Cours Microbiologie de l'environnement SVE 2 2024-2025 PDF

Rappel de quelques données d’écologie microbienne  2èmes années SVE Année universitaire 2024/2025 Programme du cours Chapitre 1: Introduction – Rappel de quelques données Enseignant responsable: Dr. Haythem GHARSA Ecosy...

Rappel de quelques données d’écologie microbienne  2èmes années SVE Année universitaire 2024/2025 Programme du cours Chapitre 1: Introduction – Rappel de quelques données Enseignant responsable: Dr. Haythem GHARSA Ecosystèmes, c’est quoi ? Un écosystème est un système ouvert traversé par des flux d’énergies et des cycles de matières, abritant une communauté biotique formée d’organismes vivants en interaction dans un milieu donné, le biotope. Un écosystème est un ensemble dynamique d’organismes vivants (plantes, animaux, végétaux, microorganismes) qui interagissent entre eux et avec le milieu (sol, climat, eau, lumière) dans lequel ils vivent. Composition d’un écosystème Biotope Biocénose + (eau, air, sol, lumière, (phytocénose, zoocénose, température microbiocénose Le biotope est un ensemble de facteurs abiotiques (facteurs non vivants) formé par des facteurs climatiques et édaphiques. La biocénose est un ensemble de facteurs biotiques (facteurs vivants) formée par l’ensemble des êtres vivants: La faune La flore La microflore On dit aussi que cette biocénose se compose de 3 groupes écologiques fondamentaux d’organismes: Les producteurs (phytocénose ,soient les végétaux) Les consommateurs (la zoocénose, soient les animaux) Et les décomposeurs (la microbiocénose, soient les bactéries, champignons, insectes….) Les producteurs qui transforment l’énergie lumineuse en énergie chimique et élaborent les composés organiques Les consommateurs qui se nourrissent de MO Les décomposeurs qui recyclent la matière organique morte afin de restituer aux producteurs les matières minérales nécessaires à la poursuite de leurs activités. - Les microorganismes interviennent dans tous les écosystèmes en tant que producteurs, consommateurs (prédateurs, parasites), décomposeurs ; ils participent activement à la minéralisation de la matière organique. Consommateurs tertiaires CO2 C.III Consommateurs secondaires C.II CO2 Consommateurs primaires C.I CO2 Bactéries et mycètes CO2 Flux carbonés MO MO Producteurs primaires Ils sont de ce fait des acteurs indispensables des cycles biogéochimiques du carbone et de l’azote. Les Procaryotes différent des Eucaryotes non seulement par des caractères d’ordre ultra-structural, mais aussi par une grande variété de types trophiques. Tout être vivant doit pour survivre fabriquer sa propre matière organique (croissance, reproduction, renouvellement cellulaire et tissulaire et doit prélever dans son milieu du carbone (MO=matière carbonée), D’une source de H+ et d’électrons pour réduire le carbone: pouvoir réducteur de l’énergie nécessaire à la réduction du carbone.  Une réduction est un gain d’électrons ; une oxydation est une perte d’électrons Forme réduite Forme oxydée + électron agent réducteur agent oxydant (Donneur d’électron) (Accepteur d’électrons) - Dans l’environnement, il existe différentes modalités de prélèvement du carbone, du pouvoir réducteur et de l’énergie. -Ces différentes modalités de prélèvement représentent les types trophiques chez les microorganismes. De nombreuses espèces peuvent alors se développer dans des conditions extrêmes de T, pH ou dans des milieux que les eucaryotes ne peuvent pas exploiter. Selon leur mode de prélèvement de l’énergie dans le milieu, les êtres vivants différent par: La source d’énergie La source du carbone La source du pouvoir réducteur Source d’énergie Source de carbone Phototrophes Chimiotrophes Autotrophes Hétérotrophes (Energie rayonnante) (énergie chimique: oxydation (Matière minérale) (Matière organique) des composés réduits Source de pouvoir réducteur Lithotrophes organotrophes Minérale organique (MO préexistante) (H2O, H2S)  Source de carbone Autotrophes Hétérotrophes (Matière inorganique) (Matière organique) Photolitotrophes Chimiolitotrophes Photoorganotrophes Chimioorganotrohes Les microorganismes autotrophes Les microorganismes hétérotrophes Les microorganismes autotrophes se Les microorganismes hétérotrophes développe dans un environnement ou nécessitent la présence de la matière dans un milieu purement minéral; ils sont organique dans leur milieu, soit comme capables de synthétiser tous les source de H+ et d’électrons, soit comme composants organiques des cellules source d’énergie et de pouvoir réducteur uniquement à partir de substrats minéraux. I.1. Les photolitotrophes Les cellules photolitotrophes utilisent: L’énergie rayonnante d’origine solaire comme source d’énergie Le CO2 atmosphérique comme