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助力微生物检验员考证技术化验员培训:专业技能摇篮-抗生素简介及其在培养基中的作用

摘要：本文聚焦抗生素在培养基中的关键作用。首先介绍抗生素的定义、分类及作用机制，阐述其通过干扰细菌细胞壁合成、蛋白质合成等发挥抑菌杀菌作用。接着详细说明在培养基中，抗生素能抑制杂菌生长、筛选特定微生物、维持细胞特性及助力研究微生物耐药性。同时指出使用时需注意抗生素种类选择、浓度确定、添加方式等要点，强调合理使用抗生素对保障微生物研究准确性、可靠性的重要意义。

引言

抗生素作为一类由微生物或高等动植物产生的具有抗病原体或其他活性的次级代谢产物，自1928年弗莱明发现青霉素以来，在医学和微生物学领域发挥了举足轻重的作用。在微生物培养、细胞培养和工业发酵等诸多领域，抗生素的应用十分广泛且关键。它不仅能有效抑制杂菌生长，为目标微生物创造纯净的生长环境，还能在基因工程中助力筛选特定微生物，维持细胞培养的稳定性，同时为研究微生物耐药性提供重要手段。深入研究抗生素在培养基中的作用，对于提高微生物研究的准确性和可靠性，推动相关领域的科学发展具有重要意义。

抗生素概述

抗生素的定义与分类

抗生素是指由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物，临床主要用于治疗细菌感染性疾病。根据化学结构和作用机制的不同，抗生素可分为多种类型。β-内酰胺类抗生素，如青霉素、头孢菌素等，主要通过抑制细菌细胞壁的合成来发挥作用；大环内酯类抗生素，像红霉素、阿奇霉素等，能抑制细菌蛋白质的合成；氨基糖苷类抗生素，包括链霉素、卡那霉素等，同样作用于细菌蛋白质合成过程；喹诺酮类抗生素，如环丙沙星、诺氟沙星等，通过抑制细菌DNA的合成发挥抗菌作用；糖肽类抗生素，例如万古霉素、去甲万古霉素等，作用于细菌细胞壁；林可霉素类抗生素，以林可霉素、克林霉素为代表，阻断转肽作用和mRNA位移抑制细菌蛋白质合成；四环素类抗生素，如四环素、土霉素等，也主要抑制细菌蛋白质的合成。

抗生素的作用机制

抗生素的抑菌或杀菌作用主要针对“细菌有而人（或其他动植物）没有”的机制进行杀伤，包含四大作用机理。其一，抑制细菌细胞壁合成，细菌的细胞壁起着维持细胞形态和保护细胞的重要作用，青霉素类、头孢菌素类抗生素是此类作用机制的代表。青霉素类抗生素的β-内酰胺环与细菌细胞壁合成过程中的转肽酶结合，阻止细胞壁肽聚糖链的交联，使细胞壁出现缺损，细胞吸水膨胀直至破裂。头孢菌素类抗生素同样作用于细胞壁合成的关键酶，通过与不同的青霉素结合蛋白结合，抑制细胞壁的合成，达到杀菌抑菌的目的，且其对β-内酰胺酶更稳定，抗菌谱更广。其二，改变细菌细胞膜通透性，多黏菌素类抗生素具有亲脂性和亲水性基团，能与细菌细胞膜的磷脂相结合，增加细胞膜的通透性，使细胞内的重要物质外泄，干扰细菌的正常代谢和生理功能，从而抑制细菌生长。两性霉素B主要用于抗真菌，它能与真菌细胞膜上的麦角固醇结合，形成孔道，导致细胞内物质泄漏，破坏真菌细胞的正常生理功能，达到抑菌或杀菌的效果，某些细菌对两性霉素B也可能有一定敏感性，作用机制类似。其三，干扰细菌蛋白质合成，许多抗生素通过作用于细菌的核糖体来干扰蛋白质合成。氨基糖苷类抗生素如庆大霉素、链霉素等，主要作用于细菌核糖体30S亚基，干扰mRNA在核糖体上的正确定位，阻止肽链的延长和蛋白质合成，还可能引起mRNA密码子的错读，导致合成错误的蛋白质，抑制细菌生长。四环素类抗生素进入细菌细胞后，与核糖体30S亚基结合，阻止氨酰-tRNA进入A位，阻碍肽链的延长和细菌蛋白质合成。大环内酯类抗生素如红霉素，结合到细菌核糖体50S亚基上，阻断转肽作用和mRNA位移，抑制细菌蛋白质合成。其四，抑制细菌核酸复制转录，喹诺酮类抗生素作用于细菌的拓扑异构酶，主要是拓扑异构酶Ⅱ（DNA旋转酶），与DNA旋转酶结合，形成药物-酶-DNA复合物，阻碍DNA合成，导致细菌死亡。利福平则特异性地抑制细菌RNA聚合酶，与RNA聚合酶的β亚基结合，阻止RNA链的起始，从而抑制细菌的转录过程，使细菌无法合成蛋白质，最终达到抑菌的目的。

