مواضيع المحاضرة: بكتيريا المرضية
background image

 

Pathogenic bacteria……..Biology Department 

 

                                                                                                            

4

rd 

stage         Lec.1 

 

Introduction Even  healthy  person  has  more  than  (1014)  microbial 
cells reside different site of his body (skin, mouth, intestines…), that 
means  100-fold more than number of cells that make up the human 
body. 

 

Most of these microbial cells (e-g : bacteria ) do not produce disease but 
achieve  a  balance  with  the  host  that  ensure  the  survival,  growth  and 
propagation  of  both  the  bacteria  and  the  host  still  many  species  of 
microorganisms (fungi, bacteria, viruses and parasites ) are pathogenic 
(have the ability to cause disease ). 

 

Advances in microbiology especially in diagnosis, prevention and cure 
of  infection  have  made  key  contribution  to  improve  human  health  & 
life. 

 

However, infection is far from defeated. In poor countries an estimated 
(10  million)  young  children  die  each  year  from  infections  diarrhea, 
measles,  malaria,  tetanus,  diphtheria  and  whooping  cough.  Even  in 
wealthy  nations  infections  is  still  common  at  least  a  quarter  of  all 
illnesses for which patients consult their doctors in U.K.  are infective, 
and around 1/10 patients acquire infection while in hospital, sometimes 
with 

multiresistant 

organisms.


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria……..Biology Department 

 

An Outline History of Microbiology and Infection

: 

Ideas  of  infections  &  epidemics  were  recorded  by  Hippocrates 
B.C.,  but  it  was  more  than  2000  years  before  the  early 
microscopists began to make observations on living creatures too 
small to be seen by the naked eye. 

 

Before the formal establishment of Microbiology in the second half 

of  the19th  century,  Edward Jenner  (1749-  1823)  established the 
concept  of  immunization  by  using  cowpox  inoculation  showing 
that it was effective & safe for preventing smallpox. 

 

Louis  Pasteur  (1822-1895)  used  the  principle  of  attenuation 
(render microbes to be less virulent) to develop a successful vaccine 
against Anthrax for use in animals. 

 

The  British  surgeon  Joseph  Lister  (1827-1912)  established 
antisepsis,  aimed  at  destroying  the  microorganisms  responsible 
for infection during surgery. 

 

Robert Koch (1843-1910) established the principles & techniques 
required to isolate and propagate pure cultures of specific bacteria. 

 

These principles, often referred to as Koch's Postulates, they are:- 

 

1 -  The organism is demonstrable in every case of the disease. 

 

2 - It can be isolated and propagated in pure culture in vitro. 

 

3 -  Inoculation of the pure culture by a suitable route into a suitable 

 

host should reproduce the disease. 

 

4 - The organism can be re-isolated from the host. 

 

In  the  century  following  Pasteur  &  Koch's  work,  the  list  of 

specific  human  pathogens  has  extended  to  include  several 
hundred organisms. 

Fungal & protozoan pathogens were recognized.


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria……..Biology Department 

 

Technological breakthrough, including tissue culture and  electron 
microscopy, were required to enable recognition of viruses. 

 

Later,  many  further  advances  in  technology  provided  more 
precise  understanding  of  the  nature  and  function  of  microbes, 
especially  after  the  revolution  in  molecular  biology  that 
followed  the  elucidation  of  the  DNA  structure  by  Watson  & 
Crick 1953

 

Glossary: 

 

Pathogen: A microorganism capable (has the ability) of causing 
disease. 

 

Non-pathogen:  A  microorganism  that  does  not  cause 

disease. May be part of the normal flora. 

 

Pathogenicity: The ability of an infectious agent to cause disease. 

 
Opportunistic pathogen: An agent capable of causing disease 
only When the host's resistance is impaired. 

 

Infection:  Multiplication  of  an  infectious  agent 

within  the  body.  multiplication  of  normal 
flora is generally not considered an infection. 

 

Adherence:  (adhesion,  attachment):  The  process  by  which 
bacteria  Stick  to  the  surface  of  host  cell.  Once  bacteria  have 
Entered the body, adherence is a major initial step in The infection 
process. 
Invasion: The process whereby bacteria & other 
microorganisms  Enter  host  cells  or  tissues  and 
spread in the body. 
 

 


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria……..Biology Department 

 

Toxigenicity: The ability of a micro-organism to produce a toxin 
that Contribute to the development of disease. 

 

Virulence: The quantitative ability of an agent to cause disease. 

Virulent  agents  cause  disease  when  introduced  into  the  host  in 
small numbers. 

 

Carrier:   A person or animal with asymptomatic infection that 

can  be  transmitted  to  another  person  or  animal


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

                                                                                                                          4

rd 

stage- Lec.2

                                              

 

"Bacterial Growth

" 

 

Most of what we know about bacteria derives from their growth. 
Bacteria  growth  involves  both  an  increase  in  the  size  of 
organisms and an increase in their number. 

 

The net effect is an increase in the total mass (biomass) of the 
culture. 

 

When  placed  in  a  suitable  environment  and  conditions 
(nutrient temperature) a bacterial cell begins to grow; when it 
has made about twice the amounts of component materials that 
it started with, it divides. 

 

Growth is a central technique in bacteriology as it is used for:- 

 

1) Detection and identification of bacteria. 
2) The assessment of antibiotic effects. 
3) Produce the desirable products in biotechnology industries. 

 

Types of growth:- 

 

In the laboratory, bacterial growth can be seen in three main 
forms:- 

 

1- By the development of colonies, the macroscopic product of 
20-30 cell divisions of a single cell. 

 

2- By the transformation of a clear broth medium to a turbid 

suspension of 107- 109cell/ ml. 

 

3- In biofilm formation, in which growth spread thinly (300-
400µm) over the surface of the broth.


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

The Growth Curve

: (Growth Phases in broth culture). 

The Growth phase of pure culture of a single organism can be placed 
in 4 main phases, and those are:- 

 

1- The lag phase: 

 

Represents  a  period  during  which  the  number  of  cells  in  the 
broth  culture appears to  remain constant as cells are thought to 
be preparing for growth in the new environment, by forming and 
accumulating  enzymes  and  intermediates to  concentrations that 
permit growth to resume. 

 

2- The exponential Stage: 

 

 

   During this phase, increase in cell number becomes detectable,  
its rates accelerates rapidly showing a linear increase in log cell 
number with time. This log- linear relationship is constant for a 
given bacterial strain under certain conditions & is referred to as 
"Doubling  time"  for  that  organism;  it  is  between  13min  for 

Vibrio  cholera

and  24h  for 

Mycobacterium  tuberculosis. 

On 

this basis cholera is a disease that can kill within 12hr, whereas 
tuberculosis takes months to develop. 

 

Detection  of  the  organism  by  culture  takes  one  day  for                 

V.  cholerae 

whereas  several  weeks  are  required  for                         

M. tuberculosis

 

The  biomass  increase  in  an  exponential  manner  until  one 
of two happens:- 

 

1) Nutrients in the medium become exhausted. 

 

2)  Toxic  metabolic  products  accumulate  and  inhibit  growth

.


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

3- Stationary phase: 

 

 

Exponential  growth  cannot  be  sustained  in  a  close  system  with 
limited  nutrients.  Eventually  growth  slows  down  and  the  total 
bacterial  cell  number  reaches  a  maximum  and  stabilizes,  this 
known as stationary phase in which there is a slow loss of cells 
through  death,  balanced  the  formation  of  new  cells  through 
growth and division, the count stays constant. 

 
4- Decline phase: 

 

After  a  period  of  time  in  the  stationary  phase,  the  death  rate 
increases  until  it  reaches  a  steady  level.  After  the  majority  of 
cells have died, the death rate decreases, so that a small number 
of  survivors may  persist  for  months  as  a  few  cells  growing  at 
the expense of nutrients released from cells that die & lyse. 

 

 

Growth on agar plate 

 

 

Unlike  growth  in  broth,  less  is  known  about  growth  on  solid 
media,  which  results  macroscopic  colonies.  Each  colony 
represents a wide range of environments, from an abundance of 
O

and  nutrients  at  the  edge,  to  almost  no  O

or  nutrients 

available  to  cells  in  the  center.  It  is  likely  that  all  phases  of 
growth  are  represented  in  the  colonies,  depending  on  the 
location  of  the  cell  and  the  age  of  the  culture;  thus  cells  at 
different  locations  can  show  different  phenotypes;  still,  in 
practice, colonies can be used reliably to inoculate routine tests 
of 

antimicrobial 

susceptibility 

in 

clinical 

labs.


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Measurement of Cell Mass: 

 

 

It involved both direct and indirect methods: 

 

1- Direct physical measurement: 

 

Measurement of dry weight, wet weight and volume of cells after 
centrifugation,  used  with  very  dense  cultures  for  research  and 
industrial purposes. 

 

2- Direct chemical measurement: 

 

It measures some chemical components of the cell, such as 
total nitrogen, total protein and total DNA. 

 

3- Indirect measurement of chemical activity: 

 

Such  as  rate  of  O2  production  or  consumption,  CO2 
production and consumption. 

 

4- Turbidity measurement 

 

Determines the amount of light scattered by a suspension of cells 
using spectrophotometer with calibration of a standard curve. 

 

Bacteria scatter light in proportion to their numbers. Turbidity or 
Optical  density  of  the  cell  suspension  is  directly  related  to  cell 

mass  or  number.  This  method  is  sensitive  to  about  107  cell/ml


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Media for Bacterial Growth: 

 

 

In  order  to  study  the  properties  of  a  given  organism,  it  is 
necessary  to  cultivate  it  in  pure  culture  on  suitable  growth 
media  contain  all  the  nutrients required by  the  organism, and 
these are: 

 

1- A source of protein (Nitrogen source) derived from casein or 
infusion of brain, heart or liver. 

 

2- Carbon source. 
3- Minerals (Sulfur and phosphorus). 

 

4- Growth factors e.g.: amino acids, vitamins. 
5-  Control  of  PH  in  the  final  product  (after 

sterilization).  There are  two  main types of  media 

Liquid & Solid. 

Liquid  media  are  of  limited  use  in  identification  of  bacterial 
species because:- 
1- Growth usually does not exhibit characteristic appearance. 
2-Organism  cannot  be  separated  from  mixed  growth  in  liquid 
media.  Solid  media  are  useful  in  identification  and  isolation  of 
pure culture for different bacteria. 

 
Gelatin  was  used  by  the  early  bacteriologists  to  make  the  first 
solid  media,  now  agar  is  used  for  gelling  media,  It  is  an  acidic 
polysaccharide extracted from certain red algae. Agar is uniquely 
suitable  for  microbial  cultivation  because  it  is  resistant  to 
microbial action. 

 

Culture  media  are  of  many  kinds  according  to  their  ingredients 
such 

as:-


background image

10 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

1- Basal media: (Simple media) as Nutrient broth, peptone 
water, it is the basis of most media. 

 

2- Enriched media: (Blood agar) with nutritional requirements. 

 

3- Selective media: (Gentamicin blood agar) contain 
substances that inhibit all but a few types of bacteria. 

 

4- Indicator media: (MacConkey agar) incorporate 
substance that is changing visibly as a result of the metabolic 
activity of organisms. 

 

5- Transport media: Maintain the viability of a pathogen and 
avoid over growth of other contaminations during transit from 
the patient to the lab


background image

11 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

                                                                                                    

4

rd 

stage   Lec.3     

 

Staining: 

 

 

Bacteria in  nature  are  colorless,  and  are  difficult  to  be  recognized 
and studied by the light microscope, unless they are stained. 

 

Stains  react  chemically  with  cellular  material,  and  enhance  the 
contrast between the cell and the background. 

 

A stain is a dye consists of:- 

 

1- A colored ion (chromophore), either (+ve) or (-ve) charged. 

 

2-  A  counter  ion  to  balance  the  final  charge. 

Bacteria carry a net (-ve) charge at PH: 7, therefore: 

a) Positive dye (cation) such as: Methylene blue, crystal violet & basic 
fuchsine, are useful for direct staining of cells. 

 

b) Negative dye (anion) such as: Eosin & nigrosin will not directly 
stain  bacterial cells,  but  they  stain  the  background leaving the  cells 
clear and bright. 

 

There are two main types of staining: 

 

I) Simple staining: 

 

 

It  means  that  one  dye  and  a  one  step  procedure  are  used  to  stain 
microbial cells, to  reveal a  microbial morphology feature like: size, 
shape 

and 

arrangements 

of 

cells.


background image

12 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

The  most  common  dyes  used  in  simple  staining  are  cationic  (or 
basic) 
dyes, such as: Crystal violet, Methylene blue and basic fuchsine. 

 

Staining  of  microbes  requires  a  suitable  smear  spread  in  a  thin 
film  over  a  small  area  of  a  microscopic  slide,  then  fixed  by 
heating to make the cells adhere to the slide. 
A good smear preparation should: 

 

1- Be of an appropriate thickness to view individual cells. 

