Approche moléculaire à l'étude des bactéries sulfato-réductrices et des Archaea méthanogènes dans les sédiments des lacs Cadagno et Rotsee

Thesis

Reference

Approche moléculaire à l'étude des bactéries sulfato-réductrices et des Archaea méthanogènes dans les sédiments des lacs Cadagno et

Rotsee

BOTTINELLI, Michel Claudio

Abstract

But du travail: la comparaison des étapes finales de la minéralisation microbienne, par l'examen de la méthanogenèse et la réduction des sulfates, dans les sédiments profonds de deux lacs montrant des concentrations différentes en sulfates (Lac de Cadagno et Lac Rotsee). Dans le Cadagno domine la sulfatoréduction ([SO₄²⁻]=~3 mM ; [S²⁻]=2-3 mM), tandis que le Rotsee montre une prévalence de la méthanogenèse ([CH₄]= 5 mM ; ([SO₄²⁻]=~1 µM).

A l'interface eau-sédiment, les valeurs du TOC ainsi que les THAA étaient deux fois plus élevées dans le Cadagno (149 et 77 mg g⁻¹ de sédiment). L'analyse des 16S rDNA a montré que le groupe "Bacteria" représente moyennement 59% et 15%, les bactéries sulfatoréductrices 55% et 10%, les "Archaea" 27% et 4% respectivement dans le Cadagno et le Rotsee. Les profils DGGE du Cadagno montrent une variabilité et une diversité plus élevées des 16S rDNA bactériens aux différents niveaux du sédiment.

BOTTINELLI, Michel Claudio. Approche moléculaire à l'étude des bactéries

sulfato-réductrices et des Archaea méthanogènes dans les sédiments des lacs Cadagno et Rotsee. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2008, no. Sc. 3825

DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:98209 URN : urn:nbn:ch:unige-982097

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:98209

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Département de botanique et biologie végétale

Professeur Dr. R. PEDUZZI

Approche moléculaire à l'étude des bactéries

sulfata-réductrices et des Archaea méthanogènes dans les sédiments des lacs Cadagno et Rotsee

THÈSE

Présentée à la Faculté des sciences de l'Université de Genève pour obtenir le grade de Docteur ès sciences, mention biologique

par

Michel BOTTINELLI de

Barbengo (Tl)

Thèse N° 3825

GE NEVE

2008

Lo Faculté des sciences. sur le préavis de Messieurs R. PEDUZZI, professeur associé et directeur de thèse (Département de botanique et biologie végétale), M. TONOLLA, privat decent !Département de botqriique et biologie végétdle).

W. WILDI, professeur ordinaire (Déportement de ~éolo~ïe et paléontologie), S. PEDUZZI, docteur (Ufficio dei corsi d'acqüa - Dipartimenfo del territorio del Canton Ticino -Bellinzona, Suisse) et Madame C. CALUERI, docteur !lstituto per lo Studio degli Ecosistemi de Verbania Pallanza, Verbania Pallanza- ltalia), autorise l'impression de la présente thè·se, sans exprimer d'opinion sur les propositions qui y sont énoncées.

Genève,

le

5 janvier 2007

Thèse .. 3825 -

le Doyen, Pierre SPIERER

Bottinelli, M.: Approche moléculaire à l'étude des bactéries sulfata-réductrices et des Archaea méthanogènes dans les sédiments des lacs Cadagno et Rotsee.

Terre & Environnement, vol. 71, ix+ 138 pp. (2008)

ISBN 2-940153-70-1

Section des Sciences de la Terre, Université de Genève, 13 rue des Maraîchers, CH-1205 Genève, Suisse Téléphone ++41-22-702.61.11- Fax ++41-22-320.57.32

http://www. uni ge .ch/sciences/terre/

Mes remerciements s'adressent tout d'abord au Prof. Dr. Raffaele Peduzzi, qui m'a permis d'effectuer ce travail dans d'excellentes conditions à l'lstituto Cantonale di Microbiologia de Bellinzona dans le Laboratoire d'Écologie Microbienne de l'Université de Genève et qui a accepté d'être mon Directeur de thèse.

Je remercie également le PD Dr. Mauro Tonolla qui, grâce à son soutien scientifique, m'a permis de mener à bien tout ce travail.

J'exprime toute ma gratitude aux collaborateurs du Laboratoire d'Écologie Microbienne, dans lequel j'ai été inséré, pour leur aide précieuse au niveau des techniques de microbiologie et de biologie moléculaire, en particulier le Dr. Antonella Demarta, le Dr.

Valeria Gaia, AnnaPaola Caminada et Nadia Ruggeri-Bernardi. Je remercie également toute l'équipe de l'institut pour son amitié, son soutien et sa solidarité.

Je tiens également à remercier le Prof. Dr. Bernhard Wehrli de I'EAWAG de Kastanienbaum, qui m'a permis d'effectuer la première partie de ce travail à Lucerne. Un immense merci également à ses collaborateurs Francisco Vasquez, Emel Sahan et le Dr.

Kornelia Faltz-Zepp, avec lesquels j'ai collaboré pendant une année.

Ma reconnaissance s'adresse aussi à tous les membres du jury de thèse, c'est-à-dire au Dir. Prof. Raffaele Peduzzi, au PD Dr. Mauro Tonolla, au Dr. Cristiana Callieri (dell'lstituto per lo Studio degli Ecosistemi de Verbania Pallanza), au Prof. Dr. Walter Wildi de l'Université de Genève Institut FA Forel de Versoix et au Dr. Sandro Peduzzi (deii'Ufficio cantonale dei corsi d'acqua di Bellinzona) pour avoir accepté ma soutenance.

Un grand merci au Prof. Dr. Dittmar Hahn de la Texas State University (San Marcos, Texas USA) pour sa disponibilité et ses conseils tout au long de cette étude. Je remercie également tous les amis et chercheurs connus au Centre de Biologie Alpine de Piora ainsi qu'à I'EAWAG de Lucerne.

Mon immense gratitude s'adresse également à ma famille pour sa compréhension et son soutien permanent, ainsi qu'à Sophie De Respinis et Huma Khamis pour avoir corrigé les erreurs d'orthographe et de français.

Ce travail à été financé par le FNSRS (na 3100-061935) et le Dipartimento della socialità e della sanità (DSS) du Canton Tessin en Suisse.

