Bacillaceae

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 1. September 2026

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Die Bacillaceae sind grampositive Bakterien aus der Gruppe der Bacillales. Ein bekannter Erreger aus dieser Familie ist Bacillus anthracis, der Erreger des Milzbrandes.

Was sind Bacillaceae?

Die Übertragung der Erreger erfolgt meist durch direkten Kontakt. So wird das Bakterium Bacillus anthracis zum Beispiel über die Aufnahme von kontaminiertem Fleisch übertragen.
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Bacillaceae ist eine Familie innerhalb der Bakterien. Sie gehören der Ordnung Bacillales an. Innerhalb der Familie der Bacillaceae sind mehr als 50 verschiedene Gattungen bekannt. Dazu gehören beispielsweise Amphibacillus, Lentibacillus oder Saccharococcus. Bekannteste Untergruppe ist allerdings die Gattung Bacillus, zu der Arten wie Bacillus anthracis, Bacillus cereus oder Bacillus stearothermophilus gehören.

Die Bacillaceae sind grampositive, lange Stäbchenbakterien. Sie lassen sich dementsprechend in der Gram-Färbung blau anfärben. Im Gegensatz zu den gramnegativen Bakterien haben sie nur eine dicke äußere Peptidoglykanschicht aus Murein und keine zusätzliche Zellmembran an ihrer Außenseite.

Viele Vertreter der Bacillaceae gehören zur Gruppe der aeroben Sporenbildner. Unter ungünstigen Bedingungen wie Nährstoffmangel bilden die Bakterien Sporen. Diese ermöglichen es den Bakterien, auch unter ungünstigen Bedingungen zu überleben. Dadurch werden die Bakterien gegenüber Umwelteinflüssen resistenter. In ihrer Sporenform können die Bacillaceae sogar in 70%igem Alkohol überleben.

Vorkommen, Verbreitung & Eigenschaften

Die meisten Bacillaceae sind auf Sauerstoff angewiesen. Sie wachsen und vermehren sich nur dann, wenn genug Sauerstoff vorhanden ist. Einzelne Gattungen der Familie kommen dagegen auch ohne Sauerstoff aus. Die Bacillaceae leben vor allem in humusreicher Erde. Aber auch im Wasser, in Staub, in der Luft und im Darmtrakt von Tieren und Menschen kommen die Bakterien vor. Somit machen sie einen großen Teil der sogenannten Normalflora aus. Die Normalflora bezeichnet die Gesamtheit aller Mikroorganismen, die im oder auf dem Körper eines Lebewesens leben.

Die Übertragung der Erreger erfolgt meist durch direkten Kontakt. So wird das Bakterium Bacillus anthracis zum Beispiel über die Aufnahme von kontaminiertem Fleisch übertragen. Die Aufnahme ist aber auch durch Inhalation von infizierten Sporen oder Partikeln möglich. Der Anthraxerreger kann sich selbst nach dem Tod der infizierten Tiere noch im Kadaver vermehren oder ins Sporenstadium übergehen. Deswegen müssen Tiere, die mit Bacillus anthracis infiziert sind, verbrannt werden. Andernfalls könnten sich weitere Tiere infizieren.

Auch beim Erreger Bacillus subtilis kann die Infektion durch direkten Kontakt erfolgen. In den meisten Fällen infizieren sich Menschen durch den Verzehr von kontaminierter Nahrung. Ähnlich wie beim Erreger Bacillus anthracis ist eine Ansteckung auch durch Einatmung von infizierten Sporen oder Partikeln möglich.

Krankheiten & Beschwerden

Bacillus subtilis gehört zu den fakultativ pathogenen Erregern. Das Bakterium kann in seltenen Fällen unspezifische Lebensmittelvergiftungen hervorrufen. Verantwortlich dafür sind Enzyme im Erreger, die die in der Nahrung enthaltenen Eiweiße zu biogenen Aminen umwandeln. Dies führt zu der typischen Symptomatik mit Erbrechen und Durchfall. In der Regel limitiert sich eine Lebensmittelvergiftung durch Bacillus subtilis selbst, sodass in den meisten Fällen keine Medikation erfolgt.

Anders ist es bei Bacillus anthracis, dem Erreger des Milzbrands. Milzbrand kommt in Nordeuropa und in Nordamerika eher selten vor. In der Regel sind Menschen betroffen, die in engerem Kontakt zu Tieren stehen. Insbesondere Schafe und Kühe sind in Europa Überträger von Milzbrand. Gefährdet sind deshalb beispielsweise Landwirte oder Tierärzte. Klinisch kann der Milzbrand in drei Formen unterteilt werden: Darmmilzbrand, Hautmilzbrand und Lungenmilzbrand.