抗生素在培养基中的作用

抑制杂菌生长

在微生物培养过程中，特别是在进行纯培养时，防止杂菌污染至关重要。抗生素能够特异性地抑制或杀死除目标微生物以外的其他细菌、真菌等杂菌，为目标微生物创造一个相对纯净的生长环境，保证实验结果的准确性和可靠性。例如，在培养酵母菌时，加入青霉素可以抑制培养基中可能存在的细菌污染。因为青霉素主要作用于细菌细胞壁，通过与细菌细胞膜上的青霉素结合蛋白结合，抑制肽聚糖合成过程中的转肽酶活性，阻断细胞壁交联反应，最终导致细菌因细胞壁缺陷而裂解。而酵母菌等真菌没有细胞壁结构，或者细胞壁成分与细菌不同，所以不受青霉素的影响。这样，在含青霉素的培养基中，酵母菌能够正常生长，而细菌则被抑制，从而实现了对酵母菌的纯培养。

筛选特定微生物

利用抗生素的抗性基因来筛选含有特定基因的微生物是基因工程和分子生物学实验中的常用方法。常将抗生素抗性基因作为标记基因导入目标微生物，只有成功导入并表达了抗性基因的微生物才能在含有相应抗生素的培养基中生长，而未导入抗性基因的微生物则被抑制或杀死。例如，将含有氨苄西林抗性基因的质粒导入大肠杆菌后，在含有氨苄西林的培养基上，只有成功转化的大肠杆菌才能生长形成菌落。这是因为成功转化的大肠杆菌表达了氨苄西林抗性基因，能够产生β-内酰胺酶降解氨苄西林，从而在含该抗生素的培养基中存活；而未转化的大肠杆菌没有这种抗性，无法抵御氨苄西林的作用，不能生长。这样就可以方便地筛选出含有目的基因的工程菌。

维持细胞特性

在细胞培养中，尤其是动物细胞培养，微生物污染是一个严重的问题。动物细胞对微生物污染非常敏感，微生物的生长会消耗培养基中的营养物质，产生毒素，导致细胞生长不良甚至死亡。添加抗生素可以有效抑制微生物的生长，维持细胞培养环境的稳定，保证细胞的正常生长和代谢，使细胞能够保持其原有的生物学特性和功能。例如，在动物细胞培养基中添加青霉素-链霉素混合液，青霉素可以抑制细菌细胞壁的合成，针对革兰氏阳性菌发挥作用；链霉素主要作用于细菌核糖体30S亚基，干扰蛋白质合成，对多种细菌有抑制作用。二者联合使用，能更有效地防止细菌、真菌等微生物污染，为动物细胞提供一个相对清洁的生长环境。

研究微生物耐药性

通过在培养基中添加不同种类和浓度的抗生素，可以研究微生物对各种抗生素的敏感性和耐药性发展规律。将微生物接种到含有不同抗生素的培养基上，观察其生长情况，从而判断微生物对该抗生素的耐药程度。这对于了解微生物耐药机制、指导临床合理用药以及开发新的抗生素具有重要意义。例如，研究人员可以将不同菌株的细菌分别接种到含有不同浓度青霉素的培养基上，经过一段时间培养后，观察细菌的生长情况。如果细菌在较高浓度的青霉素培养基上仍然能够生长，说明该菌株对青霉素产生了耐药性。进一步研究可以发现，细菌可能通过产生β-内酰胺酶来降解青霉素，或者改变青霉素作用靶点的结构等方式来获得耐药性。这些研究结果可以为临床医生选择合适的抗生素提供依据，避免不合理使用抗生素导致耐药性的进一步发展。

抗生素类抑菌剂的作用机制

抑制细菌细胞壁合成

细菌的细胞壁起着维持细胞形态和保护细胞的重要作用。青霉素类、头孢菌素类抗生素是抑制细菌细胞壁合成的典型代表。青霉素类抗生素的β-内酰胺环与细菌细胞壁合成过程中的转肽酶结合，阻止细胞壁肽聚糖链的交联。正常情况下，肽聚糖链通过转肽酶的作用形成交联结构，使细菌细胞壁具有足够的强度和稳定性。而青霉素与转肽酶结合后，抑制了其活性，导致肽聚糖链无法正常交联，细胞壁出现缺损。由于细菌细胞内是高渗透压状态，水会不断进入细胞，使细胞吸水膨胀直至破裂，从而达到杀菌抑菌的目的。头孢菌素类抗生素同样作用于细胞壁合成的关键酶，通过与不同的青霉素结合蛋白结合，抑制细胞壁的合成。与青霉素相比，头孢菌素类抗生素对β-内酰胺酶更稳定，β-内酰胺酶是细菌产生的一种能够水解β-内酰胺环的酶，许多细菌通过产生这种酶来抵抗青霉素的作用。而头孢菌素类抗生素不易被β-内酰胺酶破坏，因此抗菌谱更广，对更多种类的细菌有抑制作用。

