BACILLUS: EIGENSCHAFTEN, FORTPFLANZUNG, ERNÄHRUNG, KRANKHEITEN - BIOLOGIE - 2025

Bacillus ist eine Bakteriengattung in der Division Firmicutes, die sich durch aerore Sporenbildung unter aeroben Bedingungen auszeichnet. Sie sind stabförmig und im Allgemeinen grampositiv (obwohl einige gramvariabel sind), mit Kolonien, die Organismen präsentieren, die rosa und andere lila färben.

In diesen Fällen haben Forscher herausgefunden, dass die Anzahl der Organismen, die als gramnegativ reagieren, mit dem Alter der Kolonie aufgrund einer Abnahme der Dicke der Petidoglycanschicht zunimmt.

Bacillus flexus. Entnommen und bearbeitet von: Dr. Sahay.

Bakterien dieser Gattung können streng aerob oder fakultativ anaerob sein. Die meisten sind aufgrund des Vorhandenseins von Flagellen mobil, es gibt jedoch auch nicht mobile Vertreter. Sie können in praktisch jeder Umgebung der Erde gefunden werden, einschließlich extremer Umgebungen, von großen Höhen bis zum Meeresboden.

Die Gattung wurde 1835 von Christian Gottfried Ehrenberg zur Definition von stäbchenförmigen Bakterien verwendet, später jedoch von Ferdinand Cohn neu definiert und zur Gruppierung sporenbildender Bazillen unter aeroben, grampositiven und fakultativen aeroben oder anaeroben Bedingungen verwendet.

Einige Arten sind von medizinischem Interesse, da sie Krankheiten wie Anthrax (Bacillus anthracis) oder durch Lebensmittel übertragene Krankheiten (Bacillus cereus) verursachen können. Andere werden verwendet, um Antibiotika, Enzyme, als Probiotika oder in Fermentationsprozessen und in der Landwirtschaft zu erhalten.

Allgemeine Charakteristiken

Das Hauptmerkmal der Gattung ist die Fähigkeit, unter aeroben Bedingungen Endosporen zu produzieren. Diese Sporen zeichnen sich dadurch aus, dass sie hohen Temperaturen, Austrocknung, Einwirkung von Desinfektionsmitteln und sogar Strahlung widerstehen können.

Die Zellwand besteht aus mehreren miteinander verflochtenen Schichten von Peptidoglykanen, die ein starkes Gerüst bilden, das die Zellform beibehält und Teichoesäure und Lipotheichonsäure enthält.

Sie sind stabförmig, gerade oder leicht gebogen und können einzeln, paarweise und gelegentlich in Ketten gefunden werden. Die überwiegende Mehrheit von ihnen ist mobil, da peritrichöse Flagellen vorhanden sind, dh sie ragen in alle Richtungen. Bacillus anthracis fehlen jedoch Flagellen.

Die meisten Bakterien dieser Gattung sind grampositiv, einige sind jedoch gramvariabel, dh sie können rosa oder lila färben. Dies liegt daran, dass die Peptidoglycanschicht mit zunehmendem Alter der Bakterien weniger dick und komplex werden kann und das Kristallviolett bei Behandlung mit Alkohol nicht mehr zurückhalten kann.

Sie sind allgegenwärtige und sehr resistente Organismen mit Arten, die sehr hohen Temperaturen (thermophil) oder sehr niedrigen Temperaturen (psychrophil) widerstehen können. Es gibt auch Arten, die für andere Arten sehr saure oder sehr alkalische Umgebungen tolerieren können.

Einige Arten sind streng aerob und können unter anoxischen Bedingungen nicht überleben, während andere Arten fakultativ anaerob sind.

Morphologie

Bacillus-Bakterien können stabförmig, gerade oder leicht gekrümmt sein, im Allgemeinen mit einem runden Ende, obwohl einige Zellen als quadratisch beschrieben wurden (z. B. Bacillus cereus).

Die Zellen haben einen Durchmesser, der von 0,4 bis 1,8 Mikrometer variiert, und eine Länge von 0,9 bis 10,0 Mikrometer. Die Dimensionen der Zellen innerhalb jeder Spezies und innerhalb jedes Stammes weisen tendenziell eine geringe Variabilität auf.

