FONCTIONNEMENT DES ÉCOSYSTÈMES MICROBIENS RIDIGE PAR ZAKARYAE KABBOU FONCTIONNEMENT DES ÉCOSYSTÈMES MICROBIENS • communautés microbiennes en général et sur divers cycles biogéochimiques les sols et les sédiments sont les biotopes les plus riches en taxons microbiens Alphaprotéobactéries bétaprotéobactéries. << >> •les taxons les plus adaptés peuvent se multiplier sans éliminer les moins adaptés [maintenir à des niveaux très faibles]. •L'ADN des microorganismes morts peut aussi se maintenir sur les constituants comme l'argile du sol pendant des années. •jusqu'à ce qu'une bactérie compétente l'intégre à son génome et modifie ses capacités métaboliques. •Un inventaire par PCR-séquençage des bactéries présentes dans un sol typique montre une abondance de protéobactéries (alpha, gamma), d'actinobactéries et d'acidobactéries ce dernier groupe taxonomique étant essentiellement constitué de bactéries non-isolées donc non-caractérisées. •Cette repartition change en fonction de l'état du sol et un ajout de nickel par exemple comme dans les sols autour des sites minlers de Nouvelle-Calédonie va diminuer la proportion relative des alphaprotéobactéries et augmenter celle des bétaprotéobactéries. • Les tapis microbiens •Les tapis microbiens, structures stratifiées de microorganismes, se développent dans les zones côtières particulièrement exposées aux pollutions par des hydrocarbures. •les tapis de Camargue et tapis de l'Etang de Berre ont été étudiés. Le tapis de Camargue •considéré comme non pollué, est localisé dans un bassin de préconcentration d'eau de mer dans les marais salants. •Leur structure verticale. Le tapis de l'Etang de Berre • localisé dans une station de traitement des eaux de ruissellement d'une raffinerie pétrolière et est par conséquent considéré comme étant fortement contaminé. • une contamination chronique. •ces tapis ont été maintenus en microcosmes au laboratoire afin d'évaluer l'impact du pétrole sur les communautés bactériennes et leur capacité de dégradation puisqu'ils sont en première ligne en cas de pollution marine. • les analyses par DGGE et RISA ont montré que deux sites, exposés à différents niveaux de contamination, possédaient des communauté bactériennes spécifiques mais des indices de diversité similaires la comparaison de la composition des communautés montre que les gamma- et les alphaprotéobactéries sont abondantes dans les deux sites . •La structure de la communauté bactérienne est modifiée après plus d'un mois de contamination. • Toutefois l'analyse de la communauté active (analyse de TARN) montre que la modification intervient des l'ajout du polluant. Les gammaproteobacleries dominent la communauté dans un premier temps puis les alphaprotéobactéries et les Bacilliaceae prennent le relais. • Ces évolutions confirment que les communautés bactériennes s'adaptent à la présence du polluant, puis que le tapis microbien retrouve sa structure originale un an après la contamination. •Des études fonctionnelles ont été entreprises afin de mètre en évidence les mécanismes d'adaptation à la présence de pétrole. • alors que les phylotypes associés aux deltaprotéobactéries et au groupe WS3 sont détectées dans le site le plus pollué. Des consortiums capables de dégrader des hydrocarbures ont été obtenus sur des milieux d'enrichissement. L'identification des espèces bactériennes présentes dans ces consortiums montre que les espèces impliquées dans la dégradation appartiennent à l'ordre des Rhodobacterales. • Ces observations suggèrent que la pollution n'affecte pas la richesse spécifique des tapis microbiens et il semblerait que les populations impliquées dans la dégradation ne représentent qu'une fraction mineure de la communauté bactérienne. Biodiversité aquatique, fleurs d'eau Les questions qui se posent en ce qui concerne les milieux aquatiques portent sur la fleur d'eau ou efflorescence algale les pollutions, sur les courants les pathogènes des animaux et de l'homme, Les cours d'eau charrient des communautés bactériennes qui fluctuent en importance et en composition dans le temps en fonction des arrivées d'inoculums provenant ; des usines de traitement des eaux usées, des contaminations fécales (fosses septiques, élevages animaux) du ruissellement sur les surfaces. Les communautés bactériennes fluctuent aussi en fonction de l'irradiation, de la température, de l'arrivée d'éléments nutritifs, de la prédation par les phages ou les eucaryotes Ces fluctuations sont étudiées surtout pour identifier les arrivées de coliformes fécaux associées aux établissements