的角色。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 指示生物 (indicator organisms)：对水质变化敏感，可以作为水质监测的指示生物 (indicator organisms)。
▮▮▮▮ⓕ 研究价值：是经典的实验生物，常用于细胞生物学、遗传学、生态学等研究。

② 变形虫属 (Amoeba) 🦠：
▮▮▮▮ⓑ 特点：肉足虫，细胞形态不定，通过伪足 (pseudopods) 运动和摄食。细胞质流动性强，具有伸缩泡 (contractile vacuole) 和 食物泡 (food vacuole)。
▮▮▮▮ⓒ 生态作用：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 土壤和水体中的分解者 (decomposers)：以细菌、真菌、藻类、有机碎屑等为食，参与物质分解 (decomposition of organic matter) 和 营养循环 (nutrient cycling)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 捕食者 (predators)：捕食细菌、小型藻类和其他原生生物，调节微生物群落结构。
▮▮▮▮ⓕ 研究价值：是研究细胞运动、吞噬作用、细胞质流动等生命现象的重要模式生物。

③ 眼虫属 (Euglena) 👁️：
▮▮▮▮ⓑ 特点：鞭毛虫，细胞呈纺锤形 (spindle-shaped)，具有鞭毛 (flagellum) 用于运动，叶绿体 (chloroplasts) 用于光合作用，眼点 (eyespot) 感光。兼性营养型 (mixotrophic)，既可以进行光合作用自养，也可以通过异养方式获取营养。
▮▮▮▮ⓒ 生态作用：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 初级生产者 (primary producers)：通过光合作用将无机碳转化为有机碳，是水生生态系统中的初级生产者 (primary producers)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 食物来源 (food source)：是浮游动物、小型鱼类等水生生物的食物来源。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 水质净化 (water purification)：在一定程度上可以吸收水体中的有机污染物。
▮▮▮▮ⓖ 研究价值：是研究光合作用、鞭毛运动、趋光性等生物学过程的重要模式生物。

④ 其他自由生活原生生物：
▮▮▮▮ⓑ 太阳虫 (Heliozoa) 和 放射虫 (Radiolaria)：主要生活在海洋和淡水中，具有精美的硅质 (siliceous) 或 钙质 (calcareous) 外壳，外壳形态多样，具有重要的分类学 (taxonomic) 和 地质学 (geological) 意义。死亡后外壳沉积形成硅藻土 (diatomaceous earth) 和 放射虫软泥 (radiolarian ooze)。
▮▮▮▮ⓒ 纤发虫 (Opalinids)：寄生在两栖动物和鱼类的直肠 (rectum) 中，传统上被归为纤毛虫，但现代分子系统发育学研究表明，它们与鞭毛虫类关系更近。

自由生活原生生物在自然界中分布广泛，种类繁多，它们在物质循环、能量流动、生态平衡等方面发挥着不可替代的作用。同时，它们也是重要的研究对象，为我们理解生命现象、探索生物进化提供了宝贵的素材。

9.3 原生生物性疾病 (Protozoan Diseases)

9.3.1 血液与组织原生生物病：疟疾 (Blood and Tissue Protozoan Diseases: Malaria)

疟疾 (malaria) 是一种由疟原虫属 (Plasmodium) 原生生物引起的血液与组织寄生虫病 (blood and tissue parasitic disease)，通过雌性按蚊 (female Anopheles mosquitoes) 叮咬传播。疟疾是全球最重要的公共卫生问题之一，尤其在热带和亚热带地区流行，严重威胁人类健康和社会经济发展。

① 病原体 (Pathogen)：
▮▮▮▮ⓑ 疟原虫属 (Plasmodium)：单细胞真核生物，属于孢子虫纲 (Sporozoa)。
▮▮▮▮ⓒ 主要种类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 恶性疟原虫 (Plasmodium falciparum)：致病性最强，引起的恶性疟疾 (falciparum malaria) 病情凶险，并发症多，病死率高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 间日疟原虫 (Plasmodium vivax)：引起间日疟疾 (vivax malaria)，复发率高，但病情相对较轻。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 卵形疟原虫 (Plasmodium ovale)：引起卵形疟疾 (ovale malaria)，病情较轻，地理分布较局限。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 三日疟原虫 (Plasmodium malariae)：引起三日疟疾 (malariae malaria)，病情较轻，但慢性感染可持续数十年。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 诺氏疟原虫 (Plasmodium knowlesi)：主要寄生于猴子，但可感染人类，引起猴疟疾 (knowlesi malaria)，病情严重，甚至致命。

② 生活周期 (Life Cycle)：疟原虫的生活周期复杂，涉及人和雌性按蚊 (female Anopheles mosquitoes) 两个宿主，包括无性生殖 (asexual reproduction) 和 有性生殖 (sexual reproduction) 两个阶段。
▮▮▮▮ⓑ 人体内期 (Human Phase, 无性生殖)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 红外期 (Exo-erythrocytic Stage, 肝细胞期)：
▮▮▮▮ⓓ 子孢子 (sporozoites)：感染蚊叮咬人体时，蚊子唾液中的子孢子 (sporozoites) 进入人体血液循环，随血流到达肝脏 (liver)。
▮▮▮▮ⓔ 肝细胞内裂殖体 (hepatic schizont)：子孢子侵入肝细胞 (hepatocytes)，在肝细胞内进行裂殖生殖 (schizogony)，发育为肝细胞内裂殖体 (hepatic schizont)。
▮▮▮▮ⓕ 裂殖子 (merozoites)：肝细胞内裂殖体成熟破裂，释放大量裂殖子 (merozoites) 进入血液循环。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 红细胞内期 (Erythrocytic Stage, 红细胞期)：
▮▮▮▮ⓗ 环状体 (ring form)：裂殖子侵入红细胞 (red blood cells, erythrocytes)，在红细胞内发育为环状体 (ring form)。
▮▮▮▮ⓘ 滋养体 (trophozoite)：环状体发育为滋养体 (trophozoite)，摄取红细胞内的营养物质。
▮▮▮▮ⓙ 红细胞内裂殖体 (erythrocytic schizont)：滋养体发育为红细胞内裂殖体 (erythrocytic schizont)，在红细胞内进行裂殖生殖 (schizogony)。
▮▮▮▮ⓚ 裂殖子 (merozoites)：红细胞内裂殖体成熟破裂，释放大量裂殖子 (merozoites)，再次侵入新的红细胞，开始新的红细胞内期循环。红细胞内期裂殖子释放与疟疾的周期性发热 (periodic fever) 相关。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 配子体 (gametocytes)：部分裂殖子在红细胞内发育为雌配子体 (female gametocytes, macrogametocytes) 和 雄配子体 (male gametocytes, microgametocytes)，配子体不引起临床症状，但可被蚊子吸血时摄入，进入蚊体内进行有性生殖。
▮▮▮▮ⓜ 蚊体内期 (Mosquito Phase, 有性生殖)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 受精 (fertilization)：雌蚊吸血时，将人血液中的雌雄配子体摄入蚊胃内。在蚊胃内，雌雄配子体成熟，雄配子体释放出雄配子 (male gametes)，与雌配子体形成的雌配子 (female gamete) 受精，形成合子 (zygote)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 卵动子 (ookinete)：合子发育成卵动子 (ookinete)，可以穿过蚊胃壁。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 卵囊 (oocyst)：卵动子在蚊胃壁外侧形成卵囊 (oocyst)，卵囊内进行孢子生殖 (sporogony)，产生大量子孢子 (sporozoites)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 子孢子 (sporozoites)：卵囊成熟破裂，释放出大量子孢子 (sporozoites)，子孢子游走到蚊子的唾液腺 (salivary glands)，当蚊子再次叮咬人时，子孢子随唾液注入人体，开始新一轮的生活周期。 $疟原虫生活周期示意图 (简略版)$ $蚊叮咬人体 \overset{子孢子进入人体}{\to} 肝细胞内期 (裂殖生殖) \overset{裂殖子释放}{\to} 红细胞内期 (裂殖生殖) \overset{裂殖子释放}{\to} 周期性发热 \overset{配子体形成}{\to} 蚊吸血 \overset{配子体进入蚊体}{\to} 蚊体内期 (有性生殖 + 孢子生殖) \overset{子孢子形成}{\to} 子孢子进入蚊唾液腺 \overset{蚊叮咬人体}{\to} 循环开始$ ③ 传播途径 (Transmission)：
▮▮▮▮ⓑ 主要途径：媒介传播 (vector-borne transmission)，通过雌性按蚊 (female Anopheles mosquitoes) 叮咬传播。只有雌蚊吸血，雄蚊吸食植物汁液。
▮▮▮▮ⓒ 其他途径：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 输血传播 (blood transfusion)：输注含有疟原虫的血液。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 母婴传播 (mother-to-child transmission)：孕妇感染疟疾，疟原虫可通过胎盘传播给胎儿，引起先天性疟疾 (congenital malaria)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 共用注射器 (shared needles)：静脉吸毒者共用注射器，可能传播疟疾。

④ 致病机制 (Pathogenesis)：疟疾的致病机制复杂，主要与以下因素有关：
▮▮▮▮ⓑ 红细胞破坏 (red blood cell destruction)：疟原虫在红细胞内大量繁殖，导致红细胞破裂，引起溶血性贫血 (hemolytic anemia)。
▮▮▮▮ⓒ 炎症反应 (inflammatory response)：红细胞破裂释放的疟原虫抗原和红细胞碎片，以及机体免疫反应，引起炎症反应 (inflammatory response)，导致发热、寒战等全身症状。
▮▮▮▮ⓓ 血管内皮损伤 (vascular endothelial damage)：疟原虫感染的红细胞可黏附于血管内皮细胞 (vascular endothelial cells)，引起微血管阻塞 (microvascular obstruction)，导致组织缺氧和器官功能障碍。
▮▮▮▮ⓔ 细胞因子风暴 (cytokine storm)：机体免疫反应过度，释放大量炎症细胞因子 (inflammatory cytokines)，如肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)、白细胞介素-1 (interleukin-1, IL-1)、白细胞介素-6 (interleukin-6, IL-6) 等，导致严重的全身炎症反应，如脑型疟疾 (cerebral malaria)、急性呼吸窘迫综合征 (acute respiratory distress syndrome, ARDS) 等。
▮▮▮▮ⓕ 免疫病理 (immunopathology)：长期慢性感染可导致脾肿大 (splenomegaly)、肾小球肾炎 (glomerulonephritis) 等免疫病理损害。

⑤ 临床表现 (Clinical Manifestations)：
▮▮▮▮ⓑ 典型症状：周期性发热 (periodic fever)、寒战 (chills)、出汗 (sweating)。发热周期与疟原虫种类有关：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 间日疟疾 (vivax malaria) 和 卵形疟疾 (ovale malaria)：间日发热 (tertian fever)，每隔一日（隔48小时）发热一次。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 三日疟疾 (malariae malaria)：三日发热 (quartan fever)，每隔两日（隔72小时）发热一次。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 恶性疟疾 (falciparum malaria)：发热不规则或持续高热，周期性不明显。
▮▮▮▮ⓕ 其他症状：头痛、肌肉痛、关节痛、乏力、恶心、呕吐、腹泻、贫血、黄疸、肝脾肿大等。
▮▮▮▮ⓖ 重症疟疾 (severe malaria)：主要见于恶性疟疾 (falciparum malaria)，可出现以下并发症：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 脑型疟疾 (cerebral malaria)：意识障碍、抽搐、昏迷，病死率高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 严重贫血 (severe anemia)：血红蛋白显著降低，危及生命。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 急性肾功能衰竭 (acute kidney injury, AKI)：少尿、无尿、氮质血症。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 肺水肿 (pulmonary edema) 和 急性呼吸窘迫综合征 (ARDS)：呼吸困难、缺氧。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 低血糖 (hypoglycemia)：尤其在儿童和孕妇中常见。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 休克 (shock)：循环衰竭。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 弥散性血管内凝血 (disseminated intravascular coagulation, DIC)：凝血功能障碍。

⑥ 诊断 (Diagnosis)：
▮▮▮▮ⓑ 显微镜镜检 (microscopy)：金标准 (gold standard)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 血涂片 (blood smear)：采集外周血 (peripheral blood) 制成厚血膜 (thick blood film) 和 薄血膜 (thin blood film)，姬姆萨染色 (Giemsa stain) 或 瑞氏-姬姆萨染色 (Wright-Giemsa stain) 后，在显微镜下观察红细胞内的疟原虫形态，如环状体 (ring form)、滋养体 (trophozoite)、裂殖体 (schizont)、配子体 (gametocyte) 等。可以确定疟原虫种类和感染程度（寄生虫密度）。
▮▮▮▮ⓓ 快速诊断试剂 (Rapid Diagnostic Tests, RDTs)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 原理：免疫层析法 (immunochromatographic assay)，检测疟原虫抗原，如组氨酸富含蛋白2 (histidine-rich protein 2, HRP2)（主要用于恶性疟原虫）和 乳酸脱氢酶 (lactate dehydrogenase, LDH)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 优点：操作简便、快速、无需特殊设备，适用于基层医疗机构和野外现场。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 缺点：敏感性和特异性不如显微镜镜检，可能出现假阴性和假阳性。
▮▮▮▮ⓗ 分子生物学诊断 (Molecular Diagnosis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 聚合酶链反应 (Polymerase Chain Reaction, PCR)：检测疟原虫DNA，敏感性和特异性高，可以检测低浓度感染和混合感染，用于疟疾诊断、流行病学调查和耐药性监测。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 环介导等温扩增技术 (Loop-mediated Isothermal Amplification, LAMP)：等温扩增DNA，快速、灵敏，适用于基层医疗机构。
▮▮▮▮ⓚ 血清学诊断 (Serological Diagnosis)：检测抗疟原虫抗体，如酶联免疫吸附试验 (ELISA)、间接荧光抗体试验 (IFA)。主要用于流行病学调查和输血安全筛查，不适用于急性期诊断，因为抗体产生较慢，且感染后抗体可持续存在较长时间。

⑦ 防治策略 (Prevention and Control)：疟疾的防治策略包括媒介控制 (vector control)、药物预防 (chemoprophylaxis)、早期诊断和及时治疗 (early diagnosis and prompt treatment)、疫苗研发 (vaccine development) 等。
▮▮▮▮ⓑ 媒介控制 (Vector Control)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 蚊帐 (Mosquito Nets)：使用长效药浸蚊帐 (long-lasting insecticidal nets, LLINs)，睡觉时使用蚊帐，有效阻挡蚊虫叮咬。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 室内滞留喷洒 (Indoor Residual Spraying, IRS)：在房屋内墙壁和天花板喷洒杀虫剂 (insecticides)，如拟除虫菊酯 (pyrethroids)、有机磷类 (organophosphates)、氨基甲酸酯类 (carbamates)、有机氯类 (organochlorines) 等，杀灭停留在墙壁上的蚊虫。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 清除蚊虫滋生地 (Larval Control)：清除积水，如填平洼地、疏通沟渠、清理容器积水，减少蚊虫孳生场所。使用生物杀虫剂 (biological larvicides)，如苏云金杆菌以色列亚种 (Bacillus thuringiensis israelensis, Bti) 和 球形红杆菌 (Bacillus sphaericus)，杀灭蚊幼虫。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 个人防护 (Personal Protection)：穿长袖衣裤，使用驱蚊剂 (insect repellents)，如避蚊胺 (DEET)、派卡瑞丁 (picaridin)、驱蚊酯 (IR3535) 等。
▮▮▮▮ⓖ 药物预防 (Chemoprophylaxis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 适用人群：前往疟疾流行区旅行或居住的人员，孕妇、儿童等高危人群。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 常用药物：氯喹 (chloroquine)、甲氟喹 (mefloquine)、多西环素 (doxycycline)、阿托伐醌-丙胍片 (atovaquone-proguanil)、青蒿素类复方制剂 (artemisinin-based combination therapies, ACTs) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 用药方案：根据疟疾流行区的耐药情况和个人情况选择合适的药物和方案，通常在出发前开始用药，持续到离开流行区后一段时间。
▮▮▮▮ⓚ 早期诊断和及时治疗 (Early Diagnosis and Prompt Treatment)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 及时就医：出现发热等疟疾可疑症状时，及时就医检查。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 确诊：通过显微镜镜检或快速诊断试剂确诊疟疾。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 规范治疗：根据疟原虫种类、病情严重程度和耐药情况，选择合适的抗疟药物进行规范治疗，如氯喹 (chloroquine)、青蒿素类复方制剂 (ACTs)、奎宁 (quinine)、哌喹 (piperaquine)、阿莫地喹 (amodiaquine) 等。
▮▮▮▮ⓞ 疫苗研发 (Vaccine Development)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 挑战：疟原虫生活周期复杂，抗原变异性强，疫苗研发难度大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 进展：RTS,S/AS01 疫苗 (商品名 Mosquirix) 是首个获得世界卫生组织 (WHO) 推荐使用的疟疾疫苗，主要针对恶性疟原虫 ( Plasmodium falciparum)，可有效降低儿童疟疾发病率和重症率。其他疟疾疫苗也在研发中。

疟疾防治是一个长期而艰巨的任务，需要全球合作，综合运用各种防治策略，才能有效控制和最终消除疟疾的威胁。

9.3.2 肠道原生生物病：阿米巴病与贾第鞭毛虫病 (Intestinal Protozoan Diseases: Amebiasis and Giardiasis)

阿米巴病 (amebiasis) 和 贾第鞭毛虫病 (giardiasis) 是两种常见的肠道原生生物感染 (intestinal protozoan infections)，主要通过粪-口途径 (fecal-oral route) 传播，引起腹泻等肠道症状。

① 阿米巴病 (Amebiasis)：
▮▮▮▮ⓑ 病原体 (Pathogen)：溶组织内阿米巴 (Entamoeba histolytica)。
▮▮▮▮ⓒ 传播途径 (Transmission)：粪-口途径 (fecal-oral route)，主要通过污染的水源、食物传播。也可通过苍蝇、蟑螂等机械传播。
▮▮▮▮ⓓ 致病机制 (Pathogenesis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 感染阶段：包囊 (cysts) 是感染阶段，通过污染的水或食物进入人体消化道。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 脱囊：包囊在小肠 (small intestine) 内脱囊，释放出滋养体 (trophozoites)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 肠道定植：滋养体在结肠 (colon) 定植，多数情况下为无症状携带者 (asymptomatic carriers)，滋养体在肠腔内以细菌、食物残渣为食，不侵犯组织。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 侵袭性感染：在某些情况下，滋养体可侵入结肠黏膜 (colonic mucosa)，引起溃疡 (ulcers)，导致阿米巴痢疾 (amebic dysentery)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 肠外播散：滋养体可通过血液循环播散到肝脏 (liver) 等器官，形成脓肿 (abscess)，最常见的是阿米巴肝脓肿 (amebic liver abscess)。
▮▮▮▮ⓙ 临床表现 (Clinical Manifestations)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 无症状携带者 (Asymptomatic Carriers)：多数感染者无症状，但可排出包囊，成为传染源。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 阿米巴痢疾 (Amebic Dysentery)：
▮▮▮▮ⓜ 潜伏期 (incubation period)：数天至数周。
▮▮▮▮ⓝ 症状：起病缓慢，腹痛、腹泻，大便次数增多，呈黏液脓血便 (mucous and bloody stools)，可有里急后重 (tenesmus)，但发热 (fever) 通常不明显。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 阿米巴肝脓肿 (Amebic Liver Abscess)：
▮▮▮▮ⓟ 症状：发热、寒战、肝区疼痛、肝肿大、压痛、右上腹不适。
▮▮▮▮ⓠ 并发症：脓肿破裂可引起胸腔、腹腔感染。
▮▮▮▮ⓡ 诊断 (Diagnosis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 粪便检查 (Stool Examination)：
▮▮▮▮ⓣ 镜检：检测粪便中的滋养体 (trophozoites) 和 包囊 (cysts)。新鲜粪便中可检出滋养体，成形粪便中主要检出包囊。需多次检查，且注意与非致病性内阿米巴 (Entamoeba dispar) 鉴别。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 结肠镜检查 (Colonoscopy) 和 活检 (Biopsy)：
▮▮▮▮ⓥ 适应症：疑诊阿米巴痢疾，粪检阴性者。
▮▮▮▮ⓦ 检查：观察结肠黏膜溃疡，取活检组织镜检。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 阿米巴肝脓肿诊断：
▮▮▮▮ⓨ 影像学检查：B超 (ultrasound)、CT (computed tomography)、MRI (magnetic resonance imaging) 可显示肝脏脓肿。
▮▮▮▮ⓩ 脓液抽吸：穿刺抽吸脓液，镜检检测滋养体。
▮▮▮▮ⓩ 血清学检查：酶联免疫吸附试验 (ELISA)、间接血凝试验 (IHA) 检测血清抗体，辅助诊断肝脓肿。
▮▮▮▮ⓩ 治疗 (Treatment)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 肠道阿米巴病：
▮▮▮▮ⓩ 腔道杀阿米巴药 (luminal amebicides)：二氯尼特 (diloxanide furoate)、碘喹醇 (iodoquinol)、巴龙霉素 (paromomycin)，清除肠腔内滋养体和包囊，适用于无症状携带者和轻症患者。
▮▮▮▮ⓩ 组织杀阿米巴药 (tissue amebicides)：甲硝唑 (metronidazole)、替硝唑 (tinidazole)，杀灭组织内滋养体，适用于阿米巴痢疾和肝脓肿。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 阿米巴肝脓肿：
▮▮▮▮ⓩ 甲硝唑 (metronidazole) 或 替硝唑 (tinidazole)：首选药物。
▮▮▮▮ⓩ 氯喹 (chloroquine)：可与甲硝唑联合应用，增强疗效。
▮▮▮▮ⓩ 脓肿穿刺引流：对于较大脓肿或药物治疗无效者，可进行穿刺引流。
▮▮▮▮ⓩ 预防 (Prevention)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 饮水卫生：饮用开水或纯净水，避免饮用生水。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 食品卫生：注意食品卫生，生食瓜果蔬菜要洗净，避免食用不洁食物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 粪便管理：加强粪便管理，防止粪便污染水源和食物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 个人卫生：勤洗手，注意个人卫生。

② 贾第鞭毛虫病 (Giardiasis)：
▮▮▮▮ⓑ 病原体 (Pathogen)：兰氏贾第鞭毛虫 (Giardia lamblia)，也称肠贾第鞭毛虫 (Giardia intestinalis) 或 十二指肠贾第鞭毛虫 (Giardia duodenalis)。
▮▮▮▮ⓒ 传播途径 (Transmission)：粪-口途径 (fecal-oral route)，主要通过污染的水源传播，也可通过食物、人与人之间接触传播。
▮▮▮▮ⓓ 致病机制 (Pathogenesis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 感染阶段：包囊 (cysts) 是感染阶段，通过污染的水或食物进入人体消化道。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 脱囊：包囊在十二指肠 (duodenum) 和 空肠 (jejunum) 内脱囊，释放出滋养体 (trophozoites)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 肠道定植：滋养体吸附在小肠黏膜 (small intestinal mucosa) 表面，但不侵入组织。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 致病：滋养体覆盖肠黏膜表面，干扰营养物质吸收 (nutrient absorption)，尤其是脂肪吸收 (fat absorption)，引起炎症反应 (inflammatory response)。
▮▮▮▮ⓘ 临床表现 (Clinical Manifestations)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 潜伏期 (incubation period)：1-3周。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 急性期：
▮▮▮▮ⓛ 症状：腹泻、腹痛、腹胀、恶心、呕吐、脂肪泻 (steatorrhea)（大便油腻、量多、恶臭）、嗳气、食欲不振、体重减轻。
▮▮▮▮ⓜ 腹泻特点：水样便或糊状便，一般无脓血，但可有黏液。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 慢性期：
▮▮▮▮ⓞ 症状：间歇性腹泻、腹胀、消化不良、营养不良、生长迟缓（儿童）。
▮▮▮▮ⓟ 诊断 (Diagnosis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 粪便检查 (Stool Examination)：
▮▮▮▮ⓡ 镜检：检测粪便中的滋养体 (trophozoites) 和 包囊 (cysts)。多次检查，尤其是腹泻期粪便，检出率较高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 十二指肠液检查 (Duodenal Fluid Examination) 或 小肠活检 (Small Intestinal Biopsy)：
▮▮▮▮ⓣ 适应症：粪检阴性，但高度怀疑贾第鞭毛虫病者。
▮▮▮▮ⓤ 检查：十二指肠吸引液或小肠活检组织镜检，检测滋养体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 粪便抗原检测 (Stool Antigen Detection)：
▮▮▮▮ⓦ 酶联免疫吸附试验 (ELISA) 或 免疫荧光试验 (IFA)：检测粪便中贾第鞭毛虫抗原，敏感性和特异性较高。
▮▮▮▮ⓧ 治疗 (Treatment)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 甲硝唑 (metronidazole)：常用药物，疗效好，但不良反应较多。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 替硝唑 (tinidazole)：疗效与甲硝唑相似，但剂量小，不良反应相对较少。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 奎纳克林 (quinacrine)：疗效好，但不良反应较多，如恶心、呕吐、腹痛、黄疸等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 阿苯达唑 (albendazole)：疗效较好，不良反应较少，儿童适用。
▮▮▮▮ⓩ 预防 (Prevention)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 饮水卫生：饮用开水或纯净水，避免饮用生水，尤其是在野外。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 食品卫生：注意食品卫生，生食瓜果蔬菜要洗净。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 个人卫生：勤洗手，注意个人卫生，尤其是在饭前便后。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 避免粪-口传播：加强粪便管理，防止粪便污染水源和食物。

9.3.3 其他重要原生生物病 (Other Important Protozoan Diseases)

① 锥虫病 (Trypanosomiasis)：
▮▮▮▮ⓑ 非洲锥虫病 (African Trypanosomiasis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 病原体：非洲锥虫 (Trypanosoma brucei)，主要有冈比亚锥虫 (T. b. gambiense) 和 罗得西亚锥虫 (T. b. rhodesiense) 两个亚种。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 传播途径：采采蝇 (tsetse flies) 叮咬传播。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 临床表现：早期淋巴结肿大 (lymphadenopathy)（温特伯顿征 Winterbottom's sign，颈后淋巴结肿大），发热、头痛、关节痛。晚期侵犯中枢神经系统 (central nervous system)，引起睡眠障碍 (sleep disturbances)、精神错乱 (mental confusion)、昏睡 (coma)，故又称昏睡病 (sleeping sickness)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 防治：早期诊断和治疗，药物治疗，媒介控制。
▮▮▮▮ⓖ 美洲锥虫病 (American Trypanosomiasis)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 病原体：克氏锥虫 (Trypanosoma cruzi)，引起查加斯病 (Chagas disease)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 传播途径：锥猎蝽 (reduviid bugs, kissing bugs) 的粪便污染伤口或黏膜传播。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 临床表现：急性期局部红肿（罗马纳征 Romaña's sign，眼睑水肿），发热、淋巴结肿大。慢性期主要损害心脏 (heart) 和 消化系统 (digestive system)，引起心肌病 (cardiomyopathy)、巨食管症 (megaesophagus)、巨结肠症 (megacolon)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 防治：早期诊断和治疗，药物治疗，媒介控制，改善居住条件。

② 利什曼病 (Leishmaniasis)：
▮▮▮▮ⓑ 病原体：利什曼原虫属 (Leishmania)，主要有内脏利什曼原虫 (Leishmania donovani)、热带利什曼原虫 (Leishmania tropica)、巴西利什曼原虫 (Leishmania braziliensis) 等。
▮▮▮▮ⓒ 传播途径：雌性白蛉 (female sandflies) 叮咬传播。
▮▮▮▮ⓓ 临床类型：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 内脏利什曼病 (Visceral Leishmaniasis, VL)：也称黑热病 (kala-azar)，原虫侵犯内脏器官 (visceral organs)，如脾 (spleen)、肝 (liver)、骨髓 (bone marrow)，引起长期发热 (prolonged fever)、脾肿大 (splenomegaly)、肝肿大 (hepatomegaly)、贫血 (anemia)、消瘦 (weight loss)、全血细胞减少 (pancytopenia)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 皮肤利什曼病 (Cutaneous Leishmaniasis, CL)：原虫感染皮肤 (skin)，引起皮肤溃疡 (skin ulcers)，俗称东方疖 (oriental sore)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 黏膜利什曼病 (Mucocutaneous Leishmaniasis, MCL)：原虫侵犯黏膜 (mucous membranes)，如鼻黏膜、口腔黏膜，引起黏膜溃疡和破坏 (mucosal ulcers and destruction)。
▮▮▮▮ⓗ 防治：早期诊断和治疗，药物治疗，媒介控制，个人防护。

③ 弓形虫病 (Toxoplasmosis)：
▮▮▮▮ⓑ 病原体：弓形虫 (Toxoplasma gondii)。
▮▮▮▮ⓒ 传播途径：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 食用未煮熟的肉类 (eating undercooked meat)，尤其是猪肉、羊肉，含有弓形虫包囊 (cysts)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 接触猫的粪便 (contact with cat feces)，猫是弓形虫的终宿主 (definitive host)，猫粪便中排出卵囊 (oocysts)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 母婴传播 (mother-to-child transmission)：孕妇感染弓形虫，可通过胎盘传播给胎儿，引起先天性弓形虫病 (congenital toxoplasmosis)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 输血或器官移植 (blood transfusion or organ transplantation)。
▮▮▮▮ⓗ 临床表现：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 免疫功能正常者 (Immunocompetent Individuals)：多数感染者无症状 (asymptomatic) 或 轻微症状 (mild symptoms)，如发热、淋巴结肿大、肌肉酸痛、乏力，类似感冒症状，通常可自愈。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 先天性弓形虫病 (Congenital Toxoplasmosis)：孕妇妊娠期原发感染，可导致胎儿流产 (miscarriage)、死胎 (stillbirth)、早产 (premature birth) 或 先天性缺陷 (congenital defects)，如脑积水 (hydrocephalus)、小头畸形 (microcephaly)、视网膜脉络膜炎 (chorioretinitis)、智力障碍 (intellectual disability)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 免疫缺陷者 (Immunocompromised Individuals)：如艾滋病患者、器官移植受者、化疗患者等，弓形虫感染可引起严重疾病 (severe disease)，如脑炎 (encephalitis)、肺炎 (pneumonitis)、心肌炎 (myocarditis)、播散性感染 (disseminated infection)。
▮▮▮▮ⓛ 防治：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 食品安全：肉类煮熟后食用，避免生食或半生食肉类。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 个人卫生：接触生肉后洗手，处理猫粪便后洗手。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 孕期筛查：孕妇进行弓形虫抗体筛查，早期发现和治疗。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 药物治疗：磺胺嘧啶 (sulfadiazine)、乙胺嘧啶 (pyrimethamine)、螺旋霉素 (spiramycin)、克林霉素 (clindamycin) 等。

④ 隐孢子虫病 (Cryptosporidiosis) 和 环孢子球虫病 (Cyclosporiasis)：
▮▮▮▮ⓑ 病原体：隐孢子虫属 (Cryptosporidium) 和 环孢子球虫属 (Cyclospora)。
▮▮▮▮ⓒ 传播途径：粪-口途径 (fecal-oral route)，主要通过污染的水源和食物传播。
▮▮▮▮ⓓ 临床表现：主要引起腹泻 (diarrhea)，水样便，量多，可伴有腹痛、腹胀、恶心、呕吐、发热、乏力。免疫缺陷者 (immunocompromised individuals) 感染可引起慢性腹泻 (chronic diarrhea)、胆道感染 (biliary tract infection)、营养不良 (malnutrition)，甚至危及生命。
▮▮▮▮ⓔ 防治：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 饮水卫生：饮用开水或纯净水，避免饮用生水。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 食品卫生：注意食品卫生，生食瓜果蔬菜要洗净。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 个人卫生：勤洗手，注意个人卫生。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 药物治疗：硝唑尼特 (nitazoxanide) 是治疗隐孢子虫病和环孢子球虫病的首选药物。对症治疗 (symptomatic treatment)，如补液、止泻。

原生生物性疾病种类繁多，分布广泛，对人类健康和公共卫生构成严重威胁。加强对原生生物性疾病的认识、诊断、治疗和预防，对于保障人类健康具有重要意义。

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10. 免疫学基础 (Fundamentals of Immunology)

本章介绍免疫系统的基本概念、组成和功能，包括固有免疫 (innate immunity) 和适应性免疫 (adaptive immunity)，以及免疫应答的机制。

10.1 免疫系统的组成与功能 (Components and Functions of the Immune System)

本节概述免疫系统的定义、功能，以及免疫系统的主要组成部分，包括免疫器官 (immune organs)、免疫细胞 (immune cells) 和免疫分子 (immune molecules)。

10.1.1 免疫器官 (Immune Organs)

免疫器官是免疫系统的重要组成部分，是免疫细胞发育、成熟、定居和发生免疫应答的场所。根据功能和发育阶段，免疫器官可以分为中枢免疫器官 (central immune organs) 和 外周免疫器官 (peripheral immune organs) 两大类。

① 中枢免疫器官 (central immune organs)：
▮▮▮▮中枢免疫器官是免疫细胞发育和成熟的场所，主要包括骨髓 (bone marrow) 和 胸腺 (thymus)。
▮▮▮▮ⓐ 骨髓 (bone marrow)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 骨髓是所有免疫细胞的共同起源地。造血干细胞 (hematopoietic stem cells, HSCs) 在骨髓中分化发育，产生各种血细胞，包括所有的免疫细胞的前体细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ B 细胞 (B cells) 在骨髓中发育成熟后迁移到外周免疫器官。
▮▮▮▮ⓓ 胸腺 (thymus)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 胸腺是 T 细胞 (T cells) 发育成熟的唯一场所。T 细胞前体细胞从骨髓迁移到胸腺，在胸腺中经历复杂的正向选择 (positive selection) 和 负向选择 (negative selection) 过程，最终发育成熟为具有免疫功能的 T 细胞，并迁移到外周免疫器官。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 胸腺在青春期后逐渐退化，但其在生命早期建立完善的 T 细胞免疫 repertoire 中发挥着至关重要的作用。

② 外周免疫器官 (peripheral immune organs)：
▮▮▮▮外周免疫器官是成熟免疫细胞定居、启动和执行免疫应答的场所，主要包括淋巴结 (lymph nodes)、脾 (spleen) 和 黏膜相关淋巴组织 (mucosa-associated lymphoid tissue, MALT)。
▮▮▮▮ⓐ 淋巴结 (lymph nodes)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 淋巴结是广泛分布于全身的豆状器官，是启动淋巴细胞免疫应答的主要场所。淋巴液中的抗原和抗原提呈细胞 (antigen-presenting cells, APCs) 通过传入淋巴管 (afferent lymphatic vessels) 进入淋巴结，激活淋巴结内的 T 细胞和 B 细胞，引发免疫应答。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 淋巴结内部结构复杂，分为皮质 (cortex)、副皮质 (paracortex) 和髓质 (medulla) 等区域，不同区域定居着不同类型的免疫细胞，如 B 细胞主要分布在皮质的淋巴滤泡 (lymphoid follicles) 中，T 细胞主要分布在副皮质区。
▮▮▮▮ⓓ 脾 (spleen)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 脾脏是最大的外周免疫器官，是血液中抗原和衰老细胞的主要清除场所，也是启动血液传播抗原免疫应答的重要场所。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 脾脏内部结构分为红髓 (red pulp) 和 白髓 (white pulp)。红髓主要负责清除血液中的衰老红细胞和血小板；白髓则类似于淋巴结，是淋巴细胞聚集的区域，可以启动针对血液传播抗原的免疫应答。
▮▮▮▮ⓖ 黏膜相关淋巴组织 (MALT)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ MALT 是分布于黏膜系统（如呼吸道、消化道、泌尿生殖道等）的淋巴组织，是机体抵御黏膜表面病原入侵的第一道防线。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ MALT 包括 扁桃体 (tonsils)、派尔集合淋巴结 (Peyer's patches)、阑尾 (appendix) 等。MALT 中富含淋巴细胞、巨噬细胞 (macrophages)、树突状细胞 (dendritic cells) 等免疫细胞，可以快速响应黏膜表面的病原入侵。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 肠道相关淋巴组织 (gut-associated lymphoid tissue, GALT) 是 MALT 中最重要和最庞大的组成部分，在肠道免疫中发挥着核心作用。

10.1.2 免疫细胞 (Immune Cells)

免疫细胞是免疫系统的执行者，它们在体内巡逻，识别和清除病原体、肿瘤细胞和衰老细胞，维持机体的健康和稳定。根据功能和来源，免疫细胞可以分为多种类型，主要包括吞噬细胞 (phagocytes)、淋巴细胞 (lymphocytes) 和 抗原提呈细胞 (antigen-presenting cells, APCs)。

① 吞噬细胞 (phagocytes)：
▮▮▮▮吞噬细胞是固有免疫系统 (innate immune system) 的重要组成部分，具有吞噬和杀伤病原体的功能。主要的吞噬细胞包括巨噬细胞 (macrophages) 和 中性粒细胞 (neutrophils)。
▮▮▮▮ⓐ 巨噬细胞 (macrophages)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 巨噬细胞起源于骨髓中的单核细胞 (monocytes)，单核细胞迁移到组织后分化为巨噬细胞。巨噬细胞广泛分布于全身组织和器官中，是组织 resident 的免疫细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 巨噬细胞具有强大的吞噬能力，可以吞噬和清除病原体、细胞碎片和衰老细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 巨噬细胞还具有抗原提呈功能，可以将吞噬的抗原提呈给 T 细胞，启动适应性免疫应答 (adaptive immune response)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 巨噬细胞分泌多种细胞因子 (cytokines) 和 趋化因子 (chemokines)，参与炎症反应和免疫调节。
▮▮▮▮ⓕ 中性粒细胞 (neutrophils)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 中性粒细胞是数量最多的白细胞，也是血液中主要的吞噬细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 中性粒细胞具有快速募集到炎症部位的能力，是急性炎症反应中的主力军。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 中性粒细胞通过吞噬作用、释放颗粒酶 和 形成中性粒细胞胞外陷阱 (neutrophil extracellular traps, NETs) 等机制杀伤病原体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 中性粒细胞寿命较短，凋亡后形成脓液的主要成分。

② 淋巴细胞 (lymphocytes)：
▮▮▮▮淋巴细胞是适应性免疫系统 (adaptive immune system) 的核心组成部分，具有特异性识别抗原和 介导特异性免疫应答 的功能。主要的淋巴细胞包括 T 细胞 (T cells)、B 细胞 (B cells) 和 自然杀伤细胞 (natural killer cells, NK cells)。
▮▮▮▮ⓐ T 细胞 (T cells)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ T 细胞起源于骨髓，在胸腺中发育成熟。成熟的 T 细胞表达 T 细胞受体 (T cell receptor, TCR)，TCR 可以特异性识别 抗原提呈细胞 (APCs) 提呈的 肽-MHC (peptide-MHC) 复合物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 根据功能不同，T 细胞可以分为多种亚群，主要包括 辅助性 T 细胞 (helper T cells, Th)、细胞毒性 T 细胞 (cytotoxic T cells, Tc) 和 调节性 T 细胞 (regulatory T cells, Treg)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 辅助性 T 细胞 (Th)：主要功能是辅助其他免疫细胞发挥功能，例如辅助 B 细胞产生抗体，辅助巨噬细胞杀伤病原体等。Th 细胞又可以进一步分为 Th1、Th2、Th17 等亚群，不同亚群分泌不同的细胞因子，介导不同的免疫应答类型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 细胞毒性 T 细胞 (Tc)：主要功能是杀伤被病毒感染的细胞、肿瘤细胞和异体细胞。Tc 细胞通过释放穿孔素 (perforin) 和颗粒酶 (granzymes) 等细胞毒性分子，诱导靶细胞凋亡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 调节性 T 细胞 (Treg)：主要功能是抑制免疫应答，维持免疫耐受，防止自身免疫病的发生。
▮▮▮▮ⓖ B 细胞 (B cells)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ B 细胞起源于骨髓，在骨髓中发育成熟。成熟的 B 细胞表达 B 细胞受体 (B cell receptor, BCR)，BCR 的本质是 膜结合型免疫球蛋白 (membrane-bound immunoglobulin, mIg)，可以特异性识别多种形式的抗原，包括蛋白质、多糖、脂类、核酸等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ B 细胞活化后可以分化为 浆细胞 (plasma cells)，浆细胞是 抗体 (antibodies) 的产生细胞。抗体可以特异性结合抗原，介导 体液免疫 (humoral immunity) 应答，清除胞外病原体和毒素。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ B 细胞也具有 抗原提呈功能，可以将抗原提呈给 T 细胞，辅助 T 细胞活化。
▮▮▮▮ⓚ 自然杀伤细胞 (NK cells)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ NK 细胞是固有免疫系统的淋巴细胞，具有杀伤肿瘤细胞和病毒感染细胞的功能，但其杀伤作用不依赖于抗原特异性识别，属于非特异性细胞毒性细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ NK 细胞通过 识别靶细胞表面 MHC-I 类分子表达水平的降低 或 应激配体的表达 而活化，释放穿孔素和颗粒酶杀伤靶细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ NK 细胞还分泌 干扰素-γ (interferon-γ, IFN-γ) 等细胞因子，参与免疫调节。