Résumé Abréviations

CHAPITRE 1

INTRODUCTION 1 Introduction

1.1 Cycle du soufre et du carbone 1.2 La respiration anaérobie

1.3 Les bactéries sulfata-réductrices {BSR) Capacités métaboliques des BSR Phylogénie

Disproportionation du soufre 1.4 Les Archaea méthanogènes (AM)

Capacités métaboliques des AM Phylogénie

1.5 Compétition et synergie entre les BSR et les AM 1.6 Le Lac de Cadagno

1 . 7 Le Rotsee

1.8 But du travail de thèse 1.9 Bibliographie

CHAPITRE 2

MATERIEL ET METHODES

v viii

1

1 3 5 6 7 8 10 12 12 13 14 15 18 19 21

28

2.1 Réactifs 28

Composés chimiques 28

Solutions 29

Matériel 29

2.2 Analyses chimiques 30

Stratégie d'échantillonnage 30

Analyses chimiques dans l'eau interstitielle 30

Analyse du méthane 31

Calcul des flux de diffusion 32

Mesures des TOC, TN et THAA 32

Mesures des acides aminés individuels 33

2.3 Etude des populations microbiennes 34

Hybridation in situ fluorescente (CARD-FISH) et DAPI 34

Analyse statistique 35

2.4 Analyses moléculaires 36

Extraction et quantification de l'ADN 36

Gel d'agarose 37

PCR (Réaction de Polymérase en Chaîne) 38

Analyse des communauté microbiennes au moyen de la DGGE 39

Clonage 41

ARDRA 43

Séquençage 47

Analyse phylogénique 48

2.5 Bibliographie 49

CHAPITRE 3

⁵¹

DISTRIBUTION VERTICALE DES ARCHAEA METHANOGENES ET DES BACTERIES SULFATO-REDUCTRICES SUR UN CYCLE ANNUEL DANS LE SEDIMENT DU LAC ROTSEE

3.1 Introduction 3.2 Résultats 3.3 Discussion 3.4 Conclusion 3.5 Bibliographie

51 54 62 68 69

CHAPITRE 4

74

DISTRIBUTION, ACTIVITE ET DIVERSITE DES BACTERIES SULFATO- REDUCTRICES ET DES ARCHAEA METHANOGENES DANS LES SEDIMENTS DU LAC DE CADAGNO ET DU ROTSEE

4.1 Introduction 4.2 Résultats 4.3 Discussion 4.4 Conclusion 4.5 Bibliographie

74

76 87 92 93

CHAPITRE 5

96

ANALYSE PHYLOGENIQUE DES BACTERIES SULFATO-REDUCTRICES DANS LES SEDIMENTS DES DEUX ECOSYSTEMES CHOISIS.

5.1 Introduction 5.2 Résultats 5.3 Discussion 5.4 Conclusion 5.5 Bibliographie

CONCLUSION ANNEXE

96 99

131 133 134

137

139

Dans un environnement anoxique, la matière organique est minéralisée au cours de différentes étapes par l'activité de microorganismes effectuant la fermentation. Les étapes finales de cette minéralisation dans les sédiments d'un lac sont la réduction du sulfate et la méthanogenèse. Dans des études précédentes, ces deux processus ont été considérés comme des réactions alternatives pour la dégradation de matière organique, à partir du moment où les microorganismes entrent en compétition pour les substrats communs tels que l'acétate et l'hydrogène ou pour la disponibilité en sulfate. Peu d'études mentionnent l'existence simultanée des bactéries sulfata-réductrices et de méthanogènes dans la même section de sédiment. Pourtant, les récents développements de techniques moléculaires permettent l'identification et la quantification d'organismes méthanogènes et de BSR dans le même environnement, même à de faibles concentrations en sulfate.

Nos analyses, faites sur le sédiment prélevé à la profondeur maximale du lac de Cadagno (21 m), montrent une activité élevée de la sulfatoréduction. Dans les premiers 20 cm de sédiment la concentration de sulfate diminue de -3 à 0.2 mM jusqu'à devenir un facteur limitant. Parallèlement, la production de sulfure atteint 2-3 mM à la profondeur de 8 cm.

Dès ces premières analyses chimiques, il est paru évident que la dégradation de la matière organique du lac de Cadagno pouvait être dominée par la sulfatoréduction. Au contraire, le Rotsee est un lac monomictique avec un hypolimnium anaérobique au- dessous de 10 m de profondeur pendant la stratification d'été. Les concentrations, élevées de méthane [5 mM] et très basses pour le sulfate [1 f.!M], ont montré que la méthanogénèse est le processus dominant pour la dégradation de la matière organique.

Ces deux lacs représentent donc deux écosystèmes très différents et il a été décidé de les utiliser pour étudier les interrelations existantes entre les bactéries sulfate-réductrices et les Archaea méthanogènes.

Les changements de distribution de bactéries sulfate-réductrices et méthanogènes dans le sédiment du lac Rotsee ont été étudiés trois fois sur une année. La technique d'hybridation in situ (CARD-FISH), appliquée entre 0 et 30 cm de profondeur, a indiqué la présence de microorganismes positifs après hybrydation avec les sondes SRB385 spécifique aux Desulfovibrionacées (< 24x10⁹ cellules [g sédiment {poids sec}r\ SRB 385Db spécifique aux Désulfobacteriacées (< 8 24x10⁹ cellules [g sédiment {poids sec}r¹)

et ARCH915 spécifique aux Archéabactéries (< 16x10⁹ cellules [g sédiment {poids sec}r¹).

Alors que les cellules identifiées comme des Desulfovibrionacées et des

Desulfobactariacéas diminuaient durant ILJ période de stratification (qui coïncide avec la baisse de disponibilité en sulfate dans la colonne d'eau), les Archaea méthanogènes diminuaient de 50% durant la période de circulation du lac, phénomène fortement corrélé avec la diminution de matière organique fraîche représentée par la mesure des acides aminés hydrolysables dans le sédiment.

La comparaison des deux lacs a montré que la valeur du carbone organique total dans le sédiment (TOC), ainsi que celle des acides aminés hydrolysables totaux (THAA) étaient deux fois plus élevées dans le lac de Cadagno (à l'interface eau-sédiment, 149 (TOC) et 77 (THAA) mg g·¹ de sédiment (poids sec)) par rapport au Rotsee. De plus, ces valeurs peuvent être partiellement mises en relation avec les comptages microbiens. Par rapport aux communautés microbiennes totales, les Bacteria représentent en moyenne 59% et 15%, les bactéries sulfate-réductrices 55% et 10%, les Archaea 27% et 4%

respectivement dans le lac Cadagno et le Rotsee. Dans le lac de Cadagno on a également pu mettre en évidence deux zones d'activité microbienne très prononcée. La première correspond à une grande abondance des Archaea dans les 5 premiers centimètres de sédiment (< 9x10⁹ cellules [g sédiment {poids sec}r¹) et la deuxième au niveau de la zone de production de sulfure à environ 8 cm de profondeur (-2.5 mM). Ce dernier paramètre corrèle bien à une augmentation de la concentration des bactéries sulfate-réductrices. Dans le Rotsee, le maximum de concentration de cellules microbiennes se situait uniquement dans les premiers centimètres du sédiment. Enfin, en utilisant les amorces spécifiques pour les bactéries, les profils de la DGGE du sédiment de Cadagno montrent une majeure variabilité entre les différentes profondeurs, par rapport au Rotsee.

