6- Taxonomie (d) bactérie de l'environnement Flashcards
Stratification du sol
1- Litière
2- Horizon organique
3- Horizon humique (0-5 cm de profondeur)
4- Horizon Organo-minéral (5-40 cm de profondeur)
5- Horizon d’altération (40-90 cm de profondeur)
6- Roche- mère (> 90 cm de profondeur)
- La concentration en Matière organique, en Carbone, en azote, en Phosphore, en eau et en O2 diminue avec la profondeur
Nature des sol
- Sableux (particules de diamètre > 50 µm)
- Limoneux (particules de diamètre 2 < et < 50 µm)
- Argileux (particules de diamètre < 2 µm)
- La pénétration des composés essentiel est croissante :
Argileux (hiver) < Limoneux < Sableux < Argileux (été)
Influence de la température
Sols désertiques : surface brulée mais richesse sous-terraine
Sols glacés : idem
Racines
- présence de racines dans Horizon organique, Horizon humique (0-5 cm de profondeur)
et Horizon Organo-minéral (5-40 cm de profondeur)
Diversité bactérienne du sol
Milliers d’espèces différentes:
*Aérobies, dominance gram négatives
(Protéobactéries: Pseudomonas, Xanthomonas,
Rhizobium, nitrifiantes (nitrosantes et nitratantes)
Bacteroïdetes : Sphingobacteria (Flexibacter) et Flavobacteria.
Actinomycètes (Strepromyces et Frankia, Actinorhizes)
Acidobacteria
=> Croissance rapide
=> Lumière => Cyanobactéries
- Anaérobies, dominance gram positives
(espèces sporulantes: Firmicutes : Clostridium, Bacillus
Planctomycètes (Brocadia - Annamox)
=> Croissance lente
=> Présence d’archées : Taumarchaeota (nitrifiantes)
Ratio idéal C/N/P
- C/N/P : 106 / 16 / 1
- Milieu Redfield, eau de mer)
Fixation de l’N2 atmosphérique
- Par espèces diazotrophes
ex :
Pseudomonaceae (Azotobacter)
Clostridium,
Cyanobactéries (hétérocystes de trichomes, Anabaena, Nostoc),
Rhizobium et Frankia
(mers : Desulfovibrio, Planctomyces et Archeae) - Enzyme clé : nitrogénase
N2 + 4 H(+) −> HN=NH + H2
HN=NH + 2 H(+) −> H2N-NH2
H2N-NH2 + 2 H −> 2 NH3 - Réaction globale:
8 H(+) + 8 e(-) + N2 + 16 ATP −> 2 NH3 +H2 + 16 ADP
Ammonification
- Azote organique = protéines, bases azotées, urée etc…
- Biodégradation par désamination, uréases etc…
Ex:
glutamate + NAD +H2O −> alpha-cetoglutarate + NADH + NH4(+)
=> enzyme: glutamate déshydrogénase
sérine −> pyruvate + NH4(+)
=> enzyme: sérine déaminase
acide aminé + O2 −> céto-acide + H2O2 + NH4(+)
=> enzyme: amino acid oxydase
glycine + O2 −> glyoxylate + H2O2 + NH4(+)
=> glycine oxidase
Nitrification
- Parmi les dérivés azotés, si le nitrate = bon accepteur final d’e-, l’ammoniaque NH4+(NH3) (voire le nitrite NO2-) peuvent être des donneurs
- Oxydés en aérobiose par des bactéries dites nitrifiantes
- 1er groupe (= nitrosantes : Nitrosomonas sp.) oxydent le NH4+ en NO2-
- Puis un 2ème groupe dites nitratantes (Nitrobacter sp.) oxydent le NO2- en NO3-
nitrification: bactéries nitrosantes
a) NH3+ O2 + 2H+ + 2e- → NH2OH + H2O
=> enzyme: ammonium monooxygénase : AMO ( dans le cytoplasme)
b) Puis NH2OH passe dans le périplasme (= espace entre les 2 mb chez les gram (-) )
NH2OH + H2O → NO2(-)+ 5H(+) + 4e(-)
=> enzyme: Hydroxylamine aminoréductase: HAO (dans le périplasme)
- Les 4 e(-) de l’étape b) réduisent la protéine HAO
- Ils sont transférés aux cytochromes C
- 2 e(-) sont transférés à des quinones qui les transfèrent à la protéine transmembranaire AMO, qui les utilisent pour oxyder l’ammonium pendant l’étape a)
- les 2 autres e(-) sont transférés au cytochrome aa3 qui les utilisent pour réduire de l’oxygène (1/2 O2 +4 H(+) (cytoplasme) −> H2O + 2 H(+) (périplasme) afin d’augmenter le gradient de protons
- Bilan : NO2 et 7 H(+) côté périplasme −> production de 7 ATP via l’ATP synthase
Nitrification : bactéries nitratantes
a) NO2-+ H2O →NO3-+ 2H+ + 2e- => enzyme: Nar: nitrate réductase
b) ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
=> bilan NO2-+ ½ O2 → NO3-
Réaction inverse de la nitrate réductase (respiration nitrate) car ici l’enzyme fonctionne en présence d’O2.
