Dr S KHEMISSI Maitreassistant HMRUC INTRODUCTION Physiologie bactrienne
Dr S. KHEMISSI Maitre-assistant HMRUC
INTRODUCTION Physiologie bactérienne : étudie la nutrition, le métabolisme et la croissance des bactéries -----> En fonction des variations (naturelles ou contrôlées) du milieu dans lequel elles vivent.
NUTRITION BACTÉRIENNE
NUTRITION BACTÉRIENNE c’est l'analyse des besoins élémentaires , énergétiques et spécifiques nécessaires au fonctionnement et à la croissance de la bactérie , ainsi que des facteurs physico-chimiques susceptibles de les influencer. Pour assurer sa croissance ou sa survie, une bactérie doit trouver dans son environnement de quoi satisfaire ses besoins nutritifs : ü substances élémentaires (nutriments) utilisés pour la synthèse des constituants bactériens (structuraux et enzymatiques) ü et une source d’énergie permettant cette synthèse.
1/ BESOINS ÉNERGÉTIQUES Couvrent les dépenses engagées dans les processus de catabolisme et de biosynthèse. Les bactéries peuvent utiliser comme source d'énergie: ü soit l'énergie lumineuse (bactéries Phototrophes) Phototrophes ü soit l'énergie fournie par les réactions chimiques = processus d'oxydo-réduction REDOX (bactéries Chimiotrophes). Chimiotrophes
L'élément qui cède un ou des électron(s) est appelé « réducteur » L'élément qui capte un ou des électron(s) est appelé « oxydant » . ( réducteur : donneur ; oxydant : gagnant. ) Le réducteur s'oxyde (réaction d'oxydation), L'oxydant se réduit (réaction de réduction). L'oxydoréduction se compose donc de deux demi-réactions : une oxydation et une réduction.
Les bactéries Phototrophes font appel à des composés minéraux ou organiques comme sources d'électrons. Ø Si le substrat oxydable est minéral, la bactérie est dite Photolithotrophe: elle est capable de se développer dans un milieu purement minéral comme le font les végétaux : exemple les bactéries sulfureuses pourpres ou vertes. Ø Si le substrat oxydable est organique, la bactérie est dite Photoorganotrophe: exemple les bactéries pourpres non sulfureuses.
Dans les réactions REDOX, les bactéries Chimiotrophes utilisent des composés minéraux ou organiques comme donneurs d'électrons. Ø Si le donneur d’électrons est un composé minéral, la bactérie est dite Chimiolithotrophe, ex. bactérie oxydant l’hydrogène. Ø Si le composé est organique , la bactérie est dite Chimioorganotrophe ( la majorité des bactéries pathogènes d’intérêt médical, de contamination alimentaire, d'usage industriel …)
2/ EAU Besoin majeur , il entre dans la composition de tous les milieux de culture. C’est une source d’H 2 et d’O 2.
3/ SOURCE DE CARBONE 2 grandes catégories de bactéries: Ø Bactéries AUTOTROPHES capacité de développement en milieu inorganique contenant le CO 2 comme seule source de Carbone: *Stricte = CO 2 obligatoire , *Facultatif = CO 2 ou composé organique. Ø Bactéries HETEROTROPHES Exigence en composés organiques comme source de carbone: capacité de dégrader une panoplie de substances hydrocarbonées: Alcool , acide acétique , acide lactique, polysaccharides (sucres).
4/ SOURCE D’AZOTE Entre dans la composition des protéines bactériennes. L’azote peut être fixé par la bactérie: ü Sous forme d’azote moléculaire ex: les Azotobacter et certains Clostridium. ü Sous forme de composés inorganiques: ex: NO 2 -par les Nitrobacter ü Sous forme de composés organiques R-NH 2 dont les groupements aminés représentent la source d’azote.
5/ SOURCE DE PHOSPHORE ü Il entre dans la composition des acides nucléiques (ADN, ARN) , de nombreux coenzymes et de l’ATP. ü Il est incorporé dans la bactérie sous forme de Phosphate inorganique. ü Il permet la récupération , l’accumulation et la distribution de l’énergie dans la cellule.
6/ SOURCE DE SOUFRE ü Il entre dans la composition des acides aminés , des protéines ( groupement thiol ). ü Il est incorporé dans la cellule sous forme de sulfate , de composés soufrés organiques , rarement sous forme de soufre réduit.
7/ AUTRES ÉLÉMENTS MINÉRAUX En plus faible quantité : ü Certains interviennent dans l’équilibre physicochimique de la cellule: Na , K , Mg et Cl. ü D’autres constituent les enzymes ou les coenzy : Fer des cytochromes. A l’état de traces, souvent apportés par l’eau: on les appelle les oligo-éléments car ils sont indispensables en quantité infime: Ce sont Ca, Mg , Co, Cu, Mn….
