Escherichia coli

Escherichia coli
Konservierung status
Schutzstatus: Sicher
Wissenschaftliche Klassifizierung
Phylum: Proteobacteria Klasse: Gamma Proteobacteria Ordnung: Enterobacteriales Familie: Enterobacteriaceae Genus: Escherichia Spezies: coli
Binomialname
Escherichia coli T. Escherich, 1885

Escherichia coli (IPA: ), ist eine der bekanntesten und bedeutendsten Bakterienarten, die als Darmflora im unteren Darm von Säugetieren leben. Die Anzahl der einzelnen E. coli-Bakterien in den Fäkalien, die ein Mensch an einem Tag ausscheidet, liegt durchschnittlich zwischen 100 Milliarden und 10 Billionen. Aus diesem Grund wurde E. coli in der Wasseranalyse als Indikator für fäkale Verunreinigungen verwendet. Die Bakterien sind aber nicht auf diese Umgebung beschränkt, auch am Rande von heißen Quellen wurden schon Exemplare gefunden.

E. coli ist nur eine von vielen Mikrobenarten in Säugetieren. So beherbergt beispielsweise der Dickdarm des Menschen über 700 Bakterienarten. Diese erfüllen eine Vielzahl von Funktionen mit vielen Vorteilen für den Wirtsorganismus. Zum Beispiel produzieren die Bakterien Enzyme, die in der Lage sind, viele für Wirbeltiere unverdauliche Moleküle zu verdauen, sie produzieren kleine Mengen an Vitaminen für die Absorption ins Blut und helfen, die Besiedlung durch toxische Bakterien zu verhindern. Wenn es sich im Dickdarm befindet, liefert E. coli auch einige der gleichen Werte für den Wirtsorganismus, indem es bei der Abfallverarbeitung, der Vitamin-K-Produktion und der Nahrungsaufnahme hilft. Bemerkenswerterweise macht das menschliche Immunsystem, das so geschickt darin ist, eindringende Organismen zu erkennen, nicht gegen E. coli als Fremdkörper mobil.

E. coli existiert aufgrund von Mutation und hochfrequenter Rekombination (Gentransfer bei Konjugation) in immer mehr Stämmen. Obwohl die Menschen E. coli im Allgemeinen als harmlose Darmflora verstehen, sind sie opportunistisch und einige der Stämme wurden als ernsthafte Verursacher verschiedener Krankheiten identifiziert. Darüber hinaus sind die mit E. coli verbundenen Gesundheitsgefahren dadurch komplizierter geworden, dass einige der Erreger Resistenzen gegen gängige Antibiotika entwickelt haben.

Seit seiner Entdeckung im Jahr 1885 durch Theodor Escherich, einen deutschen Kinderarzt und Bakteriologen (Feng et al. 2002), ist E. coli aufgrund seiner Häufigkeit in enger Verbindung mit dem Menschen Gegenstand intensiver theoretischer wie auch praktischer Forschung gewesen. Dies hat sicherlich zum besseren Verständnis von Naturphänomenen beigetragen, insbesondere in den Bereichen Genetik, Gentechnik und Mikrobiologie.

Allgemeine Merkmale

E. coli ist ein stäbchenförmiger, gramnegativer, fakultativ anaerober, laktosefermentierender, nicht endosporenbildender Mikroorganismus. Seine Zelle misst 1-2 µm in der Länge und 0,1-0,5 µm im Durchmesser. Seine zehn Geißeln sind in einer peritrical Anordnung gruppiert. Stämme von E. coli besitzen den Colicinogenitätsfaktor oder das Col-Plasmid (extra-chromosomaler DNA-Ring), das für die Produktion des Bakteriocins namens Colicin verantwortlich ist, ein Toxin gegen andere Stämme der gleichen Gattung.

