9.2 : Besoins en oxygène pour la croissance des

Objectifs d'apprentissage

• Interpréter les données visuelles démontrant les exigences minimales, optimales et maximales en oxygène ou en dioxyde de carbone pour la croissance
• Identifier et décrire différentes catégories de microbes ayant besoin d'une croissance avec ou sans oxygène : aérobie obligatoire, anaérobe obligatoire, anaérobe facultatif, anaérobe aérotolérant, microaérophile et capnophile
• Donnez des exemples de microorganismes pour chaque catégorie de besoins de croissance

Demandez à la plupart des gens : « Quelles sont les principales exigences de la vie ? » et les réponses incluront probablement l'eau et l'oxygène. Peu de gens contesteraient les besoins en eau, mais qu'en est-il de l'oxygène ? Peut-il y avoir de la vie sans oxygène ?

La réponse est que l'oxygène moléculaire (O ₂) n'est pas toujours nécessaire. Les premiers signes de vie datent d'une période où les conditions sur Terre étaient très réductrices et où l'oxygène libre était pratiquement inexistant. Ce n'est que lorsque les cyanobactéries ont commencé à libérer de l'oxygène en tant que sous-produit de la photosynthèse et que la capacité du fer présent dans les océans à absorber l'oxygène a été épuisée que les niveaux d'oxygène ont augmenté dans l'atmosphère. Cet événement, souvent appelé le grand événement d'oxygénation ou la révolution de l'oxygène, a provoqué une extinction massive. La plupart des organismes n'ont pas pu survivre aux puissantes propriétés oxydatives des espèces réactives de l'oxygène (ROS), des ions hautement instables et des molécules dérivées de la réduction partielle de l'oxygène qui peuvent endommager pratiquement toutes les macromolécules ou structures avec lesquelles ils entrent en contact. L'oxygène (O ₂ •), le superoxyde\((\ce{O2-})\), les peroxydes (H ₂ O ₂), le radical hydroxyle (OH•) et l'ion hypochlorite (OCl ⁻), l'ingrédient actif des agents de blanchiment domestiques, sont tous des exemples de ROS. Les organismes capables de détoxifier les espèces réactives de l'oxygène ont exploité la haute électronégativité de l'oxygène pour produire de l'énergie libre pour leur métabolisme et ont prospéré dans ce nouvel environnement.

Besoins en oxygène des micro-organismes

De nombreux écosystèmes sont encore exempts d'oxygène moléculaire. Certains se trouvent dans des endroits extrêmes, tels que les profondeurs de l'océan ou de la croûte terrestre ; d'autres font partie de notre paysage quotidien, tels que les marais, les tourbières et les égouts. Dans le corps des humains et des autres animaux, les régions qui ne contiennent que peu ou pas d'oxygène fournissent un environnement anaérobie aux microorganismes. (Figurine\(\PageIndex{1}\)).

Figure\(\PageIndex{1}\) : Les environnements anaérobies sont encore courants sur Terre. Ils comprennent des environnements tels que (a) une tourbière où des sédiments denses non perturbés sont pratiquement dépourvus d'oxygène, et (b) le rumen (le premier compartiment de l'estomac d'une vache), qui fournit un incubateur sans oxygène pour les méthanogènes et autres bactéries anaérobies obligatoires. (crédit a : modification des travaux par le National Park Service ; crédit b : modification des travaux par le ministère américain de l'Agriculture)

Nous pouvons facilement observer différents besoins en oxygène moléculaire en cultivant des bactéries dans des cultures de tubes de thioglycolate. Une culture en éprouvette commence avec un milieu de thioglycolate autoclavé contenant un faible pourcentage de gélose pour permettre aux bactéries mobiles de se déplacer dans le milieu. Le thioglycolate possède de fortes propriétés réductrices et l'autoclavage évacue la majeure partie de l'oxygène. Les tubes sont inoculés avec les cultures bactériennes à tester et incubés à une température appropriée. Au fil du temps, l'oxygène diffuse lentement à travers la culture de tubes de thioglycolate par le haut. La densité bactérienne augmente dans la zone où la concentration en oxygène convient le mieux à la croissance de cet organisme particulier.