source de carbone Et un composé minéral comme source de H+ et d’électrons. Parmi les photolitotrophes, on trouve:  Les Archées halophiles extrêmes  Les bactéries photosynthétiques vertes  Les bactéries photosynthétiques pourpres  Les cyanobactéries Les bactéries photosynthétiques pourpres Les archéobactéries du genre Halobacterium Le grand lac salé I.2. Les chimiolitotrophes Les bactéries chimiolitotrophes tirent leur énergie de l’oxydation des éléments minéraux variés, utilisent le CO2 comme source de carbone Et des composés minéraux variés comme source de pouvoir réducteur, H+ et des électrons. Exemples: Exp 1: Les bactéries nitrifiantes utilisent différents composés azotés: elles participent à la minéralisation des protéines qui se réalise par étapes dans le sol. La nitrification: NH4+ NO2- NO3- Les bactéries nitrifiantes sont des aérobies strictes (le dioxygène leur est indispensable), ils existent deux types qui interviennent séquentiellement dans l’utilisation des composés azotés du sol: La première étape elle est réalisée par des bactéries nitreuses (Nitrosomonas en milieu aérien, Nitrocystis en milieu océanique) et mène à la production des nitrites (azote nitreux). NH4++ 3/2O2 NO2- + H2O+ 2H+ La deuxième étape elle est réalisée par des bactéries nitriques (Nitrobacter) et mène à la production des nitrates (azote nitrique). NO2- + 1/2O2 NO3- La nitrification nécessite la présence de dioxygène, une température élévée (37°C) et un pH optimal (8,5). Le taux d’azote nitrique dans le sol varie au cours de l’année: 10-éà mg d’azote par mg de terre à la fin de l’été à 1-2 mg à la fin de l’hiver, les réserves nitriques ayant été lessivées. L’importance écologique de ces cellules est considérable car elles sont les seuls êtres vivants à produire des nitrates et des nitrites directement assimilables par les végétaux. Exp 2: Les sulfobactéries, libres ou symbiotiques , utilisent les composés soufrés et produisent des sulfates (Bactéries sulfo-oxydantes ou sulfobactéries). Les Archéobactéries thermo-acidophiles peuplent les eaux sulfureuses chaudes: sources hydrothermales continentales à 80-90°C et pH ˂ 2, fumeurs noirs de la dorsale E-pacifique à 350°C (Thiobacillus). Les Sidérobactéries utilisent les composés ferreux Les Hydrogenomonas utilisent le dihydrogène atmosphérique Les Archées méthanogènes vivent dans les eaux stagnantes riches en matiere organique en putréfaction (production du gaz des marais), les stations d’épuration, les oasis des grands fonds océaniques (Methanobacterium) utilisent du H2, du CO2 et de l’acétate pour produire du méthane, CH4. fumeurs noirs de la dorsale E-pacifique Genre Thiobacillus II.1. Les photoorganotrophes Les cellules photoorganotrophes utilisent: L’énergie rayonnante d’origine solaire comme source d’énergie Molécules organiques comme source de carbone Un composé organique (alcool, acide…) préexistant comme source de H+ et d’électrons. C’est le cas d’une bactérie pourpre non sulfuraire, Rhodopseudomonas viridis. II.1. Les chimioorganotrophes Les cellules chimioorganotrophes utilisent: La matière organique préexistante à la fois comme source d’énergie d’origine et comme source de carbone et de pouvoir réducteur; Les bactéries de ce type sont les plus nombreuses et différent par l’origine de la matière organique qu’elles utilisent et leurs rapports avec l’oxygène.  Les bactéries aérobies strictes (Escherichia coli, Proteus vulgaris…) ont besoin du O2 qui joue le rôle d’accepteur final H+ et d’électrons; Elles pratiquent la respiration aérobie (glycolyse décarboxylation oxydative cycle de krebs= cycle de l’acide citrique chaine de transport d’électrons) Les électrons arrachés aux substrats organiques sont pris en charge par des transporteurs d’électrons (NAD+, FAD) qui assurent l’alimentation des pompes à protons. Les bactéries anaérobies strictes n’ont pas pas besoin d’O2 (toxique) Elles pratiquent la fermentation anaérobie (fermentation alcoolique, lactique, butyrique (Clostridium), propionique… OU Respiration anaérobie (Bactéries sulfatoréductrices ou dénitrifiantes) qu réalise la phoshorilation oxydative avec un accepteur final d’electrons autre que le O2: sulfate, nitrate, hydrogénocarbonate…. On nomme la respiration du nom de l’accepteur d’électron final: respiration sulfate, nitrate…. Les bactéries anaérobies facultatives pratiquent la respiration en présence O2 et la fermentation en condition d’anaérobiose (Pseudomonas). Lorsqu'un orage éclate et que la pluie suit, des milliers de bactéries sont déversées sur le sol. Des chercheurs avaient déjà qualifié l'atmosphère de nid microbien. Ils avaient montré que les microbes pouvaient traverser le Pacifique, embarqués dans l'atmosphère et transportés par les aérosols. Beaucoup d'atmosphériciens soupçonnent en outre que ces bactéries peuvent jouer un rôle sur la météo. Elles pourraient bien être le moteur de la pluie. Présenté par Haythem GHARSA PE2 14/ 20 Les micro-organismes sont partout en suspension dans l'atmosphère entre autre dans les nuages. Certains micro-organismes ont en effet la particularité de favoriser la formation de cristaux de glace dans l'atmosphère qui concentrent les gouttes d'eau et forment ainsi des nuages.  