En utilisant les techniques d'écologie moléculaire on a pu identifier une grande variété de séquences appartenant aux Delta-proteobacteria, bactéries sulfate-réductrices qui résultent pour la plupart encore inconnues. Le numéro des sous-groupes des Delta- proteobacteria découverts dans le Cadagno (n= 13) montre une plus grande diversité de microorganismes, par rapport à celui du Rotsee (n= 6). De ces sous-groupes, seulement 5 sont représentés dans les deux lacs. Dans les deux environnements étudiés on a donc des populations différentes de BSR. Leur distribution au niveau de la profondeur dépend probablement de la possibilité de rechercher des substrats nutritionnels spécifiques. Ainsi, s'il est encore assez difficile d'identifier des relations biochimiques, on a pu néanmoins

en relation avec la production d'hydrogène sulfuré (8 cm). De plus, la comparaison avec le Rotsee a permis de montrer que la plupart des sous-groupes ont la même distribution dans les deux lacs, même s'il y a très peu de séquences communes. Les caractéristiques plus importantes à noter dans le Rotsee sont la diversité phylogénétique inférieure des microorganismes, ainsi qu'un degré élevé de biodégradation de la matière organique.

Pour permettre une meilleure lecture et faciliter le renvoi aux bibliographies, il a été décidé d'inclure la liste des sources bibliographiques à la fin de chaque chapitre.

ABREVIA Tl ONS

ADN ADNr ARN AR DRA AM BSR

CARD-FISH Cm

DAPI DIC DGGE DNTP dH20 EDTA g j

L H20 Kj m2 M Mb min mg ml mM mol N

llg

Ill

!lM

!lm 11mol ng nm nmol pb PCR rpm

sos

sec SN TA Taq THAA TN

Acide désoxyribonucléique ADN ribosomique

Acide ribonucléique

Analyse de Restriction des amplicons d'ADN ribosomal Archaea méthanogène

Bactérie sulfata-réductrice

Hybridation in situ fluorescente (Catalysed Amplified Reporter Deposition-FISH)

Centimètre

4' ,6-diamidino-2-phenilindole chloroidrate Carbone inorganique dissout

Electrophorèse sur gel de gradient dénaturant Déoxynucléoside tri-phosphate

Eau déminéralisée, filtrée (0.2 !lm) Acide ethylene diamine tetra acétique Gramme

Jour Litre Eau Kilojoule Mètre carré Molaire

Methanosarcina barkerii (microorganisme de contrôle) Minute

Milligramme Millilitre Millimolaire Mole Normalité Microgramme Microlitre Micromolaire Micromètre Micromole Nanogramme Na no mètre Nanomole Paire de bases

Polymerase Chain Reaction Tour par minute

sodium docedy sulfate Seconde

Surnageant

Température ambiante

Polymérase de Thermus aquaticus Acides aminés totaux hydrolysables (Total Hydrolysable Amino Acids) Azote total (Total Nitrogen)

UPGMA

v uv

vol.

oc

Unweighted Pair Groupe Method with Arithmetic Mean Ultraviolet

Volt Volume Degré Celsius Environ

Énergie thermodynamique Indéfiniment

Abréviations des acides aminées:

Acide aminée Abréviation Abréviation en trois lettres en symbole

Alanine Al a A

Arginine Arg R

Asparagine A sn N

Acide Aspartique Asp D

Asparagine ou As x B

Acide Aspartique

Cystéine Cys

c

Glutamine Gin Q

Acide Glutamique Glu E

Glutamine ou Glx

z

Acide Glutamique

Glycine Gly_ G

Histidine His H

lsoleucine lie 1

Leucine Leu L

Lysine Lys K

Méthionine Met M

Phén~alanine Phe F

Proline Pro p

Sérine Ser

s

Thréonine Thr T

Tryptophane Trp

w

Tyrosine Tyr y

Valine Val

v

INTRODUCTION

La biosphère de la terre a dès sa formation été dominée par les microbes. La diversité des écosystèmes terrestres est née et a évolué également grâce aux processus bio- géochimiques catalysés par les microorganismes. Pour entreprendre une étude biologique et/ou géologique il est donc indispensable non seulement de comprendre l'évolution génétique, mais aussi de caractériser les processus métaboliques des organismes qui ont contribué à former et transformer l'atmosphère, la lithosphère et l'hydrosphère (11).

La définition de l'histoire évolutive des microorganismes a toujours posé des problèmes, d'une part à cause du manque de caractères morphologiques permettant une différentiation des espèces, d'autre part à cause du fait que pour les bactéries, la définition d'espèce telle que celle des organismes eucaryotes n'est pas appropriée. À partir des années '50 les scientifiques ont reconnu la valeur des analyses comparatives des séquences moléculaires pour l'étude de l'évolution phylogénique des bactéries (162).

Cette approche méthodologique, appelée phylogénie moléculaire, est basée sur l'étude des séquences des protéines et des acides nucléiques (ADN et ARN) de différentes souches, dans une perspective évolutive. La comparaison de ces séquences permet donc de vérifier la distance phylogénique entre différentes espèces (35, 154, 155). Les études phylogéniques montrent une diversité très élevée des bactéries par rapport aux autres organismes. Dans ce sens il est intéressant de noter qu'en terme de distance évolutive, les humains sont plus proches des plantes et des champignons que deux organismes apparemment morphologiquement similaires comme la bactérie Escherichia coli et l'archaebactérie Methanosarcina barkerii. Sur la base des séquences de I'ARNr 16S, du point de vue phylogénique, les procaryotes se trouvent dans deux des trois domaines (Fig.

1.1.1 ).

1. INTRODUCTION

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1

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EUCARYOTES

FUNGI

PLANTS A-.LS

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1

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EUCARYOTES

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J Milrochondna''\

,_____, _ _ J Purple Bàcteria

l

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BACTERI.l IIOLECULAR PHYLOGENY

"CL.lSSSCA1. • PHYLOGENY

Figure 1.1.1: Domaines déterminés par les séquences de I'ARNr 168 (à droite) (87-90, 131, 154), comparés avec le schéma phylogénique classique (à gauche) (76).

