Croissance bactérienne

Introduction


Croissance : augmentation coordonnée des constituants cellulaires, se traduisant par une augmentation de la taille.

Chez les bactéries, la croissance aboutit à l’accroissement du nombre de cellule chez les procaryotes, la croissance conduit à la division des cellules mères en deux cellules filles.

Dans le monde bactérien, on s’intéressera au nombre de bactérie dans une population.



I) Courbe de croissance bactérienne


Une culture bactérienne placée dans un milieu approprié, va croitre avec un taux caractéristique de l’espèce. Une croissance bactérienne ne sera pas limité tant qu’il restera des nutriments en tant qu’il n’y a pas d’éléments toxiques dans l’environnement.

Une croissance bactérienne peut être limitée par des changements physicochimiques de l’environnement. Quand on place les bactéries dans un milieu non renouvelé (batch culture), leur croissance sera limitée dans le temps car les nutriments vont s’épuiser.



1 Phase de latence


De durée variable, elle dépend des microorganismes et de la nature du milieu.



1.1 Dépend des microorganismes


- Age : plus les bactéries sont vieilles, plus la phase de latence est longue et inversement

- Densité : Plus la densité est élevée au départ, plus cette phase sera courte.



1.2 Dépend du milieu


- Composition du milieu proche du milieu initial, alors la phase de latence sera courte



Conclusion : La phase de latence correspond à une phase d’adaptation enzymatique. Quand tous les critères sont réunis (bactérie jeune, forte densité et même milieu) la phase de latence sera très courte, voir inexistante.



2 Phase exponentielle


Les bactéries se multiplient jusqu’à atteindre vmax. La vitesse de multiplication est constante pendant cette phase, les bactéries se multiplient et voit leur nombre doublé à intervalle de temps régulier (= temps de génération). Doc 1

La température peut jouer un rôle sur la pente : Doc 2

- une bactérie qui se multiplie à une température élevée (thermophile) → pente importante

- une bactérie qui se multiplie à une température moyenne (20<mésophile<40) → pente moyenne

- une bactérie qui se multiplie à une température basse (psychrophile) → pente faible

Conclusion : La phase exponentielle dépend de l’espèce et des facteurs environnementaux (pH, T…)



3 Phase stationnaire


Cette phase est atteinte soit :

- car les bactéries ne se multiplient plus

- car il y a un équilibre entre les bactéries qui meurt et celle qui naissent



La cause est l’épuisement des nutriments du milieu, et souvent se mette à mourir car le développement de bactérie induit la production de déchet, qui peuvent être toxique. Autre possibilité, l’environnement à changé, un facteur est devenu défavorable, on dit qu’il est limitant.



4 Phase de décroissance


Les bactéries ne se divisent plus, elles meurent, le taux de mortalité est constant. Cela est lié à la lyse des bactéries par manque de nutriments et augmentation des déchets toxiques dans le milieu.



Remarque : On a parfois une 5ème phase qui correspond à un redémarrage de la multiplication bactérienne pendant en temps très court, c’est la croissance critique. Cette phase est présente quand les bactéries sont saprophytes, elles exploitent le cadavre des bactéries mortes.



II) Influence de l’environnement sur la croissance bactérienne


La croissance bactérienne est fortement influencée par la nature physicochimique de l’environnement. Les exigences bactériennes comprennent les sources de nourriture, d’énergie, d’eau, mais aussi une température appropriée ainsi qu’un pH, une concentration en O2…



1 La température et la croissance bactérienne


La température est importante car les bactéries sont poïkilothermes. Cette thermosensibilité va influencer de façon importante le métabolisme des bactéries car la température intervient dans la catalyse de nombreuses enzymes. Pour chaque bactérie il existe 3 températures importantes, les températures cardinales :

- Température minimale : Température en dessous de laquelle la croissance bactérienne est stoppée.

- Température maximale : Température au dessus de laquelle la croissance bactérienne est stoppée.

- Température optimale : Température pour laquelle la bactérie croit à une vitesse maximale.



Remarque : La température optimale est toujours plus près de la température maximale que de la minimale. Ces températures cardinales seront plus ou moins proches (ou éloignées) selon l’espèce.

- Si la bactérie peut se développer sur un intervalle étendu de température, la bactérie est dite eurytherme. (Ex : Enterrococcus, T°min : 0°C T°max : 44°C)

- Si la bactérie ne se développe que sur un petit intervalle de température, la bactérie est dite sténotherme. (Ex : Neisseria, T°min : 30°C T°max : 38°C)



On peut ainsi classer les bactéries selon leur température optimale, on obtient alors 4 catégories :

- T°opt (30-37°C) → Bactérie mésophile (Ex : E.coli)

- T°opt (≈10°C) → Bactérie psychrophile (Ex : Micrococcus, Pseudomonas)

- T°opt (0-4°C) → Bactérie cryophile (Ex : Aéromonas)

- T°opt (50-55°C) → Bactérie thermophile (Ex : Legionella)

Au dessus de 65-70°C, la majorité des bactéries ne survivent pas, ou alors sous des formes thermorésistantes, comme les spores.



