Bacillus stearothermophilus
Medizinische Expertise: Dr. med. NonnenmacherQualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer
Letzte Aktualisierung am: 1. September 2026Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.
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Bacillus stearothermophilus ist eine apathogene und stäbchenförmige Spezies von Bakterien aus der Familie Bacillaceae und Abteilung Firmicutes. Die Bakterienart zählt zu den sogenannten Sporenbildnern, bildet unter ungünstigen Bedingungen also resistente Endosporen. Für den Menschen hat die Bakterienart vor allem als Testkeim Bedeutung, so zum Beispiel zur Kontrolle von thermischen Geräten zur Sterilisation.
Was ist Bacillus stearothermophilus?
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Bei Bacillus stearothermophilus handelt es sich um eine Bakterienspezies aus der Familie Bacillaceae, von der rund 50 Gattungen bekannt sind. Die Spezies wurde lange zur Gattung Bacillus gestellt, die der Abteilung Firmicutes zugehört. Lange Zeit wurde die Art durchgehend als Bacillus stearothermophilus geführt. Nach heutiger Systematik gehört sie jedoch zur Gattung Geobacillus und heißt Geobacillus stearothermophilus. Darunter fällt die bakterielle Spezies in die Klasse Bacilli und wird zur Ordnung Bacillales gerechnet.
Wie die meisten Bakterien aus der Ordnung Bacillales ist Bacillus stearothermophilus ein gram-positives Bakterium mit Stäbchenform. Viele Vertreter der Bacillales können unter ungünstigen Bedingungen wie Nahrungsmangel und Extremtemperatur Endosporen bilden. Das gilt auch für Bacillus stearothermophilus, sodass die Spezies zusammen mit den Clostridien der Gruppe der Sporenbildner zugerechnet wird.
Individuen der Art Bacillus stearothermophilus sind thermophile Organismen. Die bakterielle Spezies führt nicht zu Erkrankungen und zeigt gram-positives Färbeverhalten. Die apathogenen Bakterien werden in der Biotechnologie verwendet und so zum Beispiel zur Kontrolle von Sterilisationsprozessen eingesetzt.
Für die Molekularbiologie spielt die Spezies insofern eine Rolle, als dass sie das Enzym Polymerase besitzt. Mittels Polymerase können DNA-Stränge vervielfältigt werden. Polymerase spielt für die Polymerasekettenreaktion und für andere Methoden der DNA-Vervielfältigung oder DNA-Modifikation eine Rolle.
Vorkommen, Verbreitung & Eigenschaften
Die bakterielle Spezies lebt obligat aerob. Das heißt, dass die Individuen nur in sauerstoffreichem Milieu überleben können. Ihr Stoffwechsel ist auf Sauerstoff ausgerichtet. Unter vollständigem Sauerstoffausschluss können sie anders als viele anderen Bakterien nicht überleben.
Das bevorzugte Milieu von Bacillus stearothermophilus ist humusreiche Erde. Auch in heißen Quellen, in Wüstensand, im Kompost oder in Lebensmitteln kommen Stämme der Bakterienart vor. Dasselbe gilt für arktische Gewässer und Meeresböden. Die Spezies ist aufgrund ihrer Fähigkeit zur Sporenbildung extrem hitzestabil und gegenüber Umwelteinflüssen resistent.
Zur Auskeimung kommt es ausschließlich unter günstigen Umweltbedingungen. Die Bakterien besitzen DNA-Polymerase, ein Multifunktional-Enzym, das die Polymerisation einzelner Nukleotide zu einer langen Kette katalysiert. Bei der Replikation von DNA katalysiert es die DNA-Synthese aus einzelnen Desoxyribonukleotiden.
Bedeutung & Funktion
Gemeinsam mit Bacillus subtilis hat Bacillus stearothermophilus hohen Nutzen für den Menschen, so vor allem als Testkeim bei der biologischen Kontrolle verschiedener Sterilisationsgeräte.
Bei der Überprüfung von Autoklaven werden Bakterienstämme der Art als Bioindikatoren eingesetzt und dienen der Ermittlung der Absterbekinetik. Damit ist der zeitliche Verlauf gemeint, in dem eine Keimpopulation unter Hitzeeinwirkung abnimmt. Mittels der Absterbekinetik lässt sich so der Erfolg von Sterilisationsprozessen messen.
