Cycles biogéochimiques Flashcards
Qu’est-ce qu’est un cycle biogéochimique?
Circulation des éléments d’un milieu à l’autre et d’une forme à l’autre, influencée par des processus biologiques, chimiques et géologiques.
Quels éléments font partie des molécules complexes essentielles à la vie? (5)
Carbone, Azote, Phosphore, Fer et Soufre
Où se retrouve la majorité du carbone?
Dans la lithosphère
Surtout les roches calciques
Nommer les 3 réservoirs importants de carbone
Lithosphère
Atmosphère
Océans
Qu’est-ce qu’est la fixation du carbone?
Incorporation du CO2 dans les molécules organiques par les organismes autotrophes (producteurs primaires).
Qu’est-ce qu’est la respiration aérobie?
Production de CO2 suite à la consommation de molécules organiques par les hétérotrophes (consommateurs).
Quels sont les 2 types de vivants qui vont faire de la respiration aérobie et produire du CO2?
Consommateurs
Décomposeurs
Qu’est-ce qu’est la minéralisation?
Dégradation complète d’un substrat en molécules inorganiques
Quels organismes peuvent faire la méthanogénèse?
Archées anaérobies obligatoires
Formule de la méthanogénèse
Matière organique –> CH4
Quels sont les 3 types de méthanogénèse?
- Autotrophe (Fixation du CO2 à l’aide de H2 )
4H2 + CO2 -> CH4 + 2H2O + énergie via force proton motrice (environ 1 ATP) - Substrat : Méthanol
4 CH3OH -> 3 CH4 + CO2 + 2H2O + énergie via force proton motrice (environ 4 ATP) - Substrat : Acétate
Acétate- + H+ -> CO2 + CH4 + énergie via force proton motrice (peu)
Exemples de niches où la méthanogénèse peut se produire
Marais, zones humides, décharges, rumen
Qu’est-ce qu’est la méthanotrophie?
Utilisation du méthane comme source de carbone et d’énergie par les méthanotrophes
Formule de la méthanotrophie
CH4 –> CO2
Quels sont les 2 types de microorganismes pouvant faire de la méthanotrophie?
Bactéries aérobies strictes
Bactéries anaérobies
Quelles sont les deux voies méthanotrophiques?
Oxydation du méthane par l’oxygène
CH4 + O2 –> CH3OH à HCHO –> HCOOH –> CO2 + H2O
Oxydation anaérobie du méthane (AOM)
CH4 + SO4 2- + H+ –> CO2 + HS- + 2 H2O
Peu énergétique, archées en consortium avec les bactéries. Dans les fonds marins.
Quelle enzyme est importante dans la méthanotrophie par oxydation avec oxygène?
Méthane oxygénase
Qu’est-ce qu’est la méthylotrophie?
Utilisation de composés à un carbone (incluant le méthane)
Quelles sont les 2 méthodes de destruction du CO?
Abiotique - Réaction photochimique dans l’atmosphère
Biotique - Avec bactéries méthylotrophes malgré la toxicité
Quels sont les 2 types de réactions possible avec le CO?
Oxydation du CO en CO2 pour la synthèse de molécules organiques (chimioautotrophes)
Réduction du CO en méthane (CH4 ; méthanogènes anaérobies)
Composés récalcitrants chez la plante
Cellulose
Hémicellulose
Lignine
Pourquoi est-ce que la cellulose est difficile à digérer?
Liens bêta 1-4 difficiles à digérer
Pourquoi est-ce que l’hémicellulose est difficile à digérer?
Beaucoup de liens diversifiée (beaucoup d’enzymes différentes nécessaires)
Grosses molécules difficiles à internaliser
Qu’est-ce qu’est le humus?
Compost
Gros réservoir de carbone, produit par polymérisation spontanée des monomères (molécules énormes)
Quel type de microorganismes peut dérader le humus?
Microorganismes autochtones (dégradation lente de composés complexes)
De quoi est composé la lignine?
Phénylpropylène
Si la dégradation de la lignine ne fournit pas d’énergie, pourquoi certains microorganismes la font-elle?
Co-métabolisme
Quels microorganismes peuvent dégrader les composés récalcitrants?
Champignons de pourriture blanche
Actinobactéries
α-proteobactéries
β-protéobactéries
Quels sont les 2 types de dégradation de composés récalcitrants comme les HAP?
