Microbiologie BIOL 3253
La croissance
Croissance - la scissiparité
Croissance
Augmentation des constituants cellulaires qui peut aboutir à:
Accroissement du nombre de cellules.
i.e., Quand les micro-organismes se multiplient par scissiparité ou par
bourgeonnement.
Accroissement de la taille de la cellule.
i.e., Les micro-organismes
coenocytiques (multinucléés) peuvent subir des divisions nucléaires sans divisions cellulaires concomitantes.
Les microbiologistes étudient habituellement des variations numériques (croissance) sur la totalité de la population plutôt que chez des micro-
organismes pris individuellement.
La courbe de croissance
Lorsque des micro-organismes sont cultivés en milieu liquide, ils se développent
habituellement dans un système fermé, culture en “batch” ou discontinue.
Ils sont incubés dans un flacon contenant un seul lot de milieu de culture.
Représenté graphiquement comme le logarithme du nombre de cellules en fonction du temps
d’incubation.
La courbe résultante est
constituée de quatre phases distinctes.
Pas
d’augmentation
Divisions à un Taux maximal
Arrêt de la croissance
Diminution du nombre de cellules
La courbe de croissance microbienne dans un
système fermé
1- La phase de latence
Synthèse de nouveaux composants cellulaires.
i.e., Synthèse de substances utilisées ou épuisées.
i.e., Adaptation à un nouveau milieu ou de nouvelles conditions.
La durée varie selon les micro-organismes et la nature du milieu.
Dans certains cas, cette phase peut être très courte ou absente.
2- La phase exponentielle
Aussi appelée logarithmique.
Chaque organisme se divise à un moment légèrement différent.
Vitesse de coissance constante.
La population est presque
uniforme en termes de propriétés chimiques et physiologiques.
Croissance en équlibre et équilibre instable
Durant la phase exponentielle, les cellules sont en croissance à l’équilibre.
Tous les constituants cellulaires sont synthétisés à des vitesses constantes par rapport aux autres.
Un changement des concentrations en nutriment ou des conditions de culture provoque une
croissance en équilibre instable.
La vitesse de synthèse des composants cellulaires varie.
Changements dans le milieu de culture
“shift-up” (Changement d’un milieu pauvre à riche)
“shift-down” (Changement d’un milieu riche à pauvre)
Concentration des nutriments et croissance
3- La phase stationnaire
Le nombre total de micro-organismes viables demeure constant.
Peut résulter d’un arrêt de reproduction chez des cullules métaboliquement actives.
Peut résulter d’un équilibre entre division et mort cellulaire.
Principales raisons pour entrer en phase stationnaire:
Limitation en éléments nutritifs.
Disponibilité limitée en oxygène.
Accumulation de déchets toxiques.
La population atteint une densité critique.
Réponses au manque de nourriture
Changements morphologiques
i.e., Formation d’endospores.
Diminution de taille, rétrécissement du protoplasme, et condensation du
nucléoïde.
Production de protéines de manque.
Survie à long terme.
Augmentation de la virulence.
4- La phase de mortalité
Les cellules meurent à un rythme exponentiel.
Perte irréversible de la capacité à se reproduire.
Dans certains cas, le taux de mortalité
diminue dû à une accumulation de cellules résistantes.
Différentes hypothèses existent pour expliquer la cinétique de la mortalité:
Les mathématiques de la croissance
Temps de génération ou de doublement (g)
Temps nécessaire pour qu’une population microbienne double sa taille.
Constante de vitesse de croissance moyenne (k)
Nombre de génération par unité de temps.
Généralement exprimé par le nombre de génération par heure.
Temps de génération et vitesse de croissance
Mesure de la croissance microbienne
On peut mesurer un changement du nombre de cellules d’une population.
On peut mesurer un changement de la
masse cellulaire.
Mesure du nombre de cellules
Comptage direct
Chambre de comptage.
Compteurs électroniques.
Décompte direct sur des membranes filtrantes.
Décomptes de cellules viables
Étalement sur un milieu solide.
Décompte sur membranes filtrantes déposées sur milieu gélosé.
Chambres de comptage
Faciles à utiliser, peu coûteuses, et rapides.
Pratique pour dénombrer des
eucaryotes ou des procaryotes.
Ne peut pas
distinguer entre des cellules
vivantes ou mortes.
Compteurs électroniques
Une suspension bactérienne doit passer au travers d’un orifice, où un courant électrique est appliqué.
Le mouvement de cellules au travers de l’orifice modifie (augmente) la résistance électrique.