L'environnement influence la présence ou l'absence des procaryotes ainsi que leur métabolisme. De même, leurs activités métaboliques se reflètent sur les conditions physico-chimiques de l'environnement. Les microorganismes influencent donc les cycles bio-géochimiques et sont à l'origine de la transformation des composants chimiques organiques et inorganiques. Toutes ces réactions chimiques exercées par les bactéries peuvent être exprimées sous forme de réactions d'oxydoréduction. En outre, en ce qui concerne la minéralisation de la biomasse, les bactéries utilisent une série de composés oxydants, allant de 1'02 au C02, et suivant les conditions d'oxydoréduction du milieu. Les écosystèmes stratifiés comme les lacs méromictiques, les fjords ou les sédiments, présentent des gradients verticaux des conditions d'oxydoréduction, mettant ainsi en évidence les différentes réactions métaboliques se déroulant en succession suivant des conditions de plus en plus réductrices (Figure 1.1.2). La partie superficielle de ces écosystèmes est généralement aérobie et les eucaryotes y sont dominants. Au contraire à partir du moment où l'oxygène disparaît et l'habitat devient anoxique on trouve en prévalence les procaryotes. En ce qui concerne les sédiments, il existe une différence entre le milieu marin et les eaux douces. En milieu marin le cycle du soufre est dominant, avec la formation de sulfide. En revanche, les eaux douces sont généralement caractérisées par une dominance du cycle du carbone, avec formation de méthane.

a LAICIIICIIIMjl'laiMIIIr . . . ..

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2$-

^Hal•100pM

Figure 1.1.2: Profils verticaux typiques des systèmes stratifiés (a) sédiment d'eau douce (Lac Michigan) et (b) colonne d'eau de la Mer Noire (82).

1.1 CYCLE DU SOUFRE ET DU CARBONE

Bien que les transformations du cycle du soufre puissent être soit biologiques soit chimiques, les microorganismes y jouent le rôle principal. À l'exception de la sulfatoréduction assimilative (biosynthèse des acides aminés) les procaryotes sont les responsables de toutes les transformations biologiques du cycle du soufre en conditions d'anaérobiose (126). La réduction du sulfate (SO/- + Be- + 8H+ ---+ S²- + 4H20) et l'oxydation du sulfure (S2- ---+ S⁰ + 2e- ) sont les réactions les plus importantes de ce cycle.

En outre la sulfatoréduction joue un rôle fondamental dans la minéralisation de la matière organique (52, 127). D'autres processus sont de plus en plus considérés: la réduction du soufre (S⁰ +2e- ---+ S^2-) et la disproportionation du soufre (4 S⁰ + 4 H20---+

soi-+

^{3 HS- + 5}

H+) mais aussi du thiosulfate (S2032-+ H20 ---+

soi-

^{+ Hs- + H+)} et du sulfite (4 S032-+ H+

---+ 3 SO/- + HS-), produisant du sulfate et du sulfide (7, 55, 97,40, 69). Avec le terme de disproportionation ou dismutation on indique les processus dans lesquels un substrat peut être réduit et oxydé simultanément, en donnant deux produits avec des états d'oxydation différents (8, 13, 1 00). Les études sur la disproportionation des composés du soufre ont ouvert une nouvelle perspective vis à vis des processus énergétiques du cycle du soufre (73).

1. INTRODUCTION

Figure 1.1.3: Cycle du soufre et organismes impliqués.

(1) Desulfovibrio sp., Desulfobacter sp., Desulfuromonas sp. et certaines Archaea hyperthermophiles

(2a) Chromatiaceae (S intracellulaire) (2b) Rhodopseudomonas sp.

(3) Chlorobiaceae, Cyanobacteria?

(4) Desulfomonas sp., certaines Desulfovibrio sp., Campylobacter sp., Chromatiaceae et

Chlorobiaceae à l'obscurité (5) Chlorobiaceae et Chromatiaceae (6) Certaines Ch/orobiaceae

(7) Certaines Chromatiaceae, Chlorobiaceae, Rhodospirillaceae avec la lumière et Thiobacil/us sp. à l'obscurité

(8) Comme le point (7) (9) Beggiatoa sp.

(10) Thiobacteriaceae, Chromatiaceae à l'obscurité (11) Thiobacteriaceae et oxydation chimique (12) Thiobacteriaceae, Chromatiaceae

microaérobies et oxydation chimique (13) Desulfocapsa sp. et Desulfobulbos sp.

Le carbone est présent soit sous forme réduite telle que le méthane (CH4) et les composés organiques, soit sous forme oxydée comme le monoxyde (CO) et le bioxyde (C02) de carbone. De plus, en ce qui concerne les réducteurs et les oxydants pouvant intervenir dans les réactions chimiques et biologiques dans lesquelles le carbone et impliqué, il faut considérer l'hydrogène et l'oxygène respectivement. L'hydrogène peut être produit pendant la dégradation de la matière organique dans des conditions d'anaérobiose, à la suite des fermentations. La diffusion de l'hydrogène et du méthane permet à ces deux composants de se déplacer de la zone anaérobie vers la zone aérobie, en donnant aux oxydants l'opportunité de réagir. Durant les 300 dernières années, les niveaux du méthane dans l'atmosphère ont augmenté de 1% par année. Les principaux producteurs de ce composant sont les ruminants, qui peuvent en produire 200 à 400 litres par jour. D'autres sources peuvent être les bacs de fumier, les mines de carbone, les engrais organiques, les purins, les décharges, les marais, et les rizières.

Anaérobiose Aérobiose

Fixation du carbone Fixation du carbone

Co

Matière organique

CO

2 ^CH20 2

~

Respiration

Figure 1.1.4: Cycle du carbone dans l'environnement.

1.2 LA RESPIRATION ANAÉROBIE

Oxydation du monoxyde de carbone

Les électrons dérivant des sucres et d'autres molécules organiques passent généralement à travers la chaîne de transport des électrons des bactéries, soit grâce à des accepteurs organiques d'électrons (fermentation), soit grâce à l'oxygène moléculaire (respiration aérobie). Certaines bactéries sont capables d'utiliser des accepteurs d'électrons inorganiques autres que l'oxygène, par exemple le nitrate (N03-), le Fer (Ill), le sulfate (SO/-) ou l'anhydride carbonique (C02). Ce processus d'oxydoréduction est appelé respiration anaérobie.

En ce qui concerne les dernières étapes de la minéralisation de la matière organique, deux processus anaérobies dominent. Le premier est du aux bactéries anaérobies obligées qui utilisent le sulfate (SO/-) comme accepteur final d'électrons (ex: Desulfovibrio sp.) et qui le réduisent en sulfure (82-) avec le transfert de huit électrons. Ces organismes sont les bactéries sulfata-réductrices et la réaction est la sulfatoréduction (SO/- + 8 e- + 8 H+ ~ 8 2- + 4H20).

Le deuxième processus est causé par le groupe des bactéries anaérobies obligées qui utilisent le C02 ou le carbonate comme accepteur final d'électrons produisant du méthane.

1. INTRODUCTION

Ces bactéries s'appellent Archaea méthanogènes et la réaction est la méthanogenèse (C02 + 8 e-+ 8 H+---+ CH4 + 2H20 et C032-+ 8 e-+ 10 H+---+ CH4 + 3H20).

