Comme tout être vivant, les micro-organismes doivent trouver dans leur environnement les nutriments indispensables à leur fonctionnement et à leur croissance. Connaître les besoins nutritionnels de chaque micro-organisme permettra de définir ses types trophiques afin de le cultiver dans des conditions optimales. Rappelons tout d'abord brièvement la structure d'une bactérie. Elle possède une cellule de type prokaryote qui comprend systématiquement du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire, une enveloppe composée d'une paroi et d'une membrane plasmique, un appareil nucléaire, des ribosomes.
et toutes ses structures sont constituées de biomolécules. L'enveloppe est constituée de peptidoglycanes, glucides, lipides et protéines. L'appareil nucléaire et les ribosomes sont constitués d'acides nucléiques et de protéines. Comme toutes cellules, la bactérie est donc constituée, en plus du peptidoglycanes, des quatre classes de biomolécules universelles, les glucides, lipides, protéines et acides nucléiques. Voyons maintenant rapidement la structure de ces biomolécules afin de découvrir les atomes qu'elles renferment.
La structure de base du peptidoglycane, qui est un polymère de N-acétylglucosamine et d'acide N-acétylmuramique, comprend de nombreux atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et quelques atomes d'azote. Les ponts peptidiques contiennent également ces quatre éléments. Les glucides, quant à eux, sont riches en atomes de carbone, hydrogène et oxygène.
Les phospholipides, très riches en atomes de carbone et d'hydrogène, contiennent aussi des atomes d'oxygène, de phosphore et parfois des atomes d'azote. Les protéines, polymères d'acides aminés, renferment les atomes de carbone, hydrogène, oxygène, azote et quelques atomes de soufre. Enfin, les acides nucléiques, polymères de nucléus, renferme les atomes de carbone, hydrogène, oxygène, azote et phosphore. Si on récapitule, on constate que toutes ces molécules organiques sont composées de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, éléments majoritaires en pourcentage.
L'élément d'azote est présent en forte concentration dans le peptidoglycère. les protéines, les acides nucléiques et dans une moindre mesure dans les phospholipides. L'élément phosphore se retrouve également dans les acides nucléiques et les phospholipides.
Enfin, l'élément soufre se trouve en quantité notable dans les protéines. La cellule bactérienne doit donc trouver dans son environnement des substances élémentaires, encore appelées substances constitutives, qui lui apporteront ces macro-éléments C, H, O, N, P et S en concentration. suffisante pour synthétiser ces biomolécules.
Au cours de nombreuses réactions de synthèse, les réactions anaboliques, ces éléments seront assimilés par la bactérie, c'est-à-dire qu'ils se retrouveront dans sa matière organique. Par ailleurs, notons que la bactérie a également besoin, mais en quantité plus faible, de divers éléments dont le sodium, Na, le chlore, Cl, le potassium, K et le magnésium, Ng. Enfin, certains éléments sont nécessaires mais en bien moindre quantité, ce sont les oligo-éléments tels que le fer, le calcium, le cuivre, etc. de dégradation ou de synthèse sont catalysés par des enzymes qui sont de nature protéique. Ces macro-éléments permettront donc également à la cellule de synthétiser toutes les enzymes à partir de ces gènes.
Voyons maintenant quelles substances peuvent apporter à la bactérie les éléments CHONPES et nous terminerons cette partie en parlant des éléments Na et Cl. On a vu que le carbone, C, est nécessaire à la synthèse de toute biomolécule, donc nécessaire en très grande quantité. Mais les micro-organismes n'assimilent pas tous les mêmes substances carbonées.
Certaines espèces bactériennes peuvent utiliser un nombre très important de sources carbonées différentes. C'est le cas notamment de certains pseudomonas. A l'inverse, d'autres bactéries ne pourront utiliser qu'une molécule très spécifique comme source de carbone.
C'est le cas de Diplococcus glycinophilus, qui ne peut utiliser que l'acide aminé glycine comme source de carbone. Selon la nature de la source de carbone utilisée, on range les micro-organismes dans deux types trophiques. Les micro-organismes, dits autotrophes, utilisent le carbone sous forme minérale, comme par exemple des gaz.
Ainsi, le dioxyde de carbone peut être utilisé par les bactéries du genre Nitrosomonas présentes dans le sol et dans l'eau. Ils sont ainsi capables de fixer le CO2, c'est-à-dire de l'utiliser pour synthétiser leur matière organique. Le méthane est utilisé par des bactéries méthanotrophes comme celles du genre Methylococcus qui vivent dans les sols et les eaux. Elles sont particulièrement nombreuses dans les rizières, les tourbières, les marais où le méthane est produit en forte concentration par les bactéries méthanogènes à partir de la matière organique.
Ces bactéries ont donc un intérêt environnemental puisqu'elles assimilent dioxyde de carbone et méthane, deux gaz à effet de serre. Les ions hydrogénocarbonate, HCO3-, peuvent être utilisés par des cyanobactéries marines du genre Sinecococcus. Les micro-organismes hétérotrophes utilisent quant à eux le carbone sous forme organique. Les principales sources de carbone organique sont les glucides utilisés par de très nombreuses bactéries hétérotrophes.
