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8.2 : Besoins en oxygène pour la croissance microbienne - Biologie

8.2 : Besoins en oxygène pour la croissance microbienne - Biologie


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Objectifs d'apprentissage

  • Interpréter les données visuelles démontrant les exigences minimales, optimales et maximales en oxygène ou en dioxyde de carbone pour la croissance
  • Identifier et décrire différentes catégories de microbes ayant des exigences de croissance avec ou sans oxygène : aérobie obligatoire, anaérobie obligatoire, anaérobie facultatif, anaérobie aérotolérant, microaérophile et capnophile
  • Donner des exemples de micro-organismes pour chaque catégorie d'exigences de croissance

Demandez à la plupart des gens « Quelles sont les principales exigences de la vie ? » et les réponses sont susceptibles d'inclure l'eau et l'oxygène. Peu de gens contesteraient le besoin d'eau, mais qu'en est-il de l'oxygène ? Peut-il y avoir une vie sans oxygène ?

La réponse est que l'oxygène moléculaire (O2) n'est pas toujours nécessaire. Les premiers signes de vie datent d'une période où les conditions sur terre étaient fortement réductrices et où l'oxygène gazeux libre était pratiquement inexistant. Ce n'est qu'après que les cyanobactéries ont commencé à libérer de l'oxygène en tant que sous-produit de la photosynthèse et que la capacité du fer dans les océans à absorber l'oxygène a été épuisée que les niveaux d'oxygène ont augmenté dans l'atmosphère. Cet événement, souvent appelé le grand événement d'oxygénation ou la révolution de l'oxygène, a provoqué une extinction massive. La plupart des organismes ne pourraient pas survivre aux puissantes propriétés oxydatives des espèces réactives de l'oxygène (ROS), des ions hautement instables et des molécules dérivées de la réduction partielle de l'oxygène qui peuvent endommager pratiquement toutes les macromolécules ou structures avec lesquelles ils entrent en contact. Oxygène singulet (O2•), superoxyde (O2−), peroxydes (H2O2), le radical hydroxyle (OH•) et l'ion hypochlorite (OCl), l'ingrédient actif de l'eau de Javel, sont tous des exemples de ROS. Les organismes capables de détoxifier les espèces réactives de l'oxygène ont exploité la haute électronégativité de l'oxygène pour produire de l'énergie gratuite pour leur métabolisme et ont prospéré dans le nouvel environnement.

Besoins en oxygène des micro-organismes

De nombreux écosystèmes sont encore dépourvus d'oxygène moléculaire. Certains se trouvent dans des endroits extrêmes, tels que les profondeurs de l'océan ou de la croûte terrestre ; d'autres font partie de notre paysage quotidien, comme les marais, les tourbières et les égouts. Dans le corps des humains et d'autres animaux, les régions avec peu ou pas d'oxygène fournissent un environnement anaérobie pour les micro-organismes. (Figure (PageIndex{1})).

Nous pouvons facilement observer différentes exigences en oxygène moléculaire en cultivant des bactéries dans des cultures en tube de thioglycolate. Une culture en éprouvette commence avec un milieu thioglycolate autoclavé contenant un faible pourcentage de gélose pour permettre aux bactéries mobiles de se déplacer dans le milieu. Le thioglycolate a de fortes propriétés réductrices et l'autoclavage évacue la majeure partie de l'oxygène. Les tubes sont ensemencés avec les cultures bactériennes à tester et incubés à une température appropriée. Au fil du temps, l'oxygène diffuse lentement à travers la culture en tube de thioglycolate par le haut. La densité bactérienne augmente dans la zone où la concentration en oxygène est la mieux adaptée à la croissance de cet organisme particulier.

La croissance de bactéries ayant des besoins variables en oxygène dans des tubes de thioglycolate est illustrée à la figure (PageIndex{2}). Dans le tube A, toute la croissance est visible au sommet du tube. Les bactéries sont des aérobies stricts (stricts) qui ne peuvent se développer sans un apport abondant d'oxygène. Le tube B ressemble à l'opposé du tube A. Les bactéries se développent au fond du tube B. Ce sont des anaérobies obligatoires, qui sont tués par l'oxygène. Le tube C montre une forte croissance au sommet du tube et une croissance dans tout le tube, un résultat typique avec les anaérobies facultatifs. Les anaérobies facultatifs sont des organismes qui se développent en présence d'oxygène mais se développent également en son absence en s'appuyant sur la fermentation ou la respiration anaérobie, s'il existe un accepteur d'électrons approprié autre que l'oxygène et que l'organisme est capable d'effectuer une respiration anaérobie. Les anaérobies aérotolérants du tube D sont indifférents à la présence d'oxygène. Ils n'utilisent pas d'oxygène car ils ont généralement un métabolisme fermentatif, mais ils ne sont pas endommagés par la présence d'oxygène comme le sont les anaérobies obligatoires. Le tube E sur la droite montre une culture "Goldilocks". Le niveau d'oxygène doit être juste pour la croissance, ni trop ni trop peu. Ces microaérophiles sont des bactéries qui nécessitent un niveau minimum d'oxygène pour leur croissance, environ 1 % à 10 %, bien en deçà des 21 % trouvés dans l'atmosphère.

