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ÉCOLOGIE MICROBIENNE MICRO-ORGANISMES ET ACTIVITÉS HUMAINES 1ère année – 2014/2

ÉCOLOGIE MICROBIENNE MICRO-ORGANISMES ET ACTIVITÉS HUMAINES 1ère année – 2014/2015 AM Davila , M Naïtali et C Tinsley Présentation Ecologie : essai de définition Du grec oïkos (demeure) et logos (discours, science) Peut être définie comme l’étude des écosystèmes par l’étude des rapports entre les organismes et le milieu où ils vivent. Représentation schématique d’un écosystème ECOSYSTEME ENVIRONNEMENT ABIOTIQUE COMMUNAUTE ENVIRONNEMENT ABIOTIQUE COMMUNAUTE Population A Population B Population C Individus INTERACTIONS ENTRE TOUS LES COMPARTIMENTS Ecosphère Biosphère Biome Ecosystème Interactions et complexité croissantes Environnement Biotique Abiotique Biocénose (communauté) Population Individu (ou cellule) Interactions et complexité croissantes Etude des niveaux d’organisation supérieurs à l ’individu Sommaire Effets des paramètres abiotiques sur les populations microbiennes Interactions entre populations microbiennes Développement et évolution des populations et Développement et évolution des populations et des communautés Les écosystèmes microbiens et les hommes Effets des paramètres abiotiques sur les populations microbiennes Influence sur les capacités de survie et de multiplication Croissance en culture discontinue et isolée Chez les procaryotes La cinétique de croissance se traduit par une « courbe de croissance « caractérisée par la succession de différentes phases : 1 - Phase de latence : µ = 0 Phase de démarrage : µ augmente 2 - Phase exponentielle : dX = µ.X.dt, µ = constante = µmax 3 -Phase de ralentissement : µ diminue 4 - Phase stationnaire : µ = 0 5 - Phase de lyse Effets des facteurs abiotiques Taux de croissance d ’un micro-organisme Valeur optimale Valeur minimale Valeur maximale Valeur d ’un paramètre environnemental donné • Un domaine est défini par les valeurs cardinales, spécifiques d’une population clonale • Les paramètres ne sont pas indépendants entre eux Principaux facteurs abiotiques Température pH Activité de l’eau ou potentiel hydrique Potentiel rédox Présence de substances toxiques Les plus importants vs activités humaines Présence de substances toxiques Facteurs énergétiques Radiations Composés organiques Composés minéraux (lithotrophes ) Disponibilité des nutriments minéraux Température Température °C Microorganisme Min. Max. Psychrophile - 10 < + 20 Mésophile + 20 < + 45 Psychrotrophe 0 < + 45 Thermophile + 45 < + 90 Thermophile extrême > + 100 Generations/hr Interactions entre populations microbiennes Une vision simplifiée Interactions entre populations Population A Population B Neutralisme 0 0 Commensalisme 0 + Synergisme (coopération) + + Mutualisme (symbiose) + + Mutualisme (symbiose) + + Compétition - - Amensalisme (antagonisme) 0/+ - Prédation + - Parasitisme + - 0 pas d'effet + effet positif - effet négatif Neutralisme Pas d’interactions Populations ayant des fonctions et des capacités métaboliques très différentes 0 0 Favorisé par les faibles densités de population : éloignement spatial, les 2 populations ne se « sentent pas » Favorisé lorsque les populations sont sorties de leur habitat naturel Commensalisme Les commensaux mangent à la même table Association fréquente mais non obligatoire La population non affectée modifie son environnement Consommation d’oxygène, détoxification Excrétion de facteurs de croissance Gélose profonde - 0 Excrétion de facteurs de croissance Modification d’état des nutriments (insolubles vers solubles vers gazeux) Libération de composés à partir des matrices (ex : environnement acide) Conversion d’une molécule organique par une population en un substrat pour une autre population Cométabolisme Gélose profonde - satellitisme Synergisme Association non obligatoire basée sur la complémentarité des métabolismes Un exemple Syntrophisme : cas particulier connu essentiellement pour le transfert inter-espèce d’hydrogène (thermodynamique) Un exemple Mutualisme Synergisme ou syntrophisme étendu Caractère obligatoire, du moins pour la réalisation d’une fonction la réalisation d’une fonction particulière Relation relativement spécifique Demande une proximité physique Ex : Lichens (algues ou cyanobactéries/champignon), endosymbiontes de protozoaires (Chlorella/Protozoaire) Compétition Deux populations utilisent la même source de nutriments, limitante, dans un espace restreint Populations occupent la même niche écologique Tend à l’élimination d’une des populations Amensalisme Une population produit une substance toxique pour une autre population Acides organiques ou minéraux Ethanol Antibiotiques ? Parasitisme Relation obligatoire (pour le parasite) souvent basée sur un besoin nutritionnel Suppose un temps de contact, physique ou métabolique, long Le parasite est souvent plus petit que l’hôte Exemples Bactériophages/bactéries Bdellovibrio (ectoparasite)/E.coli Myxobactéries (parasitisme à distance) Myxobactéries (parasitisme à distance) Prédation Suppose l’ingestion d’une proie par le prédateur Protozoaires/bactéries Différents types d’équilibres peuvent s’établir entre les populations