細菌

細菌は遍在し、ほとんどが自由生活性の生物で、多くの場合、単一の生物細胞から構成されています。細菌は原核微生物の大きな領域を構成しています。通常、長さは数マイクロメートルで、細菌は地球上に最初に現れた生命体の一つであり、地球上のほとんどの生息地に存在しています。細菌は、空気、土壌、水、酸性の温泉、放射性廃棄物、そして地殻の深部生物圏に生息しています。細菌は、栄養素のリサイクルや大気からの窒素固定によって、栄養循環の多くの段階で重要な役割を果たしています。栄養循環には死体の分解も含まれ、細菌はこの過程の腐敗段階を担っています。熱水噴出孔や冷湧水域の生物群集では、極限環境細菌が硫化水素やメタンなどの溶解化合物をエネルギーに変換することで、生命維持に必要な栄養素を提供しています。細菌は植物や動物と相利共生、片利共生、寄生といった様々な関係を築いて生息している。ほとんどの細菌はまだ特性が解明されておらず、実験室で培養できない種も数多く存在する。細菌の研究は細菌学と呼ばれ、微生物学の一分野である。

すべての動物と同様に、人間は膨大な数（およそ 10 ¹³～ 10 ¹⁴）の細菌を体内に保有しています。^{[ 8 ]}そのほとんどは腸内にありますが、皮膚にも多数存在します。体内および体表面の細菌のほとんどは無害であるか、免疫系の保護効果によって無害化されており、多くは有益です。^{[ 9 ]}特に腸内の細菌はそうです。しかし、いくつかの細菌種は病原性があり、コレラ、梅毒、炭疽、ハンセン病、結核、破傷風、腺ペストなどの感染症を引き起こします。最も一般的な致命的な細菌性疾患は呼吸器感染症です。抗生物質は細菌感染症の治療に使用され、農業でも使用されているため、抗生物質耐性はますます深刻な問題となっています。細菌は、下水処理や油流出事故の分解、発酵によるチーズやヨーグルトの製造、鉱業分野における金、パラジウム、銅などの金属の回収（バイオマイニング、バイオリーチング）、バイオテクノロジー、抗生物質やその他の化学物質の製造において重要な役割を果たしている。

かつては分裂菌類（「分裂菌」）に属する植物と考えられていた細菌は、現在では原核生物に分類されています。動物や他の真核生物の細胞とは異なり、細菌細胞は環状染色体を持ち、核を持たず、膜結合オルガネラを持つことはまれです。従来、細菌という用語はすべての原核生物を含んでいましたが、 1990年代に原核生物が古代の共通祖先から進化した2つの非常に異なる生物群から構成されていることが発見された後、科学的な分類は変わりました。これらの進化ドメインは、細菌と古細菌と呼ばれています。^{[ 10 ]}古細菌とは異なり、細菌は細胞膜にエステル結合脂質を含み、^{[ 11 ]}ジフテリア毒素によるADPリボシル化に耐性のある伸長因子を持ち、^{[ 12 ]}タンパク質合成の開始にホルミルメチオニンを使用し、^{[ 13 ]}異なる16S rRNAを含む多数の遺伝的差異がある。^{[ 14 ]}

バクテリア（/ bækˈtɪəriə / ）という単語​​​​​^ⓘ ;単数形:bacterium新ラテン語のbacteriumの複数形で、これは古代ギリシャ語のβακτήριον( baktḗrion ) ^{[ 15 ]}のローマ字表記βακτηρία( baktēría )の縮小形であり、「杖」または「杖」を意味します^{[ 16 ]}最初に発見されたものが棒状で^{あったためです[ 17 ] [ 18 ]}この単語が細菌を指すのに初めて使用されたのは 1828 年です^{[ 19 ]}。

推定43,000種の細菌が命名されているが、そのほとんどは研究されていない。^{[ 20 ]}実際、わずか10種の細菌が全論文の半分を占めており、命名された細菌の約75%は学術研究の対象となっていない。^{[ 20 ]}最もよく研​​究されている種である大腸菌については30万件以上の研究が発表されているが、^{[ 20 ]}これらの論文の多くは、大腸菌を他の種を研究するためのクローン作成手段としてのみ使用しており、大腸菌自身の生物学についての洞察は提供していない。細菌に関する科学的研究の90%は、種の1%未満、主に人間の健康に関連する病原性細菌に焦点を当てている。^{[ 20 ] [ 21 ]}

