细菌与外界环境

第三节　细菌与外界环境

一、细菌的分布

（一）细菌在自然界的分布

1.土壤中的细菌

土壤具备细菌生长繁殖所需要的良好条件，是细菌生长繁殖的良好环境，因此土壤中存在着数量众多、种类庞杂的细菌及其他微生物类群。土壤中的细菌大多为非致病菌，它们在自然界的物质循环等方面发挥重要作用，但也有随患者和患病动物的排泄物或动植物尸体进入土壤中的致病菌。这些致病菌大多抵抗力弱，在土壤中易死亡，但一些能形成芽胞的细菌如破伤风梭菌、产气荚膜梭菌、炭疽芽胞杆菌等，可在土壤中存活几年甚至几十年，并可通过感染伤口等途径引起疾病。

2.水中的细菌

江河、湖泊、海洋等水中具备微生物生长的基本条件，因此也含有一定数量的细菌。水中的细菌可来自土壤、人畜排泄物、尘埃、垃圾等。水中的细菌种类和数量因水源不同而异，一般静止水比流动水含菌量多，地面水比地下水含菌量多，沿岸水比中流水含菌量多。一些致病菌如痢疾志贺菌、伤寒沙门菌、霍乱弧菌等可通过人和动物粪便及其他排泄物进入水中，污染水源，引起多种消化系统传染病的传播。因此，保护水源、加强水源的管理与监测、注意饮水卫生，是控制和消灭消化道传染病的重要措施。

3.空气中的细菌

空气中缺少细菌生长必需的营养物质和水分，且受日光等自然因素的影响，不利于细菌和其他微生物生存和生长繁殖，故空气中细菌的种类和数量都较少。但由于人和各种动物呼吸道的细菌可随唾液、飞沫散布到空气中，土壤中的细菌也可随尘埃飞扬在空气中，因而在靠近地面的空气中，仍有一定种类和数量的细菌。尤其在人口密集的公共场所、医院等处，空气中的细菌尤其是致病菌的种类和数量显著增多。空气中常见的病原菌有金黄色葡萄球菌、结核分枝杆菌、溶血性链球菌、脑膜炎奈瑟菌等，可引起伤口感染或呼吸道传染病。

空气中的细菌常以气溶胶的形式存在。气溶胶是指以固体或液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系。其中的气体介质称为连续相（通常为空气），固体或液体微小颗粒如尘埃、飞沫、飞沫核等称为分散相，分散悬浮于气体介质中。搅拌、振荡、撞击、离心等操作活动中都可产生大量气溶胶。常见气溶胶粒子的直径多为0.001～100μm，可作为微生物的载体。混有微生物的气溶胶称为微生物气溶胶。微生物气溶胶直径一般为1～2μm，无色无味、难以察觉，能长期漂浮于空气中，并可远距离传播，是人类传染病尤其是呼吸道传染病传播的重要途径。

空气中的细菌可造成手术室、治疗室、病房等室内空气污染，因此应经常对这些场所进行空气消毒、净化，以减少医院感染的发生。

（二）细菌在人体的分布

人类与自然环境接触密切，因此，正常人体的体表以及与外界相通的腔道（如上呼吸道、口腔、泌尿生殖道等）都有一定种类和数量的微生物寄生。正常情况下，这些微生物不但对机体无害，反而在抵御外来病原菌、促进免疫系统发育等方面起积极作用。寄居在人体各部位的常见微生物见表8-2。

表8-2　人体各部位的常见微生物

续表

二、消毒灭菌

（一）概念

1.消毒

消毒是指杀死物体或介质中病原微生物的方法，一般不能杀灭细菌的芽胞。常利用化学药物进行消毒处理。用于消毒的化学药物称为消毒剂，一般消毒剂在常用浓度下只对细菌的繁殖体有效。

2.灭菌

灭菌是指杀灭物体上所有微生物（包括病原微生物与非病原微生物、细菌芽胞与繁殖体）的方法。

3.防腐

防腐是指防止或抑制微生物生长繁殖的方法。用于防腐的化学药物称为防腐剂。某些化学药物在高浓度时，具有杀菌作用，可用作消毒剂，在低浓度时，仅能抑制细菌生长繁殖，可用作防腐剂。

4.无菌和无菌操作

无菌是指没有活的微生物存在。防止微生物进入机体或其他操作对象的方法称为无菌操作。在进行外科手术、注射、插管等医疗操作或微生物实验时，必须严格无菌操作以防止微生物侵入机体导致感染。

