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6.3 : Dynamique de croissance bactérienne - Biologie

6.3 : Dynamique de croissance bactérienne - Biologie


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Résultats d'apprentissage

  • Discuter de la dynamique de croissance d'une culture bactérienne
  • Identifier les phases de la courbe de croissance bactérienne

La croissance bactérienne fait référence à une augmentation du nombre de bactéries, et non à une augmentation de la taille des cellules individuelles. Chez la plupart des bactéries, la croissance implique d'abord une augmentation de la masse cellulaire et du nombre de ribosomes, puis la duplication du chromosome bactérien, la synthèse d'une nouvelle paroi cellulaire et membrane plasmique, la partition des deux chromosomes, la formation de septum et la division cellulaire. Ce processus de reproduction asexuée est appelé fission binaire et résulte en deux cellules filles qui sont génétiquement identiques. Ceci est accompli par le processus de fission binaire, où une seule cellule bactérienne se divise en deux.

Regardez la vidéo 1 : Croissance bactérienne

Regarder la vidéo 1: Division cellulaire bactérienne (00:15). URL : https://youtu.be/gEwzDydciWc

La dynamique de la croissance bactérienne suit un schéma prévisible visualisé comme un courbe de croissance bactérienne. Cette courbe de croissance est générée en traçant l'augmentation du nombre de cellules en fonction du temps. La courbe peut alors être utilisée pour déterminer la Temps de génération, le temps nécessaire pour qu'une population microbienne double en nombre de cellules. Il y a généralement quatre phases de croissance dans un récipient de culture bactérienne fermé, comme un flacon ou un tube. Les phases sont décalage, log/exponentiel, à l'arrêt et la mort phases.

Phase de latence: immédiatement après l'inoculation des cellules dans du milieu frais, la population reste temporairement inchangée (notez que la ligne ici est plate, pas de changement dans le nombre de cellules). Bien qu'il n'y ait pas de division cellulaire apparente, les cellules peuvent croître en volume ou en masse, synthétiser des enzymes, des protéines, de l'ARN, etc., et augmenter leur activité métabolique. Les cellules s'adaptent et s'ajustent également à ce milieu et à cette condition de croissance, différents gènes peuvent être activés pour commencer à métaboliser différents substrats. Il y a des processus de réparation en cours, la cellule re-synthétise les constituants cellulaires endommagés en vue de la fission binaire. La durée de la phase de latence dépend d'une grande variété de facteurs, y compris la taille de l'inoculum ; le temps nécessaire pour se remettre d'un dommage physique ou d'un choc lors du transfert ; temps nécessaire à la synthèse des coenzymes ou facteurs de division essentiels ; et le temps nécessaire à la synthèse de nouvelles enzymes (inductibles) qui sont nécessaires pour métaboliser les substrats présents dans le milieu, l'âge de l'inoculum (microbe introduit dans un milieu de culture pour initier la croissance), une « ancienne » culture sera probablement beaucoup cellules mortes/vieillies et peut prendre plus de temps pour s'adapter à ce milieu.

Les Enregistrer (Exponentiel) Phase. La phase exponentielle de croissance est un modèle de croissance équilibrée dans lequel toutes les cellules se divisent régulièrement par fission binaire et croissent par progression géométrique. Les cellules se divisent à une vitesse constante en fonction de la composition du milieu de croissance et des conditions d'incubation. Les taux de croissance exponentielle d'une culture bactérienne est exprimée par Temps de génération, également temps de doublement de la population bactérienne. Cette phase est généralement relativement courte dans le schéma de l'ensemble de la courbe de croissance. Les cellules de cette phase sont les plus actives métaboliquement et sont préférées à des fins industrielles où, par exemple, un produit doit être produit efficacement. Les cellules à croissance exponentielle sont généralement les plus saines et sont donc les plus souhaitables pour les études de leurs enzymes ou d'autres composants cellulaires. Comme le temps de génération est constant, un graphique logarithmique de croissance pendant la phase de log est une ligne droite.

La croissance exponentielle ne peut pas être poursuivie indéfiniment dans une culture par lots. La croissance démographique est limitée par l'un des trois facteurs suivants : 1. épuisement des nutriments disponibles ; 2. accumulation de métabolites inhibiteurs ou de produits finaux ; 3. épuisement de l'espace, appelé dans ce cas manque d'« espace biologique ». Finalement, le taux de croissance ralentit, le nombre de morts microbiennes équilibre le nombre de nouvelles cellules et la population se stabilise. Cette période d'équilibre est appelée la État stationnaire. Les bactéries qui produisent métabolites secondaires, tels que les antibiotiques, le font souvent pendant la phase stationnaire du cycle de croissance (les métabolites secondaires sont définis comme des métabolites produits après la phase active de croissance).