1.3 LES BACTÉRIES SULFATO-RÉDUCTRICES (BSR)

Les bactéries sulfata-réductrices (BSR) ont un rôle considérable dans l'environnement grâce à la réduction dissimilative des sulfates produisant d'importantes quantités de sulfide (HSl En outre, ces bactéries possèdent un spectre très large de métabolismes comme par exemple la réduction des métaux (Fe(lll), Mn (IV), Cr(VI) (23, 136)) et de l'oxygène (02) (25), la méthylation des métaux (Hg (29, 31)) et la diméthylation (diméthylsulfoniopropionate) (49), CH3Hg+ (10), la fermentation organique ((137), l'utilisation des composés xénobiotiques (115), ainsi que certains dérivés du pétrole (toluène et xylène (30)), la disproportionation des composés du soufre (S0 , S20/-, so}-) (97) et la réduction de différents composés du soufre (sulfite et thiosulfate) (97). Lors des 20 dernières années, ces microorganismes ont fait l'objet de différentes études et publications, que l'on peut classer chronologiquement dans les travaux de Postgate (1 07), Widdel (148), Odom et Singleton (85), Sarton (12) et Castro (20). Dans l'environnement les bactéries sulfata-réductrices sont largement distribuées dans plusieurs écosystèmes comme les sédiments d'eau douce (9), les sédiments marins (59, 114), les marais (119, 120), les "biofilms" (122), les fjords stratifiés (111, 134), les boues activées (74), les rivières et les fleuves (75). Les endroits particuliers où les bactéries sulfata-réductrices peuvent se développer avec différents métabolismes sont représentés par les zones d'interface aérobies- anaérobies (25, 37, 118, 150). En outre, les BSR sont détectées de plus en plus souvent dans les milieux aérobies (78, 79, 124, 125, 133) et dans la partie aérobie des tapis bactériens et des sédiments marins (33, 61, 123). La sulfatoréduction a une importance fondamentale pour la minéralisation de la matière organique (52) et a été identifiée comme le processus dominant dans certains environnements d'eau douce, par exemple les sédiments lacustres du Lac de Constance (9). De plus, les BSR ont également été décrites comme des compétiteurs des méthanogènes dans les milieux d'eau douce possédant des concentrations élevées de sulfate (72).

Capacités métaboliques des BSR:

Les donneurs d'électrons oxydés par les BSR sont toujours des composés organiques de bas poids moléculaire, et presque tous connus pour être des produits de fermentation de la dégradation anaérobie des hydrates de carbone, des protéines et d'autres composés de la biomasse. En ce qui concerne les substrats nutritionnels, on peut différencier ces micro- organismes en deux groupes.

Le premier groupe comprend les espèces qui oxydent partiellement les substrats produisant l'acétate (acétogènes), comme par exemple Desulfotomaculum sp. (18), Desulfovibrio sp. (1 03), Desulfomonas pigra, Desulfovibrio thermophilus, Thermodesulfobacterium comune, Desulfobulbus sp., Desulfovibrio sapovorans ( 1 01 , 1 02). Vraisemblablement ces microorganismes n'ont pas un mécanisme enzymatique tel que le cycle de l'acide citrique qui puisse oxyder ultérieurement l'acétate (produit intermédiaire de l'oxydation du substrat) jusqu'à l'acétyi-CoA, et donc ils le libèrent.

L'acétate, dans ces microorganismes, peut être assimilé comme une source de carbone organique pour le matériel cellulaire, si ces espèces utilisent l'hydrogène ou le fumarate comme donneur d'électrons (149).

Le deuxième groupe comprend les espèces des genres Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfonema et Desulfobacterium (24, 54, 57) capables d'oxyder complètement une grande série de substances organiques et inorganiques: le lactate, l'hydrogène et le formate, le propionate, le butyrate et les longues chaînes des acides gras (C1o jusqu'à C22), les alcools monovalents (propanol, n-butanol, isopropanol, éthanol, méthanol), les acides dicarboxyliques (succinate, fumarate, malate), les composants aromatiques (benzoate, nicotinate, phénol, indol, catéchol), la choline, les acides aminés (alanine, cystéine, glutamate, sérine, glycine, aspartate, thréonine, glycérol, fructose, glucose), les sucres, le glycérol, et les hydrocarbures (méthane) (voir tableau 1 ).

L'oxydation du méthane et des hydrocarbures saturés par les bactéries sulfata-réductrices est un sujet très controversé (1, 2, 48, 84, 116, 121, 130, 158). En effet, au niveau thermodynamique, l'oxydation des hydrocarbures est possible, mais l'énergie libérée est très basse (CH4 + SO/- .- HC03- + HS- + H20 ~Go= -16.6 kj).

1. INTRODUCTION

Donneurs d'électronsc

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EUBACTERIA

Desulfovibrio Vibrion 30-38 + + + + +/- +/- Méthanol, glycérol, glycine,

alanine, choline, furfurale

Desutfomicrobium Ovale ou bâtonnet 28-37 + +/- +

Desutfobulbus Ovale 28-39 + + +

Desulfobacter Ovale ou vibrion 28-32 Cac +/- + +/-

Desulfobacterium Ovale 20-35 Co +/- (+) +/- +/- +/- +/- +/- +/- Méthanol, glutarate, glutamate,

phénol, aniline, nicotinate, indole.

Desulfococcus Sphérique 28-35 + Co (+) + + Acétone

Desulfosarcina Ovale (forme des 33 Co + (+) + + + +/- +

agrégats)

Desutfomonile Bâtonnet 37 + c ^{+ ND ND + 3-}ou 4-anisate

Oesulfonema Filament 30-32 +/- c ^{+/- (+) +/- +/-}

multicellulaire

Desulfobotulus Vibrion 34 + +

Desulfoarculus Vibrion 35-39 Co (+) (+) +

Desulfotomaculum Bâtonnet droit ou 30-38 1 ou +/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- Méthanol, alanine.

ronde 50-65 Co

Thermodesutfo-bacterium Bâtonnet 65-70 + ND

ARCHAEBACTERIA

Archaeoglobus Sphérique 82-83 Co + ND ND ND + ND + ND Amide, peptides.

Legende.

(a) +,présent;+/-, présent ou non présent;-, non présent.

(b) C, oxydation complète en C02 par une voie métabolique inconnue; Cac, oxydation complète par le cycle de l'acide citrique; Co, oxydation complète par la voie du carbone monoxyde déhydrogénase/C1 ; 1, oxydation incomplète en acétate.

(c) +,utilisé;(+), faiblement utilisé;+/-, utilisé ou non utilisé;(+/-), faiblement ou non utilisé;-non utilisé; ND, non déterminé.

(d) Utilisé avec thiosulfate comme donneur des électrons.

Tableau 1.3.1: Propriétés morphologiques et physiologiques des genres des bactéries sulfata-réductrices (149).

Phylogénie:

Les bactéries sulfata-réductrices représentent un large groupe de bactéries, homogènes du point de vue fonctionnel (utilisation du

so/-

comme accepteur d'électron), mais polyphylétique au niveau phylogénique à l'intérieur de la classe des Delta-proteobacteria.

