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CHAPITRE 1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

I. L ES BIOFILMS D ' EAU DOUCE OU PERIPHYTON

1. Définition et caractéristiques

1.4 Rôle du périphyton dans la dégradation de la MO

que sites majeurs de rétention et de transformation de la matière organique dissoute ou MOD (Sabater et al. 2002). En effet, leur capacité à épurer le milieu aquatique de substances organiques et inorganiques est à l'origine de leur utilisation pour abaisser les concentrations en nitrates et phosphore dans les eaux usées, voire pour abaisser les concentrations en certains polluants (Maier et al. 2000; Sabater et al. 2002). Les organismes hétérotrophes (bactéries et Fungi) des biofilms contrôlent la transformation de la matière organique (MO) dissoute et particulaire et permettent ainsi le transfert de MO et d'énergie vers les niveaux trophiques supérieurs (Sanders et al. 1989). On résume le rôle des organismes hétérotrophes dans le flux de MO par le nom de boucle microbienne (Azam et al. 1983). En outre, après hydrolyse des macromolécules et oxydation de la MO au cours des processus de respiration, les organismes hétérotrophes produisent les

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nutriments indispensables au développement de la biomasse algale (CO2, PO43/, NH4+, SO42/) (Chrost 1992; Zheng et al. 2002).

1.4.1 Dégradation enzymatique de la MO

La MO dans les milieux aquatiques est très diversifiée, puisqu’elle se décline en organismes vivants, macromolécules (protéines, sucres, lipides, acides nucléiques, etc.) et petites molécules (sucres, acides aminés, etc.). Il s’agit des produits de la production primaire et des produits de transformations réalisées par les êtres vivants (biochimie), voire des produits issus de phénomènes géologiques. A cette liste, peuvent être ajoutés un certain nombre de composés organiques allochtones, d'origine tellurique (ruissellements, apports diffus du BV), ou anthropique (hydrocarbures, résidus pharmaceutiques, pesticides, détergents, etc.) (Montuelle & Volat 1993; Servais et al. 1998). Cette MO est présente dans l’eau sous forme dissoute, particulaire, voire colloïdale (par exemple les acides humiques). On distingue la MO dissoute ou MOD, qui passe à travers un filtre de porosité 0.45 Um (ou 0.22 Um selon la limite fixée par l'expérimentateur), et la MO particulaire ou MOP (macromolécules complexes), retenue sur le filtre.

Dans les rivières, la majeure partie de la matière organique est en général présente sous forme de MOD (75 à 99% de la MO), dont une faible partie seulement (moins de 5%) est directement assimilable par les bactéries (Chrost 1989, 1992; Chrost & Overboeck 1990), donc biodégradable (Servais et al. 1989; 1995). En effet, il s’agit majoritairement de macromolécules – protéines, polysaccharides, acides nucléiques, acides humiques – ne pouvant pénétrer à l’intérieur des cellules (Chrost 1991a). Cette MOD a pour origine les processus de biodégradation de la MOP par les micro/organismes, les excrétions et fèces du micro et macro/zooplancton, les débris végétaux issus de la lyse des cellules algales ou du broutage par le zooplancton herbivore (Chrost 1989). Elle constitue un facteur limitant pour la production de biomasse bactérienne (Chrost 1992; Kirchman & Rich 1997).

Pour pouvoir dégrader la MO, les bactéries sécrètent des enzymes extracellulaires dont le rôle est d'hydrolyser la MO (hydrolases), c'est/à/dire les hydrates de carbone (glucides, polysaccharides et monosaccharides, par exemple la cellulose, l'amidon), protéines, lipides, etc. présents dans le milieu, en molécules plus petites (glucose, polypeptides, aminoacide, etc.), directement assimilables. Chrost (1992) qualifie d'extracellulaires les enzymes sécrétées et présentes dans le milieu sous forme libre ou associées à des particules ou surfaces autres que les organismes

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membrane externe chez les bactéries Gram négatif, paroi cellulaire chez les bactéries Gram positif), soit présentes dans le périplasme des bactéries Gram négatif. Ainsi, les enzymes extracellulaires, au sens de Chrost, peuvent être secrétées activement ou libérées dans le milieu par lyse des cellules bactériennes productrices, ce qui signifie que les activités extracellulaires ne sont pas forcément associées à de la matière vivante (cellules viables et intègres). Ces enzymes jouent un rôle essentiel dans les processus de dégradation de la matière organique et dans la bioépuration des eaux riches en MO (Chappell & Goulder 1994).