 

 

2- Withstand repeated washing during staining. 

 

3- The cell will retain the original morphology after fixation and 
staining. 

 

II) Differential Staining:- 

 

 

Using stains that react differently with different cell types, thus 
these stains are important in identification of bacteria; this 
staining ,mostly requires more than one dye and more than one 
step. 

 

1- Gram stain: 

 

 

It is the most commonly used stain; it divides bacteria into 

two large groups: 

 

a) Gram- positive bacteria (blue-purple in color) 

 

 

b) Gram- negative bacteria (pink in color)


background image

13 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

The different responses and coloring of bacteria is based on 
fundamental differences in  cell structure and composition of cell 

wall. Staining with Gram stain is of four steps:- 

1- Application of a primary stain (crystal violet). 

 

2-  Adding  of  mordent  (Gram  iodine)  for  better  complex 
formation between a dye and its target compound. 

 

3-  Decolorization  by  an  organic  solvent  (acetone-  alcohol)  to 
remove the primary stain from the cell. 

 

4- Adding a counter stain (safranin) to recolor cells that have lost 
primary stain after Decolorization; it should contrast in color with 
the primary stain. 

 

The  cell  wall  of  a  Gram  +ve  bacterium  is  composed  of  a 
heteropolymer of protein and sugar (peptidoglycan) called murein 

 

(25nm thickness). This murein provides a barrier through which the 
crystal violet- iodine complex cannot pass during Decolorization, 
and the cell appears purple in color after the staining procedure.


background image

14 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

A Gram -ve bacterium contains less murein and more lipid than a Gram 
+ve one; this allows a rapid and effective removal of the dye- 
complex during Decolorization. The Gram –ve cells appear 
pink after staining with counter stain safranin. 

 
 

 

2- Acid- Fast Stain: 

 

 

In a manner quite similar to the Gram- stain, the acid- fast stain 
differentiates an important group of bacteria, the Mycobacteria
on the basis of lipid content (mycolic acid) at the surface of the 
cell,  giving  it  waxy  properties.  Once  these  cells  are  stained  by 
using  heat  to  allow  the  stain  to  penetrate,  they  resist 
Decolorization  with  acid-  alcohol,  hence  the  name  acid-  fast.


background image

15 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

3- Bacterial Endo spore stain: 

 

 

Bacterial Endospores present special problems for food industry, because of 
their resistance to high temperatures used to sterilize products. 

 

Endospores  form  inside  vegetative  cells  in  genera  like  Bacillus  and 
Clostridium; they do not stain readily and require a heating step to drive the 
dye (e.g. Methylene blue or crystal violet) into the spore body. Once stained. 
Spores retain the dye. Whereas washing with water removes 
the stain from vegetative cells. 

 

 

4-Negative staining- Capsule stain: 

 

 

It  is  the  staining  of  everything in  the  back  ground  but  not  the  cells    .a 
themselves. It is useful to demonstrate the mucoid capsule that surrounds 
the cells of many bacterial spp. The presence of a 
capsule is a major factor in determining the Pathogenicity of a 

bacterium. 

A suspension of cells is mixed with a drop of India ink on a glass   .b 

slide  and  spread  thinly  for  viewing  with  phase  contrast  optics.  The 
unstained  capsule  is  visible  against  a  grey  background  with  the  cell 
appears  as  a  darker  area  in  the  center  of  the  capsule.


background image

16 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

 
 
 

 

5- Flagella stain: 

Many  bacterial  spp.  Are  motile,  most  by  means  of  flagella.  Their 
positions  are  of  taxonomic  significance.  It  is  critical  to  use  young 
actively culture  (exponential phase).  Staining  flagella  usually  requires 
several attempts before success. 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

17 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 
 
 
 
 
 

                                                                                                                            4

rd 

stage   Lec.4    

 

Normal Flora in Human 

Normal  flora  means:  -  The  population  of  microbes  that  inhibit 
regularly the skin and mucous membranes of healthy normal person 
and do not interfere with normal body functions (commensals). 
The majority of N.F. is bacteria. Viruses, fungi and protozoa are also 
found  in  healthy  person,  but  form  only  minority  of  the  total 
population of N.F. Most investigators do not consider viruses and 

parasites members of N.F., because they are not commensals and do 
not aid the host. 

Why must we know N.F.? 

Knowledge  of  N.F.  of  the  human  body  is  important  in 
diagnostic  Microbiology,  especially  for  determining  the 
clinical  importance  of  microorganisms  that  are  isolated  from 
patient specimens. 

 

Normal flora frequently are found in clinical specimens as a result of 
contamination during collection or because the colonizing organism 
is involved in the infection. 

 

The  normal  flora  is  acquired  rapidly  during  and  shortly  after  birth. 
The  new  born  human  is  exposed  to  microbes  from  the  mother and 
the environment, skin is colonized first, followed by the oropharynx, 
gastrointestinal tract and other mucosal surfaces. 

 

Factors influence normal flora: 

 

 


background image

18 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

The normal flora in and on the human body is determined by many 
factors  such  as:  Age,  diet,  environment  (PH,  temperature,  O2, 
moisture..), hormonal state, health, personal hygiene. 

 

 

Normal flora can be arranged into two groups: 

 

1-  The  resident:  relatively  fixed  types  of  microbes  regularly 
found in a given area at a given age. 

 

2-  The  transient:  Non-  pathogenic  or  potentially  pathogenic 
microbes  from  the  environment  that  inhibit  the  skin  or  mucous 
membrane for hours, days or weeks. 

 

If  the  resident  flora  is  disturbed,  transient  microbes  may 
colonize, 

proliferate 

and 

produce 

disease.


background image

19 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Significance of the Normal flora to the host: 

 

 

Normal  flora  influences  the  well-  being  of  the  host  and  plays  a 
critical role in his health as it: 

 

1- Provides essential growth factors and vitamins e.g. vit. K. 
2- Aids absorption of nutrients in gastrointestinal tract. 
3-  Prevents  colonization  of  pathogens  and  protects  against 
infections with highly virulent microbes. 

 

4- Stimulate the immune responses of the host. 

 

Infection of the host by normal flora: 

 

 

-Normal flora may act as opportunistic pathogens, especially in 
host  with  impaired  immunity  and  may  produce  disease  under 
certain circumstances. For example: 

 

-  Flora  of  gingival  crevice  causes  dental  caries  in  80%  of  the 
population. 

 

-  Bacteria  Streptococcus  viridans  (N.F  of  the  upper  respiratory 
tract),  if  they  are  introduced  into  blood  stream  in  large  numbers 
(after  tooth  extraction  or  tonsillectomy),  they  may  produce 
infective endocarditis. 
-  Bacteria  Escherichia  coli   are  part  of  normal  flora  of  the  large 
intestine  and  are  harmless  in  that  location,  if  introduced  into 
urinary tract, they cause painful urinary tract infection (UTI). 
 

Normal flora of different parts of the human body: 

 
Skin: 

 

Acinetobacter, 

Bacillus

Staphylococcus

Streptococcus, 

 

Corynebacterium

Candida.


background image

20 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Upper Respiratory Tract: 

Acinetobacter,  Actinomyces,  Corynebacterium,  Haemophilus, 
Moraxella,    Neisseria,  Staphylococcus,  Streptococcus,  Candida, 
Entamoeba. 

 

 

Gastrointestinal tract: 

 

Bacteroides,  Campylobacter,  Clostridium,  Enterobacteriaceae, 
Helicobacter,  Staphylococcus,  Streptococcus,  Lactobacillus, 
Pseudomonas, 

Propionibacterium, 

Candida, 

Entamoeba, 

Trichomonas. 

 

Genitourinary System: 

 

Bacteroides, Clostridium, Corynebacterium, Enterobacteriaceae, 
Gardnerella, 

Haemophilus, 

Lactobacillus, 

Mycoplasma, 

Staphylococcus, 
Streptococcus, Treponema. 

 

 

 

 

Bacterial Pathogenicity 

 

Pathogenicity:  Ability to cause disease. 

 

Virulence: Degree of Pathogenicity. 

 

Many  properties  that  determine  a  virulence  are  unclear  or 
unknown,  but when a microbe overpowers the  host defenses, 
disease 

results.


background image

21 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Types of bacterial pathogen: 

 

 

Bacterial pathogens can be classified into two broad groups: 

 

1- Opportunistic pathogens: 

 

These  cause  disease  only  when  the  host  defenses  are 
impaired 

or 

compromised  (e.g.: 

acquired 

disease, 

immunosuppressive therapy, 

 

These pathogens are part of the normal flora, and when they 

introduced  into  anatomic  sites,  where  they  are  not  normally 
found, they may develop disease. 

 

2- Primary pathogens:- 

 

These  pathogens  are  capable  of  causing  disease  in  individuals 
with  intact  immunological  defenses,  as  they  cause  disease  in 
individuals with impaired defenses. 

 

 

 

Virulence Factors: 

 

 

The  possession  of  virulence  factors  differentiates  pathogens 
from  non-  pathogens,  and  their  number  and  potency  separate 
opportunist from primary pathogens. 

 

ID50:-  Infectious  dose  required  to  cause  disease  in  50%  of 
inoculated 

test 

animals.


background image

22 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

LD50:-  Lethal  dose  of  microbial  toxin  that  will  kill  50%  of 
experimentally inoculated test animals. 

e.g.:- ID50 for Vibrio cholera is 10

8cells. 

 

ID50 for Bacillus anthracis is 5000-10000 

spores. Virulence factors help bacteria to: 

1) Invade the host 
2) Cause disease 

 

3) Evade host defenses 

Some of the virulence factors in bacteria: 

 

 

Bacteria  have  many  types  of  virulence  factors  that  provide 
microbes  with  the  capacity to  avoid host  defenses and  damage 
host cells, tissues and organs, such as:- 
 
1) Adherence factors:- 

 

Many  pathogens  colonize  mucosal  sites  by  using  Pili 
(fimbriae) 
to  adhere to cells. Fimbriae are numerous thin, 
rigid and rod- like 

structures  present  on  the  surface  of  G  –ve  and  some  G+ve 
bacteria,  they  are  much  thinner  than  flagella  and  involved  in 
attachment  of  some  bacteria  to  the  host  cell  surfaces.  Their 
antigenic composition is complex. They consist of aggregates of 
a  structural  protein  subunit  called  Fimbrillin  (Pilin).  Fimbriae 
are  found  in  many  bacteria  like:  E.  coli,  Pseudomonas
Neisseria, and Vibrio

2)  Invasive  Factors:  Surface  components  that  allow  the 
bacteria  to  invade  host  cells,  these  factors  can  be  encoded  to 
plasmid, but often are on chromosome. 


background image

23 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

3) Capsule: 

 

 

Many bacteria are surrounded by capsules that protect them 

from opsonization and phagocytosis. 

 

Most  capsules  are  polysaccharides  composed  of  Sugar 
monomers that  vary among different bacteria. Capsule reduces 
the  efficiency  of  phagocytosis  and  prevents  efficient 
opsonization of bacterium by complement or specific antibody. 
All pathogens associated with  Meningitis &  Pneumonia have 
capsules, such as: H influenzae,      N. meningitidis and Strep 
pneumoniae

 

4- Enzymes:- 

 

 

Many  pathogens  secrete  enzymes  that  contribute  to  their 
Pathogenicity: 

 

A) Leukocidins: Prevent phagocytosis by killing WBC  

B) Hemolysins: Cause the lysis of RBCs (Streptococci).  

C) Coagulase: Cause blood to coagulate to protect bacteria from 
phagocytosis and other host defenses. 

 

D) Kinase: 
Enzymes  that  dissolve  blood  clots  which  the  host  form  to 
isolate  the  pathogen  and  helps  them  escape  from  host 
defenses. 

E)Collagenase:

  Break  down  collagen  found  in  many  connective 

tissues  e.g.:   Clostridium  perfringens  causes  Gas-  gangrene,  uses  this 
enzyme to spread through muscle tissues. 


background image

24 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

F) Hyluronidase: 

 

Enzymes that hydrolyze hyluronic acid which is a constituent of 
the  ground  substance  of  connective  tissue,  and  aid  bacterial 
spread through tissue e.g.: StaphylococciStreptococci. 

 

G) Streptokinase: (Fibrinolysin) 

 

An  enzyme  produced  by  hemolytic    Strep.  It  activates  a 
proteolytic  enzyme  of  plasma  and  aid  the  spread  of    Strep
Through tissues. 

 

Streptokinase  is  used  in  treatment  of  acute  myocardial 
infarction to dissolve fibrin clots. 

