مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

88 

Lecture 4 - Aerobic Spore-Former 

Bacteria (Bacillus) 

 

Bacillus anthracis  

Introduction

 

The anthrax bacillus, Bacillus anthracis, was the first 
bacterium shown to be the cause of a disease. In 
1877, Robert Koch grew the organism in pure culture, 
demonstrated its ability to form endospores, and 
produced experimental anthrax by injecting it into 
animals. Anthrax occurs primarily in animals, especially 
herbivores. The pathogens are ingested with feed and 
cause a severe clinical sepsis that is often lethal. 

 

Morphology and culturing

 

 Bacillus anthrac is very large, Gram-positive, 
sporeforming rod, 1 - 1.2µm in width x 3 - 5µm in length,  
with a capsule made of a glutamic acid polypeptide. The 
bacterium can be cultivated in ordinary nutrient medium 
under aerobic (or anaerobic) conditions. Genotypically 
and phenotypically it is very similar to Bacillus 
cereus
,
 which is found in soil habitats around the world, 
and to Bacillus thuringiensis, the pathogen for larvae 
of Lepidoptera. The three species have the same cellular 
size and morphology and form oval spores located 
centrally in a nonswollen sporangium.The bacterium is 
readily grown in an aerobic milieu. 

 

Bacillus anthracis. Gram stain. 1500X. The cells have 
characteristic squared ends. The endospores are ellipsoidal 
shaped and located centrally in the sporangium. The spores 
are highly refractile to light and resistant to staining. 

 

 
Pathogenesis and clinical picture
 

The pathogenicity of B. anthracis results from its 
antiphagocytic capsule as well as from a toxin that causes 
edemas and tissue necrosis. Human infections are 
contracted from diseased animals or contaminated animal 
products. Anthrax is recognized as an occupational 
disease. Dermal, primary inhalational, and intestinal 
anthrax 
are differentiated based on the pathogen’s portal 

of entry. In dermal anthrax, which accounts for 90–95% 
of human B. anthracis infections) the pathogens enter 
through injuries in the skin. A local infection focus 
similar to a carbuncle develops within two to three days. 
A sepsis with a foudroyant (highly acute) course may then 
develop from this primary focus. Inhalational anthrax 
(bioterrorist anthrax), with its unfavorable prognosis, 
results from inhalation of dust containing the pathogen. 
Ingestion of contaminated foods can result in intestinal 
anthrax
 with vomiting and bloody diarrheas. 

 

Anthrax 

  Anthrax is primarily a disease of domesticated and wild 

animals, particularly herbivorous animals, such as cattle, 
sheep, horses, mules and goats. Humans become infected 
incidentally when brought into contact with diseased 
animals, which includes their flesh, bones, hides, hair and 
excrement. The natural history of Bacillus anthracis is 
obscure. Although the spores have been found naturally in 
soil samples from around the world, the organisms cannot 
be regularly cultivated from soils where there is an 
absence of endemic anthrax. In the United States, the 
incidence of naturally-acquired anthrax is extremely rare 
(1-2 cases of cutaneous disease per year). Worldwide, the 
incidence is unknown, although B. anthracis is present in 
most of the world. Unreliable reporting makes it difficult 
to estimate the true incidence of human anthrax 
worldwide. 

  The most common form of the disease in humans 

is cutaneous anthrax, which is usually acquired via 
injured skin or mucous membranes. A minor scratch or 
abrasion, usually on an exposed area of the face or neck 
or arms, is inoculated by spores from the soil or a 
contaminated animal or carcass.The spores germinate, 
vegetative cells multiply, and a characteristic gelatinous 
edema
 develops at the site. This develops into 
papule within 12-36 hours after infection. The papule 
changes rapidly to a vesicle, then a pustule (malignant 
pustule
), and finally into a necrotic ulcer from which 
infection may disseminate, giving rise to septicemia
Lymphatic swelling also occurs within seven days. In 
severe cases, where the blood stream is eventually 
invaded, the disease is frequently fatal

  Another form of the disease, inhalation 

anthrax (woolsorters' disease), results most commonly 
from inhalation of spore-containing dust where animal 
hair or hides are being handled. The disease begins 
abruptly with high fever and chest pain. It progresses 
rapidly to a systemic hemorrhagic pathology and is often 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

89 

fatal if treatment cannot stop the invasive aspect of the 
infection. 

