Écologie microbienne
Microbiologie des milieux naturels et anthropisés
Jean-Claude Bertrand, Pierre Caumette, Philippe Lebaron, Robert Matheron, Philippe Normand
PUPPA
Partie 1
Chapitres généraux
Chapitre 1
Les champs thématiques de l'écologie microbienne
Jean-Claude Bertrand, Pierre Caumette, Philippe Lebaron & Philippe Normand
Chapitre 2
Quelques éléments historiques de l'écologie microbienne
Pierre Caumette*, Jean-Claude Bertrand & Philippe Normand
2.1. Introduction
9
2.2. À la découverte des micro-organismes
10
2.3. Les débuts de la microbiologie
12
2.4. Les débuts de l'écologie microbienne
14
2.5. L'écologie microbienne au cours du XXe siècle
18
2.5.1. Dans le monde18
2.5.2. ... et en France23
2.6. L'écologie microbienne aujourd'hui
23
2.6.1. Dans le monde23
2.6.2. ... et en France24
Chapitre 3
Structure et fonction des micro-organismes ; production et utilisation de la matière et de l'énergie
Robert Matheron* & Pierre Caumette
3.1. Structure et fonction des procaryotes et eucaryotes : caractéristiques et grandes différences
27
3.1.1. Les micro-organismes procaryotes27
¤ Les enveloppes cellulaires des procaryotes30
- La membrane cytoplasmique30
- La paroi31
¤ Le cytoplasme et le nucléoïde32
¤ Les spores et les appendices cellulaires34
3.1.2. Les micro-organismes eucaryotes34
3.2. Notion de métabolisme
35
3.3. Métabolisme énergétique
39
3.3.1. Principes généraux39
3.3.2. Les respirations chez les micro-organismes40
¤ La respiration aérobie chez les micro-organismes chimio-organotrophes40
- Oxydation des glucides42
- Oxydation des lipides43
- Oxydation des protéines43
- Synthèse de l'énergie43
¤ La respiration aérobie chez les micro-organismes chimiolithotrophes45
- Les principaux donneurs d'électrons des micro-organismes chimiolithotrophes45
- La production d'énergie chez les micro-organismes chimiolithotrophes47
¤ Les respirations anaérobies49
- La réduction dissimilatrice du nitrate50
- Cas particulier, l'anammox52
- La réduction dissimilatrice du sulfate52
- La respiration du fer ferrique ou ferri-réduction54
- La respiration du fumarate54
- La respiration du CO2 (acétogénèse et méthanogénèse)54
3.3.3. Les fermentations55
¤ Production d'hydrogène par les fermentations57
¤ Mécanisme de conservation de l'énergie57
¤ Diversité des fermentations et leurs voies métaboliques57
¤ Syntrophie. Transfert interspécifique d'hydrogène58
3.3.4. Les photosynthèses60
¤ Les pigments photosynthétiques des micro-organismes phototrophes chlorophylliens61
¤ Photosynthèse oxygénique62
¤ Photosynthèse anoxygénique63
¤ Utilisation de l'énergie lumineuse par les archées66
3.4. Production de matière et biosynthèses
66
3.4.1. Les micro-organismes autotrophes : l'assimilation du CO267
¤ La voie du ribulose 1,5-diphosphate67
¤ Le cycle inverse des acides tricarboxyliques69
¤ La voie réductrice de l'acétyl-CoA69
¤ Le cycle du 3-hydroxypropionate69
¤ La voie en C469
3.4.2. Assimilation des composés en C1 et composés assimilés70
¤ Micro-organismes méthylotrophes aérobies70
¤ Micro-organismes méthylotrophes anaérobies70
3.4.3. Les micro-organismes hétérotrophes70
¤ Assimilation des composés en C272
¤ Voies métaboliques centrales et formation du squelette carboné des principaux monomères72
3.4.4. Assimilation de l'azote, du soufre, des éléments essentiels73
¤ Assimilation des composés azotés73
- Réduction assimilatrice des nitrates73
- Fixation du diazote73
- Incorporation de l'ammonium75
¤ Assimilation des composés soufrés75
¤ Assimilation des autres composés minéraux, oligo-éléments et facteurs essentiels76
3.5. Conclusion
77
Partie 2
Taxonomie et évolution
Chapitre 4
Pendant trois milliards d'années les micro-organismes ont été les seuls habitants de la terre
Jean-Claude Bertrand*, Céline Brochier-Armanet, Manolo Gouy & Frances Westall
4.1. Du « monde à ARN » au dernier ancêtre commun à tous les êtres vivants : LUCA
81
4.1.1. Définition(s) de LUCA83
4.1.2. Où et quand vivait LUCA83
4.1.3. Comment décrire LUCA ?86
4.1.4. Les principales caractéristiques de LUCA87
4.1.5. Le génome de LUCA88
¤ Le plus petit génome cellulaire connu88
¤ Approches expérimentales89
¤ Génomique comparée89
4.1.6. LUCA : hyperthermophile, thermophile ou mésophile ?90
4.1.7. Structure moléculaire des lipides membranaires de LUCA91
4.1.8. Le métabolisme de LUCA91
4.1.9. LUCA procaryote, eucaryote ou autre ?91
4.1.10. L'émergence des trois domaines91
¤ La racine de l'arbre universel du vivant91
¤ Les trois scénarios possibles94
4.2. Les indices géologiques des plus anciennes formes de vie microbienne
94
4.2.1. Les micro-organismes réalisent une discrimination isotopique94
4.2.2. Les fossiles de procaryotes, isolés ou regroupés en colonies94
¤ Les critères pour l'identification des microfossiles94
¤ Les stromatolithes : une définition95
¤ Du tapis microbien à la formation d'un stromatolithe96
¤ Les stromatolithes de l'Archéen inférieur96
¤ Évolution de l'importance des stromatolithes au cours des ères géologiques96
¤ Les controverses sur la date d'apparition des stromatolithes96
¤ D'autres traces fossiles de cellules procaryotes98
4.2.3. Les fossiles de cellules eucaryotes98
4.2.4. Les fossiles des premiers organismes pluricellulaires101
4.2.5. L'analyse des molécules fossiles : paléontologie moléculaire102
¤ Les premières traces de la photosynthèse oxygénique102
¤ Les biomarqueurs des eucaryotes102
4.3. Le passage d'une organisation cellulaire de type procaryote à une organisation cellulaire de type eucaryote
104
4.3.1. Les eucaryotes sont les descendants d'un procaryote hétérotrophe anaérobie104
¤ Phase anaérobie104
¤ Phase aérobie104
¤ De nombreuses preuves soutiennent la théorie endosymbiotique106
4.3.2. Les eucaryotes résultent d'une association entre une bactérie et une archée107
4.3.3. Les eucaryotes et les archées ont évolué à partir d'actinobactéries107
4.3.4. Évolution par simplification chez les micro-organismes109
4.4. Approche synthétique de l'évolution des métabolismes
110
¤ Quels sont les mécanismes d'acquisition de l'énergie et de fixation du carbone utilisés par les micro-organismes au cours de l'évolution ?110
4.4.1. Le métabolisme primordial : hétérotrophe ou autotrophe ?110
4.4.2. Apparition de la photosynthèse oxygénique et ses conséquences112
¤ Modification de la composition de l'atmosphère112
¤ Apparition d'une couche d'ozone protectrice113
¤ Apparition de nouvelles voies dans les cycles biogéochimiques113
¤ L'oxygène est utilisé comme accepteur terminal d'électrons : apparition de la respiration aérobie113
4.5. Conclusion
113
Chapitre 5
Systématique et évolution des micro-organismes : concepts généraux
Charles-François Boudouresque*, Jean-Claude Bertrand, Pierre Caumette & Philippe Normand
5.1. Historique et évolution de la systématique
119
5.1.1. Intérêt de la systématique en écologie microbienne119
5.1.2. De la découverte du monde microbien à l'organisation taxonomique de sa diversité120
5.1.3. De l'organisation hiérarchique à la recherche d'une phylogénie121
¤ La nécessité d'une organisation hiérarchique121
¤ Les différentes écoles de classification des procaryotes125
¤ La classification des eucaryotes et le problème des codes de la nomenclature125