③ 抗原提呈细胞 (antigen-presenting cells, APCs)：
▮▮▮▮抗原提呈细胞是连接固有免疫和适应性免疫的桥梁，主要功能是摄取和加工抗原，并将抗原以 肽-MHC 复合物 的形式提呈给 T 细胞，启动适应性免疫应答。主要的抗原提呈细胞包括 树突状细胞 (dendritic cells, DCs)、巨噬细胞 (macrophages) 和 B 细胞 (B cells)。
▮▮▮▮ⓐ 树突状细胞 (dendritic cells, DCs)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 树突状细胞是最有效的抗原提呈细胞，是启动初始 T 细胞免疫应答的关键细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 树突状细胞广泛分布于全身组织，特别是皮肤和黏膜等与外界环境接触的部位。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 树突状细胞具有强大的摄取抗原的能力，可以通过吞噬、胞饮和受体介导的内吞等多种方式摄取抗原。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 树突状细胞在迁移到淋巴结的过程中，对抗原进行加工处理，并将抗原肽与 MHC 分子结合形成 肽-MHC 复合物，提呈给 T 细胞，激活 T 细胞。
▮▮▮▮ⓕ 巨噬细胞 (macrophages) 和 B 细胞 (B cells) 也具有抗原提呈功能，但其抗原提呈效率相对较低，主要在免疫应答的效应阶段发挥作用。

10.1.3 免疫分子 (Immune Molecules)

免疫分子是免疫系统发挥功能的重要介质，它们由免疫细胞或其他细胞产生，参与免疫应答的各个环节，包括识别抗原、激活免疫细胞、介导炎症反应、杀伤病原体 和 免疫调节 等。主要的免疫分子包括 抗体 (antibodies, immunoglobulins, Ig)、补体系统 (complement system)、细胞因子 (cytokines)、趋化因子 (chemokines) 和 主要组织相容性复合体 (major histocompatibility complex, MHC) 分子 等。

① 抗体 (antibodies, immunoglobulins, Ig)：
▮▮▮▮抗体是由 浆细胞 (plasma cells) 分泌的 糖蛋白，是 体液免疫 (humoral immunity) 的主要效应分子。
▮▮▮▮ⓐ 抗体的结构：抗体分子呈 Y 字形 结构，由 两条重链 (heavy chains, H chains) 和 两条轻链 (light chains, L chains) 通过二硫键连接而成。每个抗体分子包含 两个相同的抗原结合位点 (antigen-binding sites)，位于 Y 字形分子的 顶端 (Fab 段)，负责特异性结合抗原。Y 字形分子的 尾部 (Fc 段) 负责介导抗体的 效应功能，如激活补体、调理吞噬、结合 Fc 受体等。
▮▮▮▮ⓑ 抗体的类型：根据重链恒定区 (constant region) 的不同，抗体可以分为 五类 (同种型, isotypes)：IgG, IgM, IgA, IgD, IgE。不同类型的抗体在结构、功能和分布上有所差异。
▮▮▮▮ⓒ 抗体的功能：抗体的主要功能是 特异性结合抗原，并介导多种 效应功能，清除病原体和毒素。抗体的效应功能包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 中和作用 (neutralization)：抗体结合病原体表面的毒力因子或病毒，阻止其与宿主细胞结合，从而中和其毒性或感染性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 调理作用 (opsonization)：抗体包裹病原体，增强吞噬细胞对病原体的吞噬作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 补体激活 (complement activation)：IgG 和 IgM 可以激活补体经典途径，介导补体系统的效应功能，如细胞溶解、炎症介导和调理吞噬等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用 (antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC)：抗体结合靶细胞表面的抗原后，可以通过 Fc 段与 NK 细胞、巨噬细胞等表达 Fc 受体的免疫细胞结合，介导这些细胞杀伤靶细胞。

② 补体系统 (complement system)：
▮▮▮▮补体系统是由 一系列血清蛋白 组成的 固有免疫系统 的重要组成部分，也是 体液免疫 的重要效应机制之一。
▮▮▮▮ⓐ 补体的激活途径：补体激活途径主要有 经典途径 (classical pathway)、旁路途径 (alternative pathway) 和 凝集素途径 (lectin pathway) 三条。三条途径最终都汇聚到 C3 转化酶 (C3 convertase) 的形成，启动补体级联反应。
▮▮▮▮ⓑ 补体的效应功能：补体系统的主要效应功能包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 细胞溶解 (cell lysis)：补体激活的末端产物 膜攻击复合物 (membrane attack complex, MAC) 可以插入靶细胞膜，形成孔道，导致细胞内容物外 leakage，最终导致细胞溶解。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 炎症介导 (inflammation mediation)：补体激活产生的 C3a 和 C5a 等小分子片段是重要的 炎症介质 (inflammatory mediators)，可以趋化炎症细胞，促进血管通透性增加，诱导炎症反应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 调理吞噬 (opsonization)：补体片段 C3b 可以作为调理素，促进吞噬细胞对病原体的吞噬作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 免疫复合物清除 (immune complex clearance)：补体可以促进免疫复合物的溶解和清除，防止免疫复合物沉积造成组织损伤。

③ 细胞因子 (cytokines)：
▮▮▮▮细胞因子是由免疫细胞和某些非免疫细胞分泌的 小分子蛋白质，是免疫细胞之间 信息交流 的重要分子，参与调节免疫应答的 强度、类型和持续时间。
▮▮▮▮ⓐ 细胞因子的种类：细胞因子种类繁多，根据功能不同可以分为 白细胞介素 (interleukins, ILs)、干扰素 (interferons, IFNs)、肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factor, TNF)、集落刺激因子 (colony-stimulating factors, CSFs)、转化生长因子-β (transforming growth factor-β, TGF-β) 等。
▮▮▮▮ⓑ 细胞因子的功能：细胞因子具有广泛的生物学功能，参与调节免疫应答、炎症反应、造血、细胞生长和分化等多种生理过程。例如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ IL-2：促进 T 细胞增殖和活化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ IFN-γ：激活巨噬细胞，增强其杀伤病原体的能力，促进 Th1 细胞分化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ TNF-α：介导炎症反应，诱导细胞凋亡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ TGF-β：抑制免疫应答，促进免疫耐受。

④ 趋化因子 (chemokines)：
▮▮▮▮趋化因子是一类 小分子细胞因子，主要功能是趋化免疫细胞到炎症部位或淋巴器官，引导免疫细胞的 迁移和定位。
▮▮▮▮ⓐ 趋化因子的种类：趋化因子种类也很多，根据结构特点可以分为 CXC 趋化因子、CC 趋化因子、C 趋化因子 和 CX3C 趋化因子 等。
▮▮▮▮ⓑ 趋化因子的功能：趋化因子通过与免疫细胞表面的 趋化因子受体 (chemokine receptors) 结合，激活细胞内信号通路，引导免疫细胞定向迁移。趋化因子在炎症反应、免疫监视、淋巴器官发育和稳态维持等方面发挥重要作用。例如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ CCL2 (MCP-1)：趋化单核细胞和巨噬细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ CXCL8 (IL-8)：趋化中性粒细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ CCL5 (RANTES)：趋化 T 细胞、巨噬细胞和嗜酸性粒细胞。

⑤ 主要组织相容性复合体 (major histocompatibility complex, MHC) 分子：
▮▮▮▮MHC 分子是一类 细胞表面糖蛋白，主要功能是 提呈抗原肽 给 T 细胞受体 (TCR)，是 T 细胞识别抗原 的必要条件。在人类中，MHC 分子又称为 人类白细胞抗原 (human leukocyte antigen, HLA)。
▮▮▮▮ⓐ MHC 分子的类型：MHC 分子主要分为 MHC-I 类分子 和 MHC-II 类分子 两类。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ MHC-I 类分子：表达于 所有有核细胞 表面，主要提呈 内源性抗原肽（如病毒感染细胞产生的病毒抗原肽、肿瘤细胞产生的肿瘤抗原肽）给 细胞毒性 T 细胞 (Tc)，启动细胞毒性 T 细胞介导的细胞免疫应答。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ MHC-II 类分子：主要表达于 抗原提呈细胞 (APCs) 表面（如树突状细胞、巨噬细胞、B 细胞），主要提呈 外源性抗原肽（如胞外病原体抗原肽）给 辅助性 T 细胞 (Th)，启动辅助性 T 细胞介导的免疫应答。
▮▮▮▮ⓓ MHC 分子的遗传多态性：MHC 基因具有 高度多态性 (polymorphism)，不同个体 MHC 分子结构存在差异，这种多态性决定了个体之间免疫应答的差异，也与疾病的易感性有关。

10.2 固有免疫 (Innate Immunity)

本节详细介绍固有免疫的特点、组成和机制，包括物理屏障 (physical barriers)、化学屏障 (chemical barriers)、细胞屏障 (cellular barriers) 和体液屏障 (humoral barriers)，以及模式识别受体 (pattern recognition receptors, PRRs) 和炎症反应 (inflammation)。

10.2.1 固有免疫的屏障 (Barriers of Innate Immunity)

固有免疫是机体与生俱来的 第一道防线，对多种病原体具有 非特异性 的防御作用。固有免疫的屏障主要包括 物理屏障 (physical barriers)、化学屏障 (chemical barriers) 和 细胞屏障 (cellular barriers)。

① 物理屏障 (physical barriers)：
▮▮▮▮物理屏障是阻止病原体入侵机体的 第一层防线，主要包括 皮肤 (skin) 和 黏膜 (mucous membranes)。
▮▮▮▮ⓐ 皮肤 (skin)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 皮肤是覆盖全身表面的 致密组织，由 表皮 (epidermis) 和 真皮 (dermis) 组成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 表皮最外层是 角质层 (stratum corneum)，由多层死亡的角质细胞组成，细胞间紧密连接，形成 物理屏障，阻止病原体穿透。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 皮肤表面分泌的 皮脂 (sebum) 和 汗液 (sweat) 含有 抗菌物质，如脂肪酸、乳酸等，可以抑制病原体生长。
▮▮▮▮ⓔ 黏膜 (mucous membranes)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 黏膜覆盖于呼吸道、消化道、泌尿生殖道等 与外界相通的腔道表面，是病原体入侵机体的 主要门户。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 黏膜表面覆盖 黏液 (mucus)，黏液由 黏液蛋白 (mucins) 组成，可以 粘附和 trapping 病原体，阻止病原体与上皮细胞接触。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 黏膜上皮细胞之间也存在 紧密连接 (tight junctions)，形成 物理屏障，阻止病原体穿透。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 黏膜纤毛 (cilia) 的摆动可以将黏液和 trapped 病原体 排出体外，如呼吸道黏膜纤毛的摆动可以将呼吸道中的病原体和异物排出。

② 化学屏障 (chemical barriers)：
▮▮▮▮化学屏障是指机体分泌的 具有抗菌活性的化学物质，可以杀伤或抑制病原体生长。主要的化学屏障包括 酸性环境、溶菌酶 (lysozyme) 和 防御素 (defensins) 等。
▮▮▮▮ⓐ 酸性环境：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 胃酸 (gastric acid)：胃液中的盐酸 (HCl) 形成 酸性环境 (pH 1-2)，可以杀灭大部分随食物进入胃内的病原体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 阴道酸性环境：阴道上皮细胞分泌乳酸，形成 酸性环境 (pH 4-5)，可以抑制阴道内病原体生长，维持阴道菌群平衡。
▮▮▮▮ⓓ 溶菌酶 (lysozyme)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 溶菌酶广泛存在于 眼泪 (tears)、唾液 (saliva)、黏液 (mucus) 和 吞噬细胞 的 溶酶体 (lysosomes) 中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 溶菌酶可以 水解细菌细胞壁中的肽聚糖 (peptidoglycan)，破坏细菌细胞壁，导致细菌裂解死亡，对 革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria) 的杀伤作用更强。
▮▮▮▮ⓖ 防御素 (defensins)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 防御素是一类 小分子阳离子抗菌肽，广泛存在于 上皮细胞 和 吞噬细胞 中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 防御素可以 插入病原体细胞膜，形成孔道，破坏膜的完整性，导致病原体死亡，对 细菌、真菌和病毒 均具有杀伤作用。

③ 细胞屏障 (cellular barriers)：
▮▮▮▮细胞屏障是指固有免疫系统中的 免疫细胞，它们可以 识别和清除 入侵机体的病原体。主要的细胞屏障包括 吞噬细胞 (phagocytes) 和 自然杀伤细胞 (NK cells)。
▮▮▮▮ⓐ 吞噬细胞 (phagocytes)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 吞噬细胞是固有免疫系统中的 主力军，包括 巨噬细胞 (macrophages) 和 中性粒细胞 (neutrophils)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 吞噬细胞通过 吞噬作用 (phagocytosis) 识别和摄取病原体，并将病原体包裹在 吞噬体 (phagosome) 内。吞噬体与 溶酶体 (lysosome) 融合形成 吞噬溶酶体 (phagolysosome)，溶酶体内的酶类和 活性氧物质 (reactive oxygen species, ROS) 可以杀伤和降解病原体。
▮▮▮▮ⓓ 自然杀伤细胞 (NK cells)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ NK 细胞是固有免疫系统中的 细胞毒性细胞，可以 杀伤肿瘤细胞和病毒感染细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ NK 细胞通过 识别靶细胞表面 MHC-I 类分子表达水平的降低 或 应激配体的表达 而活化，释放 穿孔素 (perforin) 和 颗粒酶 (granzymes) 等细胞毒性分子，诱导靶细胞凋亡。

10.2.2 模式识别受体与炎症反应 (Pattern Recognition Receptors and Inflammatory Response)

固有免疫系统通过 模式识别受体 (pattern recognition receptors, PRRs) 识别病原体相关的 病原相关分子模式 (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)，启动免疫应答，其中 炎症反应 (inflammation) 是固有免疫应答的重要组成部分。

① 模式识别受体 (pattern recognition receptors, PRRs)：
▮▮▮▮PRRs 是固有免疫细胞表达的受体，可以 识别病原体 表面保守的结构成分 PAMPs，启动固有免疫应答。
▮▮▮▮ⓐ PAMPs (pathogen-associated molecular patterns)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ PAMPs 是 病原微生物 表面保守的结构成分，是微生物所共有，而宿主细胞 不具备 的分子模式，如 细菌脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS)、肽聚糖 (peptidoglycan)、鞭毛蛋白 (flagellin)、细菌 DNA CpG 岛、病毒双链 RNA (dsRNA) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ PAMPs 是病原微生物的 “特征性指纹”，固有免疫系统通过识别 PAMPs 来 区分 “敌我”，启动免疫应答。
▮▮▮▮ⓓ PRRs 的类型：PRRs 主要分为 Toll 样受体 (Toll-like receptors, TLRs) 和 NOD 样受体 (NOD-like receptors, NLRs) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ Toll 样受体 (Toll-like receptors, TLRs)：
▮▮▮▮ⓕ TLRs 是一类 跨膜受体，表达于 细胞表面 和 内吞体膜 上。
▮▮▮▮ⓖ 细胞表面 TLRs (如 TLR4, TLR5, TLR2) 主要识别 胞外病原体 的 PAMPs，如 LPS (TLR4 配体)、鞭毛蛋白 (TLR5 配体)、肽聚糖 (TLR2 配体) 等。
▮▮▮▮ⓗ 内吞体膜 TLRs (如 TLR3, TLR7, TLR9) 主要识别 胞内病原体 的 PAMPs，如 dsRNA (TLR3 配体)、ssRNA (TLR7 配体)、CpG DNA (TLR9 配体) 等。
▮▮▮▮ⓘ TLRs 识别 PAMPs 后，激活细胞内信号通路，导致 炎症因子 和 趋化因子 的产生，启动炎症反应和免疫应答。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ NOD 样受体 (NOD-like receptors, NLRs)：
▮▮▮▮ⓚ NLRs 是一类 胞内受体，存在于 细胞质 中。
▮▮▮▮ⓛ NLRs 主要识别 胞内病原体 或 细胞损伤 相关的分子模式，如 胞壁酰二肽 (muramyl dipeptide, MDP) (NOD2 配体)、鞭毛蛋白 (flagellin) (NLRC4 配体)、尿酸盐结晶 (urate crystals) (NLRP3 配体) 等。
▮▮▮▮ⓜ NLRs 识别配体后，激活 炎症小体 (inflammasome)，导致 炎症因子 (如 IL-1β, IL-18) 的成熟和释放，诱导炎症反应。

② 炎症反应 (inflammation)：
▮▮▮▮炎症反应是机体对 感染、损伤 等刺激产生的 保护性 免疫应答，旨在 清除病原体、修复组织损伤。炎症反应的 特征性表现 是 红、肿、热、痛。
▮▮▮▮ⓐ 炎症反应的发生机制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 血管扩张和血管通透性增加：炎症部位血管扩张，血流增加，导致红和热；血管内皮细胞间隙增大，血管通透性增加，血浆蛋白渗出，导致肿。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 炎症细胞浸润：趋化因子 (如 CXCL8/IL-8, CCL2/MCP-1) 趋化中性粒细胞、单核细胞等炎症细胞 募集到炎症部位。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 炎症介质释放：炎症细胞和组织细胞释放 炎症介质，如 组胺 (histamine)、前列腺素 (prostaglandins, PGs)、白三烯 (leukotrienes, LTs)、细胞因子 (cytokines) (如 TNF-α, IL-1, IL-6) 等，这些炎症介质进一步 放大炎症反应，并引起 疼痛 (pain)。
▮▮▮▮ⓔ 炎症反应的过程：炎症反应通常分为 急性炎症 (acute inflammation) 和 慢性炎症 (chronic inflammation) 两个阶段。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 急性炎症 (acute inflammation)：
▮▮▮▮ⓖ 急性炎症是 快速发生、持续时间较短 的炎症反应，主要目的是 清除病原体和损伤因子。
▮▮▮▮ⓗ 急性炎症的 主要炎症细胞 是 中性粒细胞 (neutrophils)，中性粒细胞快速募集到炎症部位，发挥吞噬杀菌作用。
▮▮▮▮ⓘ 急性炎症通常在 数天或数周内消退，组织损伤得到修复。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 慢性炎症 (chronic inflammation)：
▮▮▮▮ⓚ 慢性炎症是 持续时间较长、迁延不愈 的炎症反应，通常是由于 病原体持续存在、自身免疫反应 或 长期刺激 等原因引起。
▮▮▮▮ⓛ 慢性炎症的 主要炎症细胞 是 单核细胞/巨噬细胞 (monocytes/macrophages) 和 淋巴细胞 (lymphocytes)，这些细胞浸润组织，释放炎症介质，导致 组织损伤和纤维化。
▮▮▮▮ⓜ 慢性炎症可能导致 组织器官功能障碍，甚至诱发肿瘤等疾病。
▮▮▮▮ⓝ 炎症反应的生物学意义：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 保护作用：炎症反应是机体 重要的防御机制，可以清除病原体、坏死组织和异物，阻止感染扩散，促进组织修复。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 病理性作用：过度或持续 的炎症反应可能导致 组织损伤和疾病，如自身免疫病、过敏反应、慢性炎症性疾病等。因此，炎症反应需要 精确调控，以维持机体稳态。

10.3 适应性免疫 (Adaptive Immunity)

本节详细介绍适应性免疫的特点、组成和机制，包括抗原 (antigen)、抗体、T 细胞受体 (T cell receptor, TCR)、B 细胞受体 (B cell receptor, BCR)、体液免疫 (humoral immunity) 和细胞免疫 (cell-mediated immunity)，以及免疫记忆 (immunological memory)。

10.3.1 抗原与抗体 (Antigens and Antibodies)

抗原 (antigen) 是指能够 诱导机体产生免疫应答 的物质，而 抗体 (antibody) 是由 B 细胞 分化产生的 浆细胞 (plasma cells) 分泌的 免疫球蛋白 (immunoglobulin, Ig)，可以 特异性结合抗原，介导免疫效应。

① 抗原 (antigen)：
▮▮▮▮抗原是能够被免疫系统 特异性识别 并 诱导免疫应答 的物质。抗原可以是 蛋白质、多糖、脂类、核酸 等各种化学物质，也可以是 完整的病原微生物、肿瘤细胞、异体细胞 等。
▮▮▮▮ⓐ 抗原的概念：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 免疫原性 (immunogenicity)：指抗原 诱导免疫应答 (包括体液免疫和细胞免疫) 的能力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 抗原特异性 (antigenicity)：指抗原 与免疫应答产物 (如抗体、TCR) 发生 特异性结合 的能力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 完整的抗原通常 既具有免疫原性，又具有抗原特异性。
▮▮▮▮ⓔ 抗原的类型：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 外源性抗原 (exogenous antigens)：来自体外的抗原，如 病原微生物 (细菌、病毒、真菌、寄生虫)、花粉、食物、异体器官 等。外源性抗原通常通过 抗原提呈细胞 (APCs) 摄取和加工提呈给 T 细胞，启动免疫应答。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 内源性抗原 (endogenous antigens)：来自体内的抗原，如 病毒感染细胞产生的病毒抗原、肿瘤细胞产生的肿瘤抗原、自身正常细胞成分 等。内源性抗原通常在细胞内加工，通过 MHC-I 类分子提呈给细胞毒性 T 细胞 (Tc)。
▮▮▮▮ⓗ 抗原的特性：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 异源性 (foreignness)：免疫系统通常对 非自身 (non-self) 的物质产生免疫应答，而对 自身 (self) 成分保持免疫耐受。因此，异源性是抗原的重要特性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 大分子性 (high molecular weight)：大多数抗原是 大分子物质，如蛋白质和多糖。小分子物质通常不具有免疫原性，但可以作为 半抗原 (hapten)，与载体蛋白结合后可以获得免疫原性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 化学结构复杂性 (chemical complexity)：化学结构越复杂的分子，免疫原性越强。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 可降解性 (degradability)：抗原需要被抗原提呈细胞 (APCs) 加工降解成肽段，才能与 MHC 分子结合，提呈给 T 细胞。因此，可降解性对抗原提呈至关重要。

② 抗体 (antibodies, immunoglobulins, Ig)：
▮▮▮▮抗体是由 B 细胞 分化产生的 浆细胞 (plasma cells) 分泌的 糖蛋白，是 体液免疫 (humoral immunity) 的主要效应分子。
▮▮▮▮ⓐ 抗体的结构：抗体分子呈 Y 字形 结构，由 两条重链 (heavy chains, H chains) 和 两条轻链 (light chains, L chains) 通过二硫键连接而成。每个抗体分子包含 两个相同的抗原结合位点 (antigen-binding sites)，位于 Y 字形分子的 顶端 (Fab 段)，负责特异性结合抗原。Y 字形分子的 尾部 (Fc 段) 负责介导抗体的 效应功能，如激活补体、调理吞噬、结合 Fc 受体等。
▮▮▮▮ⓑ 抗体的类型：根据重链恒定区 (constant region) 的不同，抗体可以分为 五类 (同种型, isotypes)：IgG, IgM, IgA, IgD, IgE。不同类型的抗体在结构、功能和分布上有所差异。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ IgG：是血清中 含量最高 的抗体，是主要的体液免疫抗体。IgG 可以通过胎盘，赋予新生儿 被动免疫 (passive immunity)。IgG 参与 调理吞噬、补体激活 和 ADCC 效应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ IgM：是以 五聚体 形式存在的抗体，是 初次免疫应答 中 最早产生 的抗体，也是 补体激活能力最强 的抗体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ IgA：主要以 二聚体 形式存在于 黏膜分泌物 (如唾液、眼泪、乳汁、肠液等) 中，是 黏膜免疫 的主要抗体，可以中和黏膜表面的病原体，阻止病原体黏附和入侵。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ IgD：主要表达于 成熟 B 细胞表面，作为 B 细胞受体 (BCR) 的一部分，参与 B 细胞的活化。血清中 IgD 含量极低，功能尚不完全清楚。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ IgE：主要与 肥大细胞 (mast cells) 和 嗜碱性粒细胞 (basophils) 表面的 FcεRI 受体 结合，参与 I 型超敏反应 (type I hypersensitivity) (过敏反应) 和 抗寄生虫免疫。IgE 介导的过敏反应是 速发型 的，如花粉过敏、食物过敏等。
▮▮▮▮ⓗ 抗体的功能：抗体的主要功能是 特异性结合抗原，并介导多种 效应功能，清除病原体和毒素。抗体的效应功能包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 中和作用 (neutralization)：抗体结合病原体表面的毒力因子或病毒，阻止其与宿主细胞结合，从而中和其毒性或感染性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 调理作用 (opsonization)：抗体包裹病原体，增强吞噬细胞对病原体的吞噬作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 补体激活 (complement activation)：IgG 和 IgM 可以激活补体经典途径，介导补体系统的效应功能，如细胞溶解、炎症介导和调理吞噬等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用 (antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC)：抗体结合靶细胞表面的抗原后，可以通过 Fc 段与 NK 细胞、巨噬细胞等表达 Fc 受体的免疫细胞结合，介导这些细胞杀伤靶细胞。
▮▮▮▮ⓜ 抗原抗体反应 (antigen-antibody reaction)：抗体与抗原之间发生的 特异性结合反应，是体液免疫应答的基础。抗原抗体反应具有 高度特异性 和 可逆性。抗原抗体反应在 免疫诊断 和 免疫治疗 中具有重要应用价值。

10.3.2 T 细胞与细胞免疫 (T Cells and Cell-mediated Immunity)

T 细胞 (T cells) 是 适应性免疫系统 的重要组成部分，介导 细胞免疫 (cell-mediated immunity) 应答。T 细胞通过 T 细胞受体 (T cell receptor, TCR) 识别 抗原提呈细胞 (APCs) 提呈的 肽-MHC 复合物，发挥免疫效应。

① T 细胞的类型：根据功能不同，T 细胞可以分为多种亚群，主要包括 辅助性 T 细胞 (helper T cells, Th)、细胞毒性 T 细胞 (cytotoxic T cells, Tc) 和 调节性 T 细胞 (regulatory T cells, Treg)。
▮▮▮▮ⓑ 辅助性 T 细胞 (helper T cells, Th)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ Th 细胞表达 CD4 分子，其 TCR 主要识别 MHC-II 类分子 提呈的抗原肽。因此，Th 细胞又称为 CD4+ T 细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ Th 细胞的主要功能是辅助其他免疫细胞发挥功能，例如辅助 B 细胞产生抗体，辅助巨噬细胞杀伤病原体等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ Th 细胞活化后，可以分化为不同的亚群，如 Th1 细胞、Th2 细胞、Th17 细胞 等，不同亚群分泌不同的 细胞因子 (cytokines)，介导不同的免疫应答类型。
▮▮▮▮ⓕ Th1 细胞：主要分泌 干扰素-γ (IFN-γ)、肿瘤坏死因子-β (TNF-β) 等细胞因子，介导 细胞免疫 和 迟发型超敏反应 (delayed-type hypersensitivity, DTH)，主要参与 抗胞内病原体感染 的免疫应答。
▮▮▮▮ⓖ Th2 细胞：主要分泌 白细胞介素-4 (IL-4)、白细胞介素-5 (IL-5)、白细胞介素-13 (IL-13) 等细胞因子，辅助 B 细胞产生抗体，介导 体液免疫 和 I 型超敏反应 (type I hypersensitivity) (过敏反应)，主要参与 抗胞外寄生虫感染 和 过敏性疾病 的免疫应答。
▮▮▮▮ⓗ Th17 细胞：主要分泌 白细胞介素-17 (IL-17)、白细胞介素-22 (IL-22) 等细胞因子，参与 炎症反应 和 自身免疫病 的发生，主要参与 抗胞外细菌和真菌感染 的免疫应答。
▮▮▮▮ⓘ 细胞毒性 T 细胞 (cytotoxic T cells, Tc)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ Tc 细胞表达 CD8 分子，其 TCR 主要识别 MHC-I 类分子 提呈的抗原肽。因此，Tc 细胞又称为 CD8+ T 细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Tc 细胞的主要功能是杀伤被病毒感染的细胞、肿瘤细胞和异体细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ Tc 细胞识别靶细胞表面的 肽-MHC-I 类复合物 后，活化并释放 细胞毒性颗粒，如 穿孔素 (perforin) 和 颗粒酶 (granzymes)。
▮▮▮▮ⓜ 穿孔素 (perforin)：可以在靶细胞膜上打孔，形成通道。
▮▮▮▮ⓝ 颗粒酶 (granzymes)：可以通过穿孔素形成的通道 进入靶细胞，激活 caspases 级联反应，诱导靶细胞 凋亡 (apoptosis)。
▮▮▮▮ⓞ 调节性 T 细胞 (regulatory T cells, Treg)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ Treg 细胞主要表达 CD4 分子 和 Foxp3 转录因子，又称为 CD4+CD25+Foxp3+ Treg 细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ Treg 细胞的主要功能是抑制免疫应答，维持 免疫耐受 (immunological tolerance)，防止 自身免疫病 (autoimmune diseases) 的发生。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ Treg 细胞通过多种机制发挥免疫抑制作用，包括：
▮▮▮▮ⓢ 分泌抑制性细胞因子：如 白细胞介素-10 (IL-10)、转化生长因子-β (TGF-β) 等，抑制其他免疫细胞的活化和功能。
▮▮▮▮ⓣ 接触依赖性抑制：通过 CTLA-4 等分子与靶细胞表面的配体结合，抑制靶细胞的活化。
▮▮▮▮ⓤ 消耗 IL-2：Treg 细胞高表达 CD25 (IL-2 受体 α 链)，可以竞争性结合 IL-2，减少其他免疫细胞可利用的 IL-2，从而抑制其增殖和活化。

② T 细胞受体 (T cell receptor, TCR)：
▮▮▮▮TCR 是 T 细胞表面 特异性识别抗原 的受体，是一种 异二聚体糖蛋白，由 α 链 和 β 链 (或 γ 链和 δ 链) 通过二硫键连接而成。
▮▮▮▮ⓐ TCR 的结构：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ TCR α 链和 β 链 (或 γ 链和 δ 链) 均包含 可变区 (variable region, V 区) 和 恒定区 (constant region, C 区)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ Vα 区 和 Vβ 区 (或 Vγ 区和 Vδ 区) 共同组成 抗原结合位点，负责 特异性识别肽-MHC 复合物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ Cα 区 和 Cβ 区 (或 Cγ 区和 Cδ 区) 结构相对保守，主要负责 锚定 TCR 于细胞膜 和 信号转导。
▮▮▮▮ⓔ TCR 的多样性：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ TCR 的多样性主要来源于 V 区基因的重排 (V(D)J recombination)。在 T 细胞发育过程中，V、D、J 基因片段随机重排，产生 数百万种 不同的 TCR，从而使 T 细胞能够识别 种类繁多的抗原。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ TCR 的多样性是 适应性免疫系统 能够 识别和应对各种病原体 的基础。

③ 主要组织相容性复合体 (major histocompatibility complex, MHC) 分子：
▮▮▮▮MHC 分子是一类 细胞表面糖蛋白，主要功能是 提呈抗原肽 给 T 细胞受体 (TCR)，是 T 细胞识别抗原 的必要条件。在人类中，MHC 分子又称为 人类白细胞抗原 (human leukocyte antigen, HLA)。
▮▮▮▮ⓐ MHC 分子的类型：MHC 分子主要分为 MHC-I 类分子 和 MHC-II 类分子 两类。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ MHC-I 类分子：
▮▮▮▮ⓒ MHC-I 类分子由 一条 α 链 和 β2-微球蛋白 (β2-microglobulin, β2-m) 组成。α 链跨膜，β2-m 非共价结合于 α 链。
▮▮▮▮ⓓ MHC-I 类分子表达于 所有有核细胞 表面，主要提呈 内源性抗原肽 (如病毒感染细胞产生的病毒抗原肽、肿瘤细胞产生的肿瘤抗原肽) 给 细胞毒性 T 细胞 (Tc)。
▮▮▮▮ⓔ MHC-I 类分子提呈的抗原肽长度通常为 8-10 个氨基酸。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ MHC-II 类分子：
▮▮▮▮ⓖ MHC-II 类分子由 一条 α 链 和 一条 β 链 组成，α 链和 β 链均跨膜。
▮▮▮▮ⓗ MHC-II 类分子主要表达于 抗原提呈细胞 (APCs) 表面 (如树突状细胞、巨噬细胞、B 细胞)，主要提呈 外源性抗原肽 (如胞外病原体抗原肽) 给 辅助性 T 细胞 (Th)。
▮▮▮▮ⓘ MHC-II 类分子提呈的抗原肽长度通常为 13-18 个氨基酸。
▮▮▮▮ⓙ MHC 分子的功能：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 抗原提呈：MHC 分子的主要功能是 提呈抗原肽 给 T 细胞受体 (TCR)，使 T 细胞能够识别抗原，启动免疫应答。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 限制性识别：T 细胞的 TCR 只能识别 肽-MHC 复合物，这种识别方式称为 MHC 限制性 (MHC restriction)。CD8+ T 细胞 (Tc) 主要识别 MHC-I 类分子提呈的抗原肽，CD4+ T 细胞 (Th) 主要识别 MHC-II 类分子提呈的抗原肽。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 移植排斥反应：MHC 分子在 同种异基因移植 中起重要作用。由于 MHC 分子具有 高度多态性 (polymorphism)，不同个体 MHC 分子结构存在差异，异体移植器官的 MHC 分子会被受体免疫系统识别为 “非己”，从而引发 移植排斥反应 (transplant rejection)。

④ 细胞免疫的机制与效应：
▮▮▮▮细胞免疫是由 细胞毒性 T 细胞 (Tc) 和 辅助性 T 细胞 (Th1) 介导的免疫应答，主要 清除胞内病原体 (如病毒、胞内细菌) 和 肿瘤细胞。
▮▮▮▮ⓐ 细胞免疫的启动：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 抗原提呈：抗原提呈细胞 (APCs) 摄取和加工抗原，并将抗原肽分别通过 MHC-I 类分子 和 MHC-II 类分子 提呈给 初始 CD8+ T 细胞 (naive CD8+ T cells) 和 初始 CD4+ T 细胞 (naive CD4+ T cells)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ T 细胞活化：初始 CD8+ T 细胞和初始 CD4+ T 细胞的 TCR 识别 肽-MHC 复合物，并接受 共刺激信号 (如 CD28 与 APCs 上的 B7 分子结合)，被活化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ T 细胞增殖分化：活化的 CD8+ T 细胞增殖分化为 效应细胞毒性 T 细胞 (effector cytotoxic T cells, CTLs) 和 记忆细胞毒性 T 细胞 (memory cytotoxic T cells)；活化的 CD4+ T 细胞分化为 效应辅助性 T 细胞 (effector helper T cells, Th1 细胞) 和 记忆辅助性 T 细胞 (memory helper T cells)。
▮▮▮▮ⓔ 细胞免疫的效应：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 细胞毒性 T 细胞 (CTLs) 介导的细胞杀伤：CTLs 识别靶细胞 (如病毒感染细胞、肿瘤细胞) 表面的 肽-MHC-I 类复合物，释放 穿孔素 (perforin) 和 颗粒酶 (granzymes) 等细胞毒性分子，诱导靶细胞 凋亡 (apoptosis)，清除胞内病原体和肿瘤细胞。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ Th1 细胞介导的巨噬细胞激活：Th1 细胞分泌 干扰素-γ (IFN-γ) 等细胞因子，激活巨噬细胞，增强巨噬细胞的 吞噬杀菌能力，并促进 炎症反应，清除胞内病原体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 迟发型超敏反应 (DTH)：Th1 细胞介导的 迟发型超敏反应 (delayed-type hypersensitivity, DTH) 是细胞免疫的一种重要效应形式，主要参与 抗胞内细菌感染 (如结核杆菌感染) 和 接触性皮炎 等。DTH 的特点是 起效慢 (24-72 小时)，主要由 Th1 细胞 和 巨噬细胞 介导。

10.3.3 B 细胞与体液免疫 (B Cells and Humoral Immunity)

B 细胞 (B cells) 是 适应性免疫系统 的重要组成部分，介导 体液免疫 (humoral immunity) 应答。B 细胞通过 B 细胞受体 (B cell receptor, BCR) 识别抗原，活化后分化为 浆细胞 (plasma cells)，产生 抗体 (antibodies)，发挥免疫效应。

① B 细胞的活化、增殖和分化：
▮▮▮▮B 细胞的活化、增殖和分化是一个复杂的过程，通常需要抗原和 辅助性 T 细胞 (Th) 的 协同作用。
▮▮▮▮ⓐ 抗原识别：成熟 B 细胞表面表达 B 细胞受体 (B cell receptor, BCR)，BCR 的本质是 膜结合型免疫球蛋白 (membrane-bound immunoglobulin, mIg)，可以特异性识别 多种形式的抗原，包括蛋白质、多糖、脂类、核酸等。B 细胞 BCR 结合抗原是 B 细胞活化的 第一信号。
▮▮▮▮ⓑ T 细胞辅助：大多数 B 细胞活化需要 辅助性 T 细胞 (Th) 的辅助，称为 T 细胞依赖性 B 细胞活化 (T-dependent B cell activation)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 抗原提呈：B 细胞作为抗原提呈细胞 (APC)，摄取和加工抗原，并将抗原肽通过 MHC-II 类分子 提呈给 辅助性 T 细胞 (Th)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ T-B 细胞相互作用：Th 细胞的 TCR 识别 B 细胞提呈的肽-MHC-II 类复合物，并接受 共刺激信号 (如 CD28 与 B 细胞上的 B7 分子结合)，被活化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 细胞因子辅助：活化的 Th 细胞分泌 细胞因子 (cytokines)，如 白细胞介素-4 (IL-4)、白细胞介素-5 (IL-5)、白细胞介素-6 (IL-6) 等，这些细胞因子作为 第二信号，作用于 B 细胞，促进 B 细胞的 活化、增殖和分化。
▮▮▮▮ⓕ B 细胞增殖和分化：活化的 B 细胞开始增殖，形成克隆，并进一步分化为 浆细胞 (plasma cells) 和 记忆 B 细胞 (memory B cells)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 浆细胞 (plasma cells)：是 抗体 (antibodies) 的产生细胞，具有 高度发达的内质网 和 高尔基体，可以 大量分泌抗体。浆细胞寿命较短，主要在 免疫应答的效应阶段 发挥作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 记忆 B 细胞 (memory B cells)：寿命较长，在 二次免疫应答 (secondary immune response) 中发挥重要作用。当再次接触相同抗原时，记忆 B 细胞可以 快速活化、增殖和分化，产生 更快速、更强烈 的免疫应答。
▮▮▮▮ⓘ T 细胞非依赖性 B 细胞活化 (T-independent B cell activation)：某些抗原 (如 多糖、脂多糖 (LPS)) 可以 直接活化 B 细胞，无需 T 细胞辅助，称为 T 细胞非依赖性 B 细胞活化 (T-independent B cell activation)。T 细胞非依赖性 B 细胞活化产生的抗体主要是 IgM，且 不产生免疫记忆。

② B 细胞受体 (B cell receptor, BCR)：
▮▮▮▮BCR 是成熟 B 细胞表面 特异性识别抗原 的受体，是一种 膜结合型免疫球蛋白 (membrane-bound immunoglobulin, mIg)。
▮▮▮▮ⓐ BCR 的结构：BCR 的本质是 膜结合型 IgM (mIgM) 或 膜结合型 IgD (mIgD)，与 Igα/Igβ 异二聚体 非共价结合形成 BCR 复合物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ mIgM/mIgD：负责 特异性识别抗原。mIgM 和 mIgD 的 V 区 与分泌型 IgM 和 IgD 的 V 区相同，C 区 结构略有差异，使其能够 锚定于细胞膜。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ Igα/Igβ 异二聚体：是 信号转导分子，胞质区含有 免疫受体酪氨酸激活基序 (immunoreceptor tyrosine-based activation motif, ITAM)，在 BCR 结合抗原后，ITAM 发生磷酸化，启动细胞内 信号转导通路，激活 B 细胞。
▮▮▮▮ⓓ BCR 的多样性：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ BCR 的多样性与 TCR 类似，也主要来源于 V 区基因的重排 (V(D)J recombination)。在 B 细胞发育过程中，V、D、J 基因片段随机重排，产生 数百万种 不同的 BCR，从而使 B 细胞能够识别 种类繁多的抗原。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ BCR 的多样性是 适应性免疫系统 能够 识别和应对各种病原体 的基础。

