Les propriétés de la surface bactérienne

La cellule bactérienne est délimitée de l‟environnement extérieur par une enveloppe composée de la membrane cytoplasmique, d‟une couche de peptidoglycane plus ou moins épaisse, surmontée (chez les protéobactéries) ou non (cas des bactéries Gram positifs) d‟une deuxième membrane appelée membrane externe. De la composition de la surface externe des cellules bactériennes vont dépendre les propriétés de surface des bactéries (Strevett & Chen, 2003).

Espèce Angle de contact θ (°)

Pseudomonas fluorescens 21,2 +/- 1,5

Pseudomonas aeruginosa 25,7 +/- 0,9

Pseudomonas putida 38,5 +/- 1,0

Pseudomonas sp. strain 26-3 20,1 +/- 0,8 Pseudomonas sp. strain 52 19,0 +/- 1,0 Pseudomonas sp. strain 80 29,5 + 0,5 Escherichia coli NCTC 9002 15,7 +/- 1,2

Escherichia coli K-12 24,7 +/- 0,4

Arthrobacter globiformis 23,1 +/- 0,7

Arthrobacter simplex 37,0 +/- 0,9

Arthrobacter sp. strain 177 60,0 +/- 1,5 Arthrobacter sp. strain 127 38,0 +/- 1,3

Micrococcus luteus 44,7 +/- 0,9

Acinetobacter sp.strain 210A 32,6 +/- 0,5

Thiobacillus versutus 26,8 +/- 0,8

Alcaligenes sp. strain 175 24,4 +/- 0,5 Rhodopseudomonas palustris 34,3 +/- 0,5 Agrobacterium radiobacter 44,1 +/- 0,5

Bacillus licheniformis 32,6 +/- 0,5

Corynebacter sp. strain 125 70,0 +/- 3,0

Azotobacter vinelandii 43,8 +/- 0,5

Rhizobium leguminosarum 31,0 +/- 1,0

Mycobacter phlei 70,0 + 5,0

Figure 5 : Hydrophobicité de différentes espèces bactériennes (Van Loosdrecht, 1987) De la même manière que l’hydrophobicité d’un solide est mesuré par l’angle de contact θ entre l’eau et le solide, l’hydrophobicité de la surface bactérienne est mesuré par l’angle de contact de l’eau sur la cellule bactérienne. L’augmentation de θ correspond à une augmentation de l’hydrophobicité de la surface de la cellule bactérienne. En dessous de 30°, les bactéries n’adhèrent pas à une phase apolaire. Au dessus de 30°, l’augmentation de l’angle de contact coïncide avec une augmentation de l’adhésion des cellules bactériennes.

θ ^LIQUIDE

VAPEUR

SOLIDE

γLV

γSL

γSV

Celles-ci possèdent un caractère hydrophobe, plus ou moins prononcé suivant les espèces bactériennes (Doyle, 2000; Rosenberg, 2006; Stenstrom, 1989; Strevett & Chen, 2003; van Loosdrecht et al., 1987) (Figure 5). Il peut être du à la présence de protéines hydrophobes (hydrophobines) associées à la paroi, liées à la membrane externe ou à la membrane cytoplasmique (Doyle, 2000). L‟hydrophobicité est également liée aux résidus apolaires des fimbriae / pilis (Donlan, 2002; Doyle, 2000) et des exopolysaccharides (EPS) sécrétés par les bactéries (Doyle, 2000). D‟autres composantes trouvées spécifiquement chez certaines bactéries comme les acides lipotéiques et mycoliques produits par les bactéries à Gram positif, ou la capsule des spores chez les bactéries capables de sporuler (Doyle, 2000) participent également au caractère hydrophobe des surfaces bactériennes. Au niveau moléculaire, le caractère hydrophobe est du à la présence de longues chaînes carbonées apolaires. Cette hydrophobicité augmente avec le nombre de doubles ou triples liaisons entre deux carbones et la délocalisation possible des électrons.

En plus des résidus hydrophobes, les surfaces bactériennes comportent des résidus chargés (Doyle, 2000). L‟analyse de la surface bactérienne par spectrométrie Infra Rouge (IR) révèle en effet une grande variété de groupes fonctionnels tels que des groupements éthers, cétones, aldéhydes, hydroxyles, carbonyles et carboxyles qui génèrent une électronégativité générale de la cellule bactérienne et lui apportent de ce fait un caractère hydrophile. Cette hydrophilie est due à l‟antigène O des lipopolysaccharides (LPS), et aux EPS sécrétés par les bactéries (Donlan, 2002). Outre les charges négatives, les bactéries présentent également des charges positives localisées (Stenstrom, 1989).

