Fiche de révision : Principes fondamentaux de la microbiologie bactérienne

📋 Plan du Cours

1. Nutrition bactérienne et diversité
2. Bactéries photosynthétiques sulfureuses
3. Bactéries photosynthétiques non sulfureuses
4. Sources d’azote et fixation
5. Bactéries chimioorganotrophes
6. Croissance bactérienne en discontinue
7. Croissance bactérienne en continu
8. Production industrielle en fermenteur
9. Mesure de la population bactérienne
10. Substrat limitant et diauxie
11. Température, pH et activité de l’eau

📖 1. Nutrition bactérienne et diversité

🔑 Notions clés & Définitions

• Autotrophie : Type de nutrition où la bactérie utilise le CO2 comme source de carbone pour construire sa matière organique.
• Hétérotrophie : Type de nutrition où la bactérie utilise une matière organique comme source de carbone pour construire sa matière organique.
• Prototrophie : Condition nutritionnelle où la bactérie possède les voies pour produire les composés dont elle a besoin.
• Auxotrophie : Condition nutritionnelle due à une mutation qui empêche la synthèse d’un composé essentiel, qui doit alors être fourni au milieu.
• Milieux de culture : Biotope artificiel contenant eau et composés dissous à des concentrations précises, ajusté pour satisfaire les besoins de la bactérie visée.

📝 Points essentiels

• Les besoins chimiques majeurs incluent C, O, N, H, P, S, avec environ 50% C, 20% O, 15% N, 10% H, 3% P et 1% S en poids sec.
• La teneur en H2O est d’environ 80% dans la cellule végétative mais seulement de 15 à 20% dans la spore, liée à l’état de résistance.
• Une auxotrophe ne survit que si on lui fournit le composé que sa mutation empêche de synthétiser (exemple Lysine pour Escherichia coli Lys-).
• Les facteurs de croissance sont des composés organiques indispensables que la bactérie ne sait pas fabriquer naturellement (ex. vitamines comme cofacteurs, acides aminés, bases puriques et pyrimidiques).
• Un milieu de culture est ajusté à un pH correspondant à l’optimum de croissance, et peut être stérilisé par chauffage (115°C, 2 atmosphères, 20 min) ou par filtration (0,2 μm).
• Le milieu minimum (autour de pH 7,5) fournit notamment carbone/énergie (souvent glucose), sels de K2HPO4, (NH4)2SO4, MgCl2, CaCl2, citrate de fer et oligo-éléments, ainsi que l’eau déminéralisée.

💡 Astuce mémo

Prototrophe = Produit, Auxotrophe = Achat (mutation → besoin ajouté au milieu).

📖 2. Bactéries photosynthétiques sulfureuses

🔑 Notions clés & Définitions

• Bactéries photosynthétiques sulfureuses : Bactéries phototrophes utilisant le sulfure d’hydrogène comme donneur d’électrons pour produire de l’énergie via la photosynthèse.
• Photo-lithotrophes : Bactéries dont la source d’énergie est la lumière et dont la source d’électrons provient de composés minéraux.
• Photosynthèse anoxygénogène : Photosynthèse réalisée sans libération d’oxygène, quand les réactions ne passent pas par la photolyse de l’eau.

📝 Points essentiels

• Le donneur d’électrons des photosynthétiques sulfureuses est H2S, transformé en soufre S° lors des réactions.
• La photosynthèse sulfureuse ne produit pas d’O2, contrairement aux photosynthèses oxygénogènes utilisant l’eau.
• La source de carbone des photosynthétiques sulfureuses est CO2, donc elles sont autotrophes pour C.

💡 Astuce mémo

H2S → S° et pas d’O2 : “sulfureux = sans oxygène”.

📖 3. Bactéries photosynthétiques non sulfureuses

🔑 Notions clés & Définitions

• Bactéries photosynthétiques non sulfureuses : Bactéries Gram négatives, pourpres ou vertes, capables de photosynthèse anoxygénogène, utilisant des donneurs d’électrons autres que le soufre.
• Donneur d’électrons H2 : Composé utilisé par ces bactéries comme source d’électrons pour alimenter leurs réactions de réduction pendant la photosynthèse.
• Métabolisme fermentatif : Mode d’obtention d’énergie où la dégradation de substrats organiques comme l’acétate sert à maintenir le fonctionnement cellulaire en dehors de la seule photosynthèse.

