芽孢

芽孢是指产芽孢微生物为了抵御不良条件，细胞的正常生长和分裂停止，细胞质脱水浓缩， 逐步形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的高抗逆性休眠体，因芽孢的形成都是在细胞内，故又称内生芽孢（endospore），简称芽孢（spore）。^[1][5]芽孢广泛分布在水、土壤、空气、食物等环境中，^[2][3][6]不同芽孢在细菌内所分布的位置也不同。^[7]一个细菌只产生一个芽孢，芽孢只是细菌的休眠体，细菌数量并没有增加。^[8][9]

大部分芽孢是由革兰氏阳性菌产生的，根据细菌形态可大致分为杆状细菌和球菌。^[2]芽孢通过孢外壁、芽孢衣、外膜、芽孢皮层等特有的多层保护性结构，使其成为抗逆性很强的生命体，对辐射、高温、低温、干燥、极端pH和常用消毒剂（如：乙醇、季铵盐类杀菌消毒剂^[10]等）具有抗性。^[8][9]

芽孢凭借其抗性优势，在医药、养殖、农业等众多领域用途广泛，如：在医药领域可用作药物使用；^[11]在养殖领域可以承受饲料制粒高温，做为饲料添加剂使用；^[12]在农业领域可以作为对多种作物有明显促生、防菌功效的有益菌。^[5]但同时，芽孢也存在有害的方面，部分芽孢是外源性感染的重要来源，食品、医疗以及发酵工业等领域都将芽孢失活做为衡量灭菌的标准。^{[3][13][14][15]}系统的研究芽孢分布、结构、特点、分类、形成等内容具有极为重要的意义。^[16]

1838年，德国科学家埃伦伯格（Ehrenberg）首次发现了细菌芽孢。^[1]

1888年，德国细菌学家罗伯特·科赫（Robert Koch）首次描述了炭疽芽孢杆菌芽孢形成、萌发、繁殖和芽孢再形成的全过程。^[1]

1933年，美国Bayne-Jones S、Petrilli A描述了巨大芽孢杆菌在芽孢形成过程中的细胞学变化。^[17]

1949年，美国Knaysi G、Hillier J对巨大芽孢杆菌的芽孢萌发及芽孢外壳结构进行了研究报道。^[18]

1976年，英国PJ Piggot、 JG Coote研究报道了细菌芽孢结构和生物化学特征。^[19]

在自然环境中：芽孢分布范围广泛，在水、土壤、空气、食物、人和动物的体表以及与外界相通的腔道中都能发现芽孢的踪迹，这与它们体积微小、抗性很强、繁殖迅速、营养类型多等因素密切相关。^[2][3][6]

在菌体中：不同细菌芽孢所分布的位置不同，有的在细菌中部，有的在细菌偏端，有的在细菌顶端。^[7]如：枯草芽孢杆菌的芽孢直径小于菌体直径，位于菌体中心或靠近中心；^[20]梭状芽孢杆菌的芽孢的直径大于菌体直径，位于菌体中间。^[1]

芽孢有七部分结构，分别是孢外壁、芽孢衣、外膜、芽孢皮层、芽孢壁、内膜和核心（芽孢原生质和芽孢核区)。^[3][4]

孢外壁：细菌产生芽孢以后，包在芽孢外面的母细胞空壳称为芽孢囊。芽孢囊裂解后释放出成熟的芽孢，某些细菌游离芽孢的最外层带有母细胞的残留物，称之为孢外壁，主要由脂蛋白组成，含少量氨基糖，透性差。^[1]

芽孢衣：主要由蛋白质组成，其蛋白质含量占芽孢总蛋白量的50%-80%，含有大量的疏水性氨基酸。^[1][21]

外膜：位于芽孢衣之下，在芽孢形成的过程中必不可少。^[3]

芽孢皮层：芽孢抗压性的关键结构，^[3]皮层主要含芽孢肽聚糖及吡啶二羧酸钙盐。^[1]

芽孢壁：由肽聚糖组成，同营养细胞细胞壁的结构基本相同。^[9]

内膜：包裹在芽孢核心的外围，具有选择性渗透屏障的作用，阻止有害物质进入芽孢核。^[1]

核心：位于芽孢的中心，包含胞质蛋白、核糖体和DNA。^[1]

芽孢最主要的特点是抗性强，对高温、紫外线、干燥和多种有毒的化学物质有很强的抗性，^[22]尤其是芽孢含有2，6-吡啶dìng二羧酸（DPA）与钙离子（Ca2+）的络合物 CaDPA，对芽孢的抗性起着重要作用。^[23]芽孢不是繁殖体，而是休眠体，芽胞内新陈代谢几乎停止，处于休眠状态，但保持潜在萌发力，适宜的条件下芽孢萌发形成新的营养细胞。^[11]芽孢含水量低、壁厚而致密，通透性差，^[23]折光性强，应用特殊的染色法才能着色。^[24]每一营养体内仅生成一个芽孢。^[25]一般的芽孢在普通条件下可保持几年至几十年甚至更长时间。^[25]

大部分芽孢是由革兰氏阳性菌产生的，根据细菌形态可大致分为杆状细菌和球菌。^[2]

在杆状细菌中产生芽孢的主要有芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属和芽孢乳杆菌属。^[1]

在球菌中有且只有几种属才能形成芽孢，比如芽孢八叠球菌属是可以形成芽孢，而螺旋菌就不能形成芽孢。^[2]

芽孢杆菌属是应用较为广泛的一类细菌，芽孢杆菌属许多种类可以产生抗生素或抗生素代谢物，常被应用于农业、工业、医药等领域，其中枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌是目前应用最为广泛的 2种芽孢杆菌。^[26]

