RETOUR AU SOMMAIRE LA COLONNE DE WINOGRADSKY RETOUR AUX ACTIVITES PRATIQUES



Introduction

Le cycle de divers éléments (carbone, azote, soufre etc.) est un des concepts fondamentaux de l'écologie. Il repose sur de complexes interactions impliquant la biosphère, l'atmosphère, la lithosphère et l'hydrosphère.

L'étude expérimentale de ces concepts se heurte à un manque d'expériences simples, faciles à mettre en oeuvre par des élèves dans le cadre de travaux pratiques. Il est néanmoins possible d'expérimenter sur de tels sujets en répétant des expériences faites au début du siècle par le célèbre microbiologiste Sergueï Winogradsky (1856-1953) et qui le conduisirent à la découverte du mode de vie chimioautotrophe.

Le principe de ces expériences était de cultiver divers micro-organismes simultanément en raison de leur interdépendance dans la nature : "le fonctionnement de la microflore ne devait pas être envisagé comme la somme des activités individuelles, mais comme le travail d'un collectif autoréglable" disait-il.

MATERIEL

Boue noire (riche en sulfure de fer) prélevée dans un fossé ou une tourbière par exemple, eau stagnante (fossé, marécage), deux éprouvettes de 100 ml, béchers, papier cellophane, paille ou morceaux de papier filtre, hydrogénocarbonate de sodium, carbonate de calcium, sulfate de calcium, chlorure d'ammonium, tampon phosphate pH 7.3, agitateurs, bracelets de caoutchouc, source lumineuse (ampoule rouge de préférence), une gélule de polyvitamines.

Tampon pH 7.3 : préparer une solution d'hydrogénophosphate disodique anhydre à 9.46 g/l (ou d'hydrogénophosphate disodique 12 H2O à 23.86 g/l) et une solution de dihydrogénophosphate de potassium à 9.06 g/l. Mélanger huit volumes de phosphate disodique et deux volumes de phosphate monopotassique pour obtenir le pH 7.3.

PROTOCOLE

Principe

Le but de la manipulation est de recréer dans chaque colonne un "mini-écosystème" centré sur le cycle du soufre : des hétérotrophes anaérobies utilisant la cellulose produisent des acides gras. Ces derniers constituent une source de carbone pour des bactéries sulfatoréductrices qui utilisent les sulfates comme accepteurs d'électrons et les réduisent en sulfure d'hydrogène.

Celui-ci constitue la source d'hydrogène pour la photosynthèse des bactéries sulfureuses anaérobies qui produisent du soufre insoluble et des sulfates alimentant les sulfatoréductrices.

Une colonne comporte de la boue additionnée de sulfate de calcium pour faciliter le développement dans le milieu des bactéries sulfureuses pourpres et vertes et l'autre de la boue additionnée de carbonate de calcium pour faciliter le développement de bactéries pourpres non sulfureuses.

La figure 1 montre la participation de ces différentes bactéries au cycle du soufre tel qu'il se déroule dans la colonne.

Procédure

Ajouter du tampon phosphate à la boue. Mélanger 4 g du sel de calcium (sulfate dans un des deux tubes et carbonate dans l'autre) avec suffisamment de boue noire pour remplir l'éprouvette sur une hauteur de 7.5 cm. Mélanger soigneusement avec un agitateur dans un bécher. Le mélange doit avoir à peu prés la consistance de la crème fraîche.

Placer vingt morceaux de papier filtre d'un cm2 au fond de la burette et verser le mélange dessus jusqu'à une hauteur de 7.5 cm. Mélanger doucement le papier et la boue avec l'agitateur. Faire un deuxième mélange, dans un bécher, pour remplir une deuxième couche de 7.5 cm, comprenant de la boue additionnée de 0.2 g d'hydrogénocarbonate de sodium, de 0.1 g de chlorure d'ammonium et du contenu d'une gélule de polyvitamines.

Bien mélanger, doucement, pour éliminer l'air et verser dans l'éprouvette pour constituer une deuxième couche de 7.5 cm. Mélanger encore avec l'agitateur pour éliminer l'air au maximum (il s'agit d'obtenir un milieu anaérobie).

Compléter la colonne avec de la boue seule jusqu'à environ 2.5 cm du bord supérieur de l'éprouvette. Mélanger doucement avec l'agitateur s'il y a des bulles d'air, puis laisser reposer pendant une demi-heure.

Si, après ce temps, il y a plus de 2 cm d'eau au sommet de la colonne, éliminer l'excédent de façon à obtenir une hauteur d'eau d'un cm environ. S'il y a moins d'un cm, rajouter de l'eau de fossé ou d'étang.

Recouvrir l'ouverture de l'éprouvette avec un carré de cellophane et le maintenir avec un bracelet en caoutchouc. Noter sur une étiquette le type de sel de calcium utilisé dans la première couche.

Placer la colonne devant une fenêtre (mais pas directement au Soleil) et l'y abandonner environ six semaines à la température du laboratoire.

Faire également deux colonnes placées à l'obscurité de façon à déterminer par comparaison quelles sont les colonies phototrophes.

RESULTATS ATTENDUS

Des colonies de bactéries différant par leur localisation dans la colonne, par leur couleur et par leur mode de vie pourront être observées.

Il ne faut pas faire de prélèvements dans la colonne en raison de la présence probable de Clostridium.

La figure 2 montre la localisation attendue des micro-organismes dans la colonne.

