Chapitre III Physiologie Bactérienne [PDF]

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Chapitre III : physiologie bactérienne I. les besoins nutritifs bactériens. Relation avec le type trophique...................................... 3 1. les besoins élémentaires ..................................................................................................... 3 2. les facteurs de croissance ................................................................................................... 4 3. les besoins énergétiques ..................................................................................................... 4 4. la source d’électrons........................................................................................................... 4 5. la classification des bactéries ............................................................................................. 4 II. les milieux de culture .......................................................................................................... 4 1. les constituants fondamentaux des milieux de culture ....................................................... 5 2. la classification des milieux de culture .............................................................................. 5 3. le développement bactérien ................................................................................................ 9

III. les facteurs physiques influençant la croissance bactérienne ...................................... 10 1. la température ................................................................................................................... 10 2. le pH ................................................................................................................................. 11 3. l’oxygène .......................................................................................................................... 13 4. la pression osmotique ....................................................................................................... 14 5. la pression mécanique ...................................................................................................... 15 6. l’humidité ......................................................................................................................... 15 IV. les techniques d’études de la croissance bactérienne.................................................... 16 1. la multiplication bactérienne ............................................................................................ 16 2. la mesure du nombre de cellules ...................................................................................... 16 3. la mesure de la biomasse .................................................................................................. 17 V. la croissance en milieu non renouvelé.............................................................................. 17 1. la courbe de croissance..................................................................................................... 17 2. les paramètres d’états de la croissance ............................................................................. 18

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3. physiologie des phases de la croissance ........................................................................... 18 4. modélisation mathématique.............................................................................................. 18 VI. mode de vie des bactéries ................................................................................................ 18 1. recherche de nourriture par chimiotactisme ..................................................................... 19 2. les biofilms ....................................................................................................................... 19

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Chapitre III : physiologie bactérienne

I. les besoins nutritifs bactériens. Relation avec le type trophique Pour se développer, les microorganismes ont besoins de 3choses. • • •

source d’énergie source de carbone source d’hydrogène et d’électrons 1. les besoins élémentaires

les éléments majeurs Représente 95% du poids sec de la bactérie. Carbone, azote, hydrogène, oxygène, soufre, phosphore Ces éléments majeurs sont de concentrations proches du g.L Carbone, oxygène, hydrogène : besoin qui est satisfait à partir d’une même molécule. Un microorganisme autotrophe est capable de synthétiser es métabolites à partir d’éléments minéraux. Il n’a pas besoin de substances organiques. La source de carbone sera le dioxyde de carbone. Un microorganisme hétérotrophe exige une source de carbone plus complexe afin de synthétiser tous ces métabolites. Il est incapable de synthétiser tous ces métabolites à partir d’éléments minéraux. Azote : synthèse acides aminés et des bases azotées et certains glucides. Soit elle est commune à la source de carbone soit une molécule spécifique. Certaines bactéries sont capables de fixer l’azote atmosphérique. Soufre et phosphore : le soufre sert à la synthèse des acides aminés et vitamine. Le phosphore sert à la synthèse des phospholipides. La source principale est le phosphate inorganique. Les éléments mineurs Fer, calcium, sodium, potassium Rentre dans la synthèse de cofacteurs et rentre dans la composition de la chaîne respiratoire. Les microéléments Célénium, cuivre, nickel Eléments indispensables pour la synthèse de ces cofacteurs et coenzymes.

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2. les facteurs de croissance Définition Molécules indispensables au développement des microorganismes mais il n’arrive pas à les synthétiser. Il va falloir amener ce facteur de croissance dans le milieu. Acides aminés ou vitamines Relation avec les types trophiques Microorganismes prototrophe capable de produire tous ses constituants carbonés à partir d’une seule source de carbone. Une souche prototrophe est capable de synthétiser tous ces constituants cellulaires sur un milieu minimum. Microorganisme auxotrophe : bactérie incapable de synthétiser une ou plusieurs molécules. En général, on précise l’auxotrophie. 3. les besoins énergétiques Microorganisme phototrophe : microorganisme photosynthétique utilisant l’énergie du rayonnement lumineux. Microorganisme chimiotrophe : utilisent l’énergie de l’oxydation de produits chimiques, organiques ou minéraux. 4. la source d’électrons Litotrophe : utilisent des substances minérales comme source d’électrons. Organotrophe : extraient les électrons de composants organiques. 5. la classification des bactéries • • • •

