Les activités bactériennes sont dictées et dirigées essentiellement pour leur survie, leur croissance et leur division. Ceci requiert de l’énergie et une variété de substrats minéraux et organiques puisés dans l’environnement pour la synthèse du matériel cellulaire (Fenchel et al., 1998).
ALTERATION DES MINERAUX : ROLE, PROCESSUS, ACTEURS
27 II.2.1 Les éléments
Les nutriments absorbés par les bactéries pour leur développement sont utilisés (1) pour former les constituants essentiels du matériel cellulaire (paroi et cytoplasme), (2) pour participer au bon fonctionnement des enzymes et des systèmes de transports et (3) contribuent à la production d’adénosine triphosphate (ATP) (Pelmont, 1993).
Seuls 12 éléments sont requis en quantités importantes pour les bactéries :
- le carbone, l’oxygène, l’hydrogène et l’azote qui sont les principaux constituants du matériel cellulaire (comme chez tous les êtres vivants),
- le soufre, le phosphore, le potassium, le magnésium, le calcium, le fer, le sodium et le chlore (cités par leur ordre d’importance).
Ces macroéléments ou macronutriments représentent 95 à 97 % du poids sec d’une cellule bactérienne (Pelmont, 1993). En particulier, le magnésium sert de cofacteur pour de nombreuses enzymes comme les kinases. Il forme un complexe avec l’ATP. Il intervient également dans la structure des membranes, la stabilité des parois cellulaires (cation compensateur des charges des peptidoglycanes) et des ponts de liaisons des ribosomes. Le fer est utilisé dans la synthèse de certaines protéines dont les cytochromes, ferredoxines. Il est aussi cofacteur de certaines enzymes (centre Fe-S de la nitrogénase ou des réductases RNR) et de transporteurs d’électrons.
En plus des macroéléments, les bactéries ont besoin d’oligoéléments ou micro-éléments (zinc, manganèse, molybdène, sélénium, cobalt, cuivre, nickel et tungstène) qui aident à la catalyse des réactions cytoplasmiques ou au maintien de la structure des protéines (acides amminés, purines) et des vitamines. Très souvent dans la nature, ces éléments sont présents en quantités suffisantes et ne limitent donc pas le développement cellulaire des bactéries. Leur caractère ubiquiste peut être expliqué par les multiples sources disponibles dans un écosystème continental de surface : (1) l’atmosphère, (2) la matière organique morte, (3) l’eau et (4) les minéraux.
Suivant la nature de la source de carbone utilisée pour leur nutrition, les bactéries se classent en deux groupes :
- les bactéries autotrophes sont capables de synthétiser par elles-mêmes les matières organiques qui les composent à partir d’éléments inorganiques comme le CO2,
- les bactéries hétérotrophes nécessitent la présence de composés organiques comme source de carbone et d’énergie pour leur croissance et leur reproduction.
Ensuite, deux sources d’énergie sont disponibles pour les organismes : - l’énergie lumineuse captée pendant la photosynthèse (phototrophes),
- l’énergie provenant de l’oxydation de composés organique ou inorganiques (chimiotrophes).
Enfin, les bactéries ont besoin d’une source d’électrons provenant de deux sources:
- des substances inorganiques réduites. Les bactéries utilisant cette source sont classées dans les lithotrophes,
- des composés organiques. Les bactéries seront qualifiées d’organotrophes.
Malgré la grande diversité métabolique des bactéries, elles peuvent, en général, être classées en 4 catégories nutritionnelles sur la base de leurs sources de carbone, d’énergie et d’électrons :
- Autotrophes photolithotrophes,
- Hétérotrophes photoorganotrophes,
- Autotrophes chimiolithotrophes,
- Hétérotrophes chimioorganotrophes.
Les trois premières classes sont les moins représentées dans les sols. De plus, les bactéries cultivables dans un sol représentent moins de 1% en moyenne de la totalité des bactéries, ce qui rend difficile l’estimation de chaque classe métabolique de bactéries dans les sols avec les techniques actuelles. Aujourd’hui avec l’utilisation des outils moléculaires, il est possible d’avoir une affiliation taxonomique mais pas métabolique.
Les techniques de cultures utilisées, nous permettrons d’étudier plus particulièrement aux bactéries cultivables hétérotrophes et plus spécifiquement celles chimioorganotrophes car,
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29 quantitativement, elles sont majoritaires dans les sols. Ces bactéries utilisent des composés organiques comme source d’énergie, d’éléments (hydrogène, carbone) et d’électrons pour leur biosynthèse. Elles produisent de l’ATP par des réactions chimiques notamment les réactions d’oxydoréduction. Un substrat est réduit au dépend d’un autre qui est oxydé (Figure 1-5).
Xred +Aox ! Xox + A red
ATP + H2O ADP+Pi
Figure 1- 5. Réaction d'oxydo-réduction permettant la production d'ATP
II.2.3 Incorporation de ces éléments dans les bactéries
Il existe 4 mécanismes qui correspondent chacun à un mode d’incorporation spécifique de composés ou d’éléments :
- la diffusion passive (qui ne concerne que les gaz) et la diffusion facilitée qui ne nécessitent aucun métabolites, ni dépenses d’énergie pour incorporer l’élément. Ce sont des mécanismes réversibles, ainsi la diffusion facilitée peut être aussi impliquée dans l’excrétion de composés de fermentation comme certains acides organiques par les bactéries.
- le transport actif et la « translocation de groupe » permettent le transport des sucres à l’intérieur de la cellule bactérienne (Gottschalk, 1986).
