Les bactéries sont des organismes unicellulaires procaryotes, c'est-à-dire qu’à l’intérieur du cytoplasme leur noyau n’est pas délimité par une membrane, à la différence de la majorité des algues ou des diatomées qui sont des cellules eucaryotes. La structure des bactéries est très simple, leur vitesse de croissance extrêmement rapide et leur rapport surface/volume parmi les plus élevés de tous les organismes, leur confère des capacités
d’adsorption importantes par unité de masse. Il existe en effet chez plusieurs espèces de bactéries de nombreuses dépressions et fibres organiques qui tendent à augmenter de manière très importante le rapport surface/volume (BEVERIDGE et al., 1997).
L’omniprésence, en quantités importantes, des bactéries dans les milieux naturels, qu’ils soient ou non aquatiques, explique le grand nombre de travaux qui leur sont consacrés. Les implications géochimiques qui en découlent sont le contrôle qu’elles peuvent exercer dans le transport et la spéciation des éléments métalliques dans certains écosystèmes naturels. Bien que les mécanismes de ce contrôle soient encore souvent mal compris et contraints, plusieurs études ont tenté d’inclure les bactéries dans des modèles de spéciation et de transports de polluants dans les milieux naturels (YEE and FEIN, 2002). Par exemple, la spéciation du mercure dans un système bactérie/métal dissous/gibbsite a été calculée par FEIN et al. (2001). Sous des conditions particulières (pH, concentration de bactéries et de gibbsite), environ 65% du mercure est complexé et donc transporté par les bactéries.
La plupart des bactéries comporte une paroi cellulaire à l’extérieur de la membrane plasmique qui confère à la cellule sa rigidité. Les bactéries se subdivisent en deux groupes principaux, les « Gram positives » et les « Gram négatives », différenciées selon la structure et la composition chimique de leur paroi cellulaire. La réaction de Gram élaborée par Christian Gram en 1884 est une technique de coloration sélective de la composition chimique des parois cellulaires ; soumises à ce test, les bactéries Gram positives se colorent en pourpre tandis que les bactéries Gram négatives se colorent en rose ou rouge. Cependant certaines espèces avec une structure de paroi cellulaire de bactérie Gram positives répondent négativement au test (Bacillus brevis) et inversement (BEVERIDGE and FERRIS, 1985). Une troisième catégorie de microorganisme procaryote, souvent hôtes d’environnements extrêmes, possède une structure et une chimie de la paroi cellulaire inhabituelle par rapport aux deux types de bactéries précédentes, ce sont les Archæbactéries. Nous ne décrirons pas les surfaces de ces organismes qui sont peu étudiées.
1. Bactéries Gram positives
Les bactéries Gram positives ont une épaisseur de paroi cellulaire allant de 20 à 50 nm (BEVERIDGE and FERRIS, 1985) (WARREN and HAACK, 2001). Celle-ci est constituée d’environ 25 couches de polymères de peptidoglycane, d’une épaisseur d’environ 25 nm (KELLY et al., 2002), assemblées par « cross-linking » ce qui confère une certaine rigidité à
la bactérie. Ces chaînes de peptidoglycane sont constituées de 40 à 50 répétitions du dimère acide N-acetylglucosamine et de l’acide N-acétylmuramique et sont ainsi très riches en groupes carboxyliques. Plusieurs polymères secondaires ont la possibilité d’être intercalés dans la structure du peptidoglycane comme l’acide teichuronique et l’acide teichoique qui peuvent représenter jusqu’à 50 à 60% de la masse totale de la paroi cellulaire (figure 5).
Chez les bactéries Gram positives, la proportion relative des divers constituants est variable d’une espèce à l’autre. VAN DER WAL et al. (1997) ont mesuré un pourcentage de peptidoglycane égal à 23-31 % du poids sec de la paroi cellulaire chez les bactéries coryneformes contre 5 % pour Bacillus brevis. A l’inverse, la proportion de protéines est de 7 % chez les bactéries coryneformes mais est supérieure à 56% chez Bacillus brevis (attribué à la présence d’une couche « S » sur cette bactérie, voir ci-dessous la caractérisation de cette structure). Les analyses des bactéries par spectroscopie des photoélectrons (XPS) permettent une bonne estimation des structures présentes à la surface des bactéries coryneformes et
Bacillus brevis (levures) (dans les 2 à 5 nm d’épaisseur) (DENGIS et al., 1995).
La paroi cellulaire complexe des bactéries gram positives contient plusieurs groupes fonctionnels (DAUGHNEY et al., 1998): - les groupes carboxyliques, rencontrés principalement au niveau des peptidoglycanes mais aussi des acides teichuroniques et des protéines
- les fonctions phosphates de l’acide teichoique - les groupes aminés provenant des protéines
- les groupes hydroxyles situés sur les peptidoglycanes et les acides teichuroniques et teichoiques. De plus, l’organisation spatiale des surfaces de ces bactéries permet d’avoir un plus grand nombre de groupes carboxyliques sur la partie la plus externe de la surface (où les peptidoglycanes sont clivés) alors que les plus fortes charges négatives par unité de surface sont localisées dans la partie la plus interne de la paroi cellulaire (BEVERIDGE et al., 1997). Enfin, (DAUGHNEY et al., 1998) ont montré que, pour deux espèces de bactéries Gram positives (Bacillus subtilis et Bacillus licheniformis), les groupement carboxyliques sont suffisamment éloignés les uns des autres pour qu’il n’y ait pas d’influence d’un site par rapport à un autre sur la déprotonation (autrement une seule valeur de pKa permet de décrire la stabilité des groupements carboxyliques). D’un point de vue
géométrique, ces sites ne sont pas distribués de manière homogène sur la surface de Bacillus
subtilis mais semblent concentrés sur les extrémités de la cellule (SONNENFELD et al.,
1985).