Des exemples d'aérobies obligatoires sont Mycobacterium tuberculosis, l'agent causal de la tuberculose et Micrococcus luteus, une bactérie à Gram positif qui colonise la peau. Neisseria meningitidis, l'agent causal de la méningite bactérienne grave, et N. gonorrheae, l'agent causal de la gonorrhée sexuellement transmissible, sont également des aérobies obligatoires.

De nombreux anaérobies obligatoires se trouvent dans l'environnement où existent des conditions anaérobies, comme dans les sédiments profonds du sol, les eaux calmes et au fond de l'océan profond où il n'y a pas de vie photosynthétique. Des conditions anaérobies existent aussi naturellement dans le tractus intestinal des animaux. Anaérobies obligatoires, principalement Bacteroidetes, représentent une grande partie des microbes présents dans l'intestin humain. Des conditions anaérobies transitoires existent lorsque les tissus ne sont pas alimentés en circulation sanguine; ils meurent et deviennent un terreau idéal pour les anaérobies obligatoires. Un autre type d'anaérobie obligatoire rencontré dans le corps humain est le gram positif, en forme de bâtonnet. Clostridium spp. Leur capacité à former des endospores leur permet de survivre en présence d'oxygène. L'une des principales causes d'infections nosocomiales est C. difficile, connu sous le nom de C. diff. L'utilisation prolongée d'antibiotiques pour d'autres infections augmente la probabilité qu'un patient développe une infection secondaire. C. difficile infection. Le traitement antibiotique perturbe l'équilibre des micro-organismes dans l'intestin et permet la colonisation de l'intestin par C. difficile, provoquant une inflammation importante du côlon.

D'autres clostridies responsables d'infections graves comprennent C. tetani, l'agent du tétanos, et C. perfringens, ce qui provoque la gangrène gazeuse. Dans les deux cas, l'infection débute dans les tissus nécrotiques (tissus morts qui ne sont pas alimentés en oxygène par la circulation sanguine). C'est la raison pour laquelle les plaies perforantes profondes sont associées au tétanos. Lorsque la mort des tissus s'accompagne d'un manque de circulation, la gangrène est toujours un danger.

L'étude des anaérobies obligatoires nécessite un équipement spécial. Les bactéries anaérobies obligatoires doivent être cultivées dans des conditions dépourvues d'oxygène. L'approche la plus courante est la culture dans un bocal anaérobie (Figure (PageIndex{3})). Les pots anaérobies comprennent des packs chimiques qui éliminent l'oxygène et libèrent du dioxyde de carbone (CO2). Une chambre anaérobie est une boîte fermée à partir de laquelle tout l'oxygène est retiré. Des gants scellés aux ouvertures de la boîte permettent de manipuler les cultures sans exposer la culture à l'air (Figure (PageIndex{3})).

Staphylocoques et Enterobacteriaceae sont des exemples d'anaérobies facultatifs. Staphylocoques se trouvent sur la peau et les voies respiratoires supérieures. Les entérobactéries se trouvent principalement dans l'intestin et les voies respiratoires supérieures, mais peuvent parfois se propager aux voies urinaires, où elles sont capables de provoquer des infections. Il n'est pas rare de voir des infections bactériennes mixtes dans lesquelles les anaérobies facultatifs consomment l'oxygène, créant un environnement propice à l'épanouissement des anaérobies obligatoires.

Des exemples d'anaérobies aérotolérants comprennent les lactobacilles et les streptocoques, tous deux présents dans le microbiote buccal. Campylobacter jejuni, qui provoque des infections gastro-intestinales, est un exemple de microaérophile et est cultivé dans des conditions de faible teneur en oxygène.

La concentration optimale en oxygène, comme son nom l'indique, est la concentration idéale en oxygène pour un micro-organisme particulier. La plus faible concentration d'oxygène qui permet la croissance est appelée la concentration minimale d'oxygène permissive. La concentration d'oxygène la plus élevée tolérée est la concentration d'oxygène maximale autorisée. L'organisme ne se développera pas en dehors de la gamme des niveaux d'oxygène trouvés entre les concentrations d'oxygène minimales et maximales permissives.

Exercice (PageIndex{1})

  1. Vous attendriez-vous à ce que les plus anciennes lignées bactériennes soient aérobies ou anaérobies ?
  2. Quelles bactéries se développent au sommet d'un tube de thioglycolate, et lesquelles se développent au fond du tube ?