E. coli gehört zur Familie der Enterobacteriaceae, die viele Gattungen umfasst, darunter auch bekannte Krankheitserreger wie Salmonellen, Shigellen und Yersinien. Einer der Wortstämme des wissenschaftlichen Namens der Familie, „enteric“, bezieht sich auf den Darm und wird oft synonym mit „fäkal“ verwendet. Alle verschiedenen Arten von fäkalen Kolibakterien (d. h. E. coli) und alle sehr ähnlichen (Zwillingsbrüder) Bakterien, die im Boden oder in verrottenden Pflanzen leben (von denen der häufigste Enterobacter aerogenes ist), werden unter dem Namen coliform zusammengefasst. Technisch gesehen sind unter der „coliformen Gruppe“ alle aeroben und fakultativ anaeroben, nicht sporenbildenden, gramnegativen, stäbchenförmigen Bakterien zu verstehen, die innerhalb von 48 Stunden bei 35°C (95°F) Laktose unter Gasbildung vergären. Im Körper wird dieses Gas als Flatulenz freigesetzt. Coliform ist keine taxonomische Einordnung, sondern eine Arbeitsdefinition.

Wie bei anderen Bakterien auch, vermehrt sich E. coli vegetativ durch Binärspaltung. Durch das Vorhandensein des F-Faktors (Fertilitäts- oder Sexualfaktor) ist der Organismus auch in der Lage, hier und da eine Konjugation zur lateralen DNA-Übertragung zwischen Organismen durchzuführen. Der F-Faktor ist eine bakterielle DNA-Sequenz, die es einem Bakterium ermöglicht, einen Sexpilus und eine für die Konjugation notwendige Konjugationsbrücke mit einem anderen Konjuganten zu bilden. Er enthält 20 tra-Gene (für „Transfer“) und eine Reihe anderer genetischer Sequenzen, die für Inkompatibilität, Replikation und andere Funktionen verantwortlich sind. Während der Konjugation in E. coli kann also genetisches Material zwischen den beiden Konjuganten übertragen werden, und es können hochfrequente Rekombinanten (Stämme mit chromosomaler DNA eines anderen Konjuganten, die als integraler Bestandteil des Plasmids, nämlich des F-Faktors, erhalten wird) entstehen. Darüber hinaus kann der Gentransfer auch durch Transduktion (Gentransfer über Bakteriophagen) erfolgen.

E. coli kann eine Zeit lang außerhalb des Wirts überleben, aber die Desinfektion aller aktiven Bakterien kann leicht durch Pasteurisierung oder einfaches Abkochen erfolgen, wobei ein strengeres Sterilisationsverfahren nicht erforderlich ist, da die Bakterien keine Sporen bilden.

Stämme

Ein „Stamm“ von E. coli ist eine Gruppe mit einigen besonderen Merkmalen, die sie von anderen E. coli-Gruppen unterscheidbar machen. Diese Unterschiede sind oft nur auf molekularer Ebene nachweisbar; sie können jedoch Veränderungen in der Physiologie oder im Lebenszyklus des Bakteriums bewirken, was z. B. zu einem unterschiedlichen Grad an Pathogenität (Fähigkeit eines Organismus, Krankheiten in einem anderen Organismus zu verursachen) führt.

Unterschiedliche Stämme von E. coli leben in verschiedenen Tierarten, so dass es möglich ist, nachzuvollziehen, ob das fäkale Material im Wasser z. B. vom Menschen oder von Vögeln stammt.

Durch den natürlichen biologischen Prozess der Mutation entstehen immer wieder neue Stämme von E. coli, und einige dieser Stämme entwickeln Eigenschaften, die für ihr Wirtstier schädlich sein können. Obwohl ein solcher Stamm bei den meisten gesunden erwachsenen Menschen wahrscheinlich nicht mehr als einen Anfall von Durchfall verursachen würde und möglicherweise überhaupt keine Symptome hervorruft, kann ein solcher Stamm bei kleinen Kindern, Menschen, die krank sind oder kürzlich krank waren, oder bei Menschen, die bestimmte Medikamente einnehmen, schwere Krankheiten und sogar den Tod verursachen. Der E. coli-Stamm O157:H7 ist einer von Hunderten von Stämmen des Bakteriums, der virulent ist und beim Menschen Krankheiten verursacht (CCID/DBMD 2006).

Da E. coli und verwandte Bakterien die Fähigkeit besitzen, DNA über bakterielle Konjugation und Bakteriophagen zu übertragen, kann sich eine neue Mutation in einer bestehenden Population weiter verbreiten. Es wird angenommen, dass dieser Prozess zur Ausbreitung der Fähigkeit zur Toxinsynthese von Shigella auf E. coli O157:H7 geführt hat.