Grâce à l‟extension du modèle Derjaguin-Landau–Verwey-Overbeck ou DVLO (utilisé pour décrire les tensions de surface des colloïdes), certains auteurs sont capables d‟expliquer le comportement des surfaces bactériennes. En tenant compte des différentes interactions potentielles, Strevett & Chen (2003) déterminent le caractère globalement hydrophile ou hydrophobe de la surface bactérienne. Deux types d‟interactions sont prises en compte : les liaisons Van der Waals entre résidus hydrophobes, et les interactions entre acides et bases de Lewis à l‟origine de liaison covalente. Ce caractère global est variable d‟une espèce à l‟autre, voire même au sein d‟une espèce. Il peut varier selon les conditions de croissance de la bactérie (Stenstrom, 1989; Strevett & Chen, 2003), l‟état physiologique des cellules (Strevett & Chen, 2003) et les structures microbiennes de surface produites par la bactérie (Strevett & Chen, 2003). Ainsi, les cellules bactériennes possédant une surface bactérienne globalement hydrophile auront tendance à être dispersées en milieux aqueux, alors que celles présentant une surface hydrophobe auront tendance à s‟agréger. En pratique,

les cellules bactériennes sont diluées dans la matrice sol, la probabilité de leur rencontre est donc faible. La probabilité de collision avec la surface des particules sableuses est par contre 1 000 à 10 000 fois supérieure à celle des cellules, conduisant à un attachement à la surface minérale préférentiellement à une agrégation entre cellules (Chen & Zhu, 2005).

En plus du caractère global (hydrophobe ou hydrophile) des surfaces bactériennes qui déterminent l‟attachement sur des surfaces telles que les particules de sables, les interactions électrostatiques peuvent devenir un paramètre important lors de l‟attachement de la cellule bactérienne à une surface chargée (argile, humine). Elles tiennent compte du potentiel global des deux surfaces qui entrent en contact. Les cellules bactériennes et les particules de sol étant toutes deux chargées négativement, une répulsion peut avoir lieu entre les deux surfaces.

L‟attachement ou non à la surface dépendra ainsi de la force des deux autres interactions (Van der Waals, acide / base de Lewis) qui auront tendance à attirer les deux surfaces. Suivant la prédominance des forces, l‟attachement aura lieu ou non (Strevett & Chen, 2003). Ainsi, le processus d‟adhésion se déroule en deux étapes : Au cours de la première approche, les forces d‟interaction doivent être supérieures à la diffusion ou dispersion hydrodynamique ce qui entraîne une adsorption initiale. Suivant la force des interactions, la répulsion électrostatique est contre-balancée ou non, ce qui entraîne soit une remise en suspension, soit un rapprochement de la surface. A ce stade, l‟adhésion est réversible. Dans une deuxième phase d‟approche, les interactions électrostatiques diminuent jusqu‟à devenir négligeables alors que les interactions acide / base de Lewis et Van der Waals prennent de l‟ampleur jusqu‟à la liaison et l‟attachement irréversible à la surface (Chen & Zhu, 2005; Liu et al., 2004; Strevett

& Chen, 2003).

Des expérimentations d‟attachement des bactéries à des particules de la fraction sableuse ont été réalisées (Stenstrom, 1989). Ces essais ont montré un parallèle entre l‟augmentation de l‟hydrophobicité des cellules et l‟adhésion aux particules minérales de quartz et feldspath. L‟effet répulsif lié aux charges négatives globales des surfaces bactériennes et des particules minérales est beaucoup moins clair. Quelque soit le potentiel négatif des particules de sol, aucune modification de l‟adhésion des bactéries n‟a été observée.

Les charges positives présentes localement sur les particules de sol montrent par contre un effet beaucoup plus marqué que les charges négatives. Les auteurs ont en effet observé une corrélation entre la présence de charges positives et l‟adhésion aux particules minérales.

L‟hydrophobicité reste cependant le principal « moteur » dans l‟attachement des bactéries (Stenstrom, 1989). Les résultats obtenus sont en accord avec les modèles thermodynamiques

Lorsque l‟on s‟intéresse aux argiles, l‟attachement des cellules bactériennes semble plus conditionné par les interactions électrostatiques. Une étude de l‟attachement de Pseudomonas putida sur différentes argiles a montré une adsorption plus élevée sur les minéraux chargés positivement (Goethite) et un attachement le plus faible pour les argiles comportant le plus de charges négatives (montmorillonite versus kaolinite) (Jiang et al., 2007). Par ailleurs, une diminution de l‟adsorption est notée pour une augmentation concomitante de la teneur du sodium et du pH. L‟adhésion de Pseudomonas putida sur les argiles est diminuée de plus de 50 % lors d‟une augmentation du pH (argiles chargées négativement au dessus de leur point zéro charge PZC). Contrairement à l‟étude de Stenstrom et al. (1989) sur les sables, l‟adsorption des cellules sur les argiles est fortement influencé par le pH et par les cations de la capacité d‟échange cationique.