- Qui était Sergei Winogradsky?
- Qu'est-ce que la colonne Winogradsky?
- Que se passe-t-il dans la colonne vertébrale?
- Zonage de la colonne Winogradsky
- Zone anaérobie
- Zone aérobie
- Applications
- Références
La colonne Winogradsky est un appareil utilisé pour la culture de différents types de micro-organismes. Il a été créé par le microbiologiste russe Sergei Winogradsky. La croissance des microorganismes sera stratifiée dans toute la colonne.
La stratification est effectuée en fonction des besoins nutritionnels et environnementaux de chaque groupe d'organismes. Pour cela, différents types de nutriments et de sources d'énergie sont fournis à l'appareil.
Colonne Winogradsky. Tiré et édité de: UPVD-BioEcoL3-2010, de Wikimedia Commons.
La colonne est un milieu de culture enrichi, où se développeront des microorganismes de différents groupes. Après une période de maturation pouvant durer de plusieurs semaines à plusieurs mois, ces micro-organismes deviendront disponibles dans des microhabitats spécifiques.
Les microhabitats créés dépendront du matériel utilisé et des interrelations entre les organismes qui se développent.
Qui était Sergei Winogradsky?
Sergei Winogradsky (1856-1953), le créateur de la colonne qui porte son nom, était un microbiologiste russe né à Kiev, aujourd'hui capitale de l'Ukraine. En plus d'être microbiologiste, il était également un expert en écologie et en étude des sols.
Son travail avec les micro-organismes soufrés et les processus biogéochimiques de l'azote lui a valu une grande renommée. Il a décrit de nombreux nouveaux microorganismes, dont les genres Nitrosomona et Nitrobacter. Il a également été le découvreur de la chimiosynthèse.
Parmi les nombreuses distinctions reçues par ce microbiologiste, on trouve la nomination de membre honoraire de la Société des sciences naturelles de Moscou.
Il était également membre de l'Académie française des sciences. En 1935, il reçut la médaille Leeuwenhoek, une reconnaissance accordée par l'Académie royale des arts et des sciences des Pays-Bas. Il a été invité par Louis Pasteur lui-même à être responsable de la microbiologie à l'Institut Pasteur.
Qu'est-ce que la colonne Winogradsky?
Cet appareil n'est rien de plus qu'un cylindre en verre ou en plastique contenant différents matériaux. Le cylindre est rempli au tiers de sa capacité avec de la boue ou de la boue riche en matière organique.
Par la suite, de la cellulose et toute autre matière organique sont ajoutées, qui serviront de source de carbone organique. Comme source de soufre, du sulfate de calcium est ajouté et du carbonate de calcium est ajouté pour maintenir l'équilibre du pH. La colonne est complétée par l'eau d'une rivière, d'un lac, d'un puits, etc.
L'appareil doit ensuite être mûri ou incubé au soleil ou à la lumière artificielle pendant une période de quelques semaines à quelques mois. Après ce temps, la colonne vertébrale se stabilise et des microhabitats bien définis sont établis. Dans chaque micro-habitat, des micro-organismes spécifiques se développeront en fonction de leurs besoins particuliers.
Que se passe-t-il dans la colonne vertébrale?
Les premiers microorganismes à coloniser la colonne commenceront à utiliser les éléments de la colonne et à libérer des gaz et d'autres substances qui inhiberont ou favoriseront le développement d'autres espèces.
Au fil du temps, l'activité des micro-organismes et des processus abiotiques produira des gradients chimiques et environnementaux le long de la colonne. Grâce à cela, diverses niches seront générées pour la croissance microbienne.
En permettant à cette colonne de mûrir ou d'incuber sous la lumière du soleil ou une lumière artificielle pendant des semaines ou des mois, des gradients d'oxygène et de sulfures se forment.
Cela permet le développement d'un écosystème microbien structuré avec une grande variété de microhabitats. De cette manière, tous les processus qui permettent le maintien des cycles nutritifs ont lieu dans la colonne.
La zone supérieure de la colonne, en contact avec l'air, sera la plus riche en oxygène, qui se diffusera lentement vers le bas.
En parallèle, les produits générés dans la partie inférieure de la colonne, produit de la dégradation de la cellulose et du sulfure d'hydrogène, diffuseront verticalement vers le haut.
