Poly Cours5 - master bgstu bordeaux i

Microbiologie
EVI 783
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EPOC - UMR 5805
Station Marine d’Arcachon
2 rue Pr Jolyet
33120 Arcachon
Secrétariat : 05 56 22 39 12
V. Cycles de la matière
Cycle biogéochimique décrit les principales formes chimiques,
les compartiments au sein desquels elles sont engagées,
les flux entre ces différents compartiment et les équilibres
qui en résultent.
formes minérales ou organiques, dissoutes ou gazeuses, oxydées ou réduites
eaux, sols, atmosphère, lithosphère, biosphère, forêts, roches, phytoplancton,
réactions biologiques (catalyse enzymatique), physico-chimiques (dégazage;
photolyses,...)
stockage, recyclage,....
1. Rôles des microorganismes
70% de la masse d’une bactérie (≈10-12 g) est de l’eau, le reste est constitué de
protéines à plus de 70%.
Composition élémentaire moyenne d'une bactérie
C
50% de la masse sèche
O
23%
"
N
14%
"
H
8%
"
P
3%
"
S
1%
"
C129H248O45N31P3S
1. Rôles des microorganismes
écriture de la croissance selon une équation bilan
Croissance (Y = 30%) sur milieu minimum glucose d’une souche hétérotrophe par:
• Respiration
aérobie
471 CH2O + 31 NO3- + 3 PO43- + SO42- + 248 O2 C129H248O45N31P3S + 342 CO2 + 347 H2O
dont respiration aérobie : 342 x [CH2O + O2 CO2 + H2O]
• Dénitrification
471 CH2O + 304,6 NO3- + 3 PO43- + SO42- + 649,6 H+ C129H248O45N31P3S + 342 CO2 + 671,8 H2O + 136,8 N2
dont dénitrification : 68,4 x [5 CH2O + 4 H+ + 4 NO3- 5 CO2 + 7 H2O + 2 N2]
2. Cycle de l’azote
espèce
n.o
NO3-
NO2-
NO
N2O
N2
V
III
II
I
0
R-NH2 NH4+
-II
-III
2. Cycle de l’azote
2.1 Cycle interne
ammonification
N-organique
Acides Aminés
assimilation
immobilisation
N-humique
urée / NH4+
2.2 Fixation
• N2 + 8 H+ + 8 e- 2 NH3 + H2
• une fonction polyphylétique
• une seule enzyme, la Nitrogénase, enzyme typiquement
procaryote
• fixation libre dans les sols (Azotobacter) et les eaux douces
(Anabaena) ou marines (Trichodesmium), en aérobiose,
(Clostridium), bactéries pourpres et vertes, en anaérobiose.
• fixation symbiotique (mutualisme):
Rhizobium - Légumineuses, Frankia - aulnes
2.3 Nitrification
• Métabolisme aérobie
• Métabolisme oxydatif de type chimio lithotrophe
NH4+ + 3/2 O2 NO2- + 2 H+ + H2O
AOB:Nitroso…
NO2- + 1/2 O2 NO3-
NOB :Nitro…
• Métabolisme autotrophe (cycle de Calvin)
• Bactéries isolées du sol par S Winogradsky en 1890s
• γ and β Proteobactéries (AOB), archées (AOA)
• α (Nitrobacter), β (Nitrospira), δ and γ proteobacteria (NOB)
2.3 Nitrification
Candidatus « Nitrosopumilus maritimus »
2.3 Nitrification
Nitrosomonas
NH3
+
2e- + 2H+ + O2
NO2-
NH2OH
+
H 2O
5H+ + 4e-
Cyt c554
2 e-
Chaîne respiratoire, potentiel membranaire
2.3 Nitrification
• taux de croissances 0,02 à 0,07 h-1
• temps de générations 8 à 39h
• ≈1g de bactéries produite par mole d’N oxydée
• granules et neige marine
2.4 Dénitrification
(de Allen et Van Niel, 1952)
Bacterium denitrificans étudié par Barry et Stutzer, 1895
2.4 Dénitrification
• Respiration anaérobie
• Fonction polyphylétique (transfert horizontal de gènes)
• Métabolisme chimioorgano-hétérotrophe (Pseudomonas,…)
5 CH2O + 4 H+ + 4 NO3- 5 CO2 + 7 H2O + 2 N2
• ou chimiolitho-autotrophe (Thiobacillus denitrificans)
S2O32- + 5/3 NO3- 2 SO42- + 5/6 N2
De http://genome.jgi-psf.org
2.4 Dénitrification
Denitrification Pathway
+ eSoluble species
Gaseous species
NO3-
NO2-
NO
N2O
N2
+V
+III
+II
+I
0
narG/napA
nirS/K
norB/Z
nosZ
Nar/Nap
Cd/Cu-Nir
Nor/qNor
Nos
2.4 Dénitrification
Pseudomonas stutzeri (= Bacterium denitrificans de Barry et Stutzer, 1895)
2.4 Dénitrification
FNR (fumarate nitrate regulator)
• domaine senseur : noyau [Fe-S]
• domaine de dimérisation
• domaine de liaison à l’ADN (TTGAT-N4-ATCAA)
• sites de contact avec la RNA Pol
En présence d’O2:
oxydation du noyau Fe-S inactivation de FNR
En absence d’O2
• assemblage du noyau Fe-S dimérisation de FNR
• liaison à l’ADN (FNR box) activation de la RNA Pol
Figure 1 Organization of hynS FNRFNR-dependent promoter
Biochemical Society Transactions
www.biochemsoctrans.org
Biochem.
