一、生物學性狀
（一）形態染色
結核桿菌細長略彎曲，端極鈍園，大小約1～4×0.4um ，呈單個或分枝狀排列，無莢膜、無鞭毛、無芽胞。在陳舊的病灶和培養物中，形態常不典型，可呈顆粒狀，串球狀，短棒狀，長絲形等。結核桿菌一般常用萎～～鈉氏(Ziehl-Neelsen)抗酸性染色法染色，結核桿菌染成紅色，其他非抗酸性細菌及細胞漿質等呈藍色。結核桿菌的抗酸性取決于胞壁內所含分枝菌酸殘基和胞壁固有層的完整性有關。
（二）培養特性
結核桿菌為專性需氧菌。營養要求高，在含有蛋黃、馬鈐薯、甘油和天門冬素等的固體培養基上才能生長。最適ph 6.5～6.8 ，最適溫度為37℃，生長緩慢，接種后培養3～4周才出現肉眼可見的菌落。菌落為干燥、堅硬、表面呈顆粒狀、乳酪色或黃色，形似菜花樣。在液體培養內呈粗糙皺紋狀菌膜生長，若在液體培養基內加入水溶性脂肪酸，如Tween～80，可降低結核桿菌表面的疏水性，使呈均勻分散生長，此有利于作藥物敏感試驗等。
（三）抵抗力
結核桿菌對某些理化因子的抵抗力較強。在干痰中存活6～8個月，若粘附于塵埃上，保持傳染性8～10天。在3%HCI或NaOH溶液中能耐受30分鐘，因而常以酸鹼中和處理嚴重污染的檢材，殺死雜菌和消化粘稠物質，提高檢出率。但對濕熱、紫外線、酒精的抵抗力弱。在液體中加熱62～63℃15分鐘，直射日光下2～3小時，75%酒精內數分鐘即死亡。
（四）變異性
結核桿菌對鏈霉素、利福平、異煙肼等抗結核藥物較易產生耐藥性。耐藥菌菌株常伴隨活力和毒力減弱，如異煙肼耐藥菌株對豚鼠的毒力消失，但對人們仍有一定的致病性。
卡～～介（Calmette-Gerine）二氏將牛型結核桿菌培養于膽汁、甘油、馬鈴薯培養基中，經230次傳代，歷時13年，使其毒力發生變異，成為對人無致病性，而仍保持良好免疫性的菌苗株，稱為卡介菌(Bacilli Calmette-Giierin,BCG)。卡介菌接種人體后，可獲得抗結核受疫力。
（五）菌體成份與作用
結核桿菌無內毒素，也不產生外毒素和侵襲性酶類，其致病作用主要靠菌體成份，特別是胞壁中所含的大量脂質。脂質含量與結核桿菌的毒力呈平行關系，含量愈高毒力愈強。
1．脂質（Lipide）：脂質占菌體干的20～40%，占胞壁干重的60%，主要是磷脂、脂肪酸和蠟質，它們大多與蛋白質或多糖質結合成復合物存在。①磷脂能刺激單核細胞增生，并可抑制蛋白酶的分解作用，使病灶組織溶解不完全，形成干酷樣壞死。②脂肪酸在脂質中比重較大，其中6,6～二分枝酰～a,a'～海澡糖(6,6～Dimycocyl～a,a'～D～trehalose)具有破壞細胞線粒體膜，毒害微粒體酶類，抑制中性粒細胞游走和吞噬作用，引起慢性肉牙腫。具有該物質的結核桿菌毒株，在液體培養基中能緊密粘成索狀，故稱為索狀因子(cordfactor)。③蠟質D為胞壁中的主要成分，是一種肽糖脂(Piptidoglycolipids)與分枝菌酸(My-colic acid)復合物，能引起遲發型變態反應，并具有佐劑作用。④硫酸腦苷脂(salfatides)和硫酸多酰基化海澡糖(Multiasiylated trehalose salfate)在結核桿菌毒株胞壁中含有，能抑制吞噬細胞中的吞噬體與溶酶體融合，使結核桿菌在細胞內存活。這一類糖脂能結合中性紅染料。產生中性紅反應，借此可鑒定結核桿菌有無毒力。
