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第六节 鼠疫耶尔森菌的营养需求及营养突变
一、鼠疫耶尔森菌的营养需求
鼠疫菌为典型的异养菌,它不能从简单的无机盐合成复杂的原生质,必须供给多种有机物,如蛋白质、蛋白胨、氨基酸及维生素等,以取得碳和氮源,才能生长繁殖。
鼠疫菌在营养上不苛求,若接种量大,可在一般培养基上生长。它需要氨基酸作为氮源,糖类作为碳源。至于维生素,除少数菌株外并非必要。在37℃下,细胞分裂开始时,钙离子是需要的,但在28℃培养时则无此需求。水解酪蛋白液体培养基可提供生长所需的足够营养物,曾被用作菌苗和毒素的生产,但如制成固体培养基则需补充以血液、血红素或其他还原剂。鼠疫菌不像多数人类致病菌那样需要在37℃下培养,它在25~30℃时生长最好,37℃培养时反而需要有更多的营养物质。新分离菌株较实验室菌株生长慢,在任何情况下固体培养基上的菌落生长都是缓慢的。鼠疫菌是需氧兼性厌氧的细菌,它在发育过程中不需要更多的氧,在培养基中添加血液、血红素或其他还原物质,改变培养基中的氧化还原电位以利鼠疫菌的发育,血红质又是合成呼吸酶的材料,有刺激鼠疫菌生长的作用。
关于鼠疫菌营养需求的研究,Rao认为三种氨基酸即脯氨酸、苯丙氨酸和胱氨酸对鼠疫菌的生长必不可少,而甘氨酸虽非必需,但有刺激生长的重要作用。Rao(1940年)发现除上述氨基酸外,丝氨酸、丙氨酸、谷氨酸、酪氨酸和甲硫氨酸都可以作为鼠疫菌生长的氮源和能源,而且由于加入此等氨基酸丰富了培养基的养分。葡萄糖和乳酸则可作为碳源。血红素刺激生长的作用较强,辅酶、维生素B 1、烟酸也有刺激生长的作用,但比较弱,血红素、维生素B 1和烟酸联合使用时,效果更好。据此,Rao提出,这四种生长刺激剂可能是菌细胞必不可少的组成成分,它们在生长过程中被利用,而且它们在环境中的出现和被利用将大大有利于细菌的快速生长和细菌的侵袭。Rao的这个假定已被Sokey后来的观察所证实。
1952年,Hills和Spurr用3株毒菌和3株无毒菌在含有葡萄糖、硫酸铵及其他无机盐类的基础培养基上所进行的营养研究,发现鼠疫菌的生长需求由于培养温度的不同而有差异。温度为32℃或以下时,含有苯丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸和血红蛋白的培养基最适鼠疫菌的生长;但培养温度为36℃时,培养基中还必须含有丙氨酸、亮氨酸、丝氨酸、苏氨酸、生物素和泛酸盐。若省去生物素和泛酸盐,则需24种氨基酸的混合物。这个差异最可能的解释似乎是:在较高温度时,导致细菌死亡的分解代谢快于合成过程,因而需要较广范围的营养物质,才能生长繁殖。
同年,Englesberg用1株无毒鼠疫菌研究营养需求,发现鼠疫菌需要DL-苯丙氨酸、DL-缬氨酸、DL-异亮氨酸、DL-甲硫氨酸和硫代硫酸盐作为氮和硫的来源。在DL-甲硫氨酸存在时,硫代硫酸盐仅可能由L-半胱氨酸、硫化物或亚硫酸盐代替。在硫代硫酸盐存在时,DL-甲硫氨酸仅能由DL-同型半胱氨酸或L-丙氨酸、丁氨酸、硫醚代替。
Gubarev等又采用加入多种氨基酸的办法,获得了一种较为满意的鼠疫菌的合成培养基。此培养基除1/15mol/L磷酸盐缓冲液(pH 7.3)、0.1%葡萄糖和1.5%琼脂外,含有下列氨基酸及盐类(mg/100ml):
按上方制备的液体培养基中则可获得较好的结果。甚至EV株的接种量只要10万个菌也能生长,而其他鼠疫菌毒株通常2000个菌即可生长。
为研究鼠疫菌色素突变种的出现,Jacksom及Burrows(1956年)曾选用一种含氯化血红素的合成培养基,其中包含6种氨基酸。他们在研究中发现:DL-甲硫氨酸、DL-苯丙氨酸及L-半胱氨酸对平滑型无毒Tjiwidej株的生长是必需的,但另外两株却并不需要甲硫氨酸。甘氨酸除在28℃培养时能促进细菌生长外,当鼠疫菌于37℃培养时是必不可少的。另外,有些菌株的生长还需要精氨酸。他们还发现从培养基中省去铵盐,将导致生长缓慢并使菌落变小。在用半乳糖或木胶糖制备的培养基上,鼠疫菌菌落较用葡萄糖、麦芽糖或甘露醇作为碳源时更紧密。他们的观察证明,当鼠疫菌于含有葡萄糖、果糖、麦芽糖或甘露醇的培养基中较在含有半乳糖或木胶糖的培养基中生长时,产酸多得多。
Domaradsky及Ivanov(1957年)研制的培养鼠疫菌的合成培养基虽然比Gubarev等的合成培养基好,但仍不能使EV株很好生长。他们的基础培养基是以g/L计,配方如下:
在培养基中减掉上述一种或数种氨基酸的试验证明:为了保证鼠疫菌的生长,至少需要在培养基中有苯丙氨酸、甲硫氨酸、胱氨酸、丝氨酸和苏氨酸。他们还发现如果同时省去丙氨酸、甘氨酸、缬氨酸和亮氨酸,则即使没有甲硫氨酸和胱氨酸,培养鼠疫菌也是可能的。这似乎证明鼠疫菌在某些条件下有合成含硫氨基酸(甲硫氨酸和胱氨酸)的能力,但这种合成作用可因上述任何一种氨基酸的存在而被抑制。
Higuchi及Carlin用化学限定培养基对鼠疫菌营养需求的研究,除发现苯丙氨酸、半胱氨酸对鼠疫菌的生长是必需的以外,L-谷氨酸、DL-赖氨酸、DL-亮氨酸、DL-缬氨酸、L-脯氨酸、DL-苏氨酸及甘氨酸等7种氨基酸对鼠疫菌在27℃时的最适生长也是需要的,但在37℃培养还必须有异亮氨酸。增加硫酸镁的量也可刺激生长。他们又发现:DL-丝氨酸对鼠疫菌的生长有抑制作用,但可由适当大量加入甘氨酸来克服;用硫代硫酸钠代替半胱氨酸将导致生长迟缓期的延长;甘氨酸能显著地刺激鼠疫菌的早期生长;木胶糖比葡萄糖、D-甘露醇和D-半乳糖更能使鼠疫菌良好生长;鼠疫毒株和无毒株之间在37℃培养于化学限定培养基上的生长迟缓期存在着差别。
关于这一问题,Kupferberg及Higuchi、Gadgil等许多学者都作了进一步研究。毒株在含有钙离子(0.004mol/L)的合成培养基上,于37℃培养生长良好,48小时即可达到最佳生长,并在用腹腔内接种法接种小白鼠时保持着充分的致病性;在培养基中有适当浓度的钙离子,可防止在37℃通气条件下培养所引起的毒力丧失。但若培养在无钙培养基上,于37℃下需经42~48小时的迟滞期后才能开始生长,而且毒力丧失,其原因是由于接种物中无毒突变细胞的存在,而在无钙离子条件下,这种无毒细胞的生长占绝对优势。
对于鼠疫菌28℃和37℃下培养时营养需求的差别。Burrows和Gillett用化学限定固体培养基作了进一步研究。他们使用已知营养需求的TS株及Mp6株来研究哪些菌株还需要更多的营养因子,对哪些菌株可以省去胱氨酸、苯丙氨酸和或甲硫氨酸。TS株和Mp6株在28℃时所需要的主要营养因子是胱氨酸、苯丙氨酸和甲硫氨酸,并以甘氨酸、缬氨酸及异亮氨酸为生长刺激因子。为保证少量接种物能在琼脂表面获得丰富生长,即便在完全培养基中也需加入重亚硫酸盐或氯化血红素。他们的研究结果是:在28℃培养条件下,多数菌株(被试73株中的49株)的营养需求都与TS株Mp6株一样,但不需要甲硫氨酸的有2株,不需要苯丙氨酸的有7株;另外,除上述三种氨基酸外,还需要精氨酸的有8株,需要亮氨酸的1株,需要脯氨酸的2株,需要色氨酸的1株,需要尿嘧啶的4株。
但在37℃下培养鼠疫菌都有着更多的营养需求,在他们设计的MASGF培养基(以L/g计,含KH 2PO 4 4.5,(NH 4) 2SO 4 1.0,枸橼酸钠0.5,MgSO 4·7H 2O 0.1,琼脂15,调pH 7.2,115℃高压灭菌后加入葡萄糖2.0为MA培养基;再加入Na 2S 2O 5 0.1为MAS培养基;再以mol/L计加入甘氨酸1.0,DL-异亮氨酸0.5,DL-缬氨酸0.2,L-胱氨酸0.2,DL-甲硫氨酸0.2,DL-苯丙氨酸0.2即成MASGF培养基)上是不能生长的。在此培养基上再补充过去认为是鼠疫菌在37℃下生长所必需的生物素+泛酸盐,或丝氨酸+苏氨酸,或者上述所有因子都加入该培养基也不会有任何菌落形成。但如在含有上述全部补充物的培养基中加入谷氨酸,有时可有少部分菌生长。若将TS株和Mp6株接种于含有谷氨酸和维生素B 1并由硫代硫酸盐取代胱氨酸的MASGF培养基上,并在富有CO 2的空气中培养时,则经常能获得生长。
当培养基补加肝浸液、小白鼠血或水解酪蛋白时,CO 2可以不再需要。此最后补充物提出一种或多种氨基酸能替代CO 2,并从而证明丝氨酸+苏氨酸是一对有效的氨基酸。然而,丝氨酸仅需用0.02mmol/L,即常规使用浓度的十分之一,而苏氨酸仍需保持在0.2mmol/L。当这两种氨基酸都用0.2 mmol/L时也不会生长,但如有CO 2存在,较高的丝氨酸浓度就不再起抑制作用。后来的研究表明这两种氨基酸可用0.2mmol/L的类丝氨酸代替。不过用上述补充物,偶尔也仅能微弱生长,而未加补充物的平碟于富有CO 2的环境中能充分生长。泛酸盐有时也可代替硫酸盐,但维生素B 1仍被认为是一种主要生长因子。
他们的结论是:最可靠的培养基为最小培养基再补充以硫代硫酸钠、甘氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸和维生素B 1,pH 6.8,并培养在富有CO 2的空气中。甘氨酸和谷氨酸在空气中生长时必不可少的,如在CO 2环境中培养,省去这两种氨基酸则仅使生长延迟,而其他上述任何生长因子的省略就将妨碍生长。