③ 抗体的产生与作用机制：
▮▮▮▮B 细胞活化分化为 浆细胞 (plasma cells) 后，开始 大量合成和分泌抗体 (antibodies)。抗体通过多种机制发挥免疫效应，清除胞外病原体和毒素。
▮▮▮▮ⓐ 抗体的产生：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 基因重排：B 细胞发育过程中，免疫球蛋白基因 发生 V(D)J 重排，产生 多样性 的 BCR 和抗体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 类别转换 (class switching)：活化的 B 细胞可以发生 免疫球蛋白类别转换 (immunoglobulin class switching)，将 IgM 恒定区基因替换为 IgG、IgA 或 IgE 恒定区基因，从而产生 不同类别 的抗体，以适应不同的免疫应答需求。类别转换受 T 细胞分泌的细胞因子 调控，如 IFN-γ 促进 IgG 产生，IL-4 促进 IgE 产生，TGF-β 促进 IgA 产生。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 体细胞高频突变 (somatic hypermutation, SHM)：活化的 B 细胞在 生发中心 (germinal center) 发生 体细胞高频突变 (somatic hypermutation, SHM)，导致免疫球蛋白基因 V 区 发生 高频率的点突变。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 亲和力成熟 (affinity maturation)：经过体细胞高频突变和 亲和力选择 (affinity selection)，B 细胞产生的抗体 对抗原的亲和力 (affinity) 逐渐提高，称为 亲和力成熟 (affinity maturation)。亲和力成熟是 体液免疫应答 的重要特征，可以产生 更高质量 的抗体。
▮▮▮▮ⓕ 抗体的作用机制：抗体的主要作用机制包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 中和作用 (neutralization)：抗体结合病原体表面的毒力因子或病毒，阻止其与宿主细胞结合，从而中和其毒性或感染性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 调理作用 (opsonization)：抗体包裹病原体，增强吞噬细胞对病原体的吞噬作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 补体激活 (complement activation)：IgG 和 IgM 可以激活补体经典途径，介导补体系统的效应功能，如细胞溶解、炎症介导和调理吞噬等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用 (antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC)：抗体结合靶细胞表面的抗原后，可以通过 Fc 段与 NK 细胞、巨噬细胞等表达 Fc 受体的免疫细胞结合，介导这些细胞杀伤靶细胞。

④ 体液免疫的机制与效应：
▮▮▮▮体液免疫是由 B 细胞 介导的免疫应答，主要 清除胞外病原体 (如胞外细菌、病毒、毒素) 和 预防感染。
▮▮▮▮ⓐ 体液免疫的启动：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 抗原识别：B 细胞 BCR 识别抗原，被活化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ T 细胞辅助：大多数 B 细胞活化需要 辅助性 T 细胞 (Th) 的辅助 (T 细胞依赖性 B 细胞活化)。Th 细胞分泌细胞因子，促进 B 细胞的 增殖和分化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 浆细胞产生抗体：活化的 B 细胞分化为 浆细胞 (plasma cells)，浆细胞 大量分泌抗体 (antibodies)。
▮▮▮▮ⓔ 体液免疫的效应：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 抗体中和毒素和病原体：抗体通过 中和作用 中和毒素和病原体，阻止其与宿主细胞结合，预防感染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 抗体介导的病原体清除：抗体通过 调理作用 增强吞噬细胞对病原体的吞噬作用；通过 补体激活 介导细胞溶解和炎症反应，清除病原体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 黏膜免疫：IgA 是 黏膜免疫 的主要抗体，分泌型 IgA 存在于黏膜分泌物中，可以中和黏膜表面的病原体，阻止病原体黏附和入侵，发挥 黏膜保护作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 被动免疫：IgG 可以通过胎盘，赋予新生儿 被动免疫 (passive immunity)，保护新生儿在出生后数月内免受某些病原体感染。母乳中也含有 IgA，可以为婴儿提供 黏膜被动免疫 保护。

10.3.4 免疫记忆与免疫耐受 (Immunological Memory and Immunological Tolerance)

免疫记忆 (immunological memory) 是适应性免疫系统的重要特征，是指机体在 初次免疫应答 (primary immune response) 后，对 再次接触相同抗原 产生 更快速、更强烈 的 二次免疫应答 (secondary immune response) 的能力。免疫耐受 (immunological tolerance) 是指免疫系统对 自身抗原 或 外来抗原 产生的 特异性无应答状态，是维持机体 自身稳定 和 避免过度免疫损伤 的重要机制。

① 免疫记忆 (immunological memory)：
▮▮▮▮免疫记忆是适应性免疫系统的重要特征，是 疫苗接种 的 免疫学基础。
▮▮▮▮ⓐ 免疫记忆的形成机制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 记忆细胞的产生：在初次免疫应答过程中，活化的 T 细胞和 B 细胞分化为 效应细胞 (如效应细胞毒性 T 细胞、浆细胞) 和 记忆细胞 (如记忆 T 细胞、记忆 B 细胞)。记忆细胞寿命较长，可以在体内 长期存活。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 记忆细胞的特点：
▮▮▮▮ⓓ 数量多：记忆细胞数量比初始淋巴细胞多。
▮▮▮▮ⓔ 活化阈值低：记忆细胞活化所需的 抗原刺激强度 和 共刺激信号 比初始淋巴细胞低，更容易被再次激活。
▮▮▮▮ⓕ 反应速度快：记忆细胞再次接触抗原时，可以 快速活化、增殖和分化，产生 更快速、更强烈 的免疫应答。
▮▮▮▮ⓖ 免疫记忆的生物学意义：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 二次免疫应答：当机体再次接触相同抗原时，记忆细胞 快速活化，启动 二次免疫应答 (secondary immune response)。二次免疫应答 起效更快、强度更高、持续时间更长，可以 更有效地清除病原体，预防疾病复发。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 疫苗接种：疫苗接种的目的是 诱导机体产生免疫记忆。通过接种疫苗，使机体产生 针对特定病原体的记忆细胞，当真正感染该病原体时，记忆细胞可以 快速启动二次免疫应答，保护机体免受疾病侵袭。

② 免疫耐受 (immunological tolerance)：
▮▮▮▮免疫耐受是指免疫系统对 自身抗原 或 外来抗原 产生的 特异性无应答状态，是维持机体 自身稳定 和 避免过度免疫损伤 的重要机制。免疫耐受的破坏可能导致 自身免疫病 (autoimmune diseases)。
▮▮▮▮ⓐ 免疫耐受的类型：根据耐受诱导的抗原类型，免疫耐受可以分为 自身耐受 (self-tolerance) 和 外周耐受 (peripheral tolerance)。根据耐受发生的场所，免疫耐受可以分为 中枢耐受 (central tolerance) 和 外周耐受 (peripheral tolerance)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 中枢耐受 (central tolerance)：
▮▮▮▮ⓒ 中枢耐受发生在 中枢免疫器官 (胸腺和骨髓) 中，主要机制是 克隆清除 (clonal deletion) 和 克隆编辑 (clonal editing)。
▮▮▮▮ⓓ 胸腺中 T 细胞中枢耐受：在胸腺中发育的 T 细胞，如果其 TCR 高亲和力 识别 胸腺髓质上皮细胞 (medullary thymic epithelial cells, mTECs) 提呈的 自身抗原肽-MHC 复合物，则会被 负向选择 (negative selection) 清除 (克隆清除)，或通过 克隆编辑 改变 TCR 特异性，从而消除潜在的 自身反应性 T 细胞 (self-reactive T cells)。
▮▮▮▮ⓔ 骨髓中 B 细胞中枢耐受：在骨髓中发育的 B 细胞，如果其 BCR 高亲和力 结合 骨髓基质细胞 或 骨髓成分 上的 自身抗原，则会被 克隆清除 或 克隆失活 (clonal anergy)，从而消除潜在的 自身反应性 B 细胞 (self-reactive B cells)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 外周耐受 (peripheral tolerance)：
▮▮▮▮ⓖ 外周耐受发生在 外周免疫器官 和组织中，主要机制包括 克隆失活 (clonal anergy)、免疫抑制 (immune suppression) 和 免疫豁免 (immune privilege)。
▮▮▮▮ⓗ 克隆失活 (clonal anergy)：外周成熟的 T 细胞或 B 细胞，如果 仅接受抗原刺激，而 缺乏共刺激信号，则会进入 无应答状态 (anergy)，称为 克隆失活。克隆失活是 外周耐受 的重要机制之一。
▮▮▮▮ⓘ 免疫抑制 (immune suppression)：调节性 T 细胞 (Treg) 可以抑制其他免疫细胞的活化和功能，介导 免疫抑制，是 外周耐受 的重要机制。Treg 细胞通过分泌 抑制性细胞因子 (如 IL-10, TGF-β) 和 接触依赖性抑制 等机制发挥免疫抑制作用。
▮▮▮▮ⓙ 免疫豁免 (immune privilege)：某些 特殊组织 (如眼、脑、睾丸、胎盘) 具有 免疫豁免 (immune privilege) 特性，这些组织通过 物理屏障、免疫抑制微环境 和 诱导免疫偏离 等机制， 限制免疫应答 的发生，保护组织免受免疫损伤。
▮▮▮▮ⓚ 免疫耐受的破坏与自身免疫病 (autoimmune diseases) 的发生：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 自身免疫病 (autoimmune diseases)：是指由于 免疫耐受破坏，免疫系统 错误地将自身成分识别为 “非己”，攻击自身组织器官，引起的 慢性炎症性疾病。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 自身免疫病的发生机制：自身免疫病的发生是 遗传因素 和 环境因素 共同作用的结果。
▮▮▮▮ⓝ 遗传因素：某些 MHC 基因 和 非 MHC 基因 与自身免疫病的易感性有关。例如，HLA-B27 与强直性脊柱炎相关，HLA-DR3/DR4 与 I 型糖尿病相关。
▮▮▮▮ⓞ 环境因素：感染、药物、紫外线照射 等环境因素可能诱发或加重自身免疫病。例如，分子模拟 (molecular mimicry) 机制认为，某些病原微生物抗原与自身抗原具有 相似的结构，感染后产生的免疫应答可能 交叉反应 攻击自身组织，诱发自身免疫病。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 常见的自身免疫病：类风湿性关节炎 (rheumatoid arthritis, RA)、系统性红斑狼疮 (systemic lupus erythematosus, SLE)、I 型糖尿病 (type 1 diabetes mellitus, T1DM)、多发性硬化 (multiple sclerosis, MS)、炎症性肠病 (inflammatory bowel disease, IBD) 等。自身免疫病 病因复杂，治疗困难，严重影响患者的生活质量。

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11. 应用微生物学 (Applied Microbiology)

本章介绍微生物在工业、食品、环境等领域的应用，包括工业微生物学 (industrial microbiology)、食品微生物学 (food microbiology) 和环境微生物学 (environmental microbiology)。

11.1 工业微生物学 (Industrial Microbiology)

介绍微生物在工业生产中的应用，包括发酵工业 (fermentation industry)、酶制剂工业 (enzyme industry)、生物制药工业 (biopharmaceutical industry) 等。

11.1.1 发酵工业 (Fermentation Industry)

介绍发酵的概念和类型，以及微生物在酒精饮料 (alcoholic beverages)、有机酸 (organic acids)、氨基酸 (amino acids)、抗生素 (antibiotics)、维生素 (vitamins) 等发酵产品生产中的应用。

发酵 (fermentation) 在广义上是指利用微生物的代谢活动，在有氧或无氧条件下，将有机物转化为人类所需的特定产物的过程。在工业微生物学中，发酵通常更侧重于大规模的微生物培养和代谢产物的生产。发酵工业是应用微生物学中最古老且最重要的分支之一，其历史可以追溯到数千年前的食品和饮料生产。现代发酵工业已经发展成为一个高度技术化和多样化的领域，涵盖了食品、饮料、医药、化工等多个行业。

① 发酵的概念与类型

发酵的核心在于微生物的代谢途径。不同的微生物具有不同的酶系统，能够催化不同的生化反应，从而产生各种各样的代谢产物。根据发酵过程的氧气需求，可以分为：

⚝ 有氧发酵 (aerobic fermentation)：指在有氧条件下进行的微生物发酵过程。虽然传统上“发酵”一词常与无氧代谢联系，但在工业微生物学中，许多重要的工业过程，如醋酸、柠檬酸、谷氨酸、酶制剂和抗生素的生产，实际上是有氧的。有氧发酵通常利用微生物的呼吸作用，以获得更高的能量效率和产物产量。例如，醋酸杆菌 ( Acetobacter ) 在有氧条件下将乙醇氧化为醋酸，是醋生产的关键步骤。

⚝ 无氧发酵 (anaerobic fermentation)：指在无氧或厌氧条件下进行的微生物发酵过程。这是传统意义上的发酵，微生物通过发酵途径（如糖酵解 glycolysis 后的发酵）获得能量，并将底物转化为各种发酵产物。典型的无氧发酵包括酒精发酵、乳酸发酵、丁酸发酵等。例如，酵母菌 ( Saccharomyces cerevisiae ) 在无氧条件下将糖转化为乙醇和二氧化碳，是酒精饮料生产的基础。

根据发酵产物的性质和用途，发酵工业可以进一步细分为：

⚝ 酒精饮料发酵 (alcoholic beverage fermentation)：利用酵母菌等微生物进行酒精发酵，生产各种酒精饮料，如啤酒 (beer)、葡萄酒 (wine)、白酒 (spirits) 等。不同类型的酒精饮料，其发酵原料、菌种和工艺有所不同，从而产生独特的风味和特性。

⚝ 有机酸发酵 (organic acid fermentation)：利用微生物发酵生产各种有机酸，如乳酸 (lactic acid)、柠檬酸 (citric acid)、醋酸 (acetic acid)、葡糖酸 (gluconic acid) 等。这些有机酸广泛应用于食品、医药、化工等领域，作为酸味剂、防腐剂、增塑剂、医药中间体等。

⚝ 氨基酸发酵 (amino acid fermentation)：利用微生物发酵生产各种氨基酸，如谷氨酸 (glutamic acid)、赖氨酸 (lysine)、蛋氨酸 (methionine)、苯丙氨酸 (phenylalanine) 等。氨基酸是蛋白质的基本组成单位，广泛应用于食品添加剂、饲料添加剂、医药和化工领域。谷氨酸钠 (monosodium glutamate, MSG) 就是通过谷氨酸发酵大规模生产的鲜味剂。

⚝ 抗生素发酵 (antibiotic fermentation)：利用微生物（主要是放线菌 Actinomycetes 和真菌 Fungi ）发酵生产各种抗生素，如青霉素 (penicillin)、链霉素 (streptomycin)、四环素 (tetracycline)、红霉素 (erythromycin) 等。抗生素是治疗细菌感染性疾病的重要药物，发酵法是抗生素工业生产的主要途径。

⚝ 维生素发酵 (vitamin fermentation)：利用微生物发酵生产某些维生素，如维生素B2 (核黄素 riboflavin)、维生素B12 (钴胺素 cobalamin)、维生素C (抗坏血酸 ascorbic acid) 等。微生物发酵法为维生素的工业生产提供了经济有效的途径。

② 微生物在发酵产品生产中的应用

不同的发酵产品需要不同的微生物和发酵工艺。以下列举一些典型的发酵产品及其生产中应用的关键微生物：

⚝ 酒精饮料 (alcoholic beverages)：
▮▮▮▮⚝ 啤酒 (beer)：主要利用啤酒酵母 ( Saccharomyces pastorianus 或 Saccharomyces cerevisiae ) 进行酒精发酵。啤酒的生产过程包括麦芽制备、糖化、煮沸、发酵、后熟等环节。酵母菌将麦芽汁中的糖类转化为乙醇和二氧化碳，并产生各种风味物质。
▮▮▮▮⚝ 葡萄酒 (wine)：主要利用酿酒酵母 ( Saccharomyces cerevisiae ) 进行酒精发酵。葡萄酒的发酵原料是葡萄汁，酵母菌将葡萄汁中的糖类转化为乙醇和二氧化碳，并赋予葡萄酒独特的风味。
▮▮▮▮⚝ 白酒 (spirits)：中国的传统白酒生产通常采用固态发酵，利用多种微生物（包括霉菌、酵母菌和细菌）的混合菌群进行发酵。不同香型的白酒，其菌种组成和发酵工艺有所不同。例如，酱香型白酒的生产过程复杂，发酵周期长，微生物种类繁多。

⚝ 有机酸 (organic acids)：
▮▮▮▮⚝ 乳酸 (lactic acid)：可以通过多种微生物发酵生产，如乳酸杆菌 ( Lactobacillus )、乳球菌 ( Lactococcus )、链球菌 ( Streptococcus ) 等。乳酸发酵的原料可以是葡萄糖、蔗糖、淀粉等。乳酸广泛应用于食品、医药、纺织、皮革等行业。
▮▮▮▮⚝ 柠檬酸 (citric acid)：主要通过黑曲霉 ( Aspergillus niger ) 的有氧发酵生产。柠檬酸发酵的原料通常是糖蜜或淀粉水解液。柠檬酸是重要的食品酸味剂、防腐剂和抗氧化剂。
▮▮▮▮⚝ 醋酸 (acetic acid)：通过醋酸杆菌 ( Acetobacter ) 的有氧发酵生产。醋酸杆菌将乙醇氧化为醋酸。食醋的生产就是利用醋酸发酵的原理。

⚝ 氨基酸 (amino acids)：
▮▮▮▮⚝ 谷氨酸 (glutamic acid)：主要通过谷氨酸棒杆菌 ( Corynebacterium glutamicum ) 的有氧发酵生产。谷氨酸发酵的原料可以是糖蜜、葡萄糖、淀粉水解液等。谷氨酸钠 (MSG) 是主要的鲜味剂。
▮▮▮▮⚝ 赖氨酸 (lysine)：可以通过赖氨酸棒杆菌 ( Corynebacterium glutamicum ) 或大肠杆菌 ( Escherichia coli ) 等微生物发酵生产。赖氨酸是重要的饲料添加剂和医药中间体。

⚝ 抗生素 (antibiotics)：
▮▮▮▮⚝ 青霉素 (penicillin)：由产黄青霉菌 ( Penicillium chrysogenum ) 发酵生产。青霉素是第一个大规模工业化生产的抗生素，对革兰氏阳性菌有良好的抗菌活性。
▮▮▮▮⚝ 链霉素 (streptomycin)：由灰色链霉菌 ( Streptomyces griseus ) 发酵生产。链霉素是氨基糖苷类抗生素的代表，对结核杆菌等多种细菌有效。

⚝ 维生素 (vitamins)：
▮▮▮▮⚝ 维生素B2 (核黄素 riboflavin)：可以通过枯草芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis )、啤酒酵母 ( Saccharomyces cerevisiae ) 等微生物发酵生产。核黄素是重要的维生素，参与体内多种代谢过程。
▮▮▮▮⚝ 维生素B12 (钴胺素 cobalamin)：由假单胞菌 ( Pseudomonas )、丙酸杆菌 ( Propionibacterium ) 等微生物发酵生产。维生素B12 是唯一含有金属元素的维生素，对神经系统功能和红细胞生成至关重要。

发酵工业是微生物技术应用的重要领域，随着生物技术的发展，发酵工业将继续朝着高效、绿色、可持续的方向发展，为人类提供更多优质的产品和服务。

11.1.2 酶制剂工业 (Enzyme Industry)

介绍酶制剂的种类和应用，以及微生物在酶制剂生产中的优势和应用实例，如蛋白酶 (proteases)、淀粉酶 (amylases)、脂肪酶 (lipases)、纤维素酶 (cellulases) 等。

酶 (enzyme) 是具有生物催化功能的蛋白质或RNA分子，能够高效、特异地催化生物化学反应。酶制剂 (enzyme preparation) 是指从生物体（微生物、动植物）中提取、分离、纯化或通过基因工程技术生产的具有酶活性的产品。酶制剂工业是生物技术产业的重要组成部分，其产品广泛应用于食品、洗涤、纺织、造纸、医药、饲料、环保等多个领域。

① 酶制剂的种类和应用

酶制剂种类繁多，根据酶催化的反应类型，可以分为六大类：氧化还原酶 (oxidoreductases)、转移酶 (transferases)、水解酶 (hydrolases)、裂合酶 (lyases)、异构酶 (isomerases) 和连接酶 (ligases)。在工业应用中，水解酶是最重要的一类，其次是氧化还原酶和转移酶。

以下列举一些常见的工业酶制剂及其应用领域：

⚝ 蛋白酶 (proteases)：水解蛋白质肽键的酶。
▮▮▮▮⚝ 应用领域：洗涤剂工业（去除衣物污渍）、食品工业（嫩化肉类、啤酒澄清、奶酪生产）、皮革工业（脱毛、软化）、医药工业（抗炎、消化酶制剂）、饲料工业（提高饲料蛋白质利用率）等。
▮▮▮▮⚝ 常见酶制剂：枯草杆菌蛋白酶 (subtilisin)、胰蛋白酶 (trypsin)、木瓜蛋白酶 (papain)、菠萝蛋白酶 (bromelain) 等。

⚝ 淀粉酶 (amylases)：水解淀粉糖苷键的酶。
▮▮▮▮⚝ 应用领域：食品工业（淀粉糖浆、啤酒、面包生产）、纺织工业（浆料退浆）、造纸工业（纸张施胶）、洗涤剂工业（去除淀粉类污渍）、饲料工业（提高饲料淀粉消化率）等。
▮▮▮▮⚝ 常见酶制剂：α-淀粉酶 (α-amylase)、β-淀粉酶 (β-amylase)、葡糖淀粉酶 (glucoamylase)、异淀粉酶 (isoamylase) 等。

⚝ 脂肪酶 (lipases)：水解甘油三酯酯键的酶。
▮▮▮▮⚝ 应用领域：洗涤剂工业（去除油脂污渍）、食品工业（奶酪风味修饰、油脂水解、可可脂替代品）、医药工业（消化酶制剂）、生物柴油生产、精细化工等。
▮▮▮▮⚝ 常见酶制剂：胰脂肪酶 (pancreatic lipase)、米曲霉脂肪酶 ( Rhizopus oryzae lipase)、假丝酵母脂肪酶 ( Candida rugosa lipase) 等。

⚝ 纤维素酶 (cellulases)：水解纤维素糖苷键的酶。
▮▮▮▮⚝ 应用领域：纺织工业（生物抛光、牛仔布洗水）、造纸工业（纸浆漂白、脱墨）、饲料工业（提高饲料纤维素消化率）、生物燃料生产（纤维素乙醇）、食品工业（果蔬汁澄清）等。
▮▮▮▮⚝ 常见酶制剂：内切葡聚糖酶 (endoglucanase)、外切葡聚糖酶 (exoglucanase)、β-葡萄糖苷酶 (β-glucosidase) 等。

⚝ 果胶酶 (pectinases)：水解果胶糖苷键的酶。
▮▮▮▮⚝ 应用领域：食品工业（果蔬汁澄清、果汁浓缩、植物油提取）、纺织工业（亚麻脱胶）、造纸工业（纸浆漂白）、饲料工业（提高饲料果胶消化率）等。
▮▮▮▮⚝ 常见酶制剂：果胶酯酶 (pectin esterase)、聚半乳糖醛酸酶 (polygalacturonase)、果胶裂解酶 (pectin lyase) 等。

⚝ 木聚糖酶 (xylanases)：水解木聚糖糖苷键的酶。
▮▮▮▮⚝ 应用领域：造纸工业（纸浆漂白）、饲料工业（提高饲料木聚糖消化率）、食品工业（面包改良剂）、生物燃料生产（木质纤维素乙醇）等。
▮▮▮▮⚝ 常见酶制剂：内切木聚糖酶 (endoxylanase)、β-木糖苷酶 (β-xylosidase) 等。

② 微生物在酶制剂生产中的优势

微生物是酶制剂生产的重要来源，与动植物相比，微生物具有以下显著优势：

⚝ 生长繁殖快：微生物的生长周期短，繁殖速度快，可以在短时间内大量繁殖，从而快速积累生物量和酶产量。

⚝ 易于培养：许多工业微生物可以在廉价的培养基上生长，如糖蜜、玉米浆、麸皮等，降低了生产成本。

⚝ 酶种类丰富：微生物种类繁多，代谢途径多样，可以产生各种各样的酶，满足不同工业领域的需求。

⚝ 易于基因改造：微生物的遗传背景清晰，易于进行基因工程改造，可以定向改造酶的性质，提高酶的产量和活性，或生产新的酶。

⚝ 生产周期短：微生物发酵生产酶制剂的周期通常较短，几天到几周即可完成，提高了生产效率。

⚝ 环境友好：微生物发酵生产酶制剂通常在温和条件下进行，能耗低，污染少，符合绿色生产的要求。

③ 微生物酶制剂的应用实例

⚝ 洗涤剂用酶制剂：洗涤剂中常用的酶制剂包括蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。蛋白酶和脂肪酶可以有效去除衣物上的蛋白质类和油脂类污渍，淀粉酶可以去除淀粉类污渍，纤维素酶可以使衣物柔软、增艳。洗涤剂用酶制剂提高了洗涤效果，降低了洗涤剂中化学成分的用量，更加环保。

⚝ 食品工业用酶制剂：食品工业是酶制剂应用的重要领域。例如，淀粉酶用于淀粉糖浆、啤酒、面包生产；蛋白酶用于肉类嫩化、奶酪生产、啤酒澄清；果胶酶用于果蔬汁澄清、果汁浓缩；脂肪酶用于奶酪风味修饰、油脂水解。酶制剂在食品加工中可以提高产品质量、改善加工工艺、降低生产成本。

⚝ 纺织工业用酶制剂：纺织工业中，酶制剂主要用于棉织物的生物抛光、牛仔布的洗水、亚麻的脱胶等。生物抛光可以去除棉织物表面的绒毛，使织物表面光滑、光洁；牛仔布洗水可以赋予牛仔布独特的褪色和做旧效果；酶法脱胶可以替代传统的化学脱胶方法，减少环境污染。

⚝ 造纸工业用酶制剂：造纸工业中，酶制剂主要用于纸浆的漂白、脱墨、施胶等。酶法漂白可以减少氯气的使用，降低环境污染；酶法脱墨可以提高废纸的回收利用率；酶法施胶可以改善纸张的性能。

⚝ 饲料工业用酶制剂：饲料工业中，酶制剂主要用于提高饲料的消化率和利用率。例如，植酸酶可以水解饲料中的植酸，释放磷元素，提高磷的利用率，减少磷污染；纤维素酶、木聚糖酶等非淀粉多糖酶 (non-starch polysaccharide enzymes, NSP enzymes) 可以水解饲料中的纤维素、木聚糖等非淀粉多糖，提高饲料的能量利用率。

酶制剂工业是生物技术发展的重要推动力，随着酶工程技术的不断进步，酶制剂的应用领域将不断拓展，为各行各业的产业升级和可持续发展做出更大贡献。

11.1.3 生物制药工业 (Biopharmaceutical Industry)

介绍微生物在生物制药领域的应用，包括重组蛋白药物 (recombinant protein drugs)、疫苗 (vaccines)、基因治疗 (gene therapy)、抗体药物 (antibody drugs) 等的生产。

生物制药 (biopharmaceuticals) 是指利用生物技术，特别是基因工程、细胞工程、酶工程等技术，开发和生产的用于预防、诊断和治疗疾病的药物。生物制药工业是现代医药产业中最具活力和发展潜力的领域之一。微生物在生物制药领域发挥着至关重要的作用，是许多生物药物生产的**“细胞工厂”**。

① 微生物在生物制药中的应用

微生物在生物制药领域的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：

⚝ 重组蛋白药物 (recombinant protein drugs)：利用基因工程技术，将人源基因或其他生物来源的基因导入微生物细胞（如细菌、酵母菌、真菌），使微生物表达和分泌治疗性蛋白质，然后通过发酵、分离、纯化等工艺获得重组蛋白药物。重组蛋白药物包括胰岛素 (insulin)、干扰素 (interferon)、生长激素 (growth hormone)、促红细胞生成素 (erythropoietin, EPO)、组织型纤溶酶原激活剂 (tissue plasminogen activator, tPA)、单克隆抗体 (monoclonal antibodies) 等。

▮▮▮▮⚝ 胰岛素 (insulin)：用于治疗糖尿病。早期胰岛素主要从动物胰腺中提取，产量低、成本高，且存在免疫原性。利用基因工程技术，将人胰岛素基因导入大肠杆菌 ( Escherichia coli ) 或酿酒酵母 ( Saccharomyces cerevisiae )，实现了胰岛素的微生物发酵生产，大大降低了生产成本，提高了产量和纯度。
▮▮▮▮⚝ 干扰素 (interferon)：用于治疗病毒感染、肿瘤和自身免疫性疾病。干扰素是一类具有抗病毒、抗肿瘤和免疫调节作用的细胞因子。利用基因工程技术，可以生产α-干扰素、β-干扰素、γ-干扰素等多种重组干扰素。
▮▮▮▮⚝ 生长激素 (growth hormone)：用于治疗儿童生长激素缺乏症和成人某些疾病。重组人生长激素 (recombinant human growth hormone, rhGH) 通过基因工程技术在大肠杆菌中表达生产。
▮▮▮▮⚝ 促红细胞生成素 (erythropoietin, EPO)：用于治疗肾性贫血、肿瘤化疗引起的贫血等。重组人促红细胞生成素 (recombinant human erythropoietin, rhEPO) 通过基因工程技术在中国仓鼠卵巢细胞 (Chinese hamster ovary cells, CHO cells) 中表达生产，但早期也有利用酵母菌表达的EPO。
▮▮▮▮⚝ 组织型纤溶酶原激活剂 (tissue plasminogen activator, tPA)：用于治疗急性心肌梗死、肺栓塞等血栓性疾病。重组人组织型纤溶酶原激活剂 (recombinant human tPA, rtPA) 通过基因工程技术在CHO细胞中表达生产。
▮▮▮▮⚝ 单克隆抗体 (monoclonal antibodies)：用于治疗肿瘤、自身免疫性疾病、移植排斥反应等。单克隆抗体是具有高度特异性的抗体，可以靶向结合特定的抗原。早期的单克隆抗体主要通过杂交瘤技术生产，但存在鼠源性抗体免疫原性问题。基因工程抗体（如人源化抗体、全人源抗体）的出现，克服了鼠源性抗体的缺点。单克隆抗体的生产，除了哺乳动物细胞培养外，也在探索利用酵母菌、丝状真菌等微生物表达系统。

⚝ 疫苗 (vaccines)：疫苗是预防传染病的重要手段。微生物在疫苗的研发和生产中发挥着关键作用。传统的疫苗包括灭活疫苗 (inactivated vaccines)、减毒活疫苗 (live attenuated vaccines) 和亚单位疫苗 (subunit vaccines)。现代疫苗技术，如重组疫苗 (recombinant vaccines)、DNA疫苗 (DNA vaccines)、mRNA疫苗 (mRNA vaccines) 等，更加依赖于微生物技术。

▮▮▮▮⚝ 灭活疫苗 (inactivated vaccines)：将病原微生物（如病毒、细菌）通过物理或化学方法灭活，使其失去致病性，但仍保留免疫原性。灭活疫苗的生产通常需要大规模培养病原微生物，然后进行灭活处理。例如，流感疫苗、脊髓灰质炎灭活疫苗、狂犬病疫苗等。
▮▮▮▮⚝ 减毒活疫苗 (live attenuated vaccines)：通过人工方法使病原微生物的毒力减弱，但仍保留一定的免疫原性。减毒活疫苗的生产也需要培养病原微生物，然后进行减毒处理。例如，麻疹疫苗、风疹疫苗、腮腺炎疫苗、脊髓灰质炎口服活疫苗、卡介苗 (Bacillus Calmette-Guérin, BCG) 等。
▮▮▮▮⚝ 亚单位疫苗 (subunit vaccines)：提取病原微生物的特定抗原成分（如蛋白质、多糖），制成疫苗。亚单位疫苗避免了使用完整的病原微生物，安全性更高。亚单位疫苗的生产可以利用基因工程技术，将抗原基因导入微生物（如酵母菌、细菌）表达，然后纯化抗原蛋白制成疫苗。例如，乙型肝炎表面抗原疫苗 (hepatitis B surface antigen vaccine, HBsAg vaccine)、人乳头瘤病毒疫苗 (human papillomavirus vaccine, HPV vaccine) 等。
▮▮▮▮⚝ 重组疫苗 (recombinant vaccines)：利用基因工程技术，将病原微生物的抗原基因插入到无毒或弱毒的载体微生物（如重组痘苗病毒、重组腺病毒、重组细菌）的基因组中，构建成重组疫苗。接种重组疫苗后，载体微生物在体内复制，表达病原微生物的抗原，诱导机体产生免疫应答。例如，重组乙型肝炎疫苗（利用酵母菌表达HBsAg）、重组轮状病毒疫苗（利用腺病毒载体）。
▮▮▮▮⚝ DNA疫苗 (DNA vaccines)：将编码病原微生物抗原的DNA质粒直接注射到机体，DNA质粒进入细胞后，表达抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答。DNA疫苗具有制备简便、安全性高、易于储存等优点。
▮▮▮▮⚝ mRNA疫苗 (mRNA vaccines)：将编码病原微生物抗原的mRNA包裹在脂质纳米颗粒 (lipid nanoparticles, LNPs) 中，注射到机体，mRNA进入细胞后，翻译成抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答。mRNA疫苗具有研发速度快、生产周期短、免疫原性强等优点。新冠疫苗 (COVID-19 vaccines) 中，辉瑞/BioNTech 和 Moderna 的疫苗就是mRNA疫苗。

⚝ 基因治疗 (gene therapy)：基因治疗是指将外源治疗性基因导入患者靶细胞，以纠正或补偿缺陷基因，达到治疗疾病的目的。病毒载体是基因治疗中常用的基因递送系统。腺病毒 (adenovirus)、腺相关病毒 (adeno-associated virus, AAV)、慢病毒 (lentivirus) 等病毒经过改造后，可以作为基因载体，将治疗性基因高效地导入靶细胞。病毒载体的生产通常需要利用细胞培养技术，大规模培养病毒，然后进行纯化和浓缩。

⚝ 抗体药物 (antibody drugs)：抗体药物主要包括单克隆抗体和抗体偶联药物 (antibody-drug conjugates, ADCs)。单克隆抗体可以直接靶向结合肿瘤细胞、炎症因子等靶点，发挥治疗作用。抗体偶联药物是将单克隆抗体与细胞毒性药物 (cytotoxic drugs) 或放射性核素 (radionuclides) 偶联，利用抗体的靶向性，将细胞毒性药物或放射性核素精准地递送到肿瘤细胞，提高治疗效果，降低毒副作用。抗体药物的生产主要通过哺乳动物细胞培养（如CHO细胞），但也在探索利用微生物表达系统（如酵母菌、丝状真菌）生产抗体片段或小分子抗体。

② 微生物生物制药的优势与挑战

微生物作为生物制药的“细胞工厂”，具有以下优势：

⚝ 生产成本低：微生物培养基廉价，生长繁殖快，生产周期短，易于大规模培养，降低了生产成本。

⚝ 生产效率高：基因工程微生物可以高效表达外源基因，酶制剂工业的经验也为优化发酵工艺提供了借鉴，提高了生物药物的产量。

⚝ 安全性高：基因工程微生物通常选用非致病性菌株，生产过程可控，生物安全性较高。

⚝ 易于规模化生产：微生物发酵技术成熟，易于实现大规模工业化生产，满足市场需求。

然而，微生物生物制药也面临一些挑战：

⚝ 蛋白质糖基化：许多治疗性蛋白质是糖基化蛋白质，糖基化修饰对蛋白质的活性、稳定性和免疫原性至关重要。细菌通常缺乏真核生物的糖基化修饰能力，酵母菌的糖基化修饰与哺乳动物细胞有所不同。如何利用微生物生产具有正确糖基化修饰的治疗性蛋白质，仍然是一个挑战。

⚝ 蛋白质折叠与组装：复杂的蛋白质（如单克隆抗体）在微生物细胞内可能难以正确折叠和组装，导致活性降低或形成包涵体。需要优化表达系统和发酵工艺，促进蛋白质的正确折叠和组装。

⚝ 免疫原性：微生物表达的重组蛋白药物，可能存在微生物来源的杂质或修饰，引起免疫反应。需要严格控制生产过程，提高产品纯度，降低免疫原性。

⚝ 法规监管：生物制药产品的生产和质量控制受到严格的法规监管。微生物生物制药企业需要建立完善的质量管理体系，确保产品质量符合法规要求。

随着生物技术的不断发展，微生物生物制药技术将不断进步，克服挑战，为人类健康事业做出更大贡献。

11.2 食品微生物学 (Food Microbiology)

介绍微生物在食品生产和食品安全中的作用，包括食品发酵 (food fermentation)、食品腐败 (food spoilage)、食品中毒 (food poisoning) 和食品保藏 (food preservation)。

食品微生物学 (food microbiology) 是研究食品中微生物的种类、来源、生长繁殖、代谢活动及其对食品质量和安全影响的学科。食品微生物学关注微生物在食品生产中的有益作用（如食品发酵），也关注微生物对食品的有害作用（如食品腐败和食品中毒）。食品微生物学的目标是利用微生物的有益作用，提高食品质量和营养价值，同时控制微生物的有害作用，保障食品安全和人类健康。

11.2.1 食品发酵 (Food Fermentation)

介绍微生物在传统发酵食品（如酸奶 yogurt, 奶酪 cheese, 泡菜 kimchi, 酱油 soy sauce, 醋 vinegar, 面包 bread）生产中的作用和发酵原理。

食品发酵 (food fermentation) 是指利用微生物的代谢活动，将食品原料中的某些成分转化为具有独特风味、口感、营养价值或保藏性的食品加工过程。食品发酵是人类利用微生物最古老、最广泛的应用之一，历史悠久，种类繁多。发酵食品不仅丰富了人类的食物种类，也为人类提供了重要的营养来源。

① 传统发酵食品的种类

世界各地都有丰富多样的传统发酵食品，以下列举一些常见的类型：

⚝ 乳制品发酵食品 (fermented dairy products)：
▮▮▮▮⚝ 酸奶 (yogurt)：利用乳酸菌 (lactic acid bacteria, LAB) 发酵牛奶制成。乳酸菌发酵乳糖产生乳酸，使牛奶凝固，形成酸奶特有的风味和口感。常见的酸奶发酵菌种包括保加利亚乳杆菌 ( Lactobacillus bulgaricus ) 和嗜热链球菌 ( Streptococcus thermophilus )。
▮▮▮▮⚝ 奶酪 (cheese)：利用乳酸菌和霉菌或酵母菌等多种微生物，以及凝乳酶 (rennet) 等酶制剂，发酵牛奶制成。奶酪的种类繁多，风味各异，与发酵菌种、凝乳方法、成熟工艺等因素有关。常见的奶酪包括切达奶酪 (cheddar cheese)、马苏里拉奶酪 (mozzarella cheese)、瑞士奶酪 (swiss cheese)、法国布里奶酪 (brie cheese)、意大利帕尔马干酪 (parmesan cheese) 等。
▮▮▮▮⚝ 开菲尔 (kefir)：利用开菲尔粒 (kefir grains) 发酵牛奶制成。开菲尔粒是一种复杂的微生物共生体，包含乳酸菌、酵母菌和醋酸菌等多种微生物。开菲尔具有独特的酸味、气泡和益生菌特性。

⚝ 蔬菜发酵食品 (fermented vegetable products)：
▮▮▮▮⚝ 泡菜 (kimchi)：韩国的传统发酵蔬菜，主要利用乳酸菌发酵白菜、萝卜等蔬菜，并添加辣椒粉、大蒜、生姜等调料。泡菜具有独特的酸辣风味和丰富的益生菌。
▮▮▮▮⚝ 酸菜 (sauerkraut)：德国的传统发酵蔬菜，主要利用乳酸菌发酵卷心菜。酸菜具有酸爽的口感和丰富的维生素C。
▮▮▮▮⚝ 腌黄瓜 (pickles)：利用乳酸菌或醋酸腌制黄瓜。腌黄瓜具有酸脆的口感。