Ne peut pas distinguer entre des cellules vivantes ou mortes.
Facile et rapide à utiliser.
Utile pour des micro-organismes de grande taille ou des cellules sanguines, mais pas pour des procaryotes.
Décompte direct sur des membranes filtrantes
Les cellules sont filtrées sur une membrane spéciale (polycarbonate) qui possède un
fond foncé.
Les cellules sont ensuite colorées avec des colorants fluorescents.
Pratique pour dénombrer des bactéries.
En utilisant certains
colorants, il est possible de distinguer entre des cellules vivantes et
mortes.
Étalement sur milieu solide
Mesure le nombre de cellules viables.
La taille de la population est
exprimée en termes d’unités formatrices de colonies (UFC)
(ang. colony forming units ou CFU)
Des dilutions d’une
population sont étalées sur un milieu solide
adéquat
Le nombre de colonies est compté
Le nombre de cellules dans la population est
déterminé
Simple et précis.
Largement utilisé pour effectuer des
décomptes viables de micro-organismes présents dans des aliments, dans l’eau ou le sol.
Les résultats peuvent être imprécis si des agrégats de cellules sont mal distribués.
Étalement sur milieu solide
Décompte sur membranes filtrantes déposées sur milieu gélosé
Particulièrement utile pour étudier des échantillons auqatiques
Mesure de la masse cellulaire
Poids sec
Technique peu sensible et longue à effectuer.
Quantité de certains constituants cellulaires
i.e., protéines, ADN, ATP, ou chlorophylle.
Utile si la quantité d’une substance est constante dans chaque cellule d’une population.
Mesure de la turbidité (dispersion de la lumière incidente)
Rapide, facile et précis.
Plus de cellules
Plus de dispersion de la lumière
Moins de lumière détectée
(↑absorbance)
Turbidité et mesure de la masse cellulaire
Dénombrement de procaryotes végétatifs viables mais non cultivables
Les micro-organismes en situation de stress peuvent temporairement perdre leur habilité à croître et être non détectables si on utilise des méthodes dépendantes de la culture.
Plusieurs techniques moléculaires permettent
maintenant de détecter et dénombrer des cellules viables mais non cultivables.
La culture continue des micro-organismes
Culture dans un système ouvert
Approvisionnement constant en nutriments.
Les déchets sont également retirés à un rhythme constant.
Maintient la croissance des cellule dans la phase exponentielle et à une
concentration constante de la biomasse.
Ces conditions sont réalisées en
laboratoire dans des systèmes de
culture continue.
Le chémostat
Rythme
d’introduction du
milieu stérile = rythme d’élimination du
milieu.
Un élément nutritif essentiel est fournit en quantités limitées (i.e. un acide aminé).
Vitesse de dilution et croissance microbienne
Vitesse de dilution Vitesse à laquelle le
milieu passe au travers de la chambre de culture par rapport au volume de la cuve.
La densité cellulaire reste inchangée pour une large gamme de vitesse de dilution.
Le chémostat fonctionne de façon optimale à une vitesse de diltion faible.
Le turbidostat
La vitesse d’écoulement du milieu au travers de la cuve est automatiquement réglée pour maintenir une turbidité ou densité cellulaire prédeterminée.
La vitesse de dilution varie.
Pas d’élément nutritif limitant.
Les turbidostats
fonctionnent mieux
à des vitesses de
dilution élevées.
Importance des méthodes de culture continue
Utiles car elles produisent une quantité
constante de cellules en phase exponentielle tout en se multipliant à une vitesse connue.
Permet d’étudier la croissance microbienne en présence de concentrations de nutriments faibles, ce qui est similaire aux conditions
rencontrées en milieux naturels.
Permet l’étude d’interactions microbiennes sous des conditions similaires à celles
rencontrées dans des milieux aquatiques.
Très utilisées en microbiologie alimentaire et industrielle.
L’influence de l’environnement sur la croissance
La croissance des micro-organismes est considérablement influencée par la nature chimique et physique de l’environnement.
Extrêmophiles
Se développent sous des conditions difficiles qui empêchent la croissance de la plupart des autres organismes.
Les solutés et l’activité de l’eau
Activité de l’eau (a
w)
Disponibilité de l’eau exprimée de façon quantitative.
Réduite par des interactions avec des molécules de solutés (effet osmotique).
[soluté] élevée faible aw
Réduite par l’absorption sur des surfaces (effet matrice).
L’activité de l’eau est inversement
proportionnelle à la pression osmotique.
