Biodiversité et fonctionnalité des biofilms oléolytiques en milieu marin

par Claudie Barnier

Thèse de doctorat en Chimie analytique et environnement

Sous la direction de Laurent Urios et de Régis Grimaud.

Soutenue le 11-12-2018

à Pau , dans le cadre de École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques) , en partenariat avec Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau) (laboratoire) .

mots clés

• Biofilm
• Oléolytique
• Hydrocarbures
• Alcanes
• Lipides
• Hydrocarbonoclaste
• Adhésion
• Composés organiques hydrophobes
• Biofilms

Résumé

En milieu marin le carbone organique particulaire (POC) représente 25 % du carbone organique total. Sa dégradation est réalisée par des microorganismes hétérotrophes ayant mis en place diverses stratégies pour parvenir à le dissoudre et l’assimiler. Peu