agricolesusines de traitements des eaux Un ensemble de travaux basés sur une confrontation des approches moléculaires et culturales fait ressortir que l'état physiologique des bactéries composant la communauté joue un rôle central dans la transmission des maladies a l'homme en raison de la présence de souches via bles mais non cultivables L'autre problème majeur lié à la biodiversité bactérienne dans les biotopes aquatiques est la facteurs qui contrôlent les fleurcompréhension des s d'eau ou efflorescences algales accompagnées de désoxygénation. Ces augmentations rapides de la proportion de cyanobactéries pourraient n'étre que spectaculaires si ne s'y ajoutait un risque de santé publique lié à la présence d'espèces produisant des toxines qu'on retrouve en particulier dans les coquillages. Plusieurs travaux ont donc cherché à prédire les facteurs liés aux fleurs d'eau en général et à la production de toxines en particulier. Il ressort de ces travaux que leprincipal facteur limitant la production de fleur d'eau est la quantité de phosphore, ce qui est en contraition avec le principe général que l'azote est le facteur le plus souvent limitant de la production primaire, par exemple dans les sols, les systèmes marins et les eaux douces. Mer En ce qui concerne les océans, de nombreux travaux ont porté sur le fonctionnement naturel des cyles du carbone et de l'azote et des modifications induiles par des influences anthropiques et aussi des approches d'identification moléculaire dans la colonne d'eau (benthos) et dans le sédiment (pelagos). La distribution des OTUs suivie par RISA et mesures d'activités dans le bassin de San Pedro en Cawomie du Sud semble hétérologue avec des variations lees à la profondeur. Les travaux d identification moléculaire du picoplancton ont ainsi permis de montrerune diversitéimmense par rapport à celle connue Jusqu’alors mais avec des OTUs ayant une distributionplanétaire . Enfin, c'est par un travail sur les Océans que les approches de métagénomique ont été initiées.ce travail a porté sur le séquençage de l'ADN de Comunautes microbiennes de plusieurs sites de l'océan el a permis d'identifier des nom breuses séquences inconnues, en particulier et auss de voir que parmi les bactéries photosynthétiques celles appartenant aux 2 genres Prochlorococcus et Synechococcus étaient clairement dominantes. Tube digestif et communautés microbiennes Les questions qui se posent en ce qui concerne le tube digestif portent sur les pathogènes présents, la compétition et la production de gaz l’alimentation, des comparaison entre population, entre classes d’âge L’écologie microbienne du tube digestif humain a été beaucoup étudiée surtout en ce qui concerne quelques pathologies, Les aliments contiennent des quantités quelques fois importantes de micro-organismes, en particulier les aliments fermentés ou faisandés. par ailleurs, la naissance puis le contact avec la mère et le monde extérieur constituent des inoculums bactériens importants pour la colonisation du tube digestif. Des inventeras moléculaires des bactéries présentes dans l'estomac ont ainsi mis en évidence la présence de 128 phylotypes, appartenant principalement aux protéobacteries, Firmicutes, actinobactéries, Bactéridies, et aux fusobactéries (Bik et al., 2006). L'intestin humain normal, lui, comporte une communauté microbienne beaucoup plus importante et plus diversifiée, comprenant des enterobactéries, des Bifidobacterium, des Bacteroidetes, etc. La composition de cette communauté fluctue le long du tube digestif, elle fluctue aussi tout au long de la vie humaine (Hayashi et al., 2003), selon en particulier le régime alimentaire (Hayashi et al., 2002) et bien sûr selon l'état physiologique de l'hôte. Plusieurs pathogènes sont d'ailleurs connus et discutés au chapitre 11. Si la communauté intestinale microbienne est en gros comparable d'un individu à l'autre au sein d'une population humaine, les méthanogènes par contre sont présents dans environ la moitié des individus, ce qui se traduit par le fait que ceux-ci produisent du méthane, alors que les autres produisent du CO2. Les micro-organismes présents dans l'intestin jouent plusieurs rôles importants dans l'absorption des nutriments, le métabolisme énergétique, et la défense contre les pathogènes microbiens (Braun and Wei, 2007). Il existe plusieurs maladies inflammatoire du tube digestif (« Inflammatory Bowel Disease », IBD) dont les plus connues sont la maladie de Crohn et la colite ulcéreuse (« Ulcerative colitis »). La maladie de Crohn est une pathologie dont l'étiologie est inconnue. Elle se traduit par une irritation et une inflammation de l'ensemble ou d'une partie du tube digestif, ce qui induit des difficultés alimentaires. Plusieurs agents pathogènes ont été incriminés comme des Mycobacterium spp. ou des Fusobacterium, voire un déséquilibre dans la composition de la communauté intestinale avec baisse de la proportion des Firmicutes et des Bacteroidetes (Frank et al., 2007) sans que l'on parvienne à un consensus. Cependant des traitements antibiotiques ayant pour résultat la baisse de membres de la communautés de l'intestin ont été corrélées à une diminution des symptômes de colite (Nomura et al., 2005). Il est maintenant admis que la communauté normale de l'intestin constitue une barrière contre les pathogènes, empêchant ceux-ci de s'établir, de se multiplier et de causer diverses pathologies. Dutres animaux ont une flore intestinale très différente de celle de l'homme. Les ruminants en particuler consomment de grandes quantités de cellulose, un polymère que les mammifères ne peuvent métaboliser en l'absence de cellulase. Cependant, certaines bactéries cellulolytiques peuvent se développer dans le tube digests, soit dans le rumen, soit chez les mammifères mono-stomacaux, seulement ces bactéries se situent dans le caecum et le glucose produit ne peut être assimilé que par coprophagie, une habitude retrouvé chez quelques animaux comme les chevaux, lapins, souris, rats, et certains insectes. Dans le rumen se trouvent donc des bactéries cellulolytiques en particulier Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus et Ruminococcus flavefaciens (Mosoni et al., 2007). Ces deux genres ont des caractéristiques physiologiques contrastées en ce qui concerne la production de méthane. Si plusieurs aliments n'ont pas eu d'effet sur l'équilibre microbien, l'ajout de levure vivante a par contre permis de le modifier dans un sens favorable (augmentation de la proportion des Ruminococci), ce qui a eu pour effet de diminuer la quantité de méthane produit. La synthèse d'acides aminés (Torrallardona et al., 1996), de vitamines (Coburn et al., 1989), la fixation de diazote (Bergersen et Hipsley, 1970; Potrikus and Breznak, 1977), voire la synthèse d'un facteur d'induction du sommeil (Brown et al., 1988) ont toutes été proposées comme liées aux bactéries intestinales. Il est vraisemblable que les travaux sur l'alimenta tion humaine vont être multipliés dans les années qui viennent pour identifier les facteurs de risque pour dirférentes maladies. On voit déjà des travaux faire le lien entre nutrition, metabolites du bol intestinal, cancer colorectal et communautés microbiennes (O'Keefe el al., 2007), ou encore entre microflore et le syndrome de l'intestin irritable (Lee et Pimentel, 2006). On devrait aussi voir des travaux sur d'autres aspects comme le lien entre communautés microbiennes et maladies cardiovaculaires, maladies immunes, maladies neurologiques. Peau et autres parties du corps humain Le tube digestif est la partie du corps humain ayant la plus forte densité de cellules microbiennes, par contre la peau, les muqueuses sexuelles, la cavité nasale hébergent aussi des communautés microbiennes aussi bien pathogènes que nonpathogènes. Une étude par pyroséquençage ciblant le gène 16S rRNA a ainsi permis d'identifier à la surface des mains plus de >150 phylotypes par individu sur un total de 4742 phy lotypes dans l'ensemble de l'échantillon avec des va riations très fortes entre individus, ou même pour les deux mains d'un individu avec comme facteurs explicatifs de cette diversité le sexe, la latéralisation et le temps depuis le dernier lavage de mains . Dans le cas de la peau superficielle et plus profonde du coude, une étude a montré que les bactéries présentes appartiennent à six divisions dont principalement les Proteobacteria, avec une structure proche de celle de la peau de souris (Grice et al., 2008). Une autre étude portant sur la peau des bras a plutôt montré la présence comme taxons dominants d'actinobactéries, de Firmicutes, et de protéobactéries (Gao et al., 2007). Une autre région étudiée chez l'homme pour ses odeurs réputées mauvaises est l'aisselle où des acides gras à longue chaine sécrétés par la peau sont transformés en composés volatiles malodorants. Une elude a montré la présence de 4 groupes bactériens principaux (staphylocoques, coryneformes aérobies, microcoques et propionibacteries), et des levures du genre Malassezia avec une corrélation entre intensité da l'odeur et présence de coryneformes aérobies (Taylor et al., 2003). Le vagin sain a été étudié en comparaison avec celui de patientes porteuses du HIV par pyroséquençage du 16S rRNA. Cette étude a montré une plus grande diversité bactérienne chez les patientes atteintes de vaginite bactérienne, ce qui n'était pas le cas des femmes porteuses du HIV avec des Lactobacillus spp. constituant 96 % des bactéries chez les femmes saines avec comme taxons aussi represen tés à un niveau de > 1% chez les femmes saines Provofelia, Megasphaera, Gardnerella, Coriobacter nove, Lachnospira, Sneathia. Propionibacterineae, Citrobacter et Anaerococcus présentes seulement chez les proteuses de HIV. Le plus surprenant est l'existence d'une diversité plus grande chez les femmes atteintes de vaginite et porteuses de HIV (Spear et al., 2008). Le lait maternel et le colostrum ont aussi été étudiés, ce qui a permis de montrer la présence comme bactéries dominantes de Staphylococcus epidermidis, Enterococcus faecalis suivies de Streptococcus mitis, Propionibacterium acnes et Staphylococcus lugdunensis sans bactérie pathogène (Martin et al., 2007: Jimenez et al., 2008). Des travaux proches sur le lait de vache sont aussi menés. Terre profonde L'analyse des aquifères et des environnements profonds nécessite la mise au point de méthodes propres d‘echantillonnage. La contamination de ces échantillons, où la diversité est faible, lors du prélèvement pose un problème majeur. Le suivi par T-RFLP des communautés bactériennes lors des prélèvements a ainsi permis la mise au point de la méthode d'échantillonnage. Les communautés bactériennes ont été caractérisées par des inventaires moléculaires et des méthodes culturales. Cette approche a permis d'accéder à une nouvelle source de diversité, notamment à des souches bactériennes piégées dans des couches géologiques anciennes permettant d'aborder des problématiques de paléomicrobiologie et celui des origines de la vie sur terre. Les sources d'énergie et de carbone y sont bien sûr limitantes, en dehors des sources hydrothermales ou des flux d'hydrogène provenant de la thermolyse de l'eau permettant à des bactéries chimiolithotrophes (hydrogénotrophes, fer) de prospérer. Les sources de carbone et d'azole sont rares mais des points chauds existent néanmoins ou de nombreux taxons prospèrent et sont actifs probablement depuis des périodes de temps considérables. Exploitation Industrielle de la biodiversité L'industrie alimentaire est une grande utilisatrice de la biodiversité microbienne. L'industrie fromagère française produit plusieurs centaines de fromages à pâte molle ou cuite, qui utilisent plusieurs espèces bactéries lactiques, qui contribuent à l'acidification du lait et participent également aux caractères sensoriels par la synthèse d‘enzymes lytiques, de bactéries propioniques ( Propionibacterium ) qui par la production de gaz carbonique produisent des trous. Sont aussi utilisés des fonges (levures des genres Kluyveromyces, Debaryomyces et Saccharomyces et les moisissures du genre Penicillium) qui produisent des arômes: Geotrichum candidum modifie l'aspect des fromages de chèvres (peau de crapa ud), Penicillium camembertii qui contribue à la formation d'une couche feutrée sur le Camembert et Penicillium roquefortil qui cause un persillage des fromages bleus). Des centaines de souches ont été sélectionnées pour chaque type de fromage au cours des siècles. Environnements anthropisés Les drainages miniers acides (DMA) sont considérés comme des environnements extrêmes d'une part parce qu'ils ont des valeurs de pH faible et d'autre part des concentrations en composés toxiques élevées. Ces environnements hostiles à la vie sont considérés comme de bons modèles pour aborder la problématique de l'origine de la vie sur terre. La composition des communautés bactériennes présentes dans le DMA de l'ancienne mine de plomb de Camoulès (Gard, France) montre des variations saisonnières associées aux variations de la concentration en oxygène dissous dans l'eau. Les principales bactéries isolées de cet environnement appartiennent aux genres Acidithiobacillus el Thiomonas, genres fréquemment rencontrés dans ces environnements Les analyses par T-RFLP montrent une diversité faible. L'inventaire moléculaire a permis de mettre en évidence le rôle des bactéries sulfato-réductrices (BSR) dans cet environnement. Des efforts sont actuelle ment entrepris pour isoler les souches de BSR jouant un rôle dans la transformation de l'arsenic. L'anthropisation peut aussi être faite par l'ajout de molécules organiques.