大腸菌はおそらく最もよく研​​究されている細菌ですが、その4000個の遺伝子のうち4分の1は十分に研究されていないか、特性が解明されていません。ゲノムが最小限の細菌（600個未満の遺伝子、例えばマイコプラズマ）は、そのほとんどが必須であり、他の多くの種で保存されているため、通常は遺伝子の大部分が機能的に特徴付けられています。 ^{[ 22 ]}

細菌の祖先は、約 40億年前に地球上に現れた最初の生命形態である単細胞微生物でした。 ^{[ 24 ]}約 30 億年の間、ほとんどの生物は顕微鏡サイズで、細菌と古細菌が生命の優勢な形態でした。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}ストロマトライトなどの細菌の化石は存在しますが、特徴的な形態がないため、細菌の進化の歴史を調べたり、特定の細菌種の起源の時期を特定したりするために使用することはできません。しかし、遺伝子配列を使用して細菌の系統発生を再構築することができ、これらの研究は、細菌が最初に古細菌/真核生物の系統から分岐したことを示しています。^{[ 28 ]}細菌と古細菌の最近共通祖先( MRCA) は、おそらく約 25億〜 32億年前に生息していた超好熱菌でした。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}陸上における最古の生命は、約32億2000万年前のバクテリアであった可能性がある。^{[ 32 ]}     

細菌は、古細菌と真核生物の2番目の大きな進化的分岐にも関与していました。^{[ 33 ] [ 34 ]}ここでは、古代の細菌が真核細胞の祖先との細胞内共生関係に入り込んだ結果、真核生物が生まれました。この祖先は、おそらく古細菌と関連していました。 ^{[ 35 ] [ 36 ]}これは、原始真核細胞がアルファプロテオバクテリアの共生体を取り込み、ミトコンドリアまたは水素小体を形成することを含み、これらは現在もすべての既知の真核生物に見られます（ミトコンドリアを持たない原生動物の種など、高度に還元された形で存在する場合もあります）。^{[ 37 ] [ 38 ]}その後、すでにミトコンドリアを持っていた一部の真核生物は、シアノバクテリアのような生物も取り込み、藻類や植物に葉緑体が形成されました。これは一次内共生として知られています。^{[ 39 ]}

細菌は遍在しており、土壌、水中、地殻の深部、さらには酸性の温泉や放射性廃棄物といった極限環境など、地球上のあらゆる生息地に生息しています。^{[ 40 ] [ 41 ]}地球上には約 2× ^{10³⁰ 個の}細菌が存在すると考えられており、 ^{[ 42 ]}植物に次ぐバイオマスを形成しています。 ^{[ 43 ]}細菌は湖や海、北極の氷、地熱泉に豊富に存在し、 ^{[ 44 ]}硫化水素やメタンなどの溶解化合物をエネルギーに変換することで、生命維持に必要な栄養素を提供しています。 ^{[ 45 ]}細菌は植物や動物の体表や体内に生息しています。ほとんどの細菌は病気を引き起こさず、環境に有益であり、生命に不可欠です。^{[ 9 ] [ 46 ]}土壌は細菌の豊富な供給源であり、数グラムの土壌には約 10 億個の細菌が含まれています。細菌はすべて土壌生態系に不可欠であり、有毒廃棄物を分解し、栄養素をリサイクルしています。それらは大気中にも存在し、1立方メートルの空気には約1億個の細菌細胞が含まれています。海洋には約3×10²⁶^個の細菌が生息しており、人間が呼吸する酸素の最大50%を供給しています。^{[ 47 ]}細菌種の約2%しか完全に研究されていません。^{[ 48 ]}

細菌は極めて多様な代謝タイプを示す。^{[ 119 ]}従来、細菌群内の代謝特性の分布は分類を定義するために使用されてきたが、これらの特性は現代の遺伝学的分類とは一致しないことが多い。^{[ 120 ]}細菌の代謝は、エネルギー源、使用される電子供与体、および成長に使用される炭素源という 3 つの主要な基準に基づいて栄養グループに分類される。 ^{[ 121 ]}

