2.1　芽孢杆菌分类学

2.1.1　概述

微生物分类学遇到的问题远远比宏生物遇到的问题多，尤其是原核生物。这些单细胞生物结构简单，新陈代谢类型多样，生理生化过程简单多变，分类上可利用的形态指标很少。因此，早期的原核生物分类主要是通过细胞形态观察，结合生理生化反应的实验结果，加上菌种来源等分类指标进行分类的。随着微生物分类学的发展，分子生物学手段、细胞化学手段的引入，结合传统的分类手段形成了以多相分类手段为主的现代分类方法。仅十年来，原核生物主要类群都逐步趋向了以分子生物学为主的系统分类。芽孢杆菌这一主要原核生物类群也同样经历了分类学的重大变革，本章研究了芽孢杆菌主要的分类系统和方法，介绍了芽孢杆菌分类学的最新进展。

2.1.2　芽孢杆菌的分类

在《伯杰细菌鉴定手册》第八版中，依据革兰氏染色、菌体形态、生理生化特征及运动性，将芽孢杆菌科分为5个属，分别包含了球菌、杆菌和梭菌，这里我们主要讨论好氧或者微好氧的芽孢杆菌（aerobic endospore-forming bacteria，AEFB）。需氧的芽孢杆菌包括芽孢乳杆菌属和芽孢杆菌属。

芽孢乳杆菌属微好氧，不产生过氧化氢酶，包含的种类较少，伯杰氏手册中仅介绍了一种，即菊糖芽孢杆菌，其主要特点是微好氧菌，发酵代谢，以典型的同型发酵途径分解己糖产生D（–）-乳酸，无接触酶和细胞色素，芽孢椭圆形，端生或次端生，胞囊膨大。芽孢杆菌属是其中能产生芽孢的好氧或兼性厌氧的细菌，且能产生过氧化氢酶，包含种类较多，属名Bacillus是一个拉丁语名词，意为小杆菌。芽孢杆菌属菌体杆状、直杆菌或近直杆菌，大小（0.3～2.2）μm×（1.2～7.0）μm，多数能运动，具有典型的周生鞭毛，能形成抗性芽孢，在一个胞囊细胞中，芽孢只有一个。当菌体暴露于空气中时，不妨碍孢子的形成，革兰氏反应为阳性。有机化能营养，利用多种底物进行严格呼吸代谢，严格发酵代谢或呼吸和发酵二者兼有的代谢。在呼吸代谢中，最终的电子受体是分子氧。在一些菌种中，可以用硝酸盐代替氧。DNA的［G］+［C］含量为32％～62％（熔解温度或浮力密度法）。

芽孢杆菌属的一个主要特点是细菌的特性有很大的差异，例如，葡萄糖发酵有以下几种形式：凝结芽孢杆菌具有同型乳酸发酵，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌主要产物为2，3-丁二醇和甘油；多黏芽孢杆菌的主要产物为2，3-丁二醇、乙醇和H2；浸麻芽孢杆菌主要产物为乙醇、丙酮、醋酸和甲酸。这些有机化能营养菌的营养要求不同，一个极端是仅仅要求一个简单的碳源和无机氮源，不需要生长素，另一个极端是需要至今还没有定下来的非常复杂的化合物。例如苛求芽孢杆菌以尿素或尿囊素为唯一的碳、氮来源，而多黏芽孢杆菌和浸麻芽孢杆菌的许多菌株可以同化分子态的氮。巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌和多黏芽孢杆菌的营养体细胞壁的结构、成分和对水解酶的敏感性有很大不同。

芽孢杆菌的典型特征是能够产生耐性较强的芽孢，多数芽孢杆菌的不同种都有特定的表型特征，如一条特殊代谢途径或一种特定异戊二烯醌类型，但仅仅通过这种表型特征进行鉴定是比较困难的，甚至某些多基因特征如芽孢形态，虽有助于芽孢杆菌的鉴定，但其远远不能满足分类学的需要。原因是这些特征经常出现不同程度的交叉，并且受营养基质、培养温度等多种因素的影响，必须与其他分类特征结合才能达到最终的鉴定目的。当然，最终有可能建立起一套能用于芽孢杆菌鉴定到表型的特征谱，它能反映以16S rRNA为基础的菌种间的基因型关系。

目前对于芽孢杆菌的分类已由原来的靠单一的表型或仅依据其基因型进行的单相分类转变为表型、基因型和系统发育信息综合评价的多相分类。国际系统细菌学委员会最近设立一个芽孢杆菌属的多相分类研究项目，目的是建立种描述最小标准，对群命名进行修订，其主要细菌多相分析方法包括扩增rDNA限制性分析（ARDNA）、全细胞脂肪酸成分分析（fatty acid methyl ester analysis，FAME）、全细胞蛋白SDS-PAGE分析、全细胞热解图谱、DNA相关性评价、DNA碱基组成分析，16S rRNA测序及表型（形态、生化、生理）特性研究。由此可知，芽孢杆菌属分类经历了依靠形态、生理等特征的传统分离学方法和基因组研究等的现代学方法。

芽孢杆菌属内分类学发展是不平衡的，有多数的菌种由于在工业发酵、微生物农药、微生物肥料应用价值较高，还有些是动物和人类的病原体，这些菌株的研究较为深入，其余则缺乏研究。近些年来，随着益生芽孢杆菌的生理学和遗传学的快速发展，《伯杰细菌鉴定手册》第八版定义的需氧芽孢杆菌从原来的1个属已经发展到8个属，这在后面的章节中将陆续介绍，相信新的属种还会不断出现。