Bacillus

Systématique Le genre Bacillus appartient à la famille des Bacillaceae. Il se distingue des autres représentants de la famille par sa morphologie et son type respiratoire. Le genre Bacillus rassemble des bacilles à Gram positif, à Gram variable voire même à Gram négatif, aérobies ou aéro-anaérobies et capables de former une endospore. Ce genre apparaît extrêmement hétérogène tant sur le plan génétique (le G + C p. cent des diverses espèces varie de 32 à 69 !) que phénotypique (type respiratoire, métabolisme des sucres, composition de la paroi, habitat, ...). L’étude des ARNr 16S et 23S confirme l’hétérogénéité et montre que le genre Bacillus doit être scindé en plusieurs genres. La réorganisation de ce genre a été initiée en 1992 par la création du genre Alicyclobacillus rassemblant 3 espèces acidophiles et thermophiles. Ultérieurement ont été proposés et validés les genres Aneurinibacillus (1996), Brevibacillus (1996), Paenibacillus (1994), Virgibacillus (1998), Gracilibacillus (1999) et Salibacillus (1999). Caractères bactériologiques Les espèces du genre Bacillus sont des bacilles rectilignes (ou presque rectilignes), à extrémités carrées ou arrondies, de taille variable (de 0,5 x 1,2 mm jusqu’à 2,5 x 10 mm), sporulés, à Gram positif ou à Gram variable (fréquemment, la coloration de Gram n’est positive que dans les très jeunes cultures), généralement mobiles grâce à une ciliature péritriche ( Bacillus anthracis et Bacillus mycoides sont immobiles et pour les espèces mobiles, la mobilité est variable selon les souches), parfois capsulés ( Bacillus anthracis, Bacillus licheniformis, Bacillus megaterium et Bacillus subtilis peuvent élaborer une capsule formée d’un polymère d’acide glutamique), aérobies ou aéro-anaérobies, le plus souvent catalase positive, donnant une réponse variable au test de l’oxydase. La culture de ces germes peut s'avérer difficile car certaines espèces exigent de nombreux facteurs de croissance. L'aspect des colonies obtenues sur milieu gélosé est extrêmement variable et les phénomènes de dissociation sont fréquents : - La plupart des espèces donne des colonies d’un diamètre variable selon la quantité de nutriments disponibles. - Bacillus circulans et Bacillus sphaericus donnent des colonies qui envahissent les milieux gélosés (essaimage). - Bacillus mycoides donne des colonies rhizoides qui recouvrent toute la surface de la gélose en 48 heures. - Certaines espèces produisent des pigments lorsqu’elles sont cultivées sur des milieux particuliers (pigment rouge pour Bacillus cereus, pigment jaune pour Bacillus fastidiosus, rose pour Bacillus sphaericus, jaune, orange, brun ou rose pour Bacillus subtilis, ...). Lorsque les conditions deviennent défavorables, les Bacillus sporulent et donnent des spores (une seule spore par cellule végétative) souvent très résistantes dans le milieu extérieur. Le phénomène de sporulation, contrairement à ce qui se produit pour les espèces du genre Clostridium , n'est pas inhibé par l'oxygène. La sporulation dépend des conditions de culture et, in vitro, certaines espèces ne sporulent que dans des milieux spéciaux de fabrication difficile. Traditionnellement, les espèces du genre Bacillus sont réparties en 3 groupes selon la morphologie de la spore et du sporange : - Le groupe I est constitué des bacilles à Gram positif, présentant une spore centrale ou terminale, sphérique ou ovoïde, ne déformant pas la cellule. Ce groupe est divisé en 2 sous-groupes, l’un (groupe IA) constitué des bacilles d’un diamètre supérieur à 1 mm et contenant des inclusions de poly-bêta-hydroxybutyrate ( Bacillus anthracis, Bacillus cereus, Bacillus megaterium, Bacillus thuringiensis, ...) et l’autre (groupe IB) rassemblant des bacilles d’un diamètre inférieur à 1 mm et dépourvus d’inclusions de poly-bêta-hydroxybutyrate (Bacillus coagulans, Bacillus firmus, Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis, Bacillus pumilus, ...). - Le groupe II est constitué des espèces à Gram variable, présentant une spore