5.1.4. L'organisation du monde vivant et l'évolution des concepts de la taxonomie à la phylogénie126
5.2. Les micro-organismes : unicellularité ou pluricellularité ?
128
5.3. Le rôle des transferts de gènes dans l'évolution du vivant
132
5.4. L'origine des eucaryotes
133
5.4.1. De quand datent les premiers eucaryotes ?133
5.4.2. La découverte de l'endosymbiose134
5.4.3. La théorie actuelle de l'endosymbiose137
¤ Les endosymbioses primaires137
¤ Les endosymbioses secondaires et tertiaires139
5.4.4. Les mécanismes et processus de l'endosymbiose141
5.4.5. Les « voyages » du chloroplaste145
5.5. L'arbre du vivant actuel : de la phylogénie à l'étude du génome
146
5.5.1. L'arbre du vivant actuel146
5.5.2. Mais où sont passés les végétaux ?146
5.5.3. Mais où sont passés les champignons, les algues et les protozoaires ?150
5.6. Conclusion
153
Chapitre 6
Taxonomie et phylogénie des procaryotes
Pierre Caumette*, Céline Brochier-Armanet & Philippe Normand
6.1. Le concept d'espèce chez les procaryotes et son évolution
159
6.2. Obtention d'une souche procaryote, collections de souches
165
6.3. Caractérisation d'une souche procaryote (minimum standard)
165
6.3.1. Critères phénotypiques165
6.3.2. Critères génétiques166
¤ Le pourcentage en bases G et C des génomes168
¤ L'hybridation ADN/ADN des génomes168
¤ Le gène de l'ARNr 16S168
6.4. Dendrogrammes et arbres phylogénétiques
172
6.4.1. Dendrogrammes phénotypiques, taxonomie numérique172
6.4.2. Arbres phylogénétiques172
6.5. Classification des micro-organismes procaryotes : phylogénie versus phénotypie
175
6.6. Systématique des micro-organismes procaryotes : organisation hiérarchique et phylogénétique
177
6.6.1. Domaine Archaea178
¤ Découverte des Archaea178
¤ Diversité des Archaea178
¤ Classification des Archaea180
- Les Crenarchaeota180
- Les Euryarchaeota181
- Les Korarchaeota184
- Les Nanoarchaeota185
6.6.2. Domaine Bacteria185
¤ Les phylums B1 à B9185
- Le phylum Aquificae185
- Le phylum Thermotogae186
- Le phylum Thermodesulfobacteria, Thermomicrobia et Deferribacteres187
- Le phylum Chrysiogenetes187
- Le phylum Deinococcus/Thermus187
- Le phylum Chloroflexi187
- Le phylum Nitrospirae187
¤ Le phylum B10 Cyanobacteria188
¤ Les autres bactéries à Gram négatif190
- Le phylum Proteobacteria190
- Le phylum Bacteroidetes195
- Le phylum Chlorobi195
- Le phylum Acidobacteria195
- Le phylum Chlamydiae195
- Le phylum Planctomycetes195
- Le phylum Verrucomicrobia195
- Le phylum Spirochaetes195
- Le phylum Fibrobacteres196
- Le phylum Fusobacteria196
- Le phylum Dictyoglomi196
- Le phylum Synergistetes196
¤ Les grands phylums de bactéries à Gram positif196
- Le phylum Firmicutes196
- Le phylum Tenericutes198
- Le phylum Actinobacteria199
6.7. Conclusion
200
Chapitre 7
Taxonomie et phylogénie des eucaryotes unicellulaires
Charles-François Boudouresque
7.1. Introduction
203
7.2. Les caractères généraux des eucaryotes
204
7.3. Les cycles biologiques
209
7.3.1. Pourquoi utiliser une terminologie simple et uniforme ?209
7.3.2. Définition des spores, gamètes, conidies, boutures, carpoconidies et zygotes209
7.3.3. Définition des cystes211
7.3.4. Différents types de gamies211
7.3.5. Définition des générations, des phases et du biocycle213
7.4. Unichontes et Bichontes
215
7.5. Le règne des Plantae
215
7.5.1. Généralités215
7.5.2. Centrohelida216
7.5.3. Glaucocystobiontes216
7.5.4. Rhodobiontes217
7.5.5. Viridiplantae219
7.6. Le règne des Rhizaria
222
7.6.1. Généralités222
7.6.2. Radiolaires222
7.6.3. Chlorarachniobiontes223
7.6.4. Phytomyxea224
7.6.5. Foraminifères225
7.7. Les Chromalvéolés
226
7.8. Le règne des Alvéolés
227
7.8.1. Généralités227
7.8.2. Ciliés227
7.8.3. Dinobiontes229
7.8.4. Apicomplexes231
7.9. Le règne des Straménopiles
232
7.9.1. Généralités232
7.9.2. Oobiontes233
7.9.3. Chromobiontes234
7.10. Les Haptobiontes
237
7.11. Les Cryptobiontes
239
7.12. Le règne des Discicristates
240
7.12.1. Généralités240
7.12.2. Les Euglénoïdes240
7.12.3. Les Kinétoplastides241
7.13. Le règne des Excavates
242
7.13.1. Généralités242
7.13.2. Les Parabasalia242
7.13.3. Les Diplomonadines242
7.14. Le règne des Opisthochontes
243
7.14.1. Généralités243
7.14.2. Les Microsporidies243
7.14.3. Les Fungi244
7.15. Le règne des Amoebobiontes
247
7.15.1. Généralités247
7.15.2. Les Archamoebae248
7.15.3. Les Mycétobiontes248
7.16. Conclusion
249
Partie 3
Les habitats microbiens : diversité, adaptation et interactions
Chapitre 8
Biodiversité et fonctionnement des écosystèmes microbiens
Philippe Normand*, Robert Duran, Xavier Le Roux, Cindy Morris & Jean-Christophe Poggiale
8.1. Introduction
263
8.2. L'écologie microbienne face aux paradigmes de l'écologie relatifs à la biodiversité et au fonctionnement des écosystèmes
264
8.3. Démarches et outils mathématiques pour étudier la biodiversité microbienne
266
8.3.1. Approches basées sur les indices de diversités268
8.3.2. Approches multivariées268
8.4. Variables et méthodes d'études de la diversité microbienne
271
8.4.1. Approches ciblant le phénotype271
¤ Approches culturales271
¤ Approches ciblant les métabolites272
- Lipides272
- Pigments272
¤ Analyses des capacités métaboliques de communautés272
8.4.2. Approches ciblant le génotype273