另外,培养基的pH值对鼠疫菌的生长也有很大的影响。如在含有丝氨酸和苏氨酸的培养基上于空气中培养时,仅能在pH 6.4~7.0的范围内生长,而在富有CO 2的环境中,pH为6.0~7.2的范围内都可生长良好。在不含有丝氨酸和苏氨酸的培养基上于富有CO 2的气体中生长时对pH的要求更不严格,最低为6.4,最高为8.2。在所有被试培养基上的最适pH值似乎接近6.8。
张平等对内蒙古地区鼠疫菌营养需求谱进行了研究。发现内蒙古地区151株鼠疫菌株有三种基本营养型:达乌尔黄鼠疫源地菌株,需要甲硫氨酸、胱氨酸、苯丙氨酸和甘氨酸;长爪沙鼠疫源地菌株,需要甲硫氨酸、胱氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和甘氨酸;布氏田鼠疫源地菌株,需要精氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、胱氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和甲硫氨酸。
公允等(1984年)对分离自中国各自然疫源地的鼠疫菌98株作了28℃培养时营养需求的研究。根据对苯丙氨酸、甲硫氨酸、胱氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、谷氨酸、色氨酸、苏氨酸、亮氨酸、精氨酸等11种氨基酸的需求程度,可将我国各疫源地菌株分为12群,每群各占据一定地理区域。中国各疫源地的鼠疫菌株营养需求的特点是:全都需要胱氨酸。除少数疫源地的菌株外,绝大多数疫源地的菌株都需要苯丙氨酸、甲硫氨酸。对甘氨酸表现为半依赖。还有一些疫源地的菌株分别需要缬氨酸、异亮氨酸、谷氨酸、色氨酸、苏氨酸、亮氨酸、精氨酸。亮氨酸对某些菌株具有刺激生长作用。另外还可以看出鼠疫菌的营养需求与宿主种类、地理分布有关,但有些疫源地的菌株又无明显关系。自然疫源地的宿主不同,鼠疫菌的营养需求亦不同。但同一种宿主由于栖息于不同地理区域,鼠疫菌的营养需求亦有差别。如从喜马拉雅旱獭分离的鼠疫菌株有三种营养需求谱。宿主、地理分布相同的鼠疫菌株,在营养需求上也有差别。如内蒙古长爪沙鼠疫源地集二线以东与布氏田鼠、达乌尔黄鼠疫源地相毗邻及相交地段分离的鼠疫菌株不需要甲硫氨酸。新疆北天山、灰旱獭疫源地及甘肃会宁、靖远阿拉善黄鼠疫源地分离的菌株,也有类似情况。
综上所述,各国学者对鼠疫菌的营养需求的研究做了大量工作,尽管鼠疫菌的营养需求有差异,但也有许多共性。比较一致的见解是:胱氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸是鼠疫菌的基本生长因子;甘氨酸、缬氨酸、异亮氨酸则是促进生长因子。
但在鼠疫的实验诊断和动物流行病调查以及研究工作中,除营养需求有关实验外,很少按照鼠疫菌的营养需求制作合成培养基来培养鼠疫菌,而是选用一般易制作、较便宜,且含有鼠疫菌生长发育必需氨基酸等营养物质的人工培养基来培养鼠疫菌。虽然鼠疫菌在普通琼脂培养基上能生长发育,也可以自检验材料中分离出来,但这只对一般含有较多鼠疫菌的材料,如急性过程中的患者或动物尸体,而且材料新鲜,才能得到较满意的结果。若从含菌稀少的材料,特别是陈腐的材料,同时含有鼠疫噬菌体的材料,如自排泄物或昆虫材料中分离鼠疫杆菌,单独依靠普通琼脂培养基是非常困难的。所以就必须采用优质的培养基,对鼠疫菌发育有刺激作用的敏感培养基或对其他杂菌有抑制作用的选择培养基,最好是两者兼备的敏感、选择培养基。所谓优质培养基就是培养基内氨基酸的含量丰富而且有鼠疫菌生长所必需的种类,氨基氮含量不能低于50mg/100ml,高于100mg/100ml也没必要。同时还要有适当的刺激剂,鼠疫菌的最小接种量可以少到10个菌体也能长出菌落来。另一方面培养基酸碱度必须准确,pH 6.9~7.4或pH 7.0~7.4。培养基也要新鲜润湿(琼脂宜少些以保持其润湿度),要有一定的厚度,即要有平皿厚度的1/3左右。太薄则细菌生长慢,且易发生变形,甚至不生长。对加入培养基内以抑制其他杂菌的物质,必须经过试验,对鼠疫菌的发育没有影响,或很少影响,才能使用。如怀疑检验材料内有鼠疫噬菌体时还要在一般培养基内加入抗鼠疫噬菌体血清或在赫氏培养基内加入0.05%硫酸十二烷基钠。鼠疫细菌学工作中常用的培养基有以下几类。
(一)基础培养基
国内常用的基础培养基有肉浸液琼脂、肉膏液琼脂及胰酶消化液琼脂(即赫金格尔琼脂),其中以胰酶消化液琼脂为优。国外常用心浸液琼脂,国内很少使用。实验室最常用的普通培养基配方为:酵母粉2~5g(细菌培养专用酵母提取物)、胰蛋白胨10~20g、氯化钠5g、磷酸氢二钠1g、蒸馏水1000ml,调pH为7.0~7.4,再加琼脂粉16~20g,或者营养琼脂(一般细菌培养)直接加1%~2%的胰蛋白胨。