梭状芽孢杆菌是临床常见的致病菌，有破伤风梭状芽孢杆菌、产气荚膜梭菌、肉毒梭状芽孢杆菌、难辨梭状芽孢杆菌等，能够引起食物中毒、肌肉强直和痉挛、败血症甚至死亡等严重危害。^[27][28][29]

芽孢乳杆菌属的代表细菌就是菊糖芽孢乳杆菌，兼具有芽孢杆菌以及乳杆菌生物学特性，能够产芽孢，可以耐受一定的工业环境，同时又能够高效发酵生产D-乳酸。^[30][31][32]

芽孢八叠球菌属的代表细菌就是巴氏芽孢八叠球菌，是一种产脲酶能力很高的细菌，可以帮助肾脏功能缺陷的人群降解体内尿素。^[33]

芽孢菌的存在形式一般包括营养体细胞和芽孢两种方式。当外界环境适宜细菌生长时，营养体细胞能快速地生长繁殖；当外界环境不适合细胞生长时，如营养缺乏、环境胁迫，就会诱导芽孢形成。^[34]因此，一般认为芽孢是细菌在不良条件下产生的适应环境的产物，但事实上，芽孢形成过程受芽孢形成基因的调控，并非简单的只受环境因素的变化，芽孢的基因表达受菌龄和环境因子的影响。^[1]

芽孢的形成是个极其复杂的过程，包括形态结构、化学成分等多方面变化。从营养细胞到形成芽孢的时间约为8个小时。^[11]

芽孢形成的起始是由一系列的磷酸激酶最先通过自身的磷酸化，将磷酸基团进行一系列的传递，最终到达芽孢起始的总开关。^[5]

DNA 分离的完成与隔膜在不对称位置的内陷同时发生，细胞在偏向一极的位置形成隔膜，并逐渐形成一大一小两个细胞：母细胞和前芽孢。在最初隔膜形成的时候，前芽孢中只含有只含有三分之一的染色体，剩下的三分之二的染色体由DNA运输蛋白负责移位至前芽孢中。^[5]

不对称分裂中产生的前芽孢被母细胞包裹，前芽孢被完全包裹以后与母细胞分离，完成裹吞。^[5]

在σ 因子的作用下，最终导致前芽孢发育为成熟的芽孢^[35]，母细胞则最终裂解，释放成熟的芽孢。^[1][11]

当芽孢受到外界因素（如：外源营养物质、萌发剂受体、化学药品、压强等）适合细菌生长时，芽孢会进入萌发状态，进而开始新的萌发、生长周期。芽孢萌发是芽孢生命循环中非常关键的一步，标志着芽孢从休眠状态向营养繁殖状态的转化，^[1]使芽孢抗性逐步丢失，恢复营养菌体繁殖生长的过程。^[9]

芽孢菌由于其形成内生芽孢，具有耐高温、耐酸、耐胆盐、耐部分抗生素等特性，有着更为广阔的应用前景。^[36]

在医药领域可以用来治疗便秘、腹泻、病理性黄疸等症状，常用的芽孢菌种包括枯草芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌以及凝结芽孢杆菌等。^[11][37][38]

在养殖领域饲料制粒加工通常需要85℃的较高温度条件，而芽孢类益生菌凭借结构优势，能够耐受制粒高温，作为饲料添加剂和水质改良剂在畜牧业养殖以及水产养殖中的应用尤为广泛；^[12][39]在农业领域，芽孢类生防菌在筛选、生产、剂型加工及复杂环境中存活、定殖与繁殖具有更大优势。^[5][40]

有的芽孢是外源性感染或污染的重要来源，如破伤风、气性坏疽芽孢进入患者伤口萌发后能够造成肌肉持续性痉挛收缩、肌组织坏死；^[41][13][42]食用被蜡状芽孢杆菌芽孢污染的食物容易引发食物中毒；^[43]发酵生产中被耐热芽孢杆菌染菌就会造成减产或无产现象的发生。^[15][44][45]因此在食品、医疗以及发酵工业等领域都要彻底消灭有害细菌的芽孢，并把芽孢失活做为衡量灭菌的标准。^[8][3]

对于芽孢的防治措施主要有两种方式：一种方式是杀灭，如使用氮酮作为高效促渗透剂，促进能够杀灭芽孢的药物顺利进入芽孢内部将其杀灭；诱导芽孢成为繁殖体，使其丧失较大抗性，普通的高温、高压、湿热、辐射和化学消毒剂等可杀灭繁殖体；^[46]使用低温等离子体技术灭活细菌芽孢等^[47]。另一种方式就是阻止芽孢萌发，芽孢是细菌的休眠形式，这种状态对外界不产生危害，使其停留在休眠状态，也等同于破坏了芽孢。^[46]

通过对苏云金芽孢杆菌形成芽孢过程的研究，发现了伴孢晶体，其形状可分为菱形、不规则形、方形和镶嵌4类，^[48][49]结构功能可分为Cry和Cyt蛋白两大类，^[50]伴孢晶体是一种内毒素，为碱溶性蛋白质晶体，本身无毒性，只有与昆虫体内一些特异性受体结合才会分解产生毒蛋白，因此具有很强的杀虫能力，可作为安全有效的生物农药广泛使用。^[8][51]

芽孢的耐热机理至今在科学界还无准确的定论，比较有说服力的是渗透调节皮层膨胀学说，该学说认为，芽孢外层所包裹的疏水性角蛋白，对阳离子和水通透性较差，而离子强度较强的皮层可掠夺核心区水分，使芽孢核心部分失水而皮层吸水膨胀，使得芽孢抗热性增加。^[52]