Photolitotrophes : se développent sur un milieu minéral Photoorganotrophes : nécessite la présence de matières organiques Chimiolitotrophe : bactéries intervenant dans les cycles de matières Chimioorganotrophes : grosse catégorie de bactéries

II. les milieux de culture Ce sont des préparations qui vont permettre le développement de la bactérie. Le milieu doit apporter : •

Tous les éléments dont la bactérie a besoin 4

• • •

Une source d’énergie et des facteurs de croissance Un pH correct Une force ionique optimale

Les milieux de culture doivent permettre d’isoler les bactéries, les identifier, les compter et les conserver. Un milieu qui ne contient que ce qui est absolument nécessaire au développement de la bactérie se nomme un milieu minimum. 1. les constituants fondamentaux des milieux de culture Les extraits de viande : viande finement hachée mis dans de l’eau et porter à ébullition. Après filtration, on garde le liquide. Bonne source d’acides aminés, de vitamines, et minéraux. Les extraits de levures : levures de boulangerie hydrolysées. Bonne source d’acides aminés et de vitamines. Peptones et hydrolysats : matières protéiques hydrolysées par des enzymes. Bonne source de carbone, hydrogène, oxygène, acides aminés Les produits biologiques : ne doivent pas contenir des antibiotiques ; ils ne sont pas toujours autoclaves. Les indicateurs colorés : ils changent de couleur en fonction du pH. Au départ la couleur de la gélose dépend du type d’indicateurs et dépend du pH de la gélose. Lors du développement du microorganisme, le pH du milieu peut : • • •

Rester stable Descendre : cas des bactéries qui utilisent des sucres et rejettent des acides Monter : la bactérie ne peut pas utiliser le sucre mais métabolise des acides aminés

L’agar : extrait d’algues rouge ayant des propriétés gélifiantes. Elle possède 3 propriétés : • • •

Gélifie les milieux dans lequel elle a été incorporée. Jamais dégradé par les bactéries Se dissout dans l’eau à 90°C reste e surfusion jusqu’à 45°C. A température basse, il y a gélification. 2. la classification des milieux de culture

Classification selon la consistance

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Milieux solides

Classification selon la consistance

Milieux semi solides

Milieux liquides

Classification selon leur composition

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Milieux semi synthétique (fraction connue et fraction inconnue)

Classification selon la composition

Milieux synthétiques (connait exactement la composition)

Milieux naturels (connait à peu près la composition)

Classification selon la complexité

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Milieux enrichis (composition et préparation complexe)

Classification selon la complexité

Milieux usuels (préparation et composition simple)

Classification selon leur utilisation

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Milieux sélectifs

Milieux non sélectifs

Milieux de conservations Classification selon leur utilisation

Milieux d’orientations et d’identificatio ns

Milieux d’enrichissem ents

3. le développement bactérien En milieux liquides : apparition d’un trouble. Le développement peut apparaître sous différentes formes : • • • •

Trouble homogène Sédiment au fond du tube Voile en surface Limpide

En milieux solide : formation de colonies. Observation macroscopique. Plusieurs critères : • • • • •

Taille Couleur Relief Contour Consistance

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• Transparence Quand on mixe ces critères on obtient 3 types de colonies : • • •

R S N

III. les facteurs physiques influençant la croissance bactérienne La plupart des cellules animales sont organisées en structure multicellulaire immergées dans un liquide isotonique qui les maintient à un pH optimal. Les cellules végétales sont souvent soumises à des agressions mais ont une organisation multicellulaires et se spécialisent. Les bactéries sont des organismes unicellulaires qui vivent dans des environnements qui changent brutalement. Ces modifications vont avoir un impact direct sur la physiologie bactérienne. Les bactéries vont devoir s’adapter très rapidement à des changements d’environnements. Certaines bactéries sont devenues totalement indépendantes de leur environnement. 1. la température Impact de la température : la température va avoir un effet direct sur la vitesse des réactions métaboliques. Chaque augmentation de 10°C augmente par 2 la vitesse de réaction enzymatique. Au-delà d’une certaine température, il y a dénaturation des protéines, destruction des membranes cellulaires et mort de la bactérie. Les températures cordinales • • •