Produits ressemblent à ceux qui servent au métabolisme du microorganisme
Co-métabolisme
Décrire les 3 voies de dégradation de composés récalcitrants
- Substrat normal de la voie : minéralisation et énergie produite
- Composé ressemblant `au substrat normal : minéralisation complète
- Composé ne ressemblant pas au substrat normal : dégradation en un produit secondaire qui peut être encore plus toxique
5 facteurs limitant la biodégradation d’un produit récalcitrant
Potentiel génétique de la population microbienne
Toxicité du composé
Biodisponibilité (Accessibilité du contaminant par les microorganismes)
-Dans l’eau (solubilité, contact direct ou utilisation de biosurfactants)
-Dans le sol (contact direct, utilisation de substrat solubilisé)
Structure du contaminant
Facteurs environnementaux
Qu’est-ce qu’est un produit xénobiotique?
Produit fabriqué par l’Homme inconnu à la vie
3 adaptations possibles aux produits xénobiotiques
Accumulation de mutations qui augmentent la capacité à le dégrader
Évolution (mutations) - augmentation de la résistance à la toxicité des produits
Acquisition de gènes pour faire des enzymes - chaîne de dégradation des composés. (transfert latéral, compétence…)
Nommer une enzyme importante pour la dégradation de xénobiotiques
Déhalogénase
Quels types de réaction sont effectuées sur les
molécules xénobiotiques?
Substrat pour de l’énergie (source de carbone) (hydrolyse)
Accepteurs d’électrons (réduction)
Pourquoi est-ce que l’azote est important pour le vivant?
Présence dans les acides aminés, ADN et ARN
Sous quelle forme l’azote est retrouvée dans l’atmosphère?
N2
Formule de la fixation de l’azote
N2 –> NH3 –> NH4 (selon pH)
Où est produite la fixation de l’azote?
Sol
Eau
Rhizosphère (surtout)
Quelle enzyme est utilisée pour la fixation de l’azote? Quelle coenzyme doit l’accompagner?
Nitrogénase oxydase
Accompagnée de fer, molybdène ou vanadium
Vrai ou faux : la fixation de l’azote est très énergétique?
Vrai - 16 ATP consommés
Quelles sont les 4 conditions pour que la fixation de l’azote ait lieu?
- Sans ammonium (Inhibition de la nitrogénase par les ions ammonium)
- Sans oxygène (Inhibition de la nitrogénase et de la transcription des gènes associés par l’oxygène)
- Réaction possible en milieu anaérobie ou très pauvre en oxygène OU
- Réaction possible en présence de mécanismes de protection de la nitrogénase - Besoin d’un cofacteur métallique (molybdène vanadium ou fer)
- Besoin d’énergie
Quelle est la particularité d’un hétérocyste?
Pas de photosynthèse
Ne fait que de la fixation de l’azote
Qu’est-ce qu’est l’assimilation / immobilisation de l’azote?
Processus par lequel l’azote fixé sous forme NH4+ (préférée) ou NH3 est assimilé par les cellules et incorporé dans les molécules organiques (acides aminés, bases azotées, …).
Quelles sont les 2 réactions possibles pour l’assimilation de l’azote?
Réaction 1.
α-cétoglutarate + NH4 –> + Glutamate + H2O
Beaucoup d’ammonium dans l’environnement
Réaction 2.
NH4+ + glutamate –> glutamine –> glutamate
Peu d’ammonium dans l’environnement
Quel est le but de la réduction des nitrates?
Faciliter l’assimilation par les microorganismes (transformation en molécule organique)
Qu’est-ce qu’est l’ammonification?
Minéralisation de l’azote organique
Processus par lequel les ions ammonium présents dans les molécules organiques sont libérés.
Quelle est la formule pour l’ammonification intracellulaire?
α-cétoglutarate + NH4+ –> Glutamate + H2O
Comment se fait l’ammonification extracellulaire?
Sécrétion d’enzyme extracellulaires par les bactéries qui dégradent des molécules contenant de l’azote (protéines, acides nucléiques, urée…)
Quel est l’impact d’un ratio carbone:azote élevé?
Limitant pour les microorganismes du sol
Immobilisation nette de l’azote par les microorganismes du sol qui dégradent le carbone
Peu d’azote disponible pour les plantes
Moins de décomposition de carbone
Quel est l’impact d’un ratio carbone:azote moyen?
Azote non limitant pour les microorganismes du sol
Bonne décomposition du carbone organique
Minéralisation nette de l’azote
Azote et carbone disponible pour les plantes
Quel est l’impact d’un ratio carbone:azote faible?
Problèmes environnementaux
Qu’est-ce qu’est la nitrification?
Oxydation de l’ammonium pour produire de l’énergie servant à fixer du CO2
Quelle est la formule de la nitrification?