 

H) Proteases: 

 

Enzyme hydrolyze immunoglobulin and allow pathogens (e.g.:  
N
.  meningitidisStrep.  pneumoniae) to  inactivate the  primary 
antibodies  found on mucosal surfaces and  eliminate protection 
of 

the 

host 

by 

antibodies. 


background image

25 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

                                                                                                                            4

rd 

stage   Lec.5    

 

Bacterial Toxins: 

 

 

Toxins are biochemically active substances that are released by 
microorganisms  and  have  a  particular  effect  on  host  cells. 
Microorganisms  use  toxins  to  help  them  establish  infections 
and  multiply within  the  host. 40%  of  the  toxins  cause disease 
by damaging the cell wall. 

 

Toxins  also  can  cause  human  disease  in  the  absence  of  the 
pathogens that produce them, and this is the common mechanism 
of  Food  poisoning  that  involve  the  ingestion  of  pre-  formed 
bacterial toxins, it is referred to as Intoxication, e.g.: Botulism. 

 

Bacterial toxins are generally classified into two groups: 

 

 

1- Exotoxins 

 

2- Endotoxins 

 

Exotoxins:- 

 

 

Exotoxins produced mostly inside some G+ve bacteria and less 

 

G-ve  bacteria,  as  part  of  their  growth  and  metabolism,  and 
released into the surrounding media. 

 

They are proteins in nature and many are enzymes. 

 

They  are  soluble  in  body  fluids,  so  can  easily  diffuse  into  the 
blood and are rapidly transport throughout the body. 

 

Exotoxins 

cause 

damage 

to 

the 

host 

cell 

by:-


background image

26 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

1- Destroying particular parts of the host cells. 

 

 

2- Inhibiting certain metabolism functions. 

 

They cause Extreme pyrogenic response 

(fever). Exotoxins are of 3 major 

categories:- 

1- Cytotoxins:- 

 

 

Kill host cells by affect their function  e.g.: Corynebacterium 
diphtheriae
  

 

 

2- Neurotoxins:- 

 

 

Target the nervous system and can interfere with normal nerve 

impulse transmission. e.g.:  Clostridium tetaniClostbotulinum

 

3- Enterotoxins:- 

 

 

Affect cells lining the gastrointestinal tract e.g.: Vibrio cholerae  

 

 

Exotoxins are among the most lethal substances known; only 1mg 
of the botulinum exotoxin is enough to kill 1 million guinea pigs. 
 
Exotoxin is inactivated by heat and no longer cause disease, but 
stimulates  the  body  to  produce  antitoxin  (antibodies),  that 
provide immunity to exotoxins. 

 

Toxoid:- 

 

 

Is  altered  exotoxin  injected  to  stimulate  the  production  of 
antitoxins and provide immunity (by formaldehyde). Inactivation 


background image

27 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

of  toxins  without  altering  antigenicity  results  in  successful 
vaccine, e.g.: diphtheria and tetanus toxoids.

 

 

Some medically Important Exotoxins:- 

 

Bacteria             Exotoxin         Tissue damage         Action                    Disease

 

 

Clost. tetani           Tetanospasmin    Neurons               Spastic paralysis           Tetanus 

 

Clost. perfringens    α- toxin               RBCs, WBCs          Cell lysis                      Gas gangrene 

 

Endothelium 

 

Clost. botulinum      Neurotoxin        nerve muscle        Flaccid paralysis        Botulism 

 

Junction 

 

Coryn. Diphtheriae   Diphtheria       throat, heart,         Inhibition protein     Diphtheria 

 

Toxin                peripheral nerve     synthesis 

 

Vibrio cholerae         Enterotoxin      Intestinal epi-          fluid loss from          Cholera 

 

Thelium                    intestinal cells 

 

Staph. aureus           α- toxin               RBCs & WBCs          Hemolysis                  Abscesses 

Hemolysin          RBCs & WBCs           Hemolysis                  Abscesses 

Enterotoxin       intestinal cells         induce vomiting      food- poisoning 

& diarrhea 

TSST-1                   

 

Release cytotoxin     Toxic Shock S.

 

Strep. pyogenes     Streptolysin       RBCs &WBCs           Hemolysis                  Hemolysis, py- 

O & S                                                                                        ogenic lesions 

Bacillus anthracis   Cytotoxin           lung                           Pulmonary              Anthrax 

 

Edema 

 

Aspergillus fumigus   Afla toxin       Liver                           carcinogenic           liver damage, cancer


background image

28 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Endotoxins:- 

 

 

They  are  complex  lipopolysacchrides  in  the  outer  envelope  of  the 
cell  wall  of  G-ve  bacteria.  The  outer  envelope  of  these  bacteria 
consists of lipoprotein, phospholipids and lipopolysacchrides (LPs). 

 

Lipoprotein of (LPs) called (Lipid A) is the endotoxin. 

 

The  endotoxin  liberates  when  G-ve  bacteria  die  and  the  cell  wall 
lysed. The substance is heat stable. Administration of endotoxin to 
animal or human results in a series of events: 

 

Fever,  leucopenia,  hypoglycemia,  hypotension,  shock, 
impaired  perfusion  of  essential  organs  (  brain,  heart, 
Kidney), intravascular coagulation and death.
 

 

e.g.:- 

Salmonella  typhi, 

Proteus  spp. 

Neisseria 

meningitidis.


background image

29 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Characteristics of exotoxins & endotoxins: 

 

Exotoxin                                    Endotoxin 

 

1- Excreted by living cell                       Released on bacterial death 

 

2

- Produced by both G+ve &               Found only in G-ve bacteria 

 

G-ve bacteria 

 

3- Unstable, toxicity often destr-         Stable, withstand heating at oyed by 

heating at above 60

o

c                             above 60

o

c for hours. 

4- Highly antigenic, stimulate                weakly immunogenic 

formation of antitoxin. 

5- Converted to antigenic, non-          not converted to toxoids 

 

Toxic toxoids by formalin, heat 

 

6- Highly toxic, fatal to animals in       moderately toxic, fatal in tens 

µg or less.                                           Or hundreds of micrograms 

 

7- Usually bind to specific receptors    Specific receptors not found on cells.                                                     
on cells. 

 

8- Usually do not produce fever in       usually produce fever in host 

 

Host.                                                     By release of interleukin-1 

 

9- Frequently controlled by extra-      

Synthesis directed by chrom- 

Chromosomal genes (plasmid)          osomal genes.


background image

30 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

"The infection process" 

 

I) Entry into the Human Body: 

 

Bacteria  must  first  gain  entry  into  the  body  to  establish  an 
infection. The mouth, nose, respiratory tract, ears, eyes, urogenital 
tract  and  anus,  are  sites  through  which  bacteria  can  enter  the 
body. Natural defense mechanisms and barriers, such as: skin, 

mucus,  ciliated  epithelium  and  antibacterial  secretions  (e.g. 

lysozyme),  make  it  difficult  for  bacteria  to  gain  entry  into  the 
body. 

 

These barriers are  sometimes broken (  e.g.: a  tear in  the  skin, a 
tumor or ulcer) providing a portal of entry for the bacteria, or the 
bacteria may compromise the barriers and invade the body. 
 

 

Sites of Entry: 

 

A . Skin: Skin has a thick, horny layer of dead cells that protects 
the body from infection by many means such as: 

 

1- Inactivate microorganisms by fatty acids (skin PH is about 5.5). 

 

2- Substances secreted by sebaceous and other glands. 

 

3- Certain peptides formed locally by keratinocytes. 

 

4- Materials produced by the Normal flora of the skin. 

 

Cuts in the skin provide a means for bacteria to gain access to the 
tissue underneath, or may enter hair follicles or sebaceous glands 
to cause styes & boils. 

 


background image

31 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Fungi  (the  dermatophytes)  infect  the  non-living  keratinous 
structures  (hair,  nails)  and  if  the  parasites  rate  of  growth  into 
keratin  exceeds  the  rate  of  shedding  of  keratinous  product,  the 
infection may become chronic.

 

 


background image

32 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

B. The conjunctiva: 

 

It’s a specialized area of skin, kept clean by tears aided every few 
seconds  by  the  wiper  action  of  the  eyelids  contaminated  fingers, 
flies or  towel carry infection to the eye. Antimicrobial substances 
in tears (Lysozyme) and certain peptides have a defensive role. 

 

C. Respiratory tract: 

 

In the upper & lower R-T, inhaled micro org., like other particles 
(dust,  smoke) will be  entrapped in  mucus, carried to  the  back of 
throat  by  ciliary  action,  and  swallowed;  some  micro  org.  have 
developed specific  mechanisms to avoid this fate. e-g: inhibiting 
ciliary  activity  or  avoiding  destruction  by  alveolar  macrophages 
(Tubercle bacilli). 

 

D. Gastrointestinal tract: 

 

The  acid,  bile  &  the  general  flow  of  intestinal  contents,  are  the 
natural  defenses  in  gastrointestinal  tract,  however,  many  bacteria 
are unaffected or have means to evade these defenses e-g: the outer 
membrane of G-ve bacteria makes them more resistant to acid and 
bile. 

 

E- Urinogenital tract: 

 

Urinogenital tract is a continuum, so micro organisms can spread 
easily from one part to another. It has natural defenses, e-g: 

 

1)  Certain  lactobacilli  colonize  vagina  &  produce  lactic  acid 
(vaginal PH=5) which inhibit other micro org. 
 
2)  The  protective  layer  of  mucus  in  bladder  &  the 
production 

of 

antibodies 

immune 

cells.


background image

33 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

II) Attachment and Colonization: 

 

Bacteria  use  specific  mechanism  to  adhere  to  and  colonize 
different body surfaces. If the bacteria can adhere to epithelial or 
endothelial  cell  linings  of  bladder,  intestine  and  blood  vessels, 
they cannot be washed away, and this adherence allows them to 
colonize the tissue. 

 

Escherichia  coli  and  other  bacteria  have  adhesins  that  bind  to 
specific receptors on the tissue surface and keep the organisms 
from being washed away. Many of these adhesion proteins are 
present at the tips of fimbriae (pili) and bind tightly to specific 
sugars on the target tissue. 

 

A  special  bacterial  adaptation  that  facilitates  colonization  is  a 
biofilm  produce  by  bacteria;  Bacteria  in  biofilm  are  bound 
within  a  sticky  web  of  polysaccharide  that  binds  the  cells 
together  and  to  the  surface  (e.g.:  Dental  plaque).  The  biofilm 
matrix  can  also  protect  bacteria  from  host  defenses  and 
antibiotics. 

 

III) Invasion: 

 

Once  surface  attachment  has  been  secured,  microbial  invasion  into 
subsurface tissues  and  organs  (infection)  is  accomplished  by  the  direct 
action of an organism's virulence factors. Some microorganisms produce 
factors  that  force  mucosal  surface  phagocytes  (M  cells)  to  ingest  them 
and  then  release  them  unharmed  into  the  tissue  below  the  mucosal 
surface. 

 

Other organisms such as Staphylococci an t proteins and nucleic acids 
that  destroy  host  cells  and  tissues,  (e.g.  d  Streptococci,  produce  an 
array  of  enzymes  that  hydrolyzed  hosHyluronidase,  nuclease, 
Collagenase.).


background image

34 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Some  pathogens  cause  disease  from  their  site  of  attachment 
without  further  penetration,  e.g.:  Diphtheria  and  whooping 
cough,  the  bacteria  produce  toxic  substances  that  destroy 
surrounding  tissues  but  the  organisms  themselves  do  not 
penetrate the mucosal surface they inhabit. 

 

 

Microbial Strategies for Surviving the Immune System: 

 

  Pathogen  multiplies  and  invades  quickly  that  damage  to 

host  is  complete  before  immune  response  can  fully 
activated,  or  organism's  virulence  is  so  great  that  the 
immune response is insufficient. 

  Pathogen  invades  and  destroys  cells  involved  in  immune 

response. 

  Pathogen  survives  unrecognized  in  host  cells  and  avoids 

detection by immune system. 

  Pathogen  produces  enzymes  (proteases)  that  directly 

destroy 

or 

inactivate 

antibodies.


background image

35 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

                                                                                                                           4

rd 

stage   Lec.6    

 

Some Medically Important Bacteria

 

 

Staphylococcus: Cluster- Forming Gram +ve cocci:  

 

Staphyle: Greek word means a bunch of grapes. 

 

Staphylococci  belong  to  family:  Micrococcaceae  which  also 
includes: 
Micrococcus and Stomatococcus

 

Staphylococci are non- motile, non-spore forming, 
occasionally capsulated; catalase +ve, oxidase –ve whereas 
Micrococci are usually oxidase +ve. 

 

All Staphylococci produce catalase whereas Streptococci don't. 

 

Staphylococci  ferment  glucose,  facultatively  anaerobic, 
Micrococci are obligate aerobes. 

 

The  most  important  human  pathogen,  Staph.  aureus  contains 
protein A 
an antiphagocytic virulence factor in its cell wall. 

 

Most  strains  also  contain  clumping  factor  (bound  Coagulase)  on  their 
outer  surface,  which  binds  to  fibrinogen, thus  causing  the  organisms  to 
aggregate in plasma. Another (free) Coagulase causes clotting of plasma 
in a tube test, and distinguishes this species 

 

Staph. aureus is Coagulase +ve.