¤ Approches ciblant les acides nucléiques (ADN)273
- Réassociation d'ADN273
- Analyse de déséquilibre de liaison par association de polymorphismes (sur isolats)273
- Électrophorèse sur gel en gradient, dénaturant (DGGE), Électrophorèse sur gel en gradient de température (TGGE)273
- Polymorphisme confirmationel simple brin (SSCP)274
- Analyse de l'espace intergénique ribosomal (RISA)274
- Polymorphisme de longueur des fragments de restriction terminaux (T-RFLP)274
- Analyses de banques de gènes ribosomiques ou de leur ADN complémentaire274
- Analyse des différences de compositions entre communautés (Libshuff)275
- Analyse de saturation, courbes de raréfaction275
- Analyse de chimères275
- Puces à ADN275
¤ Approches ciblant les acides nucléiques (ARN)276
- Gènes de fonction276
- Cycle de l'azote276
- Phototrophie (rbc)276
- Oxydation du méthane (pmo)277
- Cycle du soufre (dsr et aprA)277
- Autres gènes liés à une fonction278
8.4.3. Comment quantifier cette biodiversité ?278
¤ Indice de Diversité spécifique (S, richesse spécifique ou « Species Richness »)278
¤ Indice de Shannon (H') de diversité alpha278
¤ Indice de Simpson (D)279
¤ Indice de Nei279
8.5. Démarches d'étude des relations biodiversité microbienne-fonctionnement des écosystèmes
281
8.5.1. Fonctionnement des écosystèmes microbiens283
¤ Tapis microbiens284
¤ Biodiversité aquatique, fleurs d'eau285
¤ Mer286
¤ Tube digestif et communautés microbiennes286
¤ Peau et autres parties du corps humain288
¤ Dépollution288
¤ Terre profonde289
¤ Environnements anthropisés290
8.6. Conclusion
290
Chapitre 9
Adaptations des procaryotes à leurs biotopes et aux conditions physico-chimiques dans les milieux naturels ou anthropisés
Philippe Normand*, Pierre Caumette*, Philippe Goulas, Petar Pujic & Florence Wisniewski
9.1. Introduction
297
9.2. Principaux systèmes de régulation
298
9.2.1. Régulation de la transcription298
9.2.2. Les systèmes de transduction de signal303
¤ Les systèmes à Histidine Protéine Kinase304
- Les systèmes à deux composants (two-Component Systems, TCS)304
- Le système de signalisation (...)309
- Les systèmes à Ser/Thr/Tyr (...)313
¤ Les systèmes à messager secondaire314
- Les systèmes à di-GMPc314
- Les sytèmes à AMPc317
¤ Un système à urydilation317
9.2.3. Régulation de la traduction317
9.2.4. Glycosylation des protéines317
9.3. Le système de perception de la densité cellulaire ou quorum sensing
319
9.3.1. Découverte du quorum-sensing319
9.3.2. Gènes impliqués dans la communication par les acyl homosérines lactones (AHLs) et cascade de régulation320
9.3.3. Interférences avec la communication bactérienne par AHLs321
9.3.4. Les acyl homosérines lactones (AHLs), des signaux uniquement destinés aux bactéries ?322
9.3.5. Les autres molécules signal bactériennes323
9.4. Variation de phase
323
9.4.1. Variation de phase et variation antigénique323
9.4.2. Variation de phase par modification du génome324
¤ Conversion génique324
¤ Inversion site-spécifique324
¤ Insertion-excision325
¤ Duplication325
¤ Délétion326
¤ Mésappariement par glissement de brins326
¤ Évènements multiples affectant un gène unique326
9.4.3. Variation de phase par régulation épigénétique327
9.5. Antibiose et résistance aux antibiotiques
327
9.5.1. Biosynthèse des antibiotiques327
9.5.2. Types de résistance aux antibiotiques332
9.6. Réponses physiologiques aux stress abiotiques
332
9.6.1. Stress thermique332
¤ Les hautes températures333
¤ Les basses températures335
9.6.2. Stress oxydatif336
¤ Les protéines induites par le stress oxydatif337
¤ Les réponses au stress oxydatif337
9.6.3. Stress chimique338
¤ Réponses à la salinité338
- Influence des ions inorganiques sur la croissance338
- Métabolisme sodium dépendant338
- Résistance au sel et osmorégulation339
- Bactéries et archées halophiles et leurs habitats340
¤ Réponses au pH342
- Écologie et diversité des procaryotes vivant à pH extrême342
- Les bactéries et archées acidophiles343
- Les bactéries et archées alcalophiles343
- Maintenance de l'homéostasie343
9.6.4. Adaptation à la pression344
¤ Les procaryotes piézophiles et piézotolérants344
¤ Adaptation des micro-organismes à la pression345
9.6.5. Adaptation à la dessication345
9.7. Adaptation aux biotopes
345
9.7.1. Sol345
9.7.2. Eau et sédiments346
¤ Adaptation au milieu aquatique346
- La forme procaryotique346
- Le mouvement346
¤ Adaptation aux supports347
9.7.3. Adhésion aux surfaces, biofilms et tapis microbiens348
¤ Mécanismes de l'adhésion348
- Interactions ioniques349
- Interactions hydrophobiques349
- Présence de lectines349
- Autres mécanismes d'adhésion349
¤ Formation des biofilms349
¤ Les tapis microbiens350
9.7.4. Air352
9.8. Adaptation aux milieux anthropisés
352
9.9. Conclusion
353
Chapitre 10
Les conditions de vie extrêmes sur la planète et exobiologie
Jean-Luc Cayol*, Bernard Ollivier*, Didier Alazard, Ricardo Amils, Anne Godfroy, Florence Piette & Daniel Prieur
10.1. Introduction
363
10.2. Les bactéries psychrophiles
364
10.2.1. Présentation364
10.2.2. Terminologie364
10.2.3. Environnements et biodiversité365
¤ Les Océans Arctiques et Antarctiques365
¤ Les eaux profondes366
¤ Glace de mer366
¤ Neiges et glaciers366
