Fiche de révision : Pollutions biologiques et biofilms

📋 Plan du Cours

1. Modes de vie microbiens
2. Composition et structure du biofilm
3. Biofilms aquatiques et facteurs écologiques
4. Transformations de l’azote
5. Organisation spatiale du biofilm
6. Impacts humains des biofilms

📖 1. Modes de vie microbiens

🔑 Notions clés & Définitions

• Biofilm : Communauté complexe et structurée de microorganismes, fixée à une interface et enrobée dans une matrice polymérique protectrice.

📝 Points essentiels

📌 Le mode de vie planctonique correspond à des cellules isolées qui flottent ou nagent librement dans la phase liquide, tandis que le mode de vie sessile ou benthique correspond à des microorganismes fixés à un support.

• Le biofilm favorise la rétention des nutriments, la protection collective contre les stress physiques, chimiques et biologiques, ainsi que la communication chimique et les échanges de matériel génétique entre cellules.

💡 Astuce mémo

Planctonique = libre dans l’eau ; sessile = fixé dans une matrice.

📖 2. Composition et structure du biofilm

🔑 Notions clés & Définitions

• Matrice de SPE : Matrice sécrétée par les microorganismes et rassemblant des polysaccharides, des protéines et enzymes extracellulaires, des ions, de la matière organique et de l’ADN extracellulaire.

★ À maîtriser

• L’eau représente 80 % à 90 % de la masse totale du biofilm et assure son hydratation ainsi que le transport des solutés.

Compléments

• Les polysaccharides forment le gel protecteur de la matrice, tandis que l’ADN extracellulaire joue un rôle de ciment structural et constitue un réservoir de gènes.

• Les cellules microbiennes, notamment les bactéries, champignons et microalgues, représentent 10 % à 20 % du volume du biofilm.

💡 Astuce mémo

E-M-C : Eau, Matrice, Cellules.

📖 3. Biofilms aquatiques et facteurs écologiques

📝 Points essentiels

• Les biofilms aquatiques associent: des bactéries et cyanobactéries, des microalgues comme les diatomées, des champignons microscopiques, des protozoaires et de petits invertébrés brouteurs

• Le développement du biofilm dépend de:

  • la vitesse du courant
  • la rugosité et la nature chimique du substrat
  • la température
  • la lumière
  • la disponibilité en sels minéraux

📌 Avec de la lumière, les microalgues autotrophes se développent par photosynthèse à partir de CO₂ et de lumière, tandis que sans lumière les organismes hétérotrophes consomment la matière organique préexistante ou des cyanobactéries et bactéries chimioautotrophes utilisent les minéraux.

• Les bactéries et champignons du biofilm produisent des enzymes extracellulaires, notamment des cellulases et des protéases, qui dégradent les débris végétaux et animaux morts en molécules simples assimilables par l’écosystème.

💡 Astuce mémo

Lumière → autotrophes ; absence de lumière → hétérotrophes ou chimioautotrophes.

📖 4. Transformations de l’azote

📝 Points essentiels

📌 La nitrification est un processus aérobie qui nécessite de l’oxygène, tandis que la dénitrification est un processus anaérobie réalisé sans oxygène.

• La nitrification transforme l’ammonium NH₄⁺ en nitrite NO₂⁻ par des bactéries nitritantes comme Nitrosomonas, puis le nitrite NO₂⁻ en nitrate NO₃⁻ par des bactéries nitratantes comme Nitrobacter.

• La dénitrification réduit le nitrate NO₃⁻ en diazote gazeux N₂ dans un milieu sans oxygène, grâce à des bactéries dénitritantes qui utilisent le nitrate à la place de l’oxygène.

💡 Astuce mémo

NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ en présence d’O₂ ; NO₃⁻ → N₂ sans O₂.

📖 5. Organisation spatiale du biofilm

★ À maîtriser

• La zone superficielle du biofilm est directement en contact avec le fluide, bien éclairée et oxygénée, ce qui favorise les microalgues autotrophes et le détachement de bactéries mobiles.

• Le corps du biofilm constitue sa masse principale et contient des canaux d’eau qui apportent les nutriments aux zones profondes et évacuent les déchets.

• La couche basale est dense, collée au support et pauvre en oxygène, mais elle est riche en ADN extracellulaire et en plasmides.

Compléments

• La couche basale favorise le transfert horizontal de gènes par conjugaison, notamment la transmission de résistances.

💡 Astuce mémo

Surface éclairée → corps parcouru de canaux → base anoxique fixée au support.

📖 6. Impacts humains des biofilms

★ À maîtriser

• Le biofouling est l’accumulation de biofilms sur les coques de bateaux ou dans les canalisations, ce qui augmente le frottement et la consommation de carburant ou gêne l’écoulement.

• Dans la plaque dentaire, la fermentation des sucres par les bactéries produit des acides qui dissolvent l’émail et provoquent des caries.

• Les biofilms présents sur les cathéters, les prothèses médicales ou les stéthoscopes peuvent provoquer des infections nosocomiales et sont difficiles à éliminer car leur matrice protège les bactéries des antibiotiques et de la Javel.

• Dans les stations d’épuration, les lits bactériens et biofiltres font circuler les eaux usées sur des supports rocheux ou plastiques recouverts de biofilm afin de dégrader la pollution carbonée et de réaliser la nitrification et la dénitrification.

Compléments

• La biocorrosion est provoquée notamment par des bactéries sulfato-réductrices anaérobies qui produisent des acides ou des composés sulfurés attaquant les métaux et le béton.

• La bioremédiation utilise des biofilms spécialisés pour dégrader des hydrocarbures, des métaux lourds et des résidus médicamenteux dans les sols ou les eaux contaminées.

💡 Astuce mémo

Nuisance : encrassement, corrosion et infections ; application : épuration et bioremédiation.

📊 Tableaux de synthèse

Nitrification et dénitrification