📝 Points essentiels

• Ces bactéries sont anoxygénogènes et ne produisent pas d’O2.
• Elles utilisent le CO2 comme source de carbone.
• Elles utilisent H2 comme donneur d’électrons pour la photosynthèse.
• Elles sont tuées par H2S.
• Elles sont Gram négatives et peuvent être pourpres ou vertes, avec un statut autotrophe/hétérotrophe facultatif.
• Le métabolisme fermentatif peut porter sur l’acétate, le pyruvate et le butyrate.

💡 Astuce mémo

H2S = stop : photosynthèse non sulfureuse OK avec H2, mort avec H2S.

📖 4. Sources d’azote et fixation

🔑 Notions clés & Définitions

• Nitrate NO3- : Le nitrate est une forme oxydée de l’azote que les bactéries peuvent réduire pour l’assimiler sous une forme plus réduite.
• Ammonium NH4+ : L’ammonium est une forme réduite de l’azote que les bactéries peuvent utiliser directement après réduction du nitrate.
• Nitrogénase : La nitrogénase est l’enzyme permettant aux cyanobactéries filamenteuses de fixer le N2 atmosphérique en source d’azote utilisable.
• Hétérocystes : Les hétérocystes sont des cellules spécialisées des cyanobactéries qui permettent de séparer la fixation du N2 de la production d’O2.
• Nitrosomonas : Nitrosomonas est un genre impliqué dans la première étape de la nitrification, l’oxydation de NH4+ vers NO2-.

📝 Points essentiels

• Les cyanobactéries utilisent des sources d’azote comme NO3- et NH4+ via la nitrate réductase, et certaines peuvent réaliser photosynthèse et utilisation de NO3- dans la même cellule.
• Quand NO3- et NH4+ deviennent absents, certaines cyanobactéries filamenteuses peuvent fixer le N2 grâce à la nitrogénase.
• La nitrogénase est inhibée irréversiblement par l’O2, donc il ne peut pas y avoir simultanément photosynthèse générant de l’O2 et fixation du N2 dans la cellule.
• Les hétérocystes séparent fonctionnellement fixation du N2 et production d’O2 chez les cyanobactéries filamenteuses.
• La nitrification oxyde NH4+ en deux étapes via NH4+ → NO2- puis NO2- → NO3-, fournissant le nitrate comme source d’azote pour les plantes.

💡 Astuce mémo

Fixation du N2 = équipe “Nitrogénase” protégée : O2 bloque la nitrogénase, donc hétérocystes.

📖 5. Bactéries chimioorganotrophes

🔑 Notions clés & Définitions

• Chimioorganotrophes : Bactéries qui tirent l’énergie et les électrons de molécules organiques, tout en utilisant le carbone aussi sous forme organique.
• Spécialisation nutritionnelle : Capacité d’une bactérie à utiliser et dégrader une classe de substrats, ou un petit nombre de composés.
• Diversité nutritionnelle : Capacité d’une bactérie à utiliser et dégrader de nombreux substrats différents.
• Bactéries éboueuses de matière organique : Bactéries hétérotrophes pour le carbone, à grande diversité nutritionnelle et non pathogènes, capables de dégrader une large gamme de matières organiques.

📝 Points essentiels

• Chez les chimioorganotrophes, les sources d’énergie, de carbone et d’électrons sont toutes organiques.
• Très souvent, un seul composé organique peut fournir à la fois énergie, carbone et électrons à ces bactéries.
• Des exemples de substrats utilisés : sucres, acides aminés, acides gras, acides organiques, alcools et acides nucléiques.
• Dans Pseudomonas putida, les hydrocarbures aromatiques sont consommés, même si le cours ne précise pas les autres espèces de ce genre.
• Les bactéries éboueuses de matière organique dégradent des matières comme déjections animales, organismes morts, bactéries mortes et produits organiques d’industries.