光合成細菌は光からエネルギーを得て光合成を行う一方、化学合成細菌は酸化によって化学化合物を分解し、酸化還元反応において特定の電子供与体から最終電子受容体へ電子を移動させることで代謝を促進する。 ^{[ 122 ]}化学合成細菌は、電子を移動させるために使用する化合物の種類によってさらに分類される。水素、一酸化炭素、アンモニアなどの無機化合物から電子を得る細菌は無機栄養細菌と呼ばれ、有機化合物を使用する細菌は有機栄養細菌と呼ばれる。^{[ 122 ]}さらに具体的には、好気性生物は酸素を最終電子受容体として使用し、嫌気性生物は硝酸塩、硫酸塩、二酸化炭素などの他の化合物を使用する。 ^{[ 122 ]}

従属栄養細菌と呼ばれる多くの細菌は、他の有機炭素から炭素を得ます。シアノバクテリアや一部の紫色細菌などの他の細菌は独立栄養細菌であり、二酸化炭素を固定する ことによって細胞炭素を得ます。^{[ 123 ]}特殊な状況では、メタン資化細菌はガス状のメタンを電子源および炭素同化の基質として利用することができます。^{[ 124 ]}

多くの点で、細菌の代謝は生態系の安定性や人間社会にとって有用な特性を提供します。たとえば、ジアゾ栄養細菌は窒素固定酵素を使用して窒素ガスを固定する能力を持っています。^{[ 125 ]}上記のほとんどの代謝タイプの細菌に見られるこの特性は、それぞれ脱窒、硫酸還元、アセト生成という生態学的に重要なプロセスにつながります。^{[ 126 ]細菌の代謝プロセスは、}汚染に対する生物学的応答の重要な原動力です。たとえば、硫酸還元細菌は、環境中の非常に毒性の高い水銀形態（メチル水銀とジメチル水銀）の生成に大きく関与しています^。 [ 128 ]非呼吸性^{嫌気性細菌}は発酵を使用してエネルギーと還元力を生成し、代謝副産物（醸造におけるエタノールなど）を廃棄物として分泌します。通性嫌気性菌は、周囲の環境条件に応じて発酵とさまざまな末端電子受容体を切り替えることができる。 ^{[ 129 ]}

多細胞生物とは異なり、単細胞生物では細胞サイズの増加（細胞成長）と細胞分裂による増殖が密接に関連している。細菌は一定のサイズまで成長し、その後、無性生殖の一形態である二分裂によって増殖する。^{[ 130 ]}最適な条件下では、細菌は非常に速く成長および分裂することができ、一部の細菌集団は17分ごとに倍増することもある。^{[ 131 ]}細胞分裂では、2つの同一のクローン娘細胞が生成される。一部の細菌は、無性生殖を行いながらも、新たに形成された娘細胞の分散を助けるより複雑な生殖構造を形成する。例としては、粘液細菌による子実体形成、ストレプトマイセス属による気生菌糸形成、または出芽が挙げられる。出芽では、細胞が突起を形成し、それが分離して娘細胞を生成する。^{[ 132 ]} 

実験室では、細菌は通常、固体培地または液体培地を使用して培養されます。^{[ 133 ]}寒天プレートなどの固体培地は、細菌株の純粋培養を分離するために使用されます。しかし、増殖の測定や大量の細胞が必要な場合は、液体培地が使用されます。撹拌された液体培地での増殖は均一な細胞懸濁液として起こるため、培養の分割や移し替えは容易ですが、液体培地から単一の細菌を分離することは困難です。選択培地（特定の栄養素が添加または欠乏した培地、あるいは抗生物質が添加された培地）を使用すると、特定の微生物を同定するのに役立ちます。^{[ 134 ]}

細菌を培養するためのほとんどの実験室技術は、大量の細胞を安価かつ迅速に生産するために高濃度の栄養素を使用します。^{[ 133 ]}しかし、自然環境では栄養素が限られているため、細菌は無限に増殖し続けることはできません。この栄養素の制限により、さまざまな成長戦略が進化しました（r/K選択理論を参照）。一部の生物は、栄養素が利用可能になると非常に急速に成長することができ、夏に湖でよく発生する藻類やシアノバクテリアのブルームの形成などが挙げられます。 ^{[ 135 ]}他の生物は、ストレプトマイセスによる複数の抗生物質の産生など、過酷な環境に適応しており、競合する微生物の成長を阻害します。^{[ 136 ]}自然界では、多くの生物がコミュニティ（バイオフィルムなど）に生息しており、これにより栄養素の供給が増加し、環境ストレスから保護される可能性があります。^{[ 70 ]}これらの関係は、特定の生物または生物群の成長に不可欠となる場合があります（共生）。^{[ 137 ]}

