13.1: 控制微生物的生长

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学习目标

比较消毒剂、防腐剂和消毒剂
描述通过灭菌和消毒控制微生物存在的原则
区分不同生物安全级别的微生物，并解释在每个级别处理微生物所用的方法

临床重点：第 1 部分

罗伯塔是一位46岁的房地产经纪人，最近接受了胆囊切除术（切除疼痛性胆结石的手术）。手术是在十二指肠镜的帮助下通过腹腔镜进行的，十二指肠镜是一种专门的内窥镜，允许外科医生借助微型摄像头看到体内。从医院回家后，罗伯塔出现了腹痛和高烧。她在排尿时还出现烧灼感，并注意到尿液中有血。根据术后指示，她将这些症状通知了外科医生。

练习\(\PageIndex{1}\)

罗伯塔症状的可能原因有哪些？

为了防止人类疾病的传播，有必要控制人类经常使用的各种物品中或其上微生物的生长和丰度。门把手、玩具或毛巾等可能含有微生物并有助于疾病传播的无生命物品被称为 fomites。有两个因素在很大程度上影响了特定 fomite 所需的清洁度水平，因此也影响了为达到该水平而选择的协议。第一个因素是该物品将用于何种用途。例如，需要插入人体的侵入性应用比不需要插入人体的应用需要更高的清洁度。第二个因素是潜在病原体对抗微生物药物治疗的耐药程度。例如，罐装保存的食物经常被肉毒梭菌污染，肉毒梭菌会产生导致肉毒中毒的神经毒素。由于肉毒杆菌可以产生可以在恶劣条件下生存的内孢子，因此必须使用极端的温度和压力来消灭内孢子。其他生物可能不需要这种极端的措施，可以通过诸如在洗衣机中洗衣服之类的程序进行控制。

实验室生物安全等级

对于研究病原体的研究人员或实验室人员来说，与特定病原体相关的风险决定了所需的清洁度和控制水平。美国疾病控制与预防中心（CDC）和美国国立卫生研究院（NIH）建立了四个分类级别，称为 “生物安全等级”（BSL）。世界各地的各个组织，包括世界卫生组织（WHO）和欧盟（EU），都使用类似的分类方案。根据疾病预防控制中心的说法，BSL 取决于该病原体的传染性、易传播性、潜在的疾病严重程度以及使用该药物的工作类型。 ¹

每个 BSL 都需要不同级别的生物防护，以防止传染病原体的污染和传播给实验室工作人员，并最终传播到社区。例如，最低的 BSL BSL-1 需要最少的预防措施，因为它适用于微生物感染风险最低的情况。

BSL-1 药物是那些通常不会在健康的成年人中引起感染的药物。这些包括非传染性细菌，例如大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的非致病菌株，以及已知会感染人类以外的动物的病毒，例如杆状病毒（昆虫病毒）。由于使用 BSL-1 药物的风险很小，因此无需采取任何预防措施。实验室工作人员使用标准的无菌技术，可以在开放的实验室工作台或桌子上使用这些药物，根据需要佩戴个人防护装备 (PPE)，例如实验室外套、护目镜和手套。除了用于洗手的水槽和用于将实验室与建筑物其余部分隔开的门外，无需进行额外的修改。

被归类为 BSL-2 的药物包括对实验室工作人员和社区构成中等风险的药物，通常是 “本土”，这意味着它们在该地理区域中很常见。其中包括金黄色葡萄球菌和沙门氏菌属等细菌，以及肝炎、腮腺炎和麻疹病毒等病毒。 BSL-2 实验室除了 BSL-1 的预防措施外，还需要额外的预防措施，包括限制进入；必要的个人防护用品，在某些情况下包括面罩；以及使用生物安全柜进行可能在空气中分散制剂的程序（称为 “气溶胶化”）。 BSL-2 实验室配有自动关闭门、洗眼站和高压灭菌器，这是一种在使用或处置之前用加压蒸汽对材料进行消毒的专用设备。 BSL-1 实验室也可能有高压灭菌器。