La succession des événements est, en principe, la suivante :

Les bactéries hétérotrophes anaérobies comme le genre Clostridium se développent les premières. Elles utilisent la cellulose du papier filtre et produisent du dioxyde de carbone et divers composés organiques qui peuvent constituer une source de carbone pour des bactéries du genre Desulfovibrio. Ces bactéries peuvent vivre soit de manière hétérotrophe à partir des composés organiques précédents soit de manière autotrophe en oxydant l'hydrogène aux dépens des sulfates et sont alors chimiolithotrophes. Elles initient le cycle du soufre dans la colonne en produisant du sulfure d'hydrogène utilisable par les bactéries sulfureuses photosynthétiques dont le développement concrétise le démarrage du cycle rendu visible par l'apparition de taches vertes ou pourpres dans le bas de la colonne.

Lorsque le cycle a démarré, les bactéries sulfureuses photosynthétiques se développent. Elles sont autotrophes et utilisent le dioxyde de carbone comme unique source carbonée et le sulfure d'hydrogène comme source d'hydrogène pour la photosynthèse. Contrairement aux végétaux chlorophylliens elles sont anaérobies et produisent à partir de l'hydrogène sulfureux du soufre insoluble qui s'accumule à l'extérieur des bactéries alors que les précédents produisent du dioxygène à partir de l'eau. Elles peuvent également produire du sulfate utilisé par les bactéries sulfato-réductrices ce qui boucle le cycle.

Il y a deux catégories principales de ces bactéries sulfureuses photosynthétiques anaérobies, les vertes et les pourpres.

Les vertes (principalement Chlorobium) sont plus résistantes aux effets toxiques du sulfure d'hydrogène et se développent donc à des niveaux plus profonds de la colonne. On les reconnaît par les taches vertes qu'elles font à la surface de la boue.

Au contraire, les bactéries pourpres (principalement Chromatium) forment des taches pourpres et violettes plus haut dans la colonne car elles sont moins tolérantes au sulfure d'hydrogène.

Plus haut dans la colonne des bactéries pourpres non sulfureuses peuvent se développer telles que des Rhodospirillum et des Rhodobacter. Elles forment des taches rouge-pourpre ou rouille. L'importance de leur développement dépend de la quantité de sulfure d'hydrogène produit et consommé aux niveaux inférieurs car elles sont inhibées par H2S. Ce sont des anaérobies photoorganotrophes car elles ne peuvent réaliser la photosynthèse que si elles disposent d'une source de carbone organique. Dans la colonne ou le carbonate de calcium remplace le sulfate de calcium, leur développement est plus important car il y a moins de sulfure d'hydrogène produit.

Dans la zone supérieure de la colonne ce sont des bactéries sulfureuses chimiolithotrophes qui se développent. Ces organismes non colorés ne sont pas photosynthétiques mais sont néanmoins autotrophes car ils assimilent le carbone du CO2 tout en oxydant H2S : les bactéries filamenteuses comme les Beggiatoa transforment les sulfures en soufre et ce dernier en sulfates ; les Thiobacillus oxydent le soufre, les sulfures et les thiosulfates en sulfates ce qui alimente le cycle.

Enfin, des cyanobactéries, des algues eucaryotes et des protozoaires peuvent se développer plus tardivement dans la zone aérobie de la colonne car ils mettent en général plus de temps à se développer que les précédents.

On trouvera ci-dessous un tableau faisant le bilan des diverses bactéries susceptibles de se développer dans la colonne avec leurs exigences nutritionnelles.
 
 

Genre principal Source d'énergie Source de carbone Type nutritionnel Dépendance au dioxygène
Clostridium Oxydation de substances organiques Substances organiques Hétérotrophe Anaérobie 
Desulfovibrio Oxydation de l'hydrogène organique ou minéral Substances organiques ou dioxyde de carbone Hétérotrophe ou chimiolithotrophe Anaérobie aérotolérant
Chlorobium Lumière Dioxyde de  carbone Photolithotrophe Anaérobie
Chromatium Lumière Dioxyde de  carbone Photolithotrophe Anaérobie
Rhodospirillum Lumière Substances organiques Photorganotrophe Anaérobie
Beggiatoa Oxydation du sulfure d'hydrogène Dioxyde de 
carbone
Chimiolithotrophe Anaérobie facultatif
Thiobacillus Oxydation du sulfure d'hydrogène Dioxyde de 
carbone
Chimiolithotrophe
Aérobie

Figure 3. Exigences trophiques des bactéries colonisant la colonne de Winogradsky

Cette manipulation permet ainsi de concrétiser d'importantes notions comme celles d'écosystème, de réseau trophique et de cycle des éléments chimiques.



BIBLIOGRAPHIE

Pochon J. et al. Traité de Microbiologie des sols. Dunod 1958
Des Abbayes et al. Précis de Botanique 1. Végétaux inférieurs. Masson 1978
Prévot A.R. et al. Les bactéries anaérobies. Dunod 1967
Corner T.R. Ecology in a jar. The Science Teacher, vol 59, N°3 March 1992


RETOUR AU SOMMAIRE

TOUS DROITS RESERVES
© 1998-2006 D. Pol 
N'hésitez pas à faire connaître vos impressions, commentaires, suggestions etc.
dpol#noos.fr
Remplacer # par @ dans l'adresse indiquée
Emplacements des visiteurs de cette page