Die Kombination aus Buchstaben und Zahlen im Namen des Bakterienstamms bezieht sich auf die spezifischen Marker, die auf seiner Oberfläche zu finden sind und ihn von anderen E. coli-Stämmen unterscheiden. E. coli O157:H7 soll 5.000 Gene in seinem Genom besitzen, das sind etwa 1.000 Gene mehr als bei anderen Stämmen (NIH/NIAID 2001).

Extended-Spectrum Beta-Lactamase (ESBL)-produzierende E. coli sind antibiotikaresistente Stämme. Sie produzieren ein Enzym namens Extended-Spectrum-Beta-Lactamase, das sie resistent gegen Antibiotika macht, wodurch die Infektionen schwieriger zu behandeln sind. In vielen Fällen sind nur noch wenige orale Antibiotika und eine sehr begrenzte Gruppe intravenöser Antibiotika wirksam.

Nachweis von E. coli

Der Nachweis von E. coli ist die einzige sichere Möglichkeit der Diagnose von assoziierten Krankheiten. Außerdem wird durch den Nachweis oder sogar die Auszählung der Anzahl der E. coli der Schweregrad der fäkalen Kontamination bewertet und entsprechende Empfehlungen gegeben. Daher gibt es verschiedene Stufen des Nachweises des Organismus.

Aufgrund ihrer Anpassung an den Säugetierdarm wachsen verschiedene Stämme von E. coli am besten in vivo oder bei den höheren Temperaturen, die für eine solche Umgebung charakteristisch sind, im Gegensatz zu den kühleren Temperaturen, die im Boden und anderen Umgebungen herrschen. Die coliformen Keime lassen sich sehr leicht von anderen unterscheiden, indem man sie in einem Laktose-Pepton-Nährmedium (z. B. Mac-Conkey-Bouillon der Firma Merck) bei 37 °C 48 Stunden lang wachsen lässt und prüft, ob sie Säure und Gas produzieren können. Die Abschätzung der Anzahl der Zellen pro Einheit erfolgt mit einem statistischen, mehrstufigen Test, der sogenannten „Most Probable Number (MPN)-Methode.“

Zur weiteren Differenzierung der fäkalen Kolibakterien werden diese in Lactose-Pepton-Eosin-Methylblau (EMB)-Agarmedium angezüchtet. Nach 48-stündiger Bebrütung des Mediums bei 37 °C entwickeln sich bei E. coli blauschwarze, metallisch glänzende Kolonien, während Enterobacter rötliche, schleimige Kolonien bildet. Für E. coli O157:H7 wird die Stuhlprobe auf Sorbitol-MacConkey (SMAC)-Agar getestet.

Um eine vollständige Differenzierung von fäkalen Verunreinigungen (z. B. E. coli) und den nicht fäkalen Verunreinigungen (z. B. Enterobacter) durchzuführen, wird eine Reihe von biochemischen Tests verwendet, die zusammen als IMViC-Test bekannt sind. In diesen Tests werden die Indol-Produktion aus Tryptophan (Indol-Test), die Produktion einer starken Säure, die eine rote Farbe im Methylrot-Indikator verursacht (Methylrot-Test), die Produktion von Acetoin (Voges-Proskauer-Test) und die Verwendung von Citrat als einzige Kohlenstoffquelle (Citrat-Test) durchgeführt. E. coli zeigt bei den ersten beiden Tests positive Reaktionen, während Enterobacter aerogenes bei den letzten beiden Tests positiv reagiert.

Krankheitsverursacher

Obwohl die meisten Stämme harmlos sind, produziert der E. coli O157:H7-Stamm ein starkes Toxin, das schwere Krankheiten verursachen kann. Daher ist E. coli O157:H7 zu einer der Hauptursachen für lebensmittelbedingte Krankheiten geworden (CDC 2006). E. coli kann im Allgemeinen verschiedene intestinale und extra-intestinale Infektionen verursachen, wie z. B. Harnwegsinfektionen, Meningitis, Peritonitis, Mastitis, Septikämie und gramnegative Lungenentzündung. Wenn E. coli-Bakterien durch eine Perforation (ein Loch oder einen Riss, z. B. durch ein Geschwür, einen gerissenen Blinddarm oder einen chirurgischen Fehler) aus dem Darm entweichen und in den Bauchraum gelangen, verursachen sie in der Regel eine Bauchfellentzündung, die ohne sofortige Behandlung tödlich sein kann.