Zellen kommen einzeln und paarweise vor, einige in Ketten und gelegentlich in langen Filamenten. Abhängig von Art, Stamm und Kulturbedingungen können sich Tochterzellen trennen.

Somit scheint die Kultur aus einzelnen Zellen und Paaren sich teilender Zellen zusammengesetzt zu sein, wenn sie durch Phasenkontrastmikroskopie betrachtet wird. In anderen Fällen können die Tochterzellen aneinander gebunden bleiben und so Zellketten zeigen.

Die Morphologie der Sporen ist ein taxonomisches Merkmal, obwohl innerhalb bestimmter Stämme einige Variationen bestehen können. Die häufigsten Sporen haben eine ellipsoide oder ovale Form, aber die Formen reichen von zylindrisch bis ellipsoidal, kugelförmig oder unregelmäßig geformt und erinnern an eine Niere oder Banane.

Taxonomie und Klassifikation

Taxonomisch gesehen befindet sich die Gattung Bacillus in den Phylum Firmicutes, Klasse Bacilli, Order Bacillales, Family Bacillacea. Diese Gattung wurde 1835 von Christian Gottfried Ehrenberg verwendet, um stäbchenförmige Bakterien zu gruppieren.

Dann definierte Ferdinand Cohn 1872 die Gruppe als sporenbildende, hitzebeständige, grampositive und fakultative aerobe oder anaerobe Bakterien neu. Die Typusart der Gattung ist Bacillus subtilis.

Die Forscher stellten 1991 fest, dass die bisher behandelte Gattung Bacillus polyphyletisch war. Daher führten sie eine Umlagerung der Bacillus sensu lato-Gruppe durch, aus der fünf neue Gattungen extrahiert wurden.

Die Gattung ist in zwei Gruppen unterteilt, einerseits die Gruppe von B. subtilis und verwandten Arten, andererseits die Gruppe von B. cereus. Die erste Gruppe umfasst Organismen mit einem Durchmesser von weniger als 1 & mgr; m, nicht gequollenes Sporangium und ellipsoide Sporen.

Die zweite Gruppe enthält dagegen Arten mit einem Durchmesser von mehr als 1 μm mit einem nicht gequollenen Sporangium und elpsoiden Sporen.

Wo sind sie gefunden?

Bacillus-Bakterien wurden hauptsächlich aus Boden, Wasser, Nahrungsmitteln und klinischen Proben isoliert. Sie wurden aber auch in den ungewöhnlichsten Umgebungen gefunden, beispielsweise in ozeanischen Sedimenten, die Tausende von Metern unter dem Meeresspiegel liegen, und in Luftproben in der Stratosphäre, in sauren geothermischen Becken, in stark alkalischem Grundwasser und in terminalen hypersalinen Seen.

Andere wurden in von Menschen geschaffenen Nischen entdeckt, von mexikanischen Gräbern und heruntergekommenen römischen Wandmalereien bis hin zu ultrareinen Räumen in Montageeinrichtungen für Raumfahrzeuge.

Pflanzen sind auch eine reiche Quelle für neue Bacillus-Arten, von denen einige endophytisch und andere mit der Rhizosphäre assoziiert sind.

Reproduktion

Bakterien der Gattung Bacillus haben zwei Formen der asexuellen Fortpflanzung: binäre Spaltung und Sporulation.

Zellteilung

Die binäre Spaltung ist eine Art der Reproduktion, die auftritt, wenn sich das Bakterium in einer für seine Entwicklung günstigen Umgebung befindet und ein exponentielles Wachstum ermöglicht. Die binäre Spaltung beinhaltet eine mitotische Teilung, die zu zwei identischen Tochterzellen führt.

Bacillus subtilis Kultur. Entnommen und bearbeitet von: Ein Zweifel.

Fortpflanzung der Sporulation

Dieser zweite Typ ist auch für die Sporenbildung bekannt. Es erscheint, wenn es in der Kolonie irgendeine Art von Stress gibt. Während der Sporulation tritt eine asymmetrische Zellteilung auf, die zur Bildung einer größeren Zelle (Stammzelle) und einer kleineren Zelle (Prespore) führt.

Die Prespore ist von der Stammzelle umgeben und mit mehreren Schutzschichten bedeckt, was zu Wasserverlust führt und deren Reife ermöglicht. Danach erfolgt die Lyse der Stammzelle und die Freisetzung der Endospore, die ruhen kann, bis die günstigen Bedingungen wieder hergestellt sind.