(二)敏感培养基
所谓敏感培养基,就是在优质的培养基内,加入某种鼠疫菌生长刺激剂而成的培养基。
关于鼠疫菌的生长刺激剂,K. F. Meyer(1926年)主张用亚硫酸钠。1961年研究认为铁离子为鼠疫菌代谢中不可缺少的物质。Jacksons等认为铁离子有促进鼠疫菌发育的作用,用硫酸亚铁作为鼠疫菌生长的刺激剂。此外,日拉达果洛夫(1918年)及巴赫拉赫(1951年、1960年)先后证明了氧化还原染料有降低培养基内的氧化还原电势差从而有促进鼠疫菌发育的作用。
血液是很好的刺激鼠疫菌(在体外培养条件下)发育的物质,特别是在37℃。B. M 屠曼斯基在《关于培养鼠疫菌的费氏液的代替品问题》一文中提到血液是该种细菌最好的生产刺激物,比费氏液更为有效。不仅鲜血,就是保存了若干时间(一年)的溶血或干燥溶血也具有刺激作用。云南流行病防治研究所将冻干兔溶血,保存在普通冰箱内,试验观察一年零一个月,结果对鼠疫菌产生的刺激作用与新鲜兔溶血无差别(1978年)。
关于细菌滤液的刺激作用,1931年维吉舍娃及1956年卡尔布日金就研究了八叠球菌滤液。M. B. 克烈得基娜、基莫夫(1954年)发现褐色马铃薯杆菌滤液有很好的刺激作用。基雅若娃(1957年)指出鼠疫杆菌滤液能缩短本菌生长的潜伏期。至于上述各种刺激剂的作用机制、制备和使用方法,现选其中最主要、最常用的几种,分别详述如下。
1.亚硫酸钠
其作用机制在于降低培养基内之氧压而有利于鼠疫菌的发育。这是因为鼠疫杆菌在发育过程中不需要过多的氧,而亚硫酸钠为一种不稳定的盐类很容易夺取氧而形成硫酸钠,所以它能起到促进鼠疫菌发育繁殖的作用。为使用方便,一般多先配成2.5%的水溶液,临用时按每100ml基础培养基加入1ml,使培养基内亚硫酸钠的含量达0.025%即可。亚硫酸钠溶液不稳定,易氧化,所以应现配现用不要保存。
2.血液
使用血液的目的亦在降低培养基内之氧压以有利于鼠疫菌的发育,且血液中的血红素又能刺激鼠疫菌之呼吸作用而缩短其迟缓期。因为血液内的血红蛋白为红细胞内固体物质的主要成分占红细胞的32%、全血的14%~16%。血红蛋白的蛋白部分叫珠蛋白,非蛋白部分叫亚铁血红素,其中4分子的亚铁血红素和珠蛋白结合起来就是血红蛋白,每个亚铁血红素分子可以结合一个氧分子,所以1个分子的血红蛋白能与4个分子的氧结合,也就是结合氧分子的数目和血红蛋白内亚铁血红素的分子或铁的原子数目相等。血红蛋白易与氧形成不牢固的、容易解离的结合,与氧结合的血红蛋白即氧合血红蛋白。血红蛋白与氧分子之间的反应是一种可逆性的反应。故当氧浓度高时反应即趋向于氧合血红蛋白增加的方向,当氧浓度降低时反应即趋向于还原血红蛋白的方向,所以有调整培养基内氧压的作用,再者红细胞内还含有生长素U和X。生长素U不耐热,其作用类似细胞氧化还原过程中起重要作用的辅酶,生长素X为耐热物质,据A. M. 尼波夫证明即血红素,它是合成呼吸酶的材料,故在培养基内加入血液能刺激鼠疫菌发育的作用也是与细菌的呼吸作用有关的。
实验室一般习惯用家兔溶解血,但以脱纤维兔溶解血更佳。用量以培养基内含量达0.1%~1%为宜。于培养基灭菌后冷至45℃左右时加入,混匀后倾注平板或做成斜面、高层。
3.褐色马铃薯杆菌滤液
1954年M. B. 克烈得基娜等发现在培养基上接近褐色马铃薯杆菌周围之鼠疫菌集落发育甚旺并具有较典型的形态。研究者们认为这是由于褐色马铃薯杆菌在发育过程中所产生的一种物质能刺激鼠疫菌发育之故。后来并经证明它不仅能使在同位素作用下发生了完全变异的鼠疫菌恢复典型的菌落形态,而且其刺激作用还具有选择性。它只能刺激鼠疫杆菌、R型假结核杆菌和白喉杆菌的发育而不能刺激大肠杆菌、变形杆菌、痢疾杆菌和链球菌的发育。
(1)滤液的制备:
将马丁氏琼脂或普通琼脂斜面培养24小时之褐色马铃薯杆菌接种于马丁氏肉汤(pH 7.3)、马铃薯培养基(pH 6.8)或牛肉汤(pH 7.3)内。一管斜面培养物可接种1000ml培养基,接种前应镜检培养物是否污染杂菌。于28℃下,接种于马丁氏肉汤液培养15~20天,接种于马铃薯培养基者培养5~10天,接种于牛肉汤者培养7~27天。到期再作涂片检查,无杂菌时将培养物先用棉花、纱布过滤以除去黏性沉淀物,再用蔡氏滤器或其他滤器过滤。如无细菌滤器可经离心沉淀后取上清液,加入1%甲紫酒精溶液,使上清液内甲紫含量达1∶1000铜水溶液,使上清液内硫酸铜含量达1%的浓度以达无活菌效果,其中以前一方法制备者其刺激作用较好。另一方法是以滤纸过滤加入1∶500甲紫,使达1∶1000浓度,或加入20%硫酸十二烷基钠,使达1.4%浓度,经一夜达到灭菌效果。