ovoïde, centrale ou terminale, déformante (Bacillus circulans, Bacillus lentimorbus, Bacillus popilliae, Bacillus stearothermophilus, ...). - Le groupe III est caractérisé par des bacilles à Gram variable et présentant une spore sphérique, déformante, terminale ou sub-terminale (Bacillus globisporus, Bacillus insolitus, Bacillus sphaericus, ...). Quelques espèces sont aptes à synthétiser un cristal ou corps parasporal contenant des toxines létales pour les insectes. Les espèces les mieux connues sont Bacillus thuringiensis et Bacillus sphaericus mais, Bacillus lentimorbus et Bacillus popilliae produisent également un corps parasporal. L’élaboration d’un corps parasporal n’est pas l’apanage du seul genre Bacillus puisque Paenibacillus popilliae, Brevibacillus lateropsorus et certaines souches de Paenibacillus lentimorbus sont aptes à former de tels cristaux. Habitat Les Bacillus sont des germes de l'environnement dont l'habitat principal est le sol où ils joueraient un rôle dans les cycles du carbone et de l'azote. Les diverses espèces peuvent occuper des niches écologiques très variées, certaines espèces sont psychrophiles (croissance à 3 °C) d’autres thermophiles (croissance à 75 °C), d’autres acidophiles (pH 2) et d’autres alcalinophiles (pH 10). La résistance des spores et la diversité physiologique des formes végétatives en font des bactéries très ubiquistes que l’on peut isoler de l’eau de mer (par exemple Bacillus licheniformis) ou de l’eau douce (Bacillus stearothermophilus est présent dans des sources chaudes) mais aussi de denrées alimentaires (cacao, sucre, épices, lait, ...). La résistance des spores, constitue un problème majeur en médecine et l’épidémiologie de certaines infections repose sur cette faculté à sporuler. Dans le domaine industriel (industries agro-alimentaires, industries du médicament, production de matériel stérile à usage unique) se surajoutent au phénomène de résistance les problèmes posés par l’adhésion des spores. En effet, certaines espèces de Bacillus produisent des spores dont la surface est hydrophobe ce qui leur permet d’adhérer fortement à divers matériaux et de résister aux procédés de nettoyage. C’est le cas notamment des spores de Bacillus cereus qui s’attachent très bien aux surfaces en acier inoxydable et qui posent de graves problèmes dans les industries de l’aliment. Les structures impliquées dans l’adhésion sont encore imparfaitement connues. Dans le cas de Bacillus cereus on implique la présence d’un exosporium pour d’autres espèces telles que Bacillus licheniformis on fait jouer un rôle à des appendices très fins formant une sorte de feutrage autour de la spore. Pouvoir pathogène Homme et mammifères Deux espèces ont un pouvoir pathogène indiscutable : Bacillus anthracis et Bacillus cereus. D'autres espèces sont des pathogènes opportunistes notamment pour les individus débilités. Les Bacillus sont également fréquemment en cause dans les infections oculaires succédants à des traumatismes accidentels ou chirurgicaux. Les espèces le plus souvent incriminées sont Bacillus cereus, Bacillus licheniformis et Bacillus subtilis mais de nombreuses autres souches non identifiées (Bacillus sp.) sont également isolées. Ces infections oculaires se caractérisent par une évolution rapide conduisant à une panophtalmite répondant très mal aux traitements et nécessitant souvent une énucléation - Bacillus licheniformis Cette espèce est responsable, chez l'homme, d'infections oculaires et, plus rarement, de septicémies ou d'infections diverses. Une bactérie appelée Bacillus licheniformis variété Endoparasiticus et considérée comme une forme L (mutant dépourvu de paroi), a été décrite chez des patients immunodéprimés. Bacillus licheniformis est également en cause dans des cas de toxi-infections alimentaires consécutives à l’ingestion de viandes cuisinées ou de végétaux contenant plus de 106 bactéries par gramme. La période d’incubation est de l’ordre de 8 heures et le principal signe de la maladie consiste en des vomissements qui dans 