  Gastrointestinal anthrax is analogous to cutaneous 

anthrax but occurs on the intestinal mucosa. As in 
cutaneous anthrax, the organisms probably invade the 
mucosa through a preexisting lesion. The bacteria spread 
from the mucosal lesion to the lymphatic system. 
Intestinal anthrax results from the ingestion of 
poorly cooked meat from infected animals. 
Gastrointestinal anthrax is rare but may occur as 
explosive outbreaks associated with ingestion of infected 
animals. Intestinal anthrax has an extremely high 
mortality rate. 

  Meningitis due to B. anthracis is a very rare complication 

that may result from a primary infection elsewhere. 

 

Pathogenicity of Bacillus anthracis 

  Bacillus anthracis clearly owes its pathogenicity to two 

major-determinants of virulence: the formation of a poly-
D-glutamyl capsule
, which mediates the invasive stage 
of the infection, and the production of the 
multicomponent anthrax toxin which mediates the 
toxigenic stage.

 

Bacillus anthracis forms a single 

antigenic type of capsule consisting of a poly-D-
glutamate polypeptide. All virulent strains of B. 
anthracis
 form this capsule.

 

The poly-D-glutamyl capsule 

is itself nontoxic, but functions to protect the organism 
against complement and the bactericidal components of 
serum and phagocytes, and against phagocytic engulfment 
and destruction. Production of capsular material is 
associated with the formation of a characteristic mucoid 
or "smooth" colony type. "Smooth" (S) to "rough" (R) 
colonial variants occur, which is correlated with ability to 
produce the capsule. R variants are relatively avirulent 
. 

 

One component of the anthrax toxin has a lethal mode 

of the action . Death is apparently due to oxygen 
depletion, secondary shock, increased vascular 
permeability, respiratory failure and cardiac failure. Death 
from anthrax in humans or animals frequently occurs 
suddenly and unexpectedly. The level of the lethal toxin 
in the circulation increases rapidly quite late in the 
disease, and it closely parallels the concentration of 
organisms in the blood. 

  Production of the anthrax toxin is mediated by a 

temperature-sensitive plasmid, pX01, of 110 
megadaltons. The toxin consists of three distinct antigenic 
components. Each component of the toxin is a 
thermolabile protein with a mw of approximately 80kDa. 

I.  Factor I is the edema factor (EF) which is necessary for 

the edema producing activity of the toxin. EF is known to 

be an inherent adenylate cyclase, similar to 
the Bordetella pertussis adenylate cyclase toxin. 

II.  Factor II is the protective antigen (PA), because it 

induces protective antitoxic antibodies in guinea pigs. PA 
is the binding (B) domain of the anthrax toxin which has 
two active (A) domains, EF (above) and LF (below). 

III.  Factor III is known as the lethal factor (LF) because it 

is essential for the lethal effects of the anthrax toxin. 

  Apart from their antigenicity, each of the three factors 

exhibits no significant biological activity in an animal. 
However, combinations of two or three of the toxin 
components yield the following results in experimental 
animals. 
PA+LF combine to produce lethal activity  
EF+PA produce edema  
EF+LF is inactive  
PA+LF+EF produces edema and necrosis and is lethal 

 

Diagnosis. 

 The diagnostic procedure involves detection of the 
pathogen
 in dermal lesions, sputum, and/or blood 
cultures using microscopic and culturing methods. 
Several nonselective and selective media for the detection 
and isolation of Bacillus anthracis have been described, 
as well as a rapid screening test for the bacterium based 
on the morphology of microcolonies . The capsular 
material can be detected by the McFadyean reaction 
which involves staining with polychrome methylene 
blue
. Blue rods in a background of purple/pink-stained 
capsular material is a positive test. Neither B. 
cereus
 nor B. thuringiensis synthesizes this capsular 
polymer, so the detection of capsular material can be used 
to distinguish B. anthracis from its closest relatives .The 
Table-1 bellow provides the differential characteristics 
that are used to distinguish Bacillus anthracis from most 
strains of Bacillus  
 