(2)滤液的无菌试验:
每瓶滤液取材接种于葡萄糖肉汤内,普通琼脂斜面及0.1%碎肉半固体琼脂各2管。置37℃培养2昼夜,如有菌生长必须作处理。
(3)滤液的活力试验:
按5%的用量加入溶化已冷至45℃左右的普通琼脂内,混匀后制成平板,并同时制备0.1%溶解血琼脂培养基作为对照。经无菌试验后,接种EV菌24小时培养物的稀释液,每个平板接种100个菌,培养45小时长出的菌落数应不低于在0.1%溶解血培养基上培养出的菌落数,即60~80个菌落,而且菌落典型,即为合格。
(4)滤液的分装和保存:
经无菌试验及活力试验合格后可分装安瓿保存于4~8℃条件下,其有效期为一年。
(5)滤液的应用:
一般在基础培养基内加入5%即可,但应在培养基冷至45℃左右时加入,混匀后倾注平板。亦可于此种培养基内加入1∶10万或1∶20万的甲紫做成选择敏感培养基使用。
(三)选择培养基
为了在腐败材料中分离出鼠疫菌,在优质基础培养基内加入某种抑制杂菌生长,但又无害于鼠疫菌生长的物质而制成的培养基称之为选择培养基。在检验工作中经常遇到被大肠杆菌和变形杆菌污染的材料,如无适当的培养基是很难分离出鼠疫菌来的,因为变形杆菌和大肠杆菌生长较快(接种12小时就能发育成熟),而鼠疫菌生长较慢(接种后24小时才能发育成熟),再加上变形杆菌的弥漫发育,就更增加了困难,它不仅是在培养基上将鼠疫菌的发育情形弄得混淆不清,而且还是鼠疫菌的最强有力的拮抗菌。因此许多研究者想过许多方法,而且直到今天还在继续不断的研究中。
李斯特提议用远藤培养基来检查腐烂材料,但伯尔林、加勒等应用的结果并未能避免普通变形杆菌的繁殖蔓延。舒巴克及其后的伯尔林都提出了用抗变形杆菌血清来压制其发育蔓延,经过研究者的试验也收到良好效果,但亦并非理想。麦耶和巴切尔德二氏提倡用甲紫及亚硫酸钠所构成的培养基来压制普通变形杆菌及其他腐败性细菌的发育,但也有不同意见。某些研究者建议用甲紫培养基作腐烂材料的检查,结果在压制变形菌的繁殖及一般腐败菌的发育,尤其是在抑制革兰阳性细菌的生长上是有一定作用的,我们的经验也是如此。屠曼斯基于1944年就主张用甲紫。
原长春鼠疫防治所曾以水合氯醛,抗变形菌血清和各种色素(包括甲紫、结晶紫、孔雀绿、灿烂绿、沙黄、酚红、美兰、中国兰、复红、中性红、硫堇、甲基红等),以及磺胺噻唑、磺胺嘧啶、硫酸铜(CuSO 4·5H 2O)、青霉素作抑制大肠杆菌、变形杆菌和革兰阳性球菌的试验,结果如下:
1.每100ml培养基内加入5%水合氯醛2ml能抑制普通变形杆菌及摩根变形杆菌的弥漫生长,但对鼠疫菌的繁殖也有影响。
2.2%抗普通变形菌血清培养基对普通变形菌的弥漫发育有抑制作用,对摩根变形杆菌无影响,鼠疫菌在此培养基上仍能发育良好。
3.含1∶10万~1∶20万的甲紫或结晶紫的培养基能抑制普通变形杆菌及大肠杆菌。对金黄色葡萄球菌亦有强烈的抑制作用,但对摩根变形杆菌却无作用,鼠疫菌在该培养基上24小时后仍可看到完整的菌落。
4.每100ml培养基内含5mg的磺胺噻唑可抑制变形杆菌的蔓延生长,摩根变形杆菌在接种72小时后仍不见发育但对鼠疫菌亦有影响。
5.每100ml培养基内含50U青霉素可完全抑制金黄色葡萄球菌的发育,鼠疫菌在此培养基上无影响。
1963年王枢群等指出,硫酸十二烷基钠浓度在0.04%以上时,即能完全抑制变形杆菌的弥漫生长,而鼠疫杆菌即使浓度高达0.2%时,与不加抑制物的对照培养基相比尚能长出半数菌落,去氧胆酸盐浓度在0.4%以上时,可完全抑制变形杆菌的弥漫生长,对鼠疫菌的影响不大。此两种药物亦能抑制革兰阳性细菌而对大肠杆菌则无作用。亚碲酸钾培养基内浓度在0.05%时,对大肠杆菌的生长有很强的抑制作用,对鼠疫杆菌的影响不大,但如浓度提高为0.1%时,则对鼠疫菌的生长十分不利。
上述抑制杂菌物质的使用原则:凡属化学药品可预加于培养基内,灭菌后,倾注平板。用量较少之药物如甲紫可事先配成0.1%的水溶液(先配成10%的酒精溶液,再用蒸馏水稀释100倍),使用时较方便。凡属生物制品,如抗血清、青霉素等则需待培养基灭菌,冷却至45℃左右时加入,倾注平板。硫酸十二烷基钠则用蒸馏水制成10%溶液,经100℃处理10分钟后备用。去氧胆酸钠制成20%水溶液,经100℃处理20分钟后备用,亚碲酸钾制成20%水溶液经100℃处理10分钟后备用。抑制杂菌物质常因厂家不同,其效果也不一样,有时本来对鼠疫菌的生长繁殖并无作用者也会出现抑制现象,因此每当换用一种新的物质必须事先进行试验,一定要在适当浓度内能抑制杂菌而又无害于鼠疫菌的生长者才能使用。