La croissance de bactéries ayant des besoins en oxygène variables dans des tubes de thioglycolate est illustrée à la figure\(\PageIndex{2}\). Dans le tube A, toute la croissance est visible au sommet du tube. Les bactéries sont des aérobies obligatoires (stricts) qui ne peuvent se développer sans un apport abondant en oxygène. Le tube B ressemble à l'opposé du tube A. Des bactéries se développent au fond du tube B. Ce sont des anaérobies obligatoires, qui sont tués par l'oxygène. Le tube C présente une forte croissance au sommet du tube et une croissance dans tout le tube, un résultat typique avec les anaérobies facultatifs. Les anaérobies facultatifs sont des organismes qui se développent en présence d'oxygène mais qui se développent également en son absence en s'appuyant sur la fermentation ou la respiration anaérobie, s'il existe un accepteur d'électrons approprié autre que l'oxygène et que l'organisme est capable d'effectuer une respiration anaérobie. Les anaérobies aérotolérants du tube D sont indifférents à la présence d'oxygène. Ils n'utilisent pas d'oxygène car ils ont généralement un métabolisme fermentaire, mais ils ne sont pas endommagés par la présence d'oxygène comme le sont les anaérobies obligatoires. Le tube E sur la droite montre une culture « Boucle d'or ». Le niveau d'oxygène doit être juste pour la croissance, ni trop ni trop peu. Ces microaérophiles sont des bactéries qui ont besoin d'un niveau minimum d'oxygène pour se développer, d'environ 1 % à 10 %, bien en deçà des 21 % que l'on trouve dans l'atmosphère.

Des exemples d'aérobies obligatoires sont Mycobacterium tuberculosis, l'agent causal de la tuberculose, et Micrococcus luteus, une bactérie à Gram positif qui colonise la peau. Neisseria meningitidis, l'agent responsable de la méningite bactérienne sévère, et N. gonorrheae, l'agent causal de la gonorrhée sexuellement transmissible, sont également des aérobies obligatoires.

Figure\(\PageIndex{2}\) : Schéma de la distribution des cellules bactériennes dans les tubes de thioglycolate.

De nombreux organismes anaérobies obligatoires se trouvent dans un environnement où règnent des conditions anaérobies, par exemple dans les sédiments profonds du sol, dans les eaux calmes et au fond de l'océan profond où il n'y a aucune vie photosynthétique. Des conditions anaérobies existent également naturellement dans le tractus intestinal des animaux. Les anaérobies obligatoires, principalement les bactéroïdes, représentent une grande partie des microbes présents dans l'intestin humain. Des conditions anaérobies transitoires se produisent lorsque les tissus ne sont pas alimentés par la circulation sanguine ; ils meurent et deviennent un terreau idéal pour les anaérobies obligatoires. Un autre type d'anaérobe obligatoire présent dans le corps humain est le Clostridium spp., en forme de bâtonnet, à Gram positif. Leur capacité à former des endospores leur permet de survivre en présence d'oxygène. L'une des principales causes d'infections nosocomiales est le C. difficile, connu sous le nom de C. diff. L'utilisation prolongée d'antibiotiques pour d'autres infections augmente la probabilité qu'un patient développe une infection secondaire à C. difficile. Le traitement antibiotique perturbe l'équilibre des microorganismes dans l'intestin et permet la colonisation de l'intestin par C. difficile, provoquant une inflammation importante du côlon.

Parmi les autres clostridies responsables d'infections graves, citons C. tetani, l'agent du tétanos, et C. perfringens, responsable de la gangrène gazeuse. Dans les deux cas, l'infection prend naissance dans les tissus nécrotiques (tissus morts qui ne sont pas alimentés en oxygène par la circulation sanguine). C'est la raison pour laquelle les perforations profondes sont associées au tétanos. Lorsque la mort des tissus s'accompagne d'un manque de circulation, la gangrène est toujours un danger.