Die häufigste Verlaufsform ist der Hautmilzbrand. Nach der Infektion entwickelt sich auf der Haut eine juckende Papel. Die Haut der Umgebung ist aufgequollen. Im Verlauf zerfällt diese Papel und im Zentrum bildet sich eine schwarze Nekrose. Zusätzlich entstehen rund um die Papel Blasen. Diese werden auch als Pustulae malignae bezeichnet. Beim Darmmilzbrand entwickelt sich eine schwere Magen-Darm-Entzündung mit schleimigen, später auch blutigen Durchfällen. Durch die massive Vermehrung von Bacillus anthracis im Darm kommt es zu Geschwüren und zu einem Zerfall der Lymphknoten im Bauchraum. Die schwerste Verlaufsform ist der Lungenmilzbrand. Die Infektion beginnt mit grippeähnlichen Symptomen. Anschließend entwickelt sich sehr schnell eine rasch fortschreitende Lungenentzündung mit starker Atemnot und Fieber. Durch die Einwirkung der Bakteriengifte entzündet sich zudem das Mediastinum. Die Prognose ist selbst bei sehr früher Behandlung ungünstig. Die Erkrankung verläuft häufig letal. Auch die anderen Formen der Erkrankung können durch eine Blutvergiftung (Sepsis) oder durch Schädigungen der Organe tödlich verlaufen. Milzbrand wird mit oral oder intravenös verabreichten Antibiotika behandelt.

Der Erreger Bacillus cereus tritt vor allem in rohem Reis auf und überlebt auch das Kochen. Insbesondere wenn der Reis warmgehalten oder aufgewärmt wird, vermehren sich die Bakterien rasant. Bacillus cereus bildet zwei verschiedene Toxine. Das emetische Toxin (Cereulid, Erbrechens-Toxin) führt nach ein bis sechs Stunden zu Erbrechen und Übelkeit. Selten leiden die Betroffenen zudem unter Durchfällen und Bauchkrämpfen. Das Diarrhoe-Toxin ruft 8 bis 17 Stunden nach der Aufnahme des kontaminierten Lebensmittels wässrige Durchfälle hervor. Diese klingen in der Regel spätestens nach einem Tag wieder ab.

Systematik und Namensgeschichte

Die Familie der Bacillaceae steht innerhalb der Ordnung Bacillales, die ihrerseits zur Klasse der Bacilli gehört. Diese Klasse gehört zu einer großen Abteilung grampositiver Bakterien, die lange Zeit als Firmicutes geführt wurde und in der neueren Nomenklatur den Namen Bacillota trägt. Kennzeichnend für diese Verwandtschaftsgruppe ist ein vergleichsweise geringer Anteil der Bausteine Guanin und Cytosin im Erbmaterial. Dieser sogenannte GC-Gehalt diente der Bakteriensystematik über Jahrzehnte als grobes Ordnungsmerkmal, bevor der direkte Vergleich von Erbgutabschnitten möglich wurde.

Ihren Namen verdankt die Familie der Gattung Bacillus. Der Breslauer Botaniker Ferdinand Cohn stellte diese Gattung im 19. Jahrhundert auf und rechnete ihr unter anderem das sogenannte Heubakterium zu, das heute Bacillus subtilis heißt. Wenige Jahre später wies Robert Koch am Milzbranderreger nach, dass Bakterien einen Entwicklungsgang mit einer widerstandsfähigen Dauerform durchlaufen können. Bacillus anthracis war damit der erste Erreger, für den der Zusammenhang zwischen einem bestimmten Bakterium und einer bestimmten Krankheit lückenlos belegt werden konnte. Diese frühe Rolle in der Geschichte der Medizin hat der Familie viel Aufmerksamkeit verschafft.

Die Gattung Bacillus war über lange Zeit ein Sammelbecken für nahezu jedes aerobe, sporenbildende Stäbchenbakterium. Erst der Vergleich der Erbinformation, insbesondere der Abschnitte für die ribosomale RNA, machte sichtbar, wie verschieden diese Arten untereinander tatsächlich sind. In der Folge wurden zahlreiche Arten in eigene Gattungen ausgegliedert. Die wärmeliebenden Arten um Bacillus stearothermophilus wurden beispielsweise zur Gattung Geobacillus gestellt. Andere Gruppen wie die Paenibacillus- und die Alicyclobacillus-Arten wurden nicht nur aus der Gattung, sondern gleich aus der Familie herausgelöst und bilden heute eigene Familien innerhalb der Ordnung Bacillales. Wer ältere und neuere Literatur nebeneinanderlegt, findet dieselbe Art deshalb häufig unter zwei verschiedenen Namen.

