细菌细胞的特殊构造——芽孢（一）：基本特征与抗逆性

芽孢又称内生孢子，是部分细菌在营养缺乏或其他不利条件下，于营养细胞内部形成的高度分化休眠结构。成熟芽孢通常呈圆形或椭圆形，代谢活动极低，含水量较少，并具有多层保护结构，能够耐受干燥、热、辐射及多种化学物质。

芽孢的主要作用是帮助细菌度过不利环境，而不是增加细胞数量。一个营养细胞通常形成一个芽孢，条件适宜时，一个芽孢再萌发形成一个营养细胞，因此芽孢形成不属于繁殖过程。

芽孢不是所有细菌都有的结构

能够形成内生芽孢的细菌数量相对有限，主要分布于厚壁菌门中的部分革兰阳性或革兰染色可变杆菌。传统教材常将产芽孢细菌概括为好氧或兼性厌氧的芽孢杆菌属，以及厌氧的梭菌属，但这种分类已经过于简单。

除芽孢杆菌属（Bacillus）和梭菌属（Clostridium）外，类芽孢杆菌属（Paenibacillus）、地芽孢杆菌属（Geobacillus）、短芽孢杆菌属（Brevibacillus）、解硫胺素芽孢杆菌属（Alicyclobacillus）及部分其他属也能形成芽孢。部分菌种在培养后期可能出现革兰染色不稳定，因此不能仅根据染色结果判断其是否为产芽孢细菌。

芽孢的形态及其鉴定价值

成熟芽孢可位于细胞中央、近端或末端，其直径可能小于、等于或大于营养细胞宽度。芽孢的位置和是否使菌体膨大，具有一定的分类鉴定价值。

例如，破伤风梭菌常形成末端芽孢，使菌体呈鼓槌状；部分梭菌形成近端芽孢并使菌体明显膨大。实际鉴定时，应结合芽孢染色、菌体形态、生理生化试验和分子检测综合判断。

芽孢的形成条件

芽孢通常在营养物质不足、培养物进入稳定期或环境条件恶化时形成。碳源、氮源或磷源缺乏均可能诱导芽孢形成，但具体条件取决于菌种。

芽孢形成不是营养细胞被动干燥的结果，而是由一系列基因调控的主动分化过程。细胞首先进行不对称分裂，形成较小的前芽孢和较大的母细胞；母细胞随后包围前芽孢，并逐步形成芽孢皮层、芽孢衣等保护结构。成熟后母细胞裂解，释放游离芽孢。

环境恶化并不一定立即诱导所有细胞形成芽孢。同一培养物中可同时存在营养细胞、正在形成芽孢的细胞和成熟芽孢，其比例受到菌龄、温度、pH、通气和培养基组成影响。

芽孢为什么具有较强抗逆性

芽孢的抗逆性来自多种结构和化学因素共同作用，并非仅依靠“厚壁”。其主要机制包括：

• 芽孢核心含水量低，降低了蛋白质热变性及水解反应发生的概率；

• 芽孢核心含有较高水平的钙—吡啶二羧酸复合物，有助于稳定芽孢结构；

• 小酸溶性芽孢蛋白可与DNA结合，减少紫外线、干燥和化学物质造成的损伤；

• 芽孢内膜通透性较低，可限制部分有害物质进入；

• 厚实的皮层、芽孢衣及部分菌种的外孢子层提供机械和化学保护；

• 芽孢萌发后具有较强的DNA损伤修复能力。

不同菌种甚至同一菌种不同菌株的芽孢耐受性差异明显，培养温度、培养基矿物质组成、芽孢成熟程度和处理介质也会影响其抗性。

芽孢的耐热性

芽孢通常比营养细胞耐热，但不能将所有芽孢概括为必须在沸水中加热数小时才能灭活。部分芽孢经100 ℃处理数分钟至数十分钟后即可明显失活，而嗜热菌芽孢或某些高耐热菌株需要更强的湿热处理。

肉毒梭菌不同型别和菌株的芽孢耐热性差异较大。蛋白水解型肉毒梭菌芽孢通常比非蛋白水解型更耐热，但原文所述“在沸水中至少5小时才失活”不宜作为统一结论。食品商业灭菌中常采用以121.1 ℃为基准的热处理设计，以控制蛋白水解型肉毒梭菌芽孢风险；实验室高压蒸汽灭菌通常采用121 ℃维持规定时间，而不是简单依靠煮沸。

芽孢悬液浓度、食品中的脂肪和蛋白质、低水活度以及处理介质的pH等因素均可改变实际灭活效果，因此灭菌条件必须根据产品、污染水平和目标菌进行验证。

芽孢对辐射和化学物质的耐受性

芽孢对紫外线、干燥及许多消毒剂通常比营养细胞更耐受，但对不同处理因素的耐受程度并不完全一致。原文以巨大芽孢杆菌与大肠埃希氏菌作固定倍数比较，容易受到菌株、辐射类型、剂量率和检测方法影响，不适合作为普遍规律。

酒精、季铵盐和部分常规表面消毒剂对成熟芽孢的杀灭作用有限。过氧乙酸、含氯氧化剂、过氧化氢蒸气和醛类等在适宜浓度及接触时间下可具有杀芽孢作用，但其效果仍受到有机物、温度、表面状态和芽孢负载量影响。

因此，“能够杀灭普通营养细胞”并不等于“能够灭活芽孢”。评价灭菌或消毒工艺时，应明确使用的是杀菌剂还是杀芽孢剂，并通过适宜的生物指示物或芽孢悬液进行验证。

芽孢的休眠与长期存活

成熟芽孢代谢活动极低，可在缺水和缺乏营养的环境中长期保持休眠状态。实验室保存条件适宜时，部分芽孢可存活数年甚至数十年。

关于芽孢存活数百年或数千年的报道，应谨慎解释。古老样品中检测到可培养细菌时，必须排除现代污染、样品裂隙渗入及鉴定误差。现有证据可以证明芽孢具有很强的长期保存能力，但不能根据个别报道推断所有芽孢均可稳定存活数千年。

芽孢的实际意义

芽孢在食品、药品、医疗器械及培养基生产中具有重要意义。产芽孢菌可在原料、空气、粉尘和设备表面长期存留，并在条件适宜时萌发，造成产品腐败或安全风险。

与此同时，部分芽孢杆菌及其芽孢也可用于益生菌制剂、农业微生物制剂、酶制剂生产和生物防治。芽孢是否有害取决于菌种、菌株、使用场景和污染水平，不能将所有产芽孢细菌简单视为致病菌或腐败菌。

认识芽孢的形成规律和抗逆机制，有助于合理选择灭菌参数、培养条件及检测方法，也是开展无菌控制、食品保藏和产芽孢菌鉴定的重要基础。