鼠疫杆菌为短小的革兰氏阳性球杆菌，新分离株以美兰或姬姆萨染色，显示两端浓染，有荚膜（或称封套）。在病灶标本中及初代培养时，呈卵园形。在液体培养基中生长呈短链排列。
本菌为需氧及兼性厌氧菌，最适温度为27～28℃，初次分离需在培养基中加入动物血液，亚硫酸钠等以促进生长，在血平板上，28℃培养48小时后，长成不透明的，中央隆起，不溶血，边缘呈花边样菌落，这种菌落形态为本菌的特征。在液体培养基中24小时孵育逐渐形成絮状沉淀，48小时在液表面形成薄菌膜，从菌膜向管底生长出垂状菌丝，呈钟乳石状。
鼠疫杆菌对外界抵抗力强，在寒冷、潮湿的条件下，不易死亡，在-30℃仍能存活，于5～10℃条件下尚能生存。可耐直射日光1～4小时，在干燥咯痰和蚤粪中存活数周，在冻尸中能存活4～5个月，但对一般消毒剂、杀菌剂的抵抗力不强。对链霉素、卡那霉素及四环素敏感。
鼠疫杆菌毒株有下列抗原成份和毒素。
（一）荚膜FI（Fraction I）抗原在荚膜中存在两种抗原成份，一种是多糖蛋白质（F～I），另一种为蛋白质。只在37℃培养时产生，有抗御吞噬作用。
（二）毒力V/W（Virulcnce）抗原在细菌表面，V抗原是蛋白质，有保护作用；W抗原为脂蛋白，不能使豚鼠获得保护力，V/W抗原结合物有促使产生荚膜，抑制吞噬作用，并有在细胞内保护细菌生长繁殖的能力，因此，与侵袭力有关。
（三）鼠毒素（Murine toxin）鼠疫杆菌产生的外毒素（毒性蛋白质），主要作用是抑制辅酶还原，损害心肌细胞内线粒体呼吸，毒害末稍血管系统及淋巴管内皮细胞，造成血压下降及休克，又可使肝、肾及心肌组织变性、出血、坏死。鼠毒素抗原性强，可制成类毒素。
（四）内毒素与一般革兰氏阴性杆菌的内毒素性质相同，但毒性较强，耐热，能引起发热、弥漫性血管内凝血，和中毒性休克。
（五）杀菌素（Pesticin I）有杀死其他菌的作用，侵袭力有关，有助于侵袭扩散。
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