Von den Bacillaceae abzugrenzen sind vor allem die Clostridien. Auch sie bilden Sporen, wachsen aber nur unter Sauerstoffausschluss und gehören einer anderen Ordnung an. Innerhalb der Ordnung Bacillales stehen den Bacillaceae unter anderem die Listerien und die Staphylokokken nahe; beide Gruppen bilden jedoch keine Sporen, und die Staphylokokken sind kugelförmig statt stäbchenförmig.

Bau der Zelle und Aufbau der Endospore

Die Zellwand der Bacillaceae besteht aus einer dicken, vielschichtigen Lage Murein, einem netzartigen Gerüst aus Zuckern und Aminosäuren. In dieses Gerüst sind Teichonsäuren eingelagert, lange geladene Ketten, die der Zelloberfläche ihre elektrische Ladung geben und an der Anheftung an Oberflächen beteiligt sind. Nach außen folgt bei vielen Arten keine weitere Membran, wohl aber bei einigen eine Schleimhülle oder eine feste Kapsel. Bei Bacillus anthracis besteht diese Kapsel nicht aus Zuckern, wie sonst bei Bakterien üblich, sondern aus einer Kette der Aminosäure Glutaminsäure; sie erschwert es den Fresszellen der Immunabwehr, den Erreger aufzunehmen. Viele Arten der Familie tragen zahlreiche über die ganze Zelle verteilte Geißeln und sind damit beweglich; ausgerechnet der Milzbranderreger ist unbeweglich, was in der Labordiagnostik als Unterscheidungsmerkmal dient.

Das auffälligste Merkmal der Familie ist die Endospore. Sie ist keine Vermehrungsform, sondern eine Dauerform: Aus einer Zelle entsteht genau eine Spore, aus der später wieder genau eine Zelle hervorgeht. Im Inneren der Spore liegt der stark entwässerte Kern mit dem Erbmaterial. Er enthält große Mengen einer Verbindung aus Calcium und Dipicolinsäure, die das Wasser verdrängt und den Inhalt gleichsam glasartig erstarren lässt. Zusätzlich lagern sich kleine, in Säure lösliche Proteine an die DNA an und schützen sie vor Hitze und Strahlung. Um den Kern legt sich eine dicke Rinde aus einer besonders locker vernetzten Form des Mureins, darüber mehrere Schichten aus Proteinhüllen. Einige Arten tragen zusätzlich ein lockeres, sackartiges Außenhäutchen, das Exosporium.

Die Bildung der Spore setzt ein, wenn Nährstoffe knapp werden, und zieht sich über mehrere Stunden hin. Die Zelle teilt sich dabei nicht in der Mitte, sondern nahe einem Ende. Der kleinere Abschnitt wird von der größeren Mutterzelle vollständig umschlossen und Schritt für Schritt mit den schützenden Schichten ausgestattet. Am Ende löst sich die Mutterzelle auf und gibt die fertige Spore frei. Die umgekehrte Entwicklung, die Auskeimung, verläuft dagegen innerhalb von Minuten: Erkennungsstellen in der Sporenhülle reagieren auf bestimmte Aminosäuren oder Zucker, die auf günstige Umgebungsbedingungen hindeuten. Daraufhin gibt die Spore ihre Dipicolinsäure ab, nimmt Wasser auf, baut ihre Rinde ab und der Stoffwechsel springt wieder an.

Wachstumsbedingungen und Stoffwechsel

So einheitlich die Sporenbildung ist, so unterschiedlich sind die Lebensansprüche der einzelnen Gattungen. Die Familie umfasst Arten, die bei kühlen Bodentemperaturen wachsen, ebenso wie ausgesprochen wärmeliebende Vertreter, die in heißen Quellen, in Kompost oder in erhitzten Lebensmitteln zu Hause sind. Die Gattung Lentibacillus wurde aus stark salzhaltigen Umgebungen wie Salzlaken und gesalzenen Fischerzeugnissen beschrieben und benötigt für ihr Wachstum hohe Salzkonzentrationen. Vertreter der Gattung Saccharococcus wurden aus der Zuckerverarbeitung isoliert und verbinden Wärmeliebe mit der Fähigkeit, Zucker rasch zu verwerten. Die Gattung Amphibacillus wiederum kommt ohne Sauerstoff aus und besitzt weder das Enzym Katalase noch die sonst übliche Atmungskette. Die Aussage, die Familie sei durchweg auf Sauerstoff angewiesen, trifft also nur auf die Mehrzahl, nicht auf alle Vertreter zu; auch Bacillus cereus wächst notfalls ohne Sauerstoff.

