Legionellen -

humanpathogene wassergängige Bakterien

Teil 1: Vorkommen - Verbreitung - Infektionsgefahr

Prof. Dieter Kreysig*

Nach ihrer Entdeckung als Erreger der legendären "Legionärskrankheit" (Legionellose), jener spektakulären seuchenhaften Erkrankungen mit zahlreichen Todesfolgen unter den Teilnehmern des 1976er-Jahrestreffens der "US American Legion..." (Veteranen-Organisation der USA) und weiterer Hotelgäste im Bellevue-Stratford-Hotel Philadelphia 5 Monate nach dem Seuchenausbruch, Anfang 1977 [1], setzte eine intensive Erforschung dieses anfangs rätselhaft erschienenen Bakteriums ein.

Legionellen vermehren sich nicht auf den üblichen Nährmedien, weshalb sie sich der Erkennung mit herkömmlichen mikrobiologischen Nachweisverfahren bis zu jener gezielten aufwendigen Suche nach einem unbekannten Erreger der Legionärskrankheit entzogen hatten. Sie benötigen für ihr Wachstum einen speziell zusammengesetzten Nährboden, z.B. den heute allgemein angewendeten so genannten BCYE-(buffered charcoal-yeast extract-Agar, angereichert mit -Ketoglutarat).

Die Entdeckung dieses Zusammenhanges und die zunehmend perfektioniertere Nachweistechnik ermöglichten eine ausgedehnte Suche nach Legionellen und ihrem Vorkommen mit dem Ergebnis: Legionellen sind ubiquitär, d. h. weltweit vorkommend.

Es sind stäbchenförmige Bakterien mit einer Länge von 0,6 - 20 痠 und einem Durchmesser von 0,3 - 0,9 痠. Legionellen besitzen Fortbewegungsorgane (je nach Art und Typ eine oder auch mehrere Geißeln, Wimpern), leben in (süßwasser-)aquatischen Systemen und sind daraus als lebensfähige Isolate bei sowohl 6蚓 wie auch 66蚓 gewonnen worden. Sie zeigen ausgeprägtes Wachstum im Temperaturbereich von 25蚓 bis 48蚓, das Vermehrungsoptimum liegt bei 36蚓 und einem pH-Wert von 6,8 - 7,2.

Legionellen existieren strikt aerob und benötigen für ihr Wachstum neben essentiellen Zusatzstoffen wie Calcium, Zink, Magnesium, Eisen usw. vor allem Aminosäuren als Kohlenstoffquelle, obligat die Thioaminocarbonsäure Cystein. Diese Aminosäuren sind Bausteine von Eiweißstoffen (Proteine) und kommen in der Natur nicht in freier Form vor, sondern müssen als Stoffwechselprodukte anderer Lebewesen bzw. aus Zerfallsprodukten von Eiweißkomponenten anderer Lebewesen bereitgestellt werden und verfügbar sein. Das bedeutet, dass die solcherart heterotroph vegetierenden Legionellen immer in irgendeiner Form (Aminosäurespender-Funktion) vergesellschaftet auftreten, in der Natur vorwiegend mit Algen bzw. Protozoen (einzellige Tiere).

Die Vermehrung der Legionellen erfolgt, verglichen mit einer Generationszeit von 20 Minuten im Falle von Escherichia coli, relativ langsam: in natürlichen Gewässern 22-72 Stunden; vergesellschaftet mit Algen 5-13 Stunden; unter optimalen Laborbedingungen 2,8-4 Stunden. Daher kommen sie in natürlichen Lebensräumen praktisch nie in krankmachenden Konzentrationen vor und stellen somit in der natürlichen Umwelt keinerlei Infektionsrisiko dar. Erst unter optimalen ökologischen Bedingungen - wie in von Menschen geschaffenen Systemen - können die pathogenen Legionellen zu einem konzentrationsabhängigen Infektionsrisiko werden.

Ökologische Ansprüche und natürliche Habitate

Legionellen bevorzugen als natürlichen Lebensraum warmes Wasser und sind daher aus dem Wasser von Bächen, Flüssen, Teichen, Seen usw. ebenso zu isolieren wie man sie auch im Feuchtigkeitsfilm von Epiphyten finden kann, die im Regenwald auf Bäumen in mehr als zehn Meter Höhe über dem Erdboden wachsen. Im salzhaltigen Meerwasser wurden bisher keine Legionellen gefunden.

Bild 1: Schnittbild einer Legionellen besiedelten Amöbe (bearbeitete elektronenmikroskopische Aufnahme).

