Biofilm phototrophe - Phototrophic biofilm
Les biofilms phototrophes sont des communautés microbiennes comprenant généralement à la fois des microorganismes phototrophes, qui utilisent la lumière comme source d'énergie, et des chimiohétérotrophes. Les biofilms phototrophes multicouches stratifiés épais sont généralement appelés tapis microbiens ou tapis phototrophes (voir aussi biofilm ). Ces organismes, qui peuvent être des organismes procaryotes ou eucaryotes comme des bactéries , des cyanobactéries , des champignons et des microalgues , constituent diverses communautés microbiennes fixées dans une matrice muqueuse ou un film. Ces biofilms se produisent sur les surfaces de contact dans une gamme d'environnements terrestres et aquatiques. La formation de biofilms est un processus complexe et dépend de la disponibilité de la lumière ainsi que des relations entre les micro-organismes. Les biofilms remplissent divers rôles dans les environnements aquatiques, terrestres et extrêmes ; ces rôles incluent des fonctions à la fois bénéfiques et néfastes pour l'environnement. En plus de ces rôles naturels, les biofilms phototrophes ont également été adaptés pour des applications telles que la production et la protection des cultures, la bioremédiation et le traitement des eaux usées .
Formation de biofilm
La formation de biofilm est un processus compliqué qui se déroule en quatre étapes générales : fixation des cellules, formation de la colonie, maturation et dispersion des cellules. Ces films peuvent croître dans des tailles allant de microns à quelques centimètres d'épaisseur. La plupart sont vertes et/ou brunes, mais peuvent être plus colorées.
Le développement du biofilm dépend de la génération de substances polymères extracellulaires (EPS) par des micro-organismes. L'EPS, qui s'apparente à un gel, est une matrice qui structure le biofilm et est essentielle à la croissance et à la fonctionnalité. Il se compose de composés organiques tels que les polysaccharides, les protéines et les glycolipides et peut également inclure des substances inorganiques comme le limon et la silice. L'EPS relie les cellules entre elles dans le biofilm et transmet la lumière aux organismes de la zone inférieure. De plus, l'EPS sert d'adhésif pour la fixation à la surface et facilite la digestion des nutriments par les enzymes extracellulaires.
Les fonctions et interactions microbiennes sont également importantes pour maintenir le bien-être de la communauté. En général, les organismes phototrophes dans le biofilm fournissent une base pour la croissance de la communauté dans son ensemble en médiant les processus et les conversions du biofilm. Les chimiohétérotrophes utilisent les déchets photosynthétiques des phototrophes comme sources de carbone et d'azote, et à leur tour effectuent la régénération des nutriments pour la communauté. Divers groupes d'organismes sont situés dans des couches distinctes en fonction de la disponibilité de la lumière, de la présence d'oxygène et des gradients redox produits par l'espèce. L'exposition à la lumière au début du développement du biofilm a un impact immense sur la croissance et la diversité microbienne ; une plus grande disponibilité de lumière favorise plus de croissance. Les phototrophes tels que les cyanobactéries et les algues vertes occupent la couche exposée du biofilm tandis que les couches inférieures sont constituées de phototrophes anaérobies et d'hétérotrophes comme les bactéries, les protozoaires et les champignons. Les algues eucaryotes et les cyanobactéries de la partie externe utilisent l'énergie lumineuse pour réduire le dioxyde de carbone, fournissant des substrats organiques et de l' oxygène . Cette activité photosynthétique alimente les processus et les conversions dans l'ensemble de la communauté du biofilm, y compris la fraction hétérotrophe . Il produit également un gradient d'oxygène dans le tapis qui empêche la plupart des phototrophes et chimiotrophes anaérobies de se développer dans les régions supérieures.
La communication entre les micro-organismes est facilitée par la détection du quorum ou les voies de transduction du signal , qui sont accomplies par la sécrétion de molécules qui diffusent à travers le biofilm. L'identité de ces substances varie en fonction du type de micro-organisme à partir duquel elles ont été sécrétées.
Alors que certains des organismes contribuant à la formation des biofilms peuvent être identifiés, la composition exacte des biofilms est difficile à déterminer car de nombreux organismes ne peuvent pas être cultivés à l'aide de méthodes de culture pure. Bien que les méthodes de culture pures ne puissent pas être utilisées pour identifier les micro-organismes incultivables et ne prennent pas en charge l'étude des interactions complexes entre les photoautotrophes et les hétérotrophes, l'utilisation de la métagénomique , de la protéomique et de la transcriptomique a permis de caractériser ces organismes incultivables et a fourni un aperçu des mécanismes moléculaires, organisation microbienne et interactions dans les biofilms.
Écologie
Les biofilms phototrophes peuvent être trouvés sur les surfaces terrestres et aquatiques et peuvent résister aux fluctuations environnementales et aux environnements extrêmes. Dans les systèmes aquatiques, les biofilms sont répandus sur les surfaces des roches et des plantes, et dans les environnements terrestres, ils peuvent être localisés dans le sol, sur les roches et sur les bâtiments. Des biofilms phototrophes et des tapis microbiens ont été décrits dans des environnements extrêmes tels que des sources thermales, des étangs hypersalés, des croûtes de sol désertique et dans des couvertures de glace lacustre en Antarctique. Les archives fossiles de 3,4 milliards d'années des communautés phototrophes benthiques , telles que les tapis microbiens et les stromatolites , indiquent que ces associations représentent les plus anciens écosystèmes connus de la Terre. On pense que ces premiers écosystèmes ont joué un rôle clé dans l'accumulation d' oxygène dans l' atmosphère terrestre .