Übertragungsweg

Rinder sind die Hauptquelle für E. coli O157-Infektionen, da es im Darm von gesunden Rindern, Hirschen, Ziegen und Schafen leben kann; ihr Dung ist ebenfalls eine wichtige Quelle. Daher wurden die meisten Erkrankungen mit dem Verzehr von unzureichend gegartem, kontaminiertem Rinderhackfleisch in Verbindung gebracht. Da toxigene Kolibakterien auch in Tieren vorkommen können, die gegen das Toxin resistent sind, können sie durch direkten Kontakt auf Bauernhöfen, in Streichelzoos und so weiter verbreitet werden. Menschen sind aber auch durch den Verzehr von kontaminierter Salami, Bohnensprossen oder frischem Blattgemüse wie Salat und Spinat erkrankt.

Der Kontakt von Mensch zu Mensch in Familien und Kindertagesstätten ist ebenfalls ein bekannter Übertragungsweg. Menschen, die mit E. coli infiziert sind, sind sehr ansteckend. Darüber hinaus kann eine Infektion nach dem Trinken von Rohmilch und nach dem Schwimmen in oder dem Trinken von abwasserverunreinigtem Wasser oder Saft erfolgen.

Es wurde auch gezeigt, dass die Stämme von E. coli, speziell O157:H7, in Schmutzfliegen auf Rinderfarmen und in Stubenfliegen zu finden sind und von diesen übertragen werden können (Szalanski et al. 2004; Alam et al. 2004). Sie können auch auf und durch Fruchtfliegen auf die verletzten Früchte und von dort beim Verzehr auf den Menschen übertragen werden (Sela et al. 2005). In manchen Umgebungen können sie auch über luftgetragene Partikel verbreitet werden (Christie 2002).

Gastrointestinale Infektionen

Die enterischen E. coli werden anhand ihrer Virulenz-Eigenschaften unterteilt in enterotoxigene (ETEC, Erreger von Durchfallerkrankungen bei Menschen, Schweinen, Schafen, Ziegen, Rindern, Hunden und Pferden); enteropathogene (EPEC, Erreger von Durchfallerkrankungen bei Menschen, Kaninchen, Hunden, Katzen und Pferden); enteroinvasiv (EIEC, kommt nur bei Menschen vor); verotoxigen (VTEC, kommt bei Schweinen, Rindern, Hunden und Katzen vor); enterohämorrhagisch (EHEC, kommt bei Menschen, Rindern und Ziegen vor); angreifende Schweinestämme, die den Darm in ähnlicher Weise besiedeln wie menschliche EPEC-Stämme; und enteroaggregative E. coli (EAggEC, kommt nur beim Menschen vor).

Bestimmte Stämme von E. coli, wie z. B. Escherichia coli O157:H7 und E. coli O104:H21, sind toxigen (einige produzieren ein Toxin, das dem der Ruhr sehr ähnlich ist) und können Lebensmittelvergiftungen verursachen, die in der Regel mit dem Verzehr von Käse und kontaminiertem Fleisch (kontaminiert während oder kurz nach der Schlachtung oder während der Lagerung oder Auslage) in Verbindung gebracht werden. Die übliche Gegenmaßnahme besteht darin, verdächtiges Fleisch „gut durchgebraten“ zu kochen; die Alternative einer sorgfältigen Inspektion der Schlacht- und Zerlegungsmethoden (um sicherzustellen, dass der Darm des Tieres entfernt und nicht durchstochen wird) wurde offenbar nicht systematisch erprobt.

Dieser spezielle Stamm wird vermutlich mit dem E. coli-Ausbruch in den USA im Jahr 2006 in Verbindung mit frischem Spinat in Verbindung gebracht. Der Schweregrad der Erkrankung ist sehr unterschiedlich. Sie kann tödlich sein, besonders bei kleinen Kindern, älteren Menschen oder immungeschwächten Personen, verläuft aber häufiger mild.