L'étude des anaérobies obligatoires nécessite un équipement spécial. Les bactéries anaérobies obligatoires doivent être cultivées dans des conditions dépourvues d'oxygène. L'approche la plus courante est la culture dans un bocal anaérobie (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les pots anaérobies comprennent des packs de produits chimiques qui éliminent l'oxygène et libèrent du dioxyde de carbone (CO ₂). Une chambre anaérobie est une boîte fermée dont tout l'oxygène est retiré. Des gants scellés aux ouvertures de la boîte permettent de manipuler les cultures sans exposer la culture à l'air (Figure\(\PageIndex{3}\)).

Figure\(\PageIndex{3}\) : (a) Sur la photo, on peut voir un pot anaérobie contenant neuf plaques de Pétri destinées aux cultures. (b) Les ouvertures situées sur le côté d'une boîte anaérobie sont fermées par des manchons semblables à des gants qui permettent la manipulation des cultures à l'intérieur de la boîte. (crédit a : modification des travaux des Centers for Disease Control and Prevention ; crédit b : modification des travaux du NIST)

Les staphylocoques et les entérobactériacées sont des exemples d'anaérobies facultatifs. Les staphylocoques se trouvent sur la peau et les voies respiratoires supérieures. Les entérobactériacées se trouvent principalement dans l'intestin et les voies respiratoires supérieures, mais peuvent parfois se propager aux voies urinaires, où elles peuvent provoquer des infections. Il n'est pas rare de voir des infections bactériennes mixtes dans lesquelles les anaérobies facultatifs utilisent l'oxygène, créant ainsi un environnement propice à l'épanouissement des anaérobies obligés.

Les lactobacilles et les streptocoques, tous deux présents dans le microbiote oral, sont des exemples d'anaérobies aérotolérants. Campylobacter jejuni, qui cause des infections gastro-intestinales, est un exemple de microaérophilie cultivé dans des conditions de faible teneur en oxygène.

La concentration optimale en oxygène, comme son nom l'indique, est la concentration idéale en oxygène pour un microorganisme particulier. La plus faible concentration d'oxygène qui permet la croissance est appelée concentration minimale d'oxygène permissive. La concentration d'oxygène la plus élevée tolérée est la concentration maximale permissive en oxygène. L'organisme ne se développera pas en dehors de la plage des niveaux d'oxygène trouvés entre les concentrations d'oxygène permissives minimale et maximale.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

1. Vous attendriez-vous à ce que les lignées bactériennes les plus anciennes soient aérobies ou anaérobies ?
2. Quelles bactéries se développent au sommet d'un tube de thioglycolate et lesquelles se développent au bas du tube ?

Un anaérobe malvenu

Charles est un chauffeur de bus à la retraite qui a développé un diabète de type 2 il y a plus de 10 ans. Depuis sa retraite, son mode de vie est devenu très sédentaire et il a pris beaucoup de poids. Bien qu'il ait ressenti des picotements et un engourdissement au pied gauche pendant un certain temps, il ne s'inquiète pas parce qu'il pensait que son pied était simplement en train de « s'endormir ». Récemment, une égratignure sur son pied ne semble pas guérir et devient de plus en plus laide. Comme la plaie ne le dérangeait pas beaucoup, Charles s'est dit qu'elle ne pouvait pas être grave jusqu'à ce que sa fille remarque une décoloration violacée qui s'étendait sur la peau et suintait (Figure\(\PageIndex{4}\)). Lorsque son médecin l'a finalement vu, Charles a été transporté d'urgence au bloc opératoire. Sa plaie ouverte, ou ulcère, est le résultat d'un pied diabétique.

Le problème ici est que la gangrène gazeuse s'est installée dans les tissus morts. L'agent le plus probable de la gangrène gazeuse est Clostridium perfringens, une bactérie gram-positive formant des endospores. C'est un anaérobe obligatoire qui se développe dans les tissus dépourvus d'oxygène. Comme les tissus morts ne sont plus alimentés en oxygène par le système circulatoire, les tissus morts constituent des poches d'environnement idéales pour la croissance de C. perfringens.

Un chirurgien examine l'ulcère et les radiographies du pied de Charles et détermine que l'os n'est pas encore infecté. La plaie devra être débridée chirurgicalement (le débridement fait référence au prélèvement de tissus morts et infectés) et un échantillon sera envoyé pour analyse microbiologique en laboratoire, mais Charles n'aura pas à se faire amputer le pied. De nombreux patients diabétiques n'ont pas cette chance. En 2008, près de 70 000 patients diabétiques aux États-Unis ont perdu un pied ou un membre à la suite d'une amputation, selon les statistiques des Centers for Disease Control and Prevention.