Il y a tout d'abord les oses, avec comme chef de file le glucose. Presque toutes les bactéries hétérotrophes savent utiliser le glucose comme source de carbone. Cette catégorie comprend aussi le fructose, le ribose, le galactose, etc. Les diolosides, tels que le lactose, le saccharose, le maltose, peuvent être utilisés par certaines bactéries qui peuvent les absorber et les hydrolyser. Des polyholosides comme l'amidon, le glycogène et la cellulose sont des polymères de glucose que certaines bactéries peuvent utiliser.
Elles sécrètent des exoenzymes pour hydrolyser ces macromolécules et pouvoir ensuite absorber leurs produits de dégradation. Les alcools comme l'éthanol, le méthanol, ainsi que les polyols dérivés d'oses comme le glycérol, le xylitol, le sorbitol, le manitol peuvent également être utilisés. utilisés comme source de carbone.
Par exemple, l'éthanol peut être utilisé par les bactéries du genre Acétobactère, comme l'espèce Acétobactère acéti, responsable de la transformation du vin en vinaigre. Les acides aminiers, acides organiques et hydrocarbures peuvent aussi être utilisés dans certains cas. L'hydrogène H et l'oxygène O, présents dans la plupart des nutriments, sont aussi apportés par l'eau, indispensable à la croissance des micro-organismes. Notons que le cytoplasme bactérien contient environ 70% d'eau qui rend possible toutes les réactions de dégradation qualifiées d'hydrolyse.
Dans les milieux de culture gélosée, l'agar constitue une réserve d'eau qui permet la croissance microbienne durant quelques jours. L'azote N est notamment nécessaire à la synthèse du peptidoglycane, des protéines qui représentent environ 10% du poids sec bactérien et des bases azotées entrant dans la composition des acides nucléiques en particulier. Dans les milieux de culture, l'azote est souvent apporté sous forme organique par les peptones.
Les peptones résultent de l'hydrolyse de protéines d'origine variée. Ce sont donc des mélanges non définis de petits polymères. polypeptides et d'acides aminés libres. La bactérie pourra les dégrader pour se procurer l'azote mais aussi incorporer directement les acides aminés dans sa matière protéique. Notons que les peptones sont aussi source de carbone et d'énergie quand le milieu est épuisé en source de carbone glucidique, cette dernière étant toujours dégradée en premier quand la bactérie possède les enzymes adéquates.
Plusieurs catégories de peptones sont présentes dans les lieux de culture. Elles diffèrent tout d'abord selon les matières propres. protéiques utilisées.
Elles peuvent être d'origine animale comme les protéines de la viande, laitières comme la caséine ou le lactosérum du lait ou encore d'origine végétale comme les protéines du soja. Elles diffèrent aussi selon les enzymes utilisées pour l'hydrolyse de ces protéines. Les protéases peuvent être d'origine digestive comme la pepsine, la trépsine, la pancréatine ou d'origine végétale comme la papaine qui provient de la papaye.
Les milieux de culture peuvent aussi renfermer de l'azote minéral. Les sels d'ammonium, comme le chlorure d'ammonium ou le sulfate d'ammonium, sont utilisables par de nombreuses espèces bactériennes. Les nitrates NO3-peuvent être utilisés comme source d'azote chez les bactéries possédant une nitrate réductase assimilatrice. Enfin, le diazote atmosphérique N2 est utilisé par les bactéries possédant une nitrogenase. C'est le cas des bactéries fixatrices d'azote.
Par exemple, elles font partie des gens rhizobium ou encore azotobactères. En agriculture, on peut cultiver certaines légumineuses en symbiose avec ces bactéries qui fourniront à la plante l'ammonium assimilable. Ceci évite d'avoir recours à des engrais nitratés.
Le phosphore P est nécessaire à la synthèse des acides nucléiques, des phospholipides, mais aussi à la synthèse de nucléotides libres comme l'ATP que nous verrons plus tard. Le phosphore est souvent présent dans les milieux de culture sous forme de sels d'acides phosphoriques plus ou moins hydrogénés comme les hydrogénophosphates et dihydrogénophosphates de potassium ou de sodium. Ces sels serviront aussi de système tampon pour limiter les variations de pH dans le milieu de culture.
Le soufre est nécessaire à la synthèse des acides aminés soufrés comme la cystéine ou la méthionine, mais aussi à la synthèse de coenzymes comme la biotine ou la thiamine. Dans les milieux de culture, il est principalement présent sous forme de composés soufrés organiques comme justement les acides aminés, cystéines ou méthionines. Il peut également être apporté par des minéraux, tels que les sulfates, comme les sulfates d'ammonium, de magnésium, de fer, ou encore, mais plus rarement, sous forme de soufre réduit, comme le sulfure d'hydrogène H2S. Les éléments sodium, Na et chlore Cl, sont souvent apportés sous forme de chlorure de sodium, NaCl. Il permet aussi d'ajuster initialement la pression osmotique du milieu de culture.