2. Bactéries Gram négatives
La paroi cellulaire des bactéries Gram négatives est plus complexe que celle des Gram positives (figure 5). Leur structure est composée de multiples couches: une faible épaisseur de peptidoglycanes (sans polymères secondaires associés) intercalée entre une couche inférieure et supérieure à laquelle la couche de peptidoglycane est attachée par des lipoprotéines. La couche inférieure de la paroi cellulaire est constituée de phospholipides (de la membrane cytoplasmique) et la couche supérieure essentiellement composée de lipopolysaccharides.
Les groupes fonctionnels que l’on rencontre à la surface des bactéries Gram négatives sont de deux types :
- les groupes phosphoryles (de la couche inférieure)
- les groupes carboxyliques des lipopolysaccharides. Bien que le
peptidoglycane des bactéries Gram négatives puisse interagir fortement avec les métaux, il est masqué au milieu extérieur par la membrane externe. Par conséquent, ce sont les lipopolysaccharides de la membrane extérieure qui gouvernent l’essentiel de la physico- chimie des surfaces des bactéries Gram négatives. Les propriétés acido-basiques de la paroi cellulaire sont ainsi dominées par les groupes phosphoryles présents dans la structure des lipopolysaccharides et dans une moindre mesure par les groupes carboxyliques.
3. Polymères extracellulaires et couches S
D’autres types structuraux, les polymères extracellulaires, capsules et slime, et les couches S, peuvent recouvrir les surfaces des bactéries. Il s’agit de matrices fortement hydratées (environ 95% d’eau) qui sont associées ou qui recouvrent les surfaces des bactéries Gram positives et Gram négatives. Bien qu’elles puissent être composées de substances polymérisées différentes de la paroi cellulaire, elles possèdent les mêmes types de groupes fonctionnels (BEVERIDGE et al., 1997).
environnementaux, comme le pH ou la température, et de contribuer à l’adhésion de la cellule aux autres bactéries ou sur les surfaces. Il a été aussi reconnu que certains métaux toxiques peuvent induire la formation de telles structures, ce qui correspondrait à un mécanisme de défense de la part des bactéries. Ainsi, le métal se retrouverait complexé au niveau des couches S et serait ensuite relargué en solution sans effet toxique sur la cellule. A l’inverse, ce type de structures peut disparaître si les bactéries sont cultivées dans des milieux nutritifs riches (en laboratoire par exemple) (BEVERIDGE et FERRIS, 1985).
Les capsules ou polysaccharides extracellulaires sont des polymères hydrophobes composés de sucres et de protéines(HELM and NAUMANN, 1995). Elles sont en général intimement associées aux parois cellulaires et peuvent atteindre une épaisseur de 3 μm autour de la cellule (BEVERIDGE et FERRIS, 1985). Les couches de slime ont la même composition chimique que les capsules sans être directement attachées à la paroi cellulaire, elles sont libérées dans le milieu extérieur. Grâce à leur structure très fortement hydratée, les capsules et les slimes ont pour rôle d’éviter la pénétration de molécules hydrophobes à l’intérieur de la cellule. En outre, ces propriétés anioniques leur permettent de fonctionner comme des résines échangeuses d’ions (avec comme effet l’extension de la charge négative de la bactérie au-delà de la paroi cellulaire). Ces structures constituent un site privilégié pour le piégeage des métaux. Ce sont aussi elles qui sont impliquées dans les phénomènes d’adhésion sur les surfaces inorganiques ou d’interactions entre cellules pour former des colonies.
Les couches S sont des structures très intimement liées à la surface externe des bactéries. Elles sont composées d’une ou plusieurs couches paracristallines de protéines ou de glycoprotéines de formes carrée, tétragonale ou hexagonale leur permettant de jouer un rôle de « tamis » contrôlant à la fois les passages d’éléments vers l’intérieur mais aussi vers l’extérieur (BEVERIDGE et FERRIS, 1985). De part leur configuration spatiale les couches S présentent le plus souvent au milieu extérieur une surface plus hydrophobe que la bactérie sous-jacente, ce qui permettrait de réguler la diffusion de grandes molécules hydrophobes. En revanche, du fait de cette hydrophobicité, on observe rarement dans les milieux naturels d’interactions entre les couches S et les métaux (BEVERIDGE et al., 1997). Une autre fonction des couches S serait de protéger les bactéries d’agents dangereux comme certaines enzymes qui dégradent les peptidoglycanes (les muramidases) ou encore des bactériophages.
Figure 5: Structure schématique de la paroi cellulaire de Archea (a), de bactérie Gram positive (b) et de bactérie Gram négative (c) d'après WARREN et HAACK, 2001)