📖 6. Croissance bactérienne en discontinue

🔑 Notions clés & Définitions

• Photosynthèse diurne : Processus où les bactéries photosynthétiques réalisent la photosynthèse et utilisent le CO2 comme source de carbone.
• Métabolisme fermentatif nocturne : Mode métabolique activé la nuit quand la photosynthèse s’arrête, avec recours à des réactions de type fermentatif.
• Rythme diurne : Organisation du fonctionnement biologique calée sur le jour et la nuit, avec alternance entre photosynthèse et métabolisme.

📝 Points essentiels

• Pendant la nuit, les bactéries photosynthétiques arrêtent la photosynthèse et passent à un métabolisme fermentatif.
• La photosynthèse sert à fixer le CO2 comme source de carbone.
• Certaines bactéries photosynthétiques ne suivent pas l’alternance jour/nuit et peuvent fonctionner 24 h/24.

💡 Astuce mémo

Jour → photosynthèse (CO2) ; Nuit → stop photosynthèse → fermentation (switch).

📖 7. Croissance bactérienne en continu

📖 8. Production industrielle en fermenteur

🔑 Notions clés & Définitions

• Fermenteur industriel : Un fermenteur industriel est un grand bioréacteur où l’on cultive des bactéries avec un contrôle fin des conditions pour produire des cellules ou des produits.
• Fermentation en continu : La fermentation en continu maintient un apport constant de milieu neuf et une sortie continue de milieu contenant les cellules et les déchets.
• Taux de dilution : Le taux de dilution $D=d/V$ exprime la vitesse de renouvellement du milieu par unité de volume utile du fermenteur.
• Volume utile : Le volume utile correspond au volume réellement disponible pour la culture dans le fermenteur industriel, inférieur au volume total.
• Régulation par sondes : La régulation par sondes ajuste automatiquement des paramètres comme le pH, la température et l’oxygène dissous pour stabiliser la culture.

📝 Points essentiels

• En fermentation en continu, le taux de dilution $D=d/V$ se relie à la croissance via le lien $(N_t-N_0)/t=(k-D)$ où $k$ est le taux de croissance au plateau.
• Le fermenteur ne déborde ni ne se vide si le débit d’entrée est égal au débit de sortie, car alors $d_{entrée}=d_{sortie}$.
• Dans la production industrielle de cellules ou de produits fragiles/inhibiteurs, le milieu est renouvelé en permanence et les produits sont récoltés en continu.
• Le fermenteur de laboratoire indiqué a un volume utile de $2{,}5\,\text{L}$ pour un volume total de $5\,\text{L}$, et sert de base de comparaison avec l’échelle industrielle.
• Pour un fermenteur industriel de $300\,\text{m}^3$ utiles, le volume total mentionné est $750\,\text{m}^3$ (rayon $3{,}75\,\text{m}$, hauteur $8\,\text{m}$) ; des sondes (pH, oxygène, température) et la régulation de pH…

💡 Astuce mémo

Continu = Entrée = Sortie, donc volume stable (d’entrée = d-sortie) ; $D=d/V$ gouverne la dynamique.

📖 9. Mesure de la population bactérienne

🔑 Notions clés & Définitions

• Mesure de la biomasse : La mesure de la biomasse estime la quantité globale de matière bactérienne présente dans un échantillon après séparation et séchage.
• Numération sur milieu gélosé : La numération sur milieu gélosé estime le nombre de bactéries viables en comptant les colonies obtenues après étalement et incubation.
• Méthode du nombre le plus probable : La méthode du nombre le plus probable est une technique de quantification basée sur les résultats de croissance observés après dilution.
• Densité optique : La densité optique correspond à l’absorption de lumière par une suspension cellulaire, liée à sa concentration bactérienne.
• Cellule de Thoma : La cellule de comptage sert à observer et dénombrer des cellules sous microscope en limitant le matériel nécessaire.