⚝ 豆制品发酵食品 (fermented soybean products)：
▮▮▮▮⚝ 酱油 (soy sauce)：中国的传统发酵调味品，利用霉菌 (如米曲霉 Aspergillus oryzae )、酵母菌 (如耐盐酵母 Zygosaccharomyces rouxii ) 和细菌 (如芽孢杆菌 Bacillus subtilis ) 等多种微生物，发酵大豆和小麦等原料制成。酱油具有独特的鲜味、香味和色泽。
▮▮▮▮⚝ 豆豉 (douchi)：中国的传统发酵豆制品，利用霉菌 (如毛霉 Mucor ) 或细菌 (如枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis ) 发酵大豆制成。豆豉具有独特的风味和香味，常用于烹饪调味。
▮▮▮▮⚝ 纳豆 (natto)：日本的传统发酵豆制品，利用纳豆芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis var. natto ) 发酵大豆制成。纳豆具有独特的粘稠性、气味和营养价值。
▮▮▮▮⚝ 腐乳 (fermented bean curd)：中国的传统发酵豆制品，利用毛霉 ( Mucor ) 或根霉 ( Rhizopus ) 等霉菌发酵豆腐制成。腐乳具有独特的风味和口感，常作为佐餐小菜。

⚝ 谷物发酵食品 (fermented grain products)：
▮▮▮▮⚝ 面包 (bread)：利用酵母菌 (主要是酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae ) 发酵面粉制成。酵母菌发酵面粉中的糖类产生二氧化碳，使面团膨胀，形成面包的蓬松结构。
▮▮▮▮⚝ 馒头 (steamed bread)：中国的传统发酵面食，也利用酵母菌发酵面粉制成。馒头的制作工艺与面包有所不同，主要采用蒸制方法。
▮▮▮▮⚝ 醪糟 (fermented glutinous rice)：中国的传统发酵食品，利用根霉 ( Rhizopus ) 或毛霉 ( Mucor ) 等霉菌发酵糯米制成。醪糟具有甜味和酒香，常作为甜点或饮料。

⚝ 肉制品发酵食品 (fermented meat products)：
▮▮▮▮⚝ 香肠 (sausage)：某些类型的香肠，如意大利萨拉米香肠 (salami)、西班牙香肠 (chorizo) 等，是利用乳酸菌、酵母菌和霉菌等微生物发酵肉类制成。发酵过程赋予香肠独特的风味、口感和保藏性。

⚝ 饮料发酵食品 (fermented beverage products)：
▮▮▮▮⚝ 醋 (vinegar)：利用醋酸杆菌 ( Acetobacter ) 发酵酒精饮料（如葡萄酒、啤酒、果酒）制成。醋酸杆菌将酒精氧化为醋酸，形成醋的酸味。
▮▮▮▮⚝ 红茶菌 (kombucha)：一种发酵茶饮料，利用红茶菌膜 (SCOBY, symbiotic culture of bacteria and yeast) 发酵红茶和糖制成。红茶菌具有酸甜味和气泡，被认为具有一定的保健功效。

② 食品发酵的原理

食品发酵的原理是利用微生物的代谢活动，改变食品原料的化学成分和物理性质，从而达到以下目的：

⚝ 改善食品风味和口感：发酵过程中，微生物产生各种代谢产物，如有机酸、醇类、酯类、醛类、酮类、氨基酸、肽类等，这些物质赋予发酵食品独特的风味和口感。例如，乳酸菌发酵乳糖产生乳酸，使酸奶具有酸味；酵母菌发酵糖类产生乙醇和二氧化碳，使啤酒和面包具有酒香和蓬松结构；霉菌和细菌发酵大豆产生氨基酸和肽类，使酱油具有鲜味。

⚝ 提高食品营养价值：某些发酵过程可以提高食品的营养价值。例如，乳酸菌发酵牛奶可以提高牛奶中维生素B族的含量，并使乳糖分解为乳酸，更易于消化吸收；豆豉发酵可以提高大豆中维生素K2的含量，并使蛋白质和脂肪部分分解，更易于消化吸收。

⚝ 延长食品保藏期：发酵过程中，微生物产生的有机酸、乙醇、细菌素 (bacteriocins) 等代谢产物，具有抑菌或杀菌作用，可以抑制腐败菌的生长，延长食品的保藏期。例如，酸奶、泡菜、酸菜等发酵食品，由于乳酸的抑菌作用，具有较长的保藏期。

⚝ 去除食品中的有害成分：某些发酵过程可以去除食品中的有害成分。例如，豆豉发酵可以降低大豆中的胰蛋白酶抑制剂和植物红细胞凝集素等抗营养因子；酸菜发酵可以降低卷心菜中的硝酸盐含量。

⚝ 改善食品加工性能：发酵过程可以改善食品的加工性能。例如，面包发酵可以使面团产生面筋网络，提高面团的延展性和弹性，使面包更加蓬松柔软；酱油发酵可以使大豆蛋白质水解，提高酱油的浸出率和风味。

③ 典型发酵食品的生产原理

⚝ 酸奶 (yogurt)：酸奶的生产主要利用乳酸菌发酵牛奶。生产过程包括：
▮▮▮▮⚝ 原料乳处理：选择优质鲜牛奶，进行标准化（调整脂肪和蛋白质含量）、均质化（使脂肪球破碎，防止脂肪上浮）、杀菌（巴氏杀菌或超高温瞬时灭菌，杀死杂菌，并使乳蛋白变性，有利于凝固）。
▮▮▮▮⚝ 接种发酵菌种：将保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的混合菌种接种到杀菌后的牛奶中。
▮▮▮▮⚝ 发酵：在适宜的温度（通常为42-45℃）下进行发酵，乳酸菌发酵乳糖产生乳酸，使牛奶pH值下降，蛋白质凝固，形成凝胶状的酸奶。
▮▮▮▮⚝ 冷却：发酵结束后，迅速冷却至5℃以下，终止发酵，保持酸奶的品质。
▮▮▮▮⚝ 后处理：根据需要，可以添加水果、果酱、糖、香精等，制成不同风味的酸奶。

⚝ 酱油 (soy sauce)：酱油的生产是一个复杂的多菌种、多阶段发酵过程。主要包括：
▮▮▮▮⚝ 制曲：将蒸熟的大豆和小麦混合，接种米曲霉等霉菌，在适宜的温度和湿度下培养，使霉菌生长繁殖，产生丰富的酶系（如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶）。制曲是酱油风味形成的关键步骤。
▮▮▮▮⚝ 发酵：将制好的曲与盐水混合，加入酵母菌和细菌（如乳酸菌、芽孢杆菌），进行液态发酵或固态发酵。发酵过程中，霉菌产生的酶系水解大豆和小麦中的蛋白质、淀粉和脂肪，产生氨基酸、肽类、糖类、脂肪酸等，酵母菌发酵糖类产生乙醇和风味物质，细菌参与风味形成和保藏。
▮▮▮▮⚝ 压榨：发酵成熟后，将发酵醪液进行压榨，分离出酱油原油。
▮▮▮▮⚝ 后处理：将酱油原油进行澄清、杀菌、调配、包装等后处理，制成成品酱油。

⚝ 面包 (bread)：面包的生产主要利用酵母菌发酵面粉。生产过程包括：
▮▮▮▮⚝ 和面：将面粉、水、酵母、盐、糖、油脂等原料混合，揉成面团。
▮▮▮▮⚝ 发酵：将面团在适宜的温度和湿度下进行发酵。酵母菌发酵面粉中的糖类产生二氧化碳，使面团膨胀，形成蓬松结构，同时产生乙醇和风味物质。
▮▮▮▮⚝ 整形：将发酵好的面团进行整形，制成各种形状的面包。
▮▮▮▮⚝ 烘烤：将整形好的面团放入烤箱烘烤。烘烤过程中，二氧化碳膨胀，面筋凝固，形成面包的最终结构和风味。

食品发酵是微生物技术在食品工业中的重要应用，随着人们对健康和营养的日益关注，发酵食品将继续受到欢迎，发酵技术也将不断创新和发展。

11.2.2 食品腐败与食品中毒 (Food Spoilage and Food Poisoning)

介绍引起食品腐败的微生物类型和腐败机制，以及常见的细菌性食物中毒和真菌毒素 (mycotoxins) 污染，以及食品安全控制措施。

食品腐败 (food spoilage) 是指食品在微生物、酶、化学反应等因素的作用下，导致感官品质（如色、香、味、形、质地）和营养价值下降，甚至产生有害物质，失去食用价值的过程。食品中毒 (food poisoning) 是指食用了被细菌、真菌、病毒、寄生虫或有毒化学物质污染的食品，引起的急性或亚急性疾病。食品腐败和食品中毒是食品安全的重要问题，直接关系到人类健康和生命安全。

① 食品腐败的微生物类型和腐败机制

引起食品腐败的微生物种类繁多，主要包括细菌、真菌（霉菌和酵母菌）和病毒（病毒性食品污染相对较少，主要通过粪-口途径传播）。不同类型的食品，其主要的腐败微生物和腐败机制有所不同。

⚝ 细菌性腐败：细菌是食品腐败的主要微生物。常见的腐败细菌包括假单胞菌属 ( Pseudomonas )、芽孢杆菌属 ( Bacillus )、肠杆菌科 (Enterobacteriaceae) 细菌、乳酸菌 (lactic acid bacteria, LAB) 等。细菌腐败的主要机制包括：
▮▮▮▮⚝ 蛋白质分解：细菌产生的蛋白酶分解食品中的蛋白质，产生胺类、硫化物、氨等腐败物质，导致食品产生恶臭、变色、质地软化等现象。例如，肉类、鱼类、蛋类等高蛋白食品容易发生细菌性腐败。
▮▮▮▮⚝ 碳水化合物分解：细菌产生的淀粉酶、纤维素酶、果胶酶等分解食品中的碳水化合物，产生有机酸、醇类、气体等代谢产物，导致食品产生酸味、异味、胀气、粘液等现象。例如，水果、蔬菜、谷物等富含碳水化合物的食品容易发生细菌性腐败。
▮▮▮▮⚝ 脂肪分解：细菌产生的脂肪酶分解食品中的脂肪，产生脂肪酸、甘油等，导致食品产生酸败味、哈喇味等现象。例如，油脂、乳制品、肉类等富含脂肪的食品容易发生细菌性腐败。

⚝ 真菌性腐败：真菌（霉菌和酵母菌）也是重要的食品腐败微生物。常见的腐败霉菌包括青霉属 ( Penicillium )、曲霉属 ( Aspergillus )、毛霉属 ( Mucor )、根霉属 ( Rhizopus ) 等。常见的腐败酵母菌包括假丝酵母属 ( Candida )、红酵母属 ( Rhodotorula )、毕赤酵母属 ( Pichia ) 等。真菌腐败的主要机制包括：
▮▮▮▮⚝ 霉菌生长：霉菌在食品表面生长繁殖，形成菌丝和孢子，产生霉斑、霉丝、绒毛等可见霉变现象，影响食品的感官品质。霉菌代谢活动还会产生霉味、异味。例如，面包、水果、蔬菜、谷物、奶酪等食品容易发生霉菌性腐败。
▮▮▮▮⚝ 酵母菌发酵：酵母菌在食品中发酵糖类，产生乙醇、二氧化碳等代谢产物，导致食品产生酒味、酸味、胀气、泡沫等现象。例如，果汁、饮料、蜂蜜、果酱等富含糖类的食品容易发生酵母菌性腐败。

② 细菌性食物中毒

细菌性食物中毒是指食用了被致病性细菌或其毒素污染的食品引起的疾病。根据致病机制，细菌性食物中毒可以分为感染型食物中毒和毒素型食物中毒。

⚝ 感染型食物中毒 (foodborne bacterial infections)：指食用了含有活的致病性细菌的食品，细菌在体内生长繁殖，侵袭组织或产生毒素，引起疾病。常见的感染型食物中毒菌包括：
▮▮▮▮⚝ 沙门菌属 ( Salmonella )：引起沙门菌病，主要症状为腹泻、腹痛、发热等。沙门菌广泛存在于动物和环境中，容易污染肉类、蛋类、乳制品、水产品等食品。
▮▮▮▮⚝ 弯曲菌属 ( Campylobacter )：引起弯曲菌病，主要症状为腹泻、腹痛、发热、呕吐等。弯曲菌主要存在于家禽和家畜的肠道中，容易污染禽肉、畜肉、生乳等食品。
▮▮▮▮⚝ 致病性大肠杆菌 (pathogenic Escherichia coli )：包括肠出血性大肠杆菌 (enterohemorrhagic E. coli, EHEC, 如O157:H7)、肠产毒性大肠杆菌 (enterotoxigenic E. coli, ETEC)、肠侵袭性大肠杆菌 (enteroinvasive E. coli, EIEC)、肠致病性大肠杆菌 (enteropathogenic E. coli, EPEC) 等，引起不同类型的大肠杆菌肠炎，主要症状为腹泻、腹痛、呕吐、发热，严重者可引起溶血性尿毒综合征 (hemolytic uremic syndrome, HUS)。致病性大肠杆菌主要污染肉类、生乳、蔬菜、水果等食品。
▮▮▮▮⚝ 李斯特菌属 ( Listeria )：引起李斯特菌病，主要症状为发热、肌肉痛、脑膜炎、败血症等，对孕妇、新生儿、老年人和免疫缺陷人群危害较大。李斯特菌广泛存在于环境中，能在低温条件下生长，容易污染冷藏食品，如乳制品、肉制品、即食食品等。
▮▮▮▮⚝ 副溶血性弧菌 ( Vibrio parahaemolyticus )：引起副溶血性弧菌食物中毒，主要症状为腹泻、腹痛、呕吐、发热等。副溶血性弧菌主要存在于海水和海产品中，容易污染海鲜、贝类等水产品。

⚝ 毒素型食物中毒 (foodborne bacterial intoxications)：指食用了含有细菌外毒素或内毒素的食品，毒素直接作用于人体，引起疾病。常见的毒素型食物中毒菌包括：
▮▮▮▮⚝ 金黄色葡萄球菌 ( Staphylococcus aureus )：产生葡萄球菌肠毒素 (staphylococcal enterotoxins, SEs)，引起葡萄球菌食物中毒，主要症状为呕吐、腹泻、腹痛等，发病快、恢复快。金黄色葡萄球菌广泛存在于人和动物的皮肤、鼻腔、咽喉等部位，容易污染乳制品、肉制品、熟食等食品。
▮▮▮▮⚝ 肉毒梭菌 ( Clostridium botulinum )：产生肉毒毒素 (botulinum toxin, BoNT)，引起肉毒中毒，是一种神经麻痹性食物中毒，病情严重，病死率高。肉毒梭菌是严格厌氧菌，容易在低酸性罐头食品、真空包装食品、发酵豆制品等厌氧环境中生长繁殖，产生肉毒毒素。
▮▮▮▮⚝ 蜡样芽孢杆菌 ( Bacillus cereus )：产生催吐毒素 (emetic toxin) 和腹泻毒素 (diarrheal toxin)，引起蜡样芽孢杆菌食物中毒，主要症状为呕吐或腹泻。蜡样芽孢杆菌广泛存在于环境中，容易污染米饭、炒饭、剩饭剩菜等食品。
▮▮▮▮⚝ 产气荚膜梭菌 ( Clostridium perfringens )：产生产气荚膜梭菌肠毒素 ( Clostridium perfringens enterotoxin, CPE)，引起产气荚膜梭菌食物中毒，主要症状为腹泻、腹痛。产气荚膜梭菌是兼性厌氧菌，容易在肉类、禽类、肉汁等食品中生长繁殖。

③ 真菌毒素 (mycotoxins) 污染

真菌毒素 (mycotoxins) 是指霉菌在食品和饲料中生长繁殖过程中产生的有毒代谢产物。真菌毒素具有致癌性、致畸性、致突变性、免疫抑制性和肝肾毒性等多种毒性作用，对人类和动物健康构成严重威胁。常见的真菌毒素包括：

⚝ 黄曲霉毒素 (aflatoxins, AFs)：由黄曲霉 ( Aspergillus flavus )、寄生曲霉 ( Aspergillus parasiticus ) 等霉菌产生，是毒性最强的真菌毒素之一，具有强致癌性，主要污染花生、玉米、大米、坚果、食用油等食品。

⚝ 赭曲霉毒素A (ochratoxin A, OTA)：由赭曲霉 ( Aspergillus ochraceus )、构巢曲霉 ( Aspergillus nidulans )、产黄青霉 ( Penicillium verrucosum ) 等霉菌产生，具有肾毒性、致癌性和免疫抑制性，主要污染谷物、咖啡豆、可可豆、葡萄酒、啤酒等食品。

⚝ 伏马菌素 (fumonisins, FBs)：由串珠镰刀菌 ( Fusarium verticillioides )、燕麦镰刀菌 ( Fusarium avenaceum ) 等镰刀菌属霉菌产生，具有神经毒性、肝毒性和致癌性，主要污染玉米及其制品。

⚝ 玉米赤霉烯酮 (zearalenone, ZEN)：由禾谷镰刀菌 ( Fusarium graminearum )、雪腐镰刀菌 ( Fusarium nivale ) 等镰刀菌属霉菌产生，具有雌激素样作用，引起动物生殖障碍，主要污染玉米、小麦、大麦等谷物。

⚝ 脱氧雪腐镰刀菌烯醇 (deoxynivalenol, DON, 又称呕吐毒素 vomitoxin)：由禾谷镰刀菌 ( Fusarium graminearum )、雪腐镰刀菌 ( Fusarium nivale ) 等镰刀菌属霉菌产生，具有免疫抑制性和胃肠道毒性，引起动物呕吐、拒食等症状，主要污染小麦、玉米、大麦等谷物。

⚝ 展青霉素 (patulin, PAT)：由扩展青霉 ( Penicillium expansum )、苹果青霉 ( Penicillium mali ) 等青霉属霉菌产生，具有免疫毒性、神经毒性和致畸性，主要污染苹果、梨及其制品，如苹果汁、梨汁等。

④ 食品安全控制措施

为了预防食品腐败和食品中毒，保障食品安全，需要采取一系列控制措施，包括：

⚝ 控制微生物污染：
▮▮▮▮⚝ 原料控制：选择新鲜、无污染的食品原料。
▮▮▮▮⚝ 卫生操作：保持食品加工环境、设备、人员的清洁卫生，防止微生物污染。
▮▮▮▮⚝ 有效杀菌：采用加热杀菌、辐射杀菌、过滤除菌等方法，杀死食品中的微生物。

⚝ 抑制微生物生长：
▮▮▮▮⚝ 低温保藏：采用冷藏、冷冻等低温方法，抑制微生物生长繁殖。
▮▮▮▮⚝ 干燥脱水：采用干燥、脱水等方法，降低食品的水分活度，抑制微生物生长。
▮▮▮▮⚝ 添加防腐剂：添加化学防腐剂（如苯甲酸、山梨酸、二氧化硫）或天然防腐剂（如乳酸、醋酸、细菌素），抑制微生物生长。
▮▮▮▮⚝ 气调包装：采用真空包装、充氮包装、充二氧化碳包装等气调包装方法，改变包装内的气体成分，抑制需氧微生物生长。

⚝ 预防真菌毒素污染：
▮▮▮▮⚝ 原料筛选：严格筛选食品原料，剔除霉变、受损的原料。
▮▮▮▮⚝ 储藏条件控制：控制食品储藏的温度、湿度、通风等条件，防止霉菌生长。
▮▮▮▮⚝ 添加防霉剂：在饲料中添加防霉剂，抑制霉菌生长。
▮▮▮▮⚝ 脱毒处理：对已污染的食品和饲料进行物理、化学或生物脱毒处理，降低真菌毒素含量。

⚝ 加强食品安全监管：
▮▮▮▮⚝ 建立健全食品安全标准和法规。
▮▮▮▮⚝ 加强食品生产经营过程的监管和检查。
▮▮▮▮⚝ 加强食品安全风险监测和评估。
▮▮▮▮⚝ 提高消费者食品安全意识和自我保护能力。

食品安全是关系到国计民生的大事，需要政府、企业、科研机构和消费者共同努力，构建全社会共同参与的食品安全保障体系。

11.2.3 食品保藏 (Food Preservation)

介绍食品保藏的原理和方法，包括物理保藏方法（如加热 sterilization, 冷藏 refrigeration, 干燥 drying, 辐射 irradiation）和化学保藏方法（如添加防腐剂 preservatives）。

食品保藏 (food preservation) 是指采用各种物理、化学或生物方法，抑制或杀死食品中的微生物，减缓食品的酶促反应和化学反应，防止食品腐败变质，延长食品保藏期，保持食品的营养价值和感官品质的技术和方法。食品保藏是食品工业的重要组成部分，对于保障食品供应、减少食品浪费、提高食品利用率具有重要意义。

① 食品保藏的原理

食品腐败变质的主要原因是微生物的生长繁殖和食品自身的酶促反应和化学反应。因此，食品保藏的原理主要包括以下几个方面：

⚝ 抑制或杀死微生物：通过加热、辐射、过滤、添加防腐剂等方法，杀死或抑制食品中的微生物，防止微生物引起的腐败变质。

⚝ 降低水分活度：通过干燥、浓缩、添加盐或糖等方法，降低食品的水分活度 (water activity, $a_{w}$ )，抑制微生物生长和酶活性。水分活度是指食品中水分的有效程度，是影响微生物生长的重要因素。大多数腐败菌和致病菌在水分活度低于0.85时难以生长。

⚝ 降低温度：通过冷藏、冷冻等低温方法，降低食品的温度，减缓微生物生长繁殖速度和酶促反应速度。低温不能杀死微生物，只能抑制其生长。

⚝ 改变pH值：通过添加酸或发酵等方法，降低食品的pH值，抑制某些微生物生长。大多数腐败菌和致病菌在酸性条件下生长受到抑制。

⚝ 改变气体环境：通过真空包装、气调包装等方法，改变食品周围的气体环境，抑制需氧微生物生长，或减缓食品的氧化反应。

⚝ 抑制酶活性：通过加热、冷冻、添加酶抑制剂等方法，抑制食品自身的酶活性，减缓酶促反应引起的品质劣变。

② 物理保藏方法

物理保藏方法是指利用物理因素（如温度、辐射、压力等）进行食品保藏的方法。常见的物理保藏方法包括：

⚝ 加热灭菌 (heat sterilization)：利用高温杀死食品中的微生物，包括商业无菌 (commercial sterility) 和巴氏杀菌 (pasteurization)。
▮▮▮▮⚝ 商业无菌 (commercial sterility)：指通过高温灭菌处理，杀死食品中所有致病菌和腐败菌，以及在常温下能生长繁殖的芽孢，使食品在常温下长期保藏。商业无菌通常采用罐头、高温杀菌软包装等形式。常用的商业无菌灭菌方法包括湿热灭菌（如高压蒸汽灭菌 autoclave）和干热灭菌（如干热灭菌箱 dry heat oven）。
▮▮▮▮⚝ 巴氏杀菌 (pasteurization)：指在较低温度下（通常为60-85℃）加热食品一定时间，杀死食品中大部分致病菌和腐败菌，但不能杀死所有微生物，特别是芽孢。巴氏杀菌主要用于液态食品（如牛奶、果汁、啤酒）的保藏，可以延长食品的保藏期，同时最大限度地保留食品的营养成分和风味。常用的巴氏杀菌方法包括低温长时间杀菌 (low temperature long time, LTLT) 和高温短时间杀菌 (high temperature short time, HTST)。
▮▮▮▮⚝ 超高温瞬时灭菌 (ultra-high temperature sterilization, UHT)：指在极短时间内（通常为几秒钟）将食品加热到极高温度（通常为135-150℃），然后迅速冷却，达到商业无菌的目的。UHT灭菌可以最大限度地减少食品的营养损失和风味变化，常用于牛奶、果汁、饮料等液态食品的灭菌。

⚝ 冷藏 (refrigeration)：指将食品储藏在低温（通常为0-10℃）条件下，减缓微生物生长繁殖速度和酶促反应速度，延长食品的保藏期。冷藏主要用于新鲜食品（如蔬菜、水果、肉类、乳制品）的短期保藏。

⚝ 冷冻 (freezing)：指将食品储藏在极低温（通常为-18℃以下）条件下，使食品中的水分结冰，降低水分活度，抑制微生物生长和酶活性，长期保藏食品。冷冻主要用于肉类、鱼类、禽类、冷冻蔬菜、冷冻水果等食品的长期保藏。

⚝ 干燥 (drying)：指通过加热、通风、真空等方法，去除食品中的水分，降低水分活度，抑制微生物生长和酶活性，延长食品的保藏期。干燥方法包括自然干燥（如晒干、风干）、热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、喷雾干燥等。干燥主要用于谷物、豆类、果蔬干、肉干、奶粉等食品的保藏。

⚝ 辐射灭菌 (irradiation sterilization)：利用电离辐射（如γ射线、X射线、电子束）照射食品，杀死食品中的微生物，延长食品的保藏期。辐射灭菌属于冷杀菌技术，对食品的营养成分和感官品质影响较小。辐射灭菌主要用于香辛料、冷冻食品、果蔬、肉类等食品的保藏。

⚝ 高压处理 (high pressure processing, HPP)：利用高压（通常为100-800 MPa）处理食品，杀死食品中的微生物，抑制酶活性，延长食品的保藏期。高压处理属于非热加工技术，对食品的营养成分和感官品质影响较小。高压处理主要用于果汁、果酱、肉制品、海鲜等食品的保藏。

⚝ 脉冲电场 (pulsed electric field, PEF)：利用脉冲电场处理食品，破坏微生物的细胞膜，杀死微生物，延长食品的保藏期。脉冲电场属于非热加工技术，对食品的营养成分和感官品质影响较小。脉冲电场主要用于果汁、牛奶、液蛋等液态食品的保藏。

⚝ 超声波 (ultrasound)：利用超声波处理食品，破坏微生物的细胞结构，杀死微生物，延长食品的保藏期。超声波属于非热加工技术，对食品的营养成分和感官品质影响较小。超声波主要用于果汁、牛奶、肉类等食品的保藏。

⚝ 过滤除菌 (filtration sterilization)：利用滤膜（孔径通常为0.22 μm或更小）过滤食品，去除食品中的微生物，达到除菌的目的。过滤除菌属于冷杀菌技术，对食品的营养成分和感官品质影响较小。过滤除菌主要用于饮料、酒类、调味品等液态食品的除菌。

③ 化学保藏方法

化学保藏方法是指添加化学防腐剂 (chemical preservatives) 抑制微生物生长，延长食品保藏期的方法。常用的化学防腐剂包括：

⚝ 有机酸及其盐类：如苯甲酸及其钠盐、山梨酸及其钾盐、丙酸及其钙盐、醋酸、乳酸、柠檬酸等。有机酸及其盐类通过降低pH值，破坏微生物细胞膜，抑制酶活性，达到防腐目的。常用于果汁、饮料、酱油、醋、果酱、腌制品等食品的保藏。

⚝ 酯类：如尼泊金酯（对羟基苯甲酸酯）等。尼泊金酯具有广谱抗菌活性，对细菌、酵母菌和霉菌均有抑制作用。常用于饮料、果汁、酱油、化妆品、医药等产品的防腐。

⚝ 醇类：如乙醇、丙二醇等。醇类通过破坏微生物细胞膜，使蛋白质变性，达到防腐目的。乙醇常用于酒类、饮料、糕点等食品的防腐。

⚝ 二氧化硫及其盐类：如二氧化硫、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钾等。二氧化硫及其盐类具有漂白、防腐、抗氧化作用。常用于果蔬干、蜜饯、葡萄酒、果汁等食品的保藏。但二氧化硫可能引起过敏反应，且残留量受到限制。

⚝ 硝酸盐和亚硝酸盐：如硝酸钠、亚硝酸钠等。硝酸盐和亚硝酸盐主要用于肉制品的保藏，具有发色、防腐、抑制肉毒梭菌生长的作用。但亚硝酸盐可能与胺类反应生成亚硝胺，具有致癌性，使用量受到严格限制。

⚝ 抗生素：如乳酸链球菌素 (nisin)、那他霉素 (natamycin) 等。抗生素是由微生物产生的具有抑菌或杀菌作用的物质。乳酸链球菌素主要用于乳制品、肉制品、罐头食品的保藏，那他霉素主要用于奶酪、香肠、糕点等食品的防霉。

④ 生物保藏方法

生物保藏方法是指利用天然的生物因子或微生物及其代谢产物，抑制食品中腐败菌和致病菌的生长，延长食品保藏期的方法。生物保藏方法具有天然、安全、营养等优点，是食品保藏技术的发展趋势。常见的生物保藏方法包括：

⚝ 发酵保藏：利用有益微生物（如乳酸菌、酵母菌）发酵食品，产生有机酸、乙醇、细菌素等代谢产物，抑制腐败菌生长，延长食品保藏期。酸奶、泡菜、酸菜、酱油、醋等发酵食品就是典型的发酵保藏食品。

⚝ 细菌素 (bacteriocins)：细菌素是由某些细菌产生的具有抑菌或杀菌作用的蛋白质或肽类物质。乳酸链球菌素 (nisin) 是应用最广泛的细菌素，由乳酸链球菌 ( Lactococcus lactis ) 产生，对革兰氏阳性菌有较好的抑制作用。细菌素可以作为天然防腐剂，用于食品保藏。

⚝ 噬菌体 (bacteriophages)：噬菌体是感染细菌的病毒，具有宿主特异性，可以特异性地裂解和杀死目标细菌。噬菌体可以作为生物控制剂，用于食品中致病菌（如李斯特菌、沙门菌、大肠杆菌）的控制，提高食品安全水平。

⚝ 植物精油 (essential oils)：植物精油是从植物中提取的挥发性芳香物质，具有抗菌、抗氧化、防腐等多种生物活性。某些植物精油（如丁香油、肉桂油、百里香油、迷迭香油）可以作为天然防腐剂，用于食品保藏。

⚝ 壳聚糖 (chitosan)：壳聚糖是从甲壳类动物（如虾、蟹）的壳中提取的天然多糖，具有抗菌、抗氧化、保鲜等多种功能。壳聚糖可以作为天然保鲜剂，用于果蔬、肉类、水产品等食品的保鲜。

食品保藏技术是保障食品安全和质量的重要手段，随着科技的进步和人们对健康、营养、安全食品的需求不断提高，食品保藏技术将朝着高效、安全、天然、营养、环保的方向发展。

11.3 环境微生物学 (Environmental Microbiology)

介绍微生物在环境中的作用，包括生物地球化学循环 (biogeochemical cycles)、生物修复 (bioremediation)、污水处理 (wastewater treatment)、土壤微生物学 (soil microbiology) 和大气微生物学 (atmospheric microbiology)。

环境微生物学 (environmental microbiology) 是研究环境中微生物的分布、多样性、生理代谢、生态功能及其与环境相互作用的学科。微生物在地球生态系统中发挥着至关重要的作用，参与物质循环、能量流动、污染物降解、生态平衡等重要过程。环境微生物学关注微生物在自然环境（如土壤、水体、大气）和人工环境（如污水处理厂、生物反应器）中的作用，以及如何利用微生物技术解决环境问题，改善环境质量。

11.3.1 生物地球化学循环 (Biogeochemical Cycles)

介绍微生物在碳循环 (carbon cycle)、氮循环 (nitrogen cycle)、硫循环 (sulfur cycle)、磷循环 (phosphorus cycle) 等生物地球化学循环中的关键作用。

生物地球化学循环 (biogeochemical cycles) 是指化学元素在生物圈（生物、大气、水圈、岩石圈）中循环转化的过程。生物地球化学循环是维持地球生命系统正常运转的关键，微生物在生物地球化学循环中发挥着核心作用，驱动着各种元素的转化、迁移和循环。主要的生物地球化学循环包括碳循环、氮循环、硫循环、磷循环、水循环等。

① 碳循环 (carbon cycle)

碳是生命有机体的基本组成元素，碳循环是地球上最重要的生物地球化学循环之一。碳循环主要包括以下过程：

⚝ 光合作用 (photosynthesis)：绿色植物、藻类和光合细菌利用光能，将二氧化碳 (CO2) 和水 (H2O) 合成有机物（主要是糖类），并将光能转化为化学能，固定在有机物中。光合作用是碳进入生物圈的主要途径。 ${CO}_{2} + H_{2} O \overset{光能}{\to} [{CH}_{2} O] + O_{2}$ 其中， $[{CH}_{2} O]$ 代表糖类等有机物。

⚝ 呼吸作用 (respiration)：生物（包括植物、动物和微生物）通过呼吸作用，将有机物氧化分解，释放二氧化碳 (CO2) 和水 (H2O)，并将有机物中的化学能释放出来，供生命活动利用。呼吸作用是碳从生物圈返回大气圈的主要途径。 $[{CH}_{2} O] + O_{2} \overset{酶}{\to} {CO}_{2} + H_{2} O + 能量$ ⚝ 分解作用 (decomposition)：腐生微生物（如细菌、真菌）分解动植物残体、排泄物等有机物，将复杂的有机物分解为简单的无机物，如二氧化碳 (CO2)、水 (H2O)、氨 (NH3)、磷酸盐 (PO43-) 等，并将有机物中的碳释放出来，参与碳循环。分解作用是碳循环的重要环节，促进了有机物的矿化和营养元素的再循环。

⚝ 化能自养作用 (chemoautotrophy)：某些化能自养微生物（如甲烷氧化菌、氨氧化菌、亚硝酸氧化菌、硫氧化菌）利用无机物氧化释放的化学能，将二氧化碳 (CO2) 合成有机物。化能自养作用是碳进入生物圈的另一种途径，虽然量相对较小，但在某些特殊环境中（如深海热泉、地下深层）具有重要意义。例如，甲烷氧化菌利用甲烷氧化释放的能量，将二氧化碳合成为有机物。 ${CH}_{4} + 2 O_{2} \overset{甲烷氧化菌}{\to} {CO}_{2} + 2 H_{2} O + 能量$ ${CO}_{2} + 能量 \overset{甲烷氧化菌}{\to} [{CH}_{2} O]$ ⚝ 甲烷生成作用 (methanogenesis)：甲烷生成古菌 (methanogenic archaea) 在严格厌氧条件下，利用二氧化碳 (CO2)、氢气 (H2)、乙酸 (CH3COOH) 等底物，生成甲烷 (CH4)。甲烷是一种温室气体，甲烷生成作用是碳循环中重要的碳排放过程。甲烷生成作用主要发生在沼泽、稻田、反刍动物肠道、垃圾填埋场、污水处理厂厌氧消化池等厌氧环境中。 ${CO}_{2} + 4 H_{2} \overset{甲烷生成古菌}{\to} {CH}_{4} + 2 H_{2} O$ ${CH}_{3} COOH \overset{甲烷生成古菌}{\to} {CH}_{4} + {CO}_{2}$ ⚝ 碳酸盐沉积 (carbonate sedimentation)：海洋生物（如珊瑚、贝壳、有孔虫）利用溶解在海水中的碳酸氢根离子 (HCO3-) 和钙离子 (Ca2+)，形成碳酸钙 (CaCO3) 骨骼和外壳，沉积在海底，形成石灰岩等碳酸盐岩。碳酸盐沉积是碳从生物圈和水圈转移到岩石圈的重要途径，是长期碳储存的主要形式。

⚝ 化石燃料形成 (fossil fuel formation)：古代生物（主要是植物和藻类）死亡后，其遗体在厌氧、高温高压条件下，经过漫长地质年代的转化，形成煤炭、石油、天然气等化石燃料。化石燃料是长期碳储存的另一种形式。

⚝ 化石燃料燃烧 (fossil fuel combustion)：人类活动大量燃烧煤炭、石油、天然气等化石燃料，将长期储存在岩石圈中的碳以二氧化碳 (CO2) 的形式释放到大气圈，导致大气中二氧化碳浓度升高，引起温室效应和气候变化。

微生物在碳循环的各个环节都发挥着重要作用，特别是光合细菌、腐生细菌、真菌、甲烷氧化菌和甲烷生成古菌等微生物，驱动着碳的固定、分解、转化和排放，维持着地球碳循环的平衡。

② 氮循环 (nitrogen cycle)

氮是蛋白质、核酸等生物大分子的重要组成元素，氮循环是地球上另一个重要的生物地球化学循环。氮循环主要包括以下过程：

⚝ 固氮作用 (nitrogen fixation)：固氮微生物（如固氮菌 Azotobacter、根瘤菌 Rhizobium、蓝细菌 cyanobacteria）将大气中的氮气 (N2) 转化为氨 (NH3)，氨进一步转化为铵离子 (NH4+)，进入生物圈。固氮作用是氮进入生物圈的主要途径。 $N_{2} + 8 H^{+} + 8 e^{-} + 16 ATP \overset{固氮酶}{\to} 2 {NH}_{3} + H_{2} + 16 ADP + 16 P_{i}$ ⚝ 氨化作用 (ammonification)：氨化微生物（如细菌、真菌）分解动植物残体、排泄物等有机物中的含氮有机物（如蛋白质、核酸），将有机氮转化为氨 (NH3) 或铵离子 (NH4+)。氨化作用是氮循环的重要环节，促进了有机氮的矿化。

⚝ 硝化作用 (nitrification)：硝化细菌（如氨氧化菌 Nitrosomonas、亚硝酸氧化菌 Nitrobacter）将铵离子 (NH4+) 氧化为亚硝酸盐 (NO2-)，再将亚硝酸盐氧化为硝酸盐 (NO3-)。硝化作用是一个两步过程，由不同类型的硝化细菌完成。硝化作用将铵态氮转化为硝态氮，硝态氮更易于被植物吸收利用。 ${NH}_{4}^{+} + 1.5 O_{2} \overset{氨氧化菌}{\to} {NO}_{2}^{-} + H_{2} O + 2 H^{+}$ ${NO}_{2}^{-} + 0.5 O_{2} \overset{亚硝酸氧化菌}{\to} {NO}_{3}^{-}$ ⚝ 反硝化作用 (denitrification)：反硝化细菌（如假单胞菌属 Pseudomonas、芽孢杆菌属 Bacillus）在厌氧条件下，利用硝酸盐 (NO3-) 作为最终电子受体进行厌氧呼吸，将硝酸盐还原为氮气 (N2) 或一氧化二氮 (N2O)。反硝化作用是氮从生物圈返回大气圈的主要途径，也是氮循环中重要的氮损失过程。 $2 {NO}_{3}^{-} + 10 e^{-} + 12 H^{+} \overset{反硝化细菌}{\to} N_{2} + 6 H_{2} O$ ⚝ 厌氧氨氧化作用 (anaerobic ammonium oxidation, anammox)：厌氧氨氧化菌 (anammox bacteria) 在厌氧条件下，利用铵离子 (NH4+) 和亚硝酸盐 (NO2-) 作为底物，直接将铵离子氧化为氮气 (N2)。厌氧氨氧化作用是一种新型的脱氮途径，在海洋、淡水和污水处理系统中具有重要意义。 ${NH}_{4}^{+} + {NO}_{2}^{-} \overset{厌氧氨氧化菌}{\to} N_{2} + 2 H_{2} O$ ⚝ 同化作用 (assimilation)：植物、微生物等生物吸收铵离子 (NH4+) 和硝酸盐 (NO3-)，将其转化为氨基酸、蛋白质、核酸等有机氮化合物，构建自身生物体。同化作用是无机氮转化为有机氮的过程。

微生物在氮循环的各个环节都发挥着关键作用，特别是固氮菌、氨化菌、硝化细菌、反硝化细菌和厌氧氨氧化菌等微生物，驱动着氮的固定、矿化、转化和损失，维持着地球氮循环的平衡。

③ 硫循环 (sulfur cycle)

硫是蛋白质、维生素等生物分子的重要组成元素，硫循环是地球上重要的生物地球化学循环之一。硫循环主要包括以下过程：

⚝ 硫矿化作用 (sulfur mineralization)：硫矿化微生物（如细菌、真菌）分解动植物残体、排泄物等有机物中的有机硫化合物（如蛋白质中的含硫氨基酸），将有机硫转化为硫化氢 (H2S)。硫化氢是一种还原态硫，具有恶臭。

