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百日咳桿菌為短桿狀或橢圓型，長約0.3~0.5mm。革蘭氏染色陰性，兩端著色較深。該菌為需氧菌，最適生長溫度為35⁰C _~37⁰C，最適PH值為6.8~7.0。初次分離的菌株在包—姜（Bordet-Gengou）培養基上培養2~3天后，呈細小、光滑、凸起和銀灰色、不透明的珍珠狀菌落，周圍有不明顯的溶血環。在液體培養基中成混濁生長，管底有少量粘性沉淀。百日咳桿菌常發生光滑型（Smooth Form）至粗糙型（Rough Form）的變異，即S—R變異，稱為相變異。I相菌為S型，Ⅱ相菌和Ⅲ相菌為過度型，Ⅳ相菌為R型。一般在疾病急性期初次分離的菌為I相，在疾病晚期或多次傳代后可出現Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相變異。故制備百日咳疫苗及凝集試驗用菌液均使用百日咳I相菌。百日咳桿菌對一般理化因子抵抗力甚弱，56⁰C 30分鐘、日照1小時即可致死。在干燥塵埃中能存活3天。對氯霉素，紅霉素等敏感，對青霉素和磺氨藥有抵抗力。