Minimale : pas de développement Optimale Maximale

Ces températures changent selon le type de bactéries. La température optimale est très proche de la température maximale. Les catégories • • • • • •

Mésophiles : température optimale entre 30 et 37°C température moyenne de croissance 20 et 40°C Psychrophiles : température optimale : 10°C Psychrotrophes : température optimale : 25°C mais peuvent se développer à 0°C Thermophiles : température optimale : 45 à 55°C Thermophile extrêmes : températures optimales : 70°C Thermotrophes : température optimale : 30°C mais peuvent se développer à 50°C

Les mécanismes moléculaires de l’adaptation à la température

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S’il y a baisse importante de température il y a risque de gélification de membrane. Les bactéries vont synthétiser de nouveaux acides gras au niveau des phospholipides, ces acides gras sont insaturés et vont permettre de maintenir la fluidité. Si la température augmente, il y a risque e dénaturation des enzymes. Les bactéries vont synthétiser de nouvelles protéines qui vont résister à la chaleur. Les techniques de laboratoire Pour cultiver une bactérie, on va se placer à température optimale et constante. On peut utiliser le bain marie et des étuves, des frigos, boucles de régulation (fermenteur). 2. le pH Impact du pH • • •

influence sur l’activité métabolique. La synthèse de l’ATP dépend du fonctionnement de certaines pompes anioniques. Une modification de pH altère le fonctionnement de ces pompes. Perméabilité de la membrane : modification de l’équilibre ionique de part et d’autre de la membrane. Le milieu de culture contient des molécules intéressantes pour le microorganisme. La modification du pH peut changer la charge de ces molécules. Si la charge des molécules change, il peut y avoir des problèmes de transport.

Les catégories Le pH intracellulaire des microorganismes est d’environ 7.

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Alcalophile (8.5 et11.5)

Classification des bactéries

Acidophile (1et 5.5)

Neutrophile (5.5 et8)

Techniques de laboratoire On ajuste le pH du milieu de culture au pH de la bactérie que l’on veut faire pousser. Lors de la croissance, le microorganisme : • •

Métaboliser un sucre et relarger des déchets acides donc le pH va baisser Métaboliser les acides aminés et relarger des déchets basiques donc le pH monte

Plus le microorganisme, plus le milieu devient toxique. On ajoute lors de la fabrication du milieu un tampon qui va minimiser les variations de pH. 3 cas : • • •

Culture non renouvelée : culture en tube ou en erlenmeyer. Le pH va évoluer au bout de quelques heures de culture et au bout de 24h le milieu devient toxique. Culture non renouvelée en fermenteur : capteur de pH qui va mesurer le pH en continu. On a des pompes qui permettent d’injecter soit des produits alcalins soit acides. Le pH va rester constant. Culture renouvelée : ajout sans arrêt du milieu de culture. Le pH varie très peu.

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3. l’oxygène Les catégories

Aéro anaérobies facultative

Anaérobie aérotolérante

Micro aérophile Classification des bactéries

Aérobies strictes

Anaérobies strictes

Détermination du type respiratoire Gélose solide présentée en tube crayon • • • •

Chauffer le tube à 100 °C Laisser refroidir le tube à 50 °C Ensemencer le tube avec la bactérie sur toute la gélose Incuber

Les effets de l‘oxygène

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Aérobies strictes : l’oxygène est l’accepteur final d’électrons. Chez les bactéries, il existe de la respiration anaérobie, l’accepteur final d’électrons est autre chose que l’oxygène. Pour les autres, l’oxygène est plus ou moins toxique. Les techniques au laboratoire Pour les bactéries aérobies strictes et les anaérobies facultatives, on injecte de l’oxygène en fermenteur. Pour les anaérobies strictes, on va les cultiver en absence d’oxygène en ajoutant un réducteur. On cultive ces bactéries dans un sac hermétique, en jarre anaérobie. 4. la pression osmotique Les effets de la pression osmotique. Les bactéries sont très résistantes aux variations de pression osmotique. Si on met la bactérie dans un milieu hypotonique, l’eau va rentrer mais la bactérie va être protégée grâce à sa paroi. Si on met la bactérie dans un milieu hypertonique, la bactérie va synthétiser des solutés à très forte concentration et donc l’eau arrête de sortir. Les catégories

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Les halotolérantes

Classification des bactéries

Les non halophile [NaCl]