Figure\(\PageIndex{4}\) : Cette photo clinique montre des ulcères au pied d'un patient diabétique. Les tissus morts qui s'accumulent dans les ulcères peuvent constituer un environnement de croissance idéal pour l'anaérobe C. perfringens, un agent responsable de la gangrène gazeuse. (crédit : Shigeo Kono, Reiko Nakagawachi, Jun Arata, Benjamin A. Lipsky)

Exercice\(\PageIndex{2}\)

Quelles conditions de croissance recommanderiez-vous pour la détection de C. perfringens ?

Détoxification des espèces réactives oxygénées

La respiration aérobie génère en permanence des espèces réactives de l'oxygène (ROS), des sous-produits qui doivent être détoxifiés. Même les organismes qui n'utilisent pas la respiration aérobie ont besoin d'un moyen de décomposer certains des ROS qui peuvent se former à partir de l'oxygène atmosphérique. Trois enzymes principales décomposent ces sous-produits toxiques : la superoxyde dismutase, la peroxydase et la catalase. Chacune catalyse une réaction différente. Les réactions du type observé dans la réaction 1 sont catalysées par des peroxydases.

\[\mathrm{X-(2H^+)+H_2O_2 \rightarrow \text{oxidized-}X+2H_2O}\]

Dans ces réactions, un donneur d'électrons (composé réduit ; par exemple, nicotinamide adénine dinucléotide réduit [NADH]) oxyde le peroxyde d'hydrogène, ou d'autres peroxydes, en eau. Les enzymes jouent un rôle important en limitant les dommages causés par la peroxydation des lipides membranaires. La réaction 2 est médiée par l'enzyme superoxyde dismutase (SOD) et décompose les puissants anions superoxydes générés par le métabolisme aérobie :

\[\mathrm{2O_2^- + 2H^+ \rightarrow H_2O_2+O_2}\]

L'enzyme catalase convertit le peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène, comme indiqué dans la réaction 3.

\[\mathrm{2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O+O_2}\]

Les anaérobies obligatoires sont généralement dépourvus des trois enzymes. Les anaérobies aérotolérants contiennent de la SOD, mais pas de catalase. La réaction 3, illustrée sur la figure\(\PageIndex{5}\), est à la base d'un test utile et rapide permettant de distinguer les streptocoques, qui sont aérotolérants et ne possèdent pas de catalase, des staphylocoques, qui sont des anaérobies facultatifs. Un échantillon de culture rapidement mélangé à une goutte de peroxyde d'hydrogène à 3 % va libérer des bulles si la culture est positive à la catalase.

Figure\(\PageIndex{5}\) : Le test de la catalase détecte la présence de l'enzyme catalase en déterminant si des bulles sont libérées lorsque du peroxyde d'hydrogène est ajouté à un échantillon de culture. Comparez le résultat positif (à droite) avec le résultat négatif (à gauche). (source : Centres pour le contrôle et la prévention des maladies)

Les bactéries qui se développent le mieux à une concentration plus élevée de CO ₂ et à une concentration d'oxygène plus faible que celles présentes dans l'atmosphère sont appelées capnophiles. Une approche courante pour faire pousser des capnophiles consiste à utiliser un pot à bougies. Un pot à bougies se compose d'un pot avec un couvercle hermétique pouvant accueillir les cultures et d'une bougie. Une fois les cultures ajoutées au pot, la bougie est allumée et le couvercle fermé. Lorsque la bougie brûle, elle consomme la majeure partie de l'oxygène présent et libère du CO ₂.

Exercice\(\PageIndex{3}\)

1. Quelle substance est ajoutée à un échantillon pour détecter la catalase ?
2. Quelle est la fonction de la bougie dans un pot à bougies ?