（二）物理消毒灭菌法

一些物理因素，如高温、干燥、紫外线等，对细菌可产生致死作用，因此实践中常利用这些因素来对物品或环境进行消毒灭菌。

1.热力灭菌法

热力灭菌法即利用高温加热方法进行消毒灭菌。高温可使菌体蛋白质变性或凝固、酶类失去活性、核酸结构被破坏，从而导致细菌死亡。

热力灭菌法又分为干热灭菌法和湿热灭菌法。

（1）干热灭菌法　以热空气为导热介质来提高物品温度，产生灭菌效果。有以下方法。

①焚烧：直接点燃或用焚烧炉焚烧。灭菌彻底，适用于废弃污染物或死于传染病的人和动物尸体等无经济价值的物品。

②烧灼：将待灭菌的物品直接置于火焰中灼烧，如微生物实验使用的接种环、接种针、试管口等多用此法灭菌。

③干烤：将物品置于密闭的专用干烤箱内，通电后利用高热空气达到灭菌目的。此法适用于耐高温的物品，如玻璃器皿、瓷器、某些粉剂药品、凡士林等，灭菌时一般加温至160～170℃，维持2～3h。灭菌结束后，应关闭电源，待温度慢慢降至60℃左右时再开启箱门，以免高温度器皿的玻璃因骤冷而破裂。

（2）湿热灭菌法　以高温的水或水蒸气为导热介质，提高物品温度，以达到灭菌目的。常用方法如下。

①高压蒸汽灭菌法：高压蒸汽灭菌法是目前最常用、最有效的灭菌方法。灭菌是在密闭的高压蒸汽灭菌器内进行，在蒸汽不外溢的情况下，随着灭菌器内压力的增高，温度也逐渐升高，当蒸汽压力为103.4kPa（1.05kg/cm²）时，温度达到121.3℃，维持15～20min即可杀灭所有微生物（包括细菌芽胞）。此法适用于耐高温和不怕潮湿的物品的灭菌，如手术器械、敷料、普通培养基、生理盐水等。

②间歇灭菌法：方法是将待灭菌的物品于100℃处加热30min，杀灭其中的细菌繁殖体，然后将物品置于37℃温箱中过夜，使残存的芽胞发育成繁殖体；次日再于100℃加热30min杀死细菌繁殖体后置于37℃温箱过夜。如此重复三次可将所有的繁殖体和芽胞全部杀死，同时不会破坏被灭菌的物品。本法适用于一些不耐高温的物品（如含糖、鸡蛋或含血清的培养基）的灭菌。

③巴氏消毒法：此法是利用较低的温度来杀死物品中的病原菌或特定微生物，同时又不破坏其中的营养成分。此法由“微生物之父”巴斯德创立而得名，目前多用于牛奶等的消毒。消毒方法主要有两种，一种是于61.1～62.8℃加热30min，另一种是于71.7℃加热15～30s。

④煮沸法：将消毒物品浸于水中，加热至沸腾（100℃），经5～6min，可杀死一般细菌的繁殖体，但对芽胞无影响。本法可用于饮水、餐具、注射器和一般手术器械等的消毒。若在水中加入2%碳酸钠可提高沸点至105℃，既可促进芽胞死亡，又可防止金属器材生锈。

在同一温度下，湿热灭菌比干热灭菌的效果好，原因是：①蛋白质在有水分的环境中更易发生变性和凝固，从而易使细菌死亡；②湿热的穿透力比干热强，可使被灭菌的物品均匀受热，温度迅速上升；③热蒸汽与灭菌物品接触时凝固成水可放出潜热，有助于被灭菌物品的温度迅速升高。

2.紫外线和电离辐射

（1）紫外线：紫外线的杀菌机制是细菌DNA吸收紫外线后，分子构型会发生改变，其复制受到干扰，导致细菌变异甚至死亡。紫外线的杀菌作用与其波长有关，波长在200～300nm时有杀菌作用，波长在265～266nm时最易被细菌DNA吸收，因而杀菌作用最强。

紫外线穿透力弱，普通玻璃、纸张、尘埃、水蒸气等均可阻挡紫外线，因此，紫外线只能用于空气和物体表面的消毒处理。常用于手术室、传染病房、烧伤病房、微生物检验室的空气消毒，或一些不耐热物品表面的消毒。紫外线对眼睛和皮肤有损伤作用，使用时应注意防护。

（2）电离辐射：电离射线具有较高的能量和穿透力，对微生物有致死作用。如X射线、γ射线、高速电子流等，可产生游离基破坏细菌核酸、酶和蛋白质，使微生物死亡。电离辐射是许多一次性使用物品（如一次性注射器、导管、手套）消毒的常用方法，也可用于某些食品、药品的消毒与灭菌。