細菌の増殖は4つの段階を経て進行します。細菌の集団が初めて増殖可能な高栄養環境に入ると、細胞は新しい環境に適応する必要があります。増殖の最初の段階は遅延期で、細胞が高栄養環境に適応し、急速な増殖の準備をする緩やかな増殖期間です。遅延期には、急速な増殖に必要なタンパク質が生成されるため、生合成速度が高くなります。^{[ 138 ] [ 139 ]}増殖の2番目の段階は対数期で、指数期とも呼ばれます。対数期は急速な指数的増殖が特徴です。この段階で細胞が増殖する速度は増殖速度（k）として知られ、細胞が2倍になるのにかかる時間は世代時間（g）として知られています。対数期では、栄養素のいずれかが枯渇して増殖を制限し始めるまで、栄養素は最大速度で代謝されます。増殖の3番目の段階は定常期で、栄養素の枯渇によって引き起こされます。細胞は代謝活動を低下させ、非必須の細胞タンパク質を消費します。定常期は急速な増殖からストレス応答状態への移行であり、DNA修復、抗酸化代謝、栄養輸送に関与する遺伝子の発現が増加します。^{[ 140 ]}最終段階は死滅段階で、細菌は栄養を使い果たして死にます。^{[ 141 ]}

ほとんどの細菌は単一の環状染色体を持っており、そのサイズは、内生共生細菌Carsonella ruddiiのわずか 160,000塩基対^{[ 143 ]}から、土壌細菌Sorangium cellulosumの 12,200,000 塩基対 (12.2 Mbp) ^{[ 144 ]}、別の土壌細菌Minicystis roseaの 16.0 Mbp ^{[ 145 ]}まで様々である。これには多くの例外があり、例えば、一部のStreptomyces種とBorrelia種は単一の線状染色体を含み^{[ 146 ] [ 147 ]} 、 Vibrio種を含む一部の細菌は複数の染色体を含む。^{[ 148 ] [ 149 ]}一部の細菌はプラスミド、すなわち抗生物質耐性、代謝能力、またはさまざまな病原性因子などのさまざまな有用な機能の遺伝子を含む可能性のある小さな染色体外DNA分子を含んでいます。^{[ 150 ]}

染色体が1本であろうと複数であろうと、ほとんどすべての細菌は一倍体ゲノムを持っています。これは、タンパク質をコードする各遺伝子のコピーが1つしかないことを意味します。これは、二倍体または多倍体である真核生物とは対照的です。真核生物は、各遺伝子のコピーが2つ以上あります。つまり、遺伝子が突然変異してもタンパク質を作ることができる人間とは異なり（ヒトゲノムは各細胞に余分なコピーがあるため）、細菌は遺伝子に不活性化突然変異が起こると、タンパク質を作ることが完全にできなくなります。^{[ 151 ]}

細菌のゲノムは通常、数百から数千の遺伝子をコードしています。細菌のゲノム内の遺伝子は通常、単一の連続したDNA断片です。細菌にはいくつかの異なるタイプのイントロンが存在しますが、これらは真核生物に比べてはるかにまれです。^{[ 152 ]}

細菌は無性生殖生物であるため、親のゲノムの同一のコピーを受け継ぎ、クローンである。しかし、すべての細菌は、遺伝子組換えまたは突然変異によって引き起こされる遺伝物質DNAの変化に対する選択によって進化することができる。突然変異は、DNA複製中に発生したエラーまたは変異原への曝露によって生じる。突然変異率は、細菌の異なる種間、さらには単一の細菌種の異なるクローン間でも大きく異なる。^{[ 153 ]}細菌ゲノムの遺伝的変化は、複製中のランダムな突然変異または「ストレス指向性突然変異」のいずれかから生じる。後者の場合、特定の成長制限プロセスに関与する遺伝子の突然変異率が増加する。^{[ 154 ]}

