鼠疫杆菌為短小的革蘭氏陽性球杆菌，新分離株以美蘭或姬姆薩染色，顯示兩端濃染，有莢膜（或稱封套）。在病灶標本中及初代培養時，呈卵園形。在液體培養基中生長呈短鏈排列。
本菌為需氧及兼性厭氧菌，最適溫度為27～28℃，初次分離需在培養基中加入動物血液，亞硫酸鈉等以促進生長，在血平板上，28℃培養48小時後，長成不透明的，中央隆起，不溶血，邊緣呈花邊樣菌落，這種菌落形態為本菌的特征。在液體培養基中24小時孵育逐漸形成絮狀沉澱，48小時在液表麵形成薄菌膜，從菌膜向管底生長出垂狀菌絲，呈鍾乳石狀。
鼠疫杆菌對外界抵抗力強，在寒冷、潮濕的條件下，不易死亡，在-30℃仍能存活，於5～10℃條件下尚能生存。可耐直射日光1～4小時，在幹燥咯痰和蚤糞中存活數周，在凍屍中能存活4～5個月，但對一般消毒劑、殺菌劑的抵抗力不強。對鏈黴素、卡那黴素及四環素敏感。
鼠疫杆菌毒株有下列抗原成份和毒素。
（一）莢膜FI（Fraction I）抗原在莢膜中存在兩種抗原成份，一種是多糖蛋白質（F～I），另一種為蛋白質。隻在37℃培養時產生，有抗禦吞噬作用。
（二）毒力V/W（Virulcnce）抗原在細菌表麵，V抗原是蛋白質，有保護作用；W抗原為脂蛋白，不能使豚鼠獲得保護力，V/W抗原結合物有促使產生莢膜，抑製吞噬作用，並有在細胞內保護細菌生長繁殖的能力，因此，與侵襲力有關。
（三）鼠毒素（Murine toxin）鼠疫杆菌產生的外毒素（毒性蛋白質），主要作用是抑製輔酶還原，損害心肌細胞內線粒體呼吸，毒害末稍血管係統及淋巴管內皮細胞，造成血壓下降及休克，又可使肝、腎及心肌組織變性、出血、壞死。鼠毒素抗原性強，可製成類毒素。
（四）內毒素與一般革蘭氏陰性杆菌的內毒素性質相同，但毒性較強，耐熱，能引起發熱、彌漫性血管內凝血，和中毒性休克。
（五）殺菌素（Pesticin I）有殺死其他菌的作用，侵襲力有關，有助於侵襲擴散。
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