Diese Endospore ist, wie bereits erwähnt, resistent gegen extreme Temperaturen, Austrocknung, Einwirkung von Reinigungsmitteln und Strahlung und ist die Hauptursache für die Resistenz dieser Bakterien und ihre Fähigkeit, jede Umgebung zu besiedeln.

Ernährung

Die meisten Bakterien der Gattung Bacillus leben im Boden und ernähren sich saprophytisch, dh sie ernähren sich von der Zersetzung organischer Stoffe.

Andere Arten bilden die Bakterienflora von Tieren. In diesen Fällen stellen sie eine symbiotische Beziehung her, in der sie die von ihrem Wirt aufgenommenen Lebensmittel nutzen und Enzyme produzieren, die bei der Verdauung dieser Lebensmittel helfen.

Schließlich können einige Arten als opportunistische Parasiten wirken und sich direkt von ihrem Wirt ernähren.

Krankheiten

Die meisten Bacillus-Arten sind nicht pathogen und wurden selten mit Krankheiten bei Menschen oder anderen Tieren in Verbindung gebracht. Anthrax ist die bekannteste Erkrankung, die durch diese Art von Bakterien verursacht wird, obwohl auch Lebensmittelvergiftungen und opportunistische Infektionen durch Bacillus cereus häufig sind.

Anthrax oder Anthrax

Diese Krankheit ist hoch ansteckend und wird durch das Bakterium Bacillus anthracis verursacht. Es kann verschiedene Körperteile betreffen und seine Pathogenität hängt vom betroffenen Gewebe, der Form der Infektion und der Zeit ab, die von der Infektion bis zum Beginn der Behandlung benötigt wird.

Bacillus anthracis-Kultur, Stamm, gesammelt in Kaimedo, Tokio, Japan, Ort des Bioterrorismus-Vorfalls von 1993. Entnommen und bearbeitet von: Centers for Disease Control, USA.

Die aggressivste Form der Krankheit ist der pulmonale Anthrax, der eine hohe Sterblichkeitsrate aufweist. Es kann auch die Haut (kutaner Anthrax) oder das Verdauungssystem angreifen. Anthrax kann jedes warmblütige Tier, einschließlich des Menschen, angreifen.

Die Schlachtkörper von Tieren, die durch die Krankheit getötet wurden, sowie durch Kot kontaminiertes Land oder Blut infizierter Tiere bilden Reservoirs der Krankheit.

Fried-Rice-Syndrom

Es ist ein hämetisches Syndrom, das hauptsächlich durch den Verzehr von schlecht behandeltem Reis auftritt, obwohl es auch durch den Verzehr von Milchprodukten und anderen Lebensmitteln auftreten kann. Der Erreger ist das Bakterium Bacillus cereus.

Dieses Syndrom ist durch Übelkeit und Erbrechen gekennzeichnet, die 1 bis 5 Stunden nach der Einnahme kontaminierter Lebensmittel auftreten. Es können auch Bauchkrämpfe auftreten, aber Durchfall ist selten.

Es handelt sich um eine selbstlimitierende Krankheit, die im Allgemeinen nicht länger als 48 Stunden andauert. Dabei ist es wichtig, Dehydration, Ruhe und Milchkonsum zu vermeiden, während die Symptome des Syndroms bestehen bleiben.

Endophthalmitis

Endophthalmitis ist eine Augeninfektion aufgrund verschiedener pathogener Organismen. Die Entzündungsreaktion des infizierten Organs kann ein Trauma für dasselbe Auge verursachen.

Verschiedene Bakterienarten sind mit dieser Krankheit verwandt. Eine der relevantesten ist Bacillus cereus, dessen Infektionen Läsionen mit zurückhaltenden Prognosen verursachen.

Die Behandlung der Krankheit besteht in der Verabreichung von Clindamycin oder Vancomycin an den Patienten. Dexamethason wird ebenfalls empfohlen. Manchmal kann die Krankheit das Sehvermögen beeinträchtigen. In diesen Fällen wird eine chirurgische Entfernung des Glaskörpers empfohlen.