- Les 2 e(-) de l’étape a) sont captés par la protéines transmembranaire NOR
- Ils sont ensuites transférés au cytochrome C, qui réduit à sont tour le cytochrome aa3
- Ce dernier les utilise pour l’étape b) et en profite pour passer 2 H(+) du cytoplasme dans le périplasme
Bilan : NO3(-) et 2 H(+) dans le périplasme −> production de 2 ATP
- Le Bilan peut être encore plus faible (nul) car une partie des électrons remontent la chaîne pour faire protoner NAD en NADH plutôt que de faire monter le gradient de protons
=> c’est le flux inverse des électrons
Rq: faible rendement énergétique car le potentiel redox du couple NO3-/NO2- est très élevé => entre en fin de la chaîne des transporteurs d’e- pour faire peu d’ATP.
Dénitrification type e. coli
- De nombreuses espèces bactérienne peuvent faire une dénitrification (ie retirer NO3- en le convertissant en un intermédiaire gazeux ou instable)
ex: E. coli (NO3-→ NO2-),
a) NADH +H+ → NAD+ + 2H+ + 2e- (Complexe I)
b) NO3- + 2H+ + 2e- → NO2- + H2O (nitrate réductase = Nar)
- Les e(-) de l’étape a réduisent la protéine Fp, qui relâche 2 H(+) dans le périplasme et réduit Fe-S
- Cela permet ensuite de réduire une quinone avec 2 H(+) du cytoplasme qui transférera ces e(-) au cytochrome b556 et relâchera ses H(+) dans le périplasme.
- Le cytochrome b556 transfère alors les e(-) à la nitrate réductase qui les utilise alors pour l’étape b
Rq2: On parle de métabolisme dissimilatif lorsque les molécule inorganique (NO3-, SO42-) sont utilisées en fin de chaîne d’accepteur d’e- afin de différencier du métabolisme assimilatif lorsque ces molécules sont utilisées comme donneur d’e-.
Dénitrification type Pseudomonas stutzeri
Ex: Paracoccus denitrificans et Pseudomonas stutzeri sont capables de convertir le NO3- en N2 selon les réactions suivantes:
a) 2 NADH +H+ → 2 NAD+ + 4H+ + 4e- (Complexe I)
b) 2NO3- + 4H+ + 4e- → 2NO2- + 2H2O (nitrate réductase = Nar)
c) 2NO2- + 4H+ + 4e- → 2NO + 2H2O (nitrite réductase = Nir)
d) 2NO + 2H+ + 2e-→ N2O +H2O (oxyde nitrique réductase = Nor)
e) N2O + 2H+ + 2e-→ N2 +H2O (oxyde nitreux réductase = Nos (Cu)
- Les e(-) de l’étape a réduisent la protéine Fp, qui relâche 4 H(+) dans le périplasme et réduit Fe-S
- Cela permet ensuite de réduire une quinone avec 4 H(+) du cytoplasme qui transférera ces e(-) au cytochrome b et relâchera ses H(+) dans le périplasme.