M. Bahraanyar在《鼠疫手册》(1976年)中推荐使用去氧胆酸盐琼脂培养基。该培养基不需灭菌在室温下即可培养鼠疫菌,但要特别注意次代培养物的污染。Bahazand(1964年)、Karlmi(1963年)、Mollaret(1963年)的经验,从鼠洞土壤中分离鼠疫菌时,所用于研磨土壤和碎屑的缓冲盐水(pH 7.4)中加入硫酸亚铁,有利于分离毒株鼠疫菌。在给豚鼠皮下接种1ml被检材料的同时,给豚鼠注射预防剂量的多价抗血清,以预防气性坏疽和破伤风。
(四)选择敏感培养基
在优质的基础培养基内同时加入能刺激鼠疫菌生长的刺激剂及抑制其他杂菌生长的物质的培养基称为选择敏感培养基。这一类培养基是鼠疫细菌检验工作中最常用的。它的种类繁多,最常用的有甲紫溶解血培养基、甲紫血液胰酶消化液琼脂培养基、甲紫马铃薯杆菌滤液胰酶消化液琼脂培养基、胆盐甲紫亚硫酸钠胰酶消化液琼脂培养基、胆盐甲紫溶解血胰酶消化液琼脂培养基、叠红碲铜琼脂培养基、胆碲铜紫琼脂培养基等。
甲紫血液琼脂培养基的制法:(1)甲紫溶解血液的配法:称取甲紫0.1g,加无水乙醇2ml使之溶解,加蒸馏水到90ml,高压灭菌后冷却至45℃左右,加入新鲜血液10ml,混合备用。(2)将每100ml的营养琼脂培养基(高压灭菌后冷却至45℃左右),加入上述溶液1ml,即成1∶10万甲紫0.1%血液琼脂培养基。
(五)一种特异的显色培养基在鼠疫监测中的应用
1.改良后的耶尔森菌特异性选择培养基的制作
细菌培养用的蛋白胨20g、甘露醇12g、酵母粉2g、去氧胆酸钠0.5g、胆酸钠0.8g、丙酮酸钠2g、NaCl 1.5g、MgSO 4·7H 2O 0.01g、中性红0.03g、结晶紫0.01g、琼脂13.5g,加蒸馏水1000ml,最后加5mol/L NaOH溶液1ml(调pH 7.5左右),121℃高压灭菌30分钟,待冷却至55℃左右再加入新生霉素2.0mg,混合均匀,倾倒平皿备用。
张涛等在多年的试验和观察中发现,该培养基特异性强,能抑制其他肠道菌群生长,在18~22小时内,就能轻易地找出单个典型的鼠疫菌落,特别适合于污染、腐败材料、肠内容物、粪便和蚤样品的直接分离培养,特别适合于初学者和基层监测点以及鼠疫自然疫源地的调查及监测。该显色特异性培养基也同样适用于自毙动物的细菌培养,抗污染能力强,在自然条件下能保存两周左右,在多年的鼠疫监测应用中,直接检出鼠疫菌87株,小肠结肠炎菌65株,假结核2株,大大地提高鼠疫菌的检出率,是一种很有应用价值的培养基。该培养基上3种致病性耶尔森菌生长良好,并能在18~22小时内发生显色反应:耶尔森菌呈中心深红色、周边透明的菌落;根据菌落颜色变化,就可直接区分耶尔森菌和其他杂菌。鼠疫菌在该培养基上菌落直径为1.5~2mm,小肠结肠炎和假结核菌为2~2.3mm,其他8种非致病性耶尔森菌菌落直径为2.5~3mm,菌落黏稠且周边不透明,所以能在20小时左右迅速区分致病性耶尔森菌和非致病性耶尔森菌,是一种良好的鉴别培养基。
不足之处,3种致病性耶尔森菌一时很难区分,需要有经验才能鉴别,但只要挑选单个典型的菌落,再作鼠疫噬菌体裂解试验,在24~36小时内,就可完成确诊,比原来的培养基至少提前了1~2天时间。
2.改良后的耶尔森菌鉴别培养基(VYE)的制作
胰蛋白胨20g、甘露醇12g、去氧胆酸钠0.8g、七叶苷1g、柠檬酸铁(枸橼酸铁)0.5g、NaCl 1g、中性红0.03g、结晶紫0.001g、琼脂14g,加蒸馏水1000ml,调pH 7.4,121℃ 15分钟灭菌,待冷却至55℃左右加入新生霉素2.0mg,混合均匀,倾倒平皿备用。
该培养基能够准确地鉴别几种耶尔森菌,在18~24小时内,鼠疫菌和假结核菌呈黑色菌落,周边形成透明的花边;其他耶尔森菌呈红色菌落,无花边。如同时结合耶尔森菌特异选择培养基,效果更佳,基本上在20小时内就能确诊。
二、鼠疫菌的营养突变
不同种的细菌各具有一定的营养需求,但通过长期进化或人工诱变,细菌的营养需求又可发生变异,表现为不同的营养型,称为营养突变。
根据多数研究者意见,认为鼠疫菌生长必需胱氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸。因此,除这三种必需氨基酸外,还需其他生长因子的菌株,就称为营养依赖型或营养缺陷型(auxotroph)。减去三种必需氨基酸的任何一种仍可生长的菌株,则称为低营养型(meiodroph)。
(一)营养依赖型