2．蛋白質（Protein）：結核桿菌菌體內都含有數種蛋白質，其中重要的蛋白質是結核菌素(tuberculin)。結核茵素與蠟質D結合，能引起較強的遲發型變態反應。其他蛋白質可引起機體產生相應的抗體，但無保護作用。
3．多糖質（Polysuccharides）：多糖質常與脂質結合存在于胞壁中，主要有半乳糖，甘露醇、阿拉拍糖等。多糖質可使中性粒細胞增多，引起局部病灶細胞浸潤。
4．核酸(Nucleic acid)：結核桿菌的核糖體核糖核酸(Ribonucleie acid ribosonic, rRNA)是本菌的免疫原，刺激機體產生特異性細胞免疫。
二、致病性
結核桿菌的致病作用可能是細菌在組織細胞內頑強增殖引起炎癥反應，以及誘導機體產生遲發型變態反應性損傷有關。結核桿菌可通過呼吸道、消化道和破損的皮膚粘膜進入機體，侵犯多種組織器官，引起相應器官，引起相應器官的結核病，其中以肺結核最常見。人類肺結核有兩種表現類型。
（一）原發感染
原發感染是首次感染結核桿菌，多見于兒童。結核桿菌隨同飛沫和塵埃通過呼吸道進入肺泡，被巨噬細胞吞噬后，由于細菌胞壁的碳酸腦苷脂抑制吞噬體與溶酶體結合，不能發揮殺菌溶菌作用，致使結核桿菌在細胞內大量生長繁殖，最終導致細胞死亡崩解，釋放出的結核桿菌或在細胞外繁殖侵害，或被另一巨噬細胞吞噬再重復上述過程，如此反復引起滲出性炎癥病灶，稱為原發灶。原發灶內的結核桿菌可經淋巴管擴散在肺門淋巴結，引起淋巴管炎和淋巴結腫大，X線胸片顯示啞鈴狀陰影，稱為原發綜合征。隨著機體抗結核免疫力的建立，原發灶大多可纖維給的鈣化而自愈。但原發灶內可長期潛伏少量結核桿菌，不斷刺激機體強化已建立起的抗結核免疫力，也可作為以后內源性感染的來源。只有極少數免疫力低下者，結核桿菌可經淋巴、血流擴散至全身，導致全身粟粒性結核或結核性腦膜炎。
（二）繼發感染
繼發感染也稱原發后感染，多見于成年人。大多為內源性感染，極少由外源性感染所致。繼發性感染的特點是病灶局限，一般不累及鄰近的淋巴結，主要表現為慢性肉芽腫性炎癥，形成結核結節，發生纖維化或干酪樣壞死。病變常發生在肺尖部位。
三、免疫與變態反應
結核桿菌的免疫原rRNA和變應原結核菌素可誘發機體產生由T淋巴細胞介導的兩種免疫應答反應，即細胞免疫和遲發型變態反應。
（一）免疫性
人類對結核桿菌的感染率很高，但發病率卻較低，這表明人體感染結核桿菌可獲得一定的抗結核免疫力。抗結核免疫力的持久性，依賴于結核桿菌在機體內的存活，一旦體內結核桿菌消亡，抗結核免疫力也隨之消失，這種免疫稱為有菌免疫或傳染性免疫（Infection immunify）。
抗結核免疫主要是細胞免疫，包括致敏的T淋巴細胞和被激活的巨噬細胞。致敏的T淋巴細胞可直接殺死帶有結核桿菌的靶細胞，同時對釋放多種作用于世噬細胞的淋巴因子，使巨噬細胞聚集在病灶周圍形成以單核細胞為主的增生性炎癥。被激活的巨噬細胞極大地增強對結核桿菌的吞噬消化，抑制繁殖，阻止擴散，甚至消毀的能力，充分分揮細胞免疫的作用。
（二）免疫與變態反應的關系
在結核桿菌感染時，細胞免疫與遲發型變態反應同時存在，此可用郭霍氏現象（Koch's phenomenton）說明，①在健康豚鼠皮下首次注射一定量結核桿菌，10