細菌の中には、細胞間で遺伝物質を伝達するものもある。これは主に 3 つの方法で起こる。まず、細菌は環境から外来 DNA を取り込むことができる。この過程は形質転換と呼ばれる。^{[ 155 ]}多くの細菌は自然に環境から DNA を取り込むことができるが、他の細菌は DNA を取り込むように誘導するために化学的に変化させる必要がある。^{[ 156 ]}自然界におけるコンピテンスの発達は通常、ストレスの多い環境条件と関連しており、受容細胞における DNA 損傷の修復を促進するための適応であると思われる。^{[ 157 ]}第二に、バクテリオファージは細菌の染色体に組み込まれ、形質導入と呼ばれる過程で外来 DNA を導入することができる。多くの種類のバクテリオファージが存在し、宿主細菌に感染して溶解するものもあれば、細菌の染色体に挿入するものもある。^{[ 158 ]}細菌は、外来DNAを分解する制限修飾システム^{[ 159 ]}と、過去に接触したファージのゲノム断片を保持するためにCRISPR配列を使用するシステムによってファージ感染に抵抗し、 RNA干渉の一種によってウイルスの複製をブロックします。^{[ 160 ] [ 161 ]}第三に、細菌は接合を介して直接細胞接触によって遺伝物質を伝達することができます。^{[ 162 ]}

通常、形質導入、接合、および形質転換は、同種の細菌個体間でのDNAの伝達を伴うが、異なる細菌種の個体間で伝達が起こる場合もあり、抗生物質耐性の伝達など重大な結果をもたらす可能性がある。^{[ 163 ] [ 164 ]}このような場合、他の細菌または環境からの遺伝子獲得は水平遺伝子伝達と呼ばれ、自然条件下では一般的である可能性がある。^{[ 165 ]}

分類は、類似性に基づいて生物に名前を付け、グループ化することによって、細菌種の多様性を記述しようとするものです。細菌は、細胞構造、細胞代謝、またはDNA、脂肪酸、色素、抗原、キノンなどの細胞成分の違いに基づいて分類できます。^{[ 134 ]}これらのスキームにより細菌株の識別と分類が可能になりましたが、これらの違いが異なる種間の変異を表しているのか、同じ種の株間の変異を表しているのかは不明でした。この不確実性は、ほとんどの細菌に特徴的な構造がないこと、および無関係な種間での水平遺伝子伝達によるものでした。 ^{[ 186 ]}水平遺伝子伝達により、近縁の細菌でも形態や代謝が大きく異なる場合があります。この不確実性を克服するために、現代の細菌分類では、グアニンシトシン比の決定、ゲノム-ゲノムハイブリダイゼーション、およびrRNA遺伝子など広範な水平遺伝子伝達を受けていない遺伝子の配列決定などの遺伝学的技術を使用して、分子系統学を重視しています。^{[ 187 ]}細菌の分類は、International Journal of Systematic Bacteriology および Bergey's Manual of Systematic Bacteriology への掲載によって決定されます。^{[ 188 ]}国際細菌分類委員会(ICSB) は、細菌および分類カテゴリーの命名と、国際細菌命名規約におけるそれらの順位付けに関する国際規則を維持しています。^{[ 189 ]}

歴史的に、細菌は植物界の一部と考えられており、「分裂菌類」（分裂菌）と呼ばれていました。^{[ 190 ]}このため、宿主内の細菌やその他の微生物の集合体はしばしば「フローラ」と呼ばれます。^{[ 191 ]} 「細菌」という用語は、従来、すべての微小な単細胞原核生物に適用されていました。しかし、分子系統学により、原核生物は、もともと真正細菌と古細菌と呼ばれていたが、現在では細菌と古細菌と呼ばれている2つの別々のドメインで構成され、古代の共通祖先から独立して進化したことが示されました。 ^{[ 10 ]}古細菌と真核生物は、どちらも細菌よりも互いに近縁です。これら2つのドメインは、真核生物とともに、現在微生物学で最も広く使用されている分類システムである3ドメインシステムの基礎となっています。^{[ 192 ]}しかし、分子系統学の比較的最近の導入と利用可能なゲノム配列数の急速な増加により、細菌の分類は変化し拡大し続ける分野である。^{[ 193 ] [ 194 ]}例えば、キャバリエ＝スミスは、古細菌と真核生物はグラム陽性細菌から進化したと主張した。^{[ 195 ]}

実験室での細菌の同定は、感染症を引き起こす細菌種によって適切な治療法が決定される医学において特に重要である。したがって、ヒト病原体を特定する必要性が、細菌を同定する技術の開発の大きな原動力となった。 ^{[ 196 ]}病原性微生物が分離されたら、その形態、増殖パターン（好気性または嫌気性増殖など）、溶血パターン、染色によってさらに特徴付けることができる。^{[ 197 ]}