Andere Krankheiten

Bacillus-Bakterien sind mit verschiedenen Krankheiten verwandt, von denen hauptsächlich Menschen mit geschwächtem Immunsystem betroffen sind. Diese Krankheiten umfassen Endokarditis, Bakteriämie, Haut- und Muskel-Skelett-Infektionen sowie Keratitis.

Die Bacillus megaterium-Art, eine der größten Bakterienarten, kann Gehirnabszesse verursachen.

Bacillus megatierium. Entnommen und bearbeitet von: Alexastely.

Anwendungen

Probiotika

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind Probiotika lebende Mikroorganismen, die sich positiv auf die Gesundheit von Menschen oder Tieren auswirken, die sie in angemessenen Mengen in ihrer Ernährung konsumieren.

Einige Bacillus-Arten werden als Probiotika verwendet, einschließlich B. coagulans. Unter den Vorteilen des Verzehrs dieses Bakteriums haben Forscher vorgeschlagen, dass es die Symptome des Reizdarmsyndroms lindert. Es lindert auch Symptome von rheumatoider Arthritis und Blähungen.

Ein weiteres Mitglied der Gattung, das als Probiotikum verwendet wird, ist B. subtilis. Zu den Vorteilen dieses Organismus als Probiotikum zählen die Linderung von Darmentzündungen und urogenitalen Infektionen sowie die Beendigung von Durchfall.

Die Sporen dieses Bakteriums wirken ihrerseits gegen oxidativen Stress, der durch Keratinozyitis verursacht wird.

Biologischer Controller

Bakterien der Gattung Bacillus produzieren eine Vielzahl von Substanzen mit antibiotischen Eigenschaften, die das Wachstum von phytopathogenen Organismen hemmen, wie nicht-ribosomale cyclische Lipopeptide und δ-Endotoxine. Es wird auch in der pharmakologischen Industrie verwendet, um Antibiotika gegen menschliche Krankheitserreger zu erhalten.

Ungefähr 75% der weltweit vermarkteten Biopestizide werden auf der Basis von Bacillus thuringiensis hergestellt. Andere Arten, wie B. subtilis, B. pumilus und B. amyloliquefaciens, werden ebenfalls kommerziell verwendet, hauptsächlich zur Herstellung von Fungiziden.

Andere Verwendungen

Die Industrie verwendet Bakterien der Gattung Bacillus auch zur kommerziellen Herstellung von Enzymen und zur Herstellung von Waschmitteln. Darüber hinaus gehören sie unter anderem zu den am häufigsten verwendeten Mikroorganismen in mikrobiologischen, molekularbiologischen oder gentechnischen Studien.

Lebenszyklus

Unter angemessenen Bedingungen für Ernährung, Temperatur, pH-Wert und atmosphärische Zusammensetzung wachsen und teilen sich Bacillus-Zellen unter anderem durch binäre Spaltung, eine Form der asexuellen Reproduktion, die aus DNA-Duplikation und anschließender Teilung des Zytoplasmas durch ein Septum besteht Teiler, der die Mitte der Zelle kreuzt und zwei Tochterzellen hervorbringt.

Unerwünschte Bedingungen

Wenn die Umweltbedingungen jedoch ungünstig sind, erzeugen vegetative Zellen Endosporen, zelluläre Strukturen, die kein ATP enthalten und einen extrem latenten Metabolismus aufweisen, der Resistenz verleiht.

Endosporen bilden sich am Ende der exponentiellen Wachstumsphase. Es ist bekannt, dass viele andere Faktoren die Bildung von Endosporen beeinflussen, wie Wachstumstemperatur, pH-Wert in der Umgebung, Belüftung, Vorhandensein bestimmter Mineralien und Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorquellen sowie deren Konzentrationen. Ein weiterer Einfluss ist die Bevölkerungsdichte.

Schritte ruhende Sporen-vegetative Zellen

Die Umwandlung ruhender Sporen in vegetative Zellen umfasst drei Schritte: Aktivierung, Keimung und Auswachsen. Die Inaktivität wird durch günstige Temperaturänderungen oder durch Alterung der Zellen unterbrochen.

Viele Arten benötigen jedoch keine solche Aktivierung. Wenn die Spore beim Verlassen der Ruhephase geeigneten Umweltbedingungen ausgesetzt ist, wird die Keimung durch den Verlust der Brechung, eine schnelle Hydrolyse des Kortex und den Abbau kleiner löslicher Säureproteine ​​ausgelöst, die ihr Resistenz gegen Wirkstoffe verleihen. Chemikalie und Strahlung.