Bacillus stearothermophilus ist hochgradig thermostabil. Deshalb wird der Testkeim vor allem in der thermischen Sterilisation zur Ermittlung der Effizienz verwendet. Der Keim wird in Glasampullen gegeben, die mit einem flüssigen Nährmedium und einem Farbindikator befüllt sind. Die einzelnen Ampullen werden autoklaviert und danach gemeinsam mit einer Kontroll-Ampulle bei 60 Grad Celsius für einige Tage inkubiert. Der Farbumschlag des Indikators zeigt die Stoffwechselaktivität der einzelnen Zellen an. Das heißt, dass sich in erfolgreich sterilisierten Ampullen die Färbung nicht verändert.
Auch in Form von Sporenstreifen kann die Sterilisationsprüfung mittels Bacillus stearothermophilus erfolgen. Als Sporenstreifen sind Streifen aus Filterpapier bekannt, auf die Endosporen des Bakteriums aufgebracht werden. Auch diese Anwendung findet meist im Zusammenhang mit der Dampfsterilisationsprüfung statt. Der Testkeim wird dazu in Sporenstreifen in einen Autoklaven gegeben, danach in eine Nährlösung gesetzt und schließlich inkubiert. Wachstum erfolgt bei erfolgreicher Sterilisation nicht.
Über diese Anwendungsbereiche hinaus spielt Bacillus stearothermophilus für die Erzeugung von Enzymen wie BstBI eine Rolle.
Krankheiten & Beschwerden
Die Familie umfasst verschiedene apathogene Arten, beinhaltet andererseits aber auch fakultativ pathogene und obligat pathogene Erreger. Bacillus subtilis ist zum Beispiel ein fakultativ pathogener Erreger der Familie, der nur unter bestimmten Bedingungen zu Erkrankungen führt. Bei Bacillus anthracis handelt es sich wiederum um einen obligat pathogenen Erreger, der zwingend den sogenannten Milzbrand hervorruft.
Anders als bei fakultativ und obligat pathogenen Arten ist bei der apathogenen Bacillaceae-Spezies Bacillus stearothermophilus praktisch nicht mit Erkrankungen zu rechnen, wenn die Bakterien in Kontakt mit dem Menschen geraten. Auch die Inhalation von Sporen der Spezies ist nicht mit Krankheitspotenzial assoziiert. Die Immunlage der Patienten spielt hierbei keine Rolle.
Während fakultativ pathogene Keime meist opportunistische Krankheitserreger sind und damit bei Menschen mit unterdurchschnittlicher immunologischer Konstitution Erkrankungen hervorrufen können, sind apathogene Keime wie Bacillus stearothermophilus sogar für immunsupprimierte Personen ungefährlich.
Systematik und Namensgeschichte
Der Artname setzt sich aus zwei Wortteilen zusammen: „stearo“ verweist auf das griechische Wort für Talg und damit auf fetthaltige Nährstoffe, „thermophilus“ bedeutet wärmeliebend. Beschrieben wurde die Art im frühen 20. Jahrhundert im Zusammenhang mit dem Verderb erhitzter Konserven; von Anfang an fiel also ihre außergewöhnliche Hitzebeständigkeit auf.
Über viele Jahrzehnte war die Gattung Bacillus ein Sammelbecken für nahezu jedes aerobe, sporenbildende Stäbchen. Erst der Vergleich der Erbinformation, insbesondere der Abschnitte für die ribosomale RNA, machte deutlich, wie unterschiedlich diese Arten untereinander sind. Für die wärmeliebenden Vertreter wurde daraufhin die eigene Gattung Geobacillus geschaffen, und die hier beschriebene Art wurde zu deren namengebendem Typvertreter. Zu dieser Gattung zählen weitere Arten aus Kompost, Erdölfeldern und heißen Quellen. Ein Teil der ursprünglich zu Geobacillus gestellten Arten wurde inzwischen erneut abgetrennt und in eine eigene Gattung überführt, was zeigt, dass die Ordnung dieser Gruppe noch nicht abgeschlossen ist.
In Handel, Prüfvorschriften und Laborpraxis hält sich der alte Name hartnäckig. Bioindikatoren werden bis heute vielfach unter der Bezeichnung Bacillus stearothermophilus angeboten, obwohl auf demselben Produkt der neuere Name Geobacillus stearothermophilus stehen kann. Beide Bezeichnungen meinen dieselbe Art. Von den mesophilen, also bei Körper- und Zimmertemperatur wachsenden Verwandten wie Bacillus subtilis unterscheidet sie sich vor allem durch ihren Temperaturanspruch, von den ebenfalls sporenbildenden Clostridien durch ihren Sauerstoffbedarf.