¤ Permafrost367
¤ Lacs sous-glaciaires antarctiques368
10.2.4. Adaptations moléculaires368
¤ Les membranes368
¤ Les enzymes369
¤ Facteurs divers370
- Séquences génomiques370
- Exopolysaccharides370
- Protéines de nucléation et protéines « antigels »370
- Protéines du choc froid (« cold-shock proteins »)371
10.2.5. Applications biotechnologiques371
10.3. Les micro-organismes procaryotes thermophiles et hyperthermophiles
371
10.3.1. Habitats des micro-organismes thermophiles372
¤ Les écosystèmes géothermiques terrestres372
¤ Les écosystèmes hydrothermaux océaniques profonds372
¤ Les écosystèmes hydrothermaux sous-marins littoraux374
¤ Autres habitats : les puits de pétrole et les habitats liés à l'activité humaine374
10.3.2. Panorama phylogénétique et métabolique des procaryotes thermophiles et hyperthermophiles374
¤ Les domaine des bactéries374
¤ Le domaine des archées376
¤ Euryarchaeota hyperthermophiles376
¤ Crenarchaeota hyperthermophiles378
10.3.3. La vie à haute température379
¤ Stabilité des protéines379
¤ Stabilité de l'ADN379
¤ Lipides membranaires379
10.3.4. Contraintes techniques liées à la culture des procaryotes thermophiles379
10.3.5. Applications biotechnologiques380
10.3.6. Les hyperthermophiles et l'évolution380
10.4. Les micro-organismes halophiles et hyperhalophiles
380
10.4.1. Habitats des micro-organismes halophiles381
¤ Les écosystèmes381
¤ La physico-chimie des lacs382
10.4.2. Origine de la matière organique386
¤ Dégradation de la matière organique dans les milieux hypersalés386
¤ Les solutés compatibles387
10.4.3. Les bactéries halophiles extrêmes387
10.4.4. Les archées halophiles extrêmes388
10.4.5. Les micro-organismes eucaryotes halophiles388
10.4.6. Applications biotechnologiques388
10.5. Les micro-organismes piézophiles
389
10.5.1. Les piézopsychrophiles des abysses : un peu d'histoire390
¤ Présentation de quelques bactéries piézopsychrophiles390
10.5.2. Taxonomie et phylogénie des micro-organismes piézopsychrophiles391
10.5.3. Adaptations aux hautes pressions chez les micro-organismes piézopsychrophiles391
10.5.4. Cas particulier des sources hydrothermales océaniques392
¤ Réponses à la pression hydrostatique392
10.5.5. D'autres piézophiles à découvrir393
10.6. Les micro-organismes acidophiles
394
10.6.1. Présentation394
10.6.2. Diversité des environnements acides extrêmes395
¤ Domaine des bactéries396
¤ Domaine des archées398
¤ Domaines des eucaryotes398
10.6.3. Écologie microbienne d'un environnement acide extrême : le Rio Tinto399
10.7. Les micro-organismes alcalophiles
401
10.7.1. Présentation401
10.7.2. Les écosystèmes alcalins401
10.7.3. Diversité microbienne des lacs sodiques403
¤ Producteurs phototrophes primaires405
¤ Micro-organismes alcalophiles aérobies405
¤ Micro-organismes alcalophiles anaérobies406
10.7.4. Homéostasie du pH407
10.7.5. Applications biotechnologiques des micro-organismes alcalophiles407
10.8. Conclusion
408
¤ Extrêmophiles et exobiologie408
Chapitre 11
Micro-organismes et interactions biotiques
Yvan Moënne-Loccoz*, Patrick Mavingui*, Claude Combes, Philippe Normand & Christian Steinberg
11.1. Les grands types d'interactions
413
11.1.1. L'interaction, caractère fondamental du vivant413
11.1.2. Les interactions conflictuelles414
11.1.3. Les interactions bénéfiques415
11.1.4. Le caractère dynamique des interactions418
11.1.5. Les armes propres aux micro-organismes418
11.2. Interactions entre micro-organismes
419
11.2.1. Les interactions conflictuelles419
¤ Parasitisme419
¤ Prédation420
¤ L'antibiose420
¤ Compétition422
11.2.2. Les interactions bénéfiques422
¤ Cométabolisme422
¤ Coopération, mutualisme, syntrophie422
¤ Commensalisme424
¤ Transfert de gène424
11.3. Interactions entre micro-organismes et plantes
425
11.3.1. Introduction425
11.3.2. Localisation et effectifs des micro-organismes associés aux plantes425
11.3.3. Provenance des micro-organismes associés aux plantes428
11.3.4. Diversité et activité des micro-organismes associés aux plantes429
¤ Facteurs écologiques429
¤ Diversité microbienne430
¤ Activités microbiennes431
11.3.5. Les interactions biotiques des micro-organismes associés aux plantes432
¤ Vue d'ensemble432
¤ Parasitisme432
¤ Symbiose434
¤ Coopération437
11.3.6. Signification pour la plante439
11.3.7. Utilisations biotechnologiques440
11.3.8. Épilogue441
11.4. Interactions entre micro-organismes et animaux
441
11.4.1. Introduction441
11.4.2. Diversité, distribution et effectif des micro-organismes associés aux animaux442
¤ Diversité microbienne442
¤ Abondance et localisation des microbes444
11.4.3. Les différents types d'interactions entre micro-organismes, animaux et l'homme445
¤ Les interactions pathogènes445
¤ Microbes et maladies infectieuses445
¤ Les notions d'émergence et de ré-émergence des maladies448
¤ Le caractère conflictuel des interactions microbes-animaux448
¤ Les facteurs de virulence des pathogènes450
- Les adhésines450
- Les systèmes de sécrétion450
- Ilots des pathogénie et molécules effectrices451
¤ Les interactions mutualistes452
- Le mutualisme microbes-invertébrés452
- Le mutualisme microbes-vertébrés454
¤ Commensalisme, parasitisme et autres interactions aux phénotypes intermédiaires