（3）微波：微波是1～1 000nm的电磁波，可穿透玻璃、陶瓷和塑料薄膜等物质，但不能穿透金属表面。微波可用于食品、非金属器械、无菌室和病室中食品用具、药杯等消毒。但微波产生的热效应不均匀，灭菌效果也不可靠。

3.滤过

滤过是利用机械性阻留方法去除液体或空气中的微生物。利用具有微细小孔的滤菌器的筛滤和吸附作用，使带菌液体或空气通过滤菌器后成为无菌液体或空气。滤过除菌法可用于一些不耐高温，也不能用化学方法消毒的液体（如血清、抗生素、维生素等）以及空气的除菌。

4.干燥

干燥可使细菌脱水、菌体蛋白变性和盐类浓缩，从而妨碍细菌代谢与生长繁殖，产生抑菌和杀菌作用。干燥对细菌的影响因菌种以及干燥程度、时间、温度等因素而异，如脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌干燥数小时即可死亡，而结核分枝杆菌在干燥的痰中可保持传染性数月；细菌的芽胞在干燥环境中可存活数月至数年；将细菌迅速冷冻干燥可维持生命数年之久。根据这些原理，常用干燥方法保存食品、药材、细菌菌种等。如将食品、药材晒干或烘干以防止霉变；用盐腌和糖渍处理食物，使食物中细菌脱水而停止生命活动，延长食品保存期；用冷冻真空干燥法保存菌种、生物制品等。

（三）化学消毒灭菌法

化学消毒灭菌法就是运用适宜种类和浓度的化学物质（消毒剂）来处理物品，从而杀死或抑制细菌等微生物，达到消毒灭菌的效果。化学消毒剂对生物细胞的作用效果无选择性，不仅能杀死病原体，对人体也有毒性作用，所以消毒剂一般只能外用，主要用于物体表面、环境、人体表面（皮肤、黏膜、浅表伤口）的消毒。

1.常用消毒剂的种类

消毒剂种类多，用途各异，在实际应用中应酌情选用。常用消毒剂的种类、性质及用途见表8-3。

表8-3　常用消毒剂的种类、性质及用途

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2.常用消毒剂的杀菌机制

消毒剂的种类繁多，其杀菌机制不尽相同，主要如下。

（1）使菌体蛋白质变性或凝固。如酚类（高浓度）、醇类、重金属盐类（高浓度）、酸碱类、醛类等。

（2）影响细菌的酶系统和代谢活性。如氧化剂、重金属盐类（低浓度）等，可作用于细菌酶蛋白的—SH基，使酶活性丧失。

（3）损伤菌体细胞膜或改变细胞膜的通透性。如酚类化合物与脂溶剂等作用于细菌时，可损伤细胞膜，使细胞质内容物逸出，并能破坏细胞膜上的氧化酶和脱氢酶，最终导致细菌死亡。

3.影响消毒剂作用的因素

消毒剂的杀菌效果受多种因素的影响，掌握并利用这些因素可提高消毒灭菌的效果。影响消毒灭菌效果的主要因素有以下几种。

（1）消毒剂：消毒剂的性质、浓度和作用时间不同，对细菌的杀菌效果也有所差异。例如表面活性剂对革兰阳性菌的杀菌效果强于革兰阴性菌。通常消毒剂的浓度越大、作用时间越长，其杀菌效果越强（但乙醇例外，以70%～75%的浓度消毒效果最好）。

（2）微生物的种类和数量：不同种类的微生物对消毒剂的敏感性不同，因此同一种消毒剂对不同微生物的杀菌效果各不相同。如一般消毒剂对结核分枝杆菌的作用较其他细菌繁殖体差；75%乙醇可杀死一般细菌繁殖体，但不能杀灭细菌的芽胞。此外，微生物的数量越多，消毒所需的时间越长。

（3）温度与酸碱度：消毒剂的杀菌过程基本上是一种化学反应过程，反应的速度随温度的升高而加快，因此，温度越高消毒剂的作用效果越佳。如金黄色葡萄球菌在石炭酸溶液中被杀死的时间在20℃时比10℃时大约快5倍；2%戊二醛杀灭每毫升含10⁴个炭疽芽胞杆菌的芽胞，20℃时需15min，40℃时需2min，56℃时仅需1min。消毒剂的杀菌作用还受酸碱度的影响，如戊二醛本身呈中性，其水溶液呈弱碱性，不具有杀芽胞的作用，只有在加入碳酸氢钠后才发挥杀菌作用。

（4）环境中有机物的存在：一般情况下病原菌常与血清、脓汁等有机物混在一起，这些有机物可对细菌产生保护作用，并可与消毒剂的有效成分结合，或对消毒剂产生中和作用，从而降低其杀菌效果。因此临床上用消毒剂消毒皮肤或器械时，应在洗净后再消毒。