Zonage de la colonne Winogradsky
Zone anaérobie
La génération et la diffusion de métabolites microbiens, dues aux différents gradients chimiques, sont à l'origine d'une distribution de groupes d'organismes selon leurs besoins.
Cette distribution est similaire à celle établie dans la nature. De cette façon, la colonne Winogradsky simule la distribution microbienne verticale trouvée dans les lacs, les lagunes, entre autres.
La partie inférieure de la colonne est complètement dépourvue d'oxygène et est à la place riche en sulfure d'hydrogène. Dans ce domaine, les bactéries anaérobies comme le Clostridium dégradent la cellulose. Produit de cette dégradation, on obtient des acides organiques, des alcools et de l'hydrogène.
Les métabolites produits par Clostridium servent de substrat aux espèces réductrices de sulfate, par exemple Desulfovibrio. Ceux-ci, à leur tour, utilisent des sulfates ou d'autres formes de soufre partiellement oxydé.
En tant que produit final, ils libèrent du sulfure d'hydrogène et sont responsables des fortes concentrations de ce gaz à la base de la colonne.
La présence de bactéries sulfato-réductrices sur la colonne est représentée par des zones sombres à la base de la colonne. Au-dessus de la bande basale, deux bandes peu profondes apparaissent, avec des espèces utilisant le sulfure d'hydrogène produit dans la bande inférieure. Ces deux bandes sont dominées par des bactéries photosynthétiques anaérobies.
La plus basale de ces bandes contient les bactéries soufrées vertes (chlorobium). La bande suivante est dominée par les bactéries soufrées violettes du genre Chromatium. Près de ces bandes, des bactéries qui réduisent le fer apparaissent, telles que Gallionella, Bacillus ou Pseudomonas.
Bactéries vertes de soufre (Chlorobiaceae) au bas d'une colonne Winogradsky. Photographie de: kOchstudiO, Mikrobiologie Praktikum Universität Kassel März 2007. Tiré et édité de:
Zone aérobie
Un peu plus haut dans la colonne, de l'oxygène commence à apparaître, mais à de très faibles concentrations. Cette zone est appelée microaérophile.
Ici, des bactéries telles que Rhodospirillum et Rhodopseudomonas profitent du peu d'oxygène disponible. Le sulfure d'hydrogène inhibe la croissance de ces bactéries microaérophiles.
La zone aérobie est divisée en deux couches:
- Le plus basal d'entre eux, représenté par l'interface boue-eau.
- La zone la plus externe est constituée de la colonne d'eau.
Des bactéries de genres tels que Beggiatoa et Thiothrix se développent à l'interface boue-eau. Ces bactéries peuvent oxyder le soufre provenant des couches inférieures.
La colonne d'eau, pour sa part, est colonisée par une grande diversité d'organismes, dont des cyanobactéries, des champignons et des diatomées.
Applications
-La colonne de Winogradsky a diverses utilisations, parmi les plus fréquentes:
-Enquêter sur la diversité métabolique microbienne.
-Etude des successions écologiques.
-Enrichissement ou isolement de nouvelles bactéries.
-Tests de bioremédiation.
-Génération de biohydrogène.
-Étudier les influences des facteurs environnementaux sur la structure et la dynamique de la communauté microbienne et les bactériophages associés.
Références
- DC Anderson, RV Hairston (1999). La colonne Winogradsky et les biofilms: modèles pour enseigner le cycle et la succession des nutriments dans un écosystème. Le professeur de biologie américain.
- DJ Esteban, B. Hysa, C. Bartow-McKenney (2015). Distribution temporelle et spatiale de la communauté microbienne des colonnes Winogradsky. PLOS ONE.
- JP López (2008). La colonne Winogradsky. Un exemple de microbiologie de base dans un laboratoire d'enseignement secondaire. Magazine Eureka sur l'enseignement et la diffusion des sciences.
- Sergei Winogradsky. Sur Wikipedia. Récupéré de en.wikipedia.org.
- ML de Sousa, PB de Moraes, PRM Lopes, RN Montagnolli, DF de Angelis, ED Bidoia (2012). Colorant textile traité photoélectrolytiquement et contrôlé par des colonnes Winogradsky. Science du génie de l'environnement.
- Colonne Winogradsky. Sur Wikipedia. Récupéré de en.wikipedia.org.