E. coli kann sowohl hitzestabile als auch hitzelabile Enterotoxine beherbergen. Das letztere, LT genannt, ist in Struktur und Funktion dem Cholera-Toxin sehr ähnlich. Es enthält eine „A“-Untereinheit und fünf „B“-Untereinheiten, die in einem Holotoxin angeordnet sind. Die B-Untereinheiten helfen bei der Adhärenz und dem Eintritt des Toxins in die Darmzellen des Wirts, wo die A-Untereinheit gespalten wird und die Zellen an der Wasseraufnahme hindert, was zu Durchfallerkrankungen führt. LT wird über den Typ-2-Sekretionsweg sezerniert (Tauschek et al. 2002).

E. coli besitzen eine spezifische Nukleations-Präzipitations-Maschinerie, um lösliche Amyloid-Oglimere zu produzieren und diese als Curli auszufällen, ein Netzwerk von Fasern, die die Bakterien an Wirtszellen und untereinander binden. Die Bedeutung von E. coli als Quelle von Amyloid ist nicht bekannt, aber Amyloidfasern sind ein Bestandteil zahlreicher menschlicher Krankheitsprozesse, einschließlich Alzheimer (Chapman et al. 2002).

Harnwegsinfektionen (UTI)

Obwohl sie bei Frauen aufgrund der kürzeren Harnwege häufiger vorkommen, werden Harnwegsinfektionen sowohl bei Männern als auch bei Frauen beobachtet. Sie tritt bei älteren Männern und Frauen zu etwa gleichen Teilen auf. Da Bakterien ausnahmslos durch die Harnröhre in die Harnwege gelangen, was als „aufsteigende Infektion“ bezeichnet wird, können schlechte Toilettengewohnheiten eine Infektion begünstigen. Es spielen aber auch andere Faktoren eine Rolle (Schwangerschaft bei Frauen, Prostatavergrößerung bei Männern) und in vielen Fällen ist das auslösende Ereignis unklar. Während aufsteigende Infektionen bei Infektionen der unteren Harnwege und Blasenentzündungen in der Regel die Regel sind, gilt dies nicht unbedingt für Infektionen der oberen Harnwege wie Pyelonephritis, die hämatogenen Ursprungs sein können. Die meisten Fälle von Infektionen der unteren Harnwege bei Frauen sind gutartig und bedürfen keiner ausführlichen Laboruntersuchungen. Bei Harnwegsinfektionen bei jungen Säuglingen muss jedoch eine bildgebende Untersuchung durchgeführt werden, typischerweise ein retrogrades Urethrogramm, um das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein von angeborenen Harnwegsanomalien festzustellen. Auch Männer müssen weiter untersucht werden.

Bei einigen Personen ist E. coli O:157H:7 außerdem dafür berüchtigt, schwere, sogar lebensbedrohliche Komplikationen wie das hämorrhagisch-urämische Syndrom (HUS) zu verursachen. Menschen mit diesem Problem bekommen eine hämolytische Anämie (d.h. eine niedrige Anzahl roter Blutkörperchen), Thrombozytopenie (d.h. eine niedrige Anzahl von Blutplättchen) und Nierenversagen (d.h. Nierenschäden). Etwa 8 Prozent der Personen, deren Durchfallerkrankung so schwer ist, dass sie medizinische Hilfe in Anspruch nehmen, entwickeln diese Komplikation. In den USA ist HUS die Hauptursache für akutes Nierenversagen bei Kindern, und die meisten Fälle von HUS werden durch E. coli O157:H7 verursacht (CDC 2006).

Behandlung von E. coli-Infektionen

Antibiotika-Therapie

Die angemessene Behandlung von E. coli-Infektionen hängt von der Erkrankung ab und sollte, wann immer möglich, durch eine Laboranalyse der Antibiotika-Empfindlichkeit des infizierenden Stammes bestimmt werden. Als Gram-negative Organismen sind E. coli gegen viele Antibiotika resistent, die gegen Gram-positive Organismen wirksam sind. Zu den Antibiotika, die zur Behandlung einer E. coli-Infektion eingesetzt werden können, gehören (aber nicht nur) Amoxicillin sowie andere halbsynthetische Penicilline, viele Cephalosporine, Carbapeneme, Aztreonam, Trimethoprim-Sulfamethoxazol, Ciprofloxacin, Nitrofurantoin und die Aminoglykoside. Nicht alle Antibiotika sind für jede durch E. coli verursachte Erkrankung geeignet, und es sollte der Rat eines Arztes eingeholt werden.