2 La teneur en O2 et la croissance bactérienne


- Une bactérie qui se multiplie en présence d’O2 est dite aérobie. Elles respirent, et sont majoritaires (ex : bacillus)

- Une bactérie qui ne supporte pas l’O2 est dite anaérobie. Elles fermentent voir putréfient (ex : clostridium)

- Il existe des bactéries qui se multiplient quand la concentration en O2 est faible, elles sont dites microaérophiles. Elles se multiplient quand [O2] ≈ 5%. (ex : campylobacter)

- Les bactéries qui supportent l’O2, mais pouvant s’en passer sont dites aéro-anaérobies. Elles respirent dans un premier temps, et pratique la fermentation. (ex : Staphyllococcus)


Démonstration expérimentale du type « respiratoire » des bactéries :

Sur milieu Hugh & Leifson :





Remarque : Parfois, on peut avoir des bactéries anaérobies qui se multiplient dans un milieu renfermant de l’O2, cela est possible que s’il y a présence d’autre bactéries aérobies stricts.



3 Le pH et la croissance bactérienne


Il existe des pH cardinaux pour chaque espèce (pHmin, pHmax, pHopt).

On classe alors les bactéries en fonction du pH, il y a alors 3 catégories :

- Bactéries acidophiles 1< pHopt<5,5 (ex : thiobacillus)

- Bactéries neutrophiles 5,5< pHopt<8 (ex : E.coli, Pseudomonas)

- Bactéries alcalophiles 8,5< pHopt<11,5 (ex : bacillus, microcystis)



4 Remarques sur d’autres paramètres physiques


- La pression : à la surface (P=1atm), au fond des océans, la pression est beaucoup plus élevée, certaines bactéries ont besoin de hautes pressions pour se développer, ce sont des bactéries barophiles

- La pression osmotique : Dans les eaux salées, il y a un choque osmotique, on distingue alors les bactéries qui ne résiste pas à ce choc, les non-halophiles, et celles qui le supportent, les halophiles. Il existe aussi des bactéries hyper-halophile (ex : staphylocoques)

- Les rayonnements peuvent interférer dans la croissance bactérienne, les UV peuvent générer des mutations qui ralentiront, ou stopperont la croissance bactérienne.



III) Méthodes de mesure de la croissance bactérienne


1 Mesure du nombre de cellule bactérienne


1.1 Comptage avec lames


Ce comptage s’effectue à l’aide de lame adaptée à la petite taille des bactéries. Elles sont creusées de petites chambres de comptage, quadrillé pour aider l’expérimentateur.



1.1.1 Lame de Petroff-Hausser


Doc 3 : Attention, si le prélèvement est dilué, il faut multiplier le résultat final par le facteur de dilution.

La chambre fait 0,02mm d’épaisseur. Le carré central fait 1mm². On verse un échantillon homogénéisé par l’intermédiaire d’une pipette. Il suffit alors de compter le nombre de bactérie dans le carré central.



Exemple du doc 3 :

50 bactéries sur 0,02mm d’épaisseur soit 2500 b/mm.

2500 b/mm x 1mm² = 2500 b/mm3 soit 2 500 000 000 b/dm3

→ 2,5 x 109 b/L



Inconvénient, on surestime le nombre de bactéries vivantes, et il faut être sur d’avoir bien homogénéisé.



1.1.2 Autre type de lame


La lame de Thoma : Chambre 0,1mm, carré central de 400 petits carrés

La lame de Helber : Chambre 0,02mm, carré central 400 petits carrés par mm²



Remarque : Des appareils automatiques pourraient être utilisé, mais la machine compte un tétracoque pour un seul individu



1.2 Méthode des dilutions


On dilue l’échantillon de départ de 10 en 10.

Doc 4 : On ne compte que les boites comprenant entre 20 et 200 colonies.



Exemple du doc 4 :

On compte 96 colonies : 96 x facteur de dilution = 960 b/mL

→ 9.6 x 105 b/L (UFC/L)



Remarque : A une colonie correspond une cellule bactérienne de départ, mais parfois des individus en chainette donnent une seul colonie. On a donc changé l’unité, on parle alors de 9.6 x 105 UFC/L.



2 Mesure de la biomasse


Basé sur le fait qu’une bactérie disperse la lumière. Comme dans une population bactérienne de même espèce, les individus ont à peu près la même taille, la quantité de lumière dispersée sera proportionnelle à la quantité de bactérie. Cette méthode s’appelle la turbidimétrie.

On va donc se servir de spectrophotomètre pour mesurer la turbidimétrie d’une population bactérienne en milieu liquide.

Doc 4 : On mesure l’absorbance à 420nm (toujours 420nm). On constate que l’absorbance est toujours linéaire en fonction de la concentration en bactérie.



Inconvénient : il faut un milieu incolore, et cette méthode mesure aussi bien les bactéries vivantes que mortes. Cette méthode peut être utilisée si la concentration en bactérie est supérieure à 106.



Il existe d’autres paramètres de mesure de la biomasse, comme par exemple la quantité de biomasse sèche par litre de suspension.



3 Mesure des constituants cellulaires


Il faut choisir les bons constituants :

- Des constituants qui disparaissent après la mort

- Des constituants absents dans l’environnement

- Des constituants à concentration constante durant la vie bactérienne

Si les conditions sont remplies, la quantité des constituants est proportionnelle au nombre de bactérie.

Exemple : Mesure de l’ATP par bioluminescence, très bon indicateur de croissance, car il est jamais stocké, mais fabriqué et consommé, et surtout il disparaît à la mort de la cellule. Ainsi, le suivi de l’ATP témoigne de la croissance bactérienne.

On peut également s’intéresser :

- Aux protéines, comme la phosphatase alcaline

- Aux substrats

- Aux déchets…