Ernährt werden die Bakterien durch die Aufnahme organischer Verbindungen, die sie nicht selbst herstellen können. Viele Arten scheiden dazu Enzyme in die Umgebung aus, die große Moleküle außerhalb der Zelle zerlegen: Stärke wird zu Glucose abgebaut, Eiweiße werden in Aminosäuren zerlegt, Fette gespalten. Die entstandenen kleinen Bausteine werden anschließend aufgenommen. Diese Ausstattung an ausgeschiedenen Enzymen macht die Familie für die Zersetzung abgestorbenen Pflanzenmaterials im Boden bedeutsam und ist zugleich die Grundlage ihrer technischen Nutzung. Der Nachweis von Katalase, einem Enzym, das Wasserstoffperoxid zerlegt, fällt bei den meisten Arten positiv aus und dient im Labor als erster Ordnungsschritt.

Nachweis und Diagnostik

Im gefärbten Ausstrich fallen die Bacillaceae als große, plumpe Stäbchen auf, die häufig in Ketten liegen. Enthält eine Zelle bereits eine Spore, erscheint diese in der gewöhnlichen Gram-Färbung als ungefärbte Aussparung, weil die Sporenhüllen den Farbstoff nicht aufnehmen. Für den gezielten Nachweis gibt es eigene Sporenfärbungen, bei denen die Spore mit Hitze angefärbt und die übrige Zelle anschließend gegengefärbt wird. Ein einfacher Kunstgriff nutzt die Hitzebeständigkeit aus: Erhitzt man eine Probe kurz, sterben die vegetativen Begleitkeime ab, während die Sporen überleben und anschließend gezielt angezüchtet werden können.

Auf Blutagar wachsen die meisten Arten rasch zu großen, matten, oft unregelmäßig gerandeten Kolonien heran. Bacillus cereus bildet dabei einen deutlichen Hämolysehof, während die Kolonien von Bacillus anthracis das Blut nicht auflösen und wegen ihrer fransigen Ränder seit jeher mit einem Medusenhaupt verglichen werden. Für den Nachweis von Bacillus cereus in Lebensmitteln stehen Selektivnährböden zur Verfügung, die den Zuckeralkohol Mannit, Eigelb und ein Antibiotikum enthalten und die gesuchten Kolonien an ihrer Farbe und einem Trübungshof erkennbar machen. Die Kapsel des Milzbranderregers lässt sich mikroskopisch durch besondere Färbungen sichtbar machen.

In modernen Laboratorien wird die Artbestimmung überwiegend massenspektrometrisch vorgenommen: Aus einer Kolonie wird ein Muster von Eiweißbruchstücken gewonnen und mit einer Datenbank abgeglichen. Ergänzend kommen molekularbiologische Verfahren zum Einsatz, etwa die Polymerase-Kettenreaktion, mit der sich einzelne Gene gezielt vervielfältigen lassen. Beim Milzbranderreger sucht man dabei nach den Genen für Kapsel und Toxin, die nicht auf dem Chromosom liegen, sondern auf zwei zusätzlichen ringförmigen Erbgutstücken. Ein wichtiger Vorbehalt gilt bei allen Befunden: Weil Bacillus-Sporen praktisch überall in Luft und Staub vorkommen, ist ihr Nachweis in einer Blutprobe weit häufiger eine Verunreinigung während der Probenentnahme als eine echte Bakteriämie.

Widerstandsfähigkeit, Desinfektion und Lebensmittelsicherheit

Die Sporen der Bacillaceae überstehen Austrocknung, Kochen und viele chemische Einflüsse. Für die Hygiene hat das unmittelbare Folgen. Die üblichen alkoholischen Mittel zur Händedesinfektion wirken zwar zuverlässig gegen vegetative Bakterien, gegen Sporen jedoch nicht; wo mit Sporen zu rechnen ist, tritt das gründliche Waschen mit Wasser und Seife an ihre Stelle, weil es die Sporen mechanisch entfernt. Als sporizid gelten unter den Flächendesinfektionsmitteln vor allem Präparate auf Basis von Peressigsäure, Wasserstoffperoxid, Aldehyden oder Chlorabspaltern, und auch diese benötigen ausreichend lange Einwirkzeiten. Zur sicheren Sterilisation von Instrumenten dient gesättigter Wasserdampf bei über 120 Grad Celsius im Autoklaven; trockene Heißluft muss dafür deutlich höhere Temperaturen über längere Zeit aufbringen.