 

There  are  nearly  30  defined  spp.  and  sub  spp.  of  Staphylococci. 

Staphylococci are wide spread in nature, their habitats are skin and 

mucous  membranes  of  mammals  and  birds,  most  important  is  Staph. 

aureus which can  cause both superficial and deep pyogenic infections

 

as 

well 

as 

toxin-mediated 

illnesses.


background image

36 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Coagulase  –ve  Staph.  saprophyticus  is  an  important  urinary  tract 
infectious agent in women. 

 

Species of Staphylococci found on human skin include:- 

 

Staph.  epidermidis  (albus),  Staph.  haemolyticus,  Staph  hominis, 
Staph. capitis, Staph xylosus and others.
 

 

All of these are opportunistic pathogens especially in patients with 
intravascular catheters or implanted prosthetic devices. 

 

Stomatococcus  mucilaginosus  is  associated  with  an  aggressive 
endocarditis and bacteriaemias in immunosuppressed patients. 

 
 
 

 

Staphylococcus aureus:

 

 

Morphology and culture characters: 

 

Staph.  aureus  is  about  1µm  in  diameter,  arranged  in  clusters.     

On blood agar and nutrient agar (o/n at 37Oc), it forms colonies   
1-3  mm,  they  are  smooth,  low  convex,  opaque,  sometimes 
surrounded by a narrow zone of haemolysis on blood agar, 
Older colonies become translucent and sticky, some strains 
are  capsulated,  and  their  colonies  are  large  and  slimy.


background image

37 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Pigmentation:- 

 

Ranges  from  cream  to  gold.  Pigmentation  enhanced  on  fatty 
media, prolonged incubation and by leaving plates at room temp. 

 

Non- pigmented strains are not uncommon; grown anaerobically; 
colonies are often smaller and grayish in color. 

 

S. aureus tolerate conc. Of NaCl that inhibit most other bacteria. 

 


background image

38 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Enzymes & toxins:

 

 

S.  aureus  produces  many  enzymes  &  toxins,  some  of 
which are virulence factors such as 

Protein A, Capsule 

(some strains) & Peptidoglycan

.

 

 

Enzymes include bound & free Coagulase, Nucleases, 
Proteinase, Phosphatase & Fibrinolysin. 

 

Toxins include Enterotoxins A-E, toxic shock syndrome toxin 
(TSST-1), epidermolytic toxins A&B, Hemolysin α, β, Y and 
Leukocidins

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Coagulase test                               Catalase test 

 

S. aureus infections:

 

 

*  Folliculitis:  result  from  infection  of  the  hair  follicles  by 
S.aureus. 

 

*  Furuncles: infection leads to  the  formation of a  collection 
of pus caused by Coagulase: It is an enzyme that clots plasma 
and serves to wall off the infected site and impedes ingestion 
by 

phagocytic 

cells


background image

39 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

*Carbuncles: infection may spread from a furuncle to the 
subcutaneous  tissues.  They  are  serious  lesions  that  may 
result in blood stream invasion (Bacteremia). 

 

*  Impetigo:  A  highly  communicable  superficial  skin 
infection  characterized  by  large  blisters,  containing  many 
staphylococci in the superficial layers of the skin. 

 

*  Cellulitis  (skin  &  soft  tissues):A  diffused  inflammation  or 
submucosal tissue . 

 

*  Osteomyelitis:  The  bacteria  reach  the  bone  via 
hematogenous dissemination from a distant infection site. 

 

Broncho 

pneumonia 

(especially 

post-influenza):                    

a  complication  of  viral  influenza  associated  with  the 
formation of lung abscess. 

 

* Toxic shock syndrome (TSS): In human it is associated with 
a  sudden  onset of high fever, vomiting, diarrhea, muscles pain 
and rush. It may progress to sever shock with evidence of renal 
failure. 

 

*  Staphylococcal scalded  skin  syndrome:  It  usually  occurs  in 
young  children due to  exfoliatin toxin  production at  a  local  site 


background image

40 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

of  infection  (usually  the  nose)  which  causes  epithelial 
desquamation at remote sites of the body. 
*  Staphylococcal  food-poisoning:  S.aureus  produces  soluble 
Enterotoxins when grows in carbohydrate and protein foods. The 
toxin  acts  on  neural  receptors  in  the  upper  GIT  leading  to 
stimulation  of  the  vomiting  center  in  the  brain.  Within  4-6  hrs 
following ingestion of these preformed toxins, the patient exhibit 
symptoms  of:  Diarrhea,  abdominal  cramps,  acute  vomiting,  no 
fever and the recovery is rapid. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

41 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Biochemical characters: 
S.  aureus  ferments  a  range  of  sugars,  including  Mannitol. 
Coagulase  +  ve,  Voges-Proskauer  (acetion  production)  +  ve 
Gelatinase + ve, alkaline phosphatase + ve. Indole – ve 
Urease±�


background image

42 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 


background image

43 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Resistance to physical & chemical agents:

 

 

S. aureus is among the hardiest of the non-sporing bact. 

 

To antibiotics:

 

It withstands moist & heat at 60oc for 30 min. 

It is readily killed by phenolic & hypochlorite disinfectants. 

 

Sensitivity

 

Most clinical isolates of S. aureus are resistant to benzyl-penicillin, 
due to the production of a beta-lactamase that binds to the antibiotic 
and destroys it activity by opening it at the beta-lactam ring. 

 

Some S. aureus strains are resistant to the beta-lactamase resistant 
penicillins (Methicillin, cloxacillin, flucloxacillin….) 

 

 

 

These strains are called Methicillin-resistant S. aureus (

MRSA

) they 

spread world-wide and caused major therapeutic problems. 

 

The  Methicillin  resistance  implies  resistance  to  all  beta-
lactam antibiotics, including the cephalosporins. 

 

S.  aureus  strain  are  sensitive  to  the  glycopeptides 

Vancomycin 

which  used  in  treatment  of  serious  MRSA  infections

.


background image

44 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Diagnosis:

 

 

S. aureus is hardy and easy to recover from swabs, pus, tissues and blood 
cultures. 

 

It grows readily on blood, chocolate and nutrient agar at 37

o

c for 18- 

24hr. Gram stain slid & catalase test (+ve) must be done, also Coagulase 
test  (slide  or  tube  method)  and  finally  antibiotic  tests  appropriate  to  the 
clinical situation. 

 

Isolates or food samples examined by latex agglutination test for 
Enterotoxins. 

 

 

 

Coagulase-Negative Staphylococci:-

 

 

They all from clusters and colonies smaller but similar to those of 
S. aureus and are grey or white in color. 
 
These staphylococci are potential pathogens and some of them 
possess virulence factors similar to those S. aureus

 

Ssaprophyticus is an important cause of urinary-tract infection; 
other species cause opportunistic infections such as endocarditis 
of prosthetic heart valves. 

 

Hospital-acquired  infections  are  due  mostly  to  S.  epidermidis 
carried  by  staff  and  patients  in  cardiac,  orthopedic  or  neonatal 
intensive care units  and present problems both  of  diagnosis and 
management.


background image

45 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

                                                                                                                           4

rd 

stage   Lec.7    

 

Streptococcus and Enterococcus

:

 

 

- G+ve spherical bacteria form pairs or chain. 

 

- Old cultures lose their Gram positivity and appear to be G-ve. 

 

- Facultative anaerobes, non spore forming bacteria. 

 

-  Form  small  colonies on  agar  media  mostly with  hemolytic 
effect on blood agar. 

 

-  Catalase  –ve  (this  helps  to  distinguish  them  from 
Staphylococci). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

- Need enriched media to grow (e.g.: blood agar). 

 

- Growth and hemolysis are aided by incubation in 10% CO

2

 

- They are mostly commensal in mouth and throat. 

 

Strep. pyogenes and  Strepagalactiae are primary pathogens. 

 

Strepfaecalis  (Enterococcus) is commensal in the intestine. 

 

Peptostreptococcus is an obligate anaerobe. 

 
 

 

 


background image

46 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Classification of Streptococci:

 

Streptococci  are  a  heterogeneous  group  of  bacteria  and  no  one 
system suffices to classify them. 

 

Initial classification depends on the type of haemolysis produced 
on blood agar media:- 

 

1) β- haemolytic Streptococci:- 

 

Strains produce soluble Hemolysin (Streptolysin O & S) that 

 

Form a clear zone of hemolysis around their colonies on blood 

agar.  Strep pyogenes  (group A) is a main human pathogen. 

 

 

 

2) α- Haemolytic Streptococci:- 

 

Strains that do not produce soluble haemolysin and cause partial 

clearing, often a green coloration (α- hemolysis) e.g.:  Strep. Pneumonia. 

 


background image

47 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

3- Non- haemolytic Streptococci:- 

Strains that have no change around colonies on blood agar. e.g.:  Strep. 

mutans (dental caries). 

A practical classification of Streptococci is based on:- 

1- Colony morphology and haemolysis on blood agar. 
2- Biochemical reactions. 
3- Serological groups of cell- wall and capsule antigens 

 

Classification by serology:- 

 

Rebecca  Lancefield  (1933)  classified  different  groups  of  β-  haemolytic 
Streptococci into 20 serological subdivisions, depending on differences of 
polysaccharide antigens in the cell wall using the letters A---- H and K-, -
- V. 

 

e.g.:    Strep.  pyogenes  (group  A) 

Strep. agalactiae (group B) 

Streptococcus Pyogenes:- 

(Lancefield  group A) 

 

* G+ve cocci, occurring in chains, capsulated in very young cultures, 
non-motile and non-spore forming. 

 

* Facultative anaerobe grows best on blood agar. 

 

* Colonies are small, low convex, with matt (contain M protein) or 
glossy & mucoid surfaces (heavily capsulate). 

 

* Colonies on blood agar surrounded with clear, wide zone of 
hemolysis.


background image

48 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

*  Killed by  54

o

c  in  30min.  cultures  should be  stored  at  35

o

c  in 

blood broth or cooked-meat media or else freeze-dried. 

 

*  Sensitive  to  most  antiseptics,  benzyl  penicillin  and  a  wide 
range of antimicrobial drugs. 

 

*  Catalase  –  ve,  insoluble  in  bile,  PYRase  +  ve  (which 
distinguishes it from non-group A hemolytic streptococci). 

 

Enzymes & toxins:

 

 

S. Pyogenes produces exoproteins that play a part in pathogenesis 
such as:- 

 

1- Erythrogenic (Dick) toxin: causes the rash in scarlet fever the 
presence  of  antibodies  to  this  toxin  is  detected  by  Dick  test  in 
which a test dose of the toxin is injected intradermally. 

 

2- Haemolysin: It is of two kinds: 

 

a) Streptolysin O: oxygen- labile and antigenic. 

 

b)  Streptolysin  S:  oxygen-  Stable  causes 

hemolysis  around  colonies  on  aerobic  blood 
agar, it is not antigenic. 

 

3-  DNase:  (A,  B,  C,  &D):-  DNase  B  is  the  commonest  form  in  S. 
pyogenes.


background image

49 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

4-  Other  enzymes:  Streptokinase  (Fibrinolysin),  Hyluronidase, 
PYRase which formed only by group A strep. and enterococci. 

 

Cellular antigens:-

 

 

β- Streptococci are divided into 20 Lancefield groups by their cell 
wall antigen. 

 

The group A antigen is characteristic of S. pyogenes

 

M-protein

:  group  (A)  streptococci  is  subdivided  into  over  60 

Griffith's  serotypes  by  differences in  M  protein  antigen  on  their 
cell wall. 

 

M protein impedes phagocytosis, attachment to epithelial cells. 

 

T protein: 

It is a surface antigen in group (A) strains and is used 

as a typing marker in epidemiological studies. 

 

R  protein: 

Different  forms  of  this  antigen  present  in  group  A 

serotypes but their role is unknown. 

 

Pathogenicity:

 

 

S.  pyogenes.  Is  the  most  frequent  bacterial  cause  of  Pharyngitis 
and Cellulitis. It adhere to pharyngeal epithelium via pili covered 
by M- protein , it induce two important immunologic diseases : 

 

1- Rheumatic fever 

 

2-Acute Glomerulonephritis 

 

Lab Diagnosis:

 

 

  Swabs are taken from throat, nose, vagina or purulent lesion  

and cultured on blood agar plates, incubated: 

   Aerobically in 5-10% CO2 (Candle Jar)


background image

50 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

  Anaerobically  to  improve  haemolysis  and  group  A  strains 

that form only O- lysine fail to cause lysis on aerobic plates. 

   Microscopic examination of smear of pus to  detect short 

chain of G+ve cocci. 

   Examine of patient's serum for Streptococcal antigens. 

 

Haemophilus  haemolyticus  may  be  mistaken  for  β-haemolytic 
Streptococci,  but  their  haemolysis  is  stronger  on  aerobic  than 
anaerobic plates and it is resistant to penicillin. 