455
- Vue d'ensemble455
- Wolbachia et pléiotropie phénotypique455
11.4.4. Réaction de défense et de contre-offensive dans les interactions microbes-animaux456
¤ MCP comme moyen de défense des animaux456
- Modulation de l'apoptose par les micro-organismes457
11.4.5. Applications dans les interactions entre micro-organismes et animaux459
¤ Microbes et nutrition459
¤ Microbes et santé459
11.4.6. Épilogue460
11.5. Conclusion
460
Chapitre 12
Transferts horizontaux de gènes dans les écosystèmes microbiens
Céline Brochier-Armanet* & David Moreira
12.1. Introduction
471
12.2. Mécanismes de transferts horizontaux chez les micro-organismes
471
12.2.1. Modes de transferts471
¤ La transformation471
¤ La conjugaison473
¤ La transduction476
12.2.2. Devenir de l'ADN transféré477
12.3. Détection
480
12.3.1. Méthodes basées sur la similarité de séquences480
¤ Principe480
¤ Biais480
12.3.2. Méthodes basées sur la répartition taxonomiques des séquences482
¤ Principe482
¤ Biais482
12.3.3. Méthodes phylogénétiques484
¤ Principe484
¤ Limites485
12.3.4. Méthodes basées sur les biais de composition486
¤ Principe486
¤ Limites490
12.3.5. Quantification490
12.4. Un mécanisme évolutif majeur ?
493
12.4.1. THGs chez les procaryotes494
¤ THGs et adaptation494
¤ THGs évolution et le concept d'espèce501
12.4.2. THGs chez les eucaryotes504
¤ Les symbioses et l'acquisition de gènes bactériens505
¤ THGs inter-eucaryotes507
12.5. Conclusion
508
Partie 4
Rôle et fonctionnement des écosystèmes microbiens
Chapitre 13
Les réseaux trophiques microbiens des milieux aquatiques et terrestres
Behzad Mostajir*, Christian Amblard*, Evelyne Buffan-Dubau, Rutger de Wit, Robert Lensi & Télesphore Sime-Ngando
13.1. Introduction
515
13.1.1. Les écosystèmes pélagiques marins et lacustres515
13.1.2. Les écosystèmes benthiques516
13.1.3. Les écosystèmes terrestres517
13.2. Les acteurs des réseaux trophiques microbiens
518
13.2.1. Les micro-organismes des milieux pélagiques marins et lacustres518
¤ Le femtoplancton518
¤ Le picoplancton518
¤ Le nanoplancton519
¤ Le micro- et le mésoplancton519
¤ Les champignons microscopiques (oobiontes et Fungi)520
13.2.2. Les micro-organismes des milieux benthiques marins et lacustres521
¤ Les micro-algues et les cyanobactéries521
¤ Les bactéries phototrophes anoxygéniques522
¤ Les bactéries chimiolithotrophes522
¤ Les bactéries hétérotrophes et les archées522
13.2.3. Les micro-organismes des milieux terrestres523
¤ Les consommateurs primaires524
¤ Les consommateurs secondaires524
13.3. Le fonctionnement des réseaux trophiques microbiens
525
13.3.1. Le fonctionnement des réseaux trophiques microbiens en milieux pélagiques marins525
¤ Le réseau trophique herbivore525
¤ Le réseau trophique microbien525
¤ La boucle microbienne526
¤ Le réseau trophique multivore527
¤ Les voies trophiques et le transfert de matière du système microbien vers les macro-organismes527
13.3.2. Le fonctionnement des réseaux trophiques microbiens en milieux pélagiques lacustres527
¤ Le transfert de matière et d'énergie vers les niveaux trophiques supérieurs527
¤ Le recyclage des éléments nutritifs529
13.3.3. Le fonctionnement des réseaux trophiques microbiens en milieux benthiques marins et lacustres529
13.3.4. Le fonctionnement des réseaux trophiques microbiens en milieux terrestres532
¤ La décomposition de la MO dans les sols532
¤ Le rôle de la prédation sélective532
¤ Le rôle des autres interactions biotiques et abiotiques533
13.4. Les facteurs de contrôle des réseaux microbiens
534
13.4.1. Les facteurs de contrôle des réseaux microbiens pélagiques marins et lacustres534
¤ Les rôles des virus dans les réseaux trophiques microbiens aquatiques534
- L'abondance et la diversité des virus534
¤ Les principaux rôles des virus en milieu aquatique pélagique536
13.4.2. Les principaux facteurs de contrôle des réseaux microbiens benthiques marins et lacustres537
13.4.3. Les facteurs de contrôle des réseaux microbiens terrestres538
¤ La régulation par les facteurs environnementaux et les perturbations538
¤ La régulation par les facteurs biotiques539
13.5. Conclusion
539
Chapitre 14
Les cycles biogéochimiques
Jean-Claude Bertrand*, Patricia Bonin, Pierre Caumette, Jean-Pierre Gattuso, Gérald Grégori, Rémy Guyoneaud, Xavier Le Roux, Robert Matheron & Franck Poly
14.1. Introduction
545
14.1.1. Un cycle biogéochimique comporte trois étapes essentielles545
14.1.2. Évolution qualitative et quantitative des éléments biologiques : échelles d'observation spatiales et temporelles548
14.1.3. Rôle des micro-organismes dans les cycles biogéochimiques549
14.2. Le cycle du carbone
549
14.2.1. Introduction549
14.2.2. Le cycle global du carbone550
¤ Principaux réservoirs550
¤ Cycle du carbone à long terme551
¤ Cycle du carbone à court terme552
- Flux continent-atmosphère552
- Flux océan-atmosphère553
- Flux continent-océan553
¤ Modifications anthropiques du cycle du carbone et mécanismes de rétroaction sur le climat553
- Émissions résultant de la combustion de carbone fossile553
- Augmentation du CO2 atmosphérique554
- Échanges végétation-atmosphère554
- Absorption du CO2 par les océans555
14.2.3. Cycle du carbone dans la colonne d'eau océanique556
¤ Importance des micro-organismes planctoniques557
¤ Production primaire et exportation de carbone : rôle du phytoplancton560
- Les principaux producteurs primaires560
- Production primaire nette561
- Devenir de la production primaire nette563
- Production globale564
- Respiration568
- Échelle de l'écosystème568
- Bilan production primaire-respiration569
¤ Cycle du carbonate de calcium570
14.2.4. Le cycle du carbone dans les sédiments marins571
¤ Le carbone organique qui atteint l'interface eau-sédiment571
¤ L'écosystème sédimentaire571
¤ Dégradation de la matière organique dans le sédiment572
- La répartition des métabolismes572
- La dégradation de la matière organique en présence de dioxygène572
- La dégradation anaérobie de la matière organique572
- Le rôle des micro-organismes fermentatifs574
- En milieu marin, la sulfato-réduction est le métabolisme majoritaire574
- Production et consommation d'hydrogène574
- La bioturbation et ses conséquences575
- Séquestration de la matière organique dans les sédiments575
14.2.5. Le cycle du carbone dans les sols578
¤ La matière organique du sol578
¤ La biocénose du sol579
¤ Dégradation de la matière organique dans le sol (système plante - micro-organismes - sol)580
- Les métabolismes prédominants du cycle du carbone dans les sols580
- Dégradation de la matière organique dans le sol583
