II.2.1-Bactéries halophiles
II.2.1.1-Organismes halophiles
Par définition, un organisme halophile (du grec alos, sel et philein, aimer) est un organisme qui tolère ou a besoin de sel pour sa croissance.
Chez les micro-organismes halophiles, deux types d'halophilies sont à distinguer:
• l'halophilie stricte ou halophilie obligatoire,
• l'halophilie simple ou halotolérance.
En 1962, Larsen a défini, trois catégories de bactéries halophiles, selon la concentration en sel qui permet une croissance optimale des micro-organismes.
Cette concentration peut varier, de 1 à 6% pour les bactéries faiblement halophiles, de 3 à 15% pour les bactéries halophiles modérées et de 15 à 30% pour les bactéries halophiles extrêmes.
Les bactéries halotolérantes acceptent, des concentrations modérées de sels mais non obligatoires pour leur croissance.
Les bactéries, nécessitant moins de 1% de sel pour une croissance optimale, ne sont pas considérées comme halophiles.
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En 1985, Kushner a réparti les micro-organismes halophiles, en différentes catégories selon les gammes de concentrations en sel nécessaire à leur croissance (cf. Tableau 2).
Tableau 2: Catégories de micro-organismes (Kushner, 1985)
Ces gammes de concentration en sel, ont été affinées depuis et s’étendent de 3 à 10 % pour les halotolérantes, 9 à 25% pour les halophiles modérés et de 22 à plus de 40% pour les halophiles extrêmes (Lefebvre, 2005).
Ainsi différents arrangements de classification ont été conçus, pour définir les micro- organismes en fonction des concentrations de sel. Cependant, tous ces arrangements sont perçus, comme artificiels et arbitraires, d’où l’adoption de la représentation schématique des catégories d’organismes halophiles (Bitton, 1999; Oren, 2002 et 2006) (cf. Figure 7).
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Néanmoins, la classification la plus largement admise et sur laquelle se base la plupart des travaux, reste celle décrite par Kushner (Oren, 2006).
II.2.1.2-Diversité phylogénétique
Les micro-organismes halophiles et halotolérants présentent, une grande diversité phylogénétique (Oren, 2002). On les trouve dans les trois grands domaines du vivant:
Archaea, Eucarya et Bacteria(cf. Figure 8).
Au sein des Archaea, la famille des Halobacteriaceae comprend, la plupart des halophiles aérobies, dites Halophiles par excellence. Elles sont réparties en 14 genres, incluant notamment Halobacterium, Halococcus, Haloarcula, Haloferax, Halorubrum, Halobaculum,
Natrialba, Natromonas, Natronobacterium et Natronococcus (Kamekura, 1998). On les
trouve, dans la Mer Morte, les marais salants et les lacs alcalins hypersalins. De plus, la branche méthanogène des Euryarchaeota contient des halophiles dont l’activité
méthanogène est possible à des seuils proches de la saturation en NaCl: Methanohalophilus,
Methanohalobium, Methanospirillum (Kamekura, 1998; Oren, 2002).
Le domaine des Bacteria regroupe, la plus grande diversité des halophiles (aussi bien des bactéries halophiles strictes que des halotolérantes). Toutefois, la plupart sont des bactéries halophiles modérées pouvant être aussi bien à Gram positif qu’à Gram négatif, aérobies ou anaérobies facultatives (Johnson et al., 2007) et ont été largement étudiées par Ventosa et al., depuis 1998 (cf. Tableaux 3 et 4). Aussi, les bactéries halophiles sont
ubiquistes et présentes dans un grand nombre de groupes phylogénétiques (Rappé et Giovannoni, 2003).