Wachstum, Temperaturansprüche und Hitzeanpassung
Bacillus stearothermophilus ist ein ausgesprochen wärmeliebender Organismus. Sein Wachstumsoptimum liegt im Bereich von etwa 55 bis 65 Grad Celsius, während bei Zimmertemperatur praktisch kein Wachstum stattfindet. Genau diese Eigenschaft macht ihn für die Sterilisationsprüfung so brauchbar: Die Bebrütung erfolgt bei einer Temperatur, bei der die allermeisten Umgebungskeime nicht wachsen, sodass ein Wachstumssignal mit hoher Wahrscheinlichkeit tatsächlich vom Prüfkeim stammt und nicht von einer zufälligen Verunreinigung.
Dass ein Lebewesen bei Temperaturen wächst, bei denen die Eiweiße der meisten Organismen ihre Form verlieren, beruht auf einer Reihe von Anpassungen. Die Proteine wärmeliebender Bakterien unterscheiden sich in ihrer Aminosäurefolge von denen verwandter Arten so, dass sich im gefalteten Molekül mehr stabilisierende Bindungen zwischen entfernten Abschnitten ausbilden; das Molekül hält seine Form dadurch bei höherer Temperatur. Die Zellmembran enthält andere Fettsäuren als bei kälteliebenden Arten – stärker gesättigte und verzweigte Formen, die bei Hitze nicht zu dünnflüssig werden. Auch das Erbmaterial wird durch besondere Bindungsproteine und durch Enzyme stabilisiert, die die Verdrillung der Doppelhelix regulieren.
Der Stoffwechsel ist chemoorganotroph, das heißt, die Bakterien beziehen ihre Energie aus dem Abbau organischer Verbindungen. Sie scheiden dazu Enzyme in die Umgebung aus, die große Moleküle bereits außerhalb der Zelle zerlegen: Stärke wird zu Glucose abgebaut, Eiweiße werden in Aminosäuren gespalten. Diese Ausstattung erklärt zugleich, warum die Art in zuckerhaltigen Rohstoffen und stärkereichen Lebensmitteln so häufig anzutreffen ist.
Sporen und die Messung der Abtötung
Die Endospore dieser Art gilt als eine der hitzebeständigsten überhaupt. Sie ist keine Vermehrungsform: Aus einer Zelle geht genau eine Spore hervor und aus dieser später wieder genau eine Zelle. Ihr Inneres ist stark entwässert und enthält große Mengen einer Verbindung aus Calcium und Dipicolinsäure, die das verbliebene Wasser bindet und den Sporenkern gleichsam erstarren lässt. Kleine, in Säure lösliche Proteine legen sich schützend um die DNA. Um den Kern liegen eine dicke Rinde aus einer besonders locker vernetzten Form des Zellwandmaterials und darüber mehrere Schichten aus Proteinhüllen. Weil in diesem Zustand kaum freies Wasser vorhanden ist, laufen die Vorgänge, die bei Hitze sonst Eiweiße zerstören, nur stark verlangsamt ab.
Die im Zusammenhang mit der Sterilisationsprüfung genannte Absterbekinetik lässt sich anschaulich fassen. Bakteriensporen sterben unter gleichbleibenden Bedingungen nicht alle auf einmal ab, sondern in immer gleichen Anteilen je Zeitabschnitt. Fachleute beschreiben dies mit dem sogenannten D-Wert: Er gibt an, wie lange eine bestimmte Temperatur einwirken muss, damit von einer Ausgangsmenge nur noch ein Zehntel überlebt. Wird die Einwirkzeit verdoppelt, sinkt die Zahl der Überlebenden auf ein Hundertstel, und so fort. Weil dieser Zusammenhang rechnerisch nie exakt null erreicht, wird Sterilität nicht als absolute Keimfreiheit definiert, sondern als eine sehr geringe verbleibende Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelner keimfähiger Organismus überlebt. Bioindikatoren mit den besonders zähen Sporen dieser Art liefern den praktischen Nachweis, dass ein Verfahren diese Anforderung erfüllt.
Chemisch sind die Sporen ebenso widerstandsfähig. Alkoholische Mittel wirken gegen sie nicht, was der bereits erwähnte Umstand belegt, dass die Art in hochprozentigem Alkohol überdauern kann. Als sporizid gelten unter den Flächen- und Instrumentendesinfektionsmitteln vor allem Präparate mit Peressigsäure, Wasserstoffperoxid, Aldehyden oder Chlorabspaltern, und auch diese benötigen ausreichend lange Einwirkzeiten.