50 p. cent des cas s’accompagnent de diarrhées. Bacillus licheniformis est régulièrement incriminé dans des cas d'avortements chez les ovins et les bovins, notamment quand les animaux sont nourris avec du foin de mauvaise qualité récolté après des étés pluvieux. La bactérie a été isolée en culture pure de lésions nécrotiques, hémorragiques ou suppurées du placenta et du vagin de la mère ainsi que du contenu stomacal, du sang, du foie, des poumons et des nœuds lymphatiques du fœtus. Des cas de mammites aiguës, accompagnées de signes généraux ont permis l'isolement de souches de Bacillus licheniformis . Bien que les souches soient sensibles in vitro à la pénicilline et à la streptomycine, ces deux antibiotiques n'empêchent pas des récidives fréquentes. Bacillus licheniformis est également présent dans le tube digestif des bovins à proximité de zones congestionnées, ulcérées ou œdémateuses sans que l'on sache s’il en est la cause. - Bacillus pumilus Bacillus pumilus peut être responsable de toxi-infections alimentaires consécutives à la consommation de pâtés, d’œufs, de fromage et de jus de fruits. Les symptômes consistent en des vomissements et de la diarrhée. Chez l’animal, Bacillus pumilus a été isolé de cas de mammites chez la vache. - Bacillus subtilis Bacillus subtilis a été isolé, chez l'homme, lors d'endocardites, de pneumonies, de bactériémies, de septicémies, d’infections oculaires... Il est responsable de quelques cas de toxi-infections alimentaires où il a pu être isolé en grand nombre (plus de un million par gramme) à partir des aliments suspects (viandes froides, pâtés, farces, pizza, pains complets...). Les symptômes, vomissements parfois sévères et diarrhées, apparaissent entre 15 minutes et 10 heures après l'ingestion (moyenne 2 à 5 heures) et persistent 2 à 8 heures. Ce germe a été impliqué dans des avortements chez les ovins et, chez les bovins, il est l'agent de mammites aiguës, récidivantes malgré un traitement antibiotique (pénicilline par exemple) qui, au vu des résultats obtenus in vitro, aurait dû être efficace. - Autres espèces Bacillus circulans , Bacillus coagulans, Bacillus sphaericus, Bacillus thuringiensis sont parfois isolés de plaies infectées, de cas de septicémie, d’endocardite, d’abcès, ... Bacillus coagulans a été isolé d'avortements chez les bovins et Bacillus thuringiensis de cas de mammites chez la vache. Insectes Plusieurs espèces ont un pouvoir pathogène pour les insectes notamment, Bacillus thuringiensis pour les lépidoptères, les coléoptères et les diptères et Bacillus sphaericus pour les larves de moustiques. Ces espèces sont utilisées dans la lutte contre ces arthropodes : Bacillus thuringiensis sérovar Israelensis (lutte contre les anophèles, les Aedes et les vecteurs de l’onchocercose), Bacillus thringiensis sérovar Kurstaki (lutte contre les lépidoptères), Bacillus thuringiensis sérovar Morrisoni (lutte contre les moustiques) et Bacillus sphaericus (lutte contre les culex). Bacillus coagulans a été isolé de larves d’abeilles atteintes de la "maladie de la demi-lune" (cette maladie qui sévit en Nouvelle Zélande se caractérise par la présence de larves incurvées en demi-lune) mais l’affection n’a pas pu être reproduite expérimentalement. Les autres espèces retrouvées chez les abeilles ont été transférées dans le genre Paenibacillus. Diagnostic bactériologique L'isolement d'une souche de Bacillus peut être extrêmement fastidieux lorsque le prélèvement est plurimicrobien. Des milieux sélectifs n’ont été mis au point que pour quelques espèces (le milieu de Mossel, permettant le dénombrement de Bacillus cereus est le seul a être commercialisé) et le chauffage de 10 minutes à 70 - 80 °C ne fournit pas toujours des résultats satisfaisants car la thermorésistance des spores est variable en fonction de l'environnement. De plus, il convient d'induire la germination ce qui nécessite souvent un choc thermique dont les paramètres (température, durée) varient avec les espèces. Le diagnostic de genre repose sur la