Tableau 3: Distribution mondiale des bactéries halophiles modérées à Gram positif isolées des sols salins ou hypersalins ( d’après Ventosa et al., 2008)
espèces Lieux d’isolement
Intervalle et optimum de NaCl (%)
Référence
Actinopolyspora iraqiensis Soil sample in Iraq 5–20 (10–15)
Ruan et al., 1994
Actinopolyspora mortivallis Soil sample obtained from Death
Valley, CA, USA
5–30
(10–15) Yoshida et al., 1991
Alkalibacillus haloalkaliphilus Alkaline, highly saline mud from
Wadi Natrun, Egypt 5–20 (10) Jeon et al., 2005b
Alkalibacillus salilacus Soil sediment from a salt lake in
Xinjiang Province, China
5–20%
(10-12%) Jeon et al., 2005b
Bacillus krulwichiae Soil from Tsukuba, Ibaraki,Japan 0–14 Yumoto et al., 2003
Bacillus oshimensis Soil from Oshymanbe, Oshima,
Hokkaido, Japan 0–20 (7)
Yumoto et al., 2005
Bacillus patagoniensis
Rhizosphere of the perennial shrub Atriplex lampa in north- eastern Patagonia,Argentina
0–15 Olivera et al., 2005
Desulfobacter halotolerans Sediment of Great Salt
Lake,Utah, USA 0.5–13 (1.2)
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Filobacillus milosensis Beach sediment from Palaeochori
Bay, Milos, Greece 2–23 (8–14)
Schlesner et al., 2001
Halobacillus halophilus Salt marsh and saline soils 2–15 (3–5) Spring et al., 1996; Ventosa et al., 1983
Halobacillus karajensis Saline soil of the Karaj
region,Iran 1–24 (10) Amoozegar et al., 2003b
Lentibacillus salarius Saline sediment of Xinjiang
Province, China
1–20
(12–14) Jeon et al., 2005a
Lentibacillus salicampi Salt field in Korea 2–23 (4–8) Yoon et al., 2002
Marinococcus halophilus Saline soil from Alicante and
Cadiz, Spain 1–20 (15)
Hao et al., 1984; Marquez et al., 1992
Marinococcus halotolerans Saline soil in Qinghai, north-west
China
0–25 (10)
Li et al., 2005b
Microbacterium halotolerans Soil sediment of Qinghai
Province, China 0–15 (5) Li et al., 2005a
Nesterenkonia halotolerans Hypersaline soil from Xinjiang
Province, China
0–25
Li et al., 2004a
Nesterenkonia xinjiangensis Hypersaline soil from Xinjiang
Province, China
0–25
Li et al., 2004a
Nocardiopsis baichengensis Saline sediment from Xinjiang
Province, China
0–18 (5–8)
Li et al., 2006
Nocardiopsis chromatogenes Saline sediment from Xinjiang
Province, China
0–18 (5–8)
Li et al., 2006
Nocardiopsis gilva Saline sediment from Xinjiang
Province, China
0–18 (5–8)
Li et al., 2006
Nocardiopsis halophila Saline soil from Iraq 3-20 (5–15) Al-Tai et Ruan, 1994
Nocardiopsis halotolerans Salt marsh soil from Kuwait 0–15 (10) Al-Zarban et al., 2002a
Nocardiopsis rhodophaea Saline sediment from Xinjiang
Province, China
0–18 (5–8)
Li et al., 2006
Nocardiopsis rosea Saline soil from Xinjiang
Province, China
0–18 (5–8)
Li et al., 2006
Nocardiopsis salina Saline soil from Xinjiang
Province, China
3–20 (10)
Li et al., 2004b
Nocardiopsis xinjiangensis Saline soil from Xinjiang
Province, China
10
Li et al., 2003a
Prauserella alba Saline soil from Xinjiang
Province, China
0–25
(10–15) Li et al., 2003c
Prauserella halophila Saline soil from Xinjiang
Province, China
5–25
(10–15) Li et al., 2003c
Saccharomonospora halophila Marsh soil in Kuwait 10–30 (10) Al-Zarban et al., 2002b
Saccharomonospora paurometabolica
Soil from Xinjiang Province, China
5–20 (10)
Li et al., 2003b
Salinicocccus hispanicus Saline soil from Alicante and
Cadiz, Spain 0.5–25 (10) Marquez et al., 1990
Sporohalobacter lortetii Dead Sea sediment 6–12 (8.7) Oren, 1983
Streptomonospora alba Soil from Xinjiang Province,