- Assimilation des composés organiques dans la biomasse microbienne585
- Formation de l'humus585
14.2.6. Le cycle du carbone dans les écosystèmes lacustres590
14.2.7. Production et consommation de méthane590
¤ Qu'est-ce le méthane ?590
¤ Les sources590
¤ Conséquences des émissions de méthane : effet de serre590
¤ La méthanogénèse591
- Les micro-organismes : les archées méthanogènes591
- Les habitats des méthanogènes592
- Rôle de la méthanogénèse lors de la biodégradation anaérobie de la matière organique592
- Les différentes voies de production du méthane592
- Production biologique du méthane en fonction du biotope593
- Le méthane source d'énergie596
¤ Destruction photochimique du méthane596
¤ Élimination du méthane en présence de dioxygène par les bactéries méthanotrophes596
¤ Dégradation anaérobie du méthane598
14.3. Le cycle de l'azote
601
14.3.1. Introduction601
14.3.2. L'Azote organique : assimilation des composés azotés602
¤ Assimilation de l'ammonium603
¤ Assimilation du nitrate603
¤ Fixation du diazote603
14.3.3. Processus conduisant à la protection d'ammonium606
¤ Minéralisation-Ammonification606
¤ Réduction dissimilatrice du nitrate en ammonium (RDNA) ou ammonification du nitrate609
14.3.4. Processus conduisant à la production de nitrate : nitrification610
14.3.5. Production de diazote612
¤ Dénitrification612
¤ Anammox614
14.3.6. Production d'oxyde nitreux615
14.3.7. Le cycle de l'azote dans les écosystèmes naturels616
¤ Cycle de l'azote et agriculture616
¤ Le cycle de l'azote dans les écosystèmes forestiers617
¤ Le cycle de l'azote dans les zones humides617
¤ Le cycle de l'azote dans les écosystèmes marins618
14.4. Le cycle du soufre
619
14.4.1. Introduction619
14.4.2. La production de sulfures621
¤ Le soufre organique : biosynthèse et dégradation621
¤ Sulfato-réduction dissimilatrice622
¤ Autres métabolismes produisant du sulfure627
14.4.3. La production de sulfate627
¤ Production de sulfate par chimiotrophie : micro-organismes sulfo-oxydants incolores628
¤ Production de sulfate par phototrophie : micro-organismes sulfo-oxydants photosynthétiques629
- Les bactéries phototrophes pourpres631
- Les bactéries phototrophes vertes632
14.4.4. Le fonctionnement du cycle du soufre dans les écosystèmes naturels633
¤ Les lacs stratifiés633
¤ Les lagunes et autres milieux côtiers634
¤ Les tapis microbiens photosynthétiques637
¤ Les sources hydrothermales océaniques profondes639
14.5. Les cycles des métaux et métalloïdes
641
14.5.1. Introduction641
14.5.2. Le cycle du fer641
¤ Le fer dans l'environnement641
¤ Assimilation du fer par les micro-organismes642
¤ L'oxydation du fer643
¤ La réduction du fer644
14.5.3. Le cycle du manganèse645
¤ Le manganèse dans l'environnement645
¤ Les fonctions biologiques645
¤ L'oxydation par les micro-organismes645
¤ La réduction par les micro-organismes648
14.6. Conclusion
652
¤ Le rôle primordial des micro-organismes652
¤ Plasticité des micro-organismes652
¤ Évolution des cycles653
Chapitre 15
Environnement et micro-organismes pathogènes de l'homme
Philippe Lebaron*, Benoît Cournoyer, Karine Lemarchand, Sylvie Nazaret & Pierre Servais
15.1. Introduction
659
15.2. Les différents types d'agents pathogènes
660
15.2.1. Les virus660
¤ Les entérovirus662
¤ Les virus de l'hépatite A (HAV) et de l'hépatite E (HEV)662
¤ Le rotavirus663
¤ Le virus de Norwalk663
15.2.2. Les bactéries663
15.2.3. Cas particulier des cyanobactéries toxiques669
15.2.4. Les Fungi669
15.2.5. Les eucaryotes unicellulaires670
15.3. Qu'est-ce qu'un agent pathogène ?
671
15.3.1. Pouvoir de colonisation et de multiplication672
¤ Le pouvoir d'adhérence672
¤ La capacité de multiplication à l'intérieur des tissus de l'hôte672
¤ La capacité d'entrer et de survivre à l'intérieur des cellules eucaryotes674
¤ La capacité de contourner les défenses immunitaires de l'hôte674
15.3.2. Pouvoir toxinogène674
¤ Les exotoxines674
¤ Les endotoxines674
15.3.3. Les voies d'entrée674
¤ Les voies cutanées et conjonctivales674
¤ La voie respiratoire675
¤ La voie orale675
15.3.4. Communication intercellulaire et virulence675
15.3.5. Les îlots de pathogénie (IP) et autres îlots génomiques (IG) mobiles675
¤ Évidence de transferts des IP chez les bactéries676
15.3.6. Les antibiotiques et la lutte contre les maladies infectieuses bactériennes677
¤ Émergence et dissémination de la résistance bactérienne chez les bactéries pathogènes677
- Les mécanismes cellulaires d'adaptation et de dissémination677
- Les antibiotiques, pression de sélection favorable en milieu hospitalier677
- Utilisation des antibiotiques hors du milieu hospitalier678
- Pression non antibiotique favorable au maintien de la résistance678
¤ Le résistance à l'origine de la résistance aux antibiotiques et de son évolution679
15.4. Les micro-organismes indicateurs de contamination fécale
680
15.4.1. Les coliformes totaux, coliformes thermotolérants (CTT) et Escherichia coli681
15.4.2. Les entérocoques intestinaux681
15.5. Sols et diffusion des agents pathogènes
682
15.6. Sources de pathogènes présents dans l'environnement aquatique
685
15.6.1 Les sources ponctuelles685
¤ Le rejets de station d'épuration686
¤ Désinfection des eaux usées686
¤ Les rejets urbains de temps de plue (RUTP)687
15.6.2. Les sources diffuses687
15.7. Devenir et transport dans l'environnement688
15.7.1. Les facteurs abiotiques688
¤ La température688
¤ La lumière689
¤ Les éléments nutritifs689
¤ La salinité689
¤ La sédimentation690
¤ Le pH690
15.7.2. Les facteurs biotiques690
¤ La prédation690
¤ La lyse virale690
¤ La compétition690
15.7.3. Effets des changements globaux690
¤ Cas particulier des changement climatiques globaux691
15.8. Les bactéries viables mais non cultivables (VNC)
692
15.9. Les méthodes de détection
694
15.9.1. Les méthodes non destructives695
¤ L'hybridation in situ (HIS)696
¤ Les méthodes immunologiques696
¤ Les méthodes enzymatiques697
15.9.2. Les méthodes destructives697
¤ Application de la réaction de polymérisation en chaîne (PCR)697
15.10. Les réseaux de surveillance
699
15.11. Conclusion
701
Chapitre 16
Écologie microbienne appliquée et dépollution Les micro-organismes acteurs majeurs de l'élimination des pollutions qui affectent l'environnement
Jean-Claude Bertrand*, Pierre Doumenq, Rémy Guyoneaud, Benoît Marrot, Fabrice Martin-Laurent, Robert Matherons, Philippe Moulin & Guy Soulas
16.1. Introduction
705
16.2. Les traitements préventifs et de bioremédiation
706
16.2.1. Les micro-organismes agents de dépollution707
¤ La biostimulation707