 

The Table-1 show  Differential Characteristics of B. anthracis 
B. cereus
 and B. thuringiensis

 

Characteristic 

B. 
anthracis
 

B.cereus B. 
thuringiensis 
 

growth requirement for thiamin 

hemolysis on sheep blood agar 

glutamyl-polypeptide capsule 

lysis by gamma phage 

Motility 

growth on chloral hydrate agar 

string-of-pearls test 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

90 

 

Figure 1. Colonies of Bacillus cereus on the left; colonies 
of Bacillus anthracis
 on the right. B. cereus colonies are 
larger, more mucoid, and this strain exhibits a slight zone of 
hemolysis on blood agar. 

 

Therapy

 

The antimicrobial agent of choice is penicillin G
Doxycycline (a tetracycline) or ciprofloxacin (a 
fluoroquinolone) are possible alternatives. Surgery is 
contraindicated in cases of dermal anthrax. 
 

Epidemiology and prophylaxis

 

Anthrax occurs mainly in southern Europe and South 
America, where economic damage due to farm animal 
infections
 is considerable. Humans catch the disease from 
infected animals or contaminated animal products. 
Anthrax is a classic zoonosis
Prophylaxis involves mainly exposure prevention 
measures such as avoiding contact with diseased animals 
and disinfection of contaminated products. A cell-free 
vaccine
 obtained from a culture filtrate can be used for 
vaccine prophylaxis in high-risk persons. 
 

Bacillus cereus 

Bacillus cereus has been recognized as an agent of food 
poisoning since 1955. It is not a reportable disease, and 
usually goes undiagnosed.  

B. cereus causes two types of food-borne illnesses.  

One type is characterized by nausea and vomiting and 
abdominal cramps and has an incubation period of 1 to 6 
hours
. It resembles Staphylococcus aureus 
 

 

 
(staph) food poisoning in its symptoms and incubation 
period. This is the "short-incubation" or emetic form of 
the disease.  
    The second type is manifested primarily by abdominal 
cramps and diarrhea following an incubation period of 
to 16 hours
. Diarrhea may be a small volume or profuse 
and watery. This type is referred to as the "long-
incubation" or diarrheal form of the disease, and it 
resembles food poisoning caused by Clostridium 
perfringens.
 In either type, the illness usually lasts less 
than 24 hours
 after onset. In a few patients symptoms 
may last longer. The short-incubation form is caused by a 
preformed, heat-stable emetic toxin, ETE. The 
mechanism and site of action of this toxin are unknown, 
although the small molecule forms ion channels and holes 
in membranes. The long-incubation form of illness is 
mediated by the heat-labile diarrheagenic enterotoxin 
Nhe
 and/or hemolytic enterotoxin HBL, which cause 
intestinal fluid secretion, probably by several 
mechanisms, including pore formation and activation 
of adenylate cyclase enzymes.  
 

Summary:  

The natural habitat of Bacillus anthracis, a Gram-positive, 
sporing, obligate aerobic rod bacterium, is the soil. The 
organism causes anthrax infections in animals. Human 
infections result from contact with sick animals or animal 
products contaminated with the spores. Infections are 
classified according to the portal of entry as dermal 
anthrax (95% of cases), primary inhalational anthrax, and 
intestinal anthrax. Sepsis can develop from the primary 
infection focus. Laboratory diagnosis includes 
microscopic and cultural detection of the pathogen in 
relevant materials and blood cultures. The therapeutic 
agent of choice is penicillin G. The genera Bacillus and 
Clostridium belong to the Bacillaceae family of sporing 
bacteria. There are numerous species in the genus Bacillus 
(e.g., B. cereusB. subtilis, etc.) that normally live in the 
soil. The organism in the group that is of veterinary and 
human medical interest is Bacillus anthracis
 
  
 

 

 

 

Bacillus cereusGram 
stain. 450X. Bacilli are 
large bacteria, so that 
they are readily 
observed with the 
microscope's "high dry 
objective". 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 107 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