一見単純に見えるが、細菌は他の生物と複雑な関係を築くことができる。これらの共生関係は、寄生、相利共生、片利共生に分類できる。^{[ 215 ]}

相互主義者

特定の細菌は、生存に不可欠な密接な空間的関係を形成します。このような相利共生関係の1つである種間水素転移は、酪酸やプロピオン酸などの有機酸を消費して水素を生成する嫌気性細菌の集団と、水素を消費するメタン生成古細菌の間で起こります。^{[ 227 ]}古細菌がいなければ、この共生関係にある細菌は有機酸を継続的に消費することができません。なぜなら、この反応によって生成される水素が周囲に蓄積してしまうからです。水素を消費する古細菌との密接な関係だけが、細菌が増殖できるほど水素濃度を低く保つのです。^{[ 228 ]}

土壌中では、根圏（根の表面と、軽く振った後に根に付着する土壌を含む領域）に生息する微生物が窒素固定を行い、窒素ガスを窒素化合物に変換します。^{[ 229 ]}これは、窒素を固定できない多くの植物にとって、吸収しやすい形の窒素を提供するのに役立ちます。他の多くの細菌は、人間や他の生物の共生生物 として存在します。たとえば、腸内の正常な人間の腸内細菌叢には1,000種以上の細菌が存在し、腸の免疫に貢献したり、葉酸、ビタミンK、ビオチンなどのビタミンを合成したり、糖を乳酸に変換したり（ラクトバチルスを参照）、複雑な消化できない炭水化物を発酵させたりすることができます。^{[ 230 ] [ 231 ] [ 232 ]}この腸内細菌叢の存在は、潜在的に病原性のある細菌の増殖も阻害し（通常は競合排除によって）、これらの有益な細菌は結果としてプロバイオティクス栄養補助食品として販売されている。^{[ 233 ]}

ほぼすべての動物の生命は生存のために細菌に依存している。なぜなら、細菌と一部の古細菌だけが、コバラミンとしても知られるビタミンB12_を合成し、食物連鎖を通じて供給するために必要な遺伝子と酵素を持っているからである。ビタミンB12は水溶性ビタミンであり、人体のすべての細胞の代謝に関与している。DNA合成_、脂肪酸代謝、アミノ酸代謝の両方における補因子である。特に、ミエリン合成における役割を通じて、神経系の正常な機能に重要である。^{[ 234 ]}

病原体

人体は、皮膚や粘膜に生える有益な共生菌や、主に土壌や腐敗物に生える腐生菌など、多くの種類の細菌に常にさらされています。血液や組織液には、多くの細菌の増殖を維持するのに十分な栄養素が含まれています。人体には、微生物の組織への侵入に抵抗し、多くの微生物に対する自然免疫または先天的な抵抗力を与える防御機構があります。^{[ 235 ]}一部のウイルスとは異なり、細菌は比較的ゆっくりと進化するため、多くの細菌性疾患は他の動物にも発生します。^{[ 236 ]}

細菌が他の生物と寄生関係を形成する場合、それらは病原体に分類されます。^{[ 237 ]}病原性細菌は人間の死亡や病気の主な原因であり、破傷風（クロストリジウム・テタニによる）、腸チフス、ジフテリア、梅毒、コレラ、食中毒、ハンセン病（マイコバクテリウム・レプラエによる）、結核（マイコバクテリウム・ツベルクローシスによる）などの感染症を引き起こします。^{[ 238 ]}既知の医学的疾患の病原性原因は、ヘリコバクター・ピロリと消化性潰瘍の場合のように、何年も経ってから発見されることがあります。^{[ 239 ]}細菌性疾患は農業でも重要であり、細菌は植物の葉斑病、火傷病、萎凋病、家畜のヨーネ病、乳腺炎、サルモネラ、炭疽病を引き起こします。 ^{[ 240 ]}