L’activité de l’eau et la croissance microbienne
Les organismes osmotolérants
Peuvent croître sous une très large gamme d’activités de l’eau ou de concentrations osmotiques.
Peuvent utiliser des solutés compatibles afin
d’augmenter leur concentration osmotique interne.
Ces solutés sont compatibles avec le métabolisme et la croissance.
Certains de ces organismes possèdent des protéines et membranes qui nécessitent des concentrations
élevées en solutés pour maintenir leur stabilité et activité.
Halophiles
Nécessitent une concentration élevée en NaCl pour croître.
Les effets du chlorure sodique sur la croissance microbienne
Le pH
Définit comme le logarithme négatif de la concentration en ions
hydrogène.
Le pH
Acidophiles
Croissance optimum entre pH 0 et pH 5.5.
Neutrophiles
Croissance optimum entre pH 5.5 et pH 8.5.
Alcalophiles
Croissance optimum entre pH 8.5 et pH 11.5.
La plupart des acidophiles et des alcalophiles maintiennent un pH interne près de la neutralité.
Certains utilisent des mécanismes d’échange de protons/ions.
Certains synthétisent des protéines qui fournissent une protection.
i.e., protéines du choc acide.
Plusieurs micro-organismes peuvent altérer le pH de leur
environnement en produisants des déchets acides ou alcalins.
La plupart des milieux de culture possèdent des tampons pour prévenir l’inhibition de croissance.
Température
La croissance de chaque
organisme dépend des températures dites
cardinales
minimale
maximale
optimale
Température
La concentration en oxygène
Besoin d’oxygène
Requiert 2 - 10%
d’oxygène
Aérobie obligatoire
Anaérobie facultatif
Anaérobie aérotolérant
Anaérobie strict
Microaérophile Préfère
l’oxygène
Ignore l’oxygène
L’oxygène est toxique
Les bases des différentes réponses à l’oxygène
L’oxygène est facilement réduit en produits toxiques
Radical superoxyde
Peroxyde d’hydrogène
Radical hydroxyle
Les aérobies produisent des enzymes de protection
Superoxide dismutase (SOD)
Catalase
L’oxygène et la croissance bactérienne
La croissance des anérobies
Le système Gas Pak
Approches possibles:
Milieu anaérobie spécial contenant des agents réducteurs comme le thioglycolate ou la cystéine.
On enlève l’air à l’aide d’une pompe à vide et on expulse l’O2 résiduel avec de l’azote.
Système Gas Pak ou sacs de plastiques (systèmes scellés).
De l’hydrogène et de l’anhydride carbonique sont produits par une enveloppe Gas Pak. Un catalyseur contenant du palladium catalyse
la formation d’eau à partir d’hydrogène et d’oxygène, éliminant ainsi l’oxygène du contenant scellé.
La pression
Organismes barotolérants
Affectés de façon défavorable par une
augmentation de pression, mais pas autant que les bactéries non tolérantes.
Organismes barophiles
Croissance plus rapide à des pressions élevées.
Les radiations
Dommages causés par des radiations
Les radiations ionisantes
Rayons X et gamma.
Mutations mort.
Modifient la structure chimique de différentes molécules, incluant l’ADN.
La lumière ultraviolette (UV)
Mutations mort
Engendre la formation de dimères de thymine au niveau de l’ADN.
Les dommages au niveau de l’ADN peuvent parfois être réparés par des
mécanismes:
Photoréactivation – Les dimères sont clivés en présence de lumière.
Réaction à l’obscurité – Les dimères sont excisés et
remplacés en absence de lumière.
Dommages causés par des radiations
La croissance microbienne dans des environnements naturels
L’environnement des micro-organismes
est complexe et en perpétuel changement.
Dans un endroit particulier, les micro-
organismes sont exposés à de nombreux
gradients chevauchants de nutriments et
d’autres facteurs du milieu.
Loi du minimum de Leibig
La biomasse totale d’un organisme sera
déterminée par l’élément nutritif présent en moindre quantité par rapport aux exigences de l’organisme.
Loi de tolérance de Shelford
Il y a des limites dans les facteurs
environnementaux au-dessous et au-dessus desquelles un organisme ne peut survivre et se développer quelque soit l’apport en
nutriment.
Limitation de la croissance par des facteurs
environnementaux
Les biofilms
Communautés complexes de micro-organismes enveloppés dans un mucus. Une fois fixés, les micro-organismes commencent à libérer des polysaccharides, des protéines et de l’ADN qui permettent aux cellules d’adhérer de manière plus stable à la surface.
La communication intercellulaire dans les populations microbiennes