 

   Strep pyogenes does not grow on MacConkey agar but 

Strepagalactiae does. 

  Strep.   pyogenes  is  more  sensitive  to 

Bacitracin 

than  most 

other Streptococci, so this is used to detect  Strep pyogenes 
in  the  absence of  Lancefield grouping. A  disc  of  0.04 units 
of  Bacitracin is  plated on  a  cultured plate Streppyogenes 
should show a large inhibition zone. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  For Lancefield grouping a commercial kits for Streptococcal 

grouping are  widely used  because they  are  convenient and 
liable. 

  Serological  test  (e.g.:  Antistreptolysin  O  titer  (ASOT))  are 

used to confirm primary infections and for diagnosis of non- 
suppurative  sequelae  of  Strep.   pyogenes  infection,  such  as 
Rheumatic 

fever 

or 

Glomerulonephritis.


background image

51 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Streptococcus agalactiae (Lancefield group B):

 

  It is a major Streptococcal pathogen in sites other than the upper 

respiratory tract. They are associated with: 
Septicemia &  meningitis in  neonates, pneumonia, endocarditis, 
meningitis, Cellulitis and arthritis in adults. 

   It is β, α or non haemolytic on blood agar. 
   Colonies are grey, mucoid and larger than those of other 

Streptococci. 

  Specimens  of  patient  should  be  plated  on  MacConkey 

agar. (On which most stains grow) as well as on blood agar. 

  Penicillin and Gentamicin disks should be placed on the 

Blood  agar  so  that  α  and  non-  haemolytic  strains  can  be 
Suspected  from  their  penicillin  sensitive  and  Gentamicin 
resistant reactions. 

    Tests for identification of group B particularly for α and non- 

Haemolytic strains include:- 

1- The CAMP* reaction

 

2- Gram stain

 

   3- Lancefield grouping                    

 


background image

52 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

  CAMP  reaction:-  Detects  the  production  of  CAMP  factor  by 

group B  Streptococci which enhances the action of Staph          β- 
lysine.


background image

53 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

                                                                                                                                                        

                                                                                                                                   4

rd 

stage   Lec.8    

 

Non- beta haemolytic Streptococci:

 

 

They usually show α or non haemolysis on blood agar. 
The principle members are:- 

 

  

Streptococcus pneumoniae

 

  

Viridans Streptococci

: -     Strepmutans 

-    Strepsalivarius 
-    Strep milleri 

 

 

 
 

Streptococcus pneumoniae:-

 

 

Pneumococci are part of the normal naso & oropharyngeal flora of 
many  healthy  persons  (carriers),  though  they  are  involved  in 
infection of the upper and lower respiratory tract such as:- 

 

Bronchopneumonia, 

acute 

and 

chronic 

bronchitis, 

sinusitis, otitis media, meningitis, conjunctivitis, peritonitis 
and arthritis.
 

 

       They are G+ve cocci in pairs (diplococcic) Lancet- shape or 

short  chains,  non-motile,  non-  sporing  and  all  freshly  isolated 
strains are capsulated. 
 

  Aerobic  and  facultatively  anaerobic,  grow  best  in  5-10%  CO2 

(Candle  jar)  on  blood  or  chocolate  agar  (heated  blood)  which 
supplies nutrients bacteria need. 

 

  Colonies are small and flattened or depressed centrally (draught- 

sman form) with α-haemolysis zone around the colonies and that 
helps 

to 

identify 

the 

Pneumococci 

on 

blood 

agar.


background image

54 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

The organisms tend to die in cultures in 1-2 days and undergo 

autolysis. 

 

  Pneumococci are Catalase –ve, Oxidase +ve, soluble in bile salt 

which  is  a  valuable identifying property, produce acid  but  not 
gas from glucose, lactose, sucrose and inulin. 

 

   Killed by moist heat at 55oc in 10 minutes and readily by most 

disinfectants. 
 

   It should be freeze- dried for maintenance. 

 

  Highly  sensitive  to 

Optochin 

(ethyl  hydro  cuprein 

hydrochloride)  the  Optochin  sensitivity  test  provides  the 
simplest means of identifying Pneumococci and distinguishing 
them  from  viridans  Streptococci.  Most  strains  are  highly 
sensitive  to  benzyl  penicillin,  amoxicillin,  cephalosporin, 
erythromycin 

and 

 

 

 

 

 

 

cotrimoxazole.     


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

 
 

Differentiate characters of Pneumococci & Viridans Streptococci 

 

 

Character

 

Pneumococci

 

Viridans Streptococci

 

Morphology

 

Ovoid or lancet shape 
diplococci, or short 
Chains 

Short or long chains 
or rounded cocci 

Capsule

 

Present 

Usually absent 

Colonies

 

Flattened or draughts 
-man shape 

Convex 

Effect on blood

 

agar

 

Narrow zone of α- 
Haemolysis 

Wider or narrow 
Zone of α hemolysis 

Optochin

 

Sensitive 

Resistant 

Bile solubility

 

Inulin 
fermentation

 

Virulence in mice

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

50


background image

51 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

There  are  83  serotypes  of  Pneumococci  according  to  the 

nature of  their polysaccharide antigen of the capsule, which is 
partly  secreted  into  the  culture  media  in  the  form  of 

specific 

soluble  substance  (SSS). 

The  type  of  Pneumococci  is 

determined by its reaction with type- specific antisera. 

 

Quelling test:

-

 

 

This test is useful for rapid identification and typing of Pneumococci. 

When Pneumococci (in sputum or culture) are mixed on a slide with 
specific antipolysacchride serum of the same type (or polyvalent 
antiserum which contains antibodies to more than 80 types), the 

capsule swells and makes the cocci appear enlarged. 

 

 

Pathogenicity:- 

(fig)

 

Pneumococci produce disease through their ability to multiply 
in  the  tissues.  They  produce  no  toxins;  their  virulence  is  a 
function of their capsule, which prevents phagocytosis. 

 

The most important disease caused by Pneumococci is 

Pneumonia

Pneumococcal pneumonia is usually sudden, with fever, chills and 
sharp  pleural  pain,  the  sputum  is  bloody  or  rusty,  recovery  began 
between the fifth and tenth days of disease. 

 

The mortality rate is as high as 30%. 

 

Empyema:- 

(Pus in the pleural space) 

Is a significant complication and requires aspiration and drainage.


background image

52 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Pneumococci may reach other sites from the respiration tract such 
as: 

 - Sinuses (Sinusitis) 

 

- Middle ear (Otitis media) 

 

Meninges (meningitis) 

 

Treatment:-

 

 

Antimicrobial Therapy must be given early to terminate the illness 
and to avoid severe complications (e.g.: meningitis, endocarditis, 
septic arthritis). 

 

The penicillins are the drugs of choice. Penicillin- resistant strains 
have  appeared, they present little difficulty in  pneumonia, but  in 
meningitis, where limited amount of the drug reaches the central 
nervous system, they are a very serious problem. 

 

 

 

Genus: Enterococcus (Fecal Streptococcus):-

 

 

- Formerly classified is Genus: Streptococcus (Lancefield group D). 

 

Enterococcus faecalis and Enterococcus faecuim are the most 
important clinically. 

 

- They are G+ve cocci cells often in pairs or short chains. 

 

- Non- fastidious, non capsulated, α or non haemolytic on blood 
agar. 

 

- Resistant to 40% bile salts (grow on MacConkey agar). 

 

- Resistant to Optochin, grow at 45oc, vogues- proskauer +ve.


background image

53 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

- Some strains liquefy gelatin and produce H2S. 

 

- Normal habitat is the intestine of human & animals. 

 

- Most infections are endogenous. 

 

-  They  may  cause  urinary  tract  infection  (UTI), 

endocarditis, and septicemia after surgery. 

 

-  Drug  of  choice,  Penicillin  in  combination  with  amino 
glycosides.


background image

54 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

                                                                                                                           4

rd 

stage   Lec.9    

 

 

 

 

 
 
 

Neisseria:-

 

Neisseria, Moraxella: (Gram –ve cocci) 

 

The meningococci, N. meningitidis and gonococci, N. gonorrhea
are the important pathogens in genus: Neisseria. 

 

Other Neisseria species are commonly found as commensals in 
the upper respiratory tract. 

 
 
 

 

Neisseria meningitidis:-

 

 

- Oval G-ve diplococci with the long axes parallel. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

- Seen in large numbers inside polymorph nuclear leucocytes. 

 

- Capsules are not evident, non spore forming, non motile and 
palliated. 

 

- Aerobe, grow on enriched media (e.g.: blood agar, chocolate agar) 
under 5- 10% CO2.


background image

55 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

- Colonies on blood agar are 1-2mm, convex, grey & translucent, after 
48hs, colonies are larger with an opaque raised centre and thin 
transparent margins which may crenated. 

- Non-hemolytic, oxidase + ve utilize glucose & maltose, but not lactose or 
sucrose. 
 

 

 

 

 

-  Die  within  few  days  at  room  temp.,  but  culture  may  be 
maintained on chocolate agar slants in screw-capped bijou bottles 
for several weeks, freeze-drying for long term storage. 

 

- Killed at 55oc in 5min., readily killed by disinfectants. 

 

Pathogenicity:-

 

 

The nasopharynx is the portal of entry of meningococci, there the 

organisms attach to epithelial cells with the aid of pili. 

 

- From the nasopharynx, organisms may reach the blood stream 
(meningococcemia).


background image

56 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Meningitis:-

 

 

Is  the  most  common  complication  of  meningococcemia,  it  usually 
begins  suddenly,  with  intense  headache,  vomiting,  and  stiff  neck, 
progresses to coma within few hours. 

 

The  Meninges  are  acutely  inflamed,  with  thrombosis  of  blood 
vessels  and  exudation of  polymorph nuclear leukocytes, so  that  the 
surface of the brain is covered with thick purulent exudates. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Lab diagnosis:

 

 

Specimens may include: 1) Cerebrospinal fluid (CSF) 

 

2) Blood for culture. 

 

3) Aspirate from skin lesions. 

 

4) Pus from an infected joint. 

 

5) Nasopharyngeal swab from 

suspected carriers. 

 

- Swabs are plunged into transport media (e.g.: Stuart's media) for forwarding 
to the lab and all specimens must be submitted to the lab immediately. 

 

- Plate out specimens (The centrifuged deposit in case of CSF) on both blood 
and  chocolate  agar  and  incubate  at  37

o

c  in  5-  10%  CO

for  24  hr.


background image

57 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

- Examine Gram- stained smear, stain a second film with Methylene 
blue (in case of CSF, blood pus & aspirate) to detect the cell types. 

 

- G –ve diplococci may be seen inside pus cells, and many are 
extracellular. 

 

-  Colonies  of  Neisseria  on  solid  media  can  be  identified  by  the 
oxidase  test  (+ve)  and  can  be  further  identified  by  carbohydrate 
fermentation reactions. 

 

- Antibiotic sensitivity test must be done (Penicillin G is the drug of 
choice or Cefotaxime and Chloramphenicol). 

 

- Latex agglutination test for measuring Antibiotic to 
meningococcal polysaccharides and agglutination with type- 
specific or polyvalent serum. 

 

- If there is any doubt about the identity of the Neisseria, it should 
be forwarded to a reference lab for further examination.


background image

58 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Neisseria gonorrhea:-

 

 

Morphology  and  staining  of  N.  gonorrhea  are  identical  to  these  of  N. 
meningitidis, they are G-ve, non motile diplococci, individual cocci are kidney- 
shape, occur in pairs, the flat sides are adjacent, palliated. 
– Aerobe grows on enriched media 5-10 % CO

2

 

– Colonies are convex glistering, elevated and mucoid, non pigmented and non 
hemolytic oxidase +ve. 

 

– The main character that distinguishes the gonococcus from meningococcus 

is the ability to produce acid from glucose but not maltose. 

 

 

 

 
 

Pathogenesis:-

 

 

Gonococci attack mucous membranes of the genitourinary tract, 
eye, rectum and throat, producing acute suppuration followed by 
chronic inflammation and fibrosis. 

 

In males it causes urethritis with yellow creamy pus and painful 
urination; in female it causes vaginitis with mucopurulent 
discharge. 
– Gonococcal bacterium leads to skin lesions on the hands, forearms, 
feet and legs and to suppurative arthritis.


background image

59 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

– Gonococcal Opthalmia neonatorum, an infection of the eye of the 

newborn, is acquired during passage through an infected birth canal. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Lab. Diagnosis:-

 

 

The routine lab. Diagnosis of gonorrhoeae is as follows:- 

 

* Gram-stained smears of urethral discharge from men and urethral & 
cervical secretion from women are examined for 

Kidney- shaped G- 

ve intracellular diplococci with a few extracellular organisms (smear 
in this case reported + ve).

 

 

Approx. 95% of infected men & 60% of infected women will yield a 
+ ve smear. 

