6- Taxonomie (d) bactérie de l'environnement

Question 1

Stratification du sol

Answer 1

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

Question 2

Nature des sol

Answer 2

• 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)

Question 3

Influence de la température

Answer 3

Sols désertiques : surface brulée mais richesse sous-terraine
Sols glacés : idem

Question 4

Racines

Answer 4

• présence de racines dans Horizon organique, Horizon humique (0-5 cm de profondeur)
  et Horizon Organo-minéral (5-40 cm de profondeur)

Question 5

Diversité bactérienne du sol

Answer 5

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)

Question 6

Ratio idéal C/N/P

Answer 6

• C/N/P : 106 / 16 / 1
• Milieu Redfield, eau de mer)

Question 7

Fixation de l’N2 atmosphérique

Answer 7

• 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

Question 8

Ammonification

Answer 8

• 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

Question 9

Nitrification

Answer 9

• 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-

Question 10

nitrification: bactéries nitrosantes

Answer 10

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

Question 11

Nitrification : bactéries nitratantes

Answer 11

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.

Question 12

Dénitrification type e. coli

Answer 12

• 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-.

Question 13

Dénitrification type Pseudomonas stutzeri

Answer 13

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

Question 14

Annamox

Answer 14

• 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(-)

Question 15

toxicité du N2O

Answer 15

• 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)

Question 16

activités bactériennes des stations d’épuration

Answer 16

• 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

Question 17

Activités bactériennes des stations d’épuration
*Source de C

Answer 17

• 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

Question 18

Activités bactériennes des stations d’épuration
⋅ Source de N

Answer 18

=> 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)

Question 19

Activités bactériennes des stations d’épuration
Source de P

Answer 19

• 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)

Question 20

Les cyanobactéries

Answer 20

• 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

Question 21

les bactéries vertes et pourpres : Photosynthèse Anoxygénique

Answer 21

• 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).

Question 22

Cas de la Bactériorhodopsine

Answer 22

• 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