C'est pendant la phase stationnaire que les bactéries sporulées doivent induire ou démasquer l'activité de dizaines de gènes pouvant être impliqués dans le processus de sporulation pour se préparer à une période de dormance. Si l'incubation se poursuit après que la population a atteint la phase stationnaire, un phase de mort suit, dans laquelle la population de cellules viables diminue. Pendant la phase de mort, le nombre de cellules viables diminue géométriquement (exponentiellement), essentiellement à l'inverse de la croissance pendant la phase logarithmique. Cette phase se poursuit jusqu'à ce que la population soit réduite à une infime fraction du nombre de cellules de la phase précédente ou jusqu'à ce que la population disparaisse complètement.

Image 1: Courbe de croissance bactérienne montrant 4 phases. Image par Michał Komorniczak (Pologne). https://upload.wikimedia.org/wikiped..._growth_en.svg


6.3 : Dynamique de croissance bactérienne - Biologie

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Conception de chimiostat bactérien

Le chemostat bactérien est un réacteur continu à cuve agitée (CSTR) utilisé pour la production continue de biomasse microbienne.

Configuration du chimiostat

La configuration du chemostat consiste en un réservoir de nutriments frais stériles relié à une chambre de croissance ou à un réacteur. Un milieu frais contenant des nutriments essentiels à la croissance cellulaire est pompé en continu vers la chambre à partir du réservoir de milieu. Le milieu contient une concentration spécifique de nutriment limitant la croissance (Cs), ce qui permet une concentration maximale de cellules dans la chambre de croissance. La variation de la concentration de ce nutriment limitant la croissance modifiera à son tour la concentration des cellules à l'état d'équilibre (Cc). Un autre moyen de contrôler la concentration cellulaire à l'état d'équilibre consiste à manipuler la vitesse à laquelle le milieu s'écoule dans la chambre de croissance. Le milieu s'égoutte dans la culture à travers la coupure d'air pour empêcher les bactéries de se déplacer en amont et de contaminer le réservoir de milieu stérile.

Le contenu bien mélangé du récipient, composé de nutriments inutilisés, de déchets métaboliques et de bactéries, est retiré du récipient et surveillé par un indicateur de niveau, afin de maintenir un volume de fluide constant dans le chémostat. Ce débit d'effluent peut être contrôlé soit par une pompe soit par un orifice sur le côté du réacteur qui permet l'élimination du liquide réactionnel en excès. Dans les deux cas, le flux d'effluent doit être capable d'éliminer l'excès de liquide plus rapidement que le flux d'alimentation ne peut fournir un nouveau milieu afin d'éviter que le réacteur ne déborde.

La température et la pression doivent également être contrôlées dans le chémostat afin de maintenir des conditions optimales pour la croissance cellulaire. L'utilisation d'un CSTR chemisé pour la chambre de croissance permet un contrôle facile de la température. Certains processus tels que la fermentation biologique sont assez exothermiques, de sorte que l'eau de refroidissement est utilisée pour maintenir la température à son niveau optimal. Quant à la pression du réacteur, elle est contrôlée par un flux d'air de sortie qui permet l'évacuation des gaz en excès.

Pour les cultures aérobies, de l'air purifié est barboté dans le contenu du récipient par un sparger. Cela garantit que suffisamment d'oxygène peut se dissoudre dans le milieu réactionnel. Pour les procédés anaérobies, il n'y a généralement pas besoin d'une entrée d'air, mais il doit y avoir une sortie de gaz afin d'éviter une accumulation de pression à l'intérieur du réacteur.

Afin d'éviter que le mélange réactionnel ne devienne trop acide (la respiration cellulaire rend le milieu acide) ou trop basique, ce qui pourrait entraver la croissance cellulaire, un contrôleur de pH est nécessaire afin d'équilibrer le pH du système.

L'agitateur garantit que le contenu du récipient est bien mélangé. Si la vitesse d'agitation est trop élevée, cela pourrait endommager les cellules en culture, mais si elle est trop faible, des gradients pourraient s'accumuler dans le système. Des gradients importants de toute nature (température, pH, concentration, etc.) peuvent être préjudiciables à la production des cellules, et peuvent empêcher le réacteur d'atteindre un fonctionnement en régime permanent.

