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La cinétique de l’activité microbienne

La cinétique de l’activité microbienne. Maîtrise BPE. Qu’est ce qui détermine l’intensité du métabolisme vivant en milieu naturel ?. Que nous apprend la biologie par rapport à la démarche des ‘ingénieurs’ ?. Le modèle de Streeter & Phelps, 1925. rivière débit 20m3/s prof 3m larg 50m

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La cinétique de l’activité microbienne

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Presentation Transcript

  1. La cinétique de l’activité microbienne Maîtrise BPE Qu’est ce qui détermine l’intensité du métabolisme vivant en milieu naturel ? Que nous apprend la biologie par rapport à la démarche des ‘ingénieurs’ ?

  2. Le modèle de Streeter & Phelps, 1925 rivière débit 20m3/s prof 3m larg 50m Rejet 500 000 hab non traités O2sat k1 = 0.04 h-1 kr = 0.02 h-1 L = matière organique biodégradable exprimée en oxygène (DBO5) dL/dt = - k1.Lla charge organique est décomposée selon une cinétique d’ordre 1 dO2/dt = - k1.O2 + kr (O2sat-O2)la teneur en oxygène dépend de l’équilibre entre consommation et réaération

  3. Le modèle de Streeter & Phelps, 1925 (2) k1 = 0.04 h-1 kr = 0.02 h-1 rivière débit 20 - 50 m3/s prof 3m larg 50m Rejet 250 000 hab 500 000 hab 750 000 hab non traités Q = 50 m3/s 250 000 hab 500 000 hab 750 000 hab

  4. La Seine en aval de Paris Achères Achères

  5. Mécanismes de l’activité organotrophe Croissance sur substrat simple (monosaccharide, acide aminé,… L’entrée du substrat organique est l’étape limitante S Processus enzymatique: Cinétique de Michaelis-Menten-Monod k2 k3 S + E  SE  E + P v3 << v1 et v2  << S v = k3 . SE k1. S . E = k2 . SE or E =  - SE d’où k1. S. ( - SE) = k2. SE et SE = k1. S. / (k2 + k1.S) v = k3.  . S / ( S + k1/k2 ) ou v = vmax. S / ( S + Ks) si vmax = k3.  Ks = k1 / k2 k1 dB/dt = µmax S/(S+Ks) . B

  6. Croissance en culture Culture continue dB/dt = µmax S/(S+Ks) B - dil. B dS/dt = - µmax/Y S/(S+Ks) B + dil. (So-S) So S B So Q S B V dil = Q/V dilmax = µmax So/(So+Ks) Culture batch S dB/dt = µmax S/(S+Ks) B dS/dt = - µmax/Y S/(S+Ks) B B Etat stationnaire: µ = dil S = Ks / ((µmax/dil)-1) B = 1/Y (So – S)

  7. Croissance sur substrats naturels La matière organique naturelle est surtout constituée de macromolécules polymériques: protéines, polysaccharides, lignine, lipides.  Sous forme polymérique la matière organique n'est utilisable qu'après hydrolyse exoenzymatique

  8. La Bière maltage et brassage (utilisation des enzymes hydrolytiques du germe de céréale) Certains organismes (ex. les levures) n’ont pas d’exoenzymes: ils sont tributaires d’un apport de substrats directs monomériques Comment faire fermenter des polysaccharides? moisissage (sake: utilisation des capacités hydrolytiques des champignons) ensalivement (Am. latine, bières de maïs: utilisation des amylases salivaires)

  9. Modèle HSB CO2 respiration. H S B mortalité hydrol. exoenz. uptake bact. croissance dH/dt = App - emax H/(H+Kh). B dS/dt = emax. H/(H+Kh). B - bmax S/(S+Ks). B dB/dt = Y.bmax . S/(S+Ks). B – kd. B Etat stationnaire: µ = kd S = Ks / ((µmax/kd)-1) B = Y/kd. App

  10. Mer du Nord, gC/m2/an

  11. Application HSB en rivière polluée dH/dt = App - emax H/(H+Kh). B dS/dt = emax. H/(H+Kh). B - bmax S/(S+Ks). B dB/dt = bmax/Y . S/(S+Ks). B – kd. B O2 Corg Act organotrophe