三、病原微生物实验室生物安全

病原微生物实验室主要从事病原微生物或相关感染性因子的实验活动。病原微生物实验室生物安全强调通过科学的管理，避免病原微生物引起实验室工作人员以及公众被感染、对环境造成污染。

（一）实验室相关感染

在医学生物研究实验工作中，工作人员和有关人员受到实验涉及的病原微生物的感染称为实验室感染。实验室感染的原因主要有：①使用吸管吸液时不慎将传染物吸入口内；②被实验动物抓、咬伤；③尖锐实验器具刺伤；④吸入微生物气溶胶等。其中，由于微生物气溶胶容易形成，且不易察觉，因而是最常见的造成实验室感染的因素。

（二）病原微生物的分类

我国《病原微生物实验室生物安全管理条例》根据病原微生物的传染性、感染后对个体或者群体的危害程度，将病原微生物分为四类。

第一类病原微生物，是指能够引起人类或者动物非常严重疾病的微生物，以及我国尚未发现或者已经宣布消灭的微生物，如埃博拉病毒、黄热病毒、新疆出血热病毒等。

第二类病原微生物，是指能够引起人类或者动物严重疾病，比较容易直接或者间接在人与人、动物与人、动物与动物间传播的微生物。如艾滋病病毒（Ⅰ型、Ⅱ型）、乙型脑炎病毒、脊髓灰质炎病毒、狂犬病毒、炭疽芽胞杆菌、结核分枝杆菌、霍乱弧菌、鼠疫耶尔森菌等。

第三类病原微生物，是指能够引起人类或者动物疾病，但一般情况下对人、动物或者环境不构成严重危害，传播风险有限，实验室感染后很少引起严重疾病，并且具备有效治疗和预防措施的微生物。如肝炎病毒、疱疹病毒、麻疹病毒、肠道病毒、腺病毒、流行性感冒病毒、轮状病毒、破伤风梭菌、白喉棒状杆菌、淋病奈瑟菌、伤寒沙门菌、葡萄球菌、链球菌、解脲脲原体等。

第四类病原微生物，是指在通常情况下不会引起人类或者动物疾病的微生物。其致病性低或无致病性，实验室感染可能性不大。

上述第一类、第二类病原微生物统称为高致病性病原微生物。

（三）实验室生物安全防护水平分级

为了保证研究人员不受实验因子的伤害，保护环境和公众的健康，保护实验因子不受外界的污染，建立生物安全实验室具有重要意义。

生物安全实验室是指通过防护屏障和管理措施，达到生物安全要求的生物实验室和动物实验室。为了做到更好的安全防护，国家根据实验室对病原微生物的生物安全防护水平（biosafety level，BSL），并依照实验室生物安全国家标准规定，将实验室分为四级。四级实验室的微生物潜在危害及允许的实验活动如下。

BSL-1：为最低级别，依据标准实验室程序，可以进行开放操作。针对的微生物危害极少，对成人不会造成感染，如棒状杆菌等。也包括一些可能对幼儿、老年人或免疫缺陷患者造成感染的条件致病菌。

BSL-2：一般用于具有中等危险性、能引起人类不同程度感染的病原体，如沙门菌属、HBV等。这些病原微生物可能通过不慎吞食以及皮肤、黏膜破损而发生感染。当具备一级屏障设施，如穿戴面罩、隔离衣和手套等防护下，可以在开放实验台上进行标准化的操作。实验室应具备生物安全柜和密封的离心管，以防止泄漏和气溶胶产生。

BSL-3：用于有明显危害、可以通过空气传播的病原微生物，如结核分枝杆菌、伯氏立克次体等。BSL-3除对一级和二级安全设施有严格要求外，还包括对实验室设计的特殊规定，需具备合适的空气净化系统。凡符合BSL-3的微生物均须在生物安全柜内操作。

BSL-4：用于能引起人类致死性感染、可通过空气传播或者目前尚无疫苗预防等有效防治方法的病原微生物，如出血热病毒等。须在Ⅲ级生物安全柜内或全身穿戴特制的正压防护服进行操作。实验室必须与其他实验室隔离，BSL-4必须与其他实验室隔离，独立设置，并具备特殊的空气和废物处理系统。

病原微生物实验室的工作性质决定了发生病原生物实验室潜在性感染的危险性。因此，在病原微生物操作活动中，应加强工作人员和管理人员的生物安全意识，建立规范化、法制化和日常化的管理体系，按照相应的生物安全实验室等级要求进行安全防护，配备必要的生物防护设施设备，强化工作人员的操作能力，建立规范（安全）的微生物学操作技术，从而最大限度地防止实验室感染的发生。