Orientation clinique : partie 2

Le professionnel de santé qui a vu Jeni s'inquiétait principalement à cause de sa grossesse. Son état augmente le risque d'infections et la rend plus vulnérable à ces infections. Le système immunitaire est régulé à la baisse pendant la grossesse et les agents pathogènes qui traversent le placenta peuvent être très dangereux pour le fœtus. Une note sur l'ordonnance du fournisseur adressée au laboratoire de microbiologie fait état d'une suspicion d'infection par Listeria monocytogenes, sur la base des signes et symptômes présentés par le patient.

Les échantillons de sang de Jeni sont striés directement sur de la gélose au sang de mouton, un milieu contenant de la gélose au soja tryptique enrichie à 5 % de sang de (Le sang est considéré comme stérile ; par conséquent, aucun microorganisme concurrent n'est attendu dans le milieu.) Les plaques inoculées sont incubées à 37 °C pendant 24 à 48 heures. De petites colonies grisâtres entourées d'une zone claire émergent. Ces colonies sont typiques de Listeria et d'autres agents pathogènes tels que les streptocoques ; la zone claire entourant les colonies indique une lyse complète du sang dans le milieu, appelée bêta-hémolyse (Figure\(\PageIndex{6}\)). Lorsqu'elles sont testées pour détecter la présence de catalase, les colonies donnent une réponse positive, éliminant ainsi le streptocoque comme cause possible. De plus, une coloration de Gram montre de courts bacilles à Gram positif. Des cellules issues d'une culture en bouillon cultivée à température ambiante présentaient la motilité de culbutage caractéristique de la Listeria (Figure\(\PageIndex{6}\)). Tous ces indices amènent le laboratoire à confirmer la présence de Listeria dans les échantillons de sang de Jeni.

Figure\(\PageIndex{6}\) : (a) Un échantillon de test de gélose sanguine montrant une bêta-hémolyse. (b) Un test de motilité sur échantillon montrant des résultats positifs et négatifs. (crédit a : modification des travaux par les Centers for Disease Control and Prevention ; crédit b : modification des travaux par « VeeDunn » /Flickr)

Exercice\(\PageIndex{4}\)

Quelle est la gravité de la maladie de Jeni et quel est le traitement approprié ?

Concepts clés et résumé

• Les environnements aérobies et anaérobies se trouvent dans diverses niches de la nature, y compris dans différents sites à l'intérieur et sur le corps humain.
• Les besoins en oxygène moléculaire des microorganismes varient. Les aérobies obligatoires dépendent de la respiration aérobie et utilisent l'oxygène comme accepteur d'électrons terminal. Ils ne peuvent pas se développer sans oxygène.
• Les anaérobies obligatoires ne peuvent pas se développer en présence d'oxygène. Ils dépendent de la fermentation et de la respiration anaérobie à l'aide d'un accepteur d'électrons final autre que l'oxygène.
• Les anaérobies facultatifs se développent mieux en présence d'oxygène, mais ils se développent également sans oxygène.
• Bien que les anaérobies aérotolérants n'effectuent pas de respiration aérobie, ils peuvent se développer en présence d'oxygène. La plupart des aérobies anaérotolérants présentent un résultat négatif pour l'enzyme catalase.
• Les microaérophiles ont besoin d'oxygène pour se développer, mais à une concentration inférieure à 21 % d'oxygène dans l'air.
• La concentration d'oxygène optimale pour un organisme est le niveau d'oxygène qui favorise le taux de croissance le plus rapide. La concentration minimale d'oxygène permissive et la concentration maximale d'oxygène permissif sont, respectivement, les niveaux d'oxygène les plus bas et les plus élevés que l'organisme peut tolérer.
• La peroxydase, la superoxyde dismutase et la catalase sont les principales enzymes impliquées dans la détoxification des espèces réactives de l'oxygène. La superoxyde dismutase est généralement présente dans une cellule qui peut tolérer l'oxygène. Les trois enzymes sont généralement détectables dans les cellules qui respirent aérobie et produisent plus de ROS.
• Un capnophile est un organisme qui a besoin d'une concentration de CO ₂ supérieure à celle de l'atmosphère pour se développer.

Notes

1. 1 Centres pour le contrôle et la prévention des maladies. « Vivre avec le diabète : Gardez vos pieds en bonne santé. » http://www.cdc.gov/Features/DiabetesFootHealth/