BESOINS SPÉCIFIQUES Facteurs de croissance: sont des substances indispensables à la croissance dont certaines bactéries sont incapables de synthétiser par défaut enzymatique: Acides aminés , bases puriques et pyrimidiques, vitamines. Métabolite essentiel: est un composé organique strictement nécessaires au développement de la bactérie, Toutefois, il peut être synthétisé par cette dernière.
Ex: Dans un milieu contenant du glucose, une source d'azote et des sels minéraux , Escherichia coli est capable de se multiplier alors que ce n'est pas le cas pour Proteus vulgaris. La croissance de Proteus vulgaris exige l'adjonction supplémentaire de nicotinamide. La nicotinamide est indispensable pour la croissance de ces deux espèces, mais contrairement à Proteus vulgaris, Escherichia coli est capable d'en assurer la synthèse. La nicotinamide est un métabolite essentiel pour ces deux espèces, mais elle n'est un facteur de croissance que pour Proteus vulgaris.
Bactéries Prototrophes: Prototrophes Bactéries ne nécessitant pas de facteurs de croissance, les aliments habituels leur suffisent. Bactéries Auxotrophes : bactéries exigeant des facteurs de croissance. Synthrophie: les besoins en facteur de croissance d’une espèce bactérienne peuvent être apportés par la présence d’une autre espèce qui synthétise ce facteur.
Ex : - E. Coli est une bactérie prototrophe: n'exigeant aucun facteur de croissance, elle se multiplie sur milieu minimum. - Haemophilus influenzae est une bactérie auxotrophe. Elle ne peut cultiver dans un milieu minimum car il lui manque dans son système enzymatique les enzymes nécessaires à la synthèse du facteur V(NAD) et du facteur X (Hémine). Cultive sur milieux Gélose au sang cuit, mais ne cultive sur gélose au sang frais qu’au voisinage de colonies de staphylocoques (satellitisme) = Synthrophie.
TEST DE SATELLITISME
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Oxydation de composés organiques ou inorganiques Minéral Organique Composé minéral Composé organique Non nécessaires Nécessaires Type trophique (nutritionnel)
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Oxydation de composés organiques ou inorganiques Minéral Organique Composé minéral Composé organique Non nécessaires Nécessaires Type trophique (nutritionnel) Phototrophe
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Oxydation de composés organiques ou inorganiques Minéral Organique Composé minéral Composé organique Non nécessaires Nécessaires Type trophique (nutritionnel) Phototrophe Chimiotrophe
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Type trophique (nutritionnel) Phototrophe Oxydation de composés organiques ou inorganiques Chimiotrophe Minéral Lithotrophe Organique Composé minéral Composé organique Non nécessaires Nécessaires
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Type trophique (nutritionnel) Phototrophe Oxydation de composés organiques ou inorganiques Chimiotrophe Minéral Lithotrophe Organique Organotrophe Composé minéral Composé organique Non nécessaires Nécessaires
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Type trophique (nutritionnel) Phototrophe Oxydation de composés organiques ou inorganiques Chimiotrophe Minéral Lithotrophe Organique Organotrophe Composé minéral Autotrophe Composé organique Non nécessaires Nécessaires
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Type trophique (nutritionnel) Phototrophe Oxydation de composés organiques ou inorganiques Chimiotrophe Minéral Lithotrophe Organique Organotrophe Composé minéral Composé organique Non nécessaires Nécessaires Autotrophe Hétérotrophe
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Type trophique (nutritionnel) Phototrophe Oxydation de composés organiques ou inorganiques Chimiotrophe Minéral Lithotrophe Organique Organotrophe Composé minéral Composé organique Non nécessaires Nécessaires Autotrophe Hétérotrophe Prototrophe
Classe du besoin Nature du besoin Rayonnement lumineux Source d'énergie Donneur d'électrons Source de carbone Facteurs de croissance Type trophique (nutritionnel) Phototrophe Oxydation de composés organiques ou inorganiques Chimiotrophe Minéral Lithotrophe Organique Organotrophe Composé minéral Autotrophe Composé organique Hétérotrophe Non nécessaires Prototrophe Nécessaires Auxotrophe
CROISSANCE BACTERIENNE
I - DEFINITION C’est l’accroissement ordonné de tous les composants d’un organisme. ü Chez les bactéries, elle aboutit à une augmentation du nombre d’individus et pas à l’augmentation de leur taille comme chez les organismes supérieurs (Homme, Animal, Plantes) ü Cette croissance est synonyme de multiplication car une bactérie donne naissance par scissiparité à 2 nouvelles bactéries identiques. ü Une bactérie mère donne des millions de cellules filles. ü
II - TECHNIQUES DE MESURE DE LA CROISSANCE BACTÉRIENNE La croissance peut être mesurer en se basant sur: le nombre de cellules, ü la masse bactérienne ou biomasse. ü l’activité bactérienne. ü
1 - Mesure du nombre de cellules (Dénombrement ): A/ Nombre de cellules totales: ü Se fait généralement par l’éxamen microscopique à l’aide d’une cellule hématimétrique: Malassez, Nageotte, Thomas…. ü La cellule est remplie avec la suspension bactérienne et recouverte d’une lamelle. ü Le dénombrement des bactéries se fait au microscope optique objectif x 40.