La libération de I'H2S comme produit biologique de la réduction du sulfate a été décrite pour la première fois il y a 140 ans par Meyer (77) et Cohn (22). À partir de ces études, différentes espèces ont été décrites et mises en culture. Toutefois, il a fallu attendre les années 1950-1960 pour une première classification ou reclassification de tous ces micro- organismes (46, 91-94, 104-106, 128). En effet, toutes les souches sporulantes ont été renommées sous le nouveau genre Desulfotomaculum (18), et les vibrio non-sporulantes

isolées ont été inclues dans le genre Desulfovibrio (1 03). Mais une large comparaison à différents niveaux taxonomiques entre toutes les espèces a été possible seulement en étudiant les séquences des gènes côdant pour les ARN ribosomiques 16S (34 ). Sur cette base, seulement en comparant les séquences des acides nucléiques, il a été possible de classifier tous les microorganismes qui font la réduction du sulfate, sous le nom de bactéries sulfata-réductrices, qu'elles soient Gram-positives ou Gram-négatives, sporulantes ou non, qu'elles aient un contenu en GC élevé ou non, qu'elles possèdent ou non la désulfoviridine (sulfite réductase) et le cytochrome.

Récemment Castro H. F. (20) a proposé une nouvelle classification, avec quatre subdivisions (groupes taxonomiques) qui séparent les bactéries selon leurs caractéristiques environnementales structurelles et morphologiques: les bactéries sulfata- réductrices Gram-négatives mésophyles, les bactéries sulfata-réductrices Gram-positives sporuliformes, les bactéries sulfata-réductrices thermophyles et les Archaea sulfata- réductrices thermophyles. Afin d'éviter des ambiguïtés et d'avoir une référence unique·

connue, il a été décidé d'utiliser pour ce travail la dernière classification du "Bergey's Manual of Systematic Bacteriology" (38). Le schéma suivant (Tableau 2) montre uniquement la classe des Delta-proteobacteria du phylum des Proteobacteria et du domaine Bacteria, et met en évidence (texte en gras) les genres les plus importants.

1. INTRODUCTION

Domaine Bactérie Phylum Proteobacteria

Classe "Deltaproteobacteria"

Ordre 1. "Desulfurellales"

Famille 1. "Desutfurellaceae"

Genre 1. Desulfurella Genre Il. Hippea Ordre Il. "Desulfovibrionales"

Famille 1. "Desulfovibrionaceae"

Genre 1. Desulfovibrio Genre Il. Bilophila Genre Ill. Lawsonia Famille Il. "Desutfomicrobiaceae"

Genre 1. Desulfomicrobium Famille Ill. "Desulfohalobiaceae"

Genre 1. Desulfohalobium Genre Il. Desulfomonas Genre Ill. Desulfonatronovibrio Ordre Ill. "Desulfobacterales"

Famille 1. "Desutfobacteraceae"

Genre 1. Desulfobacter Genre Il. Desu/fobacterium Genre Ill. "Desulfobacula"

Genre IV. "Desu~obotulus"

Genre V. Desulfocella Genre VI. Desulfococcus

Genre VIl. Desu~ofaba

Genre VIII. Desu~ofrigus Genre IX. Desu/fonema Genre X. Desuffosarcina Genre Xl. Desu/fospira Genre Xli. Desulfotalea Famille Il. "Desu~obulbaceae"

Genre 1. Desulfobulbus Genre Il. Desulfocapsa Genre Ill. Desulfofustis Genre IV. Desulforflopalus Famille Ill. "Desulfoarculaceae"

Genre 1. "Desulfoarculus"

Genre Il. Nitrospira

Genre Ill: Desulfobacca Genre IV. Desulfomonile Ordre IV. "Desulfuromonadales"

Famille 1. "Desulfuromonadaceae"

Genre 1. Desulfuromonas Genre Il. Desulfuromusa Famille Il. "Geobacteraceae"

Genre 1. Geobacter Famille Ill. "Pelobacteraceae"

Genre 1. Pelobacter Genre Il. Malonomonas Ordre V. "Syntrophobacterales"

Famille 1. "Syntrophobacteraceae"

Genre 1. Syntrophobacter Genre Il. Desulfacinum Genre Ill. Desulforflabdus Genre IV. Thermodesulforflabdus Famille Il. "Syntrophaceae"

Genre 1. Syntrophus Genre Il. Smithella Ordre VI. "Bdellovibrionales"

Famille 1. "Bdellovibrionaceae"

Genre 1. Bdellovibrio Genre Il. Micavibrio Genre Ill. Vampivibrio Ordre VIl. Myxococcales

Famille 1. Myxococcaceae

Genre 1. Myxococcus Genre Il. Angiococcus Famille Il. Archangiaceae

Genre 1. Archangium Famille Ill. Cystobaceraceae

Genre 1. Cystobacter Genre Il. Melittangium Genre Ill. Stigmate/la Famille IV. Po/yangiaceae Genre 1. Polyangium Genre Il. Chondromyces Genre Ill. Nannocystis

Tableau 1.3.2: Classification taxonomique des bactéries sulfata-réductrices (selon la nouvelle édition du Bergey's manual of systematic Bacteriology (38)).

Disproportionation du soufre:

La disproportionation du soufre, effectuée par des bactéries sulfata-réductrices, a été découverte en 1987 par Bak et collaborateurs (6-8), Elle se base sur l'utilisation des composés inorganiques du soufre tel que le thiosulfate (820 32-), le sulfite (8032-) et le soufre élémentaire (S0 ), soit comme donneurs soit comme accepteurs d'électrons, en les transformant en sulfate (So/-) et sulfide (HSl Actuellement on connaît huit espèces bactériennes qui utilisent ce processus métabolique (60).

(1) S2032- + H20- SO/- + HS-+ H+ ôGo

=

^-21.9 kj/mol S2ol- (2) 4 sol-+ H+ - 3 so/-+ Hs- ôG⁰ = -58.9 kj/mol 8032- (3) 4 8° + 4 H20 - SO/- + 3 HS- + 5 H+ ô Go

=

+1 0.2 kj/mol 8°

Les habitats où ces bactéries ont été détectées sont les sédiments d'eau douce (40% du thiosulfate est disproportionné) (53) et les sédiments marins (135). En particulier, Desulfocapsa thiozymogenes a été isolée des sédiments lacustres (Lac Braband, Denmark) (50) mais aussi de la chimiocline du lac de Cadagno (98, 99, 138). En effet, les meilleurs endroits où ces microorganismes peuvent se développer semblent être les zones de transitions d'oxydoréduction (32, 50).