La synthèse des enzymes extracellulaires est régulée au niveau transcriptionnel (ARNm) en présence de composés directement assimilables (produits de la réaction enzymatique) dans la cellule ou à proximité. Lorsque les composés assimilables se font plus rares, la synthèse de nouvelles enzymes est induite par dé/répression de la transcription du gène codant pour l’enzyme (Chrost 1989). Une fois produites, les enzymes présentes non protégées (par exemple produites par le bactérioplancton dans l'eau) sont sujettes aux variables physico/chimiques du milieu ambiant, en particulier le pH (Figure 9) et la température qui jouent un rôle sur l’activité.

Figure 9 : Variation de l'activité β-glucosidase (en nmom/mL/h) en fonction du pH. Espeland et al.(2001).

Elles peuvent aussi être sujettes à une inhibition compétitive (par les produits de réaction enzymatique) ou non/compétitive, par exemple par des acides humiques, qui peuvent augmenter la stabilité des enzymes (augmentation du temps de demi/vie) et réduire leur activité (Espeland & Wetzel 2001; Sinsabaugh et al. 1997). Lorsqu'elles sont produites par les organismes hétérotrophes des biofilms, les enzymes peuvent être stockées dans la matrice dans laquelle elles sont protégées des variations environnementales (Romaní et al. 2008).

Parmi les hydrolysases, on distingue les glucosidases, qui interviennent dans le processus de dégradation de la cellulose, les phosphatases, qui permettent aux bactéries de récupérer le phosphore inorganique à partir de monoesters orthophosphoriques, et les aminopeptidases, qui dégradent les protéines en peptides et acides aminés assimilables. Les activités enzymatiques les plus mesurées en milieu aquatique sont la leucine/aminopeptidase, la β/glucosidase et l’α/ glucosidase, et la phosphatase. L’activité glucosidase est liée à la présence de polysaccharides,

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donc au métabolisme du carbone, et l’activité leucine/aminopeptidase est liée à la présence de protéines, donc au métabolisme de l'azote (Sinsabaugh & Foreman 2001). Dans cette étude, nous nous sommes intéressés uniquement à l'activité β/glucosidase.

1.4.2 L'activité β9glucosidase

La β/D/glucosidase (β/D/glucoside glucohydrolase, EC 3.2.1.21) intervient dans la bio/ dégradation de la cellulose ; elle catalyse l’hydrolyse d'une grande variété de carbohydrates, notamment les disaccharides de glucose (Figure 10). Il s'agit d'une enzyme à large spectre, catalysant l'hydrolyse d'un grand nombre de sucres. Sa température optimale est de 28 °C ; son activité décroît pour des températures supérieures à 30 °C et inférieures à 15 °C. La vitesse de la réaction enzymatique augmente avec la basicité du milieu jusqu'à son maximum à pH 8, puis diminue rapidement pour des pH supérieurs à 8.5 (Chrost 1992). La régulation de l'activité β/ glucosidase se fait à deux niveaux : sur la synthèse de l'enzyme par induction (présence de carbohydrates complexes) et/ou répression (présence de sucres assimilables), mais aussi sur l'enzyme elle/même (pH, température, etc.) (Montuelle & Volat 1993).

Figure 10 : Hydrolyse de la cellulose par trois cellulases. La β-glucosidase catalyse l'hydrolyse de la cellobiose

(disaccharide de glucose) en deux molécules de glucose (http://de.academic.ru).

En milieu aquatique, la production de β/glucosidase est corrélée à la présence de MO polymérique et à la déplétion de la quantité de MOD directement assimilable (Chrost 1992). Les

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représentent la forme majoritaire de carbone fixé par photosynthèse et la source majeure de carbone et d’énergie pour les hétérotrophes en milieu aquatique.

Selon Chrost et al. (1991a; 1992), l’activité β/glucosidase, mesurée dans des échantillons d'eau de lac, est associée aux microorganismes présents dans la fraction de taille 0.2 à 3.0 Um et non à la phase dissoute. Brown et Goulder (1996) observent également une activité β/glucosidase du bactérioplancton associée à la fraction de taille supérieure à 0.2 Um, soit des enzymes liées aux cellules et particules, c'est/à/dire des ectoenzymes, selon la définition de Chrost (1992). Elle est par ailleurs fortement corrélée à l’activité hétérotrophe des bactéries et champignons inférieurs (mesurée par exemple par incorporation de thymidine et de glucose) et au nombre de cellules bactériennes présentes.

2. Le périphyton comme marqueur d'une