 

* Specimens are plated out on blood & chocolate agar and incubated 

under  5-10%  CO2  at  37

oc. To avoid overgrowth by contaminants, 

the  culture  medium  should  contain  antimicrobial  drugs  (e-g:  - 
Vancomycin, colistin, trimethoprim). 

 

*  Gram-stained  slide  and  oxidase  test  should  be  done  for 
suspected colonies (It should be G – ve diplococci, oxidase + ve). 

 

* Set up a rapid carbohydrate utilization test (RCUT). 

 

*  Plates  are  kept  for  48  hr  and  cultures  are  re-examined  before 
reported negative (- ve). 

 


background image

60 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

* Serological test (e-g: ELISA) are not very useful because of 
Gonococcal heterogeneity.


background image

61 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Antibiotic Sensitivity:

 

 

The gonococcus is usually sensitive to many antibiotics e-g: - 
Penicillin, Cefotaxime, Ciprofloxacin, Cotrimoxazole, Tetracycline, 
Erythromycin and Streptomycin. 

 

 

 

 

Moraxella:

 

 

Moraxella  catarrhalis  (Branhamella  catarrhalis)  is  the  only 
important  member  of  subgenus:  Branhamella.  They  are  G  –  ve 
diplococci kidney shaped, oxidase +ve, grow on simple media. It is 
N.F in R.T but has been isolated as causative agent of diseases e-g: 
Septic meningitisendocarditis, otitis media and bronchitis. 

 

* Any G – ve diplococcus recovered in large numbers from the 
lower R.T of patient with pneumonia should be considered. 

 

Branhamella is resistant to penicillin; it does not ferment glucose, 
maltose, sucrose or lactose. 

 

* Drug of choice is Erythromycin.


background image

62 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

                                                                                                                      

  4

rd 

stage   Lec.

10    

 

Gram-NegativeRods (Enterobacteriaceae) 

 

The Enterobacteriaceae are a large, heterogeneous group of G-ve 
rods whose natural habitat is the intestinal tract of humans and 
animals. 

 

The family includes many genera:- 

 

Escherichia.  Klebsiella.  Shigella.  Salmonella.  Enterobacter. 
Serratia 
and Proteus. 

 

Some  enteric  organisms  (e.g.:  E.coli)  are  part  of  normal  flora  and 
incidentally  cause  disease,  while  others,  the  salmonellae  and 
shigellae, are pathogenic to humans. 

 

Escherichia coli

 

 

 

Classification:

 

 

Family: Enterobacteriaceae 

 

Genus: Escherichia 

 

Species: Escherichia coli (E. coli) 

 

Escherichia  coli  is  a  common  inhabitant  of  the  intestinal  tract  of 
man  and  warm-  blooded  animals.  Most  strains  of  E.  coli  are 
harmless and are a part of the normal intestinal microflora. These 
strains  serve  a  useful  function  in  the  body  by  suppressing  the 
growth  of  harmful  bacteria  and  by  synthesizing  amounts  of 
vitamins(vitK2).


background image

63 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Escherichia  coli    is    G-ve,  non-spore  forming  rod.  80%  of  strains 

are motile. Facultative anaerobe. Grows between   37-44oC, ferment 
lactose and grow as smooth pink colonies on MacConkey agar. 

 

 

 

 

All  strains  of  Escherichia  are  Indole  +ve,  methyl-red  +ve,  Voges- 
Proskauer  –ve,  Citrate  –ve,  Urease-ve,  oxidase  -ve;  they  do  not 
produce  H2S  in  Triple  sugar-  iron.  Most  strains  produce  gas  from 
glucose. 

 

 

 

Many  strains  are  harmless.  Found  in  raw  milk,  raw  meat,  non- 

chlorinated water, contaminated fruits and vegetables. 

 

E.coli in human infections:

 

 

It  is  predominant  in  the  healthy  human  intestine  and  is  thus  an 
indicator  of  faecal  pollution  in  water  supplies.  It  is  able  to  cause 
frequent 

opportunistic 

infections:


background image

64 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Peritonitis, appendix abscesses, septic wounds, Bacteraemia and 
occasionally meningitis in neonates.

 

 

E.coli stains are the commonest cause of infections of the lower 
urinary tract (UTI) and pylonephritis. An increasing number of 
strains are recognized as primary gastrointestinal pathogens causing 
diarrheal diseases. 

 

Types of Pathogenic E.coli:-

 

 

 

there are 4 strains or categories that cause diarrheal illnesses or 
disease 

 

1)  EHEC  (enterohemorrhagic  E.  coli):  Shiga  toxins;  bloody 
diarrhea,  One  serotype,  E.  coli  0157:H7  is  responsible  for  the 
majority of the bloody diarrhea that occurs due to the production of 
Shiga toxins. 

 

 

2) ETEC (enterotoxigenic E. coli): Secretory toxins; watery diarrhea 
with nausea, abdominal cramping, and fever. 

 

3) EPEC (enteropathogenic E. coli): toxin similar to Shigella toxin; 
watery or bloody diarrhea .childhood diarrhea. 

 

4)  EIEC  (enteroinvasive  E.  coli):  invade  epithelial  cells;  mucoid, 
bloody  diarrhea  and  fever  .Shigella-like  dysentery  with  blood  and 
mucus. 

 

Treatment: 

 

Gentamicin and sulpha drugs.


background image

65 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Klebsiella: 

 

Klebsiellae  are  everywhere  in  nature,  in  humans  they  can 
inhabit:- 

 

 

  The  skin,  pharynx and  gastrointestinal tract  as  part  of 

the  normal flora. 

    The  respiratory tract,  urogenital tract  and  sterile  wounds 

 

It  is  an  opportunistic  human  pathogen.  Klebsiella    is 

responsible  for  a  large  number  of  nosocomial  infections  in 

hospitalized patients 

 

. These  infections include: 

 

 

   Respiratory infections, such  as bronchitis. 
   Urinary tract  infections. 
    Surgical wound infections. 
   Bacteremia. 
   Biliary  tract  infection. 

 

 

Characteristics: 

 

 

  Gram-negative rod-shaped  bacteria with  a polysaccharide 

capsule. 

  Non-spore forming. 

   Non-motile. 

   Aerobic  and  facultatively anaerobic. 

   Lactose  fermentors (pink  colonies  on  MacConkey agar) 

   Moist  and  mucoid colonies  texture. 

   Oxidase negative. 

 

 


background image

66 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

   Voges-Proskauer positive 
   Indole  negative 

 

 

   Simmons's citrate  positive 

 


background image

67 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

The virulence factors of Klebsiella are:

 

 

 

   Capsular antigens (K antigens) 
   Pili (Fimbriae): (adherence). 
  Siderophores 

Siderophores  are  high-affinity,  low  -molecular-weight  iron 

chelators  secreted  by  bacteria  and 

are 

capable  of 

competitively taking up  iron bound to host  proteins. 

 

   Toxins: 

Some  strains  of  K.  pneumoniae  produce  a  heat-stable 

Enterotoxin  gives  rise  to  diarrhea.  Endotoxins  of  Klebsiella  

are  the  lipopolysacchrides (LPS) in the  outer  membrane. 

 

   Biofilm formation: 

Klebsiella    is  one  of  the  pathogens  that  are  able  to  form 

biofilm,  which  is one  of its virulence factors. 

 

 

The most important member of this genus is: 

 

 

Klebsiella Pneumoniae (K. aerogenes)


background image

68 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Epidemiology: 

 

 

The  most  common  infection caused  by  Klebsiella    bacteria is 
pneumonia.  Clinical  symptoms  are:  severe,  rapid  onset  of  high 
fever,  cough  with  blood  jelly  sputum,  the  infection  may  lead  to 
destroying  of  lung    tissue    and  causes    pleural  abscesses. 
Mortality in Klebsiella pneumonia is around 50%. 

 

LABORATORY DIAGNOSIS: 

 

1-  Specimens:  Urine,  sputum,  pus,  infected  tissue,  a  swab  of  a 
surgical wound. 
2-  Microscopy:  in  a  Gram  stained  slide,  Klebsiella  appears  as 
short, plump, gram- negative bacilli and has a big capsule. 

 

 

3-  Culture:  Media  are  MacConkey,  blood  agar.  Klebsiella 

produces mucoid colonies, and lactose fermentors. 

 

4- Serology: Using pooled antisera to detect monovalent, specific O 
and K- antigens 

.


background image

69 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

                                                                                                          4

rd 

stage   Lec.

11    

 

 

Salmonella 

 

Family:

Enterobacteriaceae 

 

Genus:

Salmonella 

 

 

     

Species:

 

       Salmonella  typhi 
     Salmonella  paratyphi 
     Salmonella  typhimurium 
     Salmonella  enteritidis 
     Salmonella enterica & others

….

 

 

.                                                         

 

 

Morphology:

- 

 

-Salmonella are gram-negative, non spore forming bacilli. 

 

- Most species motile, with peritrichous flagella. 

 

-They  form  acid  and  usually  gas  from  glucose,  maltose, 
mannitol, but do not ferment lactose, sucrose. 

 

-Salmonellae  are  resistant  to  freezing  in  water  and  to  certain 
chemicals, e.g.: brilliant green, sodium tetrathionate and sodium 
deoxycholate;  such  compounds  inhibit  coliform  bacilli  and  are; 
therefore, 

useful 

for 

isolation 

of 

Salmonellae.


background image

70 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

-Salmonella  species  can  be  identified  by  biochemical  tests  and 
antigenic analysis. 

 

Classification:- 
The genus Salmonella is classified into serotypes, according 
to the surface antigens. There are 3 main antigens:- 

 

1- "H" or flagellar antigen 

 

It is   inactivated  by heating over 60o  c and also by alcohol and 
acids.      With  sera  containing  anti-H  antibodies,  such  antigens 
agglutinate rapidly in large fluffy clumps. 

 

2."O" or somatic antigens 

 

It  is  part  of  the  bacterial  cell  wall  and  is  resistant  to  prolonged 
heating at 100 c, to alcohol, and to dilute acids. 

 

3. The"Vi" antigens 

 

Capsular  antigens  that  are  present  at  the  periphery  of  the 
bacteria.Vi  antigens  are  destroyed  by  heating  for  1  hour  at  60  c 
and by acids and phenol. Cultures possessing Vi antigens tend to 
be more virulent than those lacking them. 

 

 

Toxins:- 

 

 

As  in  all  gram-negative  bacteria,  the  cell  walls  of  salmonellae 
contain lipopolysacchrides (LPS). These are liberated upon lysis of 
the  cell  and  act  as  endotoxins.  Salmonella  also  produces  another 
toxin  called  enterotoxin.  The  Salmonella  enterotoxin  is  readily 
degraded  by  heat,  so  proper  cooking  of  food  will  destroy  the 
activity of the toxin. The enterotoxin remains inside the bacteria, so 
the  toxin  concentration  increases  with  the  increase  in  bacterial 
numbers. 


background image

71 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Pathogenesis:- 

 

  Salmonella  may  cause  several  diseases  including  gastroenteritis, 

enteric(typhoid) fever or septicemia. 

 

 Disease  is  initiated  by  oral  ingestion  of  the  bacteria  followed  by 

colonization  of  the  lower  intestine.  The  bacteria  are  capable  of 
mucosal  invasion,  which  results  in  an  acute  inflammation  of  the 
mucosal cells. This increases fluid production and release of fluid into 
the 

intestinal 

lumen, 

resulting 

in 

diarrhea.


background image

72 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

  

Salmonella  gastroenteritis  (food  poisoning)  is  the  most 

common  form  of  salmonellosis  and  generally  requires  an  8-48  hour 
incubation  period  and  may  last  from  2-5  days.  Symptoms  include 
nausea,  vomiting  and  diarrhea.  Salmonella  enteritidis  is  the  most 
common isolate. 

   Enteric  or  typhoid  fever  occurs  when  the  bacteria  leave  the 

intestine  and  multiply within  cells  of  the  reticuloendothelial  system. 
The  bacteria  then  re-  enter  the  intestine,  causing  gastrointestinal 
symptoms. Typhoid fever has a10-14 day incubation period and may 
last for several weeks. Salmonella typhi is the most common species 
isolated. 

 

      Bacteremia  does  occur  in  5  percent  of  adults  with  Salmonella 

gastroenteritis  and  can  result  in  hematogenous  spread  to  the  heart 
(endocarditis),  spleen,  bone  (Osteomyelitis),  and  joints  (reactive 
arthritis), although blood cultures are rarely positive. 

 
 

Diagnosis: 

 

 

Salmonella  bacteria  can  be  detected  in  stool  or  blood  cultures. 
Specimens  are  blood  or  feces.  In  the  stool,  the  laboratory  is 
challenged to pick out Salmonella from 
many other similar bacteria that are normally present. 

 

The main steps for isolation are: 

 

 

1-  Enrichment  culture:  The  specimen  (usually  stool)  is  put  into 
Tetrathionate broth 
1-2  days  to  inhibit  normal  flora  and  permit  replication  of 
salmonellae. 