改变细菌细胞膜通透性

多黏菌素类抗生素是通过改变细菌细胞膜通透性发挥作用的典型代表。它具有亲脂性和亲水性基团，能与细菌细胞膜的磷脂相结合。细菌细胞膜主要由磷脂双分子层构成，具有选择透过性，控制物质进出细胞。多黏菌素类抗生素与磷脂结合后，破坏了细胞膜的结构，增加了细胞膜的通透性，使细胞内的重要物质如氨基酸、核苷酸等外泄。这些物质是细菌进行正常代谢和生理功能所必需的，它们的泄漏会干扰细菌的正常代谢和生理功能，从而抑制细菌生长。两性霉素B主要用于抗真菌，它能与真菌细胞膜上的麦角固醇结合，形成孔道。麦角固醇是真菌细胞膜的重要组成成分，对于维持细胞膜的稳定性和完整性起着关键作用。两性霉素B与麦角固醇结合形成孔道后，导致细胞内物质泄漏，破坏真菌细胞的正常生理功能，达到抑菌或杀菌的效果。在细菌中，虽然细胞膜成分与真菌有所不同，但某些细菌也可能对两性霉素B有一定敏感性，其作用机制类似，即破坏细胞膜的完整性，使细胞内环境失衡，抑制细菌生长。

干扰细菌蛋白质合成

许多抗生素通过作用于细菌的核糖体来干扰蛋白质合成，进而抑制细菌生长。氨基糖苷类抗生素如庆大霉素、链霉素等，主要作用于细菌核糖体30S亚基。核糖体是蛋白质合成的场所，30S亚基在蛋白质合成的起始阶段起着重要作用。氨基糖苷类抗生素结合到30S亚基的特定部位后，干扰mRNA在核糖体上的正确定位，使tRNA无法准确地将氨基酸运送到核糖体上，阻止肽链的延长和蛋白质合成。同时，还可能引起mRNA密码子的错读，导致合成错误的蛋白质，这些异常蛋白质无法行使正常功能，从而抑制细菌生长。四环素类抗生素进入细菌细胞后，与核糖体30S亚基结合，阻止氨酰-tRNA进入A位。A位是核糖体上接受新的氨酰-tRNA的部位，四环素类抗生素占据这个位置后，氨酰-tRNA无法进入，阻碍了肽链的延长和细菌蛋白质合成。大环内酯类抗生素如红霉素，结合到细菌核糖体50S亚基上，阻断转肽作用和mRNA位移。转肽作用是在蛋白质合成过程中形成肽键的关键步骤，mRNA位移则是核糖体沿着mRNA移动读取密码子的过程。红霉素抑制这两个过程后，细菌蛋白质合成受到阻碍，生长受到抑制。

抑制细菌核酸复制转录

喹诺酮类抗生素是一类重要的抑制细菌核酸复制转录的药物。它们作用于细菌的拓扑异构酶，主要是拓扑异构酶Ⅱ（DNA旋转酶）。DNA旋转酶是一种使DNA链断裂和再连接的酶，在DNA复制过程中，它负责引入负超螺旋，使DNA双链解开，便于复制叉的移动和DNA合成。喹诺酮类药物与DNA旋转酶结合，形成药物-酶-DNA复合物，阻碍DNA合成。这个复合物会干扰DNA的正常复制过程，导致DNA合成受阻，细菌无法进行正常的遗传信息传递和细胞分裂，最终导致细菌死亡。利福平则特异性地抑制细菌RNA聚合酶，与RNA聚合酶的β亚基结合，阻止RNA链的起始。RNA聚合酶是转录过程中的关键酶，它能够以DNA为模板合成RNA。利福平与β亚基结合后，抑制了RNA聚合酶的活性，使RNA链无法起始合成，从而抑制细菌的转录过程。转录是基因表达的第一步，RNA合成受阻会导致细菌无法合成蛋白质，最终达到抑菌的目的。

