MICROBIOLOGIE ENVIRONNEMENTALE: OBJET D'ÉTUDE ET APPLICATIONS - LA BIOLOGIE - 2024

La microbiologie environnementale est la science qui étudie la diversité et la fonction des micro-organismes dans leurs environnements naturels et les applications de leurs capacités métaboliques dans la biorestauration des sols et de l'eau contaminés. Il est généralement divisé en disciplines: écologie microbienne, géomicrobiologie et bioremédiation.

Microbiologie (mikros: petit, bios: vie, logos: étude), étudie de manière interdisciplinaire un groupe large et diversifié d'organismes unicellulaires microscopiques (de 1 à 30 µm), visibles uniquement à travers le microscope optique (invisible à l'œil humain)).

Figure 1. À gauche: microscope optique, un instrument qui permet d'observer les micro-organismes sous grossissement (Source: https://pxhere.com/es/photo/1192464). À droite: micrographie électronique de bactéries largement répandues dans le genre Pseudomonas (Par: CDC, avec l'aimable autorisation: Public Health Image Library).

Les organismes regroupés dans le domaine de la microbiologie sont différents à de nombreux égards importants et appartiennent à des catégories taxonomiques très différentes. Ils existent sous forme de cellules isolées ou associées et peuvent être:

• Principaux procaryotes (organismes unicellulaires sans noyau défini), tels que les eubactéries et les archéobactéries.
• Eucaryotes simples (organismes unicellulaires avec un noyau défini), tels que levures, champignons filamenteux, microalgues et protozoaires.
• Virus (qui ne sont pas cellulaires, mais microscopiques).

Les micro-organismes sont capables de réaliser tous leurs processus vitaux (croissance, métabolisme, génération d'énergie et reproduction), indépendamment des autres cellules de la même classe ou d'une classe différente.

Caractéristiques microbiennes pertinentes

Interaction avec l'environnement extérieur

Les organismes unicellulaires libres sont particulièrement exposés à l'environnement extérieur. De plus, ils ont à la fois une très petite taille de cellule (ce qui affecte leur morphologie et leur flexibilité métabolique), et un rapport surface / volume élevé, ce qui génère des interactions étendues avec leur environnement.

Pour cette raison, la survie et la distribution écologique microbienne dépendent de sa capacité d'adaptation physiologique aux variations environnementales fréquentes.

Métabolisme

Le rapport surface / volume élevé génère des taux métaboliques microbiens élevés. Ceci est lié à son taux rapide de croissance et de division cellulaire. De plus, dans la nature, il existe une grande diversité métabolique microbienne.

Les micro-organismes peuvent être considérés comme des machines chimiques, qui transforment diverses substances à la fois à l'intérieur et à l'extérieur. Cela est dû à son activité enzymatique, qui accélère les taux de réactions chimiques spécifiques.

Adaptation à des environnements très divers

En général, le microhabitat microbien est dynamique et hétérogène en ce qui concerne le type et la quantité de nutriments présents, ainsi que leurs conditions physico-chimiques.

Il existe des écosystèmes microbiens:

• Terrestre (sur roches et sol).
• Aquatique (dans les océans, les étangs, les lacs, les rivières, les sources chaudes, les aquifères).
• Associé à des organismes supérieurs (plantes et animaux).

Environnements extrêmes

Les micro-organismes se trouvent dans pratiquement tous les environnements de la planète Terre, familiers ou non aux formes de vie supérieures.

Les environnements aux conditions extrêmes de température, de salinité, de pH et de disponibilité de l'eau (entre autres ressources), présentent des microorganismes «extrémophiles». Celles-ci ont tendance à être principalement des archées (ou des archéobactéries), qui forment un domaine biologique primaire différencié de celui des bactéries et eucarya, appelé archées.

Figure 2. Habitats des microorganismes extrémophiles. À gauche: eau de source chaude dans le parc national de Yellowstone, où des microorganismes thermophiles ont été étudiés (Source: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons). À droite: l'Antarctique, un endroit où les microorganismes psychrophiles ont été étudiés (Source: pxhere.com).