L'encrassement est une autre préoccupation dans la conception des réacteurs. L'encrassement est généralement défini comme le dépôt et l'accumulation de matériaux indésirables sur les surfaces immergées ou les surfaces en contact avec l'écoulement de fluide. Lorsque le matériau déposé est de nature biologique, on parle d'encrassement biologique. L'encrassement ou l'encrassement biologique dans un système comme celui-ci peut entraîner une diminution de l'efficacité des échangeurs de chaleur ou une diminution de la section transversale des tuyaux. L'encrassement des surfaces de l'échangeur de chaleur conduit le système à ne pas fonctionner de manière optimale, à se trouver en dehors de la plage de température cible ou à dépenser un excès d'énergie pour maintenir une température optimale. L'encrassement des canalisations entraîne une augmentation de la chute de pression, ce qui peut entraîner des complications en aval. Pour minimiser ces effets, les réacteurs chimiostatiques industriels sont généralement cylindriques, contenant des volumes allant jusqu'à 1 300 mètres cubes, et sont souvent construits en acier inoxydable. La forme cylindrique et la surface lisse en acier inoxydable permettent un nettoyage facile.

Équations de conception

Les équations de conception des réacteurs continus à cuve agitée (CSTR) sont applicables aux chémostats. Des bilans doivent être faits à la fois sur les cellules en culture et sur le milieu (substrat).

Le bilan massique sur les microorganismes dans un CSTR de volume constant est :

[Taux d'accumulation de cellules, g/s] = [Taux de cellules entrantes, g/s] &ndash [Taux de cellules sortantes, g/s] + [Taux net de génération de cellules vivantes, g/s]

Le bilan de masse sur le substrat dans un CSTR de volume constant est :

[Taux d'accumulation de substrat, g/s] = [Taux d'entrée de substrat, g/s] &ndash [Taux de sortie de substrat, g/s] + [Taux de consommation nette de substrat, g/s]

En supposant qu'aucune cellule n'entre dans le réacteur à partir du flux d'alimentation, le bilan massique des cellules peut être retravaillé de la manière suivante :

[(Cellules d'accumulation de taux) =V frac> label<1>]

De même, le bilan massique du substrat peut être retravaillé de la manière suivante :

Mettre les équations ef<1>- ef <3>ensemble donne l'équation de conception pour les cellules dans un chémostat :

De même, les équations ef<4>- ef <6>ensemble donnent l'équation de conception pour le substrat dans un chémostat :

Les hypothèses faites sur le CSTR incluent un mélange parfait, une densité constante du contenu du réacteur, des conditions isothermes et une réaction unique et irréversible.

De nombreuses lois existent pour le taux de croissance de nouvelles cellules.

L'équation de Monod est le modèle le plus couramment utilisé pour la courbe de réponse du taux de croissance des bactéries.

Le taux de croissance cellulaire spécifique, &mu, peut être exprimé sous la forme

  • &mumax = une vitesse de réaction de croissance spécifique maximale
  • Ks = la constante de Monod
  • Cs = concentration du substrat

Équation de Tessier et équation de Moser

Deux équations supplémentaires sont couramment utilisées pour décrire le taux de croissance cellulaire. Ils sont les Équations de Tessier et Moser. Ces lois de croissance seraient utilisées lorsqu'elles s'avéreraient mieux adaptées aux données expérimentales, en particulier au début ou à la fin de la fermentation.

où (&lambda) et (k) sont des constantes empiriques déterminées par des données mesurées.

Le taux de mortalité des cellules, (r_d), prend en compte la mort naturelle, (k_d), et la mort par sous-produit toxique, (k_t), où (C_t) est la concentration de toxique par -produit.

Phase de mort La phase de mort de la croissance des cellules bactériennes est celle où une diminution de la concentration de cellules vivantes se produit. Ce déclin pourrait être le résultat d'un sous-produit toxique, d'environnements difficiles ou d'un épuisement des nutriments.

Afin de modéliser la quantité de substrat et de produit consommée/produite dans les équations suivantes, des coefficients de rendement sont utilisés. Ouisc Andyordinateur sont les coefficients de rendement pour le substrat aux cellules et le produit aux cellules, respectivement. Les coefficients de rendement ont les unités de g variables/g cellules. L'équation ef <14> représente le taux d'épuisement du substrat :

L'équation ef <15>représente la vitesse de formation du produit :


Modélisation de la dynamique de croissance de plusieurs souches d'Escherichia coli dans l'intestin du porc après un traitement par ampicilline par voie intramusculaire

Fond: Cette étude a évalué comment le schéma posologique de l'ampicilline administrée par voie intramusculaire, la composition des souches d'Escherichia coli en ce qui concerne la sensibilité à l'ampicilline et l'excrétion des bactéries de l'intestin affectaient le niveau de résistance des souches d'Escherichia coli dans l'intestin des porcelets de pouponnière. Il a également examiné la dynamique de la composition des souches bactériennes pendant et après le traitement. Les réponses de croissance des souches aux concentrations d'ampicilline ont été déterminées en utilisant des courbes de croissance in vitro. En utilisant ces résultats comme données d'entrée, des prédictions de croissance ont été générées à l'aide d'un modèle mathématique pour simuler la croissance compétitive de souches d'E. coli dans un intestin de porc sous des profils de concentration plasmatique d'ampicilline spécifiés.