libres ou symbiotiques , utilisent les composés soufrés et produisent des sulfates (Bactéries sulfo-oxydantes ou sulfobactéries). Les Archéobactéries thermo-acidophiles peuplent les eaux sulfureuses chaudes: sources hydrothermales continentales à 80-90°C et pH ˂ 2, fumeurs noirs de la dorsale E-pacifique à 350°C (Thiobacillus). Les Sidérobactéries utilisent les composés ferreux Les Hydrogenomonas utilisent le dihydrogène atmosphérique Les Archées méthanogènes vivent dans les eaux stagnantes riches en matiere organique en putréfaction (production du gaz des marais), les stations d’épuration, les oasis des grands fonds océaniques (Methanobacterium) utilisent du H2, du CO2 et de l’acétate pour produire du méthane, CH4. A l'échelle humaine les micro-organismes présents dans l'air ambiant, sous forme d'aérosols, sont responsables d'un grand nombre d'infections humaines, en particulier dans des environnements anthropiques clos, chauffés et humides comme ceux des hôpitaux.  TERRE On distingue trois compartiments majeurs parmi les habitats terrestres : la couche superficielle du sol qui s'étend de la surface à quelques mètres de profondeur, la biosphère souterraine qui s'étend sur toute la lithosphère, et le cas particulier des réservoirs pétroliers. Chacune de ces niches abrite une communauté particulière de micro-organismes. Le sol abrite de fortes quantités de micro-organismes qui interviennent activement dans différents cycles géochimiques (C, N, S et métaux). La diversité microbienne y est fonction du type de sols étudiés elle s'étend dans toutes les niches où la vie est thermodynamiquement possible. La proportion de micro-organismes s’accroît à mesure que l'on s'éloigne de la surface du sol. Au sein de la rhizosphère la diversité et la richesse microbienne sont très importantes. Les populations peuvent atteindre jusqu'à 109 individus par gramme de sol. Cette richesse est à attribuer aux relations qui s'établissent entre les plantes et les micro-organismes. - La plante excrète des sucres, des acides aminés et des vitamines qui permettent la croissance des micro-organismes alors que ces derniers produisent des hormones favorisant la croissance de la plante - Certains micro-organismes de la rhizosphère permettent de lutter contre les pathogènes (bactéries et champignons) de la plante. L'habitat souterrain est défini comme celui compris au dessous de 8 mètres pour les habitats terrestres et en dessous de 10 cm pour les sédiments marins. En terme de volume c'est le plus gros habitat colonisable sur le globe. Il est constitué de roches magmatiques (basaltes, granites) et de roches sédimentaires (les argiles par exemple). Les micro-organismes que l'on peut s'attendre à trouver dans la nappe de pétrole se trouvent en réalité dans la phase aqueuse piégée avec l'huile et les gaz sous la roche couverture. Dans cette eau, appelée de production, les conditions physico- chimiques sont variables selon les puits analysés, mais elles sont généralement anoxiques et légèrement acides du fait de la dissolution du CO2 ou de l'H2S (pH entre 3 et 7). La première étude de la flore microbienne associée aux puits de pétrole a mis en évidence des. La microflore des gisements pétroliers est relativement peu diversifiée Au même titre que les habitats terrestres, on distingue trois habitats aquatiques physiquement et chimiquement différents : l'eau douce (rivière, lac), l'eau de mer et les estuaires qui constituent la frontière physique entre l'eau douce et l'eau de mer. Au sein de chaque habitat, de fortes variations physiques et chimiques vont avoir lieu entre la surface de l'eau, la colonne d'eau et le fond. on distingue trois habitats aquatiques physiquement et chimiquement différents : l'eau douce (rivière, lac), l'eau de mer et les estuaires qui constituent la frontière physique entre l'eau douce et l'eau de mer. Habitats aquatiques Au même titre que les habitats terrestres, on distingue trois habitats aquatiques physiquement et chimiquement différents : l'eau douce (rivière, lac), l'eau de mer et les estuaires qui constituent la frontière physique entre l'eau douce et l'eau de mer. Au sein de chaque habitat, de fortes variations physiques et chimiques vont avoir lieu entre la surface de l'eau, la colonne