9.3 : Les effets du pH sur la croissance microbienne

Objectifs d'apprentissage

• Illustrez et décrivez brièvement les exigences minimales, optimales et maximales de pH pour la croissance
• Identifier et décrire les différentes catégories de microbes dont le pH est requis pour la croissance : acidophiles, neutrophiles et alcalyphiles
• Donnez des exemples de microorganismes pour chaque catégorie de pH requis

Le yogourt, les cornichons, la choucroute et les plats assaisonnés à la lime doivent tous leur goût acidulé à leur forte teneur en acide (Figure\(\PageIndex{1}\)). Rappelons que l'acidité est fonction de la concentration en ions hydrogène [H ⁺] et qu'elle est mesurée en tant que pH. Les environnements dont le pH est inférieur à 7,0 sont considérés comme acides, tandis que ceux dont le pH est supérieur à 7,0 sont considérés comme basiques. Un pH extrême affecte la structure de toutes les macromolécules. Les liaisons hydrogène qui unissent les brins d'ADN se brisent à un pH élevé. Les lipides sont hydrolysés par un pH extrêmement basique. La force motrice du proton responsable de la production d'ATP dans la respiration cellulaire dépend du gradient de concentration de ^H+ à travers la membrane plasmique (voir Respiration cellulaire). Si les ions H ⁺ sont neutralisés par des ions hydroxyde, le gradient de concentration s'effondre et nuit à la production d'énergie. Mais le composant le plus sensible au pH de la cellule est son cheval de bataille, la protéine. Des variations modérées du pH modifient l'ionisation des groupes fonctionnels des acides aminés et perturbent la liaison hydrogène, ce qui, à son tour, modifie le repliement de la molécule, favorise la dénaturation et l'activité destructrice.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Les bactéries lactiques qui fermentent le lait en yogourt ou transforment les légumes en cornichons prospèrent à un pH proche de 4,0. La choucroute et les plats tels que le pico de gallo doivent leur saveur acidulée à leur acidité. Les aliments acides constituent un pilier de l'alimentation humaine depuis des siècles, en partie parce que la plupart des microbes responsables de la détérioration des aliments se développent mieux à un pH proche de la neutralité et ne tolèrent pas bien l'acidité. (crédit « yogurt » : modification de l'œuvre par « nina.jsc » /Flickr ; crédit « pickles » : modification d'une œuvre de Noah Sussman ; crédit « choucroute » : modification de l'œuvre par Jesse LaBuff ; crédit « pico de gallo » : modification de l'œuvre par « regan76 » /Flickr)

Le pH de croissance optimal est le pH le plus favorable à la croissance d'un organisme. La valeur de pH la plus basse qu'un organisme peut tolérer est appelée pH de croissance minimum et le pH le plus élevé est le pH de croissance maximal. Ces valeurs peuvent couvrir un large éventail, ce qui est important pour la conservation des aliments et la survie des microorganismes dans l'estomac. Par exemple, le pH de croissance optimal de Salmonella spp. est de 7,0 à 7,5, mais le pH de croissance minimum est plus proche de 4,2.

La plupart des bactéries sont neutrophiles, ce qui signifie qu'elles se développent de manière optimale à un pH inférieur à une ou deux unités du pH neutre de 7 (voir Figure\(\PageIndex{2}\)). La plupart des bactéries connues, comme Escherichia coli, les staphylocoques et les Salmonella spp. sont neutrophiles et ne se portent pas bien au pH acide de l'estomac. Cependant, il existe des souches pathogènes d'E. coli, de S. typhi et d'autres espèces d'agents pathogènes intestinaux qui sont beaucoup plus résistantes à l'acide gastrique. En comparaison, les champignons se développent à des valeurs de pH légèrement acides comprises entre 5,0 et 6,0.

Les microorganismes qui se développent de manière optimale à un pH inférieur à 5,55 sont appelés acidophiles. Par exemple, les Sulfolobus spp. qui oxydent le soufre et qui sont isolés des champs de boue soufrée et des sources chaudes du parc national de Yellowstone sont des acidophiles extrêmes. Ces archées survivent à des valeurs de pH comprises entre 2,5 et 3,5. Des espèces du genre archéen Ferroplasma vivent dans des bassins miniers acides à des pH de 0 à 2,9. Les bactéries Lactobacillus, qui constituent une partie importante du microbiote normal du vagin, peuvent tolérer des environnements acides à des pH de 3,5 à 6,8 et contribuent également à l'acidité du vagin (pH de 4, sauf au début des règles) grâce à leur production métabolique d'acide lactique. L'acidité du vagin joue un rôle important dans l'inhibition d'autres microbes moins tolérants à l'acidité. Les microorganismes acidophiles présentent un certain nombre d'adaptations pour survivre dans des environnements fortement acides. Par exemple, les protéines présentent une charge de surface négative accrue qui les stabilise à faible pH. Les pompes éjectent activement les ions H ⁺ hors des cellules. Les modifications de la composition des phospholipides membranaires reflètent probablement la nécessité de maintenir la fluidité de la membrane à un faible pH.