～14天后注射部位緩慢地出現潰瘍，深而不易愈合，鄰近淋巴結腫大，細菌擴散至全身，此時結核菌素測試為限性。②用相同等量的結核桿菌注入曾感染已康復的豚鼠皮下，在1～2天內即迅速發生潰瘍，但潰瘍淺而易愈合，鄰近淋巴結不腫大，細菌也很少擴散，結核菌素測試為陽性。③在康復的豚鼠皮下注射大量結核桿菌，則引起注射局部及全身嚴重的遲發型變態反應，甚至導致動物死亡。上述三種現象表明，首次感染出現的炎癥反應偏重于免疫預防，潰瘍淺而愈合，細菌不擴散，說明機體尚未建立起抗結核免疫力；再次感染發生的炎癥發應則偏重于免疫預防，潰瘍當淺而愈合，細菌不擴散，說明機體對結核桿菌已具有一定的細胞免疫力，而潰瘍迅速形成，則說明在產生免疫的同時有遲發型變態反應，表現出對機體有利的一面；用過量的結核桿菌進行再次感染，則引起劇烈的遲發型變態反應，說明遲發型變態反應對機體不利的一面。人類的原發性肺炎結核，繼發性肺結核，嚴重而惡化的肺結核，相當于郭霍氏現象的三種情況。
結核菌素試驗一般使用舊結核菌素（Old-tubercein簡稱OT），是結核桿菌在肉汽中培養物經加熱濃縮的濾液。主要成分是結核蛋白，也含有結核桿菌的其他代謝和培養基成分。稀釋1萬倍，0.1毫升內含有1個單位（稀釋1000倍，0.1ml 有10個單位），取OT結核蛋白純化后稱為精制純蛋白衍生物(Purified protein derivative ,簡稱PPD )，取0.00002ml作為一個結核菌素單位，是現今國際制造的標準PPD，稱為PPD-S。試驗法常規使用5個單位OT（2000倍稀釋0.1ml）或PPD-S0.0001mg注入受試者前臂掌側皮內，48～72小時內出現紅腫硬節直徑大于5毫米者為陽性，雖有紅腫但無硬結或硬結直徑不到5毫米者為陰性。應注意受拭者處于原發感染早期，變態反應尚未發生，或正患嚴重的結核病如全身粟粒性結核和結核性腦膜炎時機無反應能力，或患其他嚴重疾病（麻疹、結節病、惡性腫瘤），如用過兔疫抑制劑時，結核菌素反應均可轉為陰性。
四、微生物診斷
根據結核菌感染的類型，應采取病灶部位的適當標本。如肺炎結核有采取咯痰（最好取早晨第一次咯痰，挑取帶血或膿痰）；腎或膀胱結核以無菌導尿或取中段尿液；腸結核采取糞便標本，結核性腦膜炎進行腰脊穿刺采取腦脊液；膿胸、肋膜炎、腹膜炎或骨髓結核等則穿刺取膿汁。
(一)直接涂片染色
咯痰可直接涂片。用萋～納氏法染色，若鏡檢找到抗酸性桿菌，可能是結核桿菌，但通常應報告：“查到抗酸性桿菌”，因標本中可能混雜有非致病性抗性抗酸桿菌，單憑形態染色不能確定是結核桿菌，需進一步分離培養鑒定。如標本中結核桿菌量少，雜菌和雜質多時，直接涂片不易檢出（一般需要每毫升痰液含有結核桿菌10萬個以上才能檢出），應濃縮集菌后，再涂片染色鏡檢，以提高檢出陽性率。
無菌直接采取的腦脊液、導尿或中段尿可直接用離心沉淀集菌。咯痰和糞便標本濃縮集菌因含雜功菌多，需用4%NaOH或3%HCL或6%H2SO4處理，然后，用離心沉淀法將結核桿菌濃縮聚集于管底，再取沉淀物涂片作抗酸染色檢查、分離培養或動物試驗。
(二)分離培養
結核桿菌生長緩慢，培養期長，當以酸堿中和濃縮集菌的沉淀物，接種于固體培養基上，以蠟封口防止干燥。37℃培養4～6周后檢查結果。根據生長緩慢，菌落干燥、顆粒狀、乳酪色象菜花狀，菌體染色抗酸性強，多數為結核桿菌。如菌落、菌體染色都不典型，則可能為非典型分枝桿菌，應進一步作鑒別試驗。
（三）動物試驗
常用豚鼠或地鼠鑒別凝似結核桿菌的分離培養物和毒力測定。取經濃縮集菌處理的標本1.0毫升注射于豚鼠腹股溝皮下，經3～4周飼養觀察，如出現局部淋巴結腫大，消瘦或結核菌素試驗陽性，可及時剖檢：若觀察6～8周后，仍未見發病者，也要剖檢。剖檢時應注意觀察淋巴結、肝、脾、肺等臟器有無結核病變。