 


background image

73 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

2- Inoculation on: 

 

 

   MacConkey agar: (Non-lactose fermentor colonies). 

 Salmonella-Shigella  agar  (S.S  agar):  permit  good  growth  of 

salmonellae over other Enterobacteriaceae. 

 Bismuth  sulfite  agar  permits  rapid  detection  of  S.typhi 

which  forms  black  colonies  because  of  H2S  production.


background image

74 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

3- Final identification: 

 

 

Biochemical  reactions:  Indole  –ve,  Motility  +ve,  Urease  –ve,         
TSI – 
alkaline/acid/gas/hydrogen sulphide. 

 

 

Transmission and epidemiology:- 

 

Source of infection: the sources of infection are food and 
drink that have been contaminated with Salmonella

 

Enteric fever is generally transmitted from person to person or 
contaminated food or water with human feces and an asymptomatic 

human carrier. 

 

Treatment: 

 

Treatment with antibiotics is not usually necessary; however, 
if the infection spreads from the intestines, the infection can 
be 

treated 

with 

Ampicillin, 

Gentamicin, 

trimethoprim/sulfamethoxazole,  ceftriaxone,  amoxicillin,  or 
ciprofloxacin. 

 
 
 


background image

75 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Rapid tests:- 

The  length  of  time  required  to  isolate,  serogroup  and  serotype 
Salmonella has led  to  several  alternative techniques  to develop 
for speeding up the procedure. Some of these are:

 

 

 

     Immunoassay

 

     PCR

 

     Gene sequencing- DNA hybridization

 

ELISA 

rapid 

test


background image

76 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Shigella

 

 

Family: 

Enterobacteriaceae 

 

Genus

: Shigella 

 

 

     

Species:

 

     Sh.dysenteriae 
     Sh.flexneri 
     Sh.boydii 
     Sh.sonnei 

 

Morphology& Characteristics: 

 

G-ve rods, non motile and usually do not ferment lactose, but do 
ferment other carbohydrates, producing acid  but not gas, they do 
not  produce  H2S. Colonies are about 2mm convex, circular, and 
transparent on MacConkey agar (lactose non-fermentor). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pathogenicity: 
- Shigella infections are limited to gastrointestinal tract. 

 

- Highly communicable. 

 

-  The  infective  dose  is  less  than  103organisms.-  After  (1-2 
days) incubation period, there is a sudden onset of abdominal 
pain, fever, and watery diarrhea due to exotoxin acting in the 
small  intestine,  stool  often  contains  mucus  and  blood.


background image

77 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Shigella  invade  the  mucosal  epithelium  of  the  intestine 

causing abscesses in the wall of the large intestine which leads 
to  necrosis  of  the  mucous  membrane,  superficial  ulceration, 
bleeding  and  formation  of  a  "pseudomembrane"  on  the 
ulcerated area. 

 

- Symptoms subside spontaneously in 2- 5 days. However in 
children and elderly disease may lead to dehydration and even 
death. 
-Epidemiologically, shigellae are transmitted by "food, fingers, 
feces and flies" from person to person. 
Toxins: 

 

1-  Endotoxin:  (lipopolysaccharide)  upon  lysis,  causes  irritation 
of the bowel wall. 
2-  Shigella  dysenteriae  Exotoxin:  A  heat-  labile  exotoxin  that 
affects  both  the  gut  and  the  central  nervous  system,  and  may 
contribute  to  the  severity  and  fatal  nature  of  Sh.  dysenteriae 
infections. 

 

Diagnosis: 

 

1- Specimens: stool or rectal swabs for culture. Serum specimens 

must  be  taken  10  days  apart  to  demonstrate  a  rise  in  antibodies 
titer. 

 

2-  Culture:  a)  Specimens  are  cultured  on  differential  selective 
media e.g.: MacConkey or EMB agar, and on thiosulfate-citrate- 
bile  agar,  which  suppress  other  Enterobacteriaceae  and  G+ve 
bacteria. 

 


background image

78 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

b)  Colorless  (non-lactose-  fermentors)  colonies  are  inoculated 
into TSI: 

 

 

Alkaline/acid/no gas/no hydrogen sulphide and non motile are 
suspected to be Shigella spp. and should be subjected to slide 
agglutination by specific Shigella antisera

 . 

 

Treatment: 

 

Chloramphenicol, Ampicillin, tetracycline, and trimethoprim are 

most  Commonly  inhibitory  for  Shigella  isolates  and  can 
suppress 

acute 

clinical 

attacks 

of 

dysentery.


background image

79 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

                                                                                                       4

rd 

stage   Lec.

12    

 

Genus: 

Proteus          

 

Proteus is Gram-negative Proteobacteria. Proteus bacilli are widely 
distributed  in  nature  as  saprophytes.  They  are  opportunistic 
pathogens, commonly responsible for urinary and septic infections, 
often nosocomial. 

 

The most important species are:- 

 

1P. vulgaris, 

 

2P. mirabilis, 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Identification 

 

 

Proteus  species  do  not  usually  ferment  lactose.  It  is  oxidase-
negative  but  catalase-  and  nitrate-positive.  Specific  tests  include 
positive  Urease  (which  is  the  fundamental  test  to  differentiate 
Proteus  from  Salmonella).  Proteus  mirabilis  and  Proteus  vulgaris 
can  be  differentiated  by  an  Indole  test  for  which  only  Proteus 
vulgaris 

tests 

positive.


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

75


background image

76 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

Swarming: 

 

Proteus  is  unique,  however,  because  it  is  highly  motile  and  does  not 
form  regular  colonies.  Instead,  Proteus  forms  what  are  known  as 
"swarming  colonies"  when  plated  on  non-  inhibitory  media.  Swarming 
is  inhibited  on  MacConkey  agar  by  bile  salt.  Swarming  give  rise  to  a 
very thin film of bacteria on the agar surface, but swarming periods are 
interspersed with periods when cells stop and undergo a cycle of growth 
and division so that the colony has a distinct zonation. 

 

Pathogenicity: 

 

 

 

Proteus can cause:1- Urinary tract infections 

 

 

       2- Hospital-acquired infections 

 
 

More  than  40%  of  nosocomial  infections  are  those  of  the  urinary  tract, 
most  of  these  occurring  in  catheterized  patients.  Bacterial  colonization 
(including Proteus mirabilis) of the urinary tract and catheters results not 
only  in  infection,  but  also  various  complications,  such  as  blockage  of 
catheters  with  crystalline  deposits  of  bacterial  origin,  generation  of 
gravels and pylonephritis. 

 

About  10-15%  of  kidney  stones  are,  caused  by  alkalinization  of  the 
urine  by  the  action  of  the  Urease  enzyme  (which  splits  urea  into 
ammonia and carbon dioxide) of Proteus (and other) bacterial spp. 

 

Proteus species have also been recovered from infected wounds and 

abscesses  and  from  cases  of  otitis  media,  meningitis,  septicaemia 

and Osteomyelitis

 

 
 


background image

77 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

P. mirabilis: 

 

Proteus  mirabilis  is  the  commonest  species  of  Proteus  in  human 
infections.  It  can  be  found  as  part  of  the  micro  flora  in  the  human 
intestine. This organism is not usually a pathogen, but does become a 
problem  when  it  comes  into  contact  with  urea  in  the  urinary  tract. 
From there, infection can spread to other parts of the body. P. mirabilis 
for  most  of  the  urinary  tract  infections  that  occur  in  hospital  settings 
and  for  90%  of  Proteus  infections  It  has  at  least  10  adhesion  factors 
making  this  organism  extremely  sticky  and  motile.  It  can  be  easily 
identifiable in a blood  agar  plate by the formation of  concentric rings 
of its swarming movementaccounts. . It is motile; The endotoxins of its 
LPS membrane elicit an inflammatory response from the host. 


background image

78 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

Pathogenicity: 

 

P.  mirabilis  produces  Urease,  an  enzyme  that  converts  urea  into 
ammonia by the following process: 

 

(NH2)2CO→ 2NH3 + CO2. 

 

Infection  by  P.  mirabilis  can  therefore  be  detected  by  an  alkaline 

urine sample (pH 8 and up) with large amounts of ammonia. 

 

P. mirabilis can be  found as a free-living microbe  in  soil  and  water. 
The  organism  is  also  normally  found  in  the  gastrointestinal  tract  of 
humans. 

 

Urinary tract infections (UTI) are very painful and can become lethal 
if the infection spreads to other systems in the body. 

 

P.  mirabilis  causes  urinary  tract  infections  primarily  through 
indwelling  catheters.  P.  mirabilis  can  then  adhere  to  the  insides  and 
outsides  of  the  catheter,  forming  biofilm  communities.  Once 
established,  these  microbes  pass  through  the  urethra  via  swarming 
motility  to  the  bladder.  P.  mirabilis  binds  to  bladder  epithelial  cells 
where  it  eventually  colonizes. P. mirabilis  infection  can also  lead  to 
the  production  of  kidney  and  bladder  stones.  The  bacteria  colonize 
the  stones  as  they  form,  making  them  less  accessible  to  antibiotic 
attack. 

 

Most  strains  of  Proteus  mirabilis  are  sensitive  to  Ampicillin  and 
cephalosporins.  Unlike  Proteus  vulgaris  which  is  not  sensitive  to 
these antibiotics. However, this organism is isolated less often in the 
laboratory  and  usually  targets  immunosuppressed  individuals

.


background image

79 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Pseudomonas 

 

Pseudomonas is 

genus 

of the famil

Pseudomonadaceae

 

This  genus  is  widespread  in  nature,  inhabiting  soil,  water,  plants, 

animals,  and  present  in  small  numbers  in  the  intestinal  flora  and  the 

skin of humans. 

 

Characteristics:- 

   Gram –ve, rod shaped and polar-

flagella 

bacteria. 

   One or more polar flagella, providing motility 
   Strictly Aerobic, 
   Non–spore forming 
   Lactose non- fermenting 
   positive catalase tes
   *Positive oxidase test. 
 More  than  half  of  all  clinical  isolates  produce  the  blue-green 

pigment  pyocyanin.  Pseudomonas  often  has  a  characteristic 
sweet odor. 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Biofilm formation:- 
 

A significant number of cells can produce exopolysaccharides known 
as  biofilm,  which    makes    it    difficult    for    pseudomonads    to    be 

 

phagocytosed 

by   

 white    blood  cells

,  and      difficult      to      remove   

from     food     preparation     surfaces.     Growth     of pseudomonas  on 
spoiling foods can generate a "fruity" odor. 
Pseudomonas  has  the  ability  to  metabolize  a  variety  of  diverse 
nutrients. 


background image

80 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Combined with  the  ability  to  form  biofilms,  they  are  thus  able  
to  survive  in   a  variety  of unexpected   places.   For   example,   
they   have   been   found   in   areas   where pharmaceuticals  are 
prepared,  a  simple  carbon  source,  such  as 

 soap 

residue.  Other 

unlikely  places  where  they  have  been  found  include 

 antiseptics

an

bottled mineral water

 

 

 

 

 

A biofilm microcolony formed by P.aerugenosa 

 

Pigment production:- 

 

The  Pseudomonas  group  produces  water-  soluble  pigments.  Strains 
of P.aerugenosa producedifferent pigments: 

 

-  The  nonfluorescent  bluish  pigment  pyocyanin,  which 
diffuses into the agar. 

 

-The fluorescent pigment pyoverdin which gives a greenish color to 
the agar. 

 

-Some   strains   produce   the   dark   red   pigment   pyorubin   or  

the   black   pigment pyomelanin. 

 

Other      Pseudomonas      species      are      nonpigmented      (e.g.      
P.mallei)


background image

81 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Pathogenicity:- 
The  members  of  this  genus 

  are  opportunistic  pathogen

s  and 

demonstrate  a  great  deal  of 

metabolic 

diversity,  some  (e.g.: 

P.alcaligenes)  are  capable  of  growth  at  4oc  which  may  result  in 
fatal  infection  if  contaminated  products  are  refrigerated  and  later 
used for  intravenous  therapy.  Two  species,  P.  pseudomallei  and 
P.  mallei,  cause  severe  and  often  fatal  infections  and  must  be 
processed with extreme caution in the laboratory. 

 
 

Pseudomonas  aeruginosa  can  transmit  through  contaminated 

water,  Inhalation  of  aerosols,  Medical  devices  rinsed  with  the 
contaminated water or indirect contact from contaminated surfaces 
via health worker’s hands. 

 

Pseudomonas  aeruginosa  is  invasive  and  toxigenic  and  has 
become an important cause of infection, especially in patients with 
compromised  host  defense  mechanisms.  It  is  the  most  common 
pathogen isolated from patients who have been hospitalized longer 
than 1 week. It is a frequent cause of nosocomial infections such as 
pneumonia, urinary tract infections (UTIs), and Bacteremia. 