Un anaérobie importun

Charles est un chauffeur de bus à la retraite qui a développé un diabète de type 2 il y a plus de 10 ans. Depuis sa retraite, son mode de vie est devenu très sédentaire et il a pris beaucoup de poids. Bien qu'il ressente des picotements et des engourdissements dans son pied gauche depuis un certain temps, il ne s'est pas inquiété car il pensait que son pied était simplement "en train de s'endormir". Récemment, une égratignure au pied ne semble pas guérir et devient de plus en plus moche. Parce que la plaie ne le dérangeait pas beaucoup, Charles a pensé que cela ne pouvait pas être grave jusqu'à ce que sa fille remarque une décoloration violacée s'étendant sur la peau et suintante (Figure). Lorsqu'il a finalement été vu par son médecin, Charles a été transporté d'urgence à la salle d'opération. Sa plaie ouverte, ou ulcère, est le résultat d'un pied diabétique.

Le problème ici est que la gangrène gazeuse peut s'être installée dans les tissus morts. L'agent le plus probable de la gangrène gazeuse est Clostridium perfringens, une bactérie Gram-positive formatrice d'endospores. C'est un anaérobie obligatoire qui se développe dans les tissus dépourvus d'oxygène. Étant donné que les tissus morts ne sont plus alimentés en oxygène par le système circulatoire, les tissus morts fournissent des poches d'environnement idéal pour la croissance de C. perfringens.

Un chirurgien examine l'ulcère et les radiographies du pied de Charles et détermine que l'os n'est pas encore infecté. La plaie devra être débridée chirurgicalement (le débridement fait référence à l'élimination des tissus morts et infectés) et un échantillon envoyé pour analyse microbiologique en laboratoire, mais Charles n'aura pas à se faire amputer le pied. De nombreux patients diabétiques n'ont pas cette chance. En 2008, près de 70 000 patients diabétiques aux États-Unis ont perdu un pied ou un membre à cause d'une amputation, selon les statistiques des Centers for Disease Control and Prevention.

Exercice (PageIndex{2})

Quelles conditions de croissance recommanderiez-vous pour la détection de C. perfringens?

Détoxification des espèces réactives à l'oxygène

La respiration aérobie génère en permanence des espèces réactives de l'oxygène (ROS), des sous-produits qui doivent être détoxifiés. Même les organismes qui n'utilisent pas la respiration aérobie ont besoin d'un moyen de décomposer une partie des ROS qui peuvent se former à partir de l'oxygène atmosphérique. Trois enzymes principales décomposent ces sous-produits toxiques : la superoxyde dismutase, la peroxydase et la catalase. Chacun catalyse une réaction différente. Les réactions du type observé dans la réaction 1 sont catalysées par des peroxydases.

[X-(2H^+)+H_2O_2 ightarrow ext{oxidized}-X+2H_2O]

Dans ces réactions, un donneur d'électrons (composé réduit; par exemple, le nicotinamide adénine dinucléotide réduit [NADH]) oxyde le peroxyde d'hydrogène ou d'autres peroxydes en eau. Les enzymes jouent un rôle important en limitant les dommages causés par la peroxydation des lipides membranaires. La réaction 2 est médiée par l'enzyme superoxyde dismutase (SOD) et décompose les puissants anions superoxyde générés par le métabolisme aérobie :

[2O^{2-} + 2H^+ ightarrow H_2O_2+O_2]

L'enzyme catalase convertit le peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène comme indiqué dans la réaction 3.

[2H_2O_2 ightarrow 2H_2O+O_2]

Les anaérobies obligatoires manquent généralement des trois enzymes. Les anaérobies aérotolérants ont de la SOD mais pas de catalase. La réaction 3, représentée sur la figure (PageIndex{5}), est la base d'un test utile et rapide pour distinguer les streptocoques, qui sont aérotolérants et ne possèdent pas de catalase, des staphylocoques, qui sont des anaérobies facultatifs. Un échantillon de culture mélangé rapidement dans une goutte de peroxyde d'hydrogène à 3% dégagera des bulles si la culture est catalase positive.

Bactéries qui se développent mieux dans une concentration plus élevée de CO2 et une concentration d'oxygène inférieure à celle présente dans l'atmosphère sont appelés capnophiles. Une approche courante pour cultiver des capnophiles consiste à utiliser un pot de bougie. Un pot à bougie se compose d'un pot avec un couvercle hermétique pouvant accueillir les cultures et d'une bougie. Une fois les cultures ajoutées dans le pot, la bougie est allumée et le couvercle fermé. Lorsque la bougie brûle, elle consomme la majeure partie de l'oxygène présent et libère du CO2.

Exercice (PageIndex{3})

  1. Quelle substance est ajoutée à un échantillon pour détecter la catalase ?
  2. Quelle est la fonction de la bougie dans un pot à bougie ?