B/ Nombre de cellules viables: ü La technique habituelle est celle du dénombrement après culture en boite de Pétri. ü Les bactéries cultivables forment des colonies sur un milieu de culture approprié en boîtes de Pétri. ü On compte les colonies apparues sur un milieu gélosé inoculé à partir d’une suspension bactérienne. Chacune de ces colonies est supposée dérivée d’une seule bactérie ( appelée : unité formant colonie « UFC » ).
Ensemencement
2 - Mesure de la biomasse: A / détermination du poids sec: Il est possible de peser la masse bactérienne d’une suspension après centrifugation et dessiccation dans des conditions précises de temps et de température (gr/l). B / mesure de la densité optique (D. O): Consiste à mesurer la lumière absorbée par une suspension bactérienne à l'aide d'un spectrophotomètre. l'absorbance est proportionnelle à la concentration cellulaire.
Milieu clair Milieu trouble
3 - Mesure de l’activité: On choisit une modification spécifique produite sur l’un des constituants du milieux. Ex: l’acidification du glucose, il y’a un rapport entre la quantité d’acide produite et la masse microbienne, ce rapport permet indirectement de mesurer cette masse. Autres: Dosage du CO 2, activité enzymatique…
III - CONSTANTES ET EXPRESSION DE LA CROISSANCE: 1/Temps de génération: C’est l’intervalle de temps entre 2 divisions successives ou le temps requis pour un dédoublement du nombre de bactéries. dépend de l'espèce et des conditions environnementales Ex: E. coli: TG= 20 mn , Mycobacterium tuberculosis: TG= 800 -1000 mn 2/ Taux de croissance: On définit le Taux de croissance comme le nombre de divisions par unité de temps. Il est égal à l'inverse du temps de génération Ex: 3 pour E. coli. 3/ Expression mathématique de la croissance: Si on considère une population bactérienne de concentration initiale N 0, elle augmente à chaque génération de la façon suivante: - après une génération: N 1= 2 N 0 - après deux générations : N 2= 22 N 0 - après n générations : N = 2 n. N 0
4/ Cinétique de la croissance: L'étude de la croissance bactérienne dans le temps ou cinétique de la croissance peut être représentée sur un graphique en portant: - en ordonnée, les valeurs des log de la D. O du milieu de culture. - en abscisse, le temps. La courbe de croissance obtenue montre alors 6 phases: A- phase de latence B- phase d'accélération C- phase de croissance exponentielle D- phase de ralentissement (décélération) E- phase stationnaire F- phase de déclin.
Phase A: Phase de latence: Période comprise entre l’ensemencement et le début du développement bactérien. C’est la phase d’adaptation des bactéries à leur milieu de culture, il n’y a pas de multiplication pendant cette phase. Elle correspond à la mise en route des systèmes enzymatiques de la bactérie. La durée de la phase de latence est très variable et elle dépend à la fois de la nature du milieu ainsi que de la nature et de la taille de l'inoculum bactérien.
Phase B: Phase d’accélération: Se caractérise par une augmentation de plus en plus rapide de la masse bactérienne. Le temps de génération se raccourcit progressivement. Phase C: Phase de croissance exponentielle: Le taux de croissance atteint sa valeur maximale, il y’a dédoublement de la population bactérienne à des intervalles de temps réguliers (toute les 20 mn pour E. coli). Période où le temps de génération est le plus court. Activité métabolique maximale. Production de toxines par certaines bactéries pathogènes. Phase D: phase de ralentissement: L'augmentation de la masse bactérienne est ralentit. Le taux de croissance baisse. Le temps de génération s’allonge.
Phase E: Phase stationnaire: La masse bactérienne est maximale et constante , les nouvelles générations équilibrent les vieilles bactéries qui se lysent. Durant cette phase les bactéries en ayant la capacité, peuvent sporuler. Phase F: Phase de déclin: La masse bactérienne décroit du fait de la lyse accélérée des bactéries. Ceci résulte d'un épuisement des nutriments du milieu, d’une réduction d’oxygène et de l'accumulation de déchets toxiques. Le temps de génération est de plus en plus long, créant un déséquilibre entre les nouvelles génération et les vieilles qui meurent en plus grand nombre.