Développement et évolution des populations et communautés Evolution des communautés microbiennes La mise en place d’une communauté implique des phases de Colonisation Succession Les communautés évoluent vers des situations d ’équilibres (climax) par le jeu de l’adaptation et des sélections à l ’intérieur de chaque populations et des interactions entre populations chaque populations et des interactions entre populations En microbiologie, les situations de climax ne sont pas toujours possibles mais les successions tendent généralement vers une homéostase maximum (homéostase = capacité à assurer un retour à l ’état antérieur à la suite d ’une pertubation) 70 60 50 40 30 % Homéostase Etablissement des écosystèmes par vagues 30 20 10 Espèce 1 Espèce 2 Quelques lois Loi de Shelford : loi de la tolérance • La croissance et la survie d’un micro-organisme requièrent un ensemble complexe de conditions physico-chimiques. Pour chacune de ces conditions et pour chaque organisme, il est défini un domaine de tolérance au delà des limites duquel l’organisme ne peut plus se développer. Loi de Liebig : loi du minimum Loi de Liebig : loi du minimum • La production totale de biomasse d’une population est déterminée par le nutriment présent à la concentration la plus basse (par rapport aux besoins de l’espèce constituant la population). • Les besoins variant avec chaque espèce, une population pourra se développer là où une autre ne pourra pas. • Cette loi implique que dans tout écosystème, il existe, pour une espèce donnée, un facteur nutritionnel limitant. Favorisés quand la source trophique est Taux de croissance min max opt Valeur d ’un paramètre environnemental donné Effet de sélection (D’après Edeline) trophique est importante Favorisés quand la source trophique est limitante Valeur d ’un paramètre environnemental donné Mécanismes d’adaptation Les microorganismes ont une forte plasticité génétique Mutations Echanges génétiques Les microorganismes ont une forte adaptabilité physiologique Activation, inhibition de l’activité des enzymes Répression, induction au niveau de l’expression des gènes Au niveau des individus ou niveau des populations Adaptation Protection Biofilm Communautés de microorganismes, d’une structure définie tri-dimensionnelle, englobées d'une matrice extracellulaire (polysaccharide, ADN, protéines . . . ) constituées d'une ou, le plus souvent, de plusieurs espèces augmentation d’adhésion aux surfaces augmentation de la résistance aux attaques chimiques ou physiques développement coordonné des organismes constituants différenciation des cellules, nécessitant un système de communication Branda (2001). PNAS, 98:11621 Greenberg (2003). Nature 424:134 JM Ghigo, Institut Pasteur, Paris Center for biofilm engineering, MSU, Bozeman, Mo. USA Pseudomonas aeruginosa, microscopie confocale Bacillus subtilis, structures de sporulation Communication intercellulaire et Quorum Sensing Dans la communauté multicellulaire complexe, le Quorum sensing est un moyen important de communication la communication inter-cellulaire est nécessaire pour l’organisation de la structure de la communauté des auto-inducteurs sont des petites molécules (peptides ou autres composés chimiques) leurs concentrations indiquent la densité de la population interprétées par les bactéries du biofilm, elles permettent la mise en place des réponses adaptées et concertées de la communauté (coopération) Faible densité bactérienne faible concentration d’auto-inducteur Forte densité bactérienne haute concentration d’auto-inducteur reconnaissance par le récepteur, transduction du signal Les écosystèmes microbiens et les hommes Les écosystèmes microbiens et les Hommes Microorganismes Mers - Océans Sol Fermentations Affinage des fromages Animaux Plantes Tube digestif Aliments Stations d ’épuration Intervention Traitement des boues Création Environnement Microorganismes et production agricole Interactions avec les plantes cordes produites par Microcoleus spp. Microorganismes et sols genèse et dégradation de la structure modification de la composition chimique Composant du rhizosphère http://www.nysaes.c ornell.edu/pp/extensi on/tfabp/firepm.shtml http://www.cnr.berkeley.edu/xyl ella/pictures/pd-tem1.jpg symbiose commensalisme amensalisme parasitisme Noridge (1986). J. Bacteriol. 166:301 Fixation de N2, dans des nodules des plantes et libre (sur agar sans source d’azote). Rhizobium sp. Dreyfus (1983). Appl. Environ. Microbiol. 45:711 Vesicules de Frankia sp., sites de fixation de N2 Xylalla fastidiosa pathogène de la vigne Erwinia amylovora sur le pommier production de leghémoglobine par Pisum sativum hétérocyste http://www.flickr.com/pho tos/52345239%2540N05/s ets/72157625390470207/d etail/&docid=w1LVqosVa e_1AM&w=360&h=288& ei=qKg7TtX- JcjusgbZh4HwDw&zoom =1&biw=1173&bih=766 Exemple du genre Nostoc Cyanobacterium photosynthèse fixation d'azote http://upload.wikimedia.org/wikip edia/commons/thumb/d/d3/Cyano bacteriaColl1.jpg/800px- CyanobacteriaColl1.jpg Nostoc commune Nostoc pruniforme Nostoc forme des symbioses avec plusieurs espèces de champignons, plantes Cycads, Gunnera uploads/Geographie/ cm4-microbiologie-amd-ct-cours-2014-2015.pdf