BSL-3 药物有可能通过吸入引起致命感染。它们可能是本土的，也可能是 “外来的”，这意味着它们来自国外，包括结核分枝杆菌、炭疽芽孢杆菌、西尼罗河病毒和人类免疫缺陷病毒（HIV）等病原体。由于 BSL-3 药物引起的感染性质严重，使用这些药物的实验室需要限制其进入。实验室工作人员正在接受医学监测，他们可能正在接种针对他们工作的微生物的疫苗。除了已经提到的标准个人防护装备外，BSL-3 实验室的实验室人员还必须佩戴口罩，并始终在生物安全柜中处理微生物和传染病原体。 BSL-3 实验室需要一个免提水槽，在出口附近有一个洗眼台，入口处有两套自动关闭和上锁的门。这些实验室配备了定向气流，这意味着干净的空气通过实验室从干净的区域输送到可能受污染的区域。这种空气无法再循环，因此需要持续供应清洁空气。

BSL-4 毒剂是最危险的，而且往往是致命的。这些微生物通常是外来的，很容易通过吸入传播，并且在没有治疗或疫苗接种的情况下引起感染。例子包括导致出血热的埃博拉病毒和马尔堡病毒，以及天花病毒。在美国和世界各地，只有为数不多的实验室配备了处理这些制剂的适当设备。除了 BSL-3 预防措施外，BSL-4 设施中的实验室工作人员还必须在进入实验室时换衣服，离开时洗澡，在离开时对所有材料进行净化。在实验室工作时，他们要么穿着带有指定空气供应的全身防护服，要么在生物安全柜内进行所有工作，该柜内配备高效微粒空气 (HEPA) 过滤空气供应和双重HEPA过滤的排气管。如果穿着西装，则服内的气压必须高于西装外部的气压，这样，如果服装发生泄漏，可能被污染的实验室空气就不会被吸入套装（图\(\PageIndex{1}\)）。实验室本身必须位于单独的建筑物中或建筑物的隔离部分，并有自己的空气供应和排气系统以及自己的净化系统。图中总结了 BSL\(\PageIndex{2}\)。

一张身穿西装的实验室工作人员的照片，该西装完全遮住了他们（包括他们的脸和手）。 — 图\(\PageIndex{1}\)：对于在 BSL-4 实验室工作的人来说，像这样的防护服是一种额外的预防措施。该套装有自己的空气供应，相对于外部保持正压，因此，如果发生泄漏，空气将从套装中流出，而不是从实验室流入。（来源：疾病控制与预防中心对工作的修改）

标有生物安全等级的表格。疾病预防控制中心将低风险微生物归类为 BSL-1，将高风险微生物归类为 BSL-4。当微生物具有危险性和异域性，构成气溶胶传播感染的高风险时，使用4级生物安全级别，如果不进行治疗或接种疫苗，这些感染通常会致命。这个级别的实验室很少。例子包括埃博拉病毒和马尔堡病毒。 BSL-3 用于本土或外来微生物并通过呼吸道传播导致严重或可能致命的疾病时。例子包括结核分枝杆菌。当微生物通常是本土微生物并且与不同严重程度的疾病有关时，使用 BSL-2。它们对工人和环境构成中等风险。例子包括金黄色葡萄球菌。 BSL-1 是在不知道微生物会在健康宿主中引起疾病并且对工人和环境构成的风险最小时使用。例子包括大肠埃希氏菌的非致病性菌株。 — 图\(\PageIndex{2}\)：CDC根据实验室人员和社区面临的潜在风险，将传染病原体分为四个生物安全级别。每个级别都需要逐步加强预防措施。（来源 “金字塔”：疾病控制与预防中心对工作的修改）

链接到学习

要了解有关这四个 BSL 的更多信息，请访问疾病预防控制中心的网站。

练习\(\PageIndex{2}\)

有哪些因素可以用来确定处理特定病原体所需的 BSL？

消毒

最极端的微生物控制方案旨在实现灭菌：从目标物品或环境中完全去除或杀死所有营养细胞、内孢子和病毒。消毒规程通常适用于实验室、医疗、制造和食品行业环境，在这些环境中，某些物品必须完全不含潜在的传染病原体。灭菌可以通过物理手段实现，例如暴露在高温、高压下，或通过适当的过滤器进行过滤，也可以通过化学手段实现。可用于实现灭菌的化学物质被称为消毒剂。消毒剂可以有效杀死所有微生物和病毒，并且在适当的暴露时间内，还可以杀死内孢子。

出于许多临床目的，必须使用无菌技术来防止无菌表面的污染。无菌技术涉及多种方案的组合，这些方案共同维持无菌或无菌状态，从而防止患者受到微生物和传染病原体的污染。在许多类型的临床手术中未能使用无菌技术可能会将微生物引入患者体内，使患者面临败血症的风险。败血症是一种对感染的全身性炎症反应，会导致高烧、心率和呼吸频率加快、休克，甚至可能导致死亡。有污染风险的医疗程序必须在无菌区进行，该区域是指没有所有植物微生物、内孢子和病毒的指定区域。无菌区域是根据要求使用消毒材料（例如包装和悬浮物）的协议以及严格的清洗和使用消毒剂的程序创建的。在进行医疗程序期间，还遵循其他规程来维持无菌区域。