La disproportionation du soufre élémentaire est une réaction thermodynamiquement défavorable (~Go = +1 0.2 kj/mol S^{0 ),} car si le sulfide n'est pas éloigné du milieu, les bactéries qui utilisent cette voie catabolique ne peuvent pas vivre (Finster et al. 1998 ; Janssen et al., 1996). Le sulfide peut être enlevé par précipitaton sous forme de FeS après réaction avec du FeOOH (Janssen et al. 1996).

(4) 3 Hs- + 2 FeOOH + 3 H+- S⁰ + 2 FeS + H20 ~Go= -143.9 kj/mol S⁰ La somme des deux reactions donne:

(5) 3 S⁰ + 2Fe00H - so/- + 2 FeS + 2 H+ ~Go

=

-34.4 kj/mol S⁰ qui a une énergie thermodynamique plus favorable.

1. INTRODUCTION

1.4 LES ARCHAEA METHANOGENES (AM)

Les méthanogènes sont des procaryotes unifiés par trois critères principaux: le produit principal de leur métabolisme énergétique est le méthane, elles sont anaérobies obligées, et elles appartiennent au domaine des Archaea.

Capacités métaboliques des AM:

Les substrats les plus importants utilisés par les AM sont l'hydrogène, le bioxyde de carbone, le formate et l'acétate. D'autres composés utilisables par les AM sont le méthanol, la triméthylamine et le diméthylsulfide, mais aussi des alcools comme l'isopropanol, l'isobutanol, le cyclopentanol et l'éthanol peuvent être convertis en méthane.

Le tableau suivant met en évidence les différentes réactions de la méthanogénèse.

Réaction ll.G' kj/mol

de méthane

4 H2 + C02 ~ CH, + 2 H20 ·135.6

4 Formate ~ CH4 + 3 C02 + 2 H20 ·130.1 4 2-Propanol + C02 --+ CH4 + 4 Acétone + 2 H20 -36.5 2 Éthanol + C02 ~ CH4 + 2 Acétate -116.3

Méthanol + H2 - CH4 + H20 -112.5

4 Méthanol ~ 3 CH4 + C02 + 2 H20 -104.9 4 Méthylamine + 2 H20 --+ 3 CH4 + C02 + 4 NH4 + -75.0 2 Diméthylamine + 2 H20 ~ 3 CH4 + C02 + 2 NH; -73.2 4 Triméthylamine + 6 H20 ~ 9 CH4 + 3 C02 + 4 NH; -74.3 2 Diméthylsulfide + 2 H20 ~ 3 CH, + C02 + H2S -73.8

Acétate - CH4 + C02 -31.0

Tableau 1.4.1: Réactions et variations d'énergie libre pour les méthanogènes (56, 81, 147).

Cette liste de substrats utilisés par les méthanogènes peut être subdivisée en trois classes. Dans la première classe le donneur d'électrons est représenté par I'H2, le formate et des alcools, l'accepteur d'électrons étant toujours le co2 qui est réduit en méthane.

L'habilité d'utiliser H2 comme donneur d'électrons pour la réduction du C02 est presque universelle parmi les méthanogènes (méthanogènes hydrogénotrophiques). De même, plusieurs méthanogènes utilisent le formate, tandis que l'habilité d'oxyder les alcools est moins commune (15, 160). La réduction du C02 représente la plus grande source de méthane chez les ruminants, mais en ce qui concerne les sédiments lacustres, seul un tiers du méthane est produit à la suite de ce processus. Cette réaction contribue au maintien de concentrations d'hydrogène et de formate, qui représentent des composants typiques de ces environnements anaérobies.

Les donneurs d'électrons de la deuxième classe sont caractérisés par la présence du groupe méthyle (80, 146). Il est à noter que ces substrats ne sont pas utilisés par les

bactéries sulfate-réductrices (151 ). Généralement ces composés sont disproportionnés et le groupe méthyle est réduit en méthane. Dans les sédiments marins on trouve la triméthylamine dérivant de la dégradation de la choline, de la glycine betaine, ou de l'oxyde de triméthylamine. Un autre composant important de ces environnements anaérobies est le diméthylsulfide, qui peut dériver de la dégradation de la méthionine ou du diméthylsulfoniopropionate.

Les AM appartenant à la troisième classe (Méthanosarcinaceae et Méthanosaetaceae) utilisent l'acétate comme substrat principal pour la production du méthane (1 09). Pendant ce processus, également appelé réaction acétoclastique, l'atome de carbone du groupe méthyle est réduit en méthane, et le carbone du groupe carboxyle est oxydé en C02 .

Cette réaction est donc caractéristique des méthanogènes qui vivent dans des environnements anaérobies comme les sédiments lacustres riches en acétate. Dans ces conditions, le catabolisme de l'acétate effectué par d'autres microorganismes est limité par l'absence d'autres accepteurs d'électrons (sulfate, nitrate) (146).

Phylogénie:

Comme pour les bactéries sulfate-réductrices, il est possible de trouver la phylogénie des AM sur la base des gènes côdant pour les ARNr 168 (34 ).

Le schéma suivant (Tableau 1.4.2) met en évidence uniquement les premières deux classes du phylum des Euryarchaeota appartenant au domaine Archaea (38). En gras sont mis en évidence les genres des Archaea méthanogènes les plus importants.

Domaine Archaea Phylum Euryarchaeota

Classe 1. Methanobacteria Ordre 1. Methanobacteriales

Famille 1. Methanobacteriaceae Genre l. Methanobacterium Genre Il. Methanobrevibacter Genre Ill. Methanosphaera Genre IV. Methanothermobacter Famille Il. Methanothermaceae

Genre 1. Methanothermus Classe IL Methanococci

Ordre 1. Methanococca/es Famille 1. Methanococcaceae

Genre 1. Methanococcus Genre Il. Methanothermococcus Famille Il. Methanoca/dococcaceae

Genre 1. Methanocaldococcus Genre Il. Methanotorris Ordre Il. Methanomicrobiales

Famille 1. Methanomicrobiaceae

Tableau 1.4.2: Classification taxonomique des méthanogènes (38).

Genre 1. Methanomicrobium Genre Il. Methanoculleus Genre Ill. Methanofollis Genre IV. Methanogenium Genre V. Methanolacinia Genre VI. Methanoplanus Famille Il. Methanocotpusculaceae

Genre 1. Methanocarpusculum Famille Ill. Methanospirillaceae

Genre 1. Methanospirillum Ordre Ill. Methanosarcinales

Famille 1. Methanosarcinaceae Genre 1. Methanosarcina Genre Il. Methanococcoides Genre Ill. Methanohalobium Genre IV. Methanohalophilus Genre V. Methanolobus Genre VI. Methanosalsum Famille Il. Methanosaetaceae

Genre 1. Methanosaeta

1. INTRODUCTION

1.5 COMPETITION ET SYNERGIE ENTRE LES BSR ET LES AM

Dans les environnements anoxiques, la présence de N03-, de Fe3⁺ et de so/- a une action inhibitrice pour les méthanogènes, permettant à d'autres microorganismes d'effectuer la réduction des substrats. L'abondance du sulfate permet aux bactéries sulfata-réductrices d'utiliser I'H2 à des concentrations inférieures à celles nécessaires aux méthanogènes (62, 70, 11 0). Cette habilité des bactéries sulfata-réductrices est probablement en relation avec le potentiel d'oxydoréduction du couple so/-;Hs-, plus positif par rapport à celui du couple C02/CH4. Les milieux ayant une quantité suffisante de sol- présentent donc une prédominance de sulfide en tant que produit réduit, et du co2 provenant de l'oxydation du carbone organique. Au contraire, si le sulfate devient limitant, le méthane remplace le sulfide comme produit réduit, et le carbone organique est disproportionné en co2 et en méthane.