Résultats: Les résultats de croissance in vitro ont démontré que les souches résistantes n'avaient pas de coût d'adaptation pour leur résistance, et que les souches les plus sensibles étaient plus affectées par des concentrations croissantes d'antibiotiques que le reste des souches. La modélisation a révélé qu'une courte durée de traitement entraînait des niveaux de résistance inférieurs et que la fréquence d'administration n'avait pas d'influence substantielle sur la croissance des souches résistantes. Les niveaux de résistance se sont avérés sensibles au nombre de souches concurrentes, et cet effet a été renforcé par une durée de traitement plus longue. Une excrétion élevée de bactéries de l'intestin a favorisé les souches résistantes par rapport aux souches sensibles, mais en même temps, elle a entraîné un retour plus rapide aux niveaux de prétraitement après la fin du traitement. Lorsque la durée d'excrétion élevée était limitée à la durée du traitement (c'est-à-dire que le traitement était supposé entraîner une guérison de la diarrhée), les souches résistantes nécessitaient plus de temps pour atteindre le niveau précédent.

Conclusion: Aucun coût de remise en forme n'a été associé à la résistance à l'ampicilline chez E. coli. Outre les facteurs de dosage, des facteurs épidémiologiques (tels que le nombre de souches concurrentes et l'excrétion bactérienne) ont influencé le développement de la résistance et doivent être pris en compte davantage en relation avec les stratégies de traitement optimales. L'approche de modélisation utilisée dans l'étude est générique et pourrait être utilisée pour prédire l'effet du traitement avec d'autres médicaments et d'autres voies d'administration pour l'effet sur le développement de la résistance dans l'intestin des porcs.

Mots clés: Ampicilline Résistance aux antimicrobiens Stratégies posologiques Pharmacodynamique Porc.


Remerciements

Nous tenons à remercier C. Pan pour son soutien dans l'expérience FACS. Nous remercions C. Guan et H. Feng des laboratoires C. Zhang et H. Xing pour leur aide dans le traitement des données NGS brutes et l'analyse phylogénétique. Nous tenons également à remercier J. Zhang pour la discussion critique sur le processus dynamique, Q. Hu pour la discussion critique de la biologie structurelle et J. Liu pour les commentaires sur le manuscrit. Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (NSFC21676156, à CZ), Tsinghua University Initiative Scientific Research Program (20161080108, à CZ), la National Natural Science Foundation of China (NSFC21627812, à X.-HX), un plan de soutien à l'innovation postdoctorale de la China Postdoctoral Science Foundation (à TW) et une bourse postdoctorale du Tsinghua-Peking Joint Center for Life Sciences (à TW).


Capacités de promotion de la croissance des plantes et dynamique bactérienne à micro-échelle dans la rhizosphère du lupin analysées par la capacité d'utilisation des phytates

Dans la rhizosphère, les niveaux de phosphore (P) sont faibles en raison de l'absorption de P dans les racines. Les rhizobactéries vivent du carbone (C) exsudé des racines et peuvent contribuer à la nutrition des plantes en libérant du P à partir de composés organiques tels que les phytates. Nous avons isolé plus de 300 souches bactériennes de phytate (Na-inositol hexa-phosphate Na-IHP) de la rhizogaine et du rhizoplan de Lupinus albus (L.). Presque tous les isolats ont été classés comme Burkholderia sur la base d'une analyse de séquence d'ADNr 16S. Les isolats de rhizogaine cultivés avec du Na-IHP comme seule source de C et de P ont montré une absorption de P inférieure à la même activité de phytase extracellulaire que les souches de rhizoplane, suggérant que les bactéries de la gaine de rhizo utilisaient le phytate comme source de C. De nombreux isolats utilisaient également du phytate insoluble (Al-IHP et/ou Fe-IHP). En co-culture avec des semis de Lotus japonicus, certains isolats ont considérablement favorisé la croissance des plantes.


Écologie des bactéries

Les procaryotes sont omniprésents à la surface de la Terre. On les trouve dans tous les environnements accessibles, de la glace polaire aux sources chaudes bouillonnantes, des sommets des montagnes au fond des océans, et des corps végétaux et animaux aux sols forestiers. Certaines bactéries peuvent se développer dans le sol ou l'eau à des températures proches du point de congélation (0 °C [32 °F]), tandis que d'autres se développent dans l'eau à des températures proches de l'ébullition (100 °C [212 °F]). Chaque bactérie est adaptée pour vivre dans une niche environnementale particulière, qu'il s'agisse des surfaces océaniques, des sédiments de boue, du sol ou des surfaces d'un autre organisme. Le niveau de bactéries dans l'air est faible mais important, surtout lorsque de la poussière a été en suspension. Dans les plans d'eau naturels non contaminés, le nombre de bactéries peut atteindre des milliers par millilitre dans un sol fertile, le nombre de bactéries peut atteindre des millions par gramme et dans les matières fécales, le nombre de bactéries peut dépasser des milliards par gramme.

