Chapitre I Etude bibliographique
I. Etude bibliographique
I.2. Adaptations aux stress environnementaux
I.2.3. Pollution d’hydrocarbures
Le développement industriel a entraîné un accroissement de la pollution des écosystèmes naturels. Les pollutions chimiques, dans le cas des pétroles, peuvent être soit naturelles (par transformation de la matière organique), soit accidentelles (dégazage ou naufrage de pétroliers). La présence d’hydrocarbures dans les habitats naturels peut-être source de toxicité pour la flore microbienne présentes.
Au sein d’écosystèmes contaminés, comme les tapis microbiens, l’association des organismes semble bénéfique à la dégradation des hydrocarbures. En effet, Höpner et al.
(1996) ont pu mettre en évidence, suite à la pollution pétrolière du golfe Arabo-Persique, le développement de tapis microbiens sur les zones contaminées. Cette prolifération de tapis a été associée à une dégradation des hydrocarbures sur quelques mois.
I.2.3.1. Origine et Composition des pétroles
Les hydrocarbures de l’environnement se trouvent en grande quantité dans les gisements naturels profonds. Ils proviennent de diverses origines après transformation, sous l’effet de la chaleur et de la pression, de substances organiques végétales (diagénèse, catagénèse). La formation de pétrole dans les gisements est influencée en premier lieu par la nature de la matière qui a été enfouie. On distingue quatre fractions principales : les hydrocarbures saturés, les hydrocarbures aromatiques, les résines, les asphaltènes (Harayama et al., 1999).
Durant la phase de maturation du pétrole, l’influence thermique et biologique peut agir très sensiblement sur sa composition et ses propriétés par exemple en raison de la biotransformation des fractions légères d’hydrocarbures en composés gazeux.
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) peuvent représenter jusqu'à 45 % en poids des hydrocarbures selon les types de pétroles. Les composés aromatiques soufrés (dérivés thiophéniques) peuvent représenter 23 % de la fraction aromatique d'une huile (Tissot and Welte, 1984). Les naphtalènes, les phénanthrènes et les dibenzothiophènes font partie des HAP les plus abondants au sein d’un pétrole.
I.2.3.2. Dégradation des hydrocarbures I.2.3.2.1. Par les microorganismes
La « réponse hydrocarbure »
Les microorganismes développent différents mécanismes pour faire face à la présence d’hydrocarbures. Ces mécanismes sont essentiels pour leurs permettre de tolérer et résister à la présence d’hydrocarbures, d’atteindre des substrats très peu solubles et parfois même de transporter des molécules volumineuses à l’intérieur des cellules.
De nombreuses études ont permis de mettre en évidence différents processus utilisés par les microorganismes pour métaboliser les hydrocarbures :
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Les modifications des membranes biologiques (composition en phospholipides) permettent d’éviter les altérations causées par les hydrocarbures (Pinkart and White, 1997; Tsitko et al., 1999).
La formation de biofilms permettant le positionnement des bactéries à l’interface eau/huile, assurant ainsi le contact avec le substrat (Van Hamme et al., 2003).
Le transport actif des hydrocarbures à travers les membranes biologiques permet l’entrée des molécules dans les cellules et par conséquent leur dégradation (Kim et al., 2002; Story et al., 2000; Whitman et al., 1998).
La tolérance aux hydrocarbures grâce à des systèmes de pompes de flux (Duque et al., 2001; Kieboom et al., 1998a; Kieboom et al., 1998b; Rojas et al., 2001).
Le chimiotactisme permet aux bactéries de se diriger par rapport aux hydrocarbures (Pandey and Jain, 2002).
La production de surfactants permet de rendre accessibles certaines molécules (Makkar and Cameotra, 1998; Makkar and Cameotra, 2002; Van Hamme and Ward, 2000).
Les voies de dégradation : gènes impliqués
Le devenir des hydrocarbures dans l'environnement dépend de processus biotiques et abiotiques tels que la photo-oxydation, l'oxydation chimique, et l'activité microbiologique.
Les micro-organismes peuvent agir soit directement via le métabolisme cellulaire, soit de manière indirecte en modifiant les conditions physico-chimiques du milieu. De nombreuses voies de dégradation aérobie et anaérobie ont été étudiées permettant de connaître les gènes impliqués et de comprendre leurs régulations :
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Des hydroxylases (mono-oxygénases) réalisent les premières étapes de dégradation des alcanes en aérobie, puis les intermédiaires hydroxylés peuvent suivre les voies de la β-oxydation (Morgan and Watkinson, 1994; Rehm and Reiff, 1982). Les opérons de dégradation aérobie des alcanes regroupant les gènes alk ont été caractérisés chez de nombreuses souches bactériennes tel que les genres Pseudomonas (Canosa et al., 2000; Panke et al., 1999; van Beilen et al., 2001; Yuste and Rojo, 2001), Burkholderia (Marín et al., 2001), Acinetobacter (Geissdorfer et al., 1999; Ratajczak et al., 1998), Nocardioides (Hamamura et al., 2001), Rhodococcus (Koike et al., 1999) et Alcanivorax (Dutta and Harayama, 2001).
Bien que très peu d'études aient mis en évidence la dégradation des alcanes en anaérobiose, les bactéries sulfato-réductrices sont toutefois capables de dégrader des composés en C20 (Aeckersberg et al., 1991).