病原体の種ごとに、ヒト宿主との相互作用のスペクトルが特徴的です。ブドウ球菌や連鎖球菌などの一部の生物は、皮膚感染症、肺炎、髄膜炎、敗血症、ショック、大規模な血管拡張、死を引き起こす全身性炎症反応を引き起こす可能性があります。^{[ 241 ]}しかし、これらの生物はヒトの常在菌叢の一部でもあり、通常は皮膚や鼻に存在し、病気を引き起こすことはありません。リケッチアなどの他の生物は、必ずヒトに病気を引き起こします。リケッチアは、他の生物の細胞内でのみ増殖および繁殖できる偏性細胞内寄生体です。リケッチアの一種は発疹チフスを引き起こし、別の種はロッキー山紅斑熱を引き起こします。偏性細胞内寄生体の別の門であるクラミジアには、肺炎や尿路感染症を引き起こす種があり、冠状動脈疾患に関与している可能性があります。^{[ 242 ]} Pseudomonas aeruginosa、Burkholderia cenocepacia、Mycobacterium aviumなどの一部の種は日和見病原体であり、主に免疫抑制状態にある人や嚢胞性線維症の人に病気を引き起こします。^{[ 243 ] [ 244 ] [ 245 ]}一部の細菌は毒素を産生し、病気を引き起こします。^{[ 246 ]}これらは、破壊された細菌細胞から生じるエンドトキシンと、細菌によって産生され環境中に放出されるエキソトキシンです。 ^{[ 247 ]}例えば、Clostridium botulinum菌は呼吸麻痺を引き起こす強力なエキソトキシンを産生し、 Salmonellaは胃腸炎を引き起こすエンドトキシンを産生します。^{[ 247 ]}一部のエキソトキシンはトキソイドに変換でき、トキソイドは病気を予防するためのワクチンとして使用されます。^{[ 248 ]}

細菌感染症は抗生物質で治療できます。抗生物質は、細菌を殺す場合は殺菌性、細菌の増殖を阻止するだけの場合は静菌性に分類されます。抗生物質には多くの種類があり、それぞれのクラスは、宿主とは異なる病原体のプロセスを阻害します。抗生物質が選択的毒性を生み出す例として、クロラムフェニコールとピューロマイシンがあります。これらは細菌のリボソームを阻害しますが、構造的に異なる真核生物のリボソームは阻害しません。^{[ 249 ]}抗生物質は、人間の病気の治療と集約畜産で動物の成長を促進するために使用され、細菌集団における抗生物質耐性の急速な発達に寄与している可能性があります。 ^{[ 250 ]}感染は、注射器の針で皮膚を刺す前に皮膚を消毒するなどの消毒措置や、留置カテーテルの適切な管理によって予防できます。外科用器具や歯科用器具も、細菌による汚染を防ぐために滅菌されます。漂白剤などの消毒剤は、表面上の細菌やその他の病原体を殺し、汚染を防ぎ、感染のリスクをさらに低減するために使用されます。^{[ 251 ]}

乳酸菌（ラクトバチルス属やラクトコッカス属など）などの細菌は、酵母やカビと組み合わさって、チーズ、ピクルス、醤油、ザワークラウト、酢、ワイン、ヨーグルトなどの発酵食品の製造に何千年もの間使用されてきた。^{[ 252 ] [ 253 ]}

細菌がさまざまな有機化合物を分解する能力は驚くべきものであり、廃棄物処理やバイオレメディエーションに利用されてきた。石油中の炭化水素を分解できる細菌は、しばしば油流出事故の浄化に利用される。^{[ 254 ]} 1989年のエクソン・バルディーズ号原油流出事故の後、プリンス・ウィリアム湾のいくつかの海岸に肥料が加えられ、これらの自然発生細菌の増殖が促進された。これらの取り組みは、油が厚く付着していない海岸では効果的であった。細菌は、産業廃棄物のバイオレメディエーションにも利用されている。^{[ 255 ]}化学工業では、細菌は医薬品や農薬として使用される鏡像異性的に純粋な化学物質の製造において最も重要である。^{[ 256 ]}

生物的害虫防除では、殺虫剤の代わりに細菌を使用することもできます。これには、グラム陽性の土壌細菌であるバチルス・チューリンゲンシス（BTとも呼ばれる）がよく用いられます。この細菌の亜種は、DipelやThuricideなどの商品名で鱗翅目特異的殺虫剤として使用されています。 ^{[ 257 ]}これらの殺虫剤は特異性が高いため、人間、野生生物、花粉媒介者、その他のほとんどの有益な昆虫への影響がほとんどまたは全くなく、環境に優しいと考えられています。^{[ 258 ] [ 259 ]}