Les procaryotes sont des membres importants de leurs habitats. Bien qu'ils soient de petite taille, leur nombre signifie que leur métabolisme joue un rôle énorme, parfois bénéfique, parfois néfaste, dans la conversion des éléments de leur environnement extérieur. Probablement toutes les substances naturelles, et de nombreuses substances synthétiques, peuvent être dégradées (métabolisées) par certaines espèces de bactéries. Le plus gros estomac de la vache, le rumen, est une chambre de fermentation dans laquelle les bactéries digèrent la cellulose des herbes et des aliments, la convertissant en acides gras et acides aminés, qui sont les nutriments fondamentaux utilisés par la vache et la base de la production de la vache. de lait. Les déchets organiques des tas d'égouts ou de compost sont convertis par les bactéries soit en nutriments appropriés pour le métabolisme des plantes, soit en méthane gazeux (CH4) et le dioxyde de carbone. Les restes de toutes les matières organiques, y compris les plantes et les animaux, sont finalement convertis en sol et en gaz grâce aux activités de bactéries et d'autres micro-organismes et sont ainsi rendus disponibles pour une croissance ultérieure.

De nombreuses bactéries vivent dans les cours d'eau et autres sources d'eau, et leur présence à de faibles densités de population dans un échantillon d'eau n'indique pas nécessairement que l'eau est impropre à la consommation. Cependant, l'eau qui contient des bactéries telles que E. coli, qui sont des habitants normaux du tractus intestinal des humains et des animaux, indique que les eaux usées ou les matières fécales ont récemment pollué cette source d'eau. Ces bactéries coliformes peuvent être elles-mêmes des agents pathogènes (organismes causant des maladies) et leur présence indique que d'autres agents pathogènes bactériens et viraux moins facilement détectés peuvent également être présents. Les procédures utilisées dans les usines de purification de l'eau (décantation, filtration et chloration) sont conçues pour éliminer ces micro-organismes et autres agents infectieux pouvant être présents dans l'eau destinée à la consommation humaine. En outre, le traitement des eaux usées est nécessaire pour empêcher la libération de bactéries et de virus pathogènes des eaux usées dans les approvisionnements en eau. Les usines de traitement des eaux usées initient également la décomposition des matières organiques (protéines, graisses et glucides) dans les eaux usées. La dégradation de la matière organique par les micro-organismes dans l'eau consomme de l'oxygène (demande biochimique en oxygène), provoquant une diminution du niveau d'oxygène, ce qui peut être très nocif pour la vie aquatique dans les cours d'eau et les lacs qui reçoivent les eaux usées. L'un des objectifs du traitement des eaux usées est d'oxyder autant de matières organiques que possible avant leur rejet dans le système d'eau, réduisant ainsi la demande biochimique en oxygène des eaux usées. Les cuves de digestion des eaux usées et les dispositifs d'aération exploitent spécifiquement la capacité métabolique des bactéries à cet effet. (Pour plus d'informations sur le traitement des eaux usées, voir travaux environnementaux : Dépollution des eaux.)

Les bactéries du sol sont extrêmement actives pour effectuer des changements biochimiques en transformant les différentes substances, humus et minéraux, qui caractérisent le sol. Les éléments essentiels à la vie, tels que le carbone, l'azote et le soufre, sont convertis par les bactéries à partir de composés gazeux inorganiques en des formes utilisables par les plantes et les animaux. Les bactéries convertissent également les produits finaux du métabolisme des plantes et des animaux en des formes utilisables par les bactéries et autres micro-organismes. Le cycle de l'azote peut illustrer le rôle des bactéries dans la réalisation de divers changements chimiques. L'azote existe dans la nature sous plusieurs états d'oxydation, sous forme de nitrate, de nitrite, de diazote gazeux, de plusieurs oxydes d'azote, d'ammoniac et d'amines organiques (composés d'ammoniac contenant un ou plusieurs hydrocarbures substitués). La fixation de l'azote est la conversion du diazote gazeux de l'atmosphère en une forme utilisable par les organismes vivants. Certaines bactéries fixatrices d'azote, comme Azotobacter, Clostridium pasteurianum, et Klebsiella pneumoniae, sont libres, tandis que les espèces de Rhizobium vivent en association intime avec les légumineuses. Rhizobium les organismes du sol reconnaissent et envahissent les poils absorbants de leur plante hôte spécifique, pénètrent dans les tissus végétaux et forment un nodule racinaire. Ce processus fait perdre aux bactéries bon nombre de leurs caractéristiques de vie libre. Ils deviennent dépendants du carbone fourni par la plante et, en échange de carbone, ils convertissent l'azote gazeux en ammoniac, qui est utilisé par la plante pour sa synthèse protéique et sa croissance. De plus, de nombreuses bactéries peuvent convertir le nitrate en amines à des fins de synthèse de matériaux cellulaires ou en ammoniac lorsque le nitrate est utilisé comme accepteur d'électrons. Les bactéries dénitrifiantes transforment le nitrate en gaz diazote. La conversion de l'ammoniac ou des amines organiques en nitrate est accomplie par les activités combinées des organismes aérobies Nitrosomonas et Nitrobacter, qui utilisent l'ammoniac comme donneur d'électrons.

