background image

 

Lec 6                       Family Bacillaceae                    د. انسام محمد

Gram positive spore forming bacilli 

Family Bacillaceae 

Genus Bacillus 

More than 50 species of bacillus are widely distributed in nature. The genus Bacillus 

includes large aerobic, catalase positive, gram-positive rods that form heat resistant spore 

and the rods are arranged in chains.   

On gram staining the spores don’t stain and appear as empty space and doesn’t 

distend the vegetative cell. The spores are stained using special spore stain and they are 

resistant  to  environmental  changes,  withstand  dry  heat  and  certain  chemical 

disinfectants for moderate periods, and persist for years in dry earth.  

The  spores  constitutes  the  commonest  contaminant  in  bacteriological  culture 

media.  The  spores  formed  during  conditions  of  environmental  stress  as  nutrients 

deprivation, temp extremes and drying. 

 Bacillus subtilis saprophytic organisms prevalent in soil, water, and air.  

B.cereus can grow in foods and cause food poisoning by producing a toxin. It may 

occasionally produce disease in immune-compromised humans.  

B anthracis, which causes anthrax, is the principal pathogen of the genus. 

Bacillus anthracis 

Morphology 

B. anthracis is one of the largest of pathogenic bacteria. 3–8 by 1–1.3 μm and is gram-

positive,  non-motile  (unlike  most  other  members  of  this  genus),  straight,  sporing 

bacillus. It is rectangular in shape and arranged in filamentous chains in culture, end to 

end in long chains ‘bamboo stick’ appearance

The  spore  is  oval,  central  in  position  and  not  swelling  the  mother  cell.  Spores  are 

formed in culture, in the soil, but never in the blood or tissues of living animals.  

 


background image

 

Cultural Characteristics 

It is aerobe and facultative anaerobe. Temperature range for growth is 15–45°C  

1.  Nutrient  agar:  colonies  are  irregularly  round,  2–3  mm  in  diameter,  raised,  dull, 

opaque,  grayish  white,  with  a  frosted  glass  appearance.  The  edge  of  the  colony 

resembles  locks  of  matted  hair  under  the  low  power  microscope.  This  is  called  the 

‘Medusa head appearance’. 

2. Blood agar: Colonies on horse or sheep blood agar are non-hemolytic. 

3. In a gelatin stab, there is growth down the stab line with lateral spikes, longer near 

the surface, giving an ‘inverted fir tree’ appearance

4. Selective medium: A selective medium (PLET medium), has been devised to isolate 

B. anthracis from mixtures containing other spore-bearing bacilli. 

Resistance 

1-  With moist heat, the vegetative bacilli are killed at 60°C in 30 minutes and the 

spores at 100°C in 10 minutes.  

2-  With dry heat the spores are killed at 150°C in 60 minutes.  

3-  The spores are also killed by 4% formaldehyde or 4% potassium permanganate 

in a few minutes. 

4-  The  bacilli  are  sensitive  to  benzylpenicillin,  streptomycin,  tetracyclines, 

chloramphenicol, ciprofloxacin, the cephalosporins and sulfonamides. 

Virulence Factors 

The pathogenesis of B. anthracis depends on two important virulence factors:  

1. Capsule: consisting of D-glutamic acid which interferes with phagocytosis. B anthracis 

isolates that do not produce a capsule are not virulent.  

2.  Anthrax  toxin:  Anthrax  toxin  consists  of  three  proteins  called  protective  antigen 

(PA), edema factor (EF), and lethal factor (LF), each of which individually is nontoxic 

but together act synergistically to produce damaging effects. EF with PA, it forms a toxin 

known as edema toxin responsible for cell and tissue edema. LF plus PA form lethal 


background image

 

toxin,  which  is  a  major  virulence  factor  and  cause  of  death  in  infected  animals  and 

humans. 

Clinical infections 

Anthrax  is  a  zoonosis,  Cattle,  sheep,  goats  and  other  herbivores  are  naturally 

infected. The disease not spread from animal to animal, only through ingestion of food 

contaminated  with  the  spores.  Anthrax  is  endemic  in  developing  countries.  Humans 

become infected incidentally by contact with infected animals or their products.  

In humans, the infection is usually accidental or occupational in four forms: 

1. Cutaneous Anthrax 

It begins 2–5 days after infection as a small papule that develops within a few days into 

a vesicle filled with dark bluish black fluid. Rupture of the vesicle reveals a black eschar 

at the base, with a very prominent inflammatory ring of reaction around the eschar. 

(The name anthraxwhich means coal, comes from the black color of the eschar). 

This is sometimes referred to as a malignant pustule. The lesion is classically found on 

the  hands,  forearms,  or  head  and  is  painless.  Cutaneous  anthrax  generally  resolves 

spontaneously,  but  10–20%  of  untreated  patients  may  develop  fatal  septicemia  or 

meningitis. 

2. Pulmonary Anthrax 

Pulmonary anthrax, known as ‘wool-sorter’s disease, it used to be common in 

workers in wool factories, due to inhalation of dust from infected wool.. This is a 

hemorrhagic pneumonia with a high fatality rate. Hemorrhagic meningitis may occur as 

a complication. The spores from the dust of wool are inhaled; phagocytosed in the 

lungs; and transported by the lymphatic drainage to the mediastinal lymph nodes, 

where germination occurs. This is followed by toxin production and the development of 

hemorrhagic mediastinitis and sepsis, which are usually rapidly fatal.  