細菌は急速に増殖する能力と比較的容易に操作できることから、分子生物学、遺伝学、生化学の分野で主力として利用されています。細菌のDNAに突然変異を起こし、その結果生じる表現型を調べることで、科学者は細菌における遺伝子、酵素、代謝経路の機能を解明し、この知識をより複雑な生物に応用することができます。^{[ 260 ]}細胞の生化学を理解するというこの目標は、膨大な量の酵素反応速度論データと遺伝子発現データを統合して生物全体の数学モデルを構築することで、最も複雑な形で実現されます。これは、よく研究されているいくつかの細菌で可能であり、現在、大腸菌の代謝モデルが作成され、テストされています。 ^{[ 261 ] [ 262 ]}細菌の代謝と遺伝学に関するこの理解により、バイオテクノロジーを用いて、インスリン、成長因子、抗体などの治療用タンパク質を生産するために細菌をバイオエンジニアリングすることが可能になります。^{[ 263 ] [ 264 ]}

細菌株は研究全般において重要であるため、生物資源センターで分離・保存されています。これにより、世界中の科学者がその株を利用できるようになります。^{[ 265 ]}

細菌は、1676年にオランダの顕微鏡学者アントニ・ファン・レーウェンフックが自作の単レンズ顕微鏡を用いて初めて観察した。レーウェンフックは細菌を微生物の独立したカテゴリーとして認識せず、細菌、原生生物、微小動物など、観察したすべての微生物を「アニマルクル」と呼んだ。彼は観察結果をロンドン王立協会への一連の手紙で発表した。^{[ 266 ]}細菌はレーウェンフックの最も注目すべき顕微鏡的発見であった。その大きさは彼の単純なレンズで解像できる限界ぎりぎりであり、科学史における最も印象的な空白期間の一つとして、1世紀以上もの間、誰も細菌を再び見ることはなかった。^{[ 267 ]}彼の観察には原生動物も含まれており、彼の発見は細胞説のより新しい発見に照らして再検討された。^{[ 268 ]}

クリスティアン・ゴットフリート・エーレンベルクは1828年に「バクテリウム」という言葉を導入した。^{[ 19 ]}実際、彼のバクテリウムは、胞子を形成しない桿菌を含む属であり、^{[ 269 ]} 1835年にエーレンベルクによって定義された胞子を形成する桿菌の属であるバチルスとは対照的である。 ^{[ 270 ]}

ルイ・パスツールは1859年に、微生物の増殖が発酵過程を引き起こし、この増殖は自然発生によるものではないことを実証した（発酵と一般的に関連付けられる酵母やカビは細菌ではなく真菌である）。同時代のロベルト・コッホとともに、パスツールは病原菌説の初期の提唱者であった。^{[ 271 ]}パスツールより前に、イグナツ・ゼンメルワイスとジョセフ・リスターは医療行為における手指消毒の重要性を認識していた。1840年代に病院での手洗いの規則を策定したゼンメルワイスは、病原菌説の出現以前に、病気の原因を「腐敗した動物性有機物」に帰した。彼の考えは拒否され、このテーマに関する彼の著書は医学界から非難された。しかし、リスターの後、医師たちは1870年代に手指消毒を始めた。^{[ 272 ]}

医学微生物学の先駆者であるロベルト・コッホは、コレラ、炭疽病、結核の研究に取り組みました。結核の研究において、コッホはついに細菌説を証明し、1905年にノーベル賞を受賞しました。 ^{[ 273 ]}コッホは、コッホの原則において、ある生物が病気の原因であるかどうかを検証するための基準を定め、これらの原則は今日でも使用されています。^{[ 274 ]}

フェルディナント・コーンは細菌学の創始者と言われており、1870年から細菌の研究を行っていた。コーンは細菌を形態に基づいて分類した最初の人物である。^{[ 275 ] [ 276 ]}

19世紀には細菌が多くの病気の原因であることが知られていたものの、効果的な抗菌治療法は存在しなかった。^{[ 277 ]} 1910年、ポール・エールリッヒは、梅毒の原因となるスピロヘータであるトレポネーマ・パリダムを選択的に染色する色素を、病原体を選択的に殺す化合物に変えることで、最初の抗生物質を開発した。^{[ 278 ]}免疫学の研究で1908年にノーベル賞を受賞したエールリッヒは、細菌の検出と識別に染色法を用いる先駆者であり、彼の研究はグラム染色とチール・ネールゼン染色の基礎となった。^{[ 279 ]}

細菌の研究における大きな進歩は、1977年にカール・ウーズが古細菌が細菌とは異なる進化系統を持っていることを認識したことで実現した。^{[ 280 ]}この新しい系統分類は16SリボソームRNAの配列決定に基づいており、 3ドメインシステムの一部として原核生物を2つの進化ドメインに分けた。^{[ 10 ]}

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