抗生素在培养基中使用时要注意的问题

抗生素种类的选择

选择抗生素种类要依据培养的微生物种类以及可能存在的污染菌类型。不同的微生物对抗生素的敏感性不同，而且需要抑制的杂菌类型也各异。例如，培养革兰氏阳性菌时，可选择青霉素、红霉素等。青霉素主要作用于细菌细胞壁，对革兰氏阳性菌的细胞壁合成有较强抑制作用；红霉素通过抑制细菌蛋白质合成来发挥抗菌作用，对许多革兰氏阳性菌也有良好的抗菌效果。若担心有革兰氏阴性菌污染，可选用庆大霉素、卡那霉素等。氨基糖苷类抗生素对革兰氏阴性菌有较好的抗菌活性，能够干扰细菌蛋白质合成。对于真菌培养，为防止细菌污染，常使用抑制细菌的抗生素如链霉素等。链霉素对多种细菌有抑制作用，可有效防止细菌在真菌培养过程中的污染。此外，在基因工程相关培养中，还需根据载体上携带的抗性基因来选择对应的抗生素。如载体含氨苄青霉素抗性基因，就选择氨苄青霉素进行筛选，只有携带该抗性基因的微生物才能在含氨苄青霉素的培养基中生长。

使用浓度的确定

不同微生物对不同抗生素的敏感度存在差异，所以需通过预实验来确定最佳使用浓度。浓度过低无法有效抑制杂菌生长，可能导致实验受到杂菌污染，影响目标微生物的培养和研究结果；浓度过高则可能对目标微生物产生毒性，影响其生长繁殖，甚至导致目标微生物死亡。例如，在大肠杆菌的培养中，氨苄青霉素的常用浓度一般为50 μg/mL - 100 μg/mL。这个浓度范围是经过大量实验验证的，能够在有效抑制杂菌的同时，不对大肠杆菌的生长产生明显影响。但对于某些对氨苄青霉素敏感度较高的菌株，可能需要降低浓度至25 μg/mL左右，以避免对菌株造成过度抑制。而对于一些耐药菌株，则可能需要适当提高浓度，增强抑菌效果。

添加方式和时间

抗生素通常采用过滤除菌的方式添加到已灭菌的培养基中，这是为了避免高温灭菌过程导致抗生素失活。许多抗生素在高温下会发生结构改变，从而失去抗菌活性。添加时间也很关键，一般在培养基冷却至50℃左右时加入抗生素，然后轻轻摇匀，使其均匀分布在培养基中。若添加过早，培养基温度过高会使抗生素失效，无法发挥抑菌作用；添加过晚，可能导致培养基局部抗生素浓度不均匀，部分区域的杂菌无法被有效抑制，影响目标微生物的纯度和实验结果。在连续培养或长期培养过程中，还需根据抗生素的半衰期和微生物的生长情况，适时补充抗生素，以维持有效的抑菌浓度。抗生素在培养基中会随着时间逐渐分解或被微生物消耗，半衰期较短的抗生素更需要及时补充。

抗生素的稳定性和保存

不同抗生素的稳定性不同，应按照其说明书要求的条件保存。例如，青霉素类抗生素通常需要在-20℃冷冻保存，且避免反复冻融。反复冻融会使青霉素类抗生素的结构受到破坏，降低其活性。四环素类抗生素在光照下易分解，需避光保存，可以将四环素类抗生素存放在棕色瓶中，放置在阴凉处。此外，配置好的抗生素溶液应尽快使用，不宜长时间存放。长时间存放过程中，抗生素可能会发生降解或被污染，影响其在培养基中的作用效果。如果需要保存配置好的抗生素溶液，应按照说明书的要求进行低温保存，并在规定时间内使用。

对实验结果的影响

使用抗生素可能会对微生物的某些生理特性产生影响，进而干扰实验结果。比如，某些抗生素可能会诱导微生物产生应激反应，影响其基因表达和代谢途径。微生物在受到抗生素刺激时，会启动一系列的应激反应机制，这些机制可能会改变微生物的基因表达模式，影响其代谢产物的合成。因此，在进行与微生物生理、代谢等相关的研究时，需要谨慎评估抗生素的使用是否会对实验结果造成干扰。必要时，可设置不添加抗生素的对照组，通过对比添加抗生素和不添加抗生素的实验结果，准确分析实验数据。同时，长期使用抗生素还可能导致微生物产生耐药性，这不仅会影响当前实验的抑菌效果，还可能对后续相关研究和应用带来潜在风险。所以，应尽量避免不必要的抗生素使用，并定期对微生物进行耐药性检测，及时发现微生物耐药性的变化，调整实验方案和抗生素使用策略。

总结

抗生素在培养基中发挥着不可或缺的作用，它通过抑制杂菌生长、筛选特定微生物、维持细胞特性和助力研究微生物耐药性等方面，为微生物研究提供了有力保障。然而，在使用抗生素时，必须高度重视抗生素种类的选择、使用浓度的确定、添加方式和时间、稳定性和保存以及对实验结果的影响等要点。合理使用抗生素，不仅能确保微生物研究的准确性和可靠性，还能有效避免耐药性的产生，保障抗生素在未来的持续有效性。