全球各个鼠疫疫源地几乎都存在着营养突变的鼠疫菌。苏联中亚山地分离的鼠疫菌为Leu -,北美的菌株多为Arg -,巴西Exu地区的鼠疫菌为天门冬酰胺半依赖。Класовский等(1971年)证明分离自苏联中亚荒漠大沙鼠的鼠疫菌为Thr -并被甘氨酸代替。Класов等(1972年)报道,从外高加索山地普通田鼠分离的鼠疫菌为Arg -Thr -。Hudson等(1973年)报告1株中爪哇鼠疫菌株也表现为天门冬酰胺半依赖,与巴西Exu菌株不同的是它对豚鼠有毒力。 Мартиневский(1973年)报道,阿尔泰山地和以色列的鼠疫菌株为Leu -Arg -,1980年该学者又报道从苏联中高加索疫源地分离的鼠疫菌为Pro -,且不能被谷氨酸代替。
为检查鼠疫菌的营养突变,W. D. Lawton曾设计了1种培养基由基础培养基、碳源、鼠疫菌生长因子3部分组成,最终pH为6.7,多数野生型鼠疫菌株在26~28℃下大约4天能在此培养基上生长出菌落。不能在此培养基上生长的菌株表示可能为营养缺陷型,此类菌株可以加入各种不同因子(氨基酸等)作进一步的研究。中国科学院微生物研究所(1973年)曾介绍一种鉴定菌株营养缺陷型的方法。他们按实验目的决定被试因子的数量,列表纵横排列组合。何永山等(1982年)对分离自我国各疫源地的428株野生型鼠疫菌株营养型差异进行了研究。在鼠疫菌营养缺陷检查方法的研究中曾设16种因子组成8组生长因子,分别加入基础培养基中制成8种培养基。试验时将待测定的菌株培养物用无菌缓冲盐水洗涤或稀释接种到8种平皿上。培养后,按生长的平皿号查表,纵横相交叉的氨基酸(或其他生长因子)就是被检查菌株的缺陷因子。如在3,5种培养基上生长的,为缺陷精氨酸一种生长因子的菌株。又如只能在7组(种)培基上生长就可能缺陷7组中两种以上的氨基酸。另一种方法是在配制培养基时将16种氨基酸分别依次减缺一种而使其中含有其他15种氨基酸,而待测菌株在哪种培养基上不生长就缺哪种氨基酸,这方法的好处是可以一次同时将缺陷两种以上氨基酸(或其他生长因子)的菌株鉴定出来。结果表明,有六种自然发生的营养依赖型。即:Trp -、Trp -Thr -、Leu -、Arg -Leu -、Ile -Glu -、Glu -(表1-3)。
表1-3 我国各鼠疫自然疫源地鼠疫菌的营养性
从表中可以看出,Trp -依赖型鼠疫菌株分离自内蒙古、河北、宁夏长爪沙鼠和新疆长尾黄鼠。Trp -Thr -依赖型菌株分离自新疆灰旱獭。Leu -依赖型菌株分离自甘肃、宁夏阿拉善黄鼠。Arg -Leu -依赖型菌株分离自内蒙古布氏田鼠。Ile -Glu -依赖型菌株分离自新疆喜马拉雅旱獭。Glu -依赖型菌株分离自云南、福建黄胸鼠及家鼠。
在这六种营养依赖型菌株中,Trp -Thr -、Ile -Glu -依赖型鼠疫菌株,为国内首次发现。Trp -菌株Burrows曾报道过1株,但未说明菌株来源,我国却发现了大量Trp -菌株,规律地分布于长爪沙鼠疫源地及长尾黄鼠疫源地内。
我国鼠疫菌株的营养型差异和菌株的宿主、地理分布,存在着比较复杂的关系。
从鼠疫菌株的营养型与宿主的关系来看,有些菌株表现明显,如Arg -Leu -菌株只分布于布氏田鼠。有些菌株则不明显,同一营养型的菌株可分布于不同宿主,如Trp -菌株分布于长爪沙鼠、长尾黄鼠和灰旱獭。又不同地理分布的同一宿主的菌株,可表现不同的营养型,如新疆灰旱獭鼠疫菌株有四种营养型:Trp -、Trp -Thr -、Leu -和营养不依赖型;从不同地理分布的喜马拉雅旱獭分离的菌株,也表现有三种营养型:Ile -Glu -、Phe -和Phe +。
鼠疫菌的营养型与地理区域表现有较复杂的关系。如新疆北天山的鼠疫菌有不同的营养型,北天山北坡东段菌株为Trp -Thr -;西段则为Trp -;南坡西段则Phe +。
鼠疫菌营养型的差异似乎与菌株的生态系有关。一定营养型的鼠疫菌,只存在于特定的生态系中。在这些生态系中,不仅宿主对鼠疫菌发生影响,而且许多其他因素,如地理、植被、气候、宿主和媒介昆虫等综合的起作用,鼠疫菌株的营养型特征是长期生存于一定生态系中自然选择的结果。
(二)低营养型
1966年Burrows在报道营养依赖型菌株同时,尚报道有低营养型的鼠疫菌株,他发现2株Met +菌株、6株Phe +菌株,都属于Divignat分类的中世纪变种。除此之外,未见另外报道。
1982年何永山等在研究我国鼠疫菌的营养型时,于428株鼠疫菌株中,发现有74株不需要苯丙氨酸的鼠疫菌株,且规律地分布于松辽平原达乌尔黄鼠疫源地,西藏仲巴喜马拉雅旱獭疫源地、新疆北天山西段尼勒克、南天山阿图什灰旱獭、长尾黄鼠疫源地以及帕米尔高原乌恰长尾旱獭疫源地。