一种食品消毒方案，即商业消毒，它使用温度足够低的热量来保持食物质量，但又足够高，足以消灭导致食物中毒的常见病原体，例如肉毒杆菌。由于肉毒杆菌及其内孢子通常存在于土壤中，因此它们在收获过程中很容易污染农作物，而且这些内孢子会在食物罐装后在厌氧环境中发芽。由于微生物产生气体，受肉毒杆菌污染的金属罐食物会膨胀；受污染的食物罐通常会在金属盖上凸起。为了消除肉毒杆菌污染的风险，商业食品罐头规程的设计误差幅度很大。他们假设内孢子数量难以置信（每罐 10 ¹² 个），目标是将这个数量减少到每罐 1 个 endospore，以确保罐装食品的安全。例如，将低酸和中等酸性食物加热至121°C至少2.52分钟，这是在此温度下将每罐10 ^12个内孢子数量减少到1个内孢子所需的时间。即便如此，商业灭菌并不能消除所有微生物的存在；相反，它针对的是那些导致变质和食源性疾病的病原体，同时允许许多非致病生物存活。因此，在这种情况下，“绝育” 有点用词不当，商业绝育可以更准确地描述为 “准绝育”。

练习\(\PageIndex{3}\)

灭菌和无菌技术有什么区别？

链接到学习

外科技术专家协会发布了无菌技术标准，包括创建和维护无菌区。

其他控制方法

消毒规程要求的程序在许多环境中不切实际或不必要。在临床和非临床环境中使用其他各种方法来减少物品上的微生物负荷。尽管这些方法的术语通常可以互换使用，但也有重要的区别（图\(\PageIndex{3}\)）。

消毒过程通过使用抗微生物化学物质或加热使烟尘表面的大多数微生物灭活。由于残留了一些微生物，因此消毒过的物品不被视为无菌。理想情况下，消毒剂应起效快、稳定、易于制备、价格低廉且易于使用。天然消毒剂的一个例子是醋；它的酸度会杀死大多数微生物。化学消毒剂，例如氯漂白剂或含氯产品，用于清洁实验室工作台、临床表面和浴室水槽等非生物表面。典型的消毒不会导致灭菌，因为即使所有营养细胞都被杀死，内孢子也往往会存活。

与消毒剂不同，防腐剂是可安全用于活体皮肤或组织的抗菌化学物质。防腐剂的例子包括过氧化氢和异丙醇。施用防腐剂的过程称为防腐剂。除了优质消毒剂的特性外，防腐剂还必须对微生物具有选择性的有效性，并且能够深层渗透组织而不会造成组织损伤。

达到所需清洁度所需的协议类型取决于要清洁的特定物品。例如，临床使用的药物分为关键、半临界和非临界两类。关键物品必须是无菌的，因为它们将在体内使用，通常会穿透无菌组织或血液；关键物品的例子包括手术器械、导管和静脉注射液。胃肠道内窥镜和各种类型的呼吸治疗设备就是半关键物品的例子；它们可能接触粘膜或不完整的皮肤，但不能穿透组织。半关键物品通常不需要消毒，但确实需要高水平的消毒。可能接触但不会穿透完整皮肤的物品是非关键物品；例如床上用品、家具、拐杖、听诊器和血压手铐。这些物品需要清洁，但不能经过高度消毒。

洗手是除菌的一个例子，通过使用温和的化学物质（例如肥皂）温和地擦洗活组织（最常见的是皮肤），以避免致病微生物的传播，可以显著减少微生物的数量。在注射部位用酒精棉签擦拭皮肤是除菌的另一个例子。这些除菌方法可去除皮肤表面的大多数（但不是全部）微生物。

“消毒” 一词是指清洗烟雾以去除足够的微生物，以达到被认为对公共卫生安全的水平。例如，餐饮服务行业使用的商用洗碗机通常使用非常热的水和空气进行清洗和烘干；高温会杀死大多数微生物，对餐具进行消毒。病房的表面通常使用化学消毒剂进行消毒，以防止患者之间的疾病传播。图中\(\PageIndex{3}\)总结了用于控制微生物生长的常见协议、定义、应用和药剂。