China
5–25
(10–15) Li et al., 2003d
Streptomonospora salina Soil from Xinjiang Province,
China 15 Cui et al., 2001
Tenuibacillus multivorans Soil from Xinjiang Province,
China 1–20 (5–8) Ren et Zhou, 2005
Thalassobacillus devorans Saline soil in South Spain 0.5–20 (7.5–
10) Garcia et al., 2005
Virgibacillus koreensis Salt field near Taean-Gun on the
Yellow Sea in Korea
0.5–20 (5–10)
Lee et al., 2006
Virgibacillus salexigens Soil from Huelva, Cadiz, Sevilla,
and Mallorca, Spain
7–20 (8– 10)
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Tableau 4: Distribution mondiale des bactéries halophiles modérées à Gram négatif isolées des sols salins ou hypersalins (d’après Ventosa et al., 2008)
espèces Lieux d’isolement
Intervalle et optimum de NaCl (%)
Référence
Halanaerobacter salinarius Salt ponds in Camargue, France 5–30 (14–15) Moune et al., 1999
Halanaerobium alcaliphilum Sediment from Great Salt Lake, Utah, USA
2.5–25 (10)
Tsai et al., 1995
Halanaerobium lacusrosei Sediment of Retba Lake,
Senegal 7.5–34 (18–20)
Cayol et al., 1995
Halanaerobium praevalens Sediment of Great Salt Lake.
Utah, USA 2–30 (20)
Zeikus et al., 1983
Halanaerobium saccharolytica subsp. senegalensis
Sediments of Retba Lake,
Senegal 5–25 (7.5–12.5)
Cayol et al., 1994b
Halomonas anticariensis Soil from Fuente de Piedra.
Malaga, Spain 0.5–15 (7.5)
Martinez-Canovas et al., 2004b
Halomonas boliviensis Soil around the lake Laguna
Colorada, Bolivia 0–25 (5)
Quillaguaman et al., 2004
Halomonas campisalis Soil sample collected from a
dry salt flat south of Alkali Lake, USA
1–25 (8.7) Mormile et al., 1999
Halomonas eurihalina Hypersaline soil in Alicante,
Spain 0.5–30 (7.5)
Quesada et al., 1990
Halomonas halophila Hypersaline soil located near
Alicante, Spain 2–30 (7.5)
Quesada et al., 1984
Halomonas organivorans Saline soil from Isla Cristina,
Huelva, Spain 1.5–30 (7.5–10)
Garcia et al., 2004
Halomonas salina Saline soils located near
Alicante, Spain 2.5–20 (5)
Valderrama et al., 1991
Halomonas ventosae
Saline soil in Jaen, Spain 3–15 (6–9) Martinez-Canovas et al., 2004b
Halothermotrix orenii Sediment of a Tunisian salt
lake 4–20 (5–10) Cayol et al., 1994a
Marinobacter excellens Sediment collected from
Chazhman Bay, Sea of Japan
1–15 Gorshkova et al., 2003
Marinobacter koreensis Sea sand in Pohang, Korea 0.5–20 Kim et al., 2006
Marinobacter lipolyiticus
Saline soil from Cadiz, Spain 1–15 (7.5) Martin et al., 2003
Marinobacter sediminum Marine coastal sediment from
Peter the Great Bay, Sea of Japan
0.5–18
Romanenko et al., 2005
Natroniella acetigena Mud from the soda Lake
Magadi, Kenya 10–26 (12–15)
Zhilina et al., 1996
Orenia salinaria Salt ponds in salterns in
Camargue, France 2–25 (5–10)
Moune et al., 2000
Palleronia marisminoris Hypersaline soil bordering a
solar saltern in Murcia, Spain
0.5–15 (5) Martinez-Checa et al., 2005
Salipiger mucosus Hypersaline soil from a solar
saltern in Calblanche, Murcia, Spain
0.5–20 (3–6) Martinez-Canovas et al., 2004c
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20 II.2.1.3-Diversité métabolique
Mise à part la diversité phylogénétique, les bactéries halophiles présentent aussi une diversité métabolique. Elles peuvent alors être, des phototrophes aérobies ou anaérobies, des hétérotrophes aérobies, des fermentaires, des dénitrifiantes, des sulfito-réductrices et des méthanogènes. Néanmoins, cette diversité subit une diminution drastique dans un milieu hypersalin (Oren, 2002).