1985年公允等用定量法研究我国各疫源地鼠疫菌的营养需求及突变时,除证实何永山等报道外,尚发现分离自宁夏阿拉善黄鼠疫源地的部分菌株,也表现为苯丙氨酸低营养型。此外尚发现:自集二线以东的内蒙古、河北长爪沙鼠疫源地分离的鼠疫菌株,除表现Trp -外,尚表现Met +低营养型。而从集二线以西直至宁夏长爪沙鼠疫源地段分离的菌株,则为Met -。
(三)回复突变
营养缺陷型菌株能发生回复到野生型的突变。一般细菌的回复突变率都极低,介于10 -8世代细胞左右,也有高到10 -3的。许多作者都曾记述过鼠疫菌发生的回复突变。Englesberg(1957年)报道了鼠疫菌株A 1122B 1的自发的低营养突变。这株菌需要半胱氨酸(Cys)、苯丙氨酸(Phe)、甲硫氨酸(Met)、缬氨酸(Val)和异亮氨酸(Ile)。他将原营养型的A 1122B 1菌株培养于含半胱氨酸和苯丙氨酸或含有半胱氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸和异亮氨酸的限定琼脂平碟上,长出少数Met +突变株,突变率为1.3×10 -7。在另一个试验中,他将A 1122 B 1菌株培养在只含半胱氨酸、苯丙氨酸和甲硫氨酸的限定培养基上,另获得了少数Val +Ile +双项低营养突变株。有趣的是,该作者将Met +和Val +Ile +两个突变株再大量涂布培养于只含半胱氨酸和苯丙氨酸的限定琼脂平碟上,又获得了少数Val + Ile + Met +三项低营养突变株。他认为丧失需要缬、异亮或甲硫氨酸的低营养突变是自然发生的,因为在半胱、苯丙氨酸或半胱、苯丙、缬、异亮氨酸限定培养基上生长出突变菌落的比例与在半胱、苯丙、甲硫、缬和异亮氨酸限定培养基上相同。Englesberg的试验对于认识细菌的营养突变是很有意义的。他的结果说明鼠疫菌的营养型是一稳定的特性,其回复突变率极低。但在一株细菌的群体中,特别是经过培养基传代保存,就会出现营养需求不同的细菌。
(四)营养突变株的特点
从我国各自然疫源地分离的各种营养依赖型及低营养型鼠疫菌株和非依赖型菌株一样,具有典型的菌体形态和培养特性,对鼠疫噬菌体敏感,能产生封套抗原(Fra 1 +)、毒力抗原(Vwa +)、鼠疫菌素Ⅰ(PstⅠ +),能合成内源性嘌呤(Pur +),多数菌株具有吸附外源性色素的能力(Pgm +)。Pgm +的鼠疫菌株对其宿主动物和某些实验动物具有较强的毒力,但分离自新疆和田、洛浦的Tle -GIu -菌株以及内蒙古、宁夏的Trp -菌株表现Pgm -的细胞较多或少数菌株全由Pgm -细胞组成,它们对实验动物的毒力也较低。
Мартиневский(1975年)也证明了,用诱变剂作用鼠疫毒菌产生的各种营养缺陷型突变株仍保持着野生型亲代菌株的基本特性。但从EV菌株中诱变出来的半胱氨酸缺陷的突变株在赫氏琼脂培养基上不形成典型菌落,且迟缓发酵甘露糖、木糖和阿拉伯胶糖。此外,分离自我国各疫源地的鼠疫菌营养突变株,一般来说其营养突变同时,发酵某种糖醇的能力也发生变异。如宁夏阿拉善黄鼠菌株,Leu -株均不分解阿胶糖,Leu +株则均分解阿胶糖。说明合成亮氨酸与分解阿胶糖两种功能同时存在或同时消失。另外,分离自云南家鼠的菌株,由于长期保存,少数菌株由甘油阴性变异为甘油阳性,伴随着甘油性状的突变,其营养型也由Glu -变为Glu +。这说明云南家鼠菌株合成谷氨酸与分解甘油的能力,在突变过程中同时存在或消失。突变后的云南家鼠菌株分解甘油及合成谷氨酸的能力与云南野鼠菌株相同,但他们仍保持家鼠菌株酵解麦芽糖的特性,此点又与野鼠菌株有别(表1-4)。
表1-4 鼠疫菌营养突变株与生化性状的关系
(五)鼠疫菌的营养需求及突变在研究鼠疫动物病流行规律中的应用
分离自我国宁夏阿拉善黄鼠疫源地的鼠疫菌株,有两个稳定的营养型,即Leu -Phe -Ala -(简称Leu -)和Leu +Phe +Ala +(简称Leu +)。进一步研究表明,在1963~1969年动物鼠疫连续流行期间分离出的菌株中,Leu -型占优势,而1975~1978年动物鼠疫连续流行期间分离出的菌株,则Leu +型占优势。当将两菌型细菌等比混合通过宿主动物传代时,Leu +型细胞从第4代开始所占百分比逐渐增高,到传至第14代时已全为Leu +型细胞,Leu -型细胞完全被排挤掉。说明阿拉善黄鼠对Leu +型菌株有更强的适应性和选择性。
此外,在70年代动物鼠疫流行末期,尚从自然界获得了两株Leu +、Leu -细胞混合株,当将其通过宿主动物传递时,亦获得了与上同样结果。
菌株营养型在动物鼠疫流行过程中的变异,还发生在吉林省长岭县达乌尔黄鼠疫源地。如在间隔26年后,1985年从长岭县三团乡分离的鼠疫菌株表现对亮氨酸依赖,此点与过去分离的菌株不同。