标题为：控制微生物生长的常用协议。四列：协议、定义、常用应用程序和通用代理。该表按用于 fomites 的协议和用于活体组织的协议划分。烟雾的规程包括消毒、卫生和消毒。消毒通过使用加热或抗菌化学物质来减少或破坏无生命物品的微生物负荷。消毒包括清洁实验室工作台、临床表面和浴室等表面，并使用氯漂白剂、酚（例如 Lysol）、戊二醛。通过使用加热或抗菌化学品，消毒将无生命物品的微生物负荷降低到安全的公共卫生水平。卫生设施包括以商业方式清洗餐具、清洁公共洗手间，以及使用含磷酸盐的洗涤剂（例如表面处理）、含有季铵化合物的工业强度清洁剂。消毒彻底清除无生命物品中的所有营养细胞、内孢子和病毒。消毒包括准备手术设备和注射用针头，并使用加压蒸汽（高压灭菌器）、化学药品和辐射。活组织方案包括防腐和除菌。防腐剂通过应用抗菌化学物质减少皮肤或组织上的微生物负荷。防腐剂包括清洁因受伤而破损的皮肤；在手术前清洁皮肤，并使用硼酸、异丙醇、过氧化氢、碘（betadine）。 Degerming 通过温和至牢固的擦洗和使用温和的化学物质，减少皮肤或组织上的微生物负荷。除菌涉及洗手并使用肥皂、酒精棉签。 — 图\(\PageIndex{3}\)：控制微生物生长的常用方案

练习\(\PageIndex{4}\)

消毒剂和防腐剂有什么区别？
在去除产品中的微生物方面，哪种最有效：消毒、除菌或消毒？解释一下。

临床重点：第 2 部分

罗伯塔的医生怀疑细菌感染是她突然发的高热、腹痛和尿液流血的原因。根据这些症状，医生诊断出尿路感染（UTI）。各种各样的细菌都可能导致尿路感染，尿路感染通常发生在下消化道的细菌被引入尿路时。但是，罗伯塔最近的胆结石手术使医生怀疑她在手术期间感染了医院（医院获得性）感染。医生采集了尿液样本并下令进行尿液培养，以检查是否存在白细胞、红细胞和细菌。该测试的结果将有助于确定感染的原因。医生还开了一个疗程的抗生素环丙沙星，相信它会清除罗伯塔的感染。

练习\(\PageIndex{5}\)

在罗伯塔手术期间，有哪些可能的方式将细菌引入尿道？

测量微生物控制

杀死目标微生物的物理和化学微生物控制方法由后缀 -cide（或-cid al）标识。 前缀表示处理方法杀死的微生物或传染病原体的类型：杀菌剂杀死细菌，杀病毒剂杀死或灭活病毒，杀真菌剂杀死真菌。 其他方法不会杀死生物，而是阻止其生长，使其种群保持不变；此类方法由后缀 -stat（或-stat ic）标识。例如，抑菌疗法抑制细菌的生长，而抑菌疗法抑制真菌的生长。决定特定治疗是杀灭性还是静态的因素包括靶向微生物的类型、所用化学品的浓度以及所用治疗的性质。

尽管静态治疗实际上并不能杀死传染病原体，但它们对人类和其他动物的毒性通常较小，还可以更好地保持所处理物品的完整性。此类治疗通常足以控制物品的微生物种群。其中一些静电化学物质的毒性降低还使它们能够安全地浸入塑料中，以防止微生物在这些表面生长。这种塑料用于诸如儿童玩具和用于制备食物的砧板等产品。当用于治疗感染时，静态治疗对于本来健康的人来说通常就足够了，它可以防止病原体繁殖，从而使个体的免疫系统能够清除感染。

可以使用微生物死亡曲线来评估微生物控制的程度，以描述特定方案的进展和有效性。当暴露于特定的微生物控制方案时，种群中一定比例的微生物会死亡。由于即使种群规模各不相同，杀死率仍保持不变，因此杀死百分比比被杀死的微生物的绝对数量更有用。死亡曲线通常绘制为半对数图，就像微生物生长曲线一样，因为微生物的减少通常是对数的（图\(\PageIndex{4}\)）。特定方案使生物数量减少一个数量级或造成 90% 种群死亡所花费的时间称为十进制减少时间 (DRT) 或 D 值。