Focus clinique : partie 2

Le fournisseur de soins de santé qui a vu Jeni s'inquiétait principalement à cause de sa grossesse. Son état augmente le risque d'infections et la rend plus vulnérable à ces infections. Le système immunitaire est régulé à la baisse pendant la grossesse et les agents pathogènes qui traversent le placenta peuvent être très dangereux pour le fœtus. Une note sur la commande du prestataire au laboratoire de microbiologie mentionne une suspicion d'infection par Listeria monocytogenes, sur la base des signes et symptômes présentés par le patient.

Les échantillons de sang de Jeni sont striés directement sur gélose au sang de mouton, milieu contenant de la gélose tryptique soja enrichie à 5% de sang de mouton. (Le sang est considéré comme stérile ; par conséquent, des micro-organismes concurrents ne sont pas attendus dans le milieu.) Les plaques inoculées sont incubées à 37 °C pendant 24 à 48 heures. De petites colonies grisâtres entourées d'une zone claire émergent. De telles colonies sont typiques de Listeria et d'autres agents pathogènes tels que les streptocoques ; la zone claire entourant les colonies indique une lyse complète du sang dans le milieu, appelée bêta-hémolyse (Figure (PageIndex{6})). Lorsqu'elles sont testées pour la présence de catalase, les colonies donnent une réponse positive, éliminant Streptocoque comme cause possible. De plus, une coloration de Gram montre des bacilles Gram positifs courts. Les cellules d'un bouillon de culture cultivées à température ambiante ont présenté la motilité par culbutage caractéristique de Listeria (Figure (PageIndex{6})). Tous ces indices conduisent le laboratoire à confirmer positivement la présence de Listeria dans les échantillons de sang de Jeni.

Exercice (PageIndex{4})

Quelle est la gravité de l'état de Jeni et quel est le traitement approprié ?

Concepts clés et résumé

  • Les environnements aérobies et anaérobies peuvent être trouvés dans diverses niches dans la nature, y compris différents sites à l'intérieur et sur le corps humain.
  • Les micro-organismes varient dans leurs besoins en oxygène moléculaire. Aérobies obligatoires dépendent de la respiration aérobie et utilisent l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons. Ils ne peuvent pas se développer sans oxygène.
  • Anaérobies obligatoires ne peut pas croître en présence d'oxygène. Ils dépendent de la fermentation et de la respiration anaérobie utilisant un accepteur final d'électrons autre que l'oxygène.
  • Anaérobies facultatives montrera une meilleure croissance en présence d'oxygène mais se développera également sans lui.
  • Même si anaérobies aérotolérants n'effectuent pas de respiration aérobie, ils peuvent se développer en présence d'oxygène. La plupart des anaérobies aérotolérants ont un test négatif pour l'enzyme catalase.
  • Microaérophiles besoin d'oxygène pour se développer, bien qu'à une concentration inférieure à 21% d'oxygène dans l'air.
  • Concentration optimale en oxygène pour un organisme est le niveau d'oxygène qui favorise le taux de croissance le plus rapide. Les concentration minimale permissive en oxygène et le concentration maximale permissive en oxygène sont respectivement les niveaux d'oxygène les plus bas et les plus élevés que l'organisme tolérera.
  • Peroxydase, superoxyde dismutase, et catalase sont les principales enzymes impliquées dans la détoxification des les espèces réactives de l'oxygène. La superoxyde dismutase est généralement présente dans une cellule qui peut tolérer l'oxygène. Les trois enzymes sont généralement détectables dans les cellules qui effectuent la respiration aérobie et produisent plus de ROS.
  • UNE capnophile est un organisme qui a besoin d'une concentration de CO supérieure à l'atmosphère2 grandir.

Besoins en oxygène des micro-organismes

De nombreux écosystèmes sont encore dépourvus d'oxygène moléculaire. Certains se trouvent dans des endroits extrêmes, comme au fond de l'océan ou dans la croûte terrestre, d'autres font partie de notre paysage quotidien, comme les marais, les tourbières et les égouts. Dans le corps des humains et d'autres animaux, les régions avec peu ou pas d'oxygène fournissent un environnement anaérobie pour les micro-organismes. (Chiffre 7.9).