morphologie, l'affinité tinctoriale (parfois très difficile à déterminer puisque certaines espèces n'apparaissent à Gram positif que dans les cultures de quelques heures), l'étude du type respiratoire et la mise en évidence d'une spore (bien visible lors d’un examen au contraste de phase). La capacité de sporulation est un caractère fondamental parfois très difficile à obtenir in vitro . Il convient d'utiliser des milieux de sporulation (souvent des géloses nutritives enrichies de 10 à 50 mg/L de manganèse) et de laisser vieillir les cultures une dizaine de jours. Le diagnostic d'espèce est délicat. En pratique, il se base sur l'aspect de la spore ce qui permet de classer la souche dans un des 3 groupes définis par Gordon et al. Dans un deuxième temps, le recours à la clé d’identification proposée par Smith et al. permet un diagnostic présomptif. Pour s’en tenir aux espèces pouvant avoir un intérêt médical : - Dans le groupe IA, Bacillus anthracis, Bacillus cereus et Bacillus thuringiensis sont VP +, cultivent en anaérobiose ou à pH 5,7 ou en présence de 7 p. cent de NaCl, hydrolysent l’amidon et réduisent les nitrates. Ces trois espèces possèdent des caractères bactériologiques très voisins, pour un diagnostic différentiel : . - Dans le groupe IB : . Bacillus licheniformis et Bacillus coagulans poussent sur une gélose à pH 6 ou en anaérobiose, ils sont VP + mais, Bacillus licheniformis est gélatinase + et cultive en présence de 7 p. cent de NaCl alors que des caractères inverses sont notés pour Bacillus coagulans. . Bacillus subtilis et Bacillus pumilus cultivent sur une gélose à pH 6 mais pas en anaérobiose, ils sont VP + mais, contrairement à Bacillus pumilus, Bacillus subtilis réduit les nitrates et hydrolyse l’amidon. - Dans le groupe III, Bacillus sphaericus est très mobile, mésophile, incapable de cultiver en anaérobiose ou sur une gélose à pH 6, il est VP - et il ne réduit pas les nitrates. Le diagnostic de quasi-certitude nécessite des techniques d’identification numérique (par exemple utilisation conjointe de plaques API 50 CH et d’un logiciel d’identification) ou de chimiotaxonomie (composition en acides gras, détermination d’un pyrogramme obtenu après pyrolyse). Aussi, sauf pour quelques espèces, l'identification d'une souche de Bacillus ne peut être réalisée que dans un laboratoire spécialisé. Le diagnostic bactériologique pose également un problème d’interprétation : les Bacillus ou leurs spores sont largement répandus dans le milieu extérieur et sont même présentes sur du matériel de prélèvement considéré comme stérile (notamment sur les tiges en bois des écouvillons). L'isolement d'une souche de Bacillus doit donc toujours faire l'objet d'une interprétation critique. Ainsi, le port de gants non stériles, par le personnel chargé de prélever le sang peut conduire à l’isolement de souches de Bacillus sp. et faire conclure à tort à des bactériémies. Leur responsabilité dans une infection ne peut être établie que dans la mesure où ils ont été isolés à plusieurs reprises du même individu. Sensibilité aux antibiotiques Si l'on excepte le cas de Bacillus anthracis , peu d'études ont été consacrées à la sensibilité des Bacillus aux agents antimicrobiens. Ils semblent le plus souvent : - sensibles à l'amoxicilline-acide clavulanique, à la gentamicine, à l'amikacine, à la kanamycine, à la tétracycline, au chloramphénicol, à la rifampicine et à la vancomycine; - résistants à la lincomycine, à la colistine et fréquemment à la fosfomycine. - La production de bêta-lactamases par de nombreuses souches limite l’intérêt de la pénicilline (sauf pour Bacillus anthracis dont le nombre de souches résistantes est faible) et des céphalosporines. Orientation bibliographique ANNALES DE L’INSTITUT PASTEUR ACTUALITÉS : Les bactéries pathogènes d’insectes et leurs applications. 1996, 7, 207-296. CLAUS (D.) et FRITZE (D.) - Taxonomy of Bacillus. In : Bacillus, Colin R. HARWOOD éditeur, Plenum Publishing Corporation, 1989, 5-26. 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