d'eau et le fond. Ces variations vont influer fortement sur la disponibilité en nutriments et donc sur la composition de la communauté microbienne. estuaire 1-L'habitat d'eau douce La composition microbiologique de l'eau douce des lacs et des rivières sera fonction de la disponibilité du milieu en oxygène et en matière organique. Dans les rivières et dans les lacs en hiver où on peut observer de très forts courants de fond, toute la masse d'eau va être brassée, oxygénée et alimentée en matière organique. Par contre au cours de l'été les couches d'eau superficielles chauffées par le soleil et donc moins denses vont se disposer au-dessus des eaux plus froides et plus denses créant ainsi une stratification au sein de laquelle les micro-organismes aérobies vont coloniser préférentiellement les couches supérieures en consommant activement la matière organique. Les couches inférieures appauvries en oxygène vont être colonisées par les microorganismes micro-aérophiles ou anaérobies. 2-L'habitat maritime Les écosystèmes marins peuvent être considérés comme des environnements stressants en raison de la salinité (3,5% soit 0,6M NaCl), de la pression (1 atm tous les 10 mètres; on considère que 90% des océans correspondent à des profondeurs supérieures à 1000 mètres), de la température (90% des océans sont à une température inférieure à 5°C). On distingue communément dans cet habitat deux zones principales.  Le génome bactérien est en constante évolution bactériophages plasmides transposons intégrons structures qui permettent à des gènes de s’intégrer et de s’exprimer Présenté par Haythem GHARSA  Les plasmides - Les bactéries contiennent souvent un ou plusieurs plasmides, qui sont des molécules d’ADN extra-chromosomique circulaire double brin, qui possède obligatoirement une origine de réplication, afin qu'il puisse se répliquer de manière autonome dans la cellule. - Ces plasmides peuvent conférer certains avantages aux bactéries, comme la résistance à des antibiotiques ou des métaux, ou pour la production d’antibiotiques, de pigments, ou peut fournir des capacités cataboliques inhabituelles comme des facteurs de virulence (toxines), - Les bactéries peuvent partager les plasmides avec différentes espèces bactériennes (transfert horizontal de gènes). Les Bactériophages C’est le transfert d’ADN bactérien par l’intermédiaire de vecteurs : un bactériophage. Le bactériophage est défini comme étant un virus de la bactérie, il existe sous 2 formes : - phage virulent : qui se multiplie et se réplique dans la bactérie puis finit par la lyser : c’est le cycle lytique. -phage tempéré : s’intègre dans le chromosome de la bactérie il est répliqué en même temps que ce chromosome il est dit prophage et la bactérie qui en est porteuse est dite bactérie lysogène Certains phages sont capables de mobiliser des gènes bactériens et de les transporter d’une cellule à une autre. Ce phénomène est appelé transduction. Il existe deux types de transduction: généralisée et spécialisée. Dans la transduction généralisée, les phages peuvent transporter n’importe quelle région du chromosome, alors que dans la transduction spécialisée ou spécifique, les phages transfèrent des parties bien précises du chromosome bactérien. Les transposons - Le Transposon : ou élément transposable, est une séquence d’ADN capable de se déplacer et de se multiplier de manière autonome dans un génome et qui permet également au gène de sauter d’une position chromosomique à une position plasmidique. - Le transposon (Tn) est un élément mobile de l’ADN capable de transfert intracellulaire. C’est la transposase, protéine modificatrice de l’ADN dont le gène est encodé sur l’élément mobile, qui permet son déplacement. En plus de leurs gènes caractéristiques, certains transposons portent aussi des gènes accessoires, tels des gènes de résistance aux antibiotiques  Les Intégrons - Les intégrons (In) sont des éléments spécialisés dans l’accumulation de gènes accessoires. Ils ne sont pas capables de transfert intra- ou intercellulaire, mais sont associés à d’autres éléments. - Retrouvés exclusivement chez les bactéries Ils constituent un système naturel de capture, d'expression et de dissémination des déterminants de résistances aux antibiotiques, le plus souvent portés par des plasmides ou des transposons. Le cycle de vie d’un biofilm Les Interactions entre les populations microbiennes L’amensalisme L’amensalisme Le parasitisme Le parasitisme Le parasitisme L’approche culturale Environnement (sens large) Environnement industriel Environnement hospitalier Environnement communautaire Prélèvement par biocollecteur Contrôle de l’air par aérobiocontamination Prélèvement par sédimentation Prélèvement par écouvillonnage Boite contact