该表显示随着微生物细胞的死亡，数量有所减少。在时间 0 时有 10 到 10 个细胞。在时间 5 时，有 10 到 9 个细胞。在时间 10 时，有 10 到 8 个细胞。在时间 15 时，有 10 到 7 个细胞。在时间 20 时，有 10 到 6 个细胞。在时间 25 时，有 10 到 5 个细胞。在时间 30 时，有 10 到 4 个细胞。在时间 35 时，有 10 到 3 个细胞。在时间 40 时，有 10 到 2 个细胞。在时间 45 时，有 10 到 1 个细胞。在时间 50 时，有 10 到 0 个细胞。标题为 “微生物死亡曲线” 的图表。 X 轴是时间，Y 轴是单元格数。两条线使用算术和对数刻度表示这张图的样子。两条线从 10 开始，到时间 0 的 10。算术刻度下降很快，与 0 乘以 10 分钟没有区别。对数刻度在干净的对角线上倾斜。 D 值显示为从 10 移动到 6 再到 10 再到 5 所花费的时间；这会在 5 分钟后发生。 — 图\(\PageIndex{4}\)：微生物死亡是对数的，使用半对数图而不是算术图很容易观察到。十进制减少时间（D 值）是指当暴露于特定的微生物控制方案时，杀死 90% 的人群（总种群减少了 1 对数）所需的时间，如紫色括号所示。

有几个因素影响了消毒剂或微生物控制方案的有效性。首先，如图所示\(\PageIndex{4}\)，曝光时间长度很重要。更长的曝光时间会杀死更多的微生物。由于暴露于特定方案的人群的微生物死亡是对数的，因此杀死大量种群负荷所需的时间要比暴露于相同协议的低种群负荷更长。从较少数量的生物开始治疗时，需要缩短治疗时间（以 D 值的倍数测量）。有效性还取决于药物对该消毒剂或方案的敏感性。消毒剂的浓度或暴露强度也很重要。例如，更高的温度和更高浓度的消毒剂可以更快、更有效地杀死微生物。限制试剂与靶细胞细胞接触的条件——例如，体液、组织、有机碎屑（例如泥浆或粪便）或表面生物膜的存在——会增加达到所需清洁度所需的微生物控制方案的清洁时间或强度。在选择适当的方案来控制给定情况下的微生物生长时，必须考虑所有这些因素。

练习\(\PageIndex{6}\)

选择抑菌疗法而不是杀菌疗法有哪两个可能的原因？
列举至少两个可能影响消毒剂功效的因素。

关键概念和摘要

可能藏有微生物并有助于其传播的无生命物品被称为 fomites。 fomite 所需的清洁度水平既取决于该物品的用途，也取决于该物品可能被污染的传染病原体。
美国疾病预防控制中心和美国国立卫生研究院为开展传染病原体研究的实验室制定了四个生物安全等级（BSL）。每个级别都旨在保护实验室人员和社区。这些 BSL 由病原体的传染性、易传播性、潜在的疾病严重程度以及使用该药物进行的工作类型决定。
消毒可去除烟雾中的潜在病原体，而防腐剂使用对组织足够安全的抗菌化学物质；在这两种情况下，微生物的负荷都会减少，但除非所使用的化学物质强度足以成为消毒剂，否则微生物可能会残留。
临床使用的物品所需的清洁度（消毒与高强度消毒与一般清洁度）取决于该物品会与无菌组织（关键物品）、粘膜（半关键物品）还是完好无损接触皮肤（非关键物品）。
有污染风险的医疗程序应在采用适当无菌技术维持的无菌区域内进行，以预防败血症。
对于某些医疗应用以及食品工业，消毒是必要的，在食品行业，肉毒梭菌的内孢子是通过商业消毒协议杀死的。
控制导致微生物死亡的微生物生长的物理或化学方法由后缀 -cid al 表示（例如，与杀菌剂、杀病毒剂和杀真菌剂一样），而抑制微生物生长的则是由后缀 -stat 或-stat ic（例如，抑菌、抑菌）表示。
微生物死亡曲线显示了暴露于微生物控制方法的活微生物的对数下降情况。方案使微生物种群减少 1 对数（90%）所需的时间是十进制减少时间或 D 值。
在选择微生物控制方案时，需要考虑的因素包括暴露时间长短、靶向微生物的类型、其对方案的敏感性、治疗强度、可能干扰方案的有机物的存在以及可能改变微生物控制方案的环境条件协议的有效性。

脚注

1 美国疾病控制与预防中心。 “认识生物安全水平。” http://www.cdc.gov/training/quicklearns/biosafety/。已于 2016 年 6 月 7 日访问。