5/ CONDITIONS PHYSICO CHIMIQUES DE LA CROISSANCE:
a - La Température: Selon le comportement de la bactérie vis à vis de la température , on distingue: les bactéries mésophiles: mésophiles T°Optimale de croissance = 20°C - 40°C. La majorité des microorganismes de l’homme et de l’animal sont des mésophiles: Bactéries pathogènes , bactéries de la flore commensale. Les bactéries thermophiles: thermophiles T°Optimale de croissance = 45°C -65°C , généralement 55°C. Ce sont les bactéries des sources thermales. ex: Bacillus et Clostridium. Les bactéries psychrophiles: T°Optimale de croissance = 0°C. Mais multiplication abondante à 10°C ou 20°C. Ces bactéries contaminent souvent les produits laitiers , de même que les produits biologiques (sang ou dérivés sanguins) conservés à basse température (réfrigérateur). Ex: Pseudomonas, Acinetobacter, Aeromonas, Listeria. Les bactéries cryophiles: cryophiles T°Optimale de croissance inférieure à 0°C: Ce sont les bactéries des océans et des glaciers. Les températures trop élevées sont nuisibles pour les bactéries. Ainsi, la stérilisation par la chaleur se fait à une température de 180°C au poupinel (chaleur sèche) pendant 30 minutes ou à 120°C à l'autoclave (chaleur humide ) pendant 20 minutes.
b - Le PH: Les bactéries préfèrent un p. H neutre ou légèrement alcalin (7 – 7. 5). Ex : E. coli cultive entre p. H 4. 4 et p. H 8. Lactobacillus acidophilus (flore vaginale) cultive mieux à p. H 6 Vibrio choleraese multiplie au p. H optimal de 9. NB! Au cours des cultures, le métabolisme bactérien engendre des composés acides ou basiques qui seraient susceptibles d'entraver la multiplication bactérienne. Pour éviter ces variations de p. H, les milieux de culture sont tamponnés, le plus souvent en utilisant des tampons phosphates (aussi source de phosphore).
c - La Pression Osmotique Grâce à leur paroi, qui leur confère une rigidité et une résistance aux chocs , les bactéries tolèrent les variations de concentrations ioniques. Certaines bactéries tolèrent des concentrations salines importantes (bactéries dites halophiles) : ex: Enterococcus(6. 5% Nacl) Staphylococcus aureus ( 7. 5% Nacl)
d - La Pression partielle d’Oxygène: Selon leur comportement à l’égard de l’oxygène, les bactéries sont classées en: 1 - Bactérie Aérobie stricte : ne peuvent se développer qu’en présence d’O 2 de l’air. ex : Mycobacterium tuberculosis, Pseudomonas. 2 - Bactérie Microaérophile: Microaérophile se développent sous une pression d’O 2 réduite. ex: Campylobacter 3 - Bactérie Anaérobie stricte : ne se développe qu’en absence d’O 2 qui leur est toxique. ex: Bacteroides 4 - Bactérie Aéro-anaérobie facultative : se développe aussi bien en absence qu’en présence d’O 2. ex: les Entérobactéries.
e - Facteurs inhibant la croissance : - - Radiations: les bactéries sont sensibles aux rayons X et UV (soleil), rayons Gamma Substances antibactériennes: Les antiseptiques et les antibiotiques s'opposent à la croissance des bactéries et sont utilisés pour leur destruction. Certaines substances sont des inhibiteurs sélectifs de certaines bactéries. Elles sont ajoutées dans les milieux pour favoriser sélectivement la multiplication des bactéries résistantes: c'est le principe des milieux sélectifs
APPLICATIONS: 1 -Le diagnostic bactériologique: - Examen microscopique (étape d'orientation). - Nécessité d'ensemencer le produit pathologique sur des milieux de culture contenant des nutriments indispensables à la croissance. Les notions de physiologie bactérienne interviennent alors dans le choix du (ou des) type(s) de milieux de culture pour les bactéries que l'on désire isoler et identifier: milieux d'isolement, milieux d'identification, milieux sélectifs, milieux d'enrichissement (Solides ou liquides)
2 - L'antibiothérapie: Les modifications de la courbe de croissance permettent de mesurer l'activité antibactérienne d'un nouvel ATB sur une bactérie donnée. 3 - L’efficacité de la stérilisation: L'étude de la courbe de croissance permet de vérifier la vitesse de destruction des bactéries par la chaleur, les UV, ou d'autres agents physiques ou chimiques. 4 - L'industrie: - Dosage microbiologique des vitamines et autres substances qui sont des facteurs de croissance pour les bactéries. - Obtention de grandes quantités d'antibiotiques, d'enzymes et de vitamines grâce à la croissance en milieu de culture renouvelé. - Obtention de grandes quantités de bactéries destinées à l'alimentation en particulier animale (génie génétique).
MERCI POUR VOTRE ATTENTION
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