Comme l'hydrogène, l'acétate est aussi un substrat pouvant être utilisé par les deux groupes de procaryotes (en particulier par la famille des Desulfobacteriaceae et les méthanogènes). Mais il y a une particularité significative. En effet, en utilisant de l'acétate marqué avec du 14C en position C2 (groupe méthyle), il est possible de détecter si la réaction catabolique dominante est la méthanogenèse ou la sulfatoréduction. Le principe se base sur l'analyse des produits radioactifs: si l'acétate ([2-14C]-acétate) est catabolisé par les bactéries sulfata-réductrices, l'anhydride carbonique radioactif libéré sera formé à partir du groupe méthyle. En revanche, la réaction acétoclastique à partir du même groupe chimique produira uniquement du méthane radioactif

C

4CH4). En analysant donc le co2 total produit, cette différence peut aider à identifier la réaction catabolique dominante (153).

Toutefois, il n'est pas toujours vrai qu'une présence abondante de sulfate (30 !JM - 2 mM) défavorise la croissance des méthanogènes. Certaines méthanogènes peuvent en effet utiliser des composés méthylés comme la triméthylamine et le diméthylsulfide.

La triméthylamine (NH2(CH3)3) n'est pas facilement utilisée par les bactéries sulfidogéniques, mais elle est rapidement fermentée en C02 et NH4 + par la famille des Méthanosarcinaceae. La triméthylamine est donc considerée comme un substrat non- compétiteur pour les méthanogènes et très fréquent dans les sédiments marins (110, 146).

Au contraire, le diméthylsulfide (S(CH3)2) est utilisé par les deux groupes de procaryotes (49, 58, 64, 66, 144). Dans des conditions particulières, les BSR et les méthanogènes

peuvent avoir aussi des relations synergiques. Deux exemples sont l'oxydation anaérobique du méthane (42-44, 117) et la production nette d'hydrogène par les bactéries sulfata-réductrices après fermentation du lactate, qui a lieu seulement à des concentrations du sulfate inférieures à 10 !JM (47, 51, 152).

Une autre synergie est représentée par la production d'acétate par les bactéries sulfata- réductrices après oxydation du lactate. Dans ce cas, l'acétate pourrait servir à la méthanogenèse ou à d'autres bactéries sulfata-réductrices (149).

Il faut toutefois considérer que ces procaryotes peuvent aussi avoir des relations avec d'autres bactéries ou organismes. Deux cas décrits sont l'association entre les bactéries sulfata-réductrices et sulfo-bactéries pourpres (96) et la présence d'Archaea méthanogènes endosymbiotiques dans les protozoaires comme Metopus setosus (145).

1.6 LE LAC DE CADAGNO

Le Lac de Cadagno est un lac méromictique crénogénique situé à 1923 mètres d'altitude.

Il se trouve au sud des alpes suisses (46°33' N, 8°43' E) dans la vallée de Piora (26, 27, 141 ). Cette vallée est caractérisée par une veine de roche dolomitique riche en gypse qui la traverse. Le lac a une surface de 24 hectares et une profondeur maximale de 21 mètres. La géologie particulière de la vallée ainsi que le fait d'avoir des sources sous- lacustres, ont porté à la formation d'une stratification permanente avec deux masses d'eau superposées, montrant une différence de densité marquée. Ce phénomène est nommé méromicticité crénogénique et il est caractérisé par la présence entre les deux couches d'eau d'une chimiocline stable, située entre 9 et 14 mètres de profondeur.

Figure 1.6.1: Le Lac de Cadagno

1. INTRODUCTION

Cet écosystème stratifié représente un modèle pour l'écologie microbienne car des populations microbiennes ayant des caractéristiques physiologiques différentes se succèdent le long des gradients physico-chimiques de la colonne d'eau (21 rn).

Récemment, grâce aux nouvelles techniques moléculaires (3), il a été possible de démontrer qu'avec les sulfobactéries photosynthétiques (139), les bactéries sulfata- réductrices proches phylogénétiquement de Desu/focapsa thiozymogenes (138) sont une des populations plus importantes de la chimiocline (16, 28, 95).

L'apport continu de biomasse dans le Lac de Cadagno est principalement dû à la déposition de la matière organique provenant de la production primaire du phytoplancton et des bactéries phototrophes du lac (67).

Les sédiments superficiels de la partie sud du lac sont caractérisés par une ceinture de macrophytes (Chara globularis var. globularis, Potamogeton sp.) située entre 1 et 7 m de profondeur. La limite de croissance inférieure de ces plantes aquatiques correspond à la présence des sédiments riches en sulfide et aux sources sous-lacustres (63).

A

partir de ce niveau jusqu'à environ 11 m de profondeur (limite supérieure de la chimiocline), la surface des sédiments est en contact avec la diffusion de l'oxygène et la présence de tapis bactériens. La surface totale de ces sédiments est d'environ 474'000 m². En revanche, la superficie inférieure, c'est-à-dire à partir de 12.5 rn jusqu'à 21 rn, est seulement d'un quart (114'800 m²), et représente donc seulement 17.4% de la surface totaie du iac.

Ces deux sédiments sont donc très différents: les sédiments du littoral de la partie sud du lac sont caractérisés par la végétation de macrophytes et par la libération de sulfate et de sulfide (41, 63), suite à la présence soit des sources sous-lacustres, soit de l'activité des populations des bactéries sulfata-réductrices (140). Au contraire, les sédiments au- dessous de la chimiocline sont anoxiques de façon permanente, et les couches plus superficielles sont riches en cellules mortes de sulfo-bactéries phototrophes et de restes d'algues (diatomées pour la plupart) provenant respectivement de la chimiocline et du mixolimnion. L'estimation de la valeur de sédimentation du lac à cette profondeur est d'environ 0.5 cm chaque année (14). Dans les premiers 15 cm de ce sédiment il y a un pourcentage élevé de matière organique, atteignant 17% du poids sec (67, 68).

Différentes couches riches en matériel inorganique sont intercalées avec d'autres couches riches en matériel organique, la valeur moyenne du carbone inorganique étant d'environ