Der Protoplast der gekeimten Sporen schwillt sichtbar aufgrund der Aufnahme von Wasser an, die Biosynthese wird fortgesetzt und eine neue vegetative Zelle tritt aus der Rotamsporenschicht aus, was zu einer neuen Periode vegetativer Reproduktion führt.

Ausgewählte Arten

Bacillus cereus

Diese Art ist ein grampositives Bakterium, das häufig in Böden, Wasser und Nahrungsmitteln in allen gemäßigten Zonen der Welt vorkommt. Es ist eine fakultative anaerobe Spezies, die sich durch die Wirkung peritrichöser Flagellen bewegen kann.

Dieses Bakterium ist einer der Hauptverursacher von durch Lebensmittel übertragenen Krankheiten mit der Möglichkeit eines emetischen Syndroms oder eines toxisch-infektiösen Syndroms. Bacillus cereus kann auch verschiedene nicht-gastrointestinale Erkrankungen verursachen, wie z. B. Endokarditis, Bakteriämie, Endophthalmitis oder chronische Hautinfektionen.

Da es sehr widerstandsfähige Endosporen aufweist, wird seine Eliminierung weder beim Kochen noch beim Einfrieren erreicht. Letzteres stoppt jedoch sein Wachstum. Daher ist es ratsam, Temperaturen unter 6 ° C zu verwenden, wenn die Lebensmittel gelagert werden sollen. für lange Zeiträume.

Bacillus anthracis

Es ist eine Art der Gattung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aufgrund des Fehlens von Flagellen unbeweglich ist, im Gegensatz zu dem, was mit den übrigen Vertretern der Gattung geschieht. Es ist grampositiv und fakultativ anaerob.

Dieses Bakterium ist für Anthrax verantwortlich und seine Pathogenität hängt von zwei Virulenzfaktoren ab, einem Kapselpolypeptid namens Substanz P und einem Proteinexotoxin namens Faktor B.

Es gibt zahlreiche Stämme dieses Bakteriums, deren Virulenz zwischen ihnen variiert. Die virulentesten Stämme wurden als biologische Waffen verwendet.

Bacillus subtilis

Grampositive und Katalase-positive Bakterien, die den Boden bewohnen. Es ist stabförmig mit abgerundeten Kanten und ist 2-3 Mikrometer lang und 1 Mikrometer breit. Dieses Bakterium ist fast ausschließlich aerob, kann aber in anoxischen Umgebungen überleben.

Es gilt als sicher für den Menschen, aber es gibt vereinzelte Fälle von Vergiftungen durch mit dieser Art kontaminierte Lebensmittel. In diesen Fällen ähneln die Symptome denen einer Bacillus cereus-Vergiftung.

Es ist eine der am meisten untersuchten Bakterienarten und wird von Forschern als grampositive Version von Escherichia coli angesehen. Es wird auch als Modellorganismus für Laborstudien angesehen, insbesondere in Studien zur genetischen Manipulation.

Bacillus subtilis produziert Bactricin, ein bakterizides Antibiotikum, das bei der Behandlung von grampositiven Bakterien wie Staphylococcus aureus wirksam ist. Es werden auch bioaktive Verbindungen mit antimykotischer Wirkung und Substanzen hergestellt, die bei der Herstellung von Waschmitteln verwendet werden.

Bacillus thuringiensis

Grampositiver Bazillus, der den Boden, die Pflanzenoberflächen und den Darm der Raupen verschiedener Arten von Schmetterlingen und Motten bewohnt. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass sie während des Sporulationsprozesses Proteinkristalle produzieren, die insektizide Eigenschaften besitzen.

Dank dieser Kristalle, die als δ-Endotoxine bekannt sind, werden Bacillus thuringensis-Sporen und Proteinkristalle seit mehr als 100 Jahren als Biopestizide verwendet.

Forscher haben die genetische Information dieser Pflanze durch Gentechnik in verschiedene Pflanzenarten wie Kartoffeln, Baumwolle oder Mais eingeführt, so dass die Pflanzen Substanzen mit insektiziden Eigenschaften produzieren.

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