Un large éventail de rôles est joué par ces micro-organismes dans la gamme des environnements dans lesquels ils peuvent être trouvés. Dans les milieux aquatiques, ces microbes sont des producteurs primaires, un maillon essentiel de la chaîne alimentaire. Ils remplissent une fonction clé dans l'échange d'une quantité substantielle de nutriments et de gaz entre les réservoirs atmosphérique et océanique. Les biofilms dans les systèmes terrestres peuvent contribuer à améliorer les sols, à réduire l'érosion, à favoriser la croissance de la végétation et à revitaliser les terres désertiques, mais ils peuvent également accélérer la dégradation de structures solides comme les bâtiments et les monuments.
Applications
Il y a un intérêt croissant pour l'application de biofilms phototrophes, par exemple dans le traitement des eaux usées dans les zones humides construites , biorestauration , l' agriculture et biohydrogène production. Quelques-uns sont décrits ci-dessous.
Agriculture
Les produits agrochimiques tels que les pesticides , les engrais et les hormones alimentaires sont largement utilisés pour produire une plus grande qualité et quantité de nourriture ainsi que pour protéger les cultures. Cependant, les biofertilisants ont été développés comme une méthode plus respectueuse de l'environnement pour aider au développement et à la protection des plantes en favorisant la croissance de micro-organismes tels que les cyanobactéries. Les cyanobactéries peuvent augmenter la croissance des plantes en colonisant les racines des plantes pour fournir du carbone et de l'azote, qu'elles peuvent fournir aux plantes par le biais des processus métaboliques naturels de fixation du dioxyde de carbone et de l'azote. Ils peuvent également produire des substances qui induisent une défense des plantes contre les champignons, les bactéries et les virus nocifs. D'autres organismes peuvent également produire des métabolites secondaires tels que les phytohormones qui augmentent la résistance des plantes aux ravageurs et aux maladies. Favoriser la croissance de biofilms phototrophes en milieu agricole améliore la qualité du sol et la rétention d'eau, réduit la salinité et protège contre l' érosion .
Bioremédiation
Les organismes présents dans les tapis tels que les cyanobactéries, les réducteurs de sulfate et les hétérotrophes aérobies peuvent aider à la biorestauration des systèmes aquatiques par la biodégradation des huiles. Ceci est réalisé en libérant l'oxygène, les composés organiques et l'azote des polluants d'hydrocarbures. La croissance du biofilm peut également dégrader d'autres polluants en oxydant les huiles, les pesticides et les herbicides et en réduisant les métaux lourds comme le cuivre, le plomb et le zinc. Les processus aérobies de dégradation des polluants peuvent être réalisés pendant la journée et les processus anaérobies sont effectués la nuit par des biofilms. De plus, comme la réponse du biofilm aux polluants lors de l'exposition initiale suggérait une toxicité aiguë, les biofilms peuvent être utilisés comme capteurs de pollution.
Traitement des eaux usées
Les biofilms sont utilisés dans les installations de traitement des eaux usées et les zones humides artificielles pour des processus tels que le nettoyage de l'eau chargée de pesticides et d'engrais, car il est simple de former des flocs ou des agrégats en utilisant des biofilms par rapport à d'autres matériaux de floc. Il existe également de nombreux autres avantages à utiliser des biofilms phototrophes dans le traitement des eaux usées, en particulier dans l'élimination des nutriments. Les organismes peuvent séquestrer les nutriments des eaux usées et les utiliser avec le dioxyde de carbone pour construire de la biomasse. La biomasse peut capter l'azote, qui peut être extrait et utilisé dans la production d'engrais. En raison de leur croissance rapide, les biofilms phototrophes ont une plus grande absorption de nutriments que les autres méthodes d'élimination des nutriments utilisant la biomasse algale, et ils sont plus faciles à récolter car ils poussent naturellement sur les surfaces des étangs d'eaux usées.
L'activité phototrophe de ces films peut précipiter les phosphates dissous en raison d'une augmentation du pH ; ces phosphates sont ensuite éliminés par assimilation. L'augmentation du pH des eaux usées minimise également la présence de bactéries coliformes.
La détoxification des métaux lourds dans le traitement des eaux usées peut également être réalisée avec ces microbes principalement par des mécanismes passifs tels que l' échange d'ions , la chélation , l' adsorption et la diffusion , qui constituent la biosorption. Le mode actif est connu sous le nom de bioaccumulation . La détoxification des métaux par biosorption est influencée par des facteurs tels que l'intensité lumineuse, le pH, la densité du biofilm et la tolérance de l'organisme aux métaux lourds. Bien que la biosorption soit un processus efficace et peu coûteux, les méthodes pour récupérer les métaux lourds de la biomasse après biosorption doivent encore être développées.
L'utilisation de biofilms phototrophes pour le traitement des eaux usées est plus économe en énergie et plus économique et a la capacité de produire des sous-produits qui peuvent être transformés en biocarburants. Plus précisément, les cyanobactéries sont capables de produire du biohydrogène, qui est une alternative aux combustibles fossiles et peut devenir une source viable d'énergie renouvelable.