  12. Application HSB en rivière polluée (2) dH/dt = App - emax H/(H+Kh). B dS/dt = emax. H/(H+Kh). B - bmax S/(S+Ks). B dB/dt = AppB + bmax/Y . S/(S+Ks). B – kd. B O2 Corg Act organotrophe

  13. La Seine en aval de Paris (suite) Achères

  14. La Seine en aval de Paris (suite) nitrates ammonium Achères

  15. Mécanismes de l’activité chemolithotrophe Exemple de la nitrification CO2 O2 CO2 O2 respiration. NO2- NO3- NH4+ croissance Bnitros Bnitrat mortalité dNH4/dt = App - nitrosmax. NH4/(NH4+KNH4). O2/(O2+KO2nit). Bnitros dBnitros/dt = Ynit.nitrosmax . NH4/(NH4+KNH4). O2/(O2+KO2nit). Bnitros– kd. Bnitros dNO2/dt = nitrosmax. NH4/(NH4+KNH4). O2/(O2+KO2nit). Bnitros - nitratmax. NO2/(NO2+KNO2). O2/(O2+KO2nat). Bnitrat dBnitros/dt = Ynat.nitratmax . NO2/(NO2+KNO2). O2/(O2+KO2nat). Bnitrat– kd. Bnitrat

  16. Cinétique de la nitrification (suite)

  17. La Seine en aval de Paris (suite) Achères nitrates ammonium

  18. La Seine en aval de Paris (suite) Achères nitrates ammonium

  19. Mécanismes de l’activité phototrophe (production primaire) SiO2 CO2 excr photos & resp. S R NH4 ou NO3 croissance F =biomasse fonctionnelle PO4 Représentation schématique des processus physiologiques élémentaires impliqués dans la dynamique algale (modèle AQUAPHY, Lancelot et al., 1991. J.Mar.Syst. 2:333-346)

  20. Photosynthèse réactions claires (génération d’ATP et de pouvoir réducteur cellulaire NAD(P)H) réactions sombres (fixation du CO2) relation de Vollenweider photosynthèse = kmax Chla kmax : taux maximum de photosynthèse : 1-10 µgC/µgChla.h, selon t°C I : intensité lumineuse (µE/cm²/s) Ik : seuil de saturation lumineuse Chla : teneur en chlorophylle a, mesure de la biomasse algale relation de Platt photosynthèse = kmax (1-exp(- I / kmax)) Chla a: pente initiale de la relation photos-lum, a:indpdt de la t°C (réaction claires limitantes) kmax = fn(t°C) (réactions sombres limitantes)  Ik relation de kmax à la température : bien représentée par une sigmoïde : f(t°C)= exp - (t°C-topt)² / dti² 

  21. Prélèvement de nutriments La croissance ne s’identifie pas à la photosynthèse : elle doit s'accompagner du prélèvement de nutriments inorganiques: N, P, Si (diatomées) dans les proportions : C:N:P:Si (molaires) de 106:17:1: 20 prélèvement de N = pmax B N : concentration ambiante du nutriment inorganique concerné B : biomasse algale en terme de composants fonctionnels (F) Kn : constante de demi-saturation pmax : vitesse maximale de prélèvement

  22. Croissance algale: limitation par la lumière et les nutriments croissance = µmax S / (S+Ks) . N / (N+Kn) . B N : concentration ambiante du nutriment inorganique le plus limitante (minimum du terme michaelien) ou quota intracellulaire en nutriment le plus limitant S : disponibilité intra cellulaire de précurseurs carbonés (quota cellulaire énergétique) B : biomasse algale en terme de composants fonctionnels (F) Kn : constante de demi-saturation µmax : taux maximum de croissance cellulaire Le pool de S est déterminé par le bilan des processus de photosynthèse, de croissance, de respiration, de synthèse et de catabolisme des réserves carbonées (R). En présence d’un excédent de S, des substrats carbonés sont excrétés . respiration: maintenance et coût énérgétique de la croissance excrétion: pertes passives de monomères issus de la photosynthèse processus actif

  23. L’intensité de la lumière et la disponibilité en nutriments déterminent ainsi la composition cellulaire (F,S,R et rapports C/N, C/Chla)

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