Die weltweit vorkommenden Legionellen vermehren sich in natürlichen Wasservorkommen ebenso wie in wasserführenden technischen Systemen auf sehr spezifische Weise [2]. Denn eine Besonderheit zeichnen Legionellen neben ihrer Symbiose mit z.B. Algen und möglicherweise weiteren saprophytischen Keimen aus: sie schmarotzen im Zellinneren einzelliger Tierchen wie Amöben und Ziliaten. Bemerkenswert an diesem Schmarotzerdasein ist, dass sie ursprünglich als Nahrung von den Protozoen aufgenommen werden, sich aufgrund spezifischer Abwehrkräfte jedoch der Verstoffwechselung ("Verdauung") widersetzen und stattdessen in ihrem "Wirt" besonders gut vermehren (Bild 1). Diese zellinterne Vermehrung gipfelt entweder in einem "Zerplatzen" des Protozoons (die freiwerdenden Legionellen werden von anderen Protozoen-Individuen aufgenommen und der Kreislauf beginnt erneut) oder in der Ausstülpung einer legionellengefüllten Zyste.

Bild 2: Amöbe beim "Einfangen" einer Legionelle (bearbeitete elektronenmikroskopische Aufnahme nach J. Kool, Academische Proefschrift 2000).

Am häufigsten findet man Amöben und Ziliaten als natürliche Bewohner von Biofilmen [2]. Daraus erklärt sich, dass sich Legionellen nach bisherigen Erkenntnissen nur unter dem Einfluss der vermehrungs-verstärkenden Vektoren Biofilm und Protozoen signifikant multiplizieren, während ein Zellwachstum im natürlichen, planktonischen Lebensstadium bisher nicht sicher beobachtet werden konnte, weswegen sie als intrazelluläre Parasiten klassifiziert sind. Trotz dieser wachstumsbegünstigenden synergistisch wirksamen Symbiose der Legionellen mit ihren "Wirten" kommen sie in ihren natürlichen Biotopen nie in krankmachenden Konzentrationen vor. Zu solchen wachsen sie erst in technischen Systemen auf.

Wasserführende technische Systeme wie Hausinstallationen für Trink-, Brauch- und Prozesswasser, Bestandteile raumlufttechnischer Anlagen, offene Kühl- und Rückkühlaggregate, gebäudeinterne Vorrichtungen und Geräte für die Wasseraufbereitung und -nachbehandlung usw. stellen aufgrund der in ihnen meist herrschenden physikalischen, chemischen und hydraulischen Bedingungen vielfach geradezu ideale ökologische Nischen für wassergängige Mikroorganismen dar. Dies trifft insbesondere auch auf Legionellen zu, die z.B. im eintretenden Wasser einer Hausinstallation wenn überhaupt, dann nur in äußerst geringen (also keinesfalls pathogenen) Konzentrationen enthalten sind, im auslaufenden Wasser der verschiedenen Zapfstellen jedoch in erheblichen Mengen und krankmachenden Konzentrationen nachgewiesen werden können. In von Menschenhand geschaffenen technischen Systemen entstehen damit "hausgemachte" hygienische Probleme, die auch nur "haustypisch" gelöst werden können.

Bild 3: Wachstum von Legionellen-Kolonien auf einem BCYE--Agar nach 5 Tagen Inkubation.

Worin bestehen - bezogen auf Legionellen - die -hygienischen Probleme?

Seit dem ersten gelungenen mikrobiologischen Nachweis von Legionellen, der auf der Suche nach einem vermeintlichen Virus als Erreger der rätselhaften Legionärskrankheit (1976) rein zufällig gelang (McDade [1], Anfang 1977) sind bis heute aus der Familie der Legionellaceae 42 Spezies mit mehr als 60 Serotypen mit zahlreichen Subvaren sicher nachgewiesen und bekannt. Nicht alle bisher bekannten Spezies sind humanpathogen (vgl. Übersicht 3). Als virulenteste Spezies gilt die Legionella pneumophila, speziell ihre Serogruppen (SG) 1 (verursacht 85 - 90% aller Erkrankungen durch L. pn., während auf die Serogruppen 2 - 12 lediglich 10 - 15% entfallen).

Zur Abschätzung der von mit Legionellen kontaminiertem Wasser ausgehenden Infektionsgefahr ist der Nachweis lebens- und vermehrungsfähiger Spezies erforderlich. Die nach wie vor sicherste Methode hierfür ist die Kultivierung von mittels Filtration gewonnenen Isolaten aus entsprechenden Wasserproben oder von in kleinen Volumina Probewasser (0,5 - 1,0 ml) enthaltenen Kontaminanten (einzelne Individuen, kontaminierte Biofilmpartikel bzw. legionellenhaltige Protozoen) auf einem Spezialnährboden, z.B. CYE--Agar, eingestellt auf pH 6,9, unter spezifischen Inkubationsbedingungen 37蚓, 80 - 90% Luftfeuchtigkeit, in normaler oder mit 2 - 5% CO₂-angereicherter) Luft. Infolge der relativ langsamen Vermehrung erscheinen auf dem schwarzen BCYE--Agar nach ca. 3 Tagen erste grünlich bis weiß fluoreszierende kleine Kolonien, die allerdings erst nach 10 - 12 Tagen "ausgewachsen" sind und eine Befundbewertung in der Zählweise "koloniebildende Einheit" (KBE) [4] als "cysteinabhängige Bakterien" zulassen und nachfolgend als "Legionellen" identifizierbar sind. Allerdings ist - wie noch gezeigt wird - eine unmittelbare Korrelation der in einer Probe auf diese Weise ermittelten Anzahl KBE mit der von diesem Wasser bzw. dem zugehörigen Probenahmeort ausgehende Gesundheitsgefährdung für den Menschen nur bedingt möglich. Die an diesen kultivierten Legionellen mögliche Bestimmung der enthaltenen Serogruppen und Subtypen gestattet weiterreichende Abschätzungen des Infektionsrisikos einerseits, aber andererseits auch eine differenzierende Abschätzung der Zusammensetzung der Legionellen-Population, was u.U. für die Zuordnung eines Erkrankungs-Ereignisses zum Infektionsort von Bedeutung sein kann.