Dans le cycle du carbone, le dioxyde de carbone est converti en matériaux cellulaires par les plantes et les procaryotes autotrophes, et le carbone organique est renvoyé dans l'atmosphère par les formes de vie hétérotrophes. Le principal produit de dégradation de la décomposition microbienne est le dioxyde de carbone, qui est formé par la respiration d'organismes aérobies.

Le méthane, un autre produit final gazeux du métabolisme du carbone, est une composante relativement mineure du cycle mondial du carbone mais d'importance dans les situations locales et en tant que source d'énergie renouvelable à usage humain. La production de méthane est assurée par des procaryotes méthanogènes hautement spécialisés et obligatoirement anaérobies, qui sont tous des archées. Les méthanogènes utilisent le dioxyde de carbone comme accepteur d'électrons terminal et reçoivent des électrons de l'hydrogène gazeux (H2). Quelques autres substances peuvent être converties en méthane par ces organismes, notamment le méthanol, l'acide formique, l'acide acétique et les méthylamines. Malgré la gamme extrêmement étroite de substances pouvant être utilisées par les méthanogènes, la production de méthane est très courante lors de la décomposition anaérobie de nombreuses matières organiques, notamment la cellulose, l'amidon, les protéines, les acides aminés, les graisses, les alcools et la plupart des autres substrats. La formation de méthane à partir de ces matériaux nécessite que d'autres bactéries anaérobies dégradent ces substances soit en acétate, soit en dioxyde de carbone et en hydrogène gazeux, qui sont ensuite utilisés par les méthanogènes. Les méthanogènes favorisent la croissance des autres bactéries anaérobies du mélange en éliminant l'hydrogène gazeux formé au cours de leurs activités métaboliques pour la production de méthane. La consommation d'hydrogène gazeux stimule le métabolisme d'autres bactéries.

Malgré le fait que les méthanogènes aient une capacité métabolique si restreinte et soient assez sensibles à l'oxygène, ils sont répandus sur Terre. De grandes quantités de méthane sont produites dans les environnements anaérobies, tels que les marécages et les marais, mais des quantités importantes sont également produites dans le sol et par les ruminants. Au moins 80 pour cent du méthane dans l'atmosphère a été produit par l'action de méthanogènes, le reste étant libéré par les gisements de charbon ou les puits de gaz naturel.


L'ÉVOLUTION EN ACTION

Pourquoi le mammouth laineux s'est-il éteint ?

Figure 4 : Les trois images comprennent : (a) une fresque murale de 1916 d'un troupeau de mammouths du Musée américain d'histoire naturelle, (b) le seul mammouth empaillé au monde se trouve au Musée de zoologie situé à Saint-Pétersbourg, en Russie, et (c) un bébé mammouth d'un mois, nommé Lyuba, découvert en Sibérie en 2007. (crédit a : modification de l'œuvre par Charles R. Knight crédit b : modification de l'œuvre par « Tanapon »/Flickr crédit c : modification de l'œuvre par Matt Comment vas-tu)

Les mammouths laineux ont commencé à disparaître il y a environ 10 000 ans, peu de temps après que les paléontologues pensent que les humains capables de les chasser ont commencé à coloniser l'Amérique du Nord et le nord de l'Eurasie (figure 4). Une population de mammouths a survécu sur l'île Wrangel, dans la mer de Sibérie orientale, et a été isolée du contact humain jusqu'à 1700 av. Nous en savons beaucoup sur ces animaux à partir de carcasses trouvées congelées dans la glace de Sibérie et d'autres régions du nord.

On pense généralement que le changement climatique et la chasse humaine ont conduit à leur extinction. Une étude de 2008 a estimé que le changement climatique a réduit l'aire de répartition du mammouth de 3 000 000 milles carrés il y a 42 000 ans à 310 000 milles carrés il y a 6 000 ans. 2 Grâce à des preuves archéologiques de sites de mise à mort, il est également bien documenté que les humains chassaient ces animaux. Une étude de 2012 a conclu qu'aucun facteur n'était exclusivement responsable de l'extinction de ces magnifiques créatures. 3 En plus du changement climatique et de la réduction de l'habitat, les scientifiques ont démontré qu'un autre facteur important dans l'extinction du mammouth était la migration des chasseurs humains à travers le détroit de Béring vers l'Amérique du Nord au cours de la dernière période glaciaire il y a 20 000 ans.