In the U.S. bioterrorism inhalation cases of 2001, the pathogenesis was the same as in 

inhalation anthrax from animal products. It resulted in 22 cases of anthrax—11 

inhalation and 11 cutaneous. Five of the patients with inhalation anthrax died. All of the 

other patients survived. 


background image

 

3. Intestinal Anthrax 

Intestinal  anthrax  is  rare  and  occurs  mainly  in  primitive  communities  who  eat  the 

carcasses of animals dying of anthrax. An individual may suffer after a day or so from 

hemorrhagic diarrhea, and dies rapidly from septicemia. 

4. Injection anthrax, has caused outbreaks among persons who inject heroin that has 

been  contaminated  with  spores.  Characterized  by  extensive,  painless,  subcutaneous 

edema  and  the  notable  absence  of  the  eschar  characteristic  of  cutaneous  anthrax. 

Patients may progress to hemodynamic instability due to septicemia 

Laboratory Diagnosis of Human Anthrax 

1.  Specimens:  Material  from  a  malignant  pustule,  sputum  from  pulmonary  anthrax, 

gastric aspirates, feces or food in intestinal anthrax and in the blood in the septicemic 

stage of all forms of the infection. Specimens should be taken before antibiotic therapy 

has been instituted. 

2. Microscopy: Prepare smears of each specimen and stain with Gram’s Method which 

show typical large gram-positive bacilli. 

Direct fluorescent  antibody test  (DFA)  for capsule  and for polysaccharide  (cell wall) 

antigen confirms the identification. 

3. Culture: Culture the exudate on nutrient agar, blood agar and PLET medium

Incubate  at  37°C  for  18  hours.  Examine  plates  for  the  medusa-head  colonies 

characteristic of B. anthracis, non-hemolytic on the blood agar platePrepare a stained 

smear and look for chains of large gram-positive  bacilli some of which have central, 

oval, non-bulging spores.  

4. Confirmatory tests 

i.  Biochemical  and  physiological  reactions:  Demonstration  of  non-motility,  gelatin 

liquefaction,  inverted  fir  tree  appearance  in  a  gelatin  stab,  will  generally  identify  B. 

anthracis completely. 

Toxin production can be demonstrated by immunological or gene probe methods in 

reference laboratories. 


background image

 

5. Serological diagnosis: Serological diagnosis by enzyme-linked immunosorbent assay 

(ELlSA) is seldom used diagnostically. 

6. Polymerase Chain Reaction (PCR) 

A sensitive and specific PCR technique has been developed for the detection of anthrax 

contamination of animal and agricultural products. 

Treatment 

Ciprofloxacin  is  the  drug  of  choice.  Penicillin,  doxycycline,  erythromycin,  or 

chloramphenicol can be used (if susceptible). 

Immunization 

Live-attenuated bacilli were first used by Louis Pasteur in May 1881. Pasteur’s vaccine 

was the anthrax bacillus attenuated by growth at 42–43°C.  

Alum-precipitated toxoid prepared from the protective antigen has been shown to be 

a safe and effective vaccine for human use. It has been used in persons occupationally 

exposed to anthrax infection. 

 

BACILLUS CEREUS 

B cereus produces toxins that cause disease that is more of intoxication than a food-

borne infection. 

1-  Food poisoning caused by B cereus has two distinct forms 

a.  The emetic type, which is associated with fried rice, milk, and pasta. It is manifested 

by  nausea,  vomiting,  abdominal  cramps,  and  occasionally  diarrhea  and  is  self-

limiting, with recovery occurring within 24 hours. It begins 1–5 hours after ingestion 

of a plasmid-encoded preformed emetic toxin in the contaminated food products. 

When rice are cooked and allowed to cool slowly, the B cereus spores germinate, 

and  the  vegetative  cells  produce  the  toxin  during  log-phase  growth  or  during 

sporulation. 


background image

 

b.  The  diarrheal  type,  which  is  associated  with  meat  dishes  and  sauces.  It  has  an 

incubation  period  of  1–24  hours  and  is  manifested  by  profuse  diarrhea  with 

abdominal pain and cramps; fever and vomiting are uncommon.  

2-  Eye  infections,  such  as  severe  keratitis  and  endophthalmitis.  Typically,  the 

organisms are introduced into the eye by foreign bodies associated with trauma 

but infections can also occur after surgery.  

3-  Localized  infections,  such  as  wound  infections,  and  with  systemic  infections, 

including  endocarditis,  catheter-associated  bacteremia,  central  nervous  system 

infections,  osteomyelitis,  and  pneumonia;  the  presence  of  a  medical  device  or 

intravenous drug use predisposes to these infections.  

B  cereus  is  resistant  to  a  variety  of  antimicrobial  agents,  including  penicillins  and 

cephalosporins. Serious non–food borne infections should be treated with vancomycin or 

clindamycin  with  or  without  an  aminoglycoside.  Ciprofloxacin  has  been  useful  for  the 

treatment of wound infections. 

 

References  

1-  Koneman's color atlas and textbook of diagnostic microbiology 7

th

 edition, 2017. 

2-  Bailey and Scott's Diagnostic Microbiology 14

th

 edition, 2017. 

3-  Jawetz, Melnick and Adelberg's medical microbiology 26

th

 edition, 2013. 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Yahia Ziead
المشاهدات: لقد قام عضو واحد فقط و 69 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