Microorganismes extrémophiles

Parmi la grande variété de micro-organismes extrémophiles, on trouve:

• Thermophiles: qui présentent une croissance optimale à des températures supérieures à 40 ° C (habitants des sources thermales).
• Psychrophiles: de croissance optimale à des températures inférieures à 20 ° C (habitants des lieux avec de la glace).
• Acidophile: avec une croissance optimale dans des conditions de pH bas, proche de 2 (acide). Présent dans les sources chaudes acides et les crevasses volcaniques sous-marines.
• Halophiles: nécessitant de fortes concentrations de sel (NaCl) pour se développer (comme dans les saumures).
• Xerophiles: capables de résister à la sécheresse, c'est-à-dire à une faible activité de l'eau (habitants de déserts comme l'Atacama au Chili).

Biologie moléculaire appliquée à la microbiologie environnementale

Isolement microbien et culture

Pour étudier les caractéristiques générales et les capacités métaboliques d'un microorganisme, il doit être: isolé de son milieu naturel et conservé en culture pure (exempte d'autres microorganismes) en laboratoire.

Figure 3. Isolement microbien en laboratoire. À gauche: champignons filamenteux poussant sur un milieu de culture solide (Source: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). À droite: isolement d'une souche bactérienne par la technique de l'ensemencement par déplétion (Source: Drhx, de Wikimedia Commons).

Seul 1% des microorganismes existant dans la nature a été isolé et cultivé en laboratoire. Cela est dû au manque de connaissance de ses besoins nutritionnels spécifiques et à la difficulté de simuler la grande variété des conditions environnementales existantes.

Outils de biologie moléculaire

L'application des techniques de biologie moléculaire au domaine de l'écologie microbienne a permis d'explorer la biodiversité microbienne existante, sans qu'il soit nécessaire de l'isoler et de la cultiver en laboratoire. Elle a même permis d'identifier des microorganismes dans leurs microhabitats naturels, c'est-à-dire in situ.

Ceci est particulièrement important dans l'étude des microorganismes extrémophiles, dont les conditions de croissance optimales sont complexes à simuler en laboratoire.

D'autre part, la technologie de l'ADN recombinant avec l'utilisation de micro-organismes génétiquement modifiés a permis d'éliminer les substances polluantes de l'environnement dans les processus de bioremédiation.

Domaines d'étude de la microbiologie environnementale

Comme indiqué initialement, les différents domaines d'étude de la microbiologie environnementale comprennent les disciplines de l'écologie microbienne, de la géomicrobiologie et de la biorestauration.

-Écologie microbienne

L'écologie microbienne fusionne la microbiologie avec la théorie écologique, à travers l'étude de la diversité des rôles fonctionnels microbiens dans leur environnement naturel.

Les micro-organismes représentent la plus grande biomasse de la planète Terre, il n'est donc pas surprenant que leurs fonctions ou rôles écologiques affectent l'histoire écologique des écosystèmes.

Un exemple de cette influence est l'apparition de formes de vie aérobies grâce à l'accumulation d'oxygène (O ₂) dans l'atmosphère primitive, générée par l'activité photosynthétique des cyanobactéries.

Domaines de recherche de l'écologie microbienne

L'écologie microbienne est transversale à toutes les autres disciplines de la microbiologie, et des études:

• Diversité microbienne et son histoire évolutive.
• Interactions entre micro-organismes dans une population et entre populations dans une communauté.
• Interactions entre micro-organismes et plantes.
• Phytopathogènes (bactériens, fongiques et viraux).
• Interactions entre micro-organismes et animaux.
• Les communautés microbiennes, leur composition et les processus de succession.
• Adaptations microbiennes aux conditions environnementales.
• Les types d'habitats microbiens (atmosphère-écosphère, hydro-écosphère, litho-écosphère et habitats extrêmes).

-Géomicrobiologie

La géomicrobiologie étudie les activités microbiennes qui affectent les processus géologiques et géochimiques terrestres (cycles biogéochimiques).

Celles-ci se produisent dans l'atmosphère, l'hydrosphère et la géosphère, en particulier dans des environnements tels que les sédiments récents, les masses d'eau souterraine en contact avec les roches sédimentaires et ignées, et dans la croûte terrestre altérée.