Antibiotikaresistenzen sind ein wachsendes Problem. Zum Teil ist dies auf den übermäßigen Einsatz von Antibiotika beim Menschen zurückzuführen, zum Teil aber wahrscheinlich auch auf den Einsatz von Antibiotika als Wachstumsförderer bei Nutztieren (Johnson et al. 2006). Die Resistenz gegen Beta-Lactam-Antibiotika ist in den letzten Jahrzehnten ernster geworden, da Stämme, die Beta-Lactamasen mit erweitertem Spektrum produzieren, viele, wenn nicht alle Penicilline und Cephalosporine als Therapie unwirksam machen.

E. coli ist ein häufiges Mitglied von Multispezies-Biofilmen. Einige Stämme sind verpilzt (mit F-Plasmid) und in der Lage, Plasmide von und auf andere Bakterien der gleichen und anderer Spezies aufzunehmen und zu übertragen. E. coli tragen oft multiresistente Plasmide und übertragen diese unter Stress leicht auf andere Spezies. Damit sind E. coli und die anderen Mitglieder der Enterobacteriaceae wichtige Reservoirs für übertragbare Antibiotikaresistenzen (Franiczek et al. 2006).

Doch E. coli sind extrem empfindlich gegenüber Antibiotika wie Streptomycin oder Gentamycin, so dass eine Behandlung mit diesen Antibiotika in der Regel wirksam ist. Dies könnte sich jedoch schnell ändern, da E. coli, wie oben erwähnt, schnell Resistenzen gegen Medikamente erwirbt (NIH 2001). Die American Academy of Science empfiehlt, den Einsatz von Antibiotika zu minimieren.

Phagentherapie

Die Phagentherapie ist der Einsatz von Viren, die spezifisch gegen pathogene Bakterien gerichtet sind. Sie wurde in den letzten 80 Jahren vor allem in der ehemaligen Sowjetunion entwickelt, wo sie zur Vorbeugung von Durchfallerkrankungen durch E. coli u. a. in der Roten Armee eingesetzt wurde und rezeptfrei erhältlich war.

Impfstoff

E. coli-Impfstoffe sind seit vielen Jahren in der Entwicklung (Girard et al. 2006). Im März 2006 wurde berichtet, dass ein Impfstoff, der eine Immunantwort gegen das E. coli O157:H7 O-spezifische Polysaccharid auslöst, das mit rekombinantem Exotoxin A von Pseudomonas aeruginosa konjugiert ist (O157-rEPA), bei Kindern im Alter von zwei bis fünf Jahren sicher und immunogen ist. Bei Erwachsenen hat es sich bereits als sicher und immunogen erwiesen. Eine klinische Studie der Phase III zur Überprüfung der Wirksamkeit im großen Maßstab ist geplant (Ahmed 2006).

Im Januar 2007 gab das kanadische biopharmazeutische Unternehmen Bioniche bekannt, dass es einen Impfstoff für Rinder entwickelt hat, der die Anzahl der in der Gülle ausgeschiedenen Bakterien um den Faktor 1.000 reduziert, auf etwa 1.000 Bakterien pro Gramm Gülle (Pearson 2007; CanadaAM 2007; BionichePR 2007).

Bedeutung in der Mikrobiologie

Aufgrund seiner Allgegenwärtigkeit wird E. coli häufig in der Mikrobiologie untersucht und wird häufig als Modellorganismus für die Untersuchung von Bakterien im Allgemeinen verwendet. Seine Struktur ist bereits klar verstanden, und es ist ein hervorragendes Ziel für Anfänger, Fortgeschrittene und Studenten der Biowissenschaften. Der Fruchtbarkeitsfaktor (F-Plasmid) und die bakterielle Konjugation wurden zuerst in E. coli entdeckt, und es bleibt das primäre Modell zur Untersuchung der Konjugation und des Gentransfers.