⚝ 硫氧化作用 (sulfur oxidation)：硫氧化细菌（如硫杆菌属 Thiobacillus、硫微菌属 Thiomicrospira）将硫化氢 (H2S)、元素硫 (S0)、硫代硫酸盐 (S2O32-) 等还原态硫氧化为硫酸盐 (SO42-)。硫氧化作用是一个多步过程，由不同类型的硫氧化细菌完成。硫酸盐是氧化态硫，易于被植物吸收利用。 $H_{2} S + 2 O_{2} \overset{硫氧化细菌}{\to} {SO}_{4}^{2 -} + 2 H^{+}$ $S^{0} + 1.5 O_{2} + H_{2} O \overset{硫氧化细菌}{\to} {SO}_{4}^{2 -} + 2 H^{+}$ ⚝ 硫酸盐还原作用 (sulfate reduction)：硫酸盐还原菌 (sulfate-reducing bacteria, SRB) 在厌氧条件下，利用硫酸盐 (SO42-) 作为最终电子受体进行厌氧呼吸，将硫酸盐还原为硫化氢 (H2S)。硫酸盐还原作用是硫循环中重要的还原过程，也是硫化氢的主要来源。硫酸盐还原作用主要发生在海洋沉积物、沼泽、厌氧土壤等厌氧环境中。 ${SO}_{4}^{2 -} + 8 e^{-} + 10 H^{+} \overset{硫酸盐还原菌}{\to} H_{2} S + 4 H_{2} O$ ⚝ 硫同化作用 (sulfur assimilation)：植物、微生物等生物吸收硫酸盐 (SO42-)，将其转化为含硫氨基酸（如半胱氨酸、蛋氨酸）等有机硫化合物，构建自身生物体。硫同化作用是无机硫转化为有机硫的过程。

⚝ 硫化氢氧化作用 (sulfide oxidation)：光合硫细菌 (photosynthetic sulfur bacteria) 和化能自养硫氧化细菌 (chemoautotrophic sulfur-oxidizing bacteria) 利用硫化氢 (H2S) 作为电子供体进行光合作用或化能自养作用，将硫化氢氧化为元素硫 (S0) 或硫酸盐 (SO42-)。硫化氢氧化作用可以去除环境中的硫化氢，减轻硫化氢的毒害和恶臭。

微生物在硫循环的各个环节都发挥着重要作用，特别是硫矿化菌、硫氧化细菌、硫酸盐还原菌和光合硫细菌等微生物，驱动着硫的矿化、氧化、还原和同化，维持着地球硫循环的平衡。

④ 磷循环 (phosphorus cycle)

磷是核酸、磷脂、ATP等生物分子的重要组成元素，磷循环是地球上重要的生物地球化学循环之一。磷循环与碳循环、氮循环、硫循环等循环有所不同，磷循环主要发生在岩石圈、水圈和生物圈之间，大气圈参与较少。磷循环主要包括以下过程：

⚝ 磷矿化作用 (phosphorus mineralization)：磷矿化微生物（如细菌、真菌）分解动植物残体、排泄物等有机物中的有机磷化合物（如核酸、磷脂），将有机磷转化为无机磷（主要是磷酸盐 PO43-）。磷矿化作用是磷循环的重要环节，促进了有机磷的矿化。

⚝ 磷溶解作用 (phosphorus solubilization)：溶磷微生物（如细菌、真菌）分泌有机酸（如柠檬酸、葡糖酸）或磷酸酶，将难溶性无机磷（如磷酸钙、磷酸铁、磷酸铝）转化为可溶性磷酸盐 (PO43-)。磷溶解作用提高了土壤中磷的生物有效性，促进了植物对磷的吸收利用。

⚝ 磷吸收作用 (phosphorus uptake)：植物、微生物等生物吸收可溶性磷酸盐 (PO43-)，将其转化为有机磷化合物，构建自身生物体。磷吸收作用是无机磷转化为有机磷的过程。

⚝ 磷沉淀作用 (phosphorus precipitation)：在碱性或富含钙、铁、铝离子的环境中，可溶性磷酸盐 (PO43-) 容易与钙离子 (Ca2+)、铁离子 (Fe3+)、铝离子 (Al3+) 结合，形成难溶性磷酸盐沉淀，降低磷的生物有效性。

⚝ 磷矿物风化 (phosphorus mineral weathering)：岩石风化是磷进入生物圈的主要途径。物理风化（如温度变化、冰冻风化、机械磨损）和化学风化（如水解、氧化、溶解）作用，将岩石中的磷矿物（如磷灰石）分解，释放出可溶性磷酸盐 (PO43-)。

⚝ 磷矿开采和施肥 (phosphorus mining and fertilization)：人类活动大量开采磷矿，生产磷肥，施用于农田，提高土壤磷含量，促进作物生长。但过量施用磷肥可能导致水体富营养化，引起藻类过度繁殖和水质恶化。

微生物在磷循环中主要参与磷矿化作用和磷溶解作用，促进了有机磷的矿化和难溶性无机磷的溶解，提高了土壤中磷的生物有效性，对植物生长和生态系统功能具有重要意义。

生物地球化学循环是地球生命系统的重要组成部分，微生物在生物地球化学循环中发挥着不可替代的作用。深入研究微生物在生物地球化学循环中的作用机制，对于理解地球生命系统的运行规律，解决全球环境问题（如气候变化、氮污染、磷富营养化），实现可持续发展具有重要意义。

11.3.2 生物修复 (Bioremediation)

介绍生物修复的原理和类型，以及微生物在污染物降解 (pollutant degradation)、重金属去除 (heavy metal removal)、石油污染治理 (oil spill cleanup) 等环境修复中的应用。

生物修复 (bioremediation) 是指利用生物（主要是微生物、植物和酶）的代谢活动，降解、转化或去除环境中的污染物，使污染环境恢复到原有状态或适宜人类居住和生态系统健康的状态的技术。生物修复是一种绿色、经济、高效、环境友好的污染治理技术，在环境污染治理领域具有广阔的应用前景。

① 生物修复的原理

生物修复的原理是利用生物的代谢能力，将污染物转化为无毒或低毒的物质。生物修复主要依赖于微生物的降解作用和植物的吸收、富集和转化作用。

⚝ 微生物降解作用 (microbial degradation)：微生物（如细菌、真菌、古菌）具有丰富的酶系统，能够分解、转化各种有机污染物（如石油烃、农药、多环芳烃、多氯联苯、二噁英）和无机污染物（如重金属）。微生物降解作用是生物修复的核心机制。微生物降解污染物主要通过以下途径：
▮▮▮▮⚝ 完全矿化 (complete mineralization)：微生物将有机污染物完全分解为二氧化碳 (CO2)、水 (H2O)、无机盐等无机小分子，彻底去除污染物。
▮▮▮▮⚝ 部分降解 (partial degradation)：微生物将有机污染物部分分解为结构更简单、毒性更低的中间产物。
▮▮▮▮⚝ 共代谢 (cometabolism)：微生物在代谢主要底物的同时，偶然地降解另一种污染物，但污染物本身不能作为微生物的能源和碳源。
▮▮▮▮⚝ 生物转化 (biotransformation)：微生物通过酶催化反应，改变污染物的化学结构，使其毒性降低或易于去除。

⚝ 植物修复作用 (phytoremediation)：植物通过根系吸收、地上部分吸收、根际微生物作用等途径，吸收、富集、转化或挥发土壤、水体和大气中的污染物。植物修复作用主要用于重金属污染、有机污染物污染和营养盐污染的治理。植物修复作用包括：
▮▮▮▮⚝ 植物提取 (phytoextraction)：植物根系吸收土壤中的重金属，并将其富集在地上部分，收获地上部分后，将重金属从环境中去除。
▮▮▮▮⚝ 植物稳定 (phytostabilization)：植物根系吸附、沉淀或络合土壤中的重金属，固定重金属，降低重金属的迁移性和生物有效性，防止重金属污染扩散。
▮▮▮▮⚝ 植物挥发 (phytovolatilization)：植物将土壤或水体中的挥发性污染物（如汞、硒）或可转化为挥发性物质的污染物（如三氯乙烯）吸收后，通过蒸腾作用将污染物以气态形式释放到大气中。
▮▮▮▮⚝ 植物降解 (phytodegradation)：植物体内酶系统或根际微生物降解植物吸收的有机污染物。
▮▮▮▮⚝ 根际过滤 (rhizofiltration)：植物根系吸附、过滤水体中的污染物（如重金属、放射性核素、营养盐）。
▮▮▮▮⚝ 根际降解 (rhizodegradation)：植物根系分泌物刺激根际土壤中微生物的活性，促进根际土壤中有机污染物的降解。

② 生物修复的类型

根据修复地点和修复方式，生物修复可以分为原位生物修复 (in situ bioremediation) 和异位生物修复 (ex situ bioremediation)。

⚝ 原位生物修复 (in situ bioremediation)：指在污染现场直接进行生物修复，不需将污染物转移到其他地方。原位生物修复具有成本低、操作简便、对环境扰动小等优点，是生物修复的主要形式。原位生物修复包括：
▮▮▮▮⚝ 自然衰减 (natural attenuation)：利用环境中天然存在的微生物的降解能力，不加人为干预，依靠自然过程使污染物浓度降低。自然衰减适用于低浓度、易降解的污染物污染。
▮▮▮▮⚝ 生物刺激 (biostimulation)：通过添加营养物质（如氮、磷）、电子受体（如氧气、硝酸盐、硫酸盐）、电子供体（如甲烷、葡萄糖）等，刺激环境中土著微生物的生长和活性，增强微生物的降解能力。生物刺激适用于营养物质或电子受体/供体不足的污染环境。
▮▮▮▮⚝ 生物强化 (bioaugmentation)：向污染环境中引入具有高效降解能力的外源微生物，增强污染物的降解效率。生物强化适用于土著微生物降解能力不足或污染物难降解的污染环境。
▮▮▮▮⚝ 植物修复 (phytoremediation)：利用植物进行生物修复，包括植物提取、植物稳定、植物挥发、植物降解、根际过滤、根际降解等。植物修复适用于土壤、水体和大气污染的治理。

⚝ 异位生物修复 (ex situ bioremediation)：指将污染物从污染现场转移到其他地方，然后进行生物修复。异位生物修复具有可控性强、修复速度快、修复效果好等优点，但成本较高，操作复杂。异位生物修复包括：
▮▮▮▮⚝ 生物堆 (biopile)：将污染土壤挖出，与营养物质、水分、空气等混合，堆成堆状，利用土著微生物或外源微生物进行生物修复。生物堆适用于土壤污染的治理。
▮▮▮▮⚝ 生物反应器 (bioreactor)：将污染水体或污染土壤淋洗液导入生物反应器中，利用微生物或酶进行生物修复。生物反应器具有可控性强、修复效率高等优点，适用于水体污染和土壤污染的治理。生物反应器类型多样，包括活性污泥法、生物滤池法、膜生物反应器 (membrane bioreactor, MBR) 等。
▮▮▮▮⚝ 土地耕作法 (landfarming)：将污染土壤挖出，摊铺在耕地上，通过耕作、施肥、灌溉等措施，改善土壤条件，促进土著微生物对污染物的降解。土地耕作法适用于土壤污染的治理，成本较低，但占地面积大。
▮▮▮▮⚝ 堆肥化 (composting)：将污染土壤与有机废弃物（如秸秆、粪便、厨余垃圾）混合，进行堆肥，利用堆肥微生物对污染物进行降解。堆肥化适用于土壤污染和有机废弃物处理的结合。

③ 微生物在环境修复中的应用

微生物在环境修复中具有广泛的应用，主要包括污染物降解、重金属去除和石油污染治理等方面。

⚝ 污染物降解 (pollutant degradation)：微生物可以降解各种有机污染物，如：
▮▮▮▮⚝ 石油烃 (petroleum hydrocarbons)：石油烃降解菌（如假单胞菌属 Pseudomonas、不动杆菌属 Acinetobacter、节杆菌属 Arthrobacter）可以降解烷烃、烯烃、芳烃等石油烃成分。石油烃降解菌在石油污染土壤、石油污染水体、石油泄漏事故的生物修复中发挥重要作用。
▮▮▮▮⚝ 农药 (pesticides)：农药降解菌（如假单胞菌属 Pseudomonas、芽孢杆菌属 Bacillus、黄杆菌属 Flavobacterium）可以降解有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯农药等多种农药。农药降解菌在农药污染土壤、农药生产废水的生物修复中具有应用价值。
▮▮▮▮⚝ 多环芳烃 (polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)：PAHs降解菌（如假单胞菌属 Pseudomonas、分枝杆菌属 Mycobacterium、食烷菌属 Alcanivorax）可以降解萘、蒽、芘、苯并[a]芘等PAHs。PAHs降解菌在焦化厂污染土壤、石油污染土壤、沉积物污染的生物修复中发挥作用。
▮▮▮▮⚝ 多氯联苯 (polychlorinated biphenyls, PCBs)：PCBs降解菌（如伯克霍尔德氏菌属 Burkholderia、罗尔斯通氏菌属 Ralstonia、假单胞菌属 Pseudomonas）可以降解不同氯取代度的PCBs。PCBs降解菌在电子垃圾拆解场地污染土壤、工业场地污染土壤的生物修复中具有应用前景。
▮▮▮▮⚝ 二噁英 (dioxins)：二噁英降解菌（如鞘氨醇单胞菌属 Sphingomonas、红球菌属 Rhodococcus、芽孢杆菌属 Bacillus）可以降解四氯二苯并二噁英 (tetrachlorodibenzo-p-dioxin, TCDD) 等二噁英类污染物。二噁英降解菌在垃圾焚烧场地污染土壤、造纸厂污染土壤的生物修复中具有研究价值。

⚝ 重金属去除 (heavy metal removal)：微生物可以通过多种机制去除重金属，如：
▮▮▮▮⚝ 生物吸附 (biosorption)：微生物细胞壁、细胞外多糖等生物质吸附重金属离子。生物吸附是一种被动过程，不需要微生物的代谢活动，具有成本低、效率高、可再生等优点。生物吸附剂包括细菌、真菌、藻类、酵母菌等。
▮▮▮▮⚝ 生物富集 (bioaccumulation)：微生物细胞吸收、积累重金属离子。生物富集是一种主动过程，需要微生物的代谢活动，具有选择性强、富集倍数高等优点。生物富集菌包括金属硫蛋白产生菌、多聚磷酸盐积累菌等。
▮▮▮▮⚝ 生物沉淀 (bioprecipitation)：微生物代谢活动产生硫化物、磷酸盐、碳酸盐等阴离子，与重金属离子结合，形成难溶性沉淀，从溶液中去除重金属。生物沉淀菌包括硫酸盐还原菌、聚磷菌、产碱菌等。
▮▮▮▮⚝ 生物转化 (biotransformation)：微生物通过氧化还原反应、甲基化反应等，改变重金属的价态、形态和毒性。例如，铬还原菌将六价铬 (Cr(VI)) 还原为三价铬 (Cr(III))，降低铬的毒性和迁移性；汞还原菌将汞离子 (Hg2+) 还原为元素汞 (Hg0)，降低汞的毒性并易于挥发去除。

⚝ 石油污染治理 (oil spill cleanup)：微生物在石油泄漏事故的应急处理和长期修复中发挥重要作用。
▮▮▮▮⚝ 海上溢油应急处理：利用石油烃降解菌和生物表面活性剂产生菌，喷洒在海面溢油区，加速石油的分解和分散，减轻溢油对海洋生态环境的危害。
▮▮▮▮⚝ 石油污染土壤修复：利用生物刺激、生物强化、植物修复等技术，修复石油开采场地、炼油厂、加油站等石油污染土壤。
▮▮▮▮⚝ 石油污染地下水修复：利用原位生物修复技术，如生物刺激、生物强化、生物反应墙 (bioremediation barrier) 等，修复石油污染地下水。

生物修复技术是一种具有巨大潜力的环境污染治理技术，随着生物技术的不断发展，生物修复技术将更加成熟、高效、经济，为解决全球环境污染问题做出更大贡献。

11.3.3 污水处理 (Wastewater Treatment)

介绍污水处理的工艺流程和微生物在污水处理中的作用，包括活性污泥法 (activated sludge process)、生物滤池法 (biofiltration)、厌氧消化 (anaerobic digestion) 等。

污水处理 (wastewater treatment) 是指利用物理、化学和生物方法，去除污水中的污染物，使污水达到排放标准或回用标准的过程。污水处理是环境保护的重要组成部分，对于保障水资源安全、改善水环境质量、维护生态平衡具有重要意义。微生物在污水处理中发挥着核心作用，是污水处理的主力军。

① 污水处理的工艺流程

污水处理的工艺流程通常包括预处理、一级处理、二级处理和深度处理等阶段。

⚝ 预处理 (pretreatment)：预处理是污水处理的第一阶段，主要目的是去除污水中的粗大悬浮物、漂浮物、砂砾、油脂等，减轻后续处理单元的负荷，保护后续处理设备。预处理单元通常包括：
▮▮▮▮⚝ 格栅 (bar screen)：拦截污水中的粗大悬浮物和漂浮物（如树枝、塑料、布条、纸张等）。
▮▮▮▮⚝ 沉砂池 (grit chamber)：去除污水中的砂砾等无机颗粒。
▮▮▮▮⚝ 初沉池 (primary sedimentation tank)：利用重力沉降作用，去除污水中可沉降的悬浮物。初沉池出水称为一级处理出水。

⚝ 一级处理 (primary treatment)：一级处理是在预处理的基础上，进一步去除污水中的悬浮物和部分有机污染物。一级处理主要采用物理方法，如沉淀、过滤等。一级处理出水BOD5和CODCr去除率约为20-30%。

⚝ 二级处理 (secondary treatment)：二级处理是污水处理的核心阶段，主要目的是去除污水中的溶解性有机污染物和胶体状有机污染物，降低BOD5和CODCr。二级处理主要采用生物方法，利用微生物的代谢活动降解有机污染物。常用的二级处理方法包括活性污泥法、生物滤池法、生物转盘法、氧化沟法等。二级处理出水BOD5和CODCr去除率可达90%以上。

⚝ 深度处理 (tertiary treatment)：深度处理是在二级处理的基础上，进一步去除污水中的难降解有机污染物、氮、磷、重金属、病原微生物等，提高出水水质，满足更高的排放标准或回用要求。深度处理方法包括生物脱氮除磷、化学沉淀法、吸附法、膜分离法、高级氧化法、消毒等。

② 微生物在污水处理中的作用

微生物在污水处理中发挥着至关重要的作用，二级处理和深度处理主要依赖于微生物的代谢活动。微生物在污水处理中的作用主要包括：

⚝ 降解有机污染物：好氧微生物（如细菌、真菌、原生动物）在有氧条件下，利用污水中的溶解性有机污染物和胶体状有机污染物作为碳源和能源，进行好氧呼吸，将有机污染物分解为二氧化碳 (CO2)、水 (H2O) 和无机盐等无机小分子，降低BOD5和CODCr。厌氧微生物（如厌氧细菌、甲烷生成古菌）在厌氧条件下，通过厌氧消化，将有机污染物分解为甲烷 (CH4)、二氧化碳 (CO2) 和无机盐等，降低CODCr，并产生生物能源（甲烷）。

⚝ 去除氮：硝化细菌将氨氮 (NH4+-N) 氧化为硝酸盐氮 (NO3--N)，反硝化细菌将硝酸盐氮还原为氮气 (N2)，厌氧氨氧化菌将氨氮和亚硝酸盐氮直接转化为氮气 (N2)。通过硝化-反硝化或厌氧氨氧化等生物脱氮工艺，可以去除污水中的氮，防止水体富营养化。

⚝ 去除磷：聚磷菌 (polyphosphate-accumulating organisms, PAOs) 在好氧条件下过量吸收磷，并在细胞内积累聚磷酸盐。通过排泥，可以将富含磷的污泥从污水处理系统中去除，达到生物除磷的目的。

⚝ 去除重金属：微生物可以通过生物吸附、生物富集、生物沉淀、生物转化等机制，去除污水中的重金属。

⚝ 去除病原微生物：污水处理过程可以去除污水中的病原微生物，降低疾病传播风险。沉淀、过滤、生物处理、消毒等工艺均具有一定的去除病原微生物的效果。消毒是污水处理的最后一道屏障，常用的消毒方法包括氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒等。

③ 典型的污水生物处理工艺

⚝ 活性污泥法 (activated sludge process)：活性污泥法是应用最广泛的污水生物处理工艺。其基本原理是：将污水与活性污泥（富含好氧微生物的絮状体）混合，曝气，提供氧气，好氧微生物利用污水中的有机污染物作为碳源和能源，进行好氧呼吸，降解有机污染物，同时微生物自身繁殖，形成新的活性污泥。处理后的污水经过沉淀池，泥水分离，上清液排放或进一步处理，沉淀下来的活性污泥部分回流到曝气池，维持曝气池中活性污泥的浓度，剩余污泥排出系统。活性污泥法具有处理效果好、运行稳定、适应性强等优点，但能耗较高，污泥产量大。

⚝ 生物滤池法 (biofiltration)：生物滤池法是另一种常用的污水生物处理工艺。其基本原理是：将污水通过滤料层（如砂砾、碎石、塑料填料），滤料表面生长生物膜（富含好氧微生物的生物膜），污水流经滤料层时，生物膜上的好氧微生物吸附、降解污水中的有机污染物。生物滤池法具有能耗低、运行管理简单、污泥产量少等优点，但占地面积大，处理效率相对较低。生物滤池类型多样，包括普通生物滤池、高负荷生物滤池、曝气生物滤池 (biological aerated filter, BAF) 等。

⚝ 厌氧消化 (anaerobic digestion, AD)：厌氧消化是一种厌氧生物处理工艺，主要用于处理高浓度有机污水和污泥。其基本原理是：在厌氧条件下，利用厌氧微生物（包括水解细菌、产酸细菌、产乙酸细菌和甲烷生成古菌）的协同作用，将复杂的有机物分解为甲烷 (CH4)、二氧化碳 (CO2) 和无机盐等。厌氧消化具有能耗低、污泥产量少、产生生物能源（甲烷）等优点，但处理效率相对较低，启动时间长。厌氧消化工艺类型多样，包括普通厌氧消化、高温厌氧消化、中温厌氧消化、两相厌氧消化、厌氧流化床反应器 (anaerobic fluidized bed reactor, AFBR)、厌氧颗粒污泥床反应器 (upflow anaerobic sludge blanket reactor, UASB) 等。

⚝ 膜生物反应器 (membrane bioreactor, MBR)：膜生物反应器是将膜分离技术（如超滤膜、微滤膜）与生物处理技术（如活性污泥法、生物滤池法）相结合的新型污水处理工艺。MBR工艺中，膜组件代替传统沉淀池，进行泥水分离，活性污泥被膜截留在反应器内，出水水质高，污泥浓度高，占地面积小。MBR工艺具有出水水质好、运行稳定、占地面积小、易于自动化控制等优点，但膜污染和膜清洗是MBR工艺运行中的主要问题。

污水处理技术是保障水环境质量的重要手段，随着人口增长、工业发展和水资源短缺问题的日益突出，污水处理技术将不断创新和发展，朝着高效、节能、减排、资源化的方向发展，为实现水资源可持续利用和生态环境保护做出更大贡献。

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12. 医学微生物学与感染控制 (Medical Microbiology and Infection Control)

本章介绍医学微生物学的基本概念、病原微生物的致病机制、感染的诊断与治疗，以及医院感染控制 (nosocomial infection control) 的重要性。

12.1 病原微生物与致病机制 (Pathogenic Microorganisms and Pathogenic Mechanisms)

本节介绍病原微生物的概念、类型，以及病原微生物的致病机制，包括黏附 (adhesion)、侵袭 (invasion)、毒素产生 (toxin production)、免疫损伤 (immunopathology) 等。

12.1.1 病原微生物的概念与类型 (Concept and Types of Pathogenic Microorganisms)

病原微生物 (pathogenic microorganisms) 是指能够引起人类或动物疾病的微生物。它们具备致病性 (pathogenicity)，即引起宿主组织或器官功能障碍的能力。并非所有微生物都是病原微生物，实际上，绝大多数微生物对人类是无害的，甚至是有益的。例如，人体肠道内的正常菌群 (normal flora) 就对维持健康起着重要作用。然而，当某些微生物侵入宿主体内，突破宿主的防御机制，并在适宜条件下生长繁殖，就可能导致感染 (infection) 甚至疾病 (disease)。

病原微生物的类型多种多样，主要包括以下几大类：

① 细菌 (bacteria)：细菌是单细胞原核生物，种类繁多，分布广泛。许多细菌对人类具有致病性，例如：
▮▮▮▮ⓑ 病原菌 (pathogenic bacteria)：如结核分枝杆菌 ( Mycobacterium tuberculosis ) 引起结核病 (tuberculosis)，肺炎链球菌 ( Streptococcus pneumoniae ) 引起肺炎 (pneumonia)，金黄色葡萄球菌 ( Staphylococcus aureus ) 引起皮肤感染和食物中毒 (food poisoning) 等。
▮▮▮▮ⓒ 机会性致病菌 (opportunistic pathogens)：某些细菌在正常情况下不致病，但在宿主免疫力低下或机体防御功能受损时，则可能引起感染，例如铜绿假单胞菌 ( Pseudomonas aeruginosa )、鲍曼不动杆菌 ( Acinetobacter baumannii ) 等。

② 病毒 (viruses)：病毒是一类非细胞形态的生物，结构简单，必须寄生在活细胞内才能复制繁殖。病毒感染可引起多种疾病，例如：
▮▮▮▮ⓑ DNA病毒 (DNA viruses)：如天花病毒 (variola virus) 引起天花 (smallpox)，乙型肝炎病毒 (hepatitis B virus, HBV) 引起乙型肝炎 (hepatitis B)，人乳头瘤病毒 (human papillomavirus, HPV) 引起疣和宫颈癌 (cervical cancer) 等。
▮▮▮▮ⓒ RNA病毒 (RNA viruses)：如流感病毒 (influenza virus) 引起流行性感冒 (influenza)，人类免疫缺陷病毒 (human immunodeficiency virus, HIV) 引起艾滋病 (AIDS)，新型冠状病毒 (SARS-CoV-2) 引起新型冠状病毒肺炎 (COVID-19) 等。

③ 真菌 (fungi)：真菌是真核生物，包括酵母菌 (yeasts) 和霉菌 (molds) 等。少数真菌对人类具有致病性，主要引起真菌病 (mycoses)，例如：
▮▮▮▮ⓑ 浅部真菌 (superficial fungi)：如皮肤癣菌 (dermatophytes) 引起癣 (tinea)，马拉色菌 ( Malassezia ) 引起花斑癣 (tinea versicolor) 等。
▮▮▮▮ⓒ 深部真菌 (deep fungi)：如荚膜组织胞浆菌 ( Histoplasma capsulatum ) 引起组织胞浆菌病 (histoplasmosis)，新型隐球菌 ( Cryptococcus neoformans ) 引起隐球菌脑膜炎 (cryptococcal meningitis) 等。
▮▮▮▮ⓓ 机会性真菌 (opportunistic fungi)：如念珠菌 ( Candida ) 属引起念珠菌病 (candidiasis)，曲霉菌 ( Aspergillus ) 属引起曲霉菌病 (aspergillosis) 等，常发生在免疫功能低下的患者中。

④ 原生生物 (protozoa)：原生生物是单细胞真核生物，种类繁多，部分原生生物为寄生性，可引起多种疾病，例如：
▮▮▮▮ⓑ 肠道原生生物 (intestinal protozoa)：如溶组织内阿米巴 ( Entamoeba histolytica ) 引起阿米巴痢疾 (amebic dysentery)，蓝氏贾第鞭毛虫 ( Giardia lamblia ) 引起贾第鞭毛虫病 (giardiasis) 等。
▮▮▮▮ⓒ 血液和组织原生生物 (blood and tissue protozoa)：如疟原虫 ( Plasmodium ) 引起疟疾 (malaria)，锥虫 ( Trypanosoma ) 引起锥虫病 (trypanosomiasis)，利什曼原虫 ( Leishmania ) 引起利什曼病 (leishmaniasis) 等。

条件致病菌 (opportunistic pathogens) 是一类特殊的微生物，它们在正常情况下与宿主和平共处，不引起疾病，甚至可能对宿主有益。然而，当宿主的免疫系统受损（如艾滋病患者、器官移植患者、长期使用免疫抑制剂者）、正常菌群失调、或机体屏障功能破坏时，这些微生物就可能乘虚而入，引起感染。常见的条件致病菌包括：
⚝ 细菌：如 Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli (某些菌株) 等。
⚝ 真菌：如 Candida albicans, Aspergillus fumigatus, Pneumocystis jirovecii 等。
⚝ 病毒：如巨细胞病毒 (cytomegalovirus, CMV), 卡波西肉瘤相关疱疹病毒 (Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus, KSHV) 等。
⚝ 原生生物：如 Pneumocystis jirovecii (也被归类为真菌)。

了解病原微生物的类型和特点，有助于我们更好地认识感染性疾病的发生和发展规律，为疾病的诊断、治疗和预防提供理论基础。

12.1.2 病原微生物的致病机制 (Pathogenic Mechanisms of Microorganisms)

病原微生物引起疾病是一个复杂的过程，涉及多种致病机制 (pathogenic mechanisms)。这些机制使得病原微生物能够成功地在宿主体内定植、繁殖、破坏宿主细胞和组织，并逃避宿主的免疫防御。主要的致病机制包括：

① 黏附 (adhesion)：黏附是病原微生物感染过程的第一步，指病原微生物通过黏附素 (adhesins) 与宿主细胞表面的受体 (receptors) 结合的过程。黏附的特异性决定了病原微生物的组织嗜性 (tissue tropism) 和宿主范围。
▮▮▮▮⚝ 细菌的黏附：细菌的黏附素可以是菌毛 (pili)、纤毛 (fimbriae)、细胞表面蛋白 (surface proteins) 或荚膜 (capsule) 等结构。例如，淋病奈瑟菌 ( Neisseria gonorrhoeae ) 通过菌毛黏附于尿道上皮细胞，大肠杆菌 ( Escherichia coli ) 通过Ⅰ型菌毛黏附于肠道上皮细胞。
▮▮▮▮⚝ 病毒的黏附：病毒的衣壳蛋白 (capsid proteins) 或包膜糖蛋白 (envelope glycoproteins) 作为黏附素，与宿主细胞表面的特异性受体结合。例如，流感病毒的血凝素 (hemagglutinin, HA) 蛋白与宿主细胞表面的唾液酸 (sialic acid) 受体结合，HIV 的 gp120 糖蛋白与 CD4 受体和辅助受体 (CCR5 或 CXCR4) 结合。
▮▮▮▮⚝ 真菌的黏附：真菌的黏附素可以是细胞壁成分或表面蛋白。例如，白色念珠菌 ( Candida albicans ) 的表面凝集素样序列 (agglutinin-like sequence, ALS) 蛋白家族参与黏附过程。
▮▮▮▮⚝ 原生生物的黏附：原生生物的黏附机制多样，例如，溶组织内阿米巴通过半乳糖/N-乙酰半乳糖胺 (Gal/GalNAc) 特异性凝集素黏附于肠道上皮细胞。

② 侵袭 (invasion)：侵袭是指病原微生物穿过宿主细胞或组织屏障，进入宿主体内或细胞内的过程。侵袭能力是病原微生物致病性的重要因素。
▮▮▮▮⚝ 细胞外侵袭 (extracellular invasion)：病原微生物通过分泌侵袭素 (invasins)，破坏细胞间连接 (cell junctions) 或细胞外基质 (extracellular matrix)，穿过组织屏障。例如，化脓性链球菌 ( Streptococcus pyogenes ) 分泌透明质酸酶 (hyaluronidase) 和链激酶 (streptokinase) 等侵袭素，促进细菌在组织中的扩散。
▮▮▮▮⚝ 细胞内侵袭 (intracellular invasion)：病原微生物通过诱导宿主细胞内吞作用 (endocytosis) 或巨胞饮作用 (macropinocytosis)，进入宿主细胞内。例如，鼠伤寒沙门菌 ( Salmonella typhimurium ) 通过分泌效应蛋白 (effector proteins) 诱导肠道上皮细胞形成“褶皱样膜 (membrane ruffles)”，从而被内吞进入细胞。胞内寄生 (intracellular parasitism) 可以使病原微生物逃避宿主的体液免疫 (humoral immunity) 和某些细胞免疫 (cell-mediated immunity) 机制，并在细胞内获得营养和繁殖场所。

③ 毒素产生 (toxin production)：毒素 (toxins) 是病原微生物产生的、对宿主细胞或组织具有毒性作用的物质。毒素是许多细菌和真菌致病的重要因素。根据毒素的性质和作用方式，可分为外毒素 (exotoxins) 和内毒素 (endotoxins)。
▮▮▮▮⚝ 外毒素 (exotoxins)：外毒素是革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria) 和革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria) 均可产生的分泌性毒性蛋白。外毒素具有高度的毒性，通常具有特异性的靶细胞或组织，引起特定的病理效应。根据作用机制，外毒素可分为：
▮▮▮▮ⓐ 细胞毒素 (cytotoxins)：直接损伤或杀死宿主细胞，如白喉毒素 (diphtheria toxin) 抑制蛋白质合成，破伤风毒素 (tetanus toxin) 影响神经递质释放。
▮▮▮▮ⓑ 肠毒素 (enterotoxins)：作用于肠道上皮细胞，引起肠液分泌增加和腹泻，如霍乱毒素 (cholera toxin) 激活腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase)，导致 cAMP 水平升高，引起大量水和电解质分泌。
▮▮▮▮ⓒ 神经毒素 (neurotoxins)：作用于神经系统，影响神经功能，如肉毒毒素 (botulinum toxin) 阻断神经肌肉接头 (neuromuscular junction) 的乙酰胆碱释放，导致肌肉麻痹。
▮▮▮▮⚝ 内毒素 (endotoxins)：内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁的脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS) 成分。内毒素在细菌死亡裂解后释放出来，毒性相对较低，但可引起全身性的炎症反应，如发热 (fever)、休克 (shock)、弥散性血管内凝血 (disseminated intravascular coagulation, DIC) 等。内毒素通过激活宿主的免疫细胞 (如巨噬细胞 macrophages)，释放炎症介质 (如肿瘤坏死因子-α tumor necrosis factor-α, TNF-α; 白细胞介素-1 interleukin-1, IL-1; 白细胞介素-6 interleukin-6, IL-6) 而发挥作用。

④ 荚膜 (capsule)：荚膜是某些细菌细胞壁外的一层多糖或多肽物质，具有多种生物学功能，其中之一是增强细菌的致病性。荚膜的主要致病作用包括：
▮▮▮▮⚝ 抗吞噬作用 (anti-phagocytic effect)：荚膜可以阻止吞噬细胞 (phagocytes) 的黏附和吞噬作用，使细菌逃避宿主的吞噬清除。例如，肺炎链球菌、脑膜炎奈瑟菌 ( Neisseria meningitidis )、流感嗜血杆菌 ( Haemophilus influenzae ) 等的荚膜具有抗吞噬作用。
▮▮▮▮⚝ 增强黏附作用 (enhanced adhesion)：某些细菌的荚膜可以作为黏附素，促进细菌与宿主细胞的黏附。例如，产荚膜的肺炎克雷伯菌 ( Klebsiella pneumoniae ) 的荚膜有助于细菌在呼吸道定植。

⑤ 抗吞噬作用 (anti-phagocytic mechanisms)：除了荚膜的抗吞噬作用外，某些病原微生物还进化出其他机制来抵抗吞噬细胞的清除，例如：
▮▮▮▮⚝ 抑制吞噬体-溶酶体融合 (inhibition of phagosome-lysosome fusion)：某些胞内寄生菌 (intracellular parasites) 进入吞噬细胞后，可以阻止吞噬体 (phagosome) 与溶酶体 (lysosome) 的融合，从而避免被溶酶体内的酶降解。例如，结核分枝杆菌、军团菌 ( Legionella pneumophila ) 等。
▮▮▮▮⚝ 逃逸出吞噬体 (escape from phagosome)：另一些胞内寄生菌可以逃逸出吞噬体，进入细胞质中，从而避免被溶酶体降解。例如，李斯特菌 ( Listeria monocytogenes )、立克次体 ( Rickettsia ) 等。
▮▮▮▮⚝ 抵抗溶酶体酶的降解 (resistance to lysosomal enzymes)：某些病原微生物具有特殊的细胞壁结构或酶系统，可以抵抗溶酶体酶的降解。例如，真菌的细胞壁成分几丁质 (chitin) 具有一定的抗降解能力。

⑥ 免疫逃逸 (immune evasion)：免疫逃逸是指病原微生物通过各种机制逃避宿主免疫系统的识别和清除。免疫逃逸是慢性感染和持续性感染发生的重要原因。常见的免疫逃逸机制包括：
▮▮▮▮⚝ 抗原变异 (antigenic variation)：病原微生物通过基因突变或重组，改变表面抗原的结构，使宿主免疫系统无法识别或清除。例如，流感病毒的血凝素 (HA) 和神经氨酸酶 (neuraminidase, NA) 蛋白的抗原变异导致流感病毒的季节性流行和疫苗的周期性更新。HIV 的包膜糖蛋白 gp120 也具有高度的抗原变异性，使得疫苗研发困难重重。
▮▮▮▮⚝ 抑制免疫应答 (immunosuppression)：某些病原微生物可以产生免疫抑制因子，抑制宿主免疫系统的功能。例如，HIV 感染 CD4+ T 细胞，导致细胞免疫功能严重受损。麻疹病毒 (measles virus) 感染可引起短暂的免疫抑制。
▮▮▮▮⚝ 潜伏感染 (latency)：某些病毒 (如疱疹病毒 herpesviruses, 逆转录病毒 retroviruses) 可以建立潜伏感染，将病毒基因整合到宿主细胞基因组中，或以游离形式长期存在于细胞内，但不产生或少量产生病毒颗粒，从而逃避宿主的免疫清除。当宿主免疫力下降时，潜伏病毒可以重新激活，引起复发性感染。
▮▮▮▮⚝ 分子模拟 (molecular mimicry)：某些病原微生物的抗原与宿主自身的某些分子结构相似，导致宿主免疫系统产生自身免疫反应 (autoimmune response)，攻击自身组织，从而干扰正常的免疫清除过程。例如，A组链球菌 (Group A Streptococcus) 的 M 蛋白与人心肌肌球蛋白 (cardiac myosin) 具有一定的同源性，可能参与风湿热 (rheumatic fever) 的发病机制。

病原微生物的致病机制是复杂多样的，不同类型的病原微生物具有不同的致病策略。深入理解病原微生物的致病机制，有助于我们开发更有效的防治感染性疾病的方法，如疫苗 (vaccines)、抗菌药物 (antimicrobial drugs)、抗病毒药物 (antiviral drugs) 等。

12.2 感染的诊断与治疗 (Diagnosis and Treatment of Infections)

本节介绍感染的诊断方法，包括微生物学诊断 (microbiological diagnosis)、免疫学诊断 (immunological diagnosis) 和分子生物学诊断 (molecular biological diagnosis)，以及感染的治疗策略，包括抗生素治疗 (antibiotic therapy)、抗病毒治疗 (antiviral therapy)、抗真菌治疗 (antifungal therapy) 和抗原生生物治疗 (antiprotozoal therapy)。

12.2.1 感染的微生物学诊断 (Microbiological Diagnosis of Infections)

微生物学诊断 (microbiological diagnosis) 是指通过实验室技术，检测和鉴定病原微生物，为感染性疾病的诊断和治疗提供依据。微生物学诊断方法主要包括以下几个方面：

① 标本采集 (specimen collection)：正确采集标本是微生物学诊断的第一步，也是至关重要的一步。标本的质量直接影响诊断结果的准确性。不同部位的感染需要采集不同类型的标本，例如：
▮▮▮▮⚝ 呼吸道感染 (respiratory tract infections)：痰液 (sputum)、咽拭子 (throat swab)、鼻拭子 (nasal swab)、支气管肺泡灌洗液 (bronchoalveolar lavage fluid, BALF) 等。
▮▮▮▮⚝ 泌尿道感染 (urinary tract infections, UTIs)：尿液 (urine)，最好是清洁中段尿 (mid-stream urine)。
▮▮▮▮⚝ 血液感染 (bloodstream infections)：血液 (blood)，采集血培养标本 (blood culture)。
▮▮▮▮⚝ 脑膜炎 (meningitis)：脑脊液 (cerebrospinal fluid, CSF)。
▮▮▮▮⚝ 伤口感染 (wound infections)：脓液 (pus)、创面分泌物 (wound exudate)、组织 (tissue)。
▮▮▮▮⚝ 粪便标本 (stool specimens)：用于诊断肠道感染 (intestinal infections)。