Le maintien de populations stables était et est très complexe, de nombreux facteurs en interaction déterminant le résultat. Il est important de se rappeler que les humains font aussi partie de la nature. Autrefois, nous avons contribué au déclin d'une espèce en utilisant uniquement la technologie de chasse primitive.


Modélisation de la croissance et de la dynamique microbiennes

La modélisation est devenue un outil important pour élargir notre compréhension de la croissance microbienne dans le contexte de la microbiologie appliquée et liée à des processus tels que la production alimentaire sûre, le traitement des eaux usées, la bioremédiation ou l'exploitation minière à médiation microbienne. Diverses techniques de modélisation, telles que les modèles mathématiques primaires, secondaires et tertiaires, les modèles phénoménologiques, les modèles mécanistes ou cinétiques, les modèles de transport réactif, les modèles de réseaux bayésiens, les réseaux de neurones artificiels, ainsi que les modèles basés sur les agents, les individus et les particules ont été appliqué pour modéliser la croissance et l'activité microbiennes dans de nombreux domaines appliqués. Dans cette mini-revue, nous résumons les concepts de base de ces modèles à l'aide d'exemples et d'applications de systèmes de sécurité alimentaire et de traitement des eaux usées. Nous passons en revue les développements récents dans d'autres domaines appliqués en nous concentrant sur des modèles qui incluent explicitement des relations spatiales. À l'aide de ces exemples, nous soulignons les similitudes conceptuelles entre les domaines d'application et encourageons l'utilisation combinée de différentes techniques de modélisation dans les modèles hybrides ainsi que leur échange interdisciplinaire. Par exemple, la modélisation axée sur les modèles a son origine dans l'écologie, mais peut être utilisée pour paramétrer des modèles de croissance microbienne lorsque les données expérimentales sont rares. Les modèles pourraient également être utilisés comme laboratoires virtuels pour optimiser la conception expérimentale de manière analogue à l'approche écologiste virtuelle. Les futurs modèles de croissance microbienne deviendront probablement plus complexes pour bénéficier de la riche boîte à outils désormais disponible pour les modélisateurs de croissance microbienne.

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6.3 : Dynamique de croissance bactérienne - Biologie

La courbe de croissance bactérienne

En laboratoire, dans des conditions favorables, une population bactérienne croissante double à intervalles réguliers. La croissance se fait par progression géométrique : 1, 2, 4, 8, etc. ou 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 . 2 n (où n = le nombre de générations). C'est appelé croissance exponentielle. En réalité, la croissance exponentielle n'est qu'une partie du cycle de vie des bactéries et n'est pas représentative du schéma normal de croissance des bactéries dans la nature.

Lorsqu'un milieu frais est inoculé avec un nombre donné de cellules et que la croissance de la population est surveillée sur une période de temps, le tracé des données donnera un courbe de croissance bactérienne typique (Figure 3 ci-dessous).


Figure 3. La courbe de croissance bactérienne typique. Lorsque les bactéries sont cultivées dans un système fermé (également appelé culture discontinue), comme un tube à essai, la population de cellules présente presque toujours cette dynamique de croissance : les cellules s'adaptent initialement au nouveau milieu (phase de latence) jusqu'à ce qu'elles puissent commencer à se diviser régulièrement en le processus de fission binaire (phase exponentielle). Lorsque leur croissance devient limitée, les cellules cessent de se diviser (phase stationnaire), jusqu'à ce qu'elles finissent par présenter une perte de viabilité (phase de mort). Notez les paramètres des axes x et y. La croissance est exprimée en tant que changement du nombre de cellules viables en fonction du temps. Les temps de génération sont calculés pendant la phase exponentielle de croissance. Les mesures de temps sont en heures pour les bactéries avec des temps de génération courts.

Quatre phases caractéristiques du cycle de croissance sont reconnues.

1. Phase de latence. Immédiatement après l'inoculation des cellules dans du milieu frais, la population reste temporairement inchangée. Bien qu'il n'y ait pas de division cellulaire apparente, les cellules peuvent croître en volume ou en masse, synthétiser des enzymes, des protéines, de l'ARN, etc., et augmenter leur activité métabolique.

La durée de la phase de latence dépend apparemment d'une grande variété de facteurs, y compris la taille du temps d'inoculum nécessaire pour récupérer d'un dommage physique ou d'un choc dans le temps de transfert requis pour la synthèse de coenzymes essentielles ou de facteurs de division et le temps requis pour la synthèse de nouveaux enzymes (inductibles) nécessaires pour métaboliser les substrats présents dans le milieu.