Legionellen sind potentielle Erreger von 3 symptomatisch abgrenzbaren Erkrankungsformen. Sie verursachen das "Pontiac-Fieber", die "Legionärskrankheit" und auch Wundinfektionen.

Das Pontiac-Fieber (auch als "Sommergrippe" bezeichnet) ist eine Erkrankung mit grippeartiger Symptomatik (vgl. Tabelle). Die Inkubationszeit beträgt wenige Tage, der Krankheitsverlauf erfordert keinen ärztlichen Beistand und keine medikamentöse Behandlung, die Symptome klingen nach 5 - 7 Tagen spontan ab, es sind weder erkrankungsbedingte Folgeschäden noch fatale Krankheitsverläufe bekannt. Den überwiegend meisten der an einer solchen Sommergrippe Erkrankten (die Schätzungen von jährlichen Erkrankungsfällen in Deutschland gehen weit auseinander, teilweise bis zu > 100.000) bleibt verborgen, dass sie an einer Legionellose erkrankt sind oder waren.

Anders dagegen die Legionärskrankheit, eine Legionellose mit multisystemischer Symptomatik, begleitet von einer atypischen Pneumonie (Lungenentzündung). Diese schwere Verlaufsform, auch heute noch mit einer mittleren Sterblichkeitsrate von 10% und einer beträchtlichen Menge positiver Verläufe mit den Folgen mehr oder weniger ausgeprägter Invalidität behaftet, erfordert unbedingt eine spezielle ärztliche Behandlung. Für eine - möglichst komplikationsfreie - Rekonvaleszenz sind folgende Faktoren von entscheidender Bedeutung: eine möglichst frühe Erkennung der Erkrankung und Zuordnung zum Krankheitstyp, eine umgehend applizierte Intensivtherapie und die gezielte Behandlung mit wirksamen Antibiotika.

Die Früherkennung einer Infektion als Legionärskrankheit setzt vielfach ein entsprechendes ärztliches Wissen und diagnostische Erfahrung voraus. Für die zuverlässige klinische Diagnostik einer Legionellose stehen eine Reihe - teils sehr aufwendiger und kostspieliger - Techniken und Verfahren zur Verfügung.

(Fortsetzung folgt)

*) Prof. Dieter Kreysig, wissenschaftlicher Berater der AQUA Butzke GmbH.
Anmerkung des Autors: Diesen Aufsatz widme ich dem Gedenken an einen geschätzten Kollegen, den vormaligen Leiter des Geschäftsfeldes "Wasserbehandlung" der AQUA Butzke GmbH, Dipl.-Ing. Markus Kuhn, der in Erfüllung dienstlicher Verpflichtungen bei einem tragischen Unfall starb.

L i t e r a t u r :

[1] Mc. Dade, J. E., Shepard, C. C., Fraser, D. W., Tsai, T. R., Redus, M. A., Dowdle, W. R.: Legionaires� disease. Isolation of a bacterium and demons-tration of its role in respiratory disease; N. Engl. J. Med. 297 (1977), 1197 - 1203.
Fraser, D. W., Tsai, D. R., Orenstein, W. et all.: Legionaires� disease: description of an epidemic outbreak of pneumonia; N. Engl. J. Med. 1977 (297), 1189 - 97.

[2] Fields, B. S.: Legionella and Protozoa: Interaction of a pathogen and its natural host; in: Barbaree, Breimann, Dufour (eds.): Legionella. Current Status and Emerging Perspectives; ASM, Washington, D. C. 1993, 129 - 136.

[3] Kreysig, D.: Der Biofilm - Bildung, Eigenschaften und Wirkungen; BIOforum 24 (2001) 40 - 43, 338 - 341 und dort zitierte Literatur.

[4] Unter "koloniebildenden Einheiten" werden die nach Ablauf der für die jeweilige Art von Mikroorganismen standardisierten Inkubationszeit auf einem Nährboden aufgewachsenen, unter 6 - 8facher Lupenvergrößerung erkennbaren Kolonien verstanden.

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