Es ist das aktuelle „Arbeitspferd“ in der Molekularbiologie. Die im Labor verwendeten Stämme haben sich effektiv an diese Umgebung angepasst und sind nicht mehr so gut an das Leben im Säugetierdarm angepasst wie der Wildtyp. Eine wesentliche Anpassung ist der Verlust der großen Mengen an externem Biofilm-Mucopolysaccharid, die der Wildtyp produziert, um sich vor Antikörpern und anderen chemischen Angriffen zu schützen, die aber einen großen Aufwand an Energie und Materialressourcen des Organismus erfordern. Dies zeigt sich bei der Kultivierung der Organismen auf Agarplatten; während die Laborstämme gut definierte Einzelkolonien bilden, sind bei den Wildtyp-Stämmen die Kolonien in diese große Masse aus Mucopolysaccharid eingebettet, was die Isolierung einzelner Kolonien erschwert.

Aufgrund dieser langen Geschichte der Laborkultur und Manipulation spielt E. coli eine wichtige Rolle in der modernen Biotechnologie. Forscher können die Bakterien so verändern, dass sie als „Fabriken“ für die Synthese von DNA und/oder Proteinen dienen, die dann mit Hilfe von industriellen Fermentationsprozessen in großen Mengen hergestellt werden können. Eine der ersten nützlichen Anwendungen der rekombinanten DNA-Technologie war die Manipulation von E. coli zur Herstellung von Humaninsulin für Diabetiker. Wissenschaftler stellen synthetisch E. coli her, die Krebszellen angreifen und abtöten können (Singer 2006).

Bedeutung bei der Bestimmung der Wasserreinheit und der Abwasseraufbereitung

Anhand der mikrobiologischen Untersuchung von Wasser kann dessen Verwertbarkeit (Trinktauglichkeit) festgestellt werden. Das Vorhandensein von coliformen Bakterien in Oberflächenwasser ist ein gängiger Indikator für fäkale Verunreinigungen.

Im Bereich der Wasserreinigung und Abwasseraufbereitung wurde E. coli schon sehr früh als „Indikator“ für den Verschmutzungsgrad des Wassers, d. h. die Menge an menschlichen Fäkalien darin, gewählt. E. coli wird zum Nachweis verwendet, weil es etwa 10 Prozent der Darmmikroorganismen von Mensch und Tier ausmacht; folglich gibt es viel mehr coliforme Keime in menschlichen Fäkalien als Krankheitserreger. (Salmonella typhi ist ein Beispiel für einen solchen Erreger, der Typhus verursacht). E. coli ist in der Regel harmlos, kann sich also nicht im Labor „austoben“ und jemanden verletzen.

Der Test auf das Vorhandensein von Coliformen im Wasser besteht traditionell aus drei routinemäßigen Standardtests: (a) der Vermutungstest, (b) der Bestätigungstest und (c) der vollständige Test. Der präsumptive Test beobachtet die Coliformen lediglich in Bezug auf die Gasproduktion aus der Laktosegärung. Da die Gasproduktion nicht nur durch fäkale Verunreinigungen, sondern auch durch nicht-fäkale Verunreinigungen sowie nicht-coliforme Keime erfolgt, werden diese positiven präsumptiven Tests durch den bestätigten Test weiter analysiert. Hier wird das spezielle Merkmal von fäkalen Kolibakterien (E. coli) getestet, wie z. B. der metallische Glanz, den die Kolonien im EMB-Agar-Medium aufweisen. Um den sanitären Test zu vervollständigen, werden die im bestätigten Test positiven Kolonien auf Gasproduktion und die morphologischen Merkmale von E. coli geprüft.

Zusätzlich kann die Anzahl der coliformen Bakterien sowie der E. coli pro Volumeneinheit der Wasserprobe mit Hilfe des MPN-Tests (most probable number) geschätzt werden. Vergleicht man die Anzahl der coliformen/E. coli mit dem standardisierten Coliform-Index, kann die Wasserqualität eingestuft und für eine bestimmte Verwendung oder keine empfohlen werden. Viele dieser Tests werden routinemäßig an Wasserspeicher- und -verteilungssystemen durchgeführt.

Es kann jedoch manchmal irreführend sein, E. coli allein als Indikator für eine fäkale Verunreinigung durch den Menschen zu verwenden, da es andere Umgebungen gibt, in denen E. coli gut wächst, wie z. B. Papierfabriken. An anderen Stellen sind sie durch fortschrittlichere Tests ersetzt worden. Andere Organismen wie Streptococcus bovis und bestimmte Clostridium-Arten werden ebenfalls als Index für die fäkale Verunreinigung von Trinkwasserquellen verwendet.