2. Phase exponentielle (log). La phase exponentielle de croissance est un modèle de croissance équilibrée dans lequel toutes les cellules se divisent régulièrement par fission binaire et croissent par progression géométrique. Les cellules se divisent à une vitesse constante en fonction de la composition du milieu de croissance et des conditions d'incubation. Le taux de croissance exponentielle d'une culture bactérienne est exprimé par Temps de génération, également temps de doublement de la population bactérienne. Le temps de génération (G) est défini comme le temps (t) par génération (n = nombre de générations). Par conséquent, G=t/n est l'équation à partir de laquelle dérivent les calculs de temps de génération (ci-dessous).

3. État stationnaire. Une croissance exponentielle ne peut se poursuivre indéfiniment dans un culture discontinue (par exemple un système fermé tel qu'un tube à essai ou une fiole). La croissance de la population est limitée par l'un des trois facteurs suivants : 1. épuisement des nutriments disponibles 2. accumulation de métabolites ou de produits finaux inhibiteurs 3. épuisement de l'espace, appelé dans ce cas manque d'« espace biologique ».

Pendant la phase stationnaire, si les cellules viables sont comptées, il ne peut pas être déterminé si certaines cellules meurent et un nombre égal de cellules se divisent, ou si la population de cellules a simplement cessé de croître et de se diviser. La phase stationnaire, comme la phase de latence, n'est pas nécessairement une période de repos. Les bactéries qui produisent métabolites secondaires, tels que les antibiotiques, le font pendant la phase stationnaire du cycle de croissance (les métabolites secondaires sont définis comme des métabolites produits après la phase active de croissance). C'est au cours de la phase stationnaire que les bactéries sporulantes doivent induire ou démasquer l'activité de dizaines de gènes pouvant être impliqués dans le processus de sporulation.

4. Phase de mort. Si l'incubation se poursuit après que la population a atteint la phase stationnaire, une phase de mort suit, au cours de laquelle la population de cellules viables décline. (Remarque, en cas de comptage par mesures turbidimétriques ou comptages microscopiques, la phase de mort ne peut pas être observée.). Pendant la phase de mort, le nombre de cellules viables diminue géométriquement (exponentiellement), essentiellement à l'inverse de la croissance pendant la phase logarithmique.

Taux de croissance et temps de génération

Comme mentionné ci-dessus, les taux de croissance bactérienne pendant la phase de croissance exponentielle, dans des conditions nutritionnelles standards (milieu de culture, température, pH, etc.), définissent le temps de génération de la bactérie. Les temps de génération des bactéries varient d'environ 12 minutes à 24 heures ou plus. Le temps de génération pour E. coli en laboratoire est de 15 à 20 minutes, mais dans le tractus intestinal, le temps de génération du coliforme est estimé à 12 à 24 heures. For most known bacteria that can be cultured, generation times range from about 15 minutes to 1 hour. Symbionts such as Rhizobium tend to have longer generation times. Many lithotrophs, such as the nitrifying bacteria, also have long generation times. Some bacteria that are pathogens, such as Mycobacterium tuberculosis et Treponema pallidum, have especially long generation times, and this is thought to be an advantage in their virulence. Generation times for a few bacteria are are shown in Table 2.

Table 2. Generation times for some common bacteria under optimal conditions of growth.

Bactérie Moyen Generation Time (minutes)
Escherichia coli Glucose-salts 17
Bacillus mégaterium Sucrose-salts 25
Streptococcus lactis Du lait 26
Streptococcus lactis Lactose broth 48
Staphylococcus aureus Heart infusion broth 27-30
Lactobacillus acidophilus Du lait 66-87
Rhizobium japonicum Mannitol-salts-yeast extract 344-461
Mycobacterium tuberculosis Synthétique 792-932
Treponema pallidum Rabbit testes 1980

Calculation of Generation Time

When growing exponentially by binary fission, the increase in a bacterial population is by geometric progression. If we start with one cell, when it divides, there are 2 cells in the first generation, 4 cells in the second generation, 8 cells in the third generation, and so on. Les generation time is the time interval required for the cells (or population) to divide.

G (generation time) = (time, in minutes or hours)/n(number of generations)

t = time interval in hours or minutes

B = number of bacteria at the beginning of a time interval

b = number of bacteria at the end of the time interval

n = number of generations (number of times the cell population doubles during the time interval)

b = B x 2 n (This equation is an expression of growth by binary fission)


Example: What is the generation time of a bacterial population that increases from 10,000 cells to 10,000,000 cells in four hours of growth?


Voir la vidéo: Bactérie Nutrition 3 FACTEURS DE CROISSANCE (Juillet 2022).


Commentaires:

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