Les composés aromatiques sont transformés, en aérobiose, en intermédiaires hydroxylés grâce à l'action de mono-oxygénases et de di-oxygénases. L'ouverture du cycle est alors réalisée à partir des intermédiaires hydroxylés catechol, protocatechuate, et gentisate obtenus (Smith, 1994). De nombreux opérons de dégradation aérobie des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) ont été caractérisés. Parmi ceux-ci citons ceux regroupant les gènes nah de dégradation du naphtalène chez Pseudomonas (Simon et al., 1999; Simon et al., 1993; Yen and Serdar, 1988), les gènes ndo, dox et nag codant pour des dioxygenases impliquées dans la dégradation du naphtalène chez Pseudomonas (Denome et al., 1993;
Fuenmayor et al., 1998; Kurkela et al., 1988), les gènes phn et pah de dégradation du phénathrène chez Burkholderia et Pseudomonas respectivement (Kiyohara et al., 1994;
Laurie and Lloyd-Jones, 1999), les gènes phd et nid chez les souches à gram positif Nocardioides et Rhodococcus (Saito et al., 2000; Treadway et al., 1999), les gènes nid et pbh impliqués dans la dégradation de l’anthracène, fluorenthène et pyrène chez Mycobacterium et Sphingomonas respectivement (Story et al., 2000).
Récemment, les opérons de dégradation anaérobie des HAP regroupant les gènes bbs impliqués dans la voie de la benzylsuccinate synthase chez Thauera aromatica (Leuthner and J., 1998) et les gènes edb chez Azoarcus (Johnson et al., 2001; Kaine et al., 1983; Kniemeyer and Heider, 2001) ont été étudiés et caractérisés.
I.2.3.2.2. Par les tapis microbiens
La structure polysaccharidique des tapis microbiens joue vraisemblablement un rôle important dans la dégradation des hydrocarbures, permettant leur adsorption et les rendant ainsi accessibles aux différentes communautés bactériennes présentes. Au sein des tapis microbiens (Figure 8), la dégradation des hydrocarbures est probablement réalisée par des groupes bactériens physiologiquement distincts utilisant des accepteurs d’électrons différents.
Au niveau de la couche superficielle oxique, les bactéries aérobies réaliseraient les premières étapes de dégradation, tandis que dans la zone intermédiaire inférieure, où l’oxygène est moins disponible, des bactéries micro-aérophiles assureraient l’essentiel de la dégradation.
Lorsque la lumière est présente dans ces zones, les bactéries photosynthétiques anoxygéniques également présentes participent à la dégradation des hydrocarbures. Au niveau des zones anoxiques riches en sulfates, les bactéries sulfato-réductrices sont les plus actives.
La dégradation de composés aromatiques comme le toluène, le xylène, et le naphtalène par les BSR en culture pure a été mise en évidence (Rabus and Widdel, 1995).
Pétrole, molécules d’hydrocarbures O2
CO2 + H2O + intermédiaires
Hétérotrophes anaérobies (dont BSR)
ZONE OXIQUEZONE ANOXIQUE EAUSEDIMENT
Bactéries phototrophes anaérobies
sulfo-oxydantes SO42-
H2S
Cyanobactéries Bactéries hétérotrophes
aérobies
O2
H2O
LUMIERE
Pétrole, molécules d’hydrocarbures O2
CO2 + H2O + intermédiaires
Hétérotrophes anaérobies (dont BSR)
ZONE OXIQUEZONE ANOXIQUE EAUSEDIMENT
Bactéries phototrophes anaérobies
sulfo-oxydantes SO42-
H2S
Cyanobactéries Bactéries hétérotrophes
aérobies
O2
H2O
LUMIERE
Pétrole, molécules d’hydrocarbures O2
CO2 + H2O + intermédiaires
Hétérotrophes anaérobies (dont BSR)
ZONE OXIQUEZONE ANOXIQUE EAUSEDIMENT
Bactéries phototrophes anaérobies
sulfo-oxydantes SO42-
H2S
Cyanobactéries Bactéries hétérotrophes
aérobies
O2
H2O
LUMIERELUMIERE
Figure 8 : Schéma de la biodégradation des hydrocarbures par les tapis microbiens.
De tels écosystèmes microbiens possèdent donc les capacités de dégradation de plusieurs espèces bactériennes associées. Des structures de ce type peuvent ainsi permettre de dégrader des hydrocarbures de façon séquentielle. Un groupe bactérien débuterait la
dégradation puis celle-ci serait poursuivie à partir des produits intermédiaires obtenus grâce à l’activité d’un autre groupe.
L’étude de différents tapis microbiens (Abed et al., 2002; Cohen, 2002; Höpner et al., 1996) a pu mettre en évidence une adaptation importante des populations bactériennes après une pollution aux hydrocarbures. En effet, les populations capables de métaboliser les hydrocarbures présents sont devenues dominantes au sein de l’écosystème. De plus, il en ressort une diversité plus faible de ces microorganismes hydrocarbonoclastes, en comparaison avec des systèmes microbiens non stressés. Les Bactéries à coloration Gram négative font parties des bactéries les plus représentées dans ces conditions de stress aux hydrocarbures.
Du point de vue de la dégradation, Abed et al. (2002) a pu montrer que les tapis microbiens étaient responsables d’environ 30 % de la dégradation des molécules modèle n- octadécane et de phénantrène. De même Grotzschel et al. (2002) ont pu observer la dégradation préférentielle des composés aromatiques phénanthrène et dibenzothiophène en comparaison aux alcanes pristane et n-octadécane. Cependant la dégradation de tous ces composés modèles sur 18 semaines n’est pas complète.