Figure\(\PageIndex{2}\) : Les courbes montrent les plages de pH approximatives pour la croissance des différentes classes de procaryotes spécifiques au pH. Chaque courbe présente un pH optimal et des valeurs de pH extrêmes auxquelles la croissance est fortement réduite. La plupart des bactéries sont neutrophiles et se développent mieux à un pH proche de la neutralité (courbe centrale). Les acidophiles ont une croissance optimale à des valeurs de pH proches de 3 et les alcalinophiles ont une croissance optimale à des valeurs de pH supérieures à 9.

À l'autre extrémité du spectre se trouvent les alcalinophiles, des microorganismes qui se développent le mieux à un pH compris entre 8,0 et 10,5. Vibrio cholerae, l'agent pathogène du choléra, se développe mieux à un pH légèrement basique de 8,0 ; il peut survivre à des valeurs de pH de 11,0 mais est inactivé par l'acide de l'estomac. En ce qui concerne la survie à un pH élevé, l'archéenne Natronobacterium, rose vif, trouvée dans les lacs de soude de la vallée du Rift africain, pourrait détenir le record à un pH de 10,5 (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les alcaliphiles extrêmes se sont adaptés à leur environnement hostile grâce à la modification évolutive de la structure des lipides et des protéines et à des mécanismes compensatoires visant à maintenir la force motrice des protons dans un environnement alcalin. Par exemple, l'alcaliphile Bacillus firmus tire l'énergie nécessaire aux réactions de transport et à la motilité d'un gradient d'ions Na ⁺ plutôt que d'une force motrice du proton. De nombreuses enzymes issues d'alcaliphiles ont un point isoélectrique plus élevé, en raison de l'augmentation du nombre d'acides aminés basiques, que les enzymes homologues des neutrophiles.

Figure\(\PageIndex{3}\) : Vue depuis l'espace du lac Natron en Tanzanie. La couleur rose est due à la pigmentation des microbes alcaliphiles et halophiles extrêmes qui colonisent le lac. (crédit : NASA)

Survie au faible pH de l'estomac

Les ulcères gastro-duodénaux (ou ulcères de l'estomac) sont des plaies douloureuses sur la paroi de l'estomac. Jusqu'aux années 1980, on pensait qu'elles étaient causées par des aliments épicés, le stress ou une combinaison des deux. Les patients étaient généralement invités à manger des aliments fades, à prendre des médicaments antiacides et à éviter le stress. Ces remèdes n'étaient pas particulièrement efficaces et la maladie réapparaissait souvent. Tout cela a radicalement changé lorsqu'on a découvert que la véritable cause de la plupart des ulcères gastro-duodénaux était une bactérie mince en forme de tire-bouchon, Helicobacter pylori. Cet organisme a été identifié et isolé par Barry Marshall et Robin Warren, dont la découverte leur a valu le prix Nobel de médecine en 2005.

La capacité de H. pylori à survivre au faible pH de l'estomac semble indiquer qu'il s'agit d'un acidophile extrême. Il s'avère que ce n'est pas le cas. En fait, H. pylori est un neutrophile. Alors, comment survive-t-il dans l'estomac ? Remarquablement, H. pylori crée un microenvironnement dans lequel le pH est presque neutre. Pour ce faire, il produit de grandes quantités de l'enzyme uréase, qui décompose l'urée pour former du NH ₄ ⁺ et du CO ₂. L'ion ammonium augmente le pH de l'environnement immédiat.

Cette capacité métabolique de H. pylori est à la base d'un test d'infection précis et non invasif. Le patient reçoit une solution d'urée contenant des atomes de carbone marqués radioactivement. Si H. pylori est présent dans l'estomac, il décompose rapidement l'urée, produisant du CO ₂ radioactif qui peut être détecté dans l'haleine du patient. Comme les ulcères gastro-duodénaux peuvent provoquer un cancer de l'estomac, les patients chez qui l'on a déterminé qu'ils sont infectés par H. pylori sont traités avec des antibiotiques.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

1. Quel est l'effet des extrêmes de pH sur les protéines ?
2. Quel type de bactérie adaptant au pH seraient la plupart des agents pathogènes humains ?

Concepts clés et résumé

• Les bactéries sont généralement des neutrophiles. Elles poussent mieux à un pH neutre proche de 7,0.
• Les acidophiles se développent de manière optimale à un pH proche de 3,0. Les alcaliphiles sont des organismes qui se développent de manière optimale entre un pH de 8 et 10,5. Les acidophiles et les alcaliphiles extrêmes se développent lentement ou pas du tout à proximité d'un pH neutre.
• Les microorganismes se développent mieux à leur pH de croissance optimal. La croissance se produit lentement ou pas du tout en dessous du pH de croissance minimum et au-dessus du pH de croissance maximal.