📝 Points essentiels

• La biomasse est obtenue après prélèvement, centrifugation ou filtration (0,2 μm), lavage au NaCl stérile (7 g/L), séchage à 100 °C jusqu’à masse constante puis pesée, avec MS par ml via (poids après séchage − tare)…
• En numération sur milieu gélosé, on réalise des dilutions décimales en tubes avec 9 ml, puis on étale 0,1 ml (ou 0,2 ml) de dilution sur boîtes de Pétri et on compte uniquement les boîtes avec 30 à 300 colonies.
• En numération sur milieu gélosé, le comptage se fait après incubation (24 h, 48 h ou plus selon la bactérie) et la population est exprimée en cellules vivantes par ml à partir des colonies comptées et du facteur de…
• La densité optique est calculée à partir de la transmittance : $\mathrm{D.O.}=\log(1/T)=\log(I_0/It)$ et suit $\mathrm{D.O.}=kLC$ (trajet optique $L=1$ cm), avec des longueurs d’onde 450 nm ou 650 nm.
• La densité optique ne distingue pas bactéries vivantes et mortes et nécessite une courbe étalon reliant $\log N$ à la D.O. pour déterminer le coefficient $k$ spécifique de la bactérie.

📖 10. Substrat limitant et diauxie

🔑 Notions clés & Définitions

• Substrat limitant : Ressource carbonée disponible en quantité trop faible, qui freine la vitesse de croissance et limite la biomasse finale.
• Diauxie : Croissance en deux temps quand une cellule passe d’un premier substrat carboné à un second, au lieu de les utiliser simultanément.
• Enzyme constitutive : Enzyme fabriquée en continu, donc fonctionnelle dès le début en présence de son substrat.
• Enzyme inductible : Enzyme produite seulement quand le substrat correspondant est présent, ce qui impose une phase d’adaptation métabolique.
• Constante de saturation : Paramètre noté $K_s$ décrivant l’affinité d’une bactérie pour un substrat carboné, relié à la concentration nécessaire pour atteindre la croissance maximale.

📝 Points essentiels

• Quand un substrat carboné devient limitant, la vitesse de croissance $k_{max}$ augmente avec la concentration puis atteint un plateau : ajouter plus de substrat n’augmente plus la croissance.
• Le plateau correspond à un taux de croissance maximal noté $(k_{max})_{max}$, et la courbe $k_{max}$ vs concentration de substrat se stabilise à partir de la zone “subtrat non limitant”.
• Si deux substrats limitants A et B sont fournis, la diauxie correspond à une utilisation successive : croissance d’abord sur A, puis adaptation métabolique avant croissance sur B.
• L’adaptation en diauxie est associée au fait que l’enzyme du second substrat peut être inductible (pas toujours présente au départ), contrairement aux enzymes constitutives du premier substrat.
• Pour $E.coli$, les enzymes constitutives concernent glucose, fructose et saccharose, tandis que les enzymes inductibles concernent lactose, maltose, arabinose et sorbitol.

💡 Astuce mémo

Diauxie : A d’abord (enzyme constitutive) ; B ensuite (enzyme inductible) → adaptation métabolique.

📖 11. Température, pH et activité de l’eau

🔑 Notions clés & Définitions

• Température optimale de croissance : La température optimale est la valeur pour laquelle le taux de croissance $k_{max}$ atteint son maximum pour une bactérie donnée.
• pH optimal de croissance : Le pH optimal est la valeur de pH qui donne au $k_{max}$ la plus grande valeur, pour une bactérie donnée.
• Activité de l’eau : L’activité de l’eau ($a_w$) mesure la disponibilité de l’eau utilisable par la bactérie, définie à partir des quantités d’eau et de solutés ou des pressions de vapeur.
• Bactéries acidophiles : Les bactéries acidophiles ont une croissance favorisée à pH acide, avec un pH optimal situé dans la zone acide.