II.2.1.4-Répartition dans les milieux hypersalins
Les bactéries halophiles sont ubiquistes. Elles ont été isolées à partir d’habitats variés incluant les aires présentant de fortes ou de basses concentrations en sels comme les lacs salins, les déserts, les marais salants, les marécages salins, les mines de sels, les concombres de mer ou les aliments salés etc… (Oren, 2002; Oren, 2006; Ramos-Cormenzana, 1993; Ventosa et al., 1998; Ventosa et al., 2008).
Les bactéries halophiles modérées largement distribuées dans divers environnements marins, ont été fréquemment isolées des étangs de sel, des sols salins, marécages salés et des marais salants (Baati et al., 2010; Kis-Papo et Oren, 2000; Müller et Oren, 2003; Oren, 2002; Rodriguez-Valera, 1985; Rodriguez-Valera et al., 1988; Zahran et al., 2007) (cf. Tableaux 3
et 4).
Dans les marais salants les halophiles appartiennent le plus souvent à un certain nombre de phyla du domaine des Bacteria: Actinobacteria, Spirochaetes, Cyanobacteria, Verrucomicrobia, Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria (Lefebvre, 2005).
Les marécages salés ont aussi fait l’objet d’analyses multiples. Il s’agit d’un type particulier de lac salé contenant différents sels avec une grande quantité de carbonates et bicarbonates de
sodium, où les bactéries sont réparties en trois phyla: Proteobacteria, Firmicutes
et Cyanobacteria (Lefebvre, 2005).
II.2.1.5-Mécanismes d’adaptation à la vie en milieu hypersalin
La survie des bactéries halophiles en milieu salin exige le maintien d’un équilibre osmotique entre le cytoplasme et le milieu environnant. Ainsi, les bactéries halophiles ont développé des mécanismes spéciaux afin de s’adapter à l'environnement hypersalin (Lefebvre, 2005).
• Régulation de la pression osmotique
Une faible concentration en sel (NaCl) est indispensable au fonctionnement cellulaire,
21
Pour compenser la pression osmotique du milieu hypersalin environnant la plupart des micro- organismes halophiles et halotolérants accumulent essentiellement du chlorure de potassium (KCl) chez les Archaea, ou des composés organiques dissous ayant un potentiel osmotique, comme les sucres, les polyols ou les acides aminés, chez les Bacteria (Horikoshi et Grant, 1998).
• Adaptation des protéines à l’hypersalinité
En accumulant dans leur cytoplasme des quantités de sel proche de la saturation, les
bactéries halophiles empêchent la sortie d’eau en s’adaptant au stress salin. Les protéines « halophiles » concentrent fortement le sel près de leur surface (Eisenberg et al.,
1992) et utilisent ses capacités hygroscopiques pour capturer les molécules d’eau nécessaires à leur repliement, leur stabilisation et leur solubilité. Ce phénomène est rendu possible par une abondance d’acides aminés, connus pour interagir fortement avec les molécules d’eau et les cations tels que K+ (Lozach,2001).
