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结核菌在分类学上属于放线菌目、分枝杆菌科、分枝杆菌属，分人型、牛型、非洲型和鼠型四型。对人类致病的主要为人型结核菌，牛型菌很少。
结核菌细长而稍弯，约0.4μm× 4.0μm，两端微钝，不能运动，无荚膜、鞭毛或芽胞。严格需氧。不易染色，但经品红加热染色后不能被酸性乙醇脱色，故称抗酸杆菌。结核菌对不利环境和某些理化因子有抵抗力。在阴湿处能生存5个月以上，干燥痰标本内可存活6——8个月，6℃——8℃下能存活4-5个月。结核菌不耐热，对紫外线亦甚敏感，故常采用加热或紫外线进行消毒，而高压蒸汽（120℃）持续30min是最佳的灭菌方法。
培养营养要求较高，生长缓慢，人型菌的增殖周期约15——20小时，至少需要2-4周才有可见菌落。菌落呈粗糙型，标准菌株为H37RV.光滑型菌落大多表示毒力减低。
结核菌含大量类脂质，占菌体干重20％一40％，以胞壁含量最多，使之具疏水性和对环境的较强抵抗力。类脂质主要由磷脂、脂肪酸和蜡质组成，多与蛋白或多糖相结合。磷脂能增强菌体蛋白的致敏作用，产生干酪样坏死；脂肪酸中的结核菌酸（phthionic acid）有促进结核结节形成的作用。蜡质在类脂质中所占比率最高，由数种成分构成，其中分枝菌酸与抗酸性有关。蛋白质约占菌体干重的50％，主要构成菌体和核质，是过敏反应的反应原。糖类以糖原或多糖体而存在，大多与类脂质缩合存在于胞壁中，由阿拉伯半乳聚糖、阿拉伯甘露聚糖、甘露聚糖和葡萄糖等共同构成，一般认为多糖是免疫反应的抗原物质。
耐药为结核菌重要生物学特性，与治疗成败关系极大。根据耐药性的获得方式可分为天然耐药和获得性耐药。从流行病学角度则可以分为原发耐药和继发耐药，前者指从未接触过药物治疗的病人其野生结核菌株对某药不敏感，后者则指接受过药物治疗的结核病病人出现的结核菌耐药。耐多药（mutip1e-drug resistance，MDR）指体外至少对包括异烟肼和利福平两个或两个以上药物同时耐药的结核菌。
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