标本采集时应注意无菌操作 (aseptic technique)，避免污染。采集后应及时送检，如不能及时送检，应根据标本类型进行适当保存，如冷藏 (refrigeration) 或使用特定保存液。

② 涂片染色 (smear staining)：涂片染色是将采集的标本涂抹在玻片上，经过固定、染色等步骤，然后在显微镜下观察微生物的形态和染色特性。常用的染色方法包括：
▮▮▮▮⚝ 革兰氏染色 (Gram stain)：用于区分细菌的革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria) 和革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria)。革兰氏阳性菌染成紫色，革兰氏阴性菌染成红色。革兰氏染色是细菌学诊断中最基本、最重要的染色方法。
▮▮▮▮⚝ 抗酸染色 (acid-fast stain)：用于检测抗酸杆菌 (acid-fast bacilli)，如结核分枝杆菌。抗酸杆菌染成红色，非抗酸杆菌染成蓝色。
▮▮▮▮⚝ 姬姆萨染色 (Giemsa stain)：用于检测血液和骨髓涂片中的寄生虫 (如疟原虫) 和某些细菌 (如立克次体、衣原体)。
▮▮▮▮⚝ 瑞特染色 (Wright stain)：也用于检测血液和骨髓涂片中的细胞和寄生虫。
▮▮▮▮⚝ 墨汁染色 (India ink stain)：用于检测脑脊液中的新型隐球菌，荚膜呈透明晕圈。

涂片染色可以快速初步判断感染的病原微生物类型，为后续的培养和鉴定提供指导。

③ 培养分离 (culture isolation)：培养分离是将标本接种到合适的培养基 (culture media) 上，在适宜的温度、湿度和氧气条件下培养，使病原微生物生长繁殖，形成菌落 (colonies)。培养分离是细菌、真菌等微生物诊断的金标准。
▮▮▮▮⚝ 细菌培养 (bacterial culture)：常用的细菌培养基包括普通琼脂培养基 (nutrient agar)、血琼脂培养基 (blood agar)、麦康凯琼脂培养基 (MacConkey agar)、巧克力琼脂培养基 (chocolate agar) 等。根据细菌的生长特性和培养需求，选择合适的培养基和培养条件。
▮▮▮▮⚝ 真菌培养 (fungal culture)：常用的真菌培养基包括沙氏葡萄糖琼脂培养基 (Sabouraud dextrose agar, SDA)。真菌生长速度较慢，培养时间通常较长，需要数天甚至数周。
▮▮▮▮⚝ 病毒培养 (viral culture)：病毒是专性细胞内寄生微生物，必须在活细胞中培养。病毒培养通常使用细胞培养 (cell culture) 方法，将标本接种到易感细胞系 (susceptible cell lines) 中，观察病毒的细胞病变效应 (cytopathic effect, CPE)。病毒培养技术复杂，耗时较长，临床应用受到一定限制。

通过培养分离，可以获得纯培养的病原微生物，为后续的鉴定和药敏试验提供材料。

④ 生化鉴定 (biochemical identification)：生化鉴定是基于不同种类的细菌和真菌具有不同的代谢特性，通过一系列生化反应试验，鉴定病原微生物的种属。常用的生化试验包括：
▮▮▮▮⚝ 糖发酵试验 (sugar fermentation tests)：检测微生物利用不同糖类 (如葡萄糖 glucose, 乳糖 lactose, 蔗糖 sucrose, 甘露醇 mannitol) 的能力，以及产酸产气情况。
▮▮▮▮⚝ 酶学试验 (enzyme tests)：检测微生物产生的特定酶类，如触酶试验 (catalase test)、氧化酶试验 (oxidase test)、尿素酶试验 (urease test)、凝固酶试验 (coagulase test) 等。
▮▮▮▮⚝ 其他生化试验：如吲哚试验 (indole test)、甲基红试验 (methyl red test, MR test)、V-P试验 (Voges-Proskauer test, VP test)、枸橼酸盐利用试验 (citrate utilization test)、硫化氢试验 (hydrogen sulfide, H2S test) 等。

现代微生物实验室通常使用自动化微生物鉴定系统 (automated microbial identification systems)，如Vitek、MicroScan、API等，可以快速、准确地进行细菌和真菌的生化鉴定。

⑤ 药敏试验 (antimicrobial susceptibility testing, AST)：药敏试验是检测病原微生物对抗微生物药物 (antimicrobial agents) 敏感性的试验，为临床选择合适的抗菌药物提供依据。常用的药敏试验方法包括：
▮▮▮▮⚝ 纸片扩散法 (disk diffusion method, Kirby-Bauer method)：将含有不同浓度抗菌药物的纸片贴在接种了细菌的琼脂培养基表面，培养后测量抑菌圈 (zone of inhibition) 的直径，根据抑菌圈直径判断细菌对抗菌药物的敏感性 (sensitive, S)、中介 (intermediate, I) 或耐药 (resistant, R)。
▮▮▮▮⚝ 微量肉汤稀释法 (broth microdilution method)：将不同浓度抗菌药物与细菌悬液在微孔板中孵育，测定最低抑菌浓度 (minimum inhibitory concentration, MIC)，即能抑制细菌生长的最低药物浓度。MIC 是药敏试验的重要指标。
▮▮▮▮⚝ Etest法 (Etest method)：Etest 试剂条上含有连续浓度梯度的抗菌药物，将试剂条贴在接种了细菌的琼脂培养基表面，培养后观察抑菌椭圆，读取 MIC 值。

药敏试验结果应结合细菌的种类、感染部位、患者的临床情况等综合分析，指导临床合理用药，避免抗菌药物的滥用和耐药性的产生。

除了上述传统的微生物学诊断方法外，免疫学诊断 (immunological diagnosis) 和 分子生物学诊断 (molecular biological diagnosis) 方法在感染性疾病的诊断中也发挥着越来越重要的作用。免疫学诊断主要通过检测患者血清或其他标本中的抗体 (antibodies) 或抗原 (antigens)，辅助诊断感染性疾病。分子生物学诊断主要通过检测病原微生物的核酸 (nucleic acids)，如DNA或RNA，快速、灵敏、特异地诊断感染性疾病，尤其适用于难以培养或培养时间长的病原微生物，如病毒、结核分枝杆菌等。常用的分子生物学诊断技术包括聚合酶链反应 (polymerase chain reaction, PCR)、实时荧光PCR (real-time PCR)、核酸杂交 (nucleic acid hybridization)、基因测序 (gene sequencing) 等。

12.2.2 感染的治疗策略 (Treatment Strategies for Infections)

感染的治疗策略 (treatment strategies for infections) 旨在清除或抑制病原微生物，减轻疾病症状，促进患者康复。针对不同类型的病原微生物感染，需要采取不同的治疗方法。主要的治疗策略包括：

① 抗生素治疗 (antibiotic therapy)：抗生素 (antibiotics) 是指主要由微生物产生的，或人工合成的，对细菌具有抑制或杀灭作用的化学物质。抗生素主要用于治疗细菌感染。根据抗菌谱 (antibacterial spectrum)，抗生素可分为：
▮▮▮▮⚝ 广谱抗生素 (broad-spectrum antibiotics)：对多种细菌有效，包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，如四环素类 (tetracyclines)、氯霉素 (chloramphenicol)、碳青霉烯类 (carbapenems) 等。
▮▮▮▮⚝ 窄谱抗生素 (narrow-spectrum antibiotics)：主要对特定类型的细菌有效，如青霉素G (penicillin G) 主要对革兰氏阳性菌有效，氨基糖苷类 (aminoglycosides) 主要对革兰氏阴性菌有效。

根据抗菌机制 (antibacterial mechanisms)，抗生素可分为：
▮▮▮▮⚝ 抑制细胞壁合成的抗生素：如青霉素类 (penicillins)、头孢菌素类 (cephalosporins)、糖肽类 (glycopeptides, 如万古霉素 vancomycin)。
▮▮▮▮⚝ 抑制蛋白质合成的抗生素：如氨基糖苷类、四环素类、大环内酯类 (macrolides, 如红霉素 erythromycin)、氯霉素、林可霉素类 (lincosamides, 如克林霉素 clindamycin)。
▮▮▮▮⚝ 抑制核酸合成的抗生素：如喹诺酮类 (quinolones, 如环丙沙星 ciprofloxacin)、利福平 (rifampin)、甲硝唑 (metronidazole)。
▮▮▮▮⚝ 影响细胞膜功能的抗生素：如多粘菌素类 (polymyxins)。
▮▮▮▮⚝ 抑制叶酸代谢的抗生素：如磺胺类 (sulfonamides)、甲氧苄啶 (trimethoprim)。

临床应用抗生素时，应根据感染的病原菌种类、药敏试验结果、药物的药代动力学/药效动力学 (pharmacokinetics/pharmacodynamics, PK/PD) 特点、患者的临床情况等综合考虑，选择合适的抗生素、剂量和给药途径。应遵循合理用药原则 (rational drug use)，避免滥用抗生素，以减少抗生素耐药性 (antibiotic resistance) 的产生和传播。

② 抗病毒治疗 (antiviral therapy)：抗病毒药物 (antiviral drugs) 是指用于治疗病毒感染的药物。由于病毒的复制机制与宿主细胞密切相关，抗病毒药物的研发难度较大，种类相对较少。常用的抗病毒药物主要针对以下几类病毒感染：
▮▮▮▮⚝ 疱疹病毒感染 (herpesvirus infections)：如阿昔洛韦 (acyclovir)、伐昔洛韦 (valacyclovir)、更昔洛韦 (ganciclovir) 等，用于治疗单纯疱疹病毒 (herpes simplex virus, HSV)、水痘-带状疱疹病毒 (varicella-zoster virus, VZV)、巨细胞病毒 (CMV) 等感染。
▮▮▮▮⚝ 流感病毒感染 (influenza virus infections)：如奥司他韦 (oseltamivir)、扎那米韦 (zanamivir)、帕拉米韦 (peramivir) 等，用于治疗甲型和乙型流感病毒感染。
▮▮▮▮⚝ HIV感染 (HIV infection)：多种抗逆转录病毒药物 (antiretroviral drugs, ARVs) 联合应用，进行高效抗逆转录病毒治疗 (highly active antiretroviral therapy, HAART)，也称为抗逆转录病毒治疗 (antiretroviral therapy, ART)，可以有效抑制HIV复制，延缓疾病进展，提高患者生存质量。常用的抗逆转录病毒药物包括核苷类逆转录酶抑制剂 (nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NRTIs)、非核苷类逆转录酶抑制剂 (non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NNRTIs)、蛋白酶抑制剂 (protease inhibitors, PIs)、整合酶抑制剂 (integrase inhibitors, INIs)、融合抑制剂 (fusion inhibitors)、CCR5受体拮抗剂 (CCR5 receptor antagonists) 等。
▮▮▮▮⚝ 乙型肝炎病毒感染 (hepatitis B virus infection)：如干扰素 (interferon, IFN)、核苷类/核苷酸类逆转录酶抑制剂 (NRTIs/NtRTIs, 如恩替卡韦 entecavir, 替诺福韦 tenofovir) 等，用于治疗慢性乙型肝炎 (chronic hepatitis B, CHB)。
▮▮▮▮⚝ 丙型肝炎病毒感染 (hepatitis C virus infection)：直接抗病毒药物 (direct-acting antivirals, DAAs) 的应用，如索非布韦 (sofosbuvir)、达卡他韦 (daclatasvir)、西咪帕韦 (simeprevir) 等，使得丙型肝炎的治愈率大大提高。

抗病毒药物的选择应根据病毒的种类、感染的严重程度、患者的临床情况等综合考虑。抗病毒药物也可能产生耐药性 (antiviral resistance)，需要密切监测和合理应用。

③ 抗真菌治疗 (antifungal therapy)：抗真菌药物 (antifungal drugs) 用于治疗真菌感染。根据作用机制，抗真菌药物可分为：
▮▮▮▮⚝ 多烯类抗生素 (polyene antibiotics)：如两性霉素B (amphotericin B)、制霉菌素 (nystatin)。
▮▮▮▮⚝ 唑类抗真菌药 (azole antifungals)：如氟康唑 (fluconazole)、伊曲康唑 (itraconazole)、伏立康唑 (voriconazole)、泊沙康唑 (posaconazole)。
▮▮▮▮⚝ 棘白菌素类 (echinocandins)：如卡泊芬净 (caspofungin)、米卡芬净 (micafungin)、阿尼芬净 (anidulafungin)。
▮▮▮▮⚝ 丙烯胺类 (allylamines)：如特比萘芬 (terbinafine)。
▮▮▮▮⚝ 氟胞嘧啶 (flucytosine)。

抗真菌药物的选择应根据真菌的种类、感染部位、感染的严重程度、患者的免疫状态等综合考虑。深部真菌感染 (deep mycoses) 和机会性真菌感染 (opportunistic mycoses) 通常治疗难度较大，需要长期治疗，且可能产生耐药性 (antifungal resistance)。

④ 抗原生生物治疗 (antiprotozoal therapy)：抗原生生物药物 (antiprotozoal drugs) 用于治疗原生生物感染。常用的抗原生生物药物包括：
▮▮▮▮⚝ 抗疟药 (antimalarials)：如氯喹 (chloroquine)、奎宁 (quinine)、青蒿素类 (artemisinins, 如青蒿琥酯 artesunate, 蒿甲醚 artemether)、哌喹 (piperaquine)、甲氟喹 (mefloquine)、伯氨喹 (primaquine) 等，用于治疗疟疾。
▮▮▮▮⚝ 抗阿米巴药 (anti-amebic drugs)：如甲硝唑、替硝唑 (tinidazole)、依米丁 (emetine)、氯喹等，用于治疗阿米巴病。
▮▮▮▮⚝ 抗贾第鞭毛虫药 (anti-giardiasis drugs)：如甲硝唑、替硝唑、呋喃唑酮 (furazolidone) 等，用于治疗贾第鞭毛虫病。
▮▮▮▮⚝ 抗锥虫药 (anti-trypanosomal drugs)：如喷他脒 (pentamidine)、苏拉明 (suramin)、美拉索醇 (melarsoprol)、硝呋替莫 (nifurtimox)、苯硝唑 (benznidazole) 等，用于治疗锥虫病。
▮▮▮▮⚝ 抗利什曼原虫药 (anti-leishmanial drugs)：如锑剂 (antimonials, 如葡甲胺锑酸盐 meglumine antimoniate, 斯锑黑克钠 sodium stibogluconate)、两性霉素B、米替福新 (miltefosine)、帕罗米霉素 (paromomycin) 等，用于治疗利什曼病。

抗原生生物药物的选择应根据原生生物的种类、感染部位、疾病的严重程度、患者的临床情况等综合考虑。某些抗原生生物药物可能具有较大的毒副作用，需要密切监测。

耐药性问题 (drug resistance) 是感染性疾病治疗面临的严峻挑战。细菌、病毒、真菌、原生生物等病原微生物都可能产生耐药性，对抗微生物药物的疗效产生影响，甚至导致治疗失败。耐药性的产生和传播与抗菌药物的滥用和不合理使用密切相关。因此，加强抗菌药物管理，推行抗菌药物合理使用 (antimicrobial stewardship)，对于控制耐药性，提高感染性疾病的治疗效果至关重要。抗菌药物合理使用包括：
⚝ 明确诊断：只有在确诊为细菌感染或其他需要抗菌药物治疗的感染时，才使用抗菌药物。对于病毒感染、非感染性疾病等，不应使用抗菌药物。
⚝ 选择合适的抗菌药物：根据病原菌种类、药敏试验结果、药物的抗菌谱、药代动力学/药效动力学特点、患者的临床情况等，选择合适的抗菌药物。
⚝ 选择合适的给药途径和剂量：根据感染部位、病情严重程度、药物的特点等，选择合适的给药途径 (如口服、静脉注射) 和剂量。
⚝ 疗程适当：根据感染的类型和严重程度，确定合理的疗程，避免疗程过长或过短。
⚝ 监测疗效和不良反应：密切监测患者的病情变化和药物不良反应，及时调整治疗方案。
⚝ 加强感染控制措施：预防感染的发生和传播，减少抗菌药物的使用需求。

通过以上措施，可以最大限度地发挥抗菌药物的治疗作用，同时减少耐药性的产生和传播，保障患者的健康。

12.3 医院感染控制 (Nosocomial Infection Control)

本节介绍医院感染 (nosocomial infections, healthcare-associated infections, HAIs) 的概念、来源、传播途径和预防措施，以及医院感染控制的重要性。

12.3.1 医院感染的概念与流行病学 (Concept and Epidemiology of Nosocomial Infections)

医院感染 (nosocomial infections)，也称为医疗机构相关感染 (healthcare-associated infections, HAIs)，是指患者在住院期间或在医疗机构内接受诊疗过程中获得的感染，不包括入院时已存在或潜伏的感染。医院感染是全球性的公共卫生问题，严重威胁患者的生命安全和医疗质量。

医院感染的定义要点：
⚝ 发生场所：医院或医疗机构内。
⚝ 发生时间：患者住院期间或接受诊疗过程中。
⚝ 排除条件：入院时已存在或潜伏的感染。

医院感染的分类：
⚝ 按感染部位分类：
▮▮▮▮ⓐ 呼吸道感染 (respiratory tract infections)：如肺炎 (pneumonia)、支气管炎 (bronchitis)、气管炎 (tracheitis) 等，其中呼吸机相关性肺炎 (ventilator-associated pneumonia, VAP) 是医院感染中最常见的类型之一。
▮▮▮▮ⓑ 泌尿道感染 (urinary tract infections, UTIs)：常与导尿管 (urinary catheter) 的使用有关，称为导尿管相关性尿路感染 (catheter-associated urinary tract infection, CAUTI)。
▮▮▮▮ⓒ 血液感染 (bloodstream infections)：如菌血症 (bacteremia)、败血症 (sepsis)，常与中心静脉导管 (central venous catheter) 的使用有关，称为导管相关性血流感染 (catheter-related bloodstream infection, CRBSI)。
▮▮▮▮ⓓ 手术部位感染 (surgical site infections, SSIs)：发生在手术切口部位的感染。
▮▮▮▮ⓔ 皮肤软组织感染 (skin and soft tissue infections)：如伤口感染、褥疮感染 (pressure ulcer infections)。
▮▮▮▮ⓕ 消化道感染 (gastrointestinal infections)：如艰难梭菌感染 ( Clostridioides difficile infection, CDI)。

⚝ 按病原菌分类：
▮▮▮▮ⓐ 细菌感染 (bacterial infections)：是医院感染最主要的病原菌，常见的病原菌包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria)：如 Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii 等，多重耐药菌 (multidrug-resistant organisms, MDROs) 比例较高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria)：如 Staphylococcus aureus (包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA), Enterococcus faecium (包括耐万古霉素肠球菌 vancomycin-resistant enterococci, VRE), Streptococcus pneumoniae 等。
▮▮▮▮ⓓ 真菌感染 (fungal infections)：如 Candida albicans, Aspergillus fumigatus 等，机会性真菌感染在免疫功能低下患者中常见。
▮▮▮▮ⓔ 病毒感染 (viral infections)：如呼吸道合胞病毒 (respiratory syncytial virus, RSV)、诺如病毒 (norovirus)、轮状病毒 (rotavirus) 等，在特定人群或特定季节可能引起医院感染暴发。
▮▮▮▮ⓕ 其他病原微生物感染 (infections caused by other microorganisms)：如 Clostridioides difficile (原名 Clostridium difficile) 引起的艰难梭菌感染。

医院感染的来源：
⚝ 内源性感染 (endogenous infections)：患者自身携带的正常菌群或条件致病菌，在机体抵抗力下降时引起的感染。
⚝ 外源性感染 (exogenous infections)：来自医院环境、医疗器械、医务人员、其他患者等的病原微生物引起的感染。外源性感染是医院感染的主要来源。

医院感染的传播途径：
⚝ 接触传播 (contact transmission)：是最主要的传播途径，包括：
▮▮▮▮ⓐ 直接接触传播 (direct contact transmission)：通过直接接触感染者或携带者的皮肤、黏膜、血液、体液等传播。
▮▮▮▮ⓑ 间接接触传播 (indirect contact transmission)：通过接触被污染的物品或环境表面传播，如医疗器械、床单、门把手、桌面等。
⚝ 飞沫传播 (droplet transmission)：通过感染者咳嗽、打喷嚏、说话等产生的飞沫传播，飞沫直径 > 5 μm，传播距离较近，通常 < 1 米。
⚝ 空气传播 (airborne transmission)：通过含有病原微生物的气溶胶 (aerosols) 传播，气溶胶直径 ≤ 5 μm，可在空气中悬浮较长时间，传播距离较远。
⚝ 媒介传播 (vector-borne transmission)：通过媒介物 (如蚊子、苍蝇、蟑螂等) 传播，在医院感染中较少见。

医院感染的流行病学特点：
⚝ 发病率高：全球范围内，医院感染的发病率约为5%-10%，发展中国家更高。
⚝ 病死率高：医院感染可延长住院时间，增加医疗费用，严重者可导致死亡。
⚝ 耐药菌感染比例高：医院是抗菌药物使用集中的场所，容易产生和传播耐药菌，多重耐药菌感染是医院感染控制的难点。
⚝ 高危人群：免疫功能低下患者 (如老年人、婴幼儿、肿瘤患者、器官移植患者、艾滋病患者)、重症患者、手术患者、长期住院患者、使用侵入性诊疗技术 (如导管、呼吸机) 的患者等是医院感染的高危人群。

了解医院感染的概念、来源、传播途径和流行病学特点，有助于我们制定有效的预防和控制措施，降低医院感染的发生率，保障医疗安全。

12.3.2 医院感染的预防与控制 (Prevention and Control of Nosocomial Infections)

医院感染的预防与控制 (prevention and control of nosocomial infections) 是一项系统工程，需要医院管理者、医务人员、患者及家属共同参与，采取综合性的防控策略。主要的预防与控制措施包括：

① 手卫生 (hand hygiene)：手卫生是预防医院感染最简单、最有效、最经济的措施。医务人员的手是病原微生物传播的重要媒介。世界卫生组织 (World Health Organization, WHO) 倡导**“我的五时刻” (My 5 Moments for Hand Hygiene)**，即医务人员在以下五个时刻应进行手卫生：
▮▮▮▮⚝ 接触患者前 (Before touching a patient)
▮▮▮▮⚝ 清洁/无菌操作前 (Before clean/aseptic procedures)
▮▮▮▮⚝ 接触患者体液后 (After body fluid exposure risk)
▮▮▮▮⚝ 接触患者后 (After touching a patient)
▮▮▮▮⚝ 接触患者周围环境后 (After touching patient surroundings)

手卫生方法包括洗手 (handwashing) 和快速手消毒 (handrub)。
▮▮▮▮⚝ 洗手：使用肥皂和流动水洗手，至少揉搓 20 秒。适用于手部有可见污物时。
▮▮▮▮⚝ 快速手消毒：使用含酒精速干手消毒剂揉搓双手，至少揉搓 20 秒。适用于手部无可见污物时。

推广和落实手卫生规范，提高医务人员的手卫生依从性 (hand hygiene compliance)，是降低医院感染率的关键措施。

② 隔离措施 (isolation precautions)：隔离措施是根据病原微生物的传播途径，采取相应的隔离方法，防止医院感染的传播。常用的隔离措施包括：
▮▮▮▮⚝ 标准预防 (standard precautions)：适用于所有患者，无论是否明确诊断为感染性疾病。标准预防的核心要素包括手卫生、使用个人防护装备 (personal protective equipment, PPE, 如手套 gloves, 口罩 masks, 隔离衣 gowns, 护目镜 eye protection)、安全注射 (safe injection practices)、呼吸卫生/咳嗽礼仪 (respiratory hygiene/cough etiquette)、医疗废物管理 (safe handling of sharps and waste)、环境清洁消毒 (environmental cleaning and disinfection)、患者用物管理 (handling of patient care equipment)。
▮▮▮▮⚝ 基于传播途径的预防 (transmission-based precautions)：在标准预防的基础上，根据病原微生物的传播途径，增加额外的隔离措施。包括：
▮▮▮▮ⓐ 接触隔离 (contact precautions)：适用于通过直接或间接接触传播的感染，如多重耐药菌感染、艰难梭菌感染、疥疮 (scabies) 等。措施包括：将患者安置在单间病房 (single room)，医务人员进入病房前穿隔离衣和戴手套，出病房前脱去隔离衣和手套并进行手卫生，患者专用医疗器械和物品，加强环境清洁消毒。
▮▮▮▮ⓑ 飞沫隔离 (droplet precautions)：适用于通过飞沫传播的感染，如流感、百日咳 (pertussis)、脑膜炎奈瑟菌脑膜炎 ( Neisseria meningitidis meningitis) 等。措施包括：将患者安置在单间病房或同一房间内，医务人员进入病房时佩戴医用外科口罩 (surgical mask)，患者转运时佩戴医用外科口罩，患者之间保持一定距离 (如 > 1 米)。
▮▮▮▮ⓒ 空气隔离 (airborne precautions)：适用于通过空气传播的感染，如结核病、麻疹 (measles)、水痘 (chickenpox) 等。措施包括：将患者安置在负压隔离病房 (negative pressure isolation room)，医务人员进入病房时佩戴医用防护口罩 (respirator, 如N95口罩)，限制患者离开病房，患者离开病房时佩戴医用外科口罩。

根据不同的感染情况，选择合适的隔离措施，并严格执行，可以有效阻断医院感染的传播。

③ 环境消毒 (environmental disinfection)：医院环境表面可能被病原微生物污染，成为医院感染传播的媒介。加强环境清洁消毒，可以减少环境中的病原微生物数量，降低感染风险。
▮▮▮▮⚝ 日常清洁 (routine cleaning)：对医院环境表面进行日常清洁，去除灰尘和污物，可以使用清洁剂 (detergents) 和清水擦拭。
▮▮▮▮⚝ 消毒 (disinfection)：对高频接触的环境表面 (如床头柜、床栏、呼叫器、门把手、桌面、地面、卫生间等) 进行消毒，可以使用含氯消毒剂 (chlorine-based disinfectants)、过氧化氢消毒剂 (hydrogen peroxide disinfectants)、季铵盐类消毒剂 (quaternary ammonium compounds) 等。
▮▮▮▮⚝ 终末消毒 (terminal disinfection)：对患者出院或转出后，病房进行彻底的清洁和消毒，包括空气消毒 (air disinfection, 如紫外线消毒 ultraviolet disinfection, 臭氧消毒 ozone disinfection, 过氧化氢雾化消毒 hydrogen peroxide fogging) 和物体表面消毒。

选择合适的消毒剂和消毒方法，规范操作，定期监测消毒效果，是保证环境消毒质量的关键。

④ 医疗器械消毒灭菌 (sterilization and disinfection of medical devices)：医疗器械在使用过程中可能被病原微生物污染，成为医院感染传播的途径。根据医疗器械的风险程度，采取相应的消毒灭菌方法。根据Spauling分类法 (Spauling classification)，医疗器械可分为：
▮▮▮▮⚝ 关键物品 (critical items)：指进入人体无菌组织或血管的医疗器械，如手术器械、血管内导管等，必须进行灭菌 (sterilization)，以杀灭所有微生物，包括芽孢 (spores)。常用的灭菌方法包括高压蒸汽灭菌 (steam sterilization, autoclaving)、环氧乙烷灭菌 (ethylene oxide sterilization)、低温等离子灭菌 (low-temperature plasma sterilization)、过氧化氢蒸汽灭菌 (vaporized hydrogen peroxide sterilization) 等。
▮▮▮▮⚝ 半关键物品 (semi-critical items)：指接触完整皮肤或黏膜的医疗器械，如呼吸机管道、内镜 (endoscopes) 等，应进行高水平消毒 (high-level disinfection)，以杀灭除芽孢外的所有微生物。常用的高水平消毒方法包括戊二醛 (glutaraldehyde)、邻苯二甲醛 (ortho-phthalaldehyde, OPA)、过氧乙酸 (peracetic acid)、高浓度过氧化氢 (high-concentration hydrogen peroxide) 等化学消毒剂，以及巴氏消毒法 (pasteurization) 等物理消毒方法。
▮▮▮▮⚝ 非关键物品 (non-critical items)：指仅接触完整皮肤的医疗器械，如血压计袖带、床栏等，进行低水平消毒 (low-level disinfection) 或中水平消毒 (intermediate-level disinfection) 即可。常用的低水平消毒剂包括季铵盐类消毒剂，中水平消毒剂包括含醇消毒剂 (alcohol-based disinfectants)、含氯消毒剂等。

严格遵循医疗器械消毒灭菌规范，确保医疗器械的消毒灭菌质量，是预防医疗器械相关感染的重要措施。

⑤ 抗菌药物合理使用 (antimicrobial stewardship)：抗菌药物的滥用和不合理使用是导致细菌耐药性 (antibacterial resistance) 产生和传播的重要原因，也增加了医院感染的治疗难度。推行抗菌药物合理使用，可以减少抗菌药物的不必要使用，降低耐药菌的发生率，提高感染性疾病的治疗效果。抗菌药物合理使用的主要措施包括：
▮▮▮▮⚝ 建立抗菌药物管理团队 (antimicrobial stewardship team, AST)：由感染科医生、临床药师、微生物学家、医院感染控制专家等组成，负责制定和实施抗菌药物管理策略。
▮▮▮▮⚝ 制定抗菌药物使用指南 (antimicrobial guidelines)：根据循证医学证据和当地细菌耐药性监测数据，制定抗菌药物选择、剂量、疗程等方面的指南，指导临床医生合理用药。
▮▮▮▮⚝ 开展抗菌药物使用监测 (antimicrobial use surveillance)：监测抗菌药物的使用量、使用强度、使用指征等，分析抗菌药物使用情况，发现问题并及时改进。
▮▮▮▮⚝ 限制性使用抗菌药物 (restricted antimicrobial use)：对某些高风险、高成本、易产生耐药性的抗菌药物实行限制性管理，需要经过授权或会诊后方可使用。
▮▮▮▮⚝ 开展抗菌药物处方点评 (antimicrobial prescription review)：定期对抗菌药物处方进行点评，评估处方的合理性，及时纠正不合理用药行为。
▮▮▮▮⚝ 加强抗菌药物相关知识培训 (antimicrobial education)：对医务人员进行抗菌药物合理使用、感染控制等方面的培训，提高医务人员的合理用药意识和水平。
▮▮▮▮⚝ 快速微生物学诊断技术 (rapid microbiological diagnostic tests)：应用快速微生物学诊断技术，如快速药敏试验、分子诊断技术等，缩短诊断时间，指导精准用药。

通过以上综合措施，可以有效提高抗菌药物的合理使用水平，控制细菌耐药性，改善医院感染的防治效果。

除了上述主要的预防与控制措施外，还包括疫苗接种 (vaccination) (如流感疫苗、肺炎疫苗)、束状导管维护 (bundle care for catheters) (如导尿管束 bundle for urinary catheters, 中心静脉导管束 bundle for central venous catheters)、环境监测 (environmental surveillance)、医院感染监测 (nosocomial infection surveillance)、患者教育 (patient education) 等。医院感染控制是一个持续改进的过程，需要不断总结经验，完善措施，才能有效地降低医院感染的发生率，保障患者安全。

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Appendix A: 常用微生物学实验技术 (Commonly Used Microbiological Techniques)

<summary>本附录总结微生物学实验中常用的基本技术，如显微镜技术 (microscopy)、培养技术 (culture techniques)、染色技术 (staining techniques)、灭菌技术 (sterilization techniques) 等。</summary>

Appendix A1: 显微镜技术 (Microscopy)

<summary>介绍微生物学中常用的显微镜类型、基本原理和操作方法，包括光学显微镜 (optical microscope) 和电子显微镜 (electron microscope)。</summary>

Appendix A1.1: 光学显微镜 (Optical Microscope)

<summary>详细介绍光学显微镜的构造、成像原理、不同类型的光学显微镜（明场显微镜、相差显微镜、荧光显微镜、共聚焦显微镜），以及光学显微镜在微生物观察中的应用。</summary>

Appendix A1.1.1: 明场显微镜 (Bright-field Microscope)

<summary>介绍明场显微镜的结构、光路系统、成像原理和基本操作步骤，以及明场显微镜在观察染色和未染色微生物标本中的应用。</summary>
① 结构组成: 明场显微镜主要由以下几部分组成：
▮▮▮▮ⓑ 机械部分:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 镜座 (base)：显微镜的支撑部分。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 镜臂 (arm)：连接镜座和镜筒，便于手持和搬动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 镜筒 (body tube)：连接物镜和目镜，保持物镜和目镜之间的距离。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 转换器 (revolving nosepiece)：安装物镜，可旋转以更换不同倍数的物镜。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 载物台 (stage)：放置玻片标本的平台，通常带有载物片夹 (stage clips) 固定玻片。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 粗准焦螺旋 (coarse adjustment knob)：大幅度升降载物台或镜筒，用于快速对焦。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 细准焦螺旋 (fine adjustment knob)：小幅度升降载物台或镜筒，用于精细对焦，获得清晰图像。
▮▮▮▮ⓙ 照明部分:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 光源 (light source)：提供照明，现代显微镜多采用内置式卤素灯或 LED 灯。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 聚光器 (condenser)：位于载物台下方，汇聚光线，提高照明强度和均匀性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 光阑 (diaphragm)：位于聚光器下方，调节光线的孔径大小，控制照明的亮度和衬度。
▮▮▮▮ⓝ 光学部分:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 物镜 (objective lenses)：最关键的部件，靠近标本，具有放大和初步成像的功能，通常有不同倍数 (例如 4x, 10x, 40x, 100x) 的物镜。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 目镜 (eyepiece lenses)：位于镜筒上方，靠近人眼，对物镜形成的像进行再次放大，常见的目镜倍数有 10x 和 20x。
⑰ 成像原理: 明场显微镜利用可见光照明，光线穿过标本后，被物镜和目镜逐级放大，形成放大的实像。标本的不同结构对光线的吸收和折射率不同，产生明暗对比，从而在明亮的背景下观察到标本的结构。
⑱ 基本操作步骤:
▮▮▮▮ⓢ 准备标本: 制作微生物玻片标本，可以是湿片 (wet mount) 或染色片 (stained smear)。
▮▮▮▮ⓣ 放置标本: 将玻片标本放置在载物台上，用载物片夹固定。
▮▮▮▮ⓤ 低倍镜观察: 旋转转换器，选择低倍物镜 (例如 10x)，调节粗准焦螺旋，使物镜靠近标本，然后通过目镜观察，同时反向调节粗准焦螺旋，直到视野中出现模糊图像，再调节细准焦螺旋，使图像清晰。
▮▮▮▮ⓥ 高倍镜观察: 移动载物台，将目标区域移至视野中心，旋转转换器，更换为高倍物镜 (例如 40x 或 100x)。如果使用油镜 (100x 物镜)，需要在标本上滴加一滴镜油 (immersion oil)，然后缓慢调节细准焦螺旋进行对焦。
▮▮▮▮ⓦ 调节照明: 通过调节光阑和聚光器，优化视野的亮度和衬度，获得最佳观察效果。
⑳ 应用: 明场显微镜是微生物学中最常用的显微镜，适用于观察各种染色和未染色的微生物标本，如细菌、真菌、原生生物等，用于形态观察、细胞计数和初步鉴定。

Appendix A1.1.2: 相差显微镜 (Phase-contrast Microscope)

<summary>介绍相差显微镜的原理、特点和应用，重点说明相差显微镜在观察活细胞和未染色标本中的优势。</summary>
① 原理: 相差显微镜利用微生物细胞不同结构对光线折射率的微小差异，将人眼无法分辨的相位差转换为振幅差，从而在明亮的背景下观察到透明、未染色的活细胞结构。它通过特殊的相差环 (phase annulus) 和相差物镜 (phase-contrast objective) 实现。
② 特点:
▮▮▮▮ⓒ 观察活细胞: 无需染色，可以直接观察活的微生物细胞，保持细胞的自然形态和生理状态。
▮▮▮▮ⓓ 高衬度图像: 能够显著提高透明标本的衬度，使细胞内部结构（如细胞核、细胞器、内含物）清晰可见。
▮▮▮▮ⓔ 细节分辨: 能够观察到明场显微镜下难以分辨的细胞细节，如细菌的鞭毛、内孢子，真菌的菌丝、孢子等。
⑥ 应用: 相差显微镜广泛应用于微生物学、细胞生物学等领域，特别适用于：
▮▮▮▮ⓖ 活细胞观察: 观察细菌的运动、细胞分裂，真菌的生长、孢子萌发，原生生物的摄食、纤毛运动等动态过程。
▮▮▮▮ⓗ 未染色标本: 观察水样、组织液、细胞培养物等未染色标本中的微生物形态和结构。
▮▮▮▮ⓘ 细胞结构研究: 研究细胞内部结构，如细胞核、液泡、线粒体等，以及细胞器的动态变化。

Appendix A1.1.3: 荧光显微镜 (Fluorescence Microscope)

<summary>介绍荧光显微镜的原理、荧光染料 (fluorescent dyes)、激发光 (excitation light) 和发射光 (emission light)，以及荧光显微镜在微生物学中的应用，如免疫荧光技术 (immunofluorescence microscopy) 和活细胞荧光成像 (live-cell fluorescence imaging)。</summary>
① 原理: 荧光显微镜利用荧光物质在特定波长的激发光照射下，发出另一波长较长的荧光的特性进行观察。它使用特殊的滤光片系统，选择性地激发荧光物质并接收其发射的荧光，从而在黑暗背景下观察到发出荧光的标本。
② 荧光染料: 荧光染料是荧光显微镜的关键，分为：
▮▮▮▮ⓒ 荧光素 (fluorescein): 发射绿色荧光，常用于免疫荧光染色。
▮▮▮▮ⓓ 罗丹明 (rhodamine): 发射红色荧光，也常用于免疫荧光染色。
▮▮▮▮ⓔ DAPI: 发射蓝色荧光，特异性结合 DNA，用于细胞核染色。
▮▮▮▮ⓕ GFP (绿色荧光蛋白, Green Fluorescent Protein): 由基因工程改造的蛋白质，在蓝光或紫外光激发下发出绿色荧光，常用于活细胞标记和基因表达研究。
⑦ 激发光与发射光: 荧光物质吸收激发光能量后，电子跃迁到激发态，然后迅速返回基态，释放出能量，以发射光的形式发出。激发光波长较短，能量较高；发射光波长较长，能量较低。荧光显微镜使用激发滤光片 (excitation filter) 选择特定波长的激发光照射标本，使用发射滤光片 (emission filter) 阻挡激发光，只允许发射光通过，到达人眼或探测器。
⑧ 应用: 荧光显微镜在微生物学中应用广泛：
▮▮▮▮ⓘ 免疫荧光技术: 利用荧光标记的抗体 (antibody) 特异性地检测微生物抗原 (antigen)，用于病原微生物的快速鉴定和诊断。例如，荧光标记抗体直接或间接检测细菌、病毒、真菌等。
▮▮▮▮ⓙ 活细胞荧光成像: 利用荧光探针 (fluorescent probes) 标记活细胞的特定结构或分子，实时观察细胞内的动态过程，如细胞骨架 (cytoskeleton) 变化、膜流动性 (membrane fluidity)、离子浓度变化等。
▮▮▮▮ⓚ 基因表达研究: 将 GFP 等荧光蛋白基因与目的基因融合，观察 GFP 的荧光强度和分布，研究基因的表达调控和蛋白质的定位。
▮▮▮▮ⓛ 细胞追踪: 利用荧光染料标记细胞，追踪细胞的迁移、分化和相互作用。

Appendix A1.1.4: 共聚焦显微镜 (Confocal Microscope)