Figure 7.9 Les environnements anaérobies sont encore courants sur terre. Ils comprennent des environnements comme (a) une tourbière où les sédiments denses non perturbés sont pratiquement dépourvus d'oxygène, et (b) le rumen (le premier compartiment de l'estomac d'une vache), qui fournit un incubateur sans oxygène pour les méthanogènes et autres bactéries anaérobies obligatoires. (crédit a : modification des travaux par le National Park Service crédit b : modification des travaux par le US Department of Agriculture)

Nous pouvons facilement observer différents besoins en oxygène moléculaire en cultivant des bactéries dans tube de thioglycolate cultures. Une culture en éprouvette commence par autoclave milieu thioglycolate contenant un faible pourcentage de gélose pour permettre aux bactéries mobiles de se déplacer dans le milieu. Le thioglycolate a de fortes propriétés réductrices et l'autoclavage évacue la majeure partie de l'oxygène. Les tubes sont ensemencés avec les cultures bactériennes à tester et incubés à une température appropriée. Au fil du temps, l'oxygène diffuse lentement à travers la culture en tube de thioglycolate par le haut. La densité bactérienne augmente dans la zone où la concentration en oxygène est la mieux adaptée à la croissance de cet organisme particulier.

La croissance de bactéries ayant des besoins variables en oxygène dans des tubes de thioglycolate est illustrée dans Chiffre 7.10. Dans le tube A, toute la croissance est visible au sommet du tube. Les bactéries sont aérobies obligatoires (stricts) qui ne peut croître sans un apport abondant d'oxygène. Le tube B ressemble à l'opposé du tube A. Les bactéries se développent au fond du tube B. Ce sont anaérobies obligatoires, qui sont tués par l'oxygène. Le tube C montre une forte croissance au sommet du tube et une croissance dans tout le tube, un résultat typique avec anaérobie facultatifs. Les anaérobies facultatifs sont des organismes qui se développent en présence d'oxygène mais se développent également en son absence en s'appuyant sur la fermentation ou la respiration anaérobie, s'il existe un accepteur d'électrons approprié autre que l'oxygène et que l'organisme est capable d'effectuer une respiration anaérobie. Les anaérobie aérotolérants dans le tube D sont indifférents à la présence d'oxygène. Ils n'utilisent pas d'oxygène car ils ont généralement un métabolisme fermentatif, mais ils ne sont pas endommagés par la présence d'oxygène comme le sont les anaérobies obligatoires. Le tube E sur la droite montre une culture "Goldilocks". Le niveau d'oxygène doit être juste pour la croissance, ni trop ni trop peu. Ces microaérophiles sont des bactéries qui nécessitent un niveau minimum d'oxygène pour leur croissance, environ 1 % à 10 %, bien en deçà des 21 % trouvés dans l'atmosphère.

Graphique 7.10 Diagramme de distribution des cellules bactériennes dans des tubes de thioglycolate.


2. Solutés et eau

Le micro-organisme est séparé de l'environnement par la membrane sélectivement semi-perméable. La membrane joue également un rôle vital dans le maintien de la teneur interne en soluté et en eau. Lorsque l'environnement est modifié en termes de concentration d'eau ou de soluté dans l'environnement extérieur, cela affecte le contenu interne en raison de la nature de semi-perméabilité de la membrane. Le milieu environnant, le milieu ou la solution peut être hypertonique, hypotonique et isotonique. Il y a peu de portes de canal qui permettent l'écoulement de l'eau à travers la membrane.

Dans les milieux hypertoniques, la concentration de soluté est plus élevée dans le milieu que dans la cellule en raison de laquelle l'eau de la cellule s'échappe et provoque un rétrécissement de la cellule.

Dans les milieux isotoniques, il existe un équilibre de concentration de solutés et d'ions à l'extérieur et à l'intérieur de la membrane de la cellule. C'est l'environnement physique optimal de soluté et de teneur en eau pour la croissance bactérienne.

En milieu hypotonique, la concentration de soluté et d'ions est inférieure à celle présente à l'intérieur de la cellule et, par conséquent, les molécules d'eau se déplacent et provoquent un gonflement de la cellule. Cela peut également conduire à l'éclatement de la cellule.


Besoins nutritionnels des micro-organismes

Les nutriments microbiens peuvent être classés en macronutriments (majeurs) et micro (mineurs) nutriments ou oligo-éléments sur la base de leur quantité requise.

1. Macro ou nutriments minéraux majeurs :

Les cellules microbiennes contiennent de l'eau représentant environ 80 à 90 % de leur poids total et, par conséquent, l'eau est toujours le principal nutriment essentiel en termes quantitatifs.

La matière solide des cellules contient, en plus de l'oxygène et de l'hydrogène (dérivables métaboliquement de l'eau), les autres macroéléments (majeurs), à savoir le carbone, l'azote, le phosphore, le soufre, le potassium, le magnésium, le sodium, le calcium et le fer dans l'ordre de abondance décroissante.

Environ 95% du poids sec cellulaire des cellules microbiennes ne sont représentés que par six macro éléments (majeurs) (O, H, C, N, P et S). Cependant, le pourcentage approximatif de poids sec et les fonctions physiologiques générales des principaux nutriments minéraux sont donnés dans le tableau 18.1.

Le carbone revêt une grande importance en tant que constituant principal de tous les matériaux organiques des cellules et représente environ 50 % du poids sec des cellules. CO2 est la forme de carbone la plus oxydée et les micro-organismes photo-synthétiques réduisent le CO2 aux constituants organiques des cellules. D'autre part, tous les micro-organismes non photosynthétiques obtiennent leur besoin en carbone principalement à partir de nutriments organiques qui contiennent des composés carbonés réduits.

Ces composés organiques fournissent non seulement le carbone pour la synthèse, mais répondent également aux besoins énergétiques en entrant dans des voies métaboliques productrices d'énergie et sont finalement oxydés en CO2.

Certains microbes ont la capacité de synthétiser tous leurs composants cellulaires en utilisant une seule source de carbone organique tandis que d'autres, en plus de cette source de carbone majeure, ont également besoin d'autres composants complexes contenant du carbone qu'ils ne peuvent pas synthétiser.

Ces composants sont appelés facteurs de croissance et comprennent des vitamines. Certains microbes peuvent utiliser plus d'un composé carboné et présentent un grand degré de polyvalence. Les autres, cependant, sont spécialisés dans ce domaine.

Le soufre et l'azote sont absorbés par la plupart des organismes et sont ensuite réduits dans la cellule et utilisés dans d'autres processus de biosynthèse. Les besoins en soufre et en azote de la plupart des organismes peuvent également être satisfaits avec des nutriments organiques qui contiennent ces deux éléments dans des combinaisons organiques réduites telles que les acides aminés. Quelques micro-organismes sont capables de réduire l'azote élémentaire en ammoniac et ce processus d'assimilation de l'azote est connu sous le nom de fixation biologique de l'azote.

La plupart des micro-organismes ont besoin d'oxygène moléculaire pour respirer. Dans ceux-ci, l'oxygène sert d'accepteur d'électrons terminal, et ces organismes sont appelés « aérobies obligatoires ».

Par opposition à cela, il existe quelques organismes qui n'utilisent pas l'oxygène moléculaire comme accepteur d'électrons terminal. On rappelle que l'oxygène est un composant du matériel cellulaire de tous les micro-organismes. Ces microbes sont appelés « anaérobies obligatoires ».

En fait, l'oxygène moléculaire est toxique pour ces organismes. Les aérobies qui peuvent se développer en l'absence d'oxygène sont appelés « anaérobies facultatifs » et les anaérobies qui peuvent se développer en présence d'oxygène sont appelés « aérobies facultatifs ». En plus de ces classes principales, il existe des organismes qui se développent mieux à une pression d'oxygène réduite mais sont des aérobies obligatoires et ceux-ci sont appelés « microaérophiles ».

2. Micro ou Minéraux Nutriments Minéraux ou Oligo-éléments :

Les micro-organismes, en général, n'utilisent pas seulement des macroéléments (majeurs) mais aussi d'autres comme le cobalt, le cuivre, le manganèse, le molybdène, le nickel, le sélénium, le tungstène, le vanadium et le zinc qui sont requis en fraction résiduelle par presque tous les micro-organismes.

Ces éléments sont souvent appelés (micro)nutriments mineurs ou oligo-éléments. Les micronutriments ou oligo-éléments sont néanmoins tout aussi essentiels au fonctionnement cellulaire que les macronutriments.

Ce sont des métaux jouant le rôle de catalyseurs cellulaires et nombre d'entre eux jouent un rôle structurel dans diverses enzymes. Le tableau 18.2 résume les principaux micronutriments des systèmes vivants et donne des exemples d'enzymes dans lesquelles chacun joue un rôle. Certains micro-organismes ont cependant besoin de nutriments minéraux spécifiques supplémentaires, par exemple les diatomées et certaines microalgues ont besoin de silice, fournie sous forme de silicate, pour imprégner leurs parois cellulaires.

Facteurs de croissance:

Outre les nutriments minéraux, les micro-organismes ont besoin de certains composés organiques. La plupart des micro-organismes sont capables de synthétiser ces composés organiques à partir de ressources carbonées plus simples, d'autres ne le peuvent pas et ont besoin de leur approvisionnement extérieur pour leur croissance et leur développement.

Les nutriments organiques de ce type sont connus collectivement sous le nom de facteurs de croissance (métabolites essentiels) et peuvent être classés en trois groupes (acides aminés, purines et pyrimidines et vitamines) sur la base de leur structure chimique et de leur fonction métabolique.

Les acides aminés et les purines et les pyrimidines sont respectivement les constituants des protéines et des acides nucléiques. Les vitamines, cependant, sont le facteur de croissance le plus couramment nécessaire et font partie des groupes prothétiques ou des centres actifs de certaines enzymes. Certaines vitamines importantes et leurs fonctions sont résumées dans le tableau 18.3.

Etant donné que les facteurs de croissance répondent à des besoins spécifiques dans la biosynthèse de certaines molécules, ils sont nécessaires en très faibles quantités les vitamines voire en quantités moins faibles, en raison des divers coenzymes dont ils sont les précurseurs, ont des rôles catalytiques et par conséquent sont présents à des niveaux d'un quelques parties par million dans la cellule microbienne.


Température

Les bactéries se sont adaptées à une large gamme de températures. Les bactéries qui se développent à des températures inférieures à environ 15 °C (59 °F) sont des psychrophiles. La capacité des bactéries à se développer à basse température n'est pas inattendue, car la température moyenne du sous-sol dans la zone tempérée est d'environ 12 °C (54 °F) et 90 pour cent des océans mesurent 5 °C (41 °F) ou plus froid. Les psychrophiles obligatoires, qui ont été isolés des eaux et des sédiments océaniques de l'Arctique et de l'Antarctique, ont des températures de croissance optimales d'environ 10 °C (50 °F) et ne survivent pas s'ils sont exposés à 20 °C (68 °F). La majorité des bactéries psychrophiles appartiennent au genre gram-négatif Pseudomonas, Flavobactérie, Achromobacter, et Alcaligènes. Les bactéries mésophiles sont celles dont la croissance optimale se produit entre 20 et 45 °C (68 et 113 °F), bien qu'elles puissent généralement survivre et se développer à des températures comprises entre 10 et 50 °C (50 et 122 °F). Les agents pathogènes animaux sont mésophiles.

Les procaryotes thermophiles peuvent se développer à des températures supérieures à 60 °C (140 °F). Ces températures sont rencontrées dans les tas de compost en décomposition, les sources chaudes et les cheminées géothermiques océaniques. Dans le ruissellement d'une source chaude, des thermophiles comme la bactérie Thermus aquatique (température optimale pour la croissance, 70 °C [158 °F] température maximale, 79 °C [174 °F]) se trouvent près de la source où la température est tombée à environ 70 °C. Tapis épais de la cyanobactérie Synéchocoque et la bactérie phototrophe glissante Chloroflexus se développer dans des portions un peu plus froides du ruissellement. L'archéon Sulfolobus acidocaldarius a une tolérance élevée aux conditions acides, ce qui permet une croissance dans une plage de pH d'environ 1,0 à 6,0 et une température optimale de 80 °C (176 °F). De nombreuses bactéries et archées sont adaptées à la plage de température de 50 à 70 °C (122 à 158 °F), y compris certains membres des genres Bacille, Thermoactinomyces, Méthanobactérie, Méthylocoque, et Sulfolobe. Le plus frappant a été la découverte au milieu des années 1980 de bactéries et d'archées dans des cheminées hydrothermales riches en nutriments et extrêmement chaudes sur le fond marin profond. Les archées du genre Pyrodicte se développent dans la plage de température de 80 à 110 °C (176 à 230 °F), températures auxquelles l'eau reste liquide uniquement en raison des pressions extrêmement élevées.

La plupart des bactéries se développent dans la gamme des valeurs de pH neutres (entre 5 et 8), bien que certaines espèces se soient adaptées à la vie à des extrêmes plus acides ou alcalins. Un exemple de bactérie acidophile est A. ferrooxidans. Lorsque les filons de charbon sont exposés à l'air pendant les opérations minières, les gisements de sulfure ferreux pyriteux sont attaqués par A. ferrooxidans pour générer de l'acide sulfurique, qui abaisse le pH à 2,0 voire 0,7. Cependant, la tolérance à l'acide de A. ferrooxidans s'applique uniquement à l'acide sulfurique, puisque ces bactéries meurent lorsqu'elles sont exposées à des concentrations équivalentes d'autres acides tels que l'acide chlorhydrique. De nombreuses bactéries ne peuvent pas tolérer les environnements acides, en particulier dans des conditions anaérobies, et, par conséquent, les polymères végétaux se dégradent lentement dans les tourbières, les forêts de pins et les lacs acides (pH entre 3,7 et 5,5). Contrairement aux bactéries acidophiles, les bactéries alcalophiles sont capables de se développer à des concentrations alcalines allant jusqu'à un pH de 10 à 11. Des alcalophiles ont été isolés des sols, et la plupart sont des espèces du genre Gram positif. Bacille.


8.2 : Besoins en oxygène pour la croissance microbienne - Biologie

Un organisme aérobie ou aérobie est un organisme qui peut survivre et se développer dans un environnement oxygéné. Plusieurs variétés d'aérobies existent. Les aérobies obligatoires ont besoin d'oxygène pour la respiration cellulaire aérobie. Dans un processus connu sous le nom de respiration cellulaire, ces organismes utilisent de l'oxygène pour oxyder des substrats (par exemple les sucres et les graisses) afin d'obtenir de l'énergie. Les anaérobies facultatifs peuvent utiliser de l'oxygène, mais ont également des méthodes de production d'énergie anaérobies (c'est-à-dire ne nécessitant pas d'oxygène). Les microaérophiles sont des organismes qui peuvent utiliser de l'oxygène, mais seulement à de faibles concentrations. Les organismes aérotolérants peuvent survivre en présence d'oxygène, mais ils sont anaérobies car ils ne l'utilisent pas comme accepteur terminal d'électrons.

Identité des bactéries aérobies et anaérobies: Les bactéries aérobies différentes se comportent différemment lorsqu'elles sont cultivées en culture liquide : 1) Les bactéries aérobies obligatoires se rassemblent au sommet du tube à essai afin d'absorber une quantité maximale d'oxygène. 2) Les bactéries anaérobies obligatoires se rassemblent au fond pour éviter l'oxygène. 3) Les bactéries facultatives se rassemblent principalement au sommet, car la respiration aérobie est avantageuse (c'est-à-dire énergétiquement favorable) mais comme le manque d'oxygène ne les blesse pas, elles peuvent être trouvées tout au long de l'éprouvette. 4) Les microaérophiles se rassemblent dans la partie supérieure du tube à essai mais pas en haut. Ils ont besoin d'oxygène, mais à une concentration plus faible. 5) Les bactéries aérotolérantes ne sont pas du tout affectées par l'oxygène et sont réparties uniformément le long du tube à essai.

Un organisme anaérobie ou anaérobie est un organisme qui n'a pas besoin d'oxygène pour se développer. Il pourrait éventuellement réagir négativement et même mourir si de l'oxygène est présent. Pour des raisons pratiques, il existe trois catégories : les anaérobies obligatoires, qui ne peuvent pas utiliser l'oxygène pour leur croissance et en sont même blessés. Organismes aérotolérants, qui ne peuvent pas utiliser l'oxygène pour leur croissance, mais en tolèrent la présence. Et enfin, les anaérobies facultatifs, qui peuvent se développer sans oxygène mais peuvent utiliser l'oxygène s'il est présent.

Étant donné que la culture microbienne normale se produit dans l'air atmosphérique, qui est un environnement aérobie, la culture des anaérobies pose un problème. Par conséquent, un certain nombre de techniques sont utilisées par les microbiologistes lors de la culture d'organismes anaérobies, par exemple, la manipulation des bactéries dans une boîte à gants remplie d'azote ou l'utilisation d'autres récipients spécialement scellés.

Boite à gants: Boîte à gants Terra Universal 100

Le système GasPak est un conteneur isolé qui crée un environnement anaérobie par la réaction de l'eau avec des comprimés de borohydrure de sodium et de bicarbonate de sodium pour produire de l'hydrogène gazeux et du dioxyde de carbone. L'hydrogène réagit ensuite avec l'oxygène gazeux sur un catalyseur au palladium pour produire plus d'eau, éliminant ainsi l'oxygène gazeux.


Sommaire

Plusieurs études indiquent que les aérobies ne peuvent survivre en présence d'oxygène que grâce à un système de défense élaboré. Sans ces défenses, les systèmes enzymatiques clés des organismes ne fonctionnent pas et les organismes meurent.
Les anaérobies obligatoires, qui ne vivent qu'en l'absence d'oxygène, ne possèdent pas les défenses qui rendent possible la vie aérobie et ne peuvent donc pas survivre dans l'air.

La tolérance à l'oxygène est liée à la capacité de la bactérie à détoxifier le superoxyde et le peroxyde d'hydrogène, produits comme sous-produit de la respiration aérobie.

L'assimilation du glucose dans des conditions aérobies entraîne la génération terminale de superoxyde de radicaux libres (O2 – ). Le superoxyde est réduit par l'enzyme superoxyde dismutase à l'oxygène gazeux et au peroxyde d'hydrogène (H2O2). Par la suite, le peroxyde d'hydrogène toxique généré dans cette réaction est converti en eau et en oxygène par l'enzyme catalase, qui se trouve dans les bactéries aérobies et facultatives, ou par diverses peroxydases qui se trouvent dans plusieurs anaérobies aérotolérants.

Les aérobies obligatoires et la plupart des anaérobies facultatifs ont à la fois de la superoxyde dismutase et de la catalase. Certains anaérobies facultatifs et aérotolérants ont de la superoxyde dismutase mais manquent de catalase. La plupart des anaérobies obligatoires manquent des deux enzymes.



Commentaires:

  1. Gawain

    Il existe de nombreuses variantes

  2. Marchman

    Dans ce quelque chose est et c'est la bonne idée. Je le garde.

  3. Regenweald

    tu ne t'es pas trompé

  4. Waldemar

    Je félicite, très bonne réflexion

  5. Yoman

    Vous n'êtes pas correcte. Discutons de cela. Envoyez-moi un courriel à PM, nous parlerons.



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