¤ La bio-augmentation707
¤ La rhizostimulation707
¤ La biolixiviation707
¤ La bio-immobilisation707
16.2.2. Les principaux procédés de traitement des pollutions par voie microbiologique707
¤ Les bioréacteurs707
¤ Le traitement dans des bassins et stations d'épuration708
¤ Les biotertres, andains et « landfarming »708
¤ La bioventillation et le biobarbotage709
16.3. Les principaux types de pollution
709
16.4. Les eaux résiduelles urbaines
710
16.4.1. Introduction710
16.4.2. Origine et contenu des eaux usées710
16.4.3. Traitement des eaux usées713
¤ Les prétraitements713
- Du dégrillage grossier au dégrillage fin714
- Dessablage-déshuilage714
¤ Les traitements primaires ou traitements physico-chimiques716
- Coagulation - Floculation716
- Décantation716
¤ Les traitements secondaires716
- Traitements biologiques aérobies716
- Élimination de l'azote et du phosphore par voie biologique719
- La décantation secondaire dans les traitements aérobies à boues activées720
- Traitement biologiques anaérobies721
¤ Traitements tertiaires : élimination de l'azote, du phosphore par d'autres procédés ; traitements complémentaires d'affinage721
¤ Un procédé innovant : les Bioréacteurs à Membranes (BàM)721
16.5. Les déchets solides
722
16.5.1. Définition d'un déchet722
16.5.2. La classification des déchets723
16.5.3. Traitement aérobie ou compostage723
¤ Définition723
¤ Les différentes étapes723
¤ Les micro-organismes724
¤ Les différents procédés de compostage725
16.5.4. Traitements anaérobies et méthanisation725
¤ Définition725
¤ Les principe de la fermentation méthanique et les micro-organismes impliqués dans le processus725
16.5.5. Les décharges726
16.6. Les effluents gazeux
728
16.6.1. Les sources728
16.6.2. Les traitements728
¤ Les traitements récupératifs728
¤ Les traitements destructifs729
- L'incinération729
- Les traitements biologiques729
16.7. Les xénobiotiques
730
16.7.1. Présentation730
16.7.2. L'adaptation des micro-organismes aux xénobiotiques730
16.7.3. Les pesticides731
¤ Présence dans l'environnement731
¤ Biodégradation par les micro-organismes732
- Le début des études de biodégradation : les herbicides à activité hormonale732
- Principales voies biochimiques de la dégradation des pesticides734
- Les principaux micro-organismes impliqués736
- Bases physiologiques de la dégradation des pesticides736
- Bases génétiques de la biodégradation des pesticides738
¤ Les pesticides : bioremédiation739
- Les méthodes de bioremédiation des sols739
- Une étude de cas : l'atrazine743
16.7.3. Les polychlorobiphényles (PCB)751
¤ Synthèse, structure chimique et utilisation751
¤ Présence dans l'environnement751
¤ Biodégradation par les micro-organismes752
- Biodégradation anaérobie753
- Biodégradation aérobie754
- Le couplage de traitements anérobies et aérobies est nécessaire pour la minéraralisation des composés polychlorés757
¤ Bioréhabilitation de sites contaminés par les PCB758
16.8. Les hydrocarbures et les produits pétroliers
759
16.8.1. Les hydrocarbures759
¤ Les différentes familles d'hydrocarbures759
- Les hydrocarbures saturés759
- Les hydrocarbures insaturés759
- Les hydrocarbures aromatiques759
¤ Origine des hydrocarbures760
- Les hydrocarbures d'origine naturelle760
- Les hydrocarbures d'origine anthropique761
¤ Biodégradation par les micro-organismes762
- Transfert des hydrocarbures à la surface cellulaire762
- La biodégradation aérobie766
- La biodégradation anaérobie767
16.8.2. Les produits pétroliers771
¤ Les 2 cycles biogéochimiques des pétroles772
¤ Composition chimique des pétroles772
¤ L'origine des produits pétroliers dans l'environnement marin772
¤ Élimination naturelle des hydrocarbures pétroliers dans l'environnement marin772
- Les processus physico-chimiques774
- Les processus de biodégradation776
16.8.3. Bioremédiation des sites pollués777
¤ Bioremédiation des écosystèmes marins777
- Rappel des différents traitements : physiques, chimiques et biologiques777
- La bio-augmentation777
- La biostimulation778
¤ Bioremédiation des sols et des aquifères779
16.9. Les métaux et métalloïdes
783
16.9.1. Introduction783
16.9.2. Utilisation des micro-organismes dans l'exploitation minière : biolixiviation et bio-oxydation784
16.9.3. Bio-réduction microbienne des métaux785
¤ Les mécanismes mis en jeu785
¤ Applications environnementales786
16.9.4. Bio-accumulation et production d'agents chélatants des métaux787
¤ Les mécanismes mis en jeu787
¤ Applications environnementales788
16.9.5. Bio-minéralisation microbienne des métaux788
¤ Les mécanismes mis en jeu788
¤ Applications environnementales788
16.9.6. Autres activités microbiennes liées aux contaminants métalliques789
16.10. Conclusion
789
Partie 5
Les outils de l'écologie microbienne
Chapitre 17
Méthodes d'études des micro-organismes dans l'environnement
Fabien Joux*, Jean-Claude Bertrand, Rutger De Wit, Vincent Grossi, Laurent Intertaglia, Philippe Lebaron, Valérie Michotey, Philippe Normand, Pierre Peyret, Patrick Raimbault, Christian Tamburini & Laurent Urios
17.1. Introduction
799
17.2. Les techniques de prélèvement en écologie microbienne
799
17.2.1. Les techniques de prélèvement dans les sols799
17.2.2. Les techniques de prélèvement dans les milieux aquatiques800
¤ Systèmes de prélèvement d'eau800
- Prélèvement de surface à la main800
- Prélèvement à la bouteille hydrologique803
- Prélèvement à la pompe806
¤ Systèmes de collecte de particules807
¤ Le prélèvement d'organismes vivants dans la colonne d'eau807
¤ La collecte des particules808
¤ Les prélèvements au niveau du sédiment809
17.2.3. L'échantillonnage du milieu marin profond809
¤ De la découverte de micro-organismes adaptés à de fortes pressions hydrostatiques aux effets physiologiques et moléculaires810
¤ Mesures d'activités microbiennes en milieu profond810
¤ Systèmes hyperbares utilisés pour évaluer l'effet de la pression hydrostatique sur les micro-organismes marins811
- Systèmes hyperbares pour les cultures sous haute pression811
- Systèmes de prélèvement hyperbare pour la mesure d'activités microbiennes in situ811
- Système hyperbare pour simuler la chute de particules le long de la colonne d'eau812
17.3. Les méthodes de cytométrie
814
17.3.1. Historique814
17.3.2. Les différentes techniques de cytométrie814
¤ Les techniques de microscopie815
- Les techniques de microscopie optique815
- Les techniques de microscopie électronique816
¤ La cytométrie en flux817
¤ La cytométrie en phase solide818
17.3.3. Les applications liées au dénombrement818
17.3.4. La mesure de l'activité à l'échelle cellulaire820