NH4+ -(Nitrosomas)-> NO2- -(Nitrobacter)-> NO3-
Vrai ou faux : la nitrification produit peu d’énergie
Vrai
Pourquoi est-ce que l’accumulation de nitrites et de nitrates dans l’environnement est peu fréquente?
- Bactéries nitrifiantes sensibles aux stress environnementaux
- Rarement présence d’un grand excès de NH4 +
- Nitrates très mobiles car chargés négativement, ils se retrouvent rapidement dans l’eau
Quelle est la réaction de la réduction des nitrates?
NO3- -(énergie libérée)-> NO2- –> NH4+
Vrai ou faux : la dénitrification se fait en milieu aérobie
Faux
Quelle est la réaction de dénitrification?
NO3 –> NO2 –> NO –> N2O –> N2
Qu’est-ce qu’est l’Annamox?
Anaerobic ammonium oxydation
Oxydation de l’ammonium en utilisant du nitrite comme accepteur d’électron.
Sert à fournir de l’énergie et des électrons pour fixer du carbone.
Où se produit l’Annamox?
À la frontière entre aérobie et anaérobie
Besoin à la fois d’ammonium et de nitrite
Quelle est la réaction de l’Annamox?
NH4+ (ammonium) + NO2- (nitrite) –> N2 (azote gazeux) + + NO3- (nitrate)
Où retrouve-t-on le phosphore?
À quoi sert-il pour le vivant
Acides nucléiques
Molécules énergétiques (ATP, ADP…)
Où est retrouvé le phosphore?
Dans la nature
Eau
Sol (limitant)
Sous quelles formes le phosphore peut être retrouvé?
Minérale
Orthophosphates
Nommer des microorganismes qui peuvent solubiliser le phosphore dans la rhizosphère
Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, actinobactéries, Aspergillus et Penicillium
Entre le phosphore minéral et les orthophosphates, quelle forme est soluble?
Orthophosphates
Avec quelles molécules le phosphore minéral peut-il être associé?
Ca, Fe, Al
Comment se fait la solubilisation du phosphore?
Acidification du milieu (H+ ou petits acides) qui réduisent les métaux
Décrire la minéralisation du phosphore organique
Passage du phosphore organique aux orthophosphates via la sécrétion d’enzymes
Dans quels molécules peut-on retrouver du soufre?
Acides aminés cystéine et méthionine, ainsi que dans
certaines hormones, vitamines et coenzymes.
Vrai ou faux : le soufre est limitant dans le sol
Faux
Dans la nature, où est retrouvé le soufre? Dans quel endroit est-il le plus abondant?
Roc (+abondant)
Sol
Eau
Atmosphère
Qu’est-ce qu’est l’assimilation du soufre?
Passage du soufre inorganique au soufre organique par la réduction
La plupart des microorganismes et des plantes assimilent le soufre sous forme oxydée (sulfate), et ce
malgré que seulement la forme réduite (sulfide) est introduite dans les molécules organiques. Pourquoi?
Plus de sulfates dans le sol (forme oxydée plus importante)
Sulfide (H2S) très réactif chimiquement
Décrire la réaction de l’assimilation du soufre
SO4(2-) + 2ATP -»> S(2-) -> Cystéine
Réaction de la minéralisation du soufre
Cystéine -> Sérine + H2S
Décrire la minéralisation du soufre dans les environnements marins
DMSP -> DMS -> H2S + DMS (dans l’atmosphère) + UV -> SO4(2-) + H2O -> Acide sulfurique H2SO4
La réduction du soufre doit se produire en présence ou en absence d’oxygène?
En absence - processus anaérobie
Décrire les 2 réactions de réduction du soufre
Réduction dissimilaire du soufre : S0 -> H2S (moins fréquent)
Réduction dissimilaire du sulfate : SO4(2-) -> H2S
Dans la réduction du soufre, quelles molécules sont utilisées comme donneurs d’électrons?
Des petites molécules organiques (lactate, pyruvate, acétate, …) ou du H2
Avec quel processus la réduction du soufre est-elle associée?
Méthanogènes (en coexistence ou compétition)
Quel type de microorganisme peut faire les réactions de l’oxydation aérobie du soufre? Nommer le microorganisme qui peut faire les 2 réactions
Chimio-autotrophes microaérophiles
Beggiatoa
Quelles sont les 2 réactions d’oxydation du soufre?
H2S + ½ O2 -> S(0) + H2O
S(0) + 1.5 O2 + H2O -> SO4(2-) + 2 H+
Décrire la réaction de l’oxydation du soufre dans les drainages miniers acides
FeS2 + 7/2 O2 + H2O → Fe2+ + 2SO42− + 2H+
Production d’acide
Libération du métal
Réactions subséquentes
Quels microorganismes font l’oxydation anaérobie du soufre?