Il se spécialise dans les micro-organismes qui interagissent avec les minéraux de leur environnement, les dissolvant, les transformant, les précipitant, entre autres.

Domaines de recherche en géomicrobiologie

Etudes géomicrobiologiques:

• Interactions microbiennes avec les processus géologiques (formation du sol, dégradation des roches, synthèse et dégradation des minéraux et des combustibles fossiles).
• La formation de minéraux d'origine microbienne, soit par précipitation, soit par dissolution dans l'écosystème (par exemple, dans les aquifères).
• Intervention microbienne dans les cycles biogéochimiques de la géosphère.
• Interactions microbiennes qui forment des amas indésirables de micro-organismes sur une surface (bio-encrassement). Ces bio-encrassements peuvent entraîner une détérioration des surfaces qu'ils habitent. Par exemple, ils peuvent corroder les surfaces métalliques (biocorrosion).
• Preuve fossile des interactions entre les micro-organismes et les minéraux de leur environnement primitif.

Par exemple, les stromatolithes sont des structures minérales fossiles stratifiées provenant d'eaux peu profondes. Ils sont constitués de carbonates provenant des parois de cyanobactéries primitives.

Figure 4. À gauche: stromatolites fossiles en eau peu profonde (source photo de gauche: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). À droite: détail des stromatolites (Source photo de droite:

-Bioremédiation

La bioremédiation étudie l'application d'agents biologiques (micro-organismes et / ou leurs enzymes et plantes), dans les processus de récupération des sols et des eaux contaminés par des substances dangereuses pour la santé humaine et l'environnement.

Figure 5. Contamination pétrolière dans la forêt amazonienne équatorienne. Source: Ministère des Affaires étrangères de l'Équateur, via Wikimedia Commons

Bon nombre des problèmes environnementaux qui existent actuellement peuvent être résolus grâce à l'utilisation de la composante microbienne de l'écosystème mondial.

Domaines de recherche de la bioremédiation

Etudes de bioremédiation:

• Les capacités métaboliques microbiennes applicables dans les processus d'assainissement de l'environnement.
• Interactions microbiennes avec les polluants inorganiques et xénobiotiques (produits synthétiques toxiques, non générés par des processus de biosynthèse naturels). Parmi les composés xénobiotiques les plus étudiés figurent les halocarbures, les nitroaromatiques, les biphényles polychlorés, les dioxines, les alkylbenzyl sulfonates, les hydrocarbures pétroliers et les pesticides. Parmi les éléments inorganiques les plus étudiés figurent les métaux lourds.
• La biodégradabilité des polluants environnementaux in situ et en laboratoire.

Applications de la microbiologie environnementale

Parmi les nombreuses applications de cette vaste science, on peut citer:

• La découverte de nouvelles voies métaboliques microbiennes avec des applications potentielles dans des processus à valeur commerciale.
• Reconstruction des relations phylogénétiques microbiennes.
• L'analyse des aquifères et des approvisionnements publics en eau potable.
• Dissolution ou lixiviation (biolixiviation) des métaux dans le milieu, pour leur récupération.
• Biohydrométallurgie ou bio-extraction des métaux lourds, dans les processus de biorestauration des zones contaminées.
• Contrôle biologique des microorganismes impliqués dans la biocorrosion des conteneurs de déchets radioactifs dissous dans les aquifères souterrains.
• Reconstruction de l'histoire terrestre primitive, du paléoenvironnement et des formes de vie primitives.
• Construction de modèles utiles à la recherche de vie fossilisée sur d'autres planètes, comme Mars.
• Assainissement des zones contaminées par des substances xénobiotiques ou inorganiques, telles que les métaux lourds.

Références

1. Ehrlich, HL et Newman, DK (2009). Géomicrobiologie. Cinquième édition, CRC Press. pp 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremédiation des métaux grâce à des cellules en croissance. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
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4. Prescott, LM (2002). Microbiologie. Cinquième édition, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extrémophiles comme source de nouvelles enzymes. Opinion actuelle en microbiologie, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
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