¤ Utilisation de sondes fluorescentes820
¤ Micro-autoradiographie820
17.3.5. La détermination taxonomique à l'échelle cellulaire820
¤ Immunofluorescence820
¤ Hybridation in situ avec des sondes fluorescentes (FISH)821
17.4. Les mesures de la biomasse et de l'activité des micro-organismes
822
17.4.1. La qualification de la biomasse822
¤ Les méthodes biochimiques822
- Les approches lipidiques822
- Les autres méthodes biochimiques823
¤ Biovolume et facteurs de conversion823
¤ Mesure de la biomasse phytoplanctonique823
17.4.2. Les mesures de production primaire825
17.4.3. Les mesures de la production bactérienne hétérotrophe et chimio-autotrophe826
17.4.4. La mesure de la respiration bactérienne827
¤ Mesures dans les milieux aquatiques827
¤ Mesures dans les sols et les sédiments828
17.4.5. La mesure des activités enzymatiques bactériennes828
¤ Profil d'activités enzymatiques828
¤ Mesure de l'activité exoenzymatique bactérienne829
17.4.6. Les mesures du taux de mortalité des bactéries induit par les protozoaires hétérotrophes et les virus830
¤ Taux de prédation par les protozoaires hétérotrophes830
- Méthodes utilisant des traceurs830
- Méthodes utilisant une manipulation de l'échantillon830
¤ Production virale et taux de mortalité induit par les virus830
17.5. Les micro-sondes chimiques et optiques
831
17.5.1. Principes des mesures par micro-sondes chimiques831
¤ Principes de fonctionnement832
- Micro-électrodes potentiométriques832
- Micro-électrodes ampérométriques832
- Micro-électrodes voltamétriques834
- Bio-sondes miniaturisées835
17.5.2. Applications des micro-sondes chimiques835
¤ Application dans les liquides homogènes835
¤ Mesues aux interfaces et à l'intérieur des sédiments et biofilms836
17.5.3. Micro-sondes optiques838
17.6. Isotopes stables et biomarqueurs lipidiques
839
17.6.1. Concepts et définitions839
17.6.2. Utilisation de l'abondance naturelle en isotopes stables des biomarqueurs lipidiques839
¤ Origine du carbone assimilé par les micro-organismes839
¤ Identification des micro-organismes impliqués dans les processus biogéochimiques839
¤ Mécanisme d'assimilation du carbone chez les organismes (photo)autotrophes840
17.6.3. Marquage isotopique840
¤ Mise en évidence des populations actives dans les processus biogéochimiques842
¤ Production primaire et fonctionnement des chaînes trophiques842
¤ Étude des voies métaboliques842
¤ Avantages et inconvénients843
17.7. Les méthodes d'étude de la diversité des micro-organismes
843
17.7.1. L'extraction des acides nucléiques d'échantillons de l'environnement843
17.7.2. Les différentes techniques de PCR844
¤ La PCR quantitative845
¤ La PCR compétitive846
¤ PCR en temps réel846
17.7.3. Les empreintes moléculaires846
17.7.4. Le clonage-séquençage848
17.7.5 L'analyse bio-informatique des séquences851
17.7.6. Les puces à acides nucléiques853
¤ Principe des biopuces ADN853
- Formats des biopuces ADN853
- Détermination des sondes et préparation des cibles854
- Hybridation, lecture et analyse des biopuces ADN855
¤ Applications des biopuces ADN855
- Les biopuces génomiques856
- Les biopuces transcriptomiques856
- Les biopuces fonctionnelles856
- Les biopuces phylogénétiques857
17.7.7. L'analyses des pigments857
17.7.8. L'analyse des acides gras phospholipidiques859
17.8. Les méthodes d'isolement, de culture et de conservation
861
17.8.1. Les cultures en conditions d'aérobiose861
17.8.2. Les besoins en dioxygène et les cultures en conditions d'anaérobiose863
17.8.3. Les cultures en continu864
17.8.4. Dénombrement des bactéries hétérotrophes cultivables865
17.8.5. Les techniques alternatives d'isolement866
¤ La micro-manipulation866
¤ La micro-encapsulation couplée au tri cellulaire (GDMs)866
¤ La culture en dilution867
¤ Les colonisateurs in situ867
¤ Modifications des milieux de culture867
17.8.6. La gestion des collections de cultures de micro-organismes867
¤ La lyophilisation868
¤ La cryoconservation868
17.9. Conclusion
869
Chapitre 18
Apports de la génomique descriptive et fonctionnelle en écologie microbienne
Philippe Bertin*, Valérie Michotey & Philippe Normand
18.1. La génomique descriptive
877
18.1.1. La structure de l'ADN et son séquençage877
18.1.2. Le séquençage de génomes879
18.1.3. L'annotation et les bases de données internationales881
18.1.4. La comparaison de génomes881
18.1.5. Les résultats883
18.2. La Génomique fonctionnelle
883
18.2.1. La transcriptomique883
18.2.2. La protéomique884
18.2.3. La métabolomique886
18.3. L'apport des Sciences en « -omique » en écologie microbienne
887
18.3.1. Mieux connaître les souches cultivées887
18.3.2. Mieux connaître les souches non cultivées888
18.3.3. Analyser les communautés et identifier des souches ou des métabolismes originaux889
18.3.4. Cultiver de nouveaux organismes présentant des caractéristiques physiologiques originales890
18.3.5. De l'écologie à la biotechnologie891
18.4. Conclusion
891
Chapitre 19
La modélisation en écologie microbienne
Jean-Christophe Poggiale*, Philippe Dantigny, Rutger de Wit & Christian Steinberg
19.1. Introduction
897
19.2. Principes de la construction d'un modèle en écologie
900
19.2.1. Modèles à temps discret901
19.2.2. Modèles à temps continu901
19.3. Cinétique microbienne en milieu de culture
902
19.3.1. Le procédé902
19.3.2. Différents modes de fermentation903
19.3.3. Modélisation du procédé904
¤ Variables d'état904
- Équitation de bilan904
¤ Bilan biomasse (g.h-1)905
¤ Bilan substrat (g.h-1)906
¤ Bilan produit (g.h-1)906
¤ Bilan volumique (L.h-1)906
19.3.4. Modèles primaires906
¤ Batch906
¤ Fed-batch907
¤ Chémostat907
¤ Chémostat avec recyclage908
19.3.5. Métabolisme909
¤ Rendement cellulaire et coefficient de maintenance910
¤ Notions de vitesses spécifiques910
19.3.6. Modèles secondaires911
¤ Substrat limitant911
¤ Substrat inhibiteur912
¤ Inhibition par le produit912
¤ Les modèles à quota912
¤ Facteurs environnementaux913
¤ Notion d'étape limitante914
19.4. Les différents types d'interaction et leur représentation
915
19.4.1. La compétition915
¤ Le modèle de Lotka-Volterra915
¤ Le principe d'exclusion compétitive917
19.4.2. Interactions trophiques918
19.4.3. Les virus923
19.5. Le problème de la formulation des processus : mécanismes et changements d'échelle
923
19.6. La représentation de l'espace
926
19.6.1. Structuration spatiale discrète926
19.6.2. Structuration spatiale continue926
19.7. Les biofilms
927
19.8. Les modèles biogéochimiques
933
19.9. Conclusion
933
Glossaire
Index
Glossaire939
Index959
Index des taxons981