II.2.4 Dégradation des sources de carbone = source d’énergie
Quatre voies de dégradation du glucose sont possibles : la voie « Entner-Doudoroff » (ou KDPG), la voie « Embden-Meyerhof-Parnas » (ou glycolyse), la voie des pentoses phosphates et la voie des « GDH et PQQ ».
-- Voie « Entner-Doudoroff »
X red est le donneur d’électrons (substrat organique) et Aox est l’accepteur d’électrons (oxygène, nitrate, sulfate…).
Cette voie est spécifique des bactéries. Elle est utilisée par les bactéries aérobies comme les Pseudomonas. Elle possède 6 étapes très complexes (non présentés), la première (la phosphorylation du glucose) étant commune à la glycolyse.
-- Voie « Embden-Meyerhof-Parnas » (ou glycolyse)
La glycolyse se déroule dans le cytoplasme de la cellule bactérienne en aérobiose ou en anaérobiose pour les bactéries chimio-organotrophes. Au cours de cette voie catabolique le glucose (molécule à 6 carbones) est oxydé en deux molécules d'acide pyruvique (3 carbones) comme décrit ci-dessous :
Chez les bactéries aérobies, la voie d’ Entner-Doudoroff et la glycolyse sont suivies par le cycle de Krebs qui conduit à une oxydation complète de l’acide pyruvique en CO2. L’ensemble de ces réactions permet donc une oxydation complète du glucose en CO2 mais
4 H 4 H 2 CO2 Glucose D-Glucose-6-phosphate PEP pyruvate 2 pyruvate 2-acetyl-Co A 4 CO2 16 H A
A Transport du glucose via la translocation de groupe
et formation du D-Glucose-6-phosphate
B
B Dégradation du D-Glucose-6-phosphate en pyruvate
C
C Décarboxylation oxydative du pyruvate en acétyle
coenzyme A par une enzyme déhydrogénase pyruvate
D
D Oxydation de acetyl-coA en CO2 via le cycle de kreps ! production d’acides organiques
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31 fait apparaître des métabolites intermédiaires acides qui ne s'accumulent généralement pas (le cycle de Krebs est une voie anaplérotique, c’est-à-dire qu’il fait apparaître des composés intermédiaires). La dégradation du glucose par la glycolyse puis via le cycle de Krebs n'entraîne qu'une faible acidification du milieu de culture lors de l’excrétion de ces produits. Chez les métabolismes fermentaires, l’acide pyruvique n’est pas oxydé complètement.
- Voie des pentoses phosphates (ou voie de
Warburg-Dickens-Horecker)
Cette voie existe chez tous les eucaryotes et chez la quasi-totalité des bactéries. Elle est indépendante de la présence d’oxygène et se fait aussi bien en aérobiose qu’en anaérobiose dans le cytoplasme. Cette voie est réalisée en 2 étapes : (i) une phase oxydative qui permet la formation de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH), source principale d'électrons utilisés dans les réactions biosynthétiques dans la cellule et (ii) une phase non oxydative réversible qui permet la synthèse de ribose. C'est un composant de l'ARN utilisé dans la transcription génétique.
- Voie des GDH et PQQ
Cette voie existe chez certaines bactéries de type Enterobacter et Pseudomonas. Ces bactéries sont capables d’oxyder directement le glucose en acide gluconique à l’aide d’une enzyme la glucose dehydrogénase (GDH). L’acide gluconique est alors convertis en acides 2-ketagluconique et 2,5 di2-ketagluconique. La glucose dehydrogénase requiert une quinone pyroquinoline (PQQ) comme cofacteur pour cette activité. Cette voie est largement impliquée dans la solubilisation des minéraux phosphatés (Hee Han et al., 2008).
Les bactéries peuvent croître sur différents substrats carbonés (sucres). Cependant, l’utilisation d’autres substrats que le glucose pour la croissance des bactéries nécessite un changement de l’équipement enzymatique des cellules passant par : (1) la synthèse d’enzymes cataboliques appropriées et des systèmes de transports spécifiques et (2) la formation de voies métaboliques appropriée (voies anaplérotiques) permettant de prélever une partie des composés carbonés nés au cours d’une fermentation pour approvisionner les mécanismes de synthèse conduisant au matériel cellulaire.
Les voies « Entner-Doudoroff » et glycolyse sont les voies majoritaires de dégradation des sucres permettant la formation de métabolites.
Les bactéries ont dû s’adapter à divers environnements plus en moins riches en nutriments en développant des stratégies pour leur survie. Leur métabolisme et leur façon d’acquérir de l’énergie est un paramètre important à prendre en compte qui conditionne leur action sur leur proche environnement. Ainsi, le métabolisme des chimioorganotrophes est subdivisé en deux catégories en fonction des sentiers métaboliques employés pour l’assimilation des composés organiques et la production d’énergie.
- Les organismes oxydatifs emploient un composé inorganique tel que l'oxygène comme capteur final d’électrons. Les sous-produits principaux du métabolisme d’oxydation sont l’eau et de faibles quantités de dioxyde de carbone.
- Par contre, les organismes fermenteurs emploient des capteurs d’électrons finaux organiques, comme le pyruvate et génèrent de grandes quantités de dioxyde de carbone et d’acides comme sous-produits.
Les bactéries sont très diversifiées d’un point de vue taxonomique et métabolique. Elles sont ubiquistes et ont dû s’adapter à leur environnement pour acquérir les nutriments et l’énergie nécessaire à leur survie. La dégradation d’une source de carbone est essentielle pour leur production d’énergie et de sous-produits.
Ces sous-produits du métabolisme : les acides organiques, peuvent-ils avoir un effet sur l’altération des minéraux ?