📝 Points essentiels

• La croissance varie avec la température : $k_{max}$ atteint un maximum à la température optimale et diminue en dessous et au-delà, jusqu’à la température minimale et maximale de croissance.
• Les effets au-dessus de l’optimum incluent la déstabilisation des membranes et la dénaturation de protéines, ce qui réduit les activités enzymatiques et la fluidité membranaire.
• En fonction du pH, les bactéries se classent par leur pH optimal : acidophiles à pH acide, basophiles à pH basique et neutrophiles autour de pH neutre.
• L’activité de l’eau est donnée par $a_w = n_1/(n_1+n_2)$ ou $a_w=P/P_0$, et $a_w$ varie de 0 à 1 (eau pure).
• Quand $a_w < 0{,}5$, tous les microorganismes sont inhibés.
• La prévention par l’environnement passe notamment par froid ($\le 4\,^\circ$C), maintien au chaud ($>65\,^\circ$C), acidification ($pH<4{,}5$) et baisse de $a_w$ (séchage, salage/saumure, fumage, confitures, pâtes de…

💡 Astuce mémo

Température & pH : au centre ça pousse (optimum), aux extrêmes ça casse (membranes/protéines) ; eau : plus $a_w$ est bas, plus l’inhibition augmente (et tout stop si $a_w<0{,}5$).

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Quatre types trophiques (sources carbone/énergie/électrons)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre prototrophie (capacité de synthèse) et auxotrophie (mutation → composé indispensable à fournir au milieu).
2. Croire que la densité optique (D.O.) distingue vivants et morts : elle ne fait pas cette distinction et nécessite une courbe étalon.
3. Inverser les effets de H2S sur les photosynthétiques non sulfureuses : elles sont tuées par H2S, alors qu’elles tolèrent H2 (donneur d’e−).
4. Penser que toutes les photosynthèses produisent O2 : les photosynthèses anoxygénogènes (sulfureuses et non sulfureuses) n’en libèrent pas.
5. Retenir que nitrogénase et photosynthèse peuvent coexister dans la même cellule : la nitrogénase est inhibée irréversiblement par O2.
6. Se tromper entre milieux : un milieu minimum (glucose + sels) n’est pas équivalent à un milieu classique (peptone/extrait de levure) ou à un milieu sélectif/enrichi.
7. Mélanger les phases de croissance en batch : phase stationnaire = arrêt de la division (nutriments/acceptuer terminal épuisés), puis déclin (décroissance exponentielle).

✅ Checklist Examen

1. Savoir distinguer autotrophe vs hétérotrophe (source de carbone) et relier au CO2 ou à la matière organique.
2. Savoir définir prototrophe vs auxotrophe et expliquer le cas Lys- d’Escherichia coli (besoin à fournir).
3. Lister ce qu’apporte un milieu de culture (eau, composés dissous, pH optimum) et reconnaître la stérilisation (115°C, 2 atmosphères, 20 min) vs filtration (0,2 μm).
4. Identifier les besoins majeurs en éléments (C, O, N, H, P, S) et comprendre le lien avec le poids sec (et la différence cellule végétative vs spore).
5. Différencier photosynthèse sulfureuse anoxygénogène vs non sulfureuse anoxygénogène (donneur d’e− H2S vs H2, bilan sur O2).
6. Expliquer la contrainte O2 pour la fixation du N2 : nitrogénase inhibée irréversiblement par O2 et rôle des hétérocystes chez les cyanobactéries filamenteuses.
7. Savoir schématiser les types de croissance selon l’environnement : discontinue (phases latence/exponentielle/ralentissement/stationnaire/déclin) et en continu (entrée = sortie, taux de dilution D).
8. Maîtriser l’expression de la croissance en batch en phase exponentielle (Nt = N0 e^{μt}, relation avec générations et k ou μ).
9. Savoir déterminer/relier les mesures de population : biomasse par séchage (≈ MS/ml), numération sur milieu gélosé (30–300 colonies), D.O. (log(1/T) et courbe étalon), et cellule de comptage.
10. Expliquer substrat limitant et Ks (plateau de kmax), puis décrire la diauxie (A d’abord, adaptation, B ensuite avec enzymes constitutives vs inductibles).
11. Savoir décrire l’influence de température, pH et activité de l’eau (aw) sur la croissance et les seuils d’inhibition (aw < 0,5).