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Les micro-organismes et les processus biologiques liés à l’environnement Les bioprocédés se divisent en deux catégories : Des traitements biologiques dans station d’épuration (déchets solides et eaux contaminées). Bioremédiation (ex : Pseudomonas dégradent hydrocarbures) Rappel : Les Pseudomonas sont des bacilles à gram – et mobiles. On les retrouve dans le sol, l’air… Certaines espèces peuvent être pathogènes pour l’homme. La biomasse peut être active naturellement ou alors par des bioprocédés industriels : biostimulation (activation de la biomasse) ou bioaugmentaion (amplification de la biomasse). I- Classification selon les types trophiques Source Energie Electrons Carbone Facteur de croissance Nature lumineuse chimique inorganique organique CO2 composés organiques non exigeant exigeant Classifications trophiques Photolithoautotrophe Photoorganohétérotrophe Chimiolithoautotrophe Chimiolithohétérotrophe Chimioorganohétérotrophe Types trophiques La syntrophie ou synergie métabolique Phototrophes représente les interactions métaboliques entre Chimiotrophes les différentes espèces. Lithotrophes Organotrophes Autotrophes Hétérotrophes Prototrophes Auxotrophes Micro-organismes représentatifs Bactéries sulfureuses et cyanobactéries Bactéries non sulfureuses Bactéries sulfureuses, ferrobactéries, bactéries nitrifiantes Bactéries non photosynthétiques, pathogènes A- Sources d’énergie 1- Phototrophie Donneurs d’électrons Photosynthèse primitive : Photosynthèse évoluée : anoxygénique oxygénique Un seul photosystème (PS I) d’où Deux PS (PS I et PS II) d’où photophosphorylation cyclique photophosphorylation cyclique et non cyclique H2, H2S, S, composé organique H2O Production d’O2 Pas de dégagement (anoxygénique) Pigments photosynthétiques Bactériochlorophylles a et b qui La chlorophylle a est le pigment absorbent dans l’infrarouge majoritaire Photosystèmes d’O2 Production d’O2 par photolyse de l’eau (oxygénique) anaérobie stricte (eau) aérobie auto ou hétérotrophes autotrophes Bactéries auxotrophes auxotrophes Bactéries pourpres (Pseudo.), Cyanobactéries vertes et héliobactéries La photosynthèse primitive permet une meilleure adaptation aux niches écologiques. 2- Chimiotrophie Il s’agit de la majorité des microorganismes. L’énergie est récupérée à partir de réactions d’oxydo-réductions. Il faut distinguer la respiration (aérobie) de la fermentation (anaérobie facultative ou stricte). Les fermentations microbiennes les plus courantes à partir du pyruvate sont les fermentations alcoolique, lactique, acides mixtes, propionique, butanediolique et butylique/butyrique. Les organismes chimiolithotrophes utilisent des donneurs d’électrons minéraux (protéobactéries). Ils sont utilisés dans les bioprocédés environnementaux. Les Chimioorganotrophes utilisent des donneurs d’électrons organiques. Ils sont étudiés dans les domaines de la santé (pathogènes) et de nombreux domaines biotechnologiques (production de molécules, biocarburants, agronomie…). B- Sources de carbone 1- Autotrophie Les bactéries autotrophes utilisent le CO2 comme source de carbone. L’assimilation de ce CO2 est fait grâce à l’énergie chimique (chimiolithotrophes) ou à l’énergie lumineuse (photolithotrophes). 2- Hétérotrophie La source de carbone est une molécule organique (sucre, acide gras, acide organique…). Les bactéries peuvent avoir besoin d’une seule ou de plusieurs sources de carbone. Prototrophie Auxotrophie 1 source de carbone (glucose, Plrs sources (ex : Synthèses amidon, cellulose…) Pseudomonas sp.) Exigeants (aa, bases, vitamines) Facteurs de Non exigeants croissance Spécificité Marqueur de sélection Les bactéries hétérotrophes sont impliquées dans les bioprocédés environnementaux. II- Processus biologiques liés à l’azote A- Fixation de l’azote gazeux Il s’agit de la réduction de l’azote atmosphérique en ammoniaque NH3 grâce à la nitrogénase en anaérobie. Le coût énergétique est élevé (3 ou 4 ATP). Les bactéries capables de fixer l’azote gazeux sont les bactéries du sol (Azotobacter…), les cyanobactéries (Anabaena) et les bactéries symbiotiques (Rhizobium dans les légumineuses). B- Transformation de l’azote moléculaire 1- Ammonification A partir de protéines ou des acides aminés par désamination oxydative en aérobie pour obtenir de l’ammoniaque ou par décarboxylation d’acides aminés. Ces processus ont lieux chez les bactéries protéolytiques. A partir d’urée grâce à l’uréase qui dégrade l’urée et libère deux ammoniaques et un CO2. 2- Nitrification L’ammoniaque est oxydé en nitrite NO2- (Nitrosomonas) puis en nitrate NO3- (Nitrobacter). Ces réactions sont spécifique des bactéries, elles se font en aérobie par des microorganismes autotrophes et mésophiles. C’est un processus lent dû à un temps de génération élevé chez ces bactéries. 3- Dénitrification Réduction des nitrates NO3- en azote gazeux N2 par la respiration anaérobie. Réduction des nitrates en NH3 avant d’être incorporé dans matière organique par la nitrate réductase puis la nitrite réductase. Ce processus concerne les bactéries dénitrifiantes comme Thiobacillus denitrificans. III- Processus biologiques liés au soufre A- Réduction des sulfates Les sulfates SO42- sont réduits en sulfures par l’ATP sulfurylase, l’APS kinase, puis deux réductases. Les bactéries sulfato-réductrices réalisent ces réaction (Desulfobacter). La réduction des sulfates est utilisée pour la bioremédiation et la biolixiviation (traitement des minerais). Ces réactions ont néanmoins un effet indésirable pour les industries pétrolières : corrosion des pipelines. B- Oxydation des composés soufrés En anaérobie A partir de S2- on obtient du SO42- (fait intervenir sulfite réductase, APS réductase, ADP sulfurilase). Cela fait intervenir les bactéries sulfureuses vertes (Chlorobacteriaceae) et pourpres (Rhodospirillaceae). Il existe une cohabitation entre bactéries photosynthétiques et sulfato-réductrices. En aérobie Dans les milieux riches en sulfures et pauvres en O2 (sédiments, eaux usées…). Concerne les bactéries sulfureuses incolores (Thiobacillus). IV- Processus biologiques liés au fer Les férrobactéries sont autotrophes et catalyse la réaction Fe2+ Fe3+ en conditions d’aérobiose. Ces réactions sont utilisées dans les processus de bioremédiation, de désulfurisation des rejets et des hydrocarbures et de déferrisation des sols et eaux contaminés par métaux lourds. Attention à « l’ocre ferreux » : dégradation des conduits, puits. V- Autre processus biologique La pile à combustible microbienne Une bactérie en anaérobie produit de l’hydrogène et des électrons. On a alors production d’électricité grâce aux électrons, et l’hydrogène passe à travers une membrane pour resynthétiser des produits.