<summary>介绍共聚焦显微镜的原理、激光扫描 (laser scanning)、光学切片 (optical sectioning) 和三维重建 (3D reconstruction) 技术，以及共聚焦显微镜在观察厚标本和细胞内部结构中的优势。</summary>
① 原理: 共聚焦显微镜是一种高级荧光显微镜，它利用激光作为光源，通过扫描方式逐点或逐线照明标本，并使用共聚焦针孔 (confocal pinhole) 消除焦平面以外的杂散光，只接收来自焦平面的荧光信号，从而获得清晰、高分辨率的光学切片图像。通过连续采集不同焦平面的光学切片，可以进行三维重建，观察厚标本的内部结构。
② 激光扫描: 共聚焦显微镜使用激光作为激发光源，激光束经过扫描系统 (scanning system) 控制，在标本上逐点或逐线扫描。扫描系统通常由扫描镜 (scanning mirrors) 和扫描控制器 (scanning controller) 组成，可以精确控制激光束的扫描轨迹和速度。
③ 光学切片: 共聚焦显微镜的关键技术是光学切片。由于共聚焦针孔的存在，只有来自焦平面的荧光信号才能通过针孔，到达探测器，焦平面以外的荧光信号被阻挡。通过调节物镜或载物台的高度，可以改变焦平面的位置，获得不同深度的光学切片图像。光学切片的厚度可以通过调节共聚焦针孔的大小来控制，针孔越小，光学切片越薄，分辨率越高，但信号强度会降低。
④ 三维重建: 共聚焦显微镜可以连续采集一系列不同焦平面的光学切片图像，然后通过计算机软件进行三维重建，将二维光学切片图像合成为三维立体图像，从而可以直观地观察厚标本的内部三维结构。
⑤ 应用: 共聚焦显微镜在微生物学研究中具有重要应用价值：
▮▮▮▮ⓕ 厚标本观察: 适用于观察较厚的微生物标本，如生物膜 (biofilm)、组织切片、细胞团块等，可以清晰地观察到标本内部的细胞结构和空间分布。
▮▮▮▮ⓖ 细胞内部结构: 可以高分辨率地观察细胞内部的精细结构，如细胞核、细胞器、细胞骨架等，以及它们在细胞内的三维分布和相互关系。
▮▮▮▮ⓗ 活细胞动态过程: 可以进行活细胞长时间序列成像 (time-lapse imaging)，观察细胞内的动态过程，如细胞器的运动、蛋白质的转运、基因表达的动态变化等。
▮▮▮▮ⓘ 多色荧光成像: 可以同时使用多种荧光染料标记不同的细胞结构或分子，进行多色荧光成像，研究不同分子之间的相互作用和共定位关系。

Appendix A1.2: 电子显微镜 (Electron Microscope)

<summary>简要介绍电子显微镜的类型（透射电子显微镜 TEM, 扫描电子显微镜 SEM）、基本原理和应用，突出电子显微镜在观察微生物超微结构 (ultrastructure) 中的优势。</summary>
① 类型: 电子显微镜主要分为两种类型：
▮▮▮▮ⓑ 透射电子显微镜 (TEM, Transmission Electron Microscope): 电子束穿透超薄标本，根据电子透射程度的不同形成图像，用于观察标本的内部超微结构。
▮▮▮▮ⓒ 扫描电子显微镜 (SEM, Scanning Electron Microscope): 电子束扫描标本表面，激发标本表面产生二次电子，收集二次电子信号形成图像，用于观察标本的表面形态。
④ 基本原理: 电子显微镜使用电子束代替可见光作为照明源，利用电磁透镜 (electromagnetic lenses) 控制电子束的聚焦和成像。由于电子束的波长远小于可见光，电子显微镜具有比光学显微镜更高的分辨率，可以观察到纳米 (nanometer) 尺度的超微结构。
⑤ 透射电子显微镜 (TEM):
▮▮▮▮ⓕ 标本制备: TEM 标本需要经过复杂的制备过程，包括固定 (fixation)、脱水 (dehydration)、包埋 (embedding)、切片 (sectioning)、染色 (staining) 等，将标本制成厚度为几十纳米的超薄切片。
▮▮▮▮ⓖ 成像原理: 电子束穿过超薄标本后，与标本中的原子相互作用，发生散射和吸收。未散射的电子束通过物镜和中间镜、投影镜等电磁透镜放大成像，在荧光屏 (fluorescent screen) 或照相底片上形成图像。标本的不同结构对电子束的散射能力不同，产生明暗对比，从而观察到标本的内部超微结构。
▮▮▮▮ⓗ 应用: TEM 主要用于观察微生物的内部超微结构，如细胞壁 (cell wall)、细胞膜 (cell membrane)、细胞器 (organelles)、病毒 (viruses)、细菌鞭毛 (bacterial flagella) 等。
⑨ 扫描电子显微镜 (SEM):
▮▮▮▮ⓙ 标本制备: SEM 标本制备相对简单，通常只需经过固定、脱水、干燥 (drying)、喷金 (sputter coating) 等步骤，在标本表面喷镀一层导电金属膜 (如金或铂)，以提高二次电子的产生效率。
▮▮▮▮ⓚ 成像原理: 电子束在标本表面扫描，与标本表面原子相互作用，激发产生二次电子、背散射电子、X 射线等信号。SEM 主要收集二次电子信号成像，二次电子的产生量与标本表面的形貌和成分有关，因此 SEM 图像可以反映标本表面的三维形貌特征。
▮▮▮▮ⓛ 应用: SEM 主要用于观察微生物的表面形态，如细菌的形态、真菌的孢子、原生生物的表面结构、生物膜的结构等。
⑬ 优势: 电子显微镜相比光学显微镜，具有更高的分辨率，可以观察到光学显微镜无法分辨的微生物超微结构，是研究微生物细胞结构、病毒形态、细胞器结构等的重要工具。

Appendix A2: 培养技术 (Culture Techniques)

<summary>介绍微生物培养的基本原理、培养基 (culture media) 的类型和制备、纯培养 (pure culture) 的获得方法、微生物的接种 (inoculation) 和培养 (incubation) 条件，以及培养技术的应用。</summary>

Appendix A2.1: 培养基的类型与制备 (Types and Preparation of Culture Media)

<summary>详细介绍培养基的分类（按物理状态、用途、化学成分），以及常用培养基的配方和制备方法，包括固体培养基 (solid media)、液体培养基 (liquid media)、半固体培养基 (semi-solid media)、通用培养基 (general-purpose media)、选择性培养基 (selective media)、鉴别培养基 (differential media) 和专性培养基 (defined media)。</summary>
① 培养基的分类: 培养基根据不同标准可以分为多种类型：
▮▮▮▮ⓑ 按物理状态分类:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 固体培养基 (solid media): 含有凝固剂 (凝固剂常用琼脂 agar)，呈固体状态，用于菌落 (colony) 观察、纯培养分离和菌种保存。琼脂的常用浓度为 1.5%-2.0%。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 液体培养基 (liquid media): 不含凝固剂，呈液体状态，用于微生物的增殖培养、发酵实验和生化试验。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 半固体培养基 (semi-solid media): 含有少量凝固剂 (琼脂浓度通常为 0.5% 或更低)，介于固体和液体之间，用于测定细菌的动力 (motility) 和厌氧菌培养。
▮▮▮▮ⓕ 按用途分类:
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 通用培养基 (general-purpose media): 也称普通培养基，能满足多种微生物基本营养需求的培养基，如营养琼脂培养基 (Nutrient Agar, NA)、营养肉汤培养基 (Nutrient Broth, NB)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 选择性培养基 (selective media): 在培养基中加入某些化学物质，抑制某些微生物生长，促进特定微生物生长的培养基，用于分离特定类型的微生物。例如，麦康凯琼脂培养基 (MacConkey Agar, MAC) 选择性培养革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 鉴别培养基 (differential media): 在培养基中加入指示剂或特殊成分，使不同种类的微生物在培养基上呈现不同的特征，用于鉴别不同种类的微生物。例如，麦康凯琼脂培养基 (MAC) 可以鉴别发酵乳糖 (lactose fermentation) 和不发酵乳糖的细菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 专性培养基 (defined media): 也称合成培养基，培养基的化学成分和含量完全清楚，用于研究微生物的营养需求和代谢途径。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 富集培养基 (enrichment media): 用于选择性地富集培养环境中含量极低的特定微生物，通常为液体培养基，通过改变培养条件（如营养成分、pH、温度、氧气）促进目标微生物的生长。
▮▮▮▮ⓛ 按化学成分分类:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 天然培养基 (natural media): 培养基的成分来源于天然物质，如肉膏、蛋白胨、酵母膏等，成分复杂，含量不确定，如营养琼脂培养基 (NA)、营养肉汤培养基 (NB)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 半合成培养基 (semi-synthetic media): 培养基的成分部分是天然物质，部分是化学试剂，成分相对清楚，如麦康凯琼脂培养基 (MAC)、伊红美蓝琼脂培养基 (EMB Agar)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 合成培养基 (synthetic media): 培养基的成分全部是化学试剂，成分和含量完全清楚，如葡萄糖无机盐培养基 (Glucose Mineral Salts Medium)。
⑯ 常用培养基的配方和制备: 以营养琼脂培养基 (NA) 为例：
▮▮▮▮ⓠ 配方:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 蛋白胨 (peptone): 10g
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 牛肉膏 (beef extract): 3g
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 氯化钠 (NaCl): 5g
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 琼脂 (agar): 15-20g (用于固体培养基)
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 蒸馏水 (distilled water): 1000mL
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ pH 值: 7.0-7.2
▮▮▮▮ⓧ 制备步骤:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 称量: 按照配方称量各种成分。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 溶解: 将称量好的成分加入烧杯中，加入适量蒸馏水，加热搅拌，使成分完全溶解。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 定容: 加入蒸馏水定容至 1000mL。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 调 pH: 用 1mol/L NaOH 或 1mol/L HCl 调节 pH 值至 7.0-7.2。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 分装: 将培养基分装到试管或锥形瓶中，试管中分装量约为 5-10mL，锥形瓶中分装量根据需要而定。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 灭菌: 将分装好的培养基进行高压蒸汽灭菌 (autoclaving)，条件为 121℃，15-20分钟。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 倒平板 (用于固体培养基): 待培养基冷却至 50-60℃ 时，在无菌条件下将培养基倒入无菌培养皿 (Petri dish) 中，每皿倒入量约为 15-20mL，待培养基凝固后即可使用。
⑳ 注意事项:
▮▮▮▮ⓩ 准确称量: 培养基成分的称量要准确，避免影响培养基的质量。
▮▮▮▮ⓩ 充分溶解: 培养基成分要充分溶解，避免出现沉淀或不均匀现象。
▮▮▮▮ⓩ 准确调 pH: 培养基的 pH 值对微生物生长影响很大，要准确调节 pH 值。
▮▮▮▮ⓩ 彻底灭菌: 培养基必须彻底灭菌，防止杂菌污染。
▮▮▮▮ⓩ 无菌操作: 在分装和倒平板等操作过程中，要严格遵守无菌操作规程，防止污染。

Appendix A2.2: 纯培养的获得 (Obtaining Pure Cultures)

<summary>介绍纯培养的概念和意义，以及常用的纯培养分离方法，包括平板划线法 (streak plate method)、稀释涂布平板法 (spread plate method) 和倾注平板法 (pour plate method)。</summary>
① 纯培养的概念和意义:
▮▮▮▮ⓑ 纯培养的概念: 纯培养 (pure culture) 是指从单一菌落或细胞繁殖而来的，只含有一种微生物的培养物。
▮▮▮▮ⓒ 纯培养的意义:
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 菌种鉴定: 纯培养是进行微生物形态、生理生化特性、遗传特性等研究的基础，是菌种鉴定的前提。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 科学研究: 纯培养是进行微生物代谢、遗传、致病性等研究的必要条件，可以排除杂菌的干扰，获得可靠的实验结果。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 工业生产: 在发酵工业、制药工业等领域，需要使用纯培养的菌种进行生产，保证产品质量和产量。
⑦ 纯培养分离方法:
▮▮▮▮ⓗ 平板划线法 (streak plate method): 是最常用的纯培养分离方法，操作简便，分离效果好。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 原理: 通过连续划线稀释，将混合菌液中的微生物逐步稀释分散到琼脂平板表面，使单个细胞或细胞团在平板表面形成菌落，从而达到分离纯化的目的。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 操作步骤:
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❶ 火焰灭菌接种环: 将接种环 (inoculating loop) 在火焰上烧红，冷却。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❷ 蘸取菌液: 用冷却的接种环蘸取少量菌液。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❸ 第一区域划线: 在琼脂平板的一个区域 (区域 1) 进行平行划线，划 3-5 条线，尽量划满区域，但不要划破琼脂表面。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❹ 火焰灭菌接种环: 将接种环在火焰上烧红，冷却。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❺ 第二区域划线: 将接种环与第一区域末端接触，从第一区域末端开始，在新的区域 (区域 2) 进行平行划线，划 3-5 条线，与第一区域划线交叉。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❻ 火焰灭菌接种环: 将接种环在火焰上烧红，冷却。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❼ 第三区域划线: 将接种环与第二区域末端接触，从第二区域末端开始，在新的区域 (区域 3) 进行平行划线，划 3-5 条线，与第二区域划线交叉。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❽ 火焰灭菌接种环: 最后将接种环在火焰上烧红，彻底灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❾ 培养: 将划线后的平板倒置放入培养箱中培养。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 结果: 培养后，在划线稀释的区域，菌落逐渐稀疏，在最后划线的区域，可以得到分散良好的单个菌落。
▮▮▮▮ⓑ 稀释涂布平板法 (spread plate method): 也常用于菌落计数 (colony counting) 和纯培养分离。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 原理: 将菌液进行系列稀释，然后取一定稀释度的菌液，均匀涂布在琼脂平板表面，使细菌分散开来，培养后形成单个菌落。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 操作步骤:
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❶ 菌液系列稀释: 将菌液进行 10 倍系列稀释，例如稀释到 10-3, 10-4, 10-5 等浓度。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❷ 取菌液涂布: 从稀释度较高的菌液中，取 0.1mL 菌液，滴加到琼脂平板中央。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❸ 涂布: 用无菌玻璃涂布棒 (glass spreader) 将菌液均匀涂布在平板表面。涂布时，旋转平板，使菌液均匀分布。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❹ 培养: 将涂布后的平板倒置放入培养箱中培养。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 结果: 培养后，在平板表面形成分散良好的单个菌落。
▮▮▮▮ⓒ 倾注平板法 (pour plate method): 主要用于菌落计数和厌氧菌培养。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 原理: 将菌液进行系列稀释，取一定稀释度的菌液，与融化的琼脂培养基混合均匀，倾注到无菌培养皿中，待培养基凝固后培养，细菌在培养基内部和表面生长形成菌落。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 操作步骤:
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❶ 菌液系列稀释: 将菌液进行 10 倍系列稀释。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❷ 取菌液加入培养皿: 从稀释度较高的菌液中，取 0.1mL 或 1mL 菌液，加入到无菌培养皿中。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❸ 加入融化的培养基: 将融化并冷却至 45-50℃ 的琼脂培养基 (约 15-20mL) 倒入培养皿中。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❹ 混匀: 轻轻摇动培养皿，使菌液与培养基充分混匀。
▮▮▮▮▮▮▮▮ ❺ 凝固: 待培养基凝固后，倒置放入培养箱中培养。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 结果: 培养后，在培养基内部和表面都形成菌落。内部菌落较小，表面菌落较大。
③ 菌落挑选: 从分离平板上挑选形态、颜色、大小均一的单个菌落，进行再次划线或涂布分离，重复 2-3 次，确保获得纯培养。

Appendix A2.3: 微生物的接种与培养条件 (Inoculation and Incubation Conditions for Microorganisms)

<summary>介绍微生物接种的基本方法和注意事项，以及影响微生物生长的主要培养条件，包括温度 (temperature)、氧气 (oxygen)、pH 值 (pH)、湿度 (humidity) 和培养时间 (incubation time)。</summary>
① 微生物的接种方法: 接种 (inoculation) 是指将微生物转移到培养基中的操作。常用的接种方法包括：
▮▮▮▮ⓑ 划线接种: 用于平板划线分离纯培养，使用接种环进行划线。
▮▮▮▮ⓒ 涂布接种: 用于稀释涂布平板分离纯培养和菌落计数，使用玻璃涂布棒进行涂布。
▮▮▮▮ⓓ 倾注接种: 用于倾注平板分离纯培养和菌落计数，将菌液与融化的培养基混合倾注。
▮▮▮▮ⓔ 穿刺接种: 用于半固体培养基动力试验和菌种保存，使用接种针 (inoculating needle) 垂直穿刺培养基。
▮▮▮▮ⓕ 液体接种: 用于液体培养基的增殖培养，用接种环或吸管将菌液加入液体培养基中。
⑦ 接种注意事项:
▮▮▮▮ⓗ 无菌操作: 接种过程必须严格遵守无菌操作规程，防止杂菌污染。
▮▮▮▮ⓘ 接种量适宜: 接种量不宜过多或过少，适宜的接种量有利于微生物的生长和纯培养的获得。
▮▮▮▮ⓙ 均匀分散: 在涂布接种和倾注接种时，要使菌液均匀分散在培养基表面或培养基中。
⑪ 微生物的培养条件: 微生物的生长受多种环境因素影响，主要的培养条件包括：
▮▮▮▮ⓛ 温度 (temperature): 温度是影响微生物生长最重要的因素之一。根据最适生长温度，微生物可分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 嗜冷菌 (psychrophiles): 最适生长温度为 0-20℃。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 嗜温菌 (mesophiles): 最适生长温度为 20-45℃，大多数病原菌和常见腐生菌属于嗜温菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 嗜热菌 (thermophiles): 最适生长温度为 45-80℃。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 超嗜热菌 (hyperthermophiles): 最适生长温度为 80℃ 以上。
▮▮▮▮ⓠ 氧气 (oxygen): 根据对氧气的需求，微生物可分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 需氧菌 (aerobes): 必须在有氧条件下才能生长，如大多数细菌、真菌和原生生物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 厌氧菌 (anaerobes): 必须在无氧条件下才能生长，氧气对其有毒害作用，如破伤风梭菌 (Clostridium tetani)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 兼性厌氧菌 (facultative anaerobes): 在有氧和无氧条件下都能生长，但在有氧条件下生长更好，如大肠杆菌 (Escherichia coli)、酵母菌 (yeasts)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 微需氧菌 (microaerophiles): 需要低浓度氧气 (2-10%) 才能生长，高浓度氧气对其有抑制作用，如幽门螺杆菌 (Helicobacter pylori)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 耐氧菌 (aerotolerant anaerobes): 在有氧和无氧条件下都能生长，但氧气对其生长没有促进或抑制作用，如乳酸菌 (Lactobacillus)。
▮▮▮▮ⓦ pH 值 (pH): 大多数细菌的最适生长 pH 值为中性或微碱性 (pH 6.5-7.5)，真菌的最适生长 pH 值为酸性 (pH 5.0-6.0)。根据最适生长 pH 值，微生物可分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 嗜酸菌 (acidophiles): 最适生长 pH 值低于 5.5。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 嗜中性菌 (neutrophiles): 最适生长 pH 值为 5.5-8.5。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 嗜碱菌 (alkaliphiles): 最适生长 pH 值高于 8.5。
▮▮▮▮ⓩ 湿度 (humidity): 微生物生长需要一定的水分，培养基中水分含量不足会影响微生物生长。固体培养基的水分含量通常为 70%-80%，液体培养基的水分含量更高。
▮▮▮▮ⓩ 培养时间 (incubation time): 不同的微生物生长速度不同，培养时间也不同。细菌通常培养 24-48 小时，真菌通常培养 2-7 天，有些微生物需要更长的培养时间。
⑳ 培养设备: 常用的微生物培养设备包括：
▮▮▮▮ⓩ 培养箱 (incubator): 用于控制培养温度，提供恒温培养环境。
▮▮▮▮ⓩ 恒温摇床 (incubator shaker): 在培养箱的基础上增加摇床功能，用于液体培养，增加溶氧量，促进微生物生长。
▮▮▮▮ⓩ 厌氧培养装置 (anaerobic jar/chamber): 用于厌氧菌培养，创造无氧环境。
▮▮▮▮ⓩ 二氧化碳培养箱 (CO2 incubator): 用于培养需要高浓度二氧化碳的微生物，如某些细胞培养和医学微生物。

Appendix A3: 染色技术 (Staining Techniques)

<summary>介绍微生物染色的基本原理、常用染色方法和染色剂 (stains)，包括简单染色 (simple staining)、革兰氏染色 (Gram staining)、抗酸染色 (acid-fast staining)、芽孢染色 (endospore staining) 和荚膜染色 (capsule staining)。</summary>

Appendix A3.1: 简单染色 (Simple Staining)

<summary>介绍简单染色的原理、常用染色剂（如美蓝 methylene blue, 结晶紫 crystal violet, 碱性复红 basic fuchsin）和操作步骤，以及简单染色在观察微生物形态和大小中的应用。</summary>
① 原理: 简单染色 (simple staining) 是指使用单一染料对微生物进行染色，使微生物细胞与背景形成颜色对比，从而在显微镜下观察到微生物的形态和大小。大多数微生物细胞本身是透明或半透明的，与周围介质的折射率相近，在明场显微镜下难以观察清楚。染色剂可以与细胞结构结合，增加细胞的颜色对比度，使其易于观察。
② 常用染色剂: 简单染色常用的染色剂是碱性染料 (basic dyes)，如：
▮▮▮▮ⓒ 美蓝 (methylene blue): 呈蓝色，染色效果温和，常用于观察细菌和真菌的形态。
▮▮▮▮ⓓ 结晶紫 (crystal violet): 呈紫色，染色效果强烈，常用于细菌的初染。
▮▮▮▮ⓔ 碱性复红 (basic fuchsin): 呈红色，染色效果鲜艳，也常用于细菌的初染。
▮▮▮▮ⓕ 孔雀绿 (malachite green): 呈绿色，常用于芽孢染色和背景染色。
⑦ 操作步骤: 以美蓝染色为例：
▮▮▮▮ⓗ 涂片: 将微生物样品均匀涂抹在玻片上，制成薄而均匀的涂片。
▮▮▮▮ⓘ 干燥: 将涂片在空气中自然干燥或在火焰上方缓慢烘干。
▮▮▮▮ⓙ 固定: 将干燥的涂片在火焰上方快速通过 2-3 次，进行热固定 (heat fixation)，使微生物细胞固定在玻片上，并杀死微生物。注意不要过度加热，以免细胞变形。
▮▮▮▮ⓚ 染色: 将涂片水平放置在染色架上，滴加美蓝染色液，覆盖整个涂片区域，染色 1-2 分钟。
▮▮▮▮ⓛ 冲洗: 用清水轻轻冲洗涂片，去除多余的染色液。
▮▮▮▮ⓜ 干燥: 将涂片在空气中自然干燥或用吸水纸吸干水分。
▮▮▮▮ⓝ 镜检: 将干燥的染色涂片放在显微镜下观察。先用低倍镜 (10x) 找到视野，再用高倍镜 (40x) 或油镜 (100x) 观察微生物的形态和大小。
⑮ 应用: 简单染色主要用于：
▮▮▮▮ⓟ 形态观察: 观察细菌的球菌 (cocci)、杆菌 (bacilli)、螺旋菌 (spirilla) 等基本形态，真菌的菌丝 (hyphae)、孢子 (spores) 等形态，以及原生生物的细胞形态。
▮▮▮▮ⓠ 大小测量: 简单染色可以使微生物细胞轮廓清晰，便于测量微生物的大小。
▮▮▮▮ⓡ 初步鉴定: 根据微生物的形态和染色特征，可以进行初步的分类鉴定。

Appendix A3.2: 革兰氏染色 (Gram Staining)

<summary>详细介绍革兰氏染色的原理、染色步骤、染色剂（初染剂、媒染剂、脱色剂、复染剂）和结果判读，以及革兰氏染色在细菌分类鉴定中的重要意义。</summary>
① 原理: 革兰氏染色 (Gram staining) 是一种鉴别细菌细胞壁结构差异的鉴别染色方法，由丹麦细菌学家革兰 (Hans Christian Gram) 于 1884 年创立。根据染色结果，细菌可分为两大类：革兰氏阳性菌 (Gram-positive bacteria, G+) 和革兰氏阴性菌 (Gram-negative bacteria, G-)。
▮▮▮▮ⓑ 革兰氏阳性菌 (G+): 细胞壁较厚，主要成分是肽聚糖 (peptidoglycan)，脂类含量低。染色后呈紫色。
▮▮▮▮ⓒ 革兰氏阴性菌 (G-): 细胞壁较薄，肽聚糖层薄，外层有一层脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS) 膜，脂类含量高。染色后呈红色。
④ 染色剂: 革兰氏染色使用四种染色剂：
▮▮▮▮ⓔ 初染剂 (primary stain): 结晶紫 (crystal violet)，使所有细菌细胞染成紫色。
▮▮▮▮ⓕ 媒染剂 (mordant): 革兰氏碘液 (Gram's iodine)，碘 (iodine) 与结晶紫形成结晶紫-碘复合物 (crystal violet-iodine complex, CV-I complex)，增强染色效果，使颜色更牢固。
▮▮▮▮ⓖ 脱色剂 (decolorizer): 95% 乙醇 (ethanol) 或丙酮 (acetone)，用于脱去革兰氏阴性菌细胞内的结晶紫-碘复合物。革兰氏阳性菌由于细胞壁结构特殊，不易脱色。
▮▮▮▮ⓗ 复染剂 (counterstain): 番红 (safranin) 或稀释的石炭酸复红 (diluted carbolfuchsin)，用于将脱色后的革兰氏阴性菌细胞染成红色，与革兰氏阳性菌的紫色形成对比。
⑨ 染色步骤:
▮▮▮▮ⓙ 涂片、干燥、固定: 与简单染色相同。
▮▮▮▮ⓚ 初染: 滴加结晶紫染色液，染色 1 分钟，水洗。
▮▮▮▮ⓛ 媒染: 滴加革兰氏碘液，媒染 1 分钟，水洗。
▮▮▮▮ⓜ 脱色: 滴加 95% 乙醇，脱色 15-30 秒，立即水洗。脱色是革兰氏染色的关键步骤，脱色时间过长，革兰氏阳性菌也会脱色；脱色时间过短，革兰氏阴性菌脱色不彻底。
▮▮▮▮ⓝ 复染: 滴加番红染色液，复染 1 分钟，水洗。
▮▮▮▮ⓞ 干燥、镜检: 与简单染色相同。
⑯ 结果判读:
▮▮▮▮ⓠ 革兰氏阳性菌 (G+): 细胞壁厚，肽聚糖层发达，乙醇脱色时，细胞壁脱水收缩，孔径变小，结晶紫-碘复合物不易渗出，仍保留紫色，复染时红色染料不易进入，因此革兰氏阳性菌染色后呈紫色。
▮▮▮▮ⓡ 革兰氏阴性菌 (G-): 细胞壁薄，肽聚糖层薄，外层有脂多糖膜，乙醇脱色时，脂类溶解，细胞壁孔径增大，结晶紫-碘复合物容易渗出，细胞变为无色，复染时红色染料进入细胞，因此革兰氏阴性菌染色后呈红色。
⑲ 应用: 革兰氏染色是细菌学中最基本、最重要的鉴别染色方法，广泛应用于：
▮▮▮▮ⓣ 细菌分类鉴定: 革兰氏染色是细菌分类鉴定的重要依据，可以将细菌初步分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。
▮▮▮▮ⓤ 临床诊断: 在临床微生物检验中，革兰氏染色是快速诊断细菌感染的重要手段，可以初步判断感染菌的类型，指导临床用药。
▮▮▮▮ⓥ 教学实验: 革兰氏染色是微生物学实验教学的基本内容，是学生掌握微生物染色技术的基础。

Appendix A3.3: 抗酸染色 (Acid-fast Staining)

<summary>介绍抗酸染色的原理、染色步骤、染色剂（石炭酸复红 carbolfuchsin, 盐酸乙醇 acid-alcohol, 美蓝 methylene blue）和结果判读，以及抗酸染色在结核杆菌 (Mycobacterium tuberculosis) 和麻风杆菌 (Mycobacterium leprae) 鉴定中的应用。</summary>
① 原理: 抗酸染色 (acid-fast staining) 是一种特殊的鉴别染色方法，用于鉴别具有抗酸性 (acid-fastness) 的细菌，如分枝杆菌属 (Mycobacterium)。抗酸性细菌细胞壁中含有大量的蜡质 (waxes) 和分枝菌酸 (mycolic acid)，这些脂类物质使细胞壁具有特殊的通透性，不易被普通染料染色，一旦染色后又不易被酸性脱色剂脱色，故称为抗酸性。
② 染色剂: 抗酸染色常用的染色剂包括：
▮▮▮▮ⓒ 初染剂: 石炭酸复红 (carbolfuchsin)，含有石炭酸 (phenol)，可以促进染料穿透蜡质细胞壁。染色时需要加热，进一步促进染料进入细胞。
▮▮▮▮ⓓ 脱色剂: 盐酸乙醇 (acid-alcohol)，由盐酸 (HCl) 和乙醇组成，用于脱去非抗酸性细菌的颜色。抗酸性细菌由于细胞壁的特殊结构，不易被酸性脱色剂脱色。
▮▮▮▮ⓔ 复染剂: 美蓝 (methylene blue)，用于将脱色后的非抗酸性细菌染成蓝色，与抗酸性细菌的红色形成对比。
⑥ 染色步骤 (Ziehl-Neelsen 染色法):
▮▮▮▮ⓖ 涂片、干燥、固定: 与简单染色相同。
▮▮▮▮ⓗ 初染: 滴加石炭酸复红染色液，加热染色 5-10 分钟，染色过程中要不断补充染色液，防止干燥。加热方法可以是小火加热或水浴加热，保持染色液微沸状态。
▮▮▮▮ⓘ 水洗: 用水轻轻冲洗涂片，去除多余的染色液。
▮▮▮▮ⓙ 脱色: 滴加 3% 盐酸乙醇脱色液，脱色至流出的液体呈淡红色或无色，约 15-30 秒，立即水洗。
▮▮▮▮ⓚ 复染: 滴加美蓝染色液，复染 1-2 分钟，水洗。
▮▮▮▮ⓛ 干燥、镜检: 与简单染色相同。
⑬ 结果判读:
▮▮▮▮ⓝ 抗酸性细菌: 如结核杆菌、麻风杆菌等，由于细胞壁含有大量蜡质和分枝菌酸，染色后不易被酸性脱色剂脱色，仍保留石炭酸复红的红色。
▮▮▮▮ⓞ 非抗酸性细菌: 如大多数其他细菌，细胞壁不含蜡质和分枝菌酸，染色后容易被酸性脱色剂脱色，被复染剂美蓝染成蓝色。
⑯ 应用: 抗酸染色主要用于：
▮▮▮▮ⓠ 结核杆菌和麻风杆菌的鉴定: 抗酸染色是诊断结核病 (tuberculosis) 和麻风病 (leprosy) 的重要实验室检查方法，可以快速鉴定痰液、组织液等标本中的结核杆菌和麻风杆菌。
▮▮▮▮ⓡ 分枝杆菌属的分类鉴定: 抗酸染色是分枝杆菌属细菌分类鉴定的重要依据。
▮▮▮▮ⓢ 放线菌属 (Nocardia) 等抗酸性细菌的鉴定: 除了分枝杆菌属，放线菌属等某些细菌也具有弱抗酸性，可以用抗酸染色进行鉴定。

Appendix A3.4: 芽孢染色 (Endospore Staining)

<summary>介绍芽孢染色的原理、染色步骤、染色剂（孔雀绿 malachite green, 番红 safranin）和结果判读，以及芽孢染色在芽孢杆菌属 (Bacillus) 和梭菌属 (Clostridium) 鉴定中的应用。</summary>
① 原理: 芽孢染色 (endospore staining) 是一种特殊的染色方法，用于显示细菌的芽孢 (endospores)。芽孢是某些细菌在不良环境下形成的一种休眠体，具有很强的抵抗力，可以抵抗高温、干燥、辐射、化学消毒剂等不利因素。芽孢结构致密，不易染色，但一旦染色后又不易脱色。
② 染色剂: 芽孢染色常用的染色剂包括：
▮▮▮▮ⓒ 初染剂: 孔雀绿 (malachite green)，一种弱碱性染料，可以穿透芽孢的致密结构，染色芽孢。染色时需要加热，促进染料进入芽孢。
▮▮▮▮ⓓ 脱色剂: 水 (water)，用于脱去营养细胞 (vegetative cells) 的孔雀绿，但芽孢内的孔雀绿不易脱色。
▮▮▮▮ⓔ 复染剂: 番红 (safranin)，用于将脱色后的营养细胞染成红色，与芽孢的绿色形成对比。
⑥ 染色步骤 (Schaeffer-Fulton 染色法):
▮▮▮▮ⓖ 涂片、干燥、固定: 与简单染色相同。
▮▮▮▮ⓗ 初染: 滴加孔雀绿染色液，加热染色 5-10 分钟，染色过程中要不断补充染色液，防止干燥。加热方法可以是小火加热或水浴加热，保持染色液微沸状态。
▮▮▮▮ⓘ 水洗: 用水轻轻冲洗涂片，去除多余的染色液。
▮▮▮▮ⓙ 复染: 滴加番红染色液，复染 1 分钟，水洗。
▮▮▮▮ⓚ 干燥、镜检: 与简单染色相同。
⑫ 结果判读:
▮▮▮▮ⓜ 芽孢: 由于芽孢结构致密，染色后不易脱色，仍保留孔雀绿的绿色。
▮▮▮▮ⓝ 营养细胞: 营养细胞结构疏松，染色后容易被水脱色，被复染剂番红染成红色。
⑮ 应用: 芽孢染色主要用于：
▮▮▮▮ⓟ 芽孢杆菌属和梭菌属的鉴定: 芽孢染色是鉴定芽孢杆菌属 (Bacillus) 和梭菌属 (Clostridium) 细菌的重要方法，可以观察芽孢的形态、大小和在细胞中的位置，作为分类鉴定的依据。
▮▮▮▮ⓠ 食品和环境微生物检验: 在食品和环境微生物检验中，芽孢染色可以检测样品中是否存在芽孢细菌，评估食品的灭菌效果和环境的卫生状况。
▮▮▮▮ⓡ 教学实验: 芽孢染色是微生物学实验教学的重要内容，可以帮助学生了解芽孢的形成和结构。

Appendix A3.5: 荚膜染色 (Capsule Staining)

<summary>介绍荚膜染色的原理、染色方法（负染色 negative staining 和荚膜体染色 capsule stain）、染色剂（墨汁 India ink, 结晶紫 crystal violet）和结果判读，以及荚膜染色在肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae) 和脑膜炎奈瑟菌 (Neisseria meningitidis) 等荚膜菌鉴定中的应用。</summary>
① 原理: 荚膜染色 (capsule staining) 是一种特殊的染色方法，用于显示细菌的荚膜 (capsule)。荚膜是某些细菌细胞壁外层的一层粘液性物质，主要成分是多糖 (polysaccharide) 或多肽 (polypeptide)，具有保护细菌免受吞噬细胞吞噬、增强细菌的黏附性、抵抗干燥等作用。荚膜本身不易染色，常用的荚膜染色方法包括负染色法 (negative staining) 和荚膜体染色法 (capsule stain)。
② 负染色法 (negative staining):
▮▮▮▮ⓒ 原理: 负染色法不直接染色荚膜，而是染色背景，使荚膜呈现透明的晕圈，与染色的背景形成对比。常用的负染色剂是墨汁 (India ink) 或尼日尔红 (nigrosin)。这些染料的颗粒较大，不能穿透细胞，只能在背景中染色。
▮▮▮▮ⓓ 染色剂: 墨汁 (India ink) 或尼日尔红 (nigrosin)。
▮▮▮▮ⓔ 操作步骤:
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 玻片上滴加墨汁: 在玻片中央滴加一小滴墨汁。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 混匀菌液: 用接种环取少量菌液，与墨汁混匀。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 推片: 用另一张玻片倾斜 45° 角，接触菌液墨汁混合物，然后向前推开，制成薄层涂片。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 干燥: 将涂片在空气中自然干燥，无需加热固定。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 复染 (可选): 可以用结晶紫或番红等染料进行复染，使菌体染色，荚膜更清晰。
▮▮▮▮ⓚ 结果判读: 在显微镜下观察，背景被墨汁染成黑色或灰色，菌体被复染剂染成紫色或红色，荚膜由于未被染色，呈现透明的晕圈，位于菌体周围。
⑫ 荚膜体染色法 (capsule stain):
▮▮▮▮ⓜ 原理: 荚膜体染色法结合了初染和复染，使荚膜和菌体同时染色，但荚膜的染色效果与菌体不同，从而可以区分荚膜和菌体。常用的荚膜体染色方法是 Hiss 染色法 (Hiss capsule stain) 和 Anthony 染色法 (Anthony capsule stain)。
▮▮▮▮ⓝ 染色剂 (Hiss 染色法):
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 初染剂: 结晶紫 (crystal violet)，用浓结晶紫染色液染色荚膜和菌体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 脱色剂和媒染剂: 20% 硫酸铜溶液 (copper sulfate solution)，硫酸铜溶液既可以作为脱色剂，洗去荚膜和菌体上多余的结晶紫，又可以作为媒染剂，使荚膜颜色更清晰。
▮▮▮▮ⓠ 操作步骤 (Hiss 染色法):
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 涂片、干燥: 制备菌液涂片，自然干燥，无需加热固定。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 初染: 滴加浓结晶紫染色液，染色 5-10 分钟，染色过程中可以稍微加热，但不要煮沸。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 冲洗和脱色: 用 20% 硫酸铜溶液轻轻冲洗涂片，冲洗至流出的液体呈淡蓝色。不要用水洗，水洗会使荚膜溶解。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 干燥、镜检: 将涂片在空气中自然干燥，镜检。
▮▮▮▮ⓥ 结果判读 (Hiss 染色法): 菌体被结晶紫染成深紫色，荚膜被染成淡蓝色或无色，背景呈淡蓝色。荚膜呈现为菌体周围的淡蓝色晕圈。
⑳ 应用: 荚膜染色主要用于：
▮▮▮▮ⓧ 荚膜菌的鉴定: 荚膜染色是鉴定荚膜菌的重要方法，可以观察细菌是否具有荚膜，以及荚膜的大小和形态，作为分类鉴定的依据。常见的荚膜菌如肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae)、脑膜炎奈瑟菌 (Neisseria meningitidis)、肺炎克雷伯菌 (Klebsiella pneumoniae) 等。
▮▮▮▮ⓨ 致病性研究: 荚膜是某些病原菌的重要毒力因子 (virulence factor)，荚膜染色可以帮助研究荚膜与细菌致病性的关系。
▮▮▮▮ⓩ 教学实验: 荚膜染色是微生物学实验教学的重要内容，可以帮助学生了解荚膜的结构和染色特性。

Appendix A4: 灭菌技术 (Sterilization Techniques)

<summary>介绍微生物学中常用的灭菌方法，包括物理灭菌法（热力灭菌、辐射灭菌、过滤灭菌）和化学灭菌法 (chemical sterilization)，以及各种灭菌方法的原理、适用范围和操作要点。</summary>

Appendix A4.1: 热力灭菌 (Heat Sterilization)