Biochem. Soc. Trans. (2005) 33, 3636-38
2.4 Dénitrification
FixL/FixJ (système à 2 composants)
Senseur
H
P
P
D
Régulateur
de réponse
Gènes cibles
• senseur : FixL : noyau hème (senseur O2), domaine PAS, Histidine kinase
(autophosphorylation)
• Régulateur de réponse: FixJ-P
En présence d’O2:
liaison au noyau hème inactivation de l’activité kinase
2.4 Dénitrification
Couplage avec la nitrification
à différentes échelles !
Sédiments / estuaire Weser (D)
Colonne d’eau (mer Noire)
2.4 Dénitrification
Galloway et al BioScience (2003) 53:341-356
2.5 Anammox
•Until now, oxidation of ammonium has only been known to proceed under aerobic conditions.
Recently, we observed that NH4+ was disappearing from a denitrifying fluidized bed reactor
treating effluent from a methanogenic reactor. Both nitrate and ammonium consumption increased
with concomitant gas production. A maximum ammonium removal rate of 0.4 kg N · m−3 · d−1 (1.2
mM/h) was observed. The evidence for this anaerobic ammonium oxidation was based on nitrogen
and redox balances in continuous-flow experiments. It was shown that for the oxidation of 5 mol
ammonium, 3 mol nitrate were required, resulting in the formation of 4 mol dinitrogen gas.
Subsequent batch experiments confirmed that the NH4+ conversion was nitrate dependent. It was
concluded that anaerobic ammonium oxidation is a new process in which ammonium is oxidized
with nitrate serving as the electron acceptor under anaerobic conditions, producing dinitrogen
gas. This biological process has been given the name ‘Anammox”
(anaerobic ammonium oxidation),and has been patented.
Mulder et al FEMS Microbiology Ecology (1995) 16 : 177–184
stoechiométrie : NH4+ + NO3 - N2 + 2H2O
de Graaf et al. Applied and Environmental Microbiology (1995) 61 : 1246-1251
2.5 Annamox
Biodiversité
Strous et al Nature (1999) 400:446-449
``lithotrophs missing from nature'
2.5 Annamox
Schmid et al System. Appl. Microbiol. (2003) 26: 529–538
2.5 Annamox
Structure cellulaire procaryote
Candidatus « Brocadia anammoxidans »
Niftrik et al FEMS Microbiology Letters (2004) 233:7-13
2.5 Annamox
Candidatus « Brocadia anammoxidans »
Niftrik et al FEMS Microbiology Letters (2004) 233:7-13
ladderanes
bourgeonnement
Planctomycetales: ether et ester linked fatty acids to P-Glycerol
no peptidoglycan (budding bacteria)
2.5 Annamox
Métabolisme et transformation de la matière
Espèces impliquées et nombre
d’oxydation de N :
NH3
(-III)
ammoniac
N2H4
(-II)
hydrazine
NH2OH (-I)
hydroxylamine
N2
(0)
diazote
NO2-
(+III)
ion nitrite
Chimio-lithotrophie
Niftrik et al FEMS Microbiology Letters (2004) 233:7-13
2.6 Quelques réflexions
• Importance des procaryotes
• Diversité métabolique, structure cellulaire et
taxonomique
• Ubiquité des fonctions microbiennes
Baas Becking, 1934:
« everything is everywhere but the environment selects »