Croissance

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 microorganismes 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.
La courbe de croissance microbienne dans un
système fermé
Arrêt de la croissance
Divisions à un
Taux maximal
Pas
d’augmentation
Diminution
du nombre
de cellules
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
Étalement sur milieu solide

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.
Décompte sur membranes filtrantes
déposées sur milieu gélosé
Particulièrement utile pour étudier des échantillons auqatiques
Mesure de la masse cellulaire

Poids sec


Quantité de certains constituants cellulaires



Technique peu sensible et longue à effectuer.
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.
Turbidité et mesure de la masse cellulaire
Plus de cellules

Plus de dispersion
de la lumière

Moins de lumière
détectée
(↑absorbance)
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 (aw)




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
Aérobie
obligatoire
Préfère
l’oxygène
Anaérobie
facultatif
Ignore
l’oxygène
Anaérobie
aérotolérant
L’oxygène
est toxique
Anaérobie
strict
Requiert 2 - 10%
d’oxygène
Microaérophile
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

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.
Le système Gas Pak
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.
Dommages causés par des radiations

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.
La croissance microbienne dans des
environnements naturels

L’environnement des micro-organismes
est complexe et en perpétuel changement.
Dans un endroit particulier, les microorganismes sont exposés à de nombreux
gradients chevauchants de nutriments et
d’autres facteurs du milieu.
Limitation de la croissance par des facteurs
environnementaux

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.
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