<summary>详细介绍热力灭菌的原理、类型（湿热灭菌、干热灭菌、巴氏消毒法）、适用范围和操作方法，重点说明高压蒸汽灭菌 (autoclaving) 和干热灭菌 (dry heat sterilization) 的原理和应用。</summary>
① 原理: 热力灭菌 (heat sterilization) 是利用高温破坏微生物细胞的蛋白质、核酸等重要成分，使其失去活性，达到灭菌的目的。热力灭菌是最常用、最可靠、最经济的灭菌方法之一。
② 类型: 热力灭菌主要分为湿热灭菌 (moist heat sterilization) 和干热灭菌 (dry heat sterilization) 两种类型。
▮▮▮▮ⓒ 湿热灭菌 (moist heat sterilization): 利用湿热 (蒸汽) 的穿透性和潜热 (latent heat) 杀灭微生物。湿热灭菌的杀菌效果比干热灭菌好，所需温度和时间较低。常用的湿热灭菌方法包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 高压蒸汽灭菌 (autoclaving): 是最常用、最有效的湿热灭菌方法。利用高压饱和蒸汽 (saturated steam) 的高温和高压杀灭微生物，包括细菌芽孢。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 间歇灭菌 (tyndallization): 也称丁道尔灭菌法，适用于不耐高温的培养基或物品的灭菌。利用间歇加热的方法，杀死营养细胞，促使芽孢萌发为营养细胞，再进行第二次、第三次加热，彻底杀灭微生物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 煮沸灭菌 (boiling): 将物品浸泡在沸水中煮沸一定时间，可以杀死大多数营养细胞，但不能杀灭芽孢。适用于耐湿热的物品的消毒，如玻璃器皿、金属器械等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 巴氏消毒法 (pasteurization): 利用较低的温度杀死液体中的病原菌，同时尽可能保留液体的营养成分和风味。常用于牛奶、果汁、啤酒等食品的消毒。
▮▮▮▮ⓗ 干热灭菌 (dry heat sterilization): 利用干燥的热空气杀灭微生物。干热灭菌的杀菌效果不如湿热灭菌，所需温度和时间较高。常用的干热灭菌方法包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 烘箱灭菌 (dry heat oven sterilization): 利用电热烘箱产生高温干燥的热空气进行灭菌。适用于玻璃器皿、金属器械、耐高温的粉末、油类等物品的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 火焰灭菌 (flaming): 利用火焰直接灼烧物品，达到灭菌的目的。适用于接种环、接种针、玻片等金属或玻璃物品的快速灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 焚烧灭菌 (incineration): 利用高温焚烧彻底破坏微生物和污染物品。适用于污染严重的废弃物、病理组织等的处理。
⑫ 高压蒸汽灭菌 (autoclaving):
▮▮▮▮ⓜ 原理: 高压蒸汽灭菌器 (autoclave) 利用高压饱和蒸汽灭菌。在密闭的容器内，随着蒸汽压力的升高，蒸汽温度也随之升高。饱和蒸汽具有较高的穿透性和潜热，可以迅速穿透物品内部，释放潜热，使微生物蛋白质变性凝固，达到灭菌的目的。
▮▮▮▮ⓝ 操作条件: 常用的高压蒸汽灭菌条件为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 温度: 121℃
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 压力: 1.05 kg/cm2 (15 psi)
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 时间: 15-20 分钟 (根据灭菌物品的体积和性质调整)
▮▮▮▮ⓡ 适用范围: 高压蒸汽灭菌适用于：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 培养基: 各种液体和固体培养基的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 玻璃器皿: 玻璃烧杯、试管、培养皿、吸管等的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 金属器械: 手术器械、解剖器械、接种环、接种针等的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 橡胶和塑料制品: 耐高温的橡胶塞、硅胶管、聚丙烯塑料制品等的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 液体: 水、生理盐水、葡萄糖溶液等的灭菌。
▮▮▮▮ⓧ 操作要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 装载: 灭菌物品装载量不宜过多，物品之间应留有空隙，利于蒸汽穿透。液体培养基分装量不宜超过容器容积的 2/3，防止沸溢。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 排气: 启动灭菌器后，要充分排尽容器内的冷空气，确保容器内充满饱和蒸汽。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 灭菌时间: 从温度达到设定温度 (如 121℃) 开始计时，保持设定的灭菌时间。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 卸压: 灭菌结束后，待压力表归零后才能打开灭菌器门，防止烫伤和容器爆裂。
▮▮▮▮ⓩ 灭菌效果监测: 定期使用芽孢指示剂 (如嗜热脂肪芽孢杆菌 Bacillus stearothermophilus 芽孢) 监测灭菌效果。
⑳ 干热灭菌 (dry heat sterilization):
▮▮▮▮ⓩ 原理: 干热灭菌利用高温干燥的热空气杀灭微生物。干热灭菌的杀菌机制主要是通过氧化作用，破坏微生物的细胞成分。
▮▮▮▮ⓩ 操作条件: 常用的干热灭菌条件为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 温度: 160-170℃
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 时间: 2 小时
▮▮▮▮ⓩ 适用范围: 干热灭菌适用于：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 玻璃器皿: 玻璃烧杯、试管、培养皿、吸管等的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 金属器械: 金属手术器械、解剖器械等的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 耐高温的粉末和油类: 滑石粉、矿物油、凡士林等的灭菌。
▮▮▮▮ⓩ 操作要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 预热: 烘箱预热至设定温度后，再放入灭菌物品。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 装载: 灭菌物品装载量不宜过多，物品之间应留有空隙，利于热空气循环。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 灭菌时间: 从温度达到设定温度 (如 160℃) 开始计时，保持设定的灭菌时间。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 冷却: 灭菌结束后，待烘箱温度自然冷却至室温后才能取出物品，防止玻璃器皿骤冷破裂。
▮▮▮▮ⓩ 灭菌效果监测: 定期使用芽孢指示剂 (如枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis 芽孢) 监测灭菌效果。
⑳ 巴氏消毒法 (pasteurization):
▮▮▮▮ⓩ 原理: 巴氏消毒法利用较低的温度杀死液体中的病原菌，同时尽可能保留液体的营养成分和风味。巴氏消毒法不能杀灭所有微生物，也不能杀灭芽孢，属于消毒 (disinfection) 而非灭菌 (sterilization)。
▮▮▮▮ⓩ 操作条件: 常用的巴氏消毒条件包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 低温长时间消毒 (LTLT, Low Temperature Long Time): 62-65℃，30 分钟。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 高温短时间消毒 (HTST, High Temperature Short Time): 72-75℃，15-30 秒。
▮▮▮▮ⓩ 适用范围: 巴氏消毒法主要用于：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 牛奶: 牛奶巴氏消毒是牛奶加工的重要环节，可以杀死牛奶中的结核杆菌、布鲁氏杆菌、沙门菌等病原菌，保证牛奶的饮用安全。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 果汁: 果汁巴氏消毒可以延长果汁的保质期，同时保留果汁的营养成分和风味。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 啤酒: 啤酒巴氏消毒可以防止啤酒变质，延长啤酒的保质期。
▮▮▮▮ⓩ 操作方法: 巴氏消毒通常采用水浴加热或板式换热器加热的方式进行。

Appendix A4.2: 辐射灭菌 (Radiation Sterilization)

<summary>简要介绍辐射灭菌的原理、类型（紫外线辐射灭菌、电离辐射灭菌）、适用范围和操作注意事项，突出紫外线辐射灭菌和γ射线辐射灭菌在微生物控制中的应用。</summary>
① 原理: 辐射灭菌 (radiation sterilization) 是利用电磁辐射 (electromagnetic radiation) 或粒子辐射 (particulate radiation) 产生的能量杀灭微生物。辐射可以损伤微生物的 DNA、蛋白质等重要成分，使其失去活性。辐射灭菌具有穿透力强、灭菌速度快、无残留等优点。
② 类型: 辐射灭菌主要分为非电离辐射灭菌 (non-ionizing radiation sterilization) 和电离辐射灭菌 (ionizing radiation sterilization) 两种类型。
▮▮▮▮ⓒ 非电离辐射灭菌 (non-ionizing radiation sterilization): 主要指紫外线辐射灭菌 (ultraviolet radiation sterilization, UV sterilization)。紫外线波长较短，能量较低，穿透力弱，主要作用于物体表面。
▮▮▮▮ⓓ 电离辐射灭菌 (ionizing radiation sterilization): 主要指γ射线辐射灭菌 (gamma radiation sterilization) 和电子束辐射灭菌 (electron beam radiation sterilization)。电离辐射波长更短，能量更高，穿透力强，可以穿透包装材料，对物品进行深层灭菌。
⑤ 紫外线辐射灭菌 (UV sterilization):
▮▮▮▮ⓕ 原理: 紫外线 (ultraviolet, UV) 波长范围为 200-400nm，其中波长为 250-270nm 的紫外线杀菌效果最强。紫外线主要通过损伤微生物的 DNA 分子，使其发生嘧啶二聚体 (pyrimidine dimers) 等损伤，阻碍 DNA 复制和转录，导致微生物死亡。
▮▮▮▮ⓖ 适用范围: 紫外线辐射灭菌适用于：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 空气消毒: 手术室、实验室、病房、洁净室等空气消毒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 物体表面消毒: 工作台面、超净工作台内部、实验仪器表面等的消毒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 水消毒: 饮用水、纯净水、医疗用水等的消毒。
▮▮▮▮ⓚ 操作要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 波长选择: 选用波长为 250-270nm 的紫外线灯管，杀菌效果最佳。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 照射强度和时间: 根据消毒对象和微生物污染程度，选择合适的紫外线照射强度和时间。空气消毒通常需要照射 30-60 分钟，物体表面消毒需要照射 15-30 分钟。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 直接照射: 紫外线穿透力弱，消毒时要确保紫外线能够直接照射到消毒对象表面，避免遮挡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 安全防护: 紫外线对人体皮肤和眼睛有损伤，操作人员应做好防护，避免长时间直接照射。
▮▮▮▮ⓟ 优点: 紫外线灭菌具有操作简便、速度快、无化学残留等优点。
▮▮▮▮ⓠ 缺点: 紫外线穿透力弱，只能用于表面消毒和空气消毒，不能用于深层灭菌。
⑱ γ射线辐射灭菌 (gamma radiation sterilization):
▮▮▮▮ⓢ 原理: γ射线 (gamma ray) 是一种高能电磁辐射，波长极短，穿透力极强。γ射线通过与物质相互作用，产生电离作用，使微生物细胞内的 DNA、蛋白质等分子发生电离损伤，导致微生物死亡。
▮▮▮▮ⓣ 适用范围: γ射线辐射灭菌适用于：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 医疗器械: 一次性医疗器械 (如注射器、输液器、手术缝线等) 的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 药品: 某些不耐热的药品 (如抗生素、激素、维生素等) 的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 食品: 食品 (如肉类、蔬菜、水果、谷物等) 的灭菌和保鲜。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 化妆品: 化妆品原料和成品的灭菌。
▮▮▮▮ⓨ 操作要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 辐射源: γ射线辐射源常用 60Co (钴-60) 或 137Cs (铯-137) 等放射性同位素。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 剂量控制: 根据灭菌物品和微生物污染程度，控制γ射线辐射剂量。常用的灭菌剂量为 25 kGy (千戈瑞)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 安全防护: γ射线具有很强的穿透力和电离作用，对人体有危害，辐射装置必须有严格的安全防护措施，操作人员应接受专业培训，严格遵守操作规程。
▮▮▮▮ⓩ 优点: γ射线灭菌具有穿透力强、灭菌彻底、灭菌后物品无残留、可以对包装好的物品进行灭菌等优点。
▮▮▮▮ⓩ 缺点: γ射线辐射装置成本高，安全防护要求高，操作复杂。
⑳ 电子束辐射灭菌 (electron beam radiation sterilization):
▮▮▮▮ⓩ 原理: 电子束 (electron beam) 是高速运动的电子流，具有一定的穿透力。电子束通过与物质相互作用，产生电离作用，损伤微生物细胞内的 DNA、蛋白质等分子，导致微生物死亡。
▮▮▮▮ⓩ 适用范围: 电子束辐射灭菌适用于：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 医疗器械: 一次性医疗器械的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 药品: 某些不耐热的药品的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 食品: 食品的灭菌和保鲜。
▮▮▮▮ⓩ 优点: 电子束灭菌具有灭菌速度快、效率高、无残留等优点。
▮▮▮▮ⓩ 缺点: 电子束穿透力不如γ射线，适用于表面灭菌或穿透力要求不高的物品灭菌。电子束辐射装置成本较高。

Appendix A4.3: 过滤灭菌 (Filtration Sterilization)

<summary>介绍过滤灭菌的原理、滤膜 (membrane filter) 的类型和孔径、过滤装置和操作方法，以及过滤灭菌在液体和气体灭菌中的应用，特别是不耐热液体 (如培养基、血清、疫苗、酶溶液) 的灭菌。</summary>
① 原理: 过滤灭菌 (filtration sterilization) 是利用滤膜 (membrane filter) 的微孔阻截微生物，从而达到灭菌的目的。滤膜的孔径小于微生物的直径，可以有效去除液体或气体中的细菌、真菌、原生生物等微生物，但不能去除病毒和支原体等较小的微生物。
② 滤膜的类型和孔径: 滤膜的材质主要有纤维素酯 (cellulose ester)、聚碳酸酯 (polycarbonate)、聚砜 (polysulfone) 等。常用的滤膜孔径包括：
▮▮▮▮ⓒ 0.22μm 滤膜: 可以有效去除细菌、真菌、原生生物等，常用于液体培养基、血清、疫苗、酶溶液等不耐热液体的灭菌。
▮▮▮▮ⓓ 0.45μm 滤膜: 可以去除大多数细菌和真菌，常用于一般液体的除菌过滤。
▮▮▮▮ⓔ 0.1μm 或更小孔径滤膜: 可以去除支原体、病毒等较小的微生物，用于特殊液体的除菌过滤。
⑥ 过滤装置: 过滤装置主要包括滤器 (filter holder) 和滤膜。常用的滤器类型有：
▮▮▮▮ⓖ 针头式滤器 (syringe filter): 小体积液体 (1-100mL) 的过滤，直接安装在注射器针头前端，操作简便。
▮▮▮▮ⓗ 真空抽滤器 (vacuum filter): 大体积液体 (数百毫升至数升) 的过滤，利用真空泵抽吸，加速过滤速度。
▮▮▮▮ⓘ 正压过滤器 (pressure filter): 利用正压气体 (如压缩空气、氮气) 推动液体通过滤膜，适用于大体积液体的快速过滤。
▮▮▮▮ⓙ 气体过滤器 (air filter): 用于气体 (如空气、氮气、二氧化碳等) 的除菌过滤，常用于发酵罐、生物安全柜、洁净室等。
⑪ 操作方法: 以针头式滤器过滤液体为例：
▮▮▮▮ⓛ 准备: 准备无菌针头式滤器、注射器、待过滤液体、无菌容器。
▮▮▮▮ⓜ 安装滤器: 将针头式滤器安装在注射器针头前端，确保连接紧密。
▮▮▮▮ⓝ 吸取液体: 用注射器吸取待过滤液体。
▮▮▮▮ⓞ 过滤: 将注射器针头插入无菌容器中，缓慢推动注射器活塞，使液体通过滤器过滤到无菌容器中。
▮▮▮▮ⓟ 收集滤液: 收集过滤后的液体，即为已灭菌的液体。
⑰ 适用范围: 过滤灭菌主要适用于：
▮▮▮▮ⓡ 不耐热液体: 液体培养基、血清、疫苗、酶溶液、抗生素溶液、维生素溶液、激素溶液、氨基酸溶液、葡萄糖溶液等不耐热液体的灭菌。
▮▮▮▮ⓢ 气体: 空气、氮气、二氧化碳等气体的除菌过滤。
▮▮▮▮ⓣ 精密仪器: 某些精密仪器的部件，如光学镜片、电子元件等的除菌。
⑳ 优点: 过滤灭菌具有操作简便、速度快、不破坏被灭菌物质的成分和性质等优点，特别适用于不耐热液体的灭菌。
⑳ 缺点: 过滤灭菌不能去除病毒和支原体等较小的微生物，滤膜易堵塞，过滤速度较慢，滤膜质量和操作不当可能导致滤膜破损，造成灭菌失败。

Appendix A4.4: 化学灭菌 (Chemical Sterilization)

<summary>简要介绍化学灭菌的原理、常用化学灭菌剂 (chemical sterilants) 的类型（气体灭菌剂、液体灭菌剂）、适用范围和操作注意事项，突出环氧乙烷 (ethylene oxide, EtO) 气体灭菌和戊二醛 (glutaraldehyde) 液体灭菌在医疗器械灭菌中的应用。</summary>
① 原理: 化学灭菌 (chemical sterilization) 是利用化学灭菌剂 (chemical sterilants) 杀灭微生物，包括细菌芽孢。化学灭菌剂通过与微生物细胞的蛋白质、核酸等重要成分发生化学反应，破坏其结构和功能，导致微生物死亡。化学灭菌剂的杀菌效果受多种因素影响，如灭菌剂的浓度、作用时间、温度、湿度、pH 值、有机物等。
② 常用化学灭菌剂的类型: 化学灭菌剂根据物理状态可分为气体灭菌剂 (gaseous sterilants) 和液体灭菌剂 (liquid sterilants) 两种类型。
▮▮▮▮ⓒ 气体灭菌剂 (gaseous sterilants): 常用的气体灭菌剂有：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 环氧乙烷 (ethylene oxide, EtO): 是一种广谱、高效的气体灭菌剂，可以杀灭包括细菌芽孢在内的所有微生物。EtO 穿透力强，适用于不耐热、不耐湿物品的灭菌，如一次性医疗器械、精密仪器、塑料制品、橡胶制品、纸制品等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 甲醛 (formaldehyde): 也是一种广谱气体灭菌剂，杀菌效果较 EtO 稍差，穿透力较弱，主要用于空间消毒和物体表面消毒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 过氧化氢蒸汽 (vaporized hydrogen peroxide, VHP): 是一种新型气体灭菌剂，杀菌速度快，无毒无残留，适用于洁净室、隔离器、生物安全柜等的灭菌。
▮▮▮▮ⓖ 液体灭菌剂 (liquid sterilants): 常用的液体灭菌剂有：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 戊二醛 (glutaraldehyde): 是一种高效液体灭菌剂，可以杀灭包括细菌芽孢在内的所有微生物。戊二醛主要用于医疗器械的浸泡灭菌和高水平消毒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 过氧乙酸 (peracetic acid): 也是一种高效液体灭菌剂，杀菌速度快，无残留，适用于医疗器械的快速灭菌和内窥镜的灭菌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 二氧化氯 (chlorine dioxide, ClO2): 具有广谱、高效的杀菌作用，可以用于水消毒、空气消毒和物体表面消毒。
⑪ 环氧乙烷 (EtO) 气体灭菌:
▮▮▮▮ⓛ 原理: EtO 是一种烷化剂 (alkylating agent)，可以与微生物细胞的蛋白质、DNA、RNA 等分子上的氨基、羧基、羟基、巯基等活性基团发生烷基化反应，破坏其生物活性，导致微生物死亡。
▮▮▮▮ⓜ 适用范围: EtO 气体灭菌适用于：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 不耐热、不耐湿物品: 一次性医疗器械 (如注射器、输液器、导管、手术缝线等)、精密仪器、光学仪器、电子仪器、塑料制品、橡胶制品、纸制品、皮革制品、文物档案等的灭菌。
▮▮▮▮ⓞ 操作条件: EtO 气体灭菌的操作条件包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ EtO 浓度: 400-1200 mg/L
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 温度: 37-63℃
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 湿度: 40-80% RH (相对湿度)
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 时间: 2-6 小时 (根据灭菌物品和 EtO 浓度调整)
▮▮▮▮ⓣ 操作要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 预处理: 灭菌物品应清洁干燥，去除包装，利于 EtO 穿透。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 预湿化: 灭菌前进行预湿化处理，提高灭菌效果。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 灭菌循环: EtO 灭菌循环包括预真空、加湿、充气、灭菌、排气、解析等阶段。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 解析: 灭菌后物品需要进行充分解析 (aeration)，去除残留的 EtO 气体，防止毒性残留。解析时间通常为 8-72 小时，根据灭菌物品材质和通气条件而定。
▮▮▮▮ⓨ 安全防护: EtO 气体有毒、易燃、易爆，操作人员应做好安全防护，使用防毒面具、防护服等，灭菌设备应有良好的通风排气系统和安全报警装置。
⑳ 戊二醛 (glutaraldehyde) 液体灭菌:
▮▮▮▮ⓩ 原理: 戊二醛是一种双醛化合物，具有广谱、高效的杀菌作用。戊二醛主要通过与微生物细胞的蛋白质、酶、核酸等分子上的氨基、巯基、羟基等活性基团发生交联反应，破坏其生物活性，导致微生物死亡。
▮▮▮▮ⓩ 适用范围: 戊二醛液体灭菌适用于：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 医疗器械: 不耐热医疗器械 (如内窥镜、手术器械、麻醉呼吸设备等) 的浸泡灭菌和高水平消毒。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 实验室器皿: 玻璃器皿、塑料器皿、橡胶制品等的浸泡灭菌。
▮▮▮▮ⓩ 操作条件: 戊二醛液体灭菌的操作条件包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 浓度: 2% 戊二醛溶液
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 温度: 室温 (20-25℃)
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 时间: 高水平消毒 30-45 分钟，灭菌 6-10 小时。
▮▮▮▮ⓩ 操作要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 浸泡: 将清洁后的医疗器械完全浸泡在戊二醛溶液中，确保溶液浸没所有表面和腔道。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 浸泡时间: 按照规定的浸泡时间进行浸泡，高水平消毒 30-45 分钟，灭菌 6-10 小时。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 漂洗: 浸泡结束后，用无菌水彻底漂洗器械，去除残留的戊二醛溶液。漂洗次数和时间应符合相关规范要求。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 干燥: 漂洗后的器械应进行干燥处理，防止微生物再次污染。
▮▮▮▮ⓩ 安全防护: 戊二醛溶液有刺激性和毒性，操作人员应做好安全防护，佩戴防护眼镜、手套、口罩等，操作场所应通风良好。

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Appendix B: 微生物学常用名词术语表 (Glossary of Common Microbiological Terms)

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Appendix C: 参考文献 (References)

<summary>本附录列出本书编写过程中参考的重要书籍、期刊和文献，供读者深入学习和研究。</summary>

C.1 综合微生物学教材 (Comprehensive Microbiology Textbooks)

① Brock Biology of Microorganisms (布鲁克微生物生物学). 15th ed. Madigan MT, Bender KS, Buckley DH, Sattley WM, Stahl DA. Pearson Education, 2018.
▮▮▮▮描述: 微生物学领域的经典教材，内容全面深入，涵盖微生物学各个分支学科的基础知识和前沿进展，适合不同层次的读者学习和参考。本书以其清晰的结构、丰富的图例和深入的解析而著称，是微生物学教学和研究的重要参考书。

② Microbiology: An Evolving Science (微生物学：一门不断发展的科学). 5th ed. Slonczewski JL, Foster JW. W. W. Norton & Company, 2024.
▮▮▮▮描述: 一本现代微生物学教材，强调微生物学研究的动态性和前沿性。内容涵盖微生物的基本原理、代谢、遗传、生态以及在医学、环境和工业中的应用。本书注重培养学生的批判性思维和解决问题的能力，内容新颖，案例丰富，适合希望深入了解微生物学最新进展的读者。

③ Prescott's Microbiology (普雷斯科特微生物学). 11th ed. Willey JM, Sandman KM, Wood DD. McGraw-Hill Education, 2020.
▮▮▮▮描述: 另一本广泛使用的微生物学教材，以其清晰的阐述和系统的组织而受到欢迎。内容覆盖微生物学的基本概念、原理和应用，包括细菌学、病毒学、真菌学、原生生物学以及免疫学等。本书内容详实，图文并茂，适合作为本科生和研究生的教材，也可用作专业人士的参考书。

④ Foundations in Microbiology (微生物学基础). 10th ed. Talaro KP, Chess B. McGraw-Hill Education, 2018.
▮▮▮▮描述: 一本注重基础的微生物学教材，强调微生物学的基本概念和原理。内容涵盖微生物的细胞结构、生长、代谢、遗传以及微生物与人类健康和环境的关系。本书语言简洁，重点突出，适合初学者入门学习，建立扎实的微生物学基础。

⑤ Medical Microbiology (医学微生物学). 9th ed. Murray PR, Rosenthal KS, Pfaller MA. Elsevier, 2021.
▮▮▮▮描述: 一本权威的医学微生物学教材，专注于微生物与人类疾病的关系。内容涵盖细菌、病毒、真菌、寄生虫等病原微生物的生物学特性、致病机制、诊断、治疗和预防。本书是医学生和临床医生的重要参考书，也适合对医学微生物学感兴趣的读者深入学习。

C.2 细菌学专著 (Bacteriology Monographs)

① The Prokaryotes (原核生物). 4th ed. Rosenberg E, DeLong EF, Lory S, Stackebrandt E, Thompson F. Springer, 2013. (多卷本)
▮▮▮▮描述: 细菌学领域的百科全书式著作，内容极其详尽，涵盖所有已知的细菌和古菌类群。本书由众多领域专家撰写，深入探讨了细菌的分类、生理、代谢、遗传、生态以及应用。是细菌学研究者必备的权威参考工具书。

② Bergey's Manual of Systematics of Archaea and Bacteria (伯杰氏古菌和细菌系统分类手册). 2nd ed. Whitman WB, Goodfellow M, Kämpfer P, Busse HJ, Trujillo ME,供給鈴木健志, Parte AC,供給 Wade WG,供給 Jiang CY,供給雲南健,供給 Oren A,供給 Chun J,供給 Parkinson JS,供給 Brown D,供給 Větrovský T,供給 Curtis TP,供給 da Costa MS,供給 Rainey FA,供給 Rosselló-Móra R,供給 Göker M,供給 Kampfer P,供給 Whitman WB, et al. Wiley, 2015. (多卷本，持续更新)
▮▮▮▮描述: 细菌和古菌分类学的圣经，权威性极高。详细描述了细菌和古菌的分类系统、鉴定特征和系统发育关系。是微生物分类学研究的基础性工具书，也是了解细菌多样性的重要资源。

③ Bacterial Physiology and Metabolism (细菌生理学与代谢). 2nd ed. Gottschalk G. Springer, 1986.
▮▮▮▮描述: 细菌生理学领域的经典著作，深入解析细菌的代谢途径、能量产生和物质合成。虽然出版时间较早，但其基本原理和代谢途径的描述仍然非常经典，是理解细菌生理代谢的重要参考书。

④ Molecular Biology of the Bacterial Cell (细菌细胞分子生物学). Kleanthous C. Wiley-Blackwell, 2011.
▮▮▮▮描述: 从分子生物学的角度深入探讨细菌的细胞结构、基因表达、调控机制和生理功能。本书内容新颖，涵盖细菌分子生物学的最新进展，适合希望深入了解细菌分子机制的读者。

C.3 病毒学专著 (Virology Monographs)

① Fields Virology (菲尔兹病毒学). 7th ed. Knipe DM, Howley PM, Cohen JI, Griffin DE, Lamb RA, Martin MA, Racaniello VR, Roizman B. Wolters Kluwer, 2021. (多卷本)
▮▮▮▮描述: 病毒学领域的权威巨著，内容全面深入，涵盖所有重要的病毒科和病毒属。本书由众多病毒学专家撰写，详细描述了病毒的结构、复制、致病机制、流行病学、诊断、治疗和预防。是病毒学研究者和临床医生必备的参考工具书。

② Principles of Virology (病毒学原理). 5th ed. Flint SJ, Racaniello VR, Rall GF, Hatziioannou T, Skalka AM. ASM Press, 2020.
▮▮▮▮描述: 一本经典的病毒学教材，强调病毒学的基本原理和概念。内容涵盖病毒的结构、复制、基因组、进化、致病机制和宿主防御。本书结构清晰，重点突出，适合作为病毒学课程的教材，也可用作病毒学研究的入门参考书。

③ Human Virology (人类病毒学). 5th ed. Richman DD, Whitley RJ, Hayden FG. ASM Press, 2017.
▮▮▮▮描述: 一本专注于人类病毒的病毒学专著，详细介绍重要的人类病毒性疾病。内容涵盖病毒的流行病学、致病机制、临床表现、诊断、治疗和预防。是医学病毒学和临床病毒学的重要参考书。

④ Reverse Transcriptases (逆转录酶). Le Grice SFJ. Imperial College Press, 2013.
▮▮▮▮描述: 深入探讨逆转录酶的专著，详细解析逆转录酶的结构、功能、机制和应用。对于理解逆转录病毒（如 HIV）的复制和逆转录酶抑制剂的开发具有重要意义。适合对逆转录病毒和逆转录酶感兴趣的读者深入研究。

C.4 真菌学专著 (Mycology Monographs)

① Medical Mycology (医学真菌学). 3rd ed. Guarro J, Gené J, Stchigel AM. ASM Press, 2012.
▮▮▮▮描述: 一本权威的医学真菌学教材，专注于真菌与人类疾病的关系。内容涵盖重要的病原真菌的生物学特性、致病机制、诊断、治疗和预防。是医学真菌学和临床真菌学的重要参考书。

② Practical Handbook of Microbiology (微生物学实用手册). 3rd ed. Emanuel EJ, Morello JA, Becton Dickinson and Company. CRC Press, 2009. (Section on Mycology)
▮▮▮▮描述: 一本微生物学实验技术的实用手册，其中真菌学部分提供了真菌培养、鉴定和诊断的详细方法和步骤。适合微生物学实验室和临床实验室工作人员参考。

③ Fungi: Biology and Applications (真菌：生物学与应用). 3rd ed. Webster J, Weber RWS. Cambridge University Press, 2016.
▮▮▮▮描述: 一本全面介绍真菌生物学的教材，内容涵盖真菌的分类、结构、生理、生态、遗传以及应用。本书内容广泛，深入浅出，适合真菌学研究者和对真菌感兴趣的读者学习。

C.5 原生生物学专著 (Protozoology Monographs)

① Medical Parasitology (医学寄生虫学). 9th ed. Markell EK, John DT, Petri WA. Elsevier, 2006. (Sections on Protozoa)
▮▮▮▮描述: 一本经典的医学寄生虫学教材，其中原生生物部分详细介绍了重要的人类寄生性原生生物的生物学特性、致病机制、诊断、治疗和预防。是医学寄生虫学和临床寄生虫学的重要参考书。

② Illustrated Guide to the Protozoa (原生动物图解指南). 2nd ed. Lee JJ, Leedale GF, Bradbury P. Society of Protozoologists, 2000. (多卷本)
▮▮▮▮描述: 原生生物学领域的经典图谱，收录了大量原生生物的形态结构图和分类信息。是原生生物分类学和形态学研究的重要参考工具书。

C.6 免疫学教材 (Immunology Textbooks)

① Janeway's Immunobiology (杰内韦免疫生物学). 9th ed. Murphy K, Weaver C. Garland Science, 2017.
▮▮▮▮描述: 免疫学领域的权威教材，内容全面深入，涵盖免疫系统的组成、功能、免疫应答机制、免疫疾病和免疫学应用。本书以其清晰的阐述、精美的图例和前沿的内容而著称，是免疫学教学和研究的重要参考书。

② Kuby Immunology (库比免疫学). 8th ed. Kindt TJ, Goldsby RA, Osborne BA. W. H. Freeman, 2019.
▮▮▮▮描述: 另一本广泛使用的免疫学教材，以其系统的组织和深入的解析而受到欢迎。内容覆盖免疫系统的基本概念、原理和应用，包括固有免疫、适应性免疫、免疫调节、免疫耐受、免疫缺陷病、自身免疫病、超敏反应和移植免疫等。本书内容详实，图文并茂，适合作为本科生和研究生的教材，也可用作专业人士的参考书。

③ Roitt's Essential Immunology (罗伊特基本免疫学). 13th ed. Delves PJ, Martin SJ, Burton DR, Roitt IM. Wiley-Blackwell, 2017.
▮▮▮▮描述: 一本注重基础的免疫学教材，强调免疫学的基本概念和原理。内容涵盖免疫系统的组成、固有免疫、适应性免疫、免疫应答的调控和免疫疾病。本书语言简洁，重点突出，适合初学者入门学习，建立扎实的免疫学基础。

C.7 微生物学期刊 (Microbiology Journals)

① Nature Reviews Microbiology (自然-微生物学评论)
▮▮▮▮描述: 微生物学领域顶级的综述性期刊，发表高质量的综述文章，涵盖微生物学各个分支学科的最新进展和热点问题。是了解微生物学前沿动态的重要来源。

② Nature Microbiology (自然-微生物学)
▮▮▮▮描述: 微生物学领域顶级的研究性期刊，发表高水平的原创研究论文，涵盖微生物学各个分支学科的重要发现和突破。是追踪微生物学最新研究成果的重要平台。

③ Cell Host & Microbe (细胞-宿主与微生物)
▮▮▮▮描述: 专注于宿主与微生物相互作用的高水平研究期刊，发表原创研究论文，深入探讨微生物与宿主细胞和免疫系统的相互作用机制。对于理解感染性疾病和免疫学具有重要意义。

④ mBio (美国微生物学会期刊-mBio)
▮▮▮▮描述: 美国微生物学会 (ASM) 出版的开放获取期刊，发表高质量的原创研究论文，涵盖微生物学各个分支学科。开放获取的特点使其更易于获取和传播。

⑤ Applied and Environmental Microbiology (应用与环境微生物学)
▮▮▮▮描述: 美国微生物学会 (ASM) 出版的应用微生物学和环境微生物学领域的权威期刊，发表原创研究论文，涵盖微生物在工业、环境、农业、生物技术等领域的应用，以及微生物生态学、环境微生物学等方面的研究。

⑥ Journal of Bacteriology (细菌学杂志)
▮▮▮▮描述: 美国微生物学会 (ASM) 出版的细菌学领域的经典期刊，发表高质量的原创研究论文，涵盖细菌生理学、代谢、遗传、分子生物学、细胞生物学、生态学、进化等各个方面。是细菌学研究者的重要参考期刊。

⑦ Virology (病毒学)
▮▮▮▮描述: 病毒学领域的经典期刊，发表高质量的原创研究论文，涵盖病毒的结构、复制、基因组、进化、致病机制、免疫应答、流行病学、诊断、治疗和预防等各个方面。是病毒学研究者的重要参考期刊。

⑧ Clinical Microbiology Reviews (临床微生物学评论)
▮▮▮▮描述: 美国微生物学会 (ASM) 出版的临床微生物学领域的综述性期刊，发表高质量的综述文章，涵盖临床微生物学诊断、治疗、预防、感染控制、耐药性等方面的最新进展和热点问题。是临床微生物学和感染病学专业人士的重要参考期刊。

⑨ Emerging Infectious Diseases (新发传染病)
▮▮▮▮描述: 美国疾病控制与预防中心 (CDC) 出版的公共卫生领域期刊，发表关于新发和再发传染病的流行病学、病原学、临床特征、诊断、治疗和预防等方面的文章。对于了解全球传染病形势和公共卫生挑战具有重要意义。

⑩ International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (国际系统与进化微生物学杂志)
▮▮▮▮描述: 国际微生物学会联合会 (IUMS) 出版的微生物分类学和系统发育学领域的权威期刊，发表关于细菌、古菌、真菌、原生生物等微生物的分类、命名、鉴定、系统发育和进化等方面的研究论文。是微生物分类学研究者的重要参考期刊。

C.8 在线资源与数据库 (Online Resources and Databases)

① PubMed (PubMed) (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/)
▮▮▮▮描述: 美国国家医学图书馆 (NLM) 提供的生物医学文献数据库，收录了大量的生物医学期刊文献，包括微生物学、免疫学、病毒学、细菌学、真菌学、寄生虫学等各个分支学科的文献。是查找微生物学文献的最重要和最常用的工具。

② Google Scholar (谷歌学术) (https://scholar.google.com/)
▮▮▮▮描述: 谷歌提供的学术搜索引擎，可以搜索学术文献、学位论文、书籍、摘要等。覆盖范围广泛，包括微生物学各个分支学科的文献。是查找和跟踪学术文献的便捷工具。

③ NCBI GenBank (NCBI GenBank) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/)
▮▮▮▮描述: 美国国家生物技术信息中心 (NCBI) 提供的核酸序列数据库，收录了大量的基因序列信息，包括微生物的基因组序列、基因序列、RNA 序列等。是微生物遗传学、基因组学、系统发育学研究的重要数据资源。

④ UniProt (UniProt) (https://www.uniprot.org/)
▮▮▮▮描述: 蛋白质序列和功能信息数据库，收录了大量的蛋白质序列、结构、功能、注释等信息，包括微生物的蛋白质。是微生物蛋白质组学、功能基因组学研究的重要数据资源。

⑤ PATRIC (Pathosystems Resource Integration Center) (https://www.patricbrc.org/)
▮▮▮▮描述: 一个生物信息学资源中心，专注于病原微生物，提供基因组数据、基因组分析工具、比较基因组学分析、系统发育分析、毒力因子数据库、抗生素耐药性数据库等。是病原微生物研究的重要在线平台。

⑥ IMG (Integrated Microbial Genomes & Microbiomes) (https://img.jgi.doe.gov/)
▮▮▮▮描述: 整合微生物基因组和宏基因组数据库，提供大量的微生物基因组和宏基因组数据，以及基因组分析工具、比较基因组学分析、代谢途径分析、宏基因组分析等。是微生物基因组学、宏基因组学、微生物生态学研究的重要在线平台。

⑦ MicrobeWiki (微生物维基) (https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/MicrobeWiki)
▮▮▮▮描述: 一个微生物学领域的维基百科，由学生和研究人员共同创建和维护，提供微生物的分类、生理、代谢、生态、应用、疾病等方面的信息和知识。是学习和了解微生物学知识的开放资源。

⑧ ASM MicrobeLibrary (美国微生物学会微生物图书馆) (https://www.microbelibrary.org/)
▮▮▮▮描述: 美国微生物学会 (ASM) 提供的微生物学教育资源库，包括图片、视频、动画、实验方案、教学案例等，涵盖微生物学各个分支学科。是微生物学教学和学习的宝贵资源。

⑨ Bergey's Manual Trust (伯杰氏手册信托) (https://www.bergeysmanual.com/)
▮▮▮▮描述: 伯杰氏手册的官方网站，提供伯杰氏手册的在线版本、更新信息、分类信息、鉴定工具等。是微生物分类学研究的重要在线资源。

⑩ ICTV (International Committee on Taxonomy of Viruses) (国际病毒分类委员会) (https://ictv.global/)
▮▮▮▮描述: 国际病毒分类委员会的官方网站，提供病毒分类的最新信息、病毒命名规则、病毒分类数据库等。是病毒分类学研究的重要在线资源。

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1	graph LR
2	A[DNA双螺旋] --> B(解旋酶);
3	B --> C{复制叉形成};
4	C --> D[前导链合成];
5	C --> E[滞后链合成];
6	E --> F{冈崎片段};
7	F --> G(DNA连接酶);
8	G --> H[子代DNA分子];
9	D --> H;
10	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
11	style H fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

1	graph LR
2	A[DNA] --> B(RNA聚合酶);
3	B --> C{启动子结合};
4	C --> D{DNA解链};
5	D --> E[RNA链延伸];
6	E --> F{终止子识别};
7	F --> G[RNA释放];
8	G --> H[RNA];
9	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
10	style H fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

1	graph LR
2	A[mRNA] --> B(核糖体小亚基);
3	B --> C{起始密码子AUG};
4	C --> D[起始tRNA];
5	D --> E(核糖体大亚基);
6	E --> F{密码子识别};
7	F --> G{肽键形成};
8	G --> H{转位};
9	H --> I{终止密码子};
10	I --> J(释放因子);
11	J --> K{肽链释放};
12	K --> L[蛋白质];
13	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
14	style L fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

1	graph LR
2	A[操纵子] --> B{启动子};
3	A --> C{操纵序列};
4	A --> D{结构基因};
5	E[调节基因] --> F{阻遏蛋白};
6	F -- 负调控 --> C;
7	G[激活蛋白] -- 正调控 --> B;
8	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
9	style F fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
10	style G fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

1	graph LR
2	A[真核生物基因] --> B{启动子};
3	A --> C{增强子/沉默子};
4	D[转录因子] --> B;
5	D --> C;
6	E[表观遗传修饰] --> F{染色质结构};
7	F -- 影响 --> B;
8	G[非编码RNA] -- 调控 --> H{mRNA};
9	H -- 影响 --> I{蛋白质};
10	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
11	style D fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
12	style E fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
13	style G fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

1	graph LR
2	A[基因突变] --> B{点突变};
3	A --> C{插入突变};
4	A --> D{缺失突变};
5	A --> E{大片段重排};
6	B --> BA[碱基置换];
7	B --> BB[移码突变];
8	B --> BC[无义突变];
9	B --> BD[错义突变];
10	B --> BE[同义突变];
11	BA --> BAA[转换];
12	BA --> BAB[颠换];
13	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
14	style B fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

1	graph LR
2	A[游离DNA] --> B{感受态细胞};
3	B --> C{DNA结合};
4	C --> D{DNA摄取};
5	D --> E{DNA整合};
6	E --> F{转化子};
7	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
8	style F fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

1	graph LR
2	A[噬菌体] --> B{供体菌};
3	B --> C{噬菌体感染};
4	C --> D{DNA包装错误/不精确切离};
5	D --> E{转导颗粒};
6	E --> F{受体菌};
7	F --> G{DNA注入};
8	G --> H{DNA整合};
9	H --> I{转导子};
10	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
11	style I fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px

1	graph LR
2	A[F+菌] --> B{F-菌};
3	B --> C{F菌毛接触};
4	C --> D{接合管形成};
5	D --> E{DNA转移};
6	E --> F{滚环复制};
7	F --> G{接合完成};
8	G --> H[F+菌 + F+菌];
9	style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
10	style H fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px