Photo-autotrophes (bactéries pourpres et vertes sulfureuses) à partir de l’énergie lumineuse
Décrire la réaction d’oxydation anaérobie du soufre
CO2 + H2S -> S0 + Carbone fixé
Pourquoi est-ce que l’oxydation anaérobie du soufre est un processus important dans l’environnement?
Enlève les sulfides (S2-), qui sont dommageables pour
l’environnement.
Vrai ou faux : le fer est limitant dans la nature
Vrai
Quelles sont les 3 formes du fer dans la nature?
Fer métallique (Fe0)
Ferreux (Fe2+) - soluble, conditions anaérobies
Ferrique (Fe3+) - insoluble, conditions aérobies
Vrai ou faux : dans le sol, le fer est biodisponible
Faux : abondant sous forme insoluble
Quelle molécule est sécrétée par les microorganismes pour s’approprier du fer sous sa forme minérale?
Sidérophores
Nommer les 4 sidérophores existant
Hydroxamate
Carboxylate
Cathécolate
Hybride / Pyoverdine
Nommer les 5 rôles principaux des sidérophores
Croissance microbienne Compétition microbienne Virulence Solubilisation du fer dans le sol, dans les océans Nutrition et donc croissance des plantes
Décrire la réaction de réduction du fer
Fe3+ -> Fe2+
Vrai ou faux : la réduction du fer le rend plus soluble
Vrai
Décrire les 2 techniques pour réduire le fer
- Réduction lors de l’assimilation : Se produit à l’intérieur des cellules suite à l’importation avec les sidérophores
- Réduction « respiration du fer » par les chimio-hétérotrophes : Utilise le fer ferrique (Fe3+) comme accepteur terminal d’électron lors de la respiration.
Processus anaérobie très important
Quelles sont les 2 stratégies utilisées pour faciliter la réduction du fer?
Contact direct et utilisation d’enzymes membranaires Molécules transportant des électrons
Sous quelles conditions l’oxydation du fer se fait de façon spontanée?
Milieu aérobie à pH > 5
Décrire la réaction d’oxydation aérobie du fer
Fe2+ + H+ + ¼ O2 -> Fe3+ + ½ H2O
Quels types de microorganismes peuvent faire l’oxydation anaérobie du fer?
Photoautotrophes
Chimiolithotrophes
Décrire la réaction d’oxydation anaérobie du fer par les bactéries photoautotrophes
Utilisent la lumière pour fixer le HCO(3-) de façon anaérobie, avec le Fe2+ comme donneur
d’électron.
Processus de photosynthèse ancestral, quand le Fe2+ était abondant.
Décrire la réaction d’oxydation anaérobie du fer par les bactéries chimiolithotrophes
Fe2+ agit comme donneur d’électron, et la réaction est couplée à la réduction du nitrate (NO3-, agit comme accepteur d’électron). Réaction qui produit de l’énergie.
Processus effectué par diverses bactéries (autotrophe et hétérotrophe), et présent dans plusieurs niches différentes.
Quels sont les impacts d’une augmentation du CO2 atmosphérique si le sol est dominé par les mycètes?
Accumulation de carbone dans le sol
Sol limité en azote
Sol dominé par les oligotrophes
Flux en CO2 dans l’atmosphère diminué
Quels sont les impacts d’une augmentation du CO2 atmosphérique si le sol est dominé par les bactéries?
Relâchement du CO2 dans l’atmosphère
Sol avec suffisamment d’azote
Sol dominé par les copiotrophes
Quelles sont les réponses possibles des communautés de phytoplanctons face aux changement climatiques?
Changement dans la composition
Évolution adaptative
Dispersion
Nommer des effets de la sur-utilisation des fertiliseurs sur les microorganismes
Marées colorées
Eutrophisation
Décrire le processus de marées colorées
Croissance fulgurante de microalgues / de cyanobactéries
Risque pour la santé humaine due aux toxines produites
Qu’est-ce qu’est l’eutrophisation?
Enrichissement des eaux provoquant une prolifération incontrôlée d’algues, de plantes et de cyanobactéries qui causent graves problèmes et modifie l’écosystème.
Processus naturellement lent, mais qui peut être accéléré par l’activité humaine
Quels sont les problèmes liés à l’eutrophisation des cours d’eau?
- Diminution de l’oxygène disponible sous la surface
- Perte de pénétrance des rayons UV
- Diminution de la biodiversité
- Augmentation de la sédimentation