 

Pseudomonal  infections  are  complicated  and  can  be  life 
threatening.  Adding  to  its  Pathogenicity;  this  bacterium  has 
minimal  nutritional  requirements  and  can  tolerate  a  wide  variety 
of physical conditions. 

 
 

SkinPseudomonas does not grow on dry skin, but it flourishes 
on  moist  skin.  Green  nail  syndrome  is  an  infection  that  can 
develop in individuals whose hands are frequently submerged in 
water;  it  also  causes  secondary  wound  infections  that  have 
characteristic blue-green pus with a fruity odor. 


background image

82 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

 


background image

83 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Burns infectionsPseudomonas also has emerged as an important 
source  of  burn  wound  sepsis.  Invasive  burn  wound  sepsis  is 
defined  as  the  bacterial  proliferation  of100,000  organisms  per 
gram of tissue, with subjacent involvement of subjacent unburned 
tissue. 

 

Eye:-P  aeruginosa  is  a  common  cause  of 

 bacterial  keratitis

scleral  abscess,  and 

 endophthalmitis 

in  adults  and  ophthalmia 

neonatorum in children. 

 

Symptoms  are  pain,  redness,  swelling,  and  impaired  vision  and 
may lead to rapid destruction of the eye. 

 

 
 
 
 

 

 
 
 
 

The bacterium is often found in mild otitis externa in swimmers. 
aeruginosa 
may invade the bloodstream and result in fatal sepsis 
or meningitis. 

 

Diagnosis:- 

 

 

1-  Pseudomonas  will  grow  well  on  blood  agar,  sometimes  with 

hemolysis;  appear  on  culture  in  green  color  after  few  days. 
Lactose 

non- 

fermentor 

on 

MacConkey 

agar. 


background image

84 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

2-  Sometimes produce a sweet or grapelike odor. 
3-  gram stain(gram negative ) 
4-  oxidase +ve, catalase +ve 
5-  grow in 42C* 
6-  floursent under UV. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Treatment:- 

 

 

Pseudomonas  aeruginosa  is  frequently  resistant  to  many 
commonly used antibiotics and should not be treated with single- 
drug therapy. The combination of gentamicin and carbenicillin is 
frequently used to treat severe Pseudomonas infections. 

 

Use as bioremediation agents 

 

Some members of the genus Pseudomonas are able to metabolize 
chemical pollutants in the environment, and as a result can be used 
for 

  bioremediation 

(e.g. 

P.  pseudoalcaligenes 

is  able  to  use 

 

cyanide 

as 

nitrogen 

source).


background image

85 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

                                                                                                                 4

rd

 stage   Lec.

13    

 

 
 

Genus: Vibrio 

 

Family: Vibrionaceae 

 

The important genera belonged to this family are: 

 

1- Genus: Vibrio 

 

2- Genus: Aeromonas 

 

3- Genus: Plesiomonas 

 

About  12  of  the  35  Vibrio  species  have  been  implicated  in 
gastrointestinal  and  extra  intestinal  infections  in  man.  The  most 
important  of  these  is  V.cholerae.  Other  species  of  Vibrio  are:  V. 
parahaemolyticus, V. vulnificus, V.mimicus, 
and V. alginolyticus. 

 

Vibrio cholerae: 

 

V. cholerae is short, often curved, gram –ve rods, motile by a single 
polar  flagellum,  facultatively  anaerobes,  oxidase  +ve  and  reduce 
nitrate to nitrite. 

 

- Whereas most Vibrio species are halophilic grow optimally with 3% 
NaCl, V. cholerae is non- halophilic and grow well in ordinary media. 

 

- It forms a fine surface pellicle in liquid media e.g. peptone water. 

 

-  Most  strains  grow  well  on  MacConkey  agar  giving  pale  colonies 
(lactose non- fermenting). 

 

- The optimal pH for V. cholerae is 8.2. Alkaline peptone water (pH: 
8.6)  is  useful  for  enrichment  of  vibrios  from  feces  or  other 
contaminated materials. 

 


background image

86 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

-  Their growth is  inhibited  in  acidic condition  (pH<  6.8) and they are 
rapidly killed at pH<5.0.

 

 

 

-  survive  up  to  a  few  days  on  moist  fruits,  vegetables,  and  cooked 
foods. 

 

- Easily killed by disinfectants and moist heat (56oc in 30 min.). 
 
 

Selective  media  for  isolation  of  V.  cholerae  is  TCBS  agar 

(thiosuphate  citrate  bile-  salts  sucrose),  on  this  media  V.  cholerae 
colonies  are  yellow  (sucrose-  fermentor)  and  other  sucrose  non- 
fermentor vibrios (e.g.: V. parahaemolyticus) are green


background image

87 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Differential tests: 

 

  String test is used to separate Vibrio spp. from Aeromonas and 

 

Plesiomonas.  In  this test,  organisms  are  emulsified in  0.5%  Sodium 

deoxycholate,  which  lysed  the  vibrio  cells,  but  not  those  of  
Aeromonas  spp.and  Plesiomonas  spp.  with  cell  lysis  there  is  release 
of DNA,which can then be pulled up into a string using a inoculating 
loop. 

 

 

 

        V.cholerae cell                                     growth on TCBS                                   String test 

 

  V.cholerae and V. mimicus are the only Vibrio spp. that do not 

require  salt  for  growth.  A  key  test  in  separating  other  vibrios 
which are halophilic is growth in nutrient broth with 6% NaCl. 

  The  colonies  of  vibrios  resemble  those  of  the  family 

Enterobacteriaceae,  but  differ  by  their  positive  oxidase  test. 
The  oxidase  test  must  be  performed  from  medium  with 
fermentable sugar (e.g.: lactose in MacConkey agar or sucrose 
in TCBS) to avoid a false – ve test if pH is below 5.1. 

 

 

Antigenic structure: 
All  strains  of  V.cholerae  share  a  common,  heat-  labile  H  flagellar 
antigen that is of no value in epidemiological studies. 
V.cholerae  serotypes  are  based  on  somatic  (O)  antigens.  Serotype 
O1  is  the  most  important  because  almost  all  strains  isolated  from 


background image

88 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

epidemic  cholera  have  belonged  to  serogroup  O1.  Serotype  O1  is 
further divided into two biotypes: Classical and El Tor. 
The El Tor biotype named after the quarantine camp where it was first 
isolated  from  pilgrims  returning  from  Mecca,  differs  from  classical 
type, and has now spread and largely

 

displaced the classical biotype. 

 
In 1992 a new non- O1 strain (O139) arose in south India. 
 
The  name  "Non-Cholera  Vibrio"(NCV)  is  used  for  strains  of 
V.cholerae  of  serotypes  O2  to  O138  to  distinguish  them  from  the 
strains of serogroup O1 and O139 which are associated with epidemic 
cholera. 
Other species of Vibrio cause a variety of infections in humans. 

 

 


background image

89 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

 

Biotypes 

El Tor 

classical 

 

 
 
 
 

Ogawa

 
 

 

V.cholerae 

Serotype O1             serosubgroups                   Inaba 

Hikojima

phage types 

 

 

genus Vibrio                               non-O1 – other serotypes 

non-agglutinating vibrios 
non-cholera vibrios 

other species 

V. parahaemolyticus—food-associated diarrheal disease 
V. vulnificus—wound infection; septicemia 
V. alginolyticus—otitis externa; wound infection 

 
 
 
 
 

Pathogenesis: 

Cholera is an acute, non-invasive infection of gastrointestinal tract. 

Incubation period  is1-4  days. There  is  a  sudden onset  of  nausea and 
vomiting and profuse diarrhea with abdominal cramps. The mortality 
rate without treatment is 25%- 50%. 

 

The  organisms  do  not  reach  the  blood  stream,  but  remain  with  the 
intestinal tract, where they multiply and liberate enterotoxin [(Cholera 
toxin  (CT)],  which  causes  mucosal  cells  to  hyper  secret  water  and 
electrolytes  and  results  in  profuse  watery  diarrhea  (resembles  rice 
water) leading to fluid loss, then severe dehydration and hypotension, 
if untreated lead to death 

 

 


background image

90 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Lab Diagnosis: 
Specimen should be processed without delay, or should be placed in a 
liquid alkaline transport medium to prevent the overgrowth of other 
organisms. 
1) Inoculation in Alkaline peptone water and incubation for 6-8 hr. 

2) Then inoculation on TCBS for 24hr at 37oC→ large, yellow. 
Translucent colonies(suspected colonies). 
3) For final diagnosis colonies should be transferred onto: 

a) Kligler: (double sugar fermentation, gas +ve, H2S +ve) 

b) Semi solid Mannitol: (motile, Mannitol fermentation +ve). c) 
Alkaline peptone water (Indole +ve, V.P. +ve). 

4) Oxidase test +ve (done with wooden stick to avoid false +ve result). 
5) The API 20E system gave accurate identification of vibrios. 
6) Agglutination tests using anti- O1 antiserum. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Kligler test                                                              Oxidase test 

 

 

 API 20E system


background image

91 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Treatment: 
The  most  important  part  of  therapy  is  water  and  electrolyte 
replacement to correct severe dehydration and salt depletion. 

Most strains are sensitive to Tetracycline, Chloramphenicol, 
Ampicillin and Trimethoprim.


background image

92 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

                                                                                                                                                

4rd stage   Lec.13 

     

 

The Gram positive spore- forming rod 

 

These rods are divided into: 

 

1) Aerobic (Bacillus) 

 

2) Anaerobic (Clostridium) 

 

Genus: Bacillus 

 

The most important pathogenic member belonged to this genus is: 

 

Bacillus anthracis

 

 

General characters: 

 

It  is  one  of  the  largest  bacteria  (4-  10µm)  in  length.  The  end  of  the 
bacillus is concave and swollen (bamboo stick). They occur in chains, 
long chains are formed in culture but short chains formed in the host 
body. Capsules are found in smears from infected animals, but not in 
culture except in enriched media. Spores are formed in soil only; they 
are seen either free or in the center of the cell. 

 

They are aerobic, colonies are irregular, raised, grayish white, non-
haemolytic, 

ferment 

many 

sugars; 

Catalase 

+ve


background image

93 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

Antigens: 

 

It has three main antigens: 
1) Capsular antigen: (virulence antigen) 
2) Somatic polysaccharide in cell wall. 
3) Somatic protein: Stimulate antibody production. 

 

Toxins: 

 

The virulence of B. anthracis is due to at least 2 factors: 

 

1) Extracellular toxin: (fractions I, II, III). 

 

2) Capsular polysaccharide: antigenic factor. 

 

Anthrax  toxin  is  lethal  and  its  main  effect  is  increasing  vascular 
permeability. 

 

Pathogenicity: 

 

Anthrax  is  a  septicaemic  disease  of  sheep  and  cattle.  Infection  may 
take place by: 

 

1- Skin: (results malignant pustule). 

 

2- Inhalation: (haemorrhagic meningitis). 

 

3- Ingestion: violent enteritis with blood diarrhea. 

 

The spores germinate and the vegetative cells produce toxin leading to 
the formation of oedema and hemorrhage. The bacilli may reach the In 
man,  the  infection  is  acquired  from  animals  and  infections  occur 
mostly  through  farmers,  butchers,  veterinary  surgeons,  through  skin 
(cuts, hair follicle), lesions of all sizes may be produced, they start as a 
papule then become a pustule within 12- 48 hrs with an oedemateous 
area 

around 

black 

central 

necrotic 

area.


background image

94 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

 

 

 

Lab diagnosis: 

 

Handling of B. anthracis should be carried out with the greatest care, 
specimens is taken from lesions, exudates, sputum, etc: 

 

1) Microscopic exam: Films  are  made  from exudates, sputum…. And 
stained by Gram's 
method  to  detect  the  presence  of  Gram  +ve  chains  of  non-  sporing 
bacilli. 

 

2) Cultures are made on blood and Nutrient agar, smears from cultures 
show G +ve chains of bacilli several showing central spores. 

 

3) Animal inoculation (guinea pigs). 

 

4) Serological tests: 

 

Infected tissue extract + anthrax antiserum = precipitation (means test 
is positive). 

 

 

Treatment: 

 

Anthrax  bacillus  is  sensitive  to  Penicillin,  Streptomycin,  Tetracycline 
and Chloramphenicol. 


background image

95 

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 

 

Bacillus subtilis: 

 

Gram  +ve  rods  occur  in  chains  or  singly,  motile  and  non 
capsulated. Produce β- haemolytic zone on blood agar, they don't 
produce any toxin, they are opportunistic. 

 

 

 

Bacillus cereus: 

 

B.cereus  produces  several  enterotoxins,  which  cause  disease  is  more 
an  intoxication  than  a  food-  borne  infection.  This  disease  is  of  two 
forms: the emetic type and the diarrheal type. 

 

B.cereus  has  also  been  associated  with  various  opportunistic 
infections.


background image

 

Msc. Maitham. A. Makei ….Pathogenic bacteria…..Biology Department 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

92 




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام 14 عضواً و 529 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل