CHAPITRE 3 : NUTRITION ET CROISSANCE MICROBIENNE I) Les besoins nutritifs La nutrition est un paramètre permettant l étude de bactéries. Leurs sources sont variables dans la nature, on peut observer des compétitions entre bactéries dans certaines niches écologiques. Dans ces niches, il peut exister d autres microorganismes qui peuvent s adapter aux conditions physiologiques. On peut également parler de niches agressives aux conditions extrêmes. On retrouve 6 éléments majeurs : C, O, H, N, P, S, tous indispensables à la cellule (en concentrations de g/l), et 4 éléments mineurs : K+, Na+, Ca++, Fe++ (en mg/l ou µg/l) indispensables pour la respiration, le fonctionnement de la membrane et les cytochromes. II) Les différents types nutritionnels Le type de nutrition dépend de : - la présence de carbone - la source d énergie - les sources de protons ou d électrons, bases des réactions d oxydoréduction indispensables à la survie de la cellule 2.1. En fonction de la présence de carbone Les bactéries autotrophes utilisent le CO 2 (carbone inorganique). Les bactéries hétérotrophes récupèrent le carbone à partir de la dégradation de matières organiques (sucres ). Tous les produits de la nature peuvent être dégradés par les bactéries (biodégradation), les bactéries contribuent donc à la détoxification de la planète. Seulement nous rejetons de plus en plus de produits non biodégradables (sacs plastiques). 2.2. En fonction des sources d énergie Les bactéries phototrophes sont capables de photosynthèse, les bactéries sont responsables de la moitié de la photosynthèse terrestre. Les bactéries chimiotrophes captent l énergie chimique. 2.3. En fonction des sources de protons et d électrons Les bactéries organotrophes récupèrent les protons et les électrons à partir de l oxydation de produits organiques. Les bactéries lithotrophes les captent dans des milieux inorganiques (rocheux), elles seraient le point de départ de la chaîne alimentaire. Type Autophotolithotrophes Autochimiolithotrophes Hétérophotoorganotrophes Hétérochimioorganotrophes Source (carbone/énergie/protons et électrons) CO2, photons, matière inorganique CO2, matière organique ou inorganique matière organique, photons, matière organique matière organique
Certains microorganismes peuvent effectuer une prise nutritionnelle mixte, ce sont des mixotrophes (majoritaires). Les bactéries prototrophes peuvent assurer leur croissance en absence de facteurs de croissance. Les bactéries auxotrophes ont des mutations qui les empêchent de se nourrir correctement et ont besoin de facteurs de croissance. Parmi les facteurs de croissance, on retrouve : - les acides aminés - les vitamines - les purines et pyrimidines Par exemple pour les Leuconostoc on doit ajouter une quarantaine de facteurs de croissance différents. III) Les milieux 3.1. Milieu solide On utilise en culture une protéine agar dérivée d algue, la solidification se fait à 42/45 C, on peut y ajouter des facteurs de croissance. Pour certaines bactéries, on utilise la gélose à laquelle on peut ajouter des enzymes. Les milieux de culture riches permettent le développement de la plupart des bactéries (il est composé d'extraits de viande ou de plante, ce qui apporte tous les genres de nutriments nécessaires à la cellule), tous les facteurs de croissance sont donc présents. Les milieux minimums ne permettent la croissance qu'à un petit groupe de bactérie, ce qui permet déjà une première évaluation du type bactérien présent et aussi limite les risques de contamination. Les milieux sélectifs ou différentiels (utilisés en microbiologie médicale) favorisent la croissance de groupes connus de bactéries, ce qui permet leur identification. 3.2. Milieu liquide Ce type de milieu est essentiellement composé d eau et de facteurs de croissance. IV) Croissance 4.1. Courbe de croissance
On étudie la croissance d une population bactérienne et non pas d une seule bactérie. Dans la nature les microorganismes vivent avec des facteurs limitants. Pendant la croissance, les bactéries produisent des macromolécules (ADN, ARN, lipides, protéines) et des petites molécules (acides aminés, molécules organiques et autres molécules nécessaires à leur croissance). On peut calculer un temps de génération. - Phase de latence, temps d adaptation des microorganismes => la longueur dépend de facteurs internes (type de la bactérie) ou exogènes (concentration du milieu en protons, etc ) => il y a synthèse de macro et micromolécules (ARN, ADN, ribosomes, ATP) - Phase de croissance exponentielle => lorsque les conditions sont homogènes => processus de croissance optimale => observation de la capacité maximale d'un microorganisme à se développer => la durée dépend de la génétique microbienne N T = N 0 " 2 n (avec N 0 : nombre initial de bactéries, n : nombre de génération) donc logn T = log N 0 + n log2 donc n = logn T " log N 0 log2 On peut compter N T par méthode de dilution puis étalage sur une boîte de pétri. - Phase stationnaire => phase d'équilibre entre la division cellulaire et la lyse => exprime le manque de nutriment dans le milieu, l'épuisement des réserves Si les bactéries n'expriment pas le gène Sur (survivor) : - Phase de mortalité => les bactéries sont en conditions défavorables, les autolysines réalisent donc la destruction de la paroi ou de la membrane, conduisant à la lyse massive des bactéries, mais le contenu du cytosol se retrouve donc dans le milieu et peut être utilisé par les bactéries encore vivantes comme un facteur de croissance 4.2. Comptage Pour compter les bactéries on utilise le principe de dilution, on étale les différentes dilutions sur des boîtes de pétri puis on compte le nombre de colonies s'étant développées. On connaît le nombre théorique de bactéries présentes dans une colonie, on peut donc calculer le nombre de bactéries présentes dans le mélange bactérien d'origine. 4.3. Culture continue C est un système de croissance en patch. L approche la plus utilisée est le chemostat (industrie). Au fur à mesure de la croissance, on pourra ajouter des nutriments pour ne pas arrêter la croissance. Le chemostat est un système permettant le contrôle de la concentration en soluté et permettant de suivre la croissance bactérienne en fonction de plusieurs paramètres.
D= F/V avec: D = dilution en h -1 V= volume en ml F= Débit en ml / h On enregistre grâce à ce système plusieurs paramètres : la concentration en substrat, la concentration des cellules, le temps de division bactérienne et la production en bactéries sortantes.
4.4. Culture synchrone - En théorie dans une culture pure (une seule cellule) en patch, la phase exponentielle devrait correspondre à une alternance de phase de croissance et de plateau, dessinant ainsi un escalier. - Cependant quand on a une culture bactérienne composée de plusieurs bactéries, celles-ci ne se divisent pas toute en même temps => linéarisation. - On pourrait imaginer synchroniser toutes les divisions grâce à une induction, mais ce phénomène ne peut pas être maintenu très longtemps (3 à 4 cycles max). Rendement = biomasse / substrat Une bactérie dont la phase stable est plus élevée sera plus rentable, car ceci induit que la biomasse est plus importante. L ATP permet de juger de l'énergétique d'une bactérie.