En revanche, parmi les bactéries halophiles, certaines sont adaptées à d'autres conditions
environnementales en plus de la salinité en l’occurrence les bactéries halophiles thermophiles, psychrophiles ou alcalophiles.
II.2.2- Bactéries halophiles entre sel et température
La température optimale nécessaire pour leur développement laisse distinguer trois types de bactéries :
* Les bactéries mésophiles (20 et 40°C) représentent la majorité des bactéries halophiles aussi bien environnementales que pathogènes ou même saprophytes naturelles (Fiorentini et al., 1998; Ivanova et al., 2002; Petursdottir et Kristjansson, 1997).
*
Les bactéries psychrophiles ont une température optimale de développement voisine de 0° C. Ces bactéries, largement répandues dans l'environnement: Pseudomonas, Acinetobacter,Aeromonas, Cytophaga, etc., peuvent contaminer et altérer les aliments et divers autres
produits même conservés au froid. Les bactéries halophiles psychrophiles ont été décrites dans de nombreux travaux (Mondino et al., 2009).
* Les bactéries thermophiles peuvent vivre à des températures élevées (45° C et plus). Certaines bactéries (Pyrodictum occultum) peuvent croître et se multiplier au contact des
22
sources chaudes océaniques à des températures proches de 250 °C et à des pressions voisines de 260 atmosphères.
Plusieurs bactéries halophiles se sont avérées être halothermophiles appartenant à plusieurs genres: Alterococcus agarolyticus (Shieh et Jean, 1998); Thermohalobacter berrensis (Cayol et al., 2000); Bacillus aeolius (Gugliandolo et al., 2003).
Par ailleurs, il a été montré que la température de croissance est fonction de la concentration en sel (Ventosa et al., 1998) (cf. Figure 9). Plusieurs travaux ont mis en évidence ce rapport entre sel et température chez les bactéries halophiles, à titre d’exemple nous citerons le Planococcus halophilus qui se développe, à des concentrations en NaCl de
0,01 M à 20°C, pour une croissance à 25°C, 0,5 M est exigé (Novitsky et Kushner, 1976). Le Salinivibrio costicola peut se développer entre 0,5 et 4 M de NaCl à 30°C, pour une
croissance optimale à 20°C seul 0,2 M est nécessaire (Kushner, 1978).
Ainsi Bowers et al., 2009 met en évidence la corrélation entre la concentration de sel optimale et la température optimale de croissance chez les bactéries halophiles.
Figure 9 : Corrélation entre la concentration de [Na+] optimale et la température optimale chez les bactéries halophiles (Bowers et al. 2009)
Strate de microorganismes
23
II.2.3- Bactéries halophiles entre sel et pH
Les bactéries halophiles s’adaptent également à des conditions de pH extrême: les genres Natronococcus et Natronobacterium ont surtout été isolés des lacs natronés et sont à la fois halophiles et alcalophiles, se développant à des pH supérieurs à 9.
Bowers et al., 2009 rapporte que seulement une dizaine d’espèces peuvent avoir une croissance optimale à pH alcalin et à une concentration de [Na +] de 2,0 M ou plus (cf. Figure
10).
Figure 10 : Corrélation entre la concentration de [Na+] optimale et pH optimal chez les bactéries halophiles (Bowers et al., 2009)
Mesbah et al., 2007 décrit 3 espèces ayant une croissance optimale à un pH optimum de 9,5 et [Na+] de 2,5M au niveau des lacs alcalins de Wadi Natroun (nord d’Egypte) :
Natranaerobius thermophilus, Natranaerobius trueperi et Natronovirga wadinatrunensis.
II.2.4- Bactéries extremophiles
Bowers et al., 2009 affirme que jusqu’en septembre 2009, plus de 60 espèces extrêmement halophiles ont été publiées et validées dans International Journal of Systematic
Bacteriology/Systematic and Evolutionary Microbiology et listées dans http://www.bacterio.
cict.fr.