In der Lebensmittelherstellung sind Sporen aus dem Boden ein ständiger Begleiter pflanzlicher Rohstoffe. Reis, Mehl, Gewürze, Trockenkräuter und Milchpulver bringen sie in nennenswerter Zahl mit. Erhitzen tötet die wachsenden Zellen ab, die Sporen jedoch überstehen den Vorgang und können unter Umständen sogar dazu angeregt werden auszukeimen. Kritisch wird es, wenn ein erhitztes Lebensmittel anschließend langsam abkühlt oder über längere Zeit lauwarm gehalten wird, denn dann fehlt die Konkurrenz der abgetöteten Begleitflora und die auskeimenden Bakterien vermehren sich ungehindert. Rasches Abkühlen, konsequente Kühlung und ein kräftiges Durcherhitzen vor dem Verzehr sind deshalb die wirksamsten Gegenmaßnahmen. Toxine, die bereits im Lebensmittel gebildet wurden, lassen sich durch Erhitzen allerdings nicht in jedem Fall unschädlich machen.

Bedeutung außerhalb der Krankheitslehre

Nur wenige Arten der Familie sind Krankheitserreger; wirtschaftlich und ökologisch überwiegt bei Weitem der Nutzen. Im Boden gehören die Bacillaceae zu den wichtigsten Zersetzern abgestorbener Pflanzenteile und tragen damit zur Humusbildung bei. Einige Arten besiedeln die unmittelbare Umgebung von Pflanzenwurzeln, wo sie Nährstoffe verfügbar machen und pflanzenschädliche Pilze unterdrücken; solche Stämme werden als Pflanzenstärkungsmittel eingesetzt.

Die von den Bakterien ausgeschiedenen Enzyme sind ein bedeutender Rohstoff der Biotechnologie. Stärkespaltende Amylasen und eiweißspaltende Proteasen aus Arten dieser Familie stecken in Waschmitteln, wo sie Flecken bereits bei niedrigen Temperaturen lösen, und werden in der Backwaren-, Stärke- und Lederherstellung genutzt. Weil die wärmeliebenden Arten Enzyme hervorbringen, die auch bei hohen Temperaturen ihre Form behalten, sind sie für die Molekularbiologie besonders wertvoll. Aus Arten der Familie stammen ferner Antibiotika; das oberflächlich angewendete Bacitracin wird aus einem nahen Verwandten von Bacillus subtilis gewonnen.

Eine eigene Rolle spielt Bacillus thuringiensis. Diese Art bildet während der Sporenbildung Eiweißkristalle, die im Darm bestimmter Insektenlarven aufgelöst und dort erst wirksam werden. Für Wirbeltiere sind sie ungiftig. Präparate mit diesen Kristallen gehören zu den ältesten und am breitesten eingesetzten biologischen Pflanzenschutzmitteln und werden unter anderem gegen Stechmückenlarven verwendet. In der Lebensmittelherstellung schließlich vergärt Bacillus subtilis gekochte Sojabohnen zum japanischen Natto, und mehrere Arten der Familie werden als Zusatz in Futter- und Nahrungsergänzungsmitteln verwendet, weil ihre Sporen Lagerung und Magenpassage unbeschadet überstehen.

Quellen

• Suerbaum, S., Burchard, G.-D., Kaufmann, S. H. E., Schulz, T. F. (Hrsg.): Medizinische Mikrobiologie und Infektiologie.
  ISBN: 9783662613849

• Hof, H., Schlüter, D. (Hrsg.): Duale Reihe Medizinische Mikrobiologie.
  ISBN: 9783132443174

• Kayser, F. H., Böttger, E. C., Deplazes, P., et al.: Taschenlehrbuch Medizinische Mikrobiologie.
  ISBN: 9783132447936

• Holtmann, H., Holtmann, J., Lommen, J., Schorn, L. K.: BASICS Medizinische Mikrobiologie, Hygiene und Infektiologie.
  ISBN: 9783437414718

• Hof, H., Schlüter, D. (Hrsg.): Medizinische Mikrobiologie.
  ISBN: 9783132423558

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