Einordnung unter den Prüfkeimen
Nicht jedes Sterilisationsverfahren wird mit derselben Art überprüft. Maßgeblich ist, gegen welches Verfahren ein Keim besonders unempfindlich ist, denn ein Bioindikator soll die Belastungsprobe erschweren und nicht erleichtern. Bacillus stearothermophilus wird deshalb für die Dampfsterilisation eingesetzt sowie für Verfahren, die mit Wasserstoffperoxid arbeiten. Für die Sterilisation mit trockener Heißluft und für Gasverfahren mit Ethylenoxid wird dagegen üblicherweise eine andere Art der Gattung Bacillus verwendet, die gegenüber diesen Einwirkungen widerstandsfähiger ist. Für Bioindikatoren, ihre Herstellung und ihre Prüfung bestehen eigene internationale Normen; sie legen unter anderem fest, welche Keimzahl ein Indikator tragen muss und wie seine Widerstandsfähigkeit zu kennzeichnen ist.
Der biologische Indikator steht dabei nicht allein. Die Überwachung eines Sterilisationsvorgangs stützt sich zusätzlich auf die Aufzeichnung von Temperatur, Druck und Zeit sowie auf chemische Indikatoren, deren Farbumschlag anzeigt, dass bestimmte Bedingungen erreicht wurden. Der Vorteil des biologischen Indikators liegt darin, dass er als einziges dieser Mittel unmittelbar die Frage beantwortet, um die es eigentlich geht: ob überlebensfähige Sporen den Vorgang überstanden haben. Sein Nachteil ist der Zeitbedarf, denn das Ergebnis liegt erst nach der Bebrütung vor. In der Sterilisation von Medizinprodukten wird er daher vor allem bei der erstmaligen Prüfung eines Gerätes, nach Reparaturen und in festgelegten Abständen eingesetzt.
Bedeutung für die Lebensmittelherstellung
Die Art ist der klassische Erreger des sogenannten flachsauren Verderbs von Konserven. Der Name beschreibt das Erscheinungsbild: Die Bakterien vergären den Inhalt zu Säure, bilden dabei aber kaum Gas. Die Dose wölbt sich deshalb nicht, sie bleibt flach, und der Verderb ist von außen nicht zu erkennen. Erst beim Öffnen fällt der saure Geruch und Geschmack auf. Betroffen sind vor allem gemüse-, stärke- und zuckerhaltige Konserven, die nicht sauer genug sind, um das Wachstum von vornherein zu verhindern.
Der Weg der Bakterien in die Ware führt über die Rohstoffe. Zucker, Stärke, Mehl, Gewürze und Trockenmilcherzeugnisse bringen Sporen aus dem Boden mit, und die Erhitzung, die eine Konserve haltbar machen soll, überstehen diese Sporen unter Umständen. Entscheidend ist deshalb, was nach dem Erhitzen geschieht: Kühlt eine Konserve nur langsam ab oder wird sie warm gelagert, verweilt sie längere Zeit in genau dem Temperaturbereich, in dem der Keim am besten wächst. Rasches Herunterkühlen nach der Erhitzung und Rohstoffe mit niedriger Sporenbelastung sind daher die wirksamsten Gegenmaßnahmen. Ein gesundheitliches Risiko geht von diesem Verderb nicht aus, da die Art keine Giftstoffe bildet und für den Menschen ungefährlich ist; es handelt sich um einen wirtschaftlichen Schaden.
Hitzestabile Enzyme aus Bacillus stearothermophilus
Weil die Eiweiße wärmeliebender Bakterien ihre Form auch bei hohen Temperaturen behalten, sind sie als Werkzeuge für Labor und Industrie besonders begehrt. Aus dieser Art gewonnene Enzyme, die die Erbsubstanz an genau festgelegten Stellen schneiden, gehören zum Standardbestand molekularbiologischer Laboratorien; ihre Kurzbezeichnungen beginnen mit „Bst“ und verweisen damit auf den Herkunftsorganismus.
Besondere Bedeutung hat die aus dieser Art gewonnene DNA-Polymerase erlangt. Sie besitzt die Eigenschaft, beim Kopieren einen bereits vorhandenen Gegenstrang zu verdrängen. Dadurch lässt sich Erbmaterial vervielfältigen, ohne dass die Doppelstränge zwischendurch immer wieder durch Erhitzen getrennt werden müssen. Verfahren, die auf dieser Eigenschaft beruhen, laufen bei gleichbleibender Temperatur ab und benötigen daher kein Gerät, das rasche Temperaturwechsel erzeugt. Sie werden unter anderem für Erregernachweise außerhalb spezialisierter Laboratorien genutzt und ergänzen dort die aufwendigere Polymerase-Kettenreaktion. Daneben liefert die Art wärmestabile stärkespaltende Enzyme, die bei der Verzuckerung von Stärke im großtechnischen Maßstab eingesetzt werden, sowie eiweißspaltende Enzyme für technische Anwendungen.
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
- Kramer, A., Assadian, O., Exner, M., et al. (Hrsg.): Krankenhaus- und Praxishygiene.
ISBN: 9783437223136
- 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