- Le cytochrome b transfère alors les e(-) à la nitrate réductase qui les utilise alors pour l’étape b
- Des e(-) sont transférés au cytochrome cd qui les transfèrent à la nitrite réductase qui les utilise pour c)
- Des e(-) sont transférés au cytochrome bc1 qui les transfèrent à la NO réductase, qui les utilisent pour l’étape d) et en profite pour faire passer 2 H(+) côté périplasme
- Des e(-) sont alors tranférés à la N2O réductase qui les utilise pour l’étape e)
Donc transfert relativement long à l’origine de la production d’énergie (ATP) mais légèrement plus efficace que e.coli
Rq1 : NO intermédiaire toxique pour les bactéries, produit par les macrophages comme antibactérien
Annamox
- métabolisme réalisé en condition d’anoxie des bactéries du phylum Planctomycetes (Brocadia, Anammoxoglobus) utilisent le NO2- produit par les nitrosantes et une grande partie du NH4+ disponible pour produire directement du N2 (50% de l’azote gazeux).
- structure vésiculaire : annamoxosome (lipides laddéranes) pour protéger de la toxicité de N2H4 et NH4OH)
NO2- + 2H+ + e- → NO + H2O (nitrite réductase = Nir)
NO + NH4(+) +2 H(+) +3 e(-) −> N2H4 +H2O
N2H4 −> N2 + 4 H(+) + 4 e(-)
toxicité du N2O
- protoxyde d’azote ou gaz hilarant
- Augmentation de sa présence dans l’air +20% en 100 ans
- Gaz à effet de serre : 300 x le CO2
- Polluant direct des activités humaines (comburant, engrais)
activités bactériennes des stations d’épuration
- Principe de fonctionnement des stations d’épuration :
=> Accumuler la MO dans des bassins de décantation - Puis au cours d’étapes successives d’aération/anoxie, enrichir les bactéries présentes dans cette MO = boues activées pour :
- dégrader les sources de C (sucres, AA, lipides, autres…)
- nitrifier/dénitritfier
- déphosphater
- Techniquement : formation des Flocs:
=> Croissance des bactéries sur la MO remise en suspension par l’aération (bullage ou
brassage) => gestion de la taille des flocs :
=> Si croissance trop lente (flocs sédimentent)
=> Si trop rapide : « pin flocs » = phénomène de dispersion =eau turbide
Activités bactériennes des stations d’épuration
*Source de C
- Espèces hétérotrophes, chimioorganotrophes oxydent les composés biodégradables
(MES+ MOD) - Voie aérobie favorisée pour des questions de rendement cellulaire
- (g voisin de 30 min) => association de l’O2 dans l’oxydation donne en théorie une oxydation totale :
-C6H12O6 + 6O2 => 6CO2 + 6H2O +650 cal/mol
-équation bilan: conversion en biomasse microbienne de sources de carbone (ici
glucose) et d’azote (NH3):
24 C6H12O6 + 59O2 +17 NH3
=>17 C5H7NO2 (biofloc)+ 59CO2 +110H2O
Activités bactériennes des stations d’épuration
⋅ Source de N
=> dégradation de la source de C n’élimine que 20% de l’N
*nitrification: (cf cours précédent)
rappel: les espèces nitrosantes du genre Nitrosomonas font NO2-
puis les espèces nitratantes du genre Nitrobacter convertissent le NO2- en NO3-
(réaction lente ; T°>8°C ; pH >7 ; présence d’ions bicarbonate)
*dénitrification: en condition d’anoxie (arrêt du bullage ou brassage)
Espèces hétérotrophes anaérobiques facultatives : respiration nitrate (Pseudomonas, Zooglea) : réduction successive de NO3- en N2 gaz
(température pas limitante, pH 7 à 8,2, par contre l’O2<0,5 mg/L)
=> Cas particulier : Thiobacillus denitrificans fait particulièrement ceci couplé en anoxie à
oxydation d’H2S composé toxique
OU
*procédé Anammox: en condition d’anoxie des bactéries du genre Planctomyces
(Brocadia, Anammoxoglobus) utilisent le NO2- produit par les nitrosantes et une
grande partie du NH4 disponible pour produire directement du N2..
(Efficacité >60% de l’N éliminé)
Activités bactériennes des stations d’épuration
Source de P
- la loi demande une teneur en Phosphate dans l’eau<2 mg/L pour 10 mEH
- Or phosphate dans l’eau correspond à 3 g de Phosphate/EH soit 10 mg de Phosphate
/L, ( rq: à partir du rapport N/P = 7/1=> eutrophisation) - dégradation de la source de C n’élimine que 25% du P
- précipitation chimique : Sels de Fer (FeCl3) ou d’Aluminium (Al2(SO4)3)
- remédiation bactérienne : 2 étapes:
=> étape anaérobie (temps d’anoxie) : bactéries acétogènes anaérobies (ex Clostridium) utilisent les produits de fermentations des étapes précédentes (acides propionique, butyrique et l’éthanol) pour faire de l’acétate.
=> Puis toujours en anaérobie: Acinetobacter sp. (+ autres PAO’s = Phosphate accumulating organisms) stockent l’acétate sous forme de PHAs (PolyHydroxyAlkanoates = bioplastiques)
=> étape aérobie : en absence d’acétate : ces PAO’s vont utiliser les PHAs comme
source de C et stocker le PO42- comme source d’énergie (polyphosphate =>50-65%
du phosphate éliminé). - PHAs (PolyHydroxyAlkanoates = bioplastiques)
=> Ce sont des polymères complexes (appelés bioplastiques) constitués de condensation d’acétate :
=> 2 molécules d’acétylcoA => acétoacétylcoA => par réduction donne hydrobutyrate (= monomère d’HB) => polymérisation = PHB)
Les cyanobactéries
- Cyanobacteria (algues bleue-verte) (phylum 5)
Ex: Microcystis aeruginosa (unicellulaire, microcystine
= hépatotoxine)
Anabaena sp. (trichome avec Hétérocyste et Akinète)
Spirulina platensis (filamenteuse)
Aussi synechococcus sp., Oscillatoria sp., Nostoc sp. - Toutes photosynthétiques (PSI et PSII): P. oxygénique
(chlorophylles, caroténoïdes et phycobilliprotéines) - Capacité de fixer N2 atmosphérique (hétérocystes, nitrogénase)
- Forment cellules de résistance = akinètes
- Symbiontes potentiels : lichens, fougères, chloroplaste
-présence possibles de vacuoles gazeuses (suspension)
Diversité : 5 groupes en fonction de mode de division
ou d’association cellulaire :
-scissiparité (unicellulaire)
Scission multiple: filament se segmente (hormogonie)
Formes filamenteuses avec ou sans hétérocyste,
ramifiées ou non - Photosynthèse
=> fonctionnement général : équivalent à ce qui existe chez les Chloroplastes des végétaux
les bactéries vertes et pourpres : Photosynthèse Anoxygénique
- il existe d’autre types de bactéries photosynthétiques :
=> bactéries pourpres et
vertes (fonction du type de chlorophylle associée a, b ou c, d et e appelée ici
bactériochlorophylle
*La différence réside dans le fait que chez ces bactéries, le point de départ n’est pas l’oxydation d’H2O en O2 (d’où absence de libération d’O2 = anoxygénique)
mais l’oxydation d’un autre donneur inorganique (S, H2S, thiosulfate => sulfureuses) ou organique (photoorganotrophes)
- Source d’énergie : ATP
En clair ici l’énergie est fournie par EL via la chaîne de transporteurs d’un seul
photosystème: PSI = centre réactionnel
ex : P870 [ +0.5 à -1 v] pour les bactéries pourpres
P840 pour vertes : [+0.3 à -1.4v]
Ces PSI fonctionnent de façon cyclique :
ex: bactérie pourpres : P870 - Pour la synthèse de NADH (NADPH)
=> Photosynthèse non-cyclique : une partie des e- sont transférés à une NADH réductase pour produire du NADH.
=>Soit directement:
ex: bactéries vertes sulfureuse (Fe/S → Fd → NAD+ car ici Fd a un potentiel redox de -0.42v)
=> Soit indirectement => flux inverse des e-
ex: bactéries pourpres non-sulfureuses : quinone Q2 (E’0= 0 v) donc flux inverse des e- vers le NAD+ (E’0= -0,32 v),
source d’e-: succinate deshydrogenase (krebs).
Cas de la Bactériorhodopsine
- La bactériorhodopsine (BR) est une protéine à sept hélices transmembranaires insérée dans la paroi de l’archée halophile Halobacterium salinarum.
- La protéine contient un chromophore = une molécule de rétinal,
(=caroténoïde, aldéhyde de la vitamine A)
en condition anaérobie + lumière
changements conformationnels successifs de all-trans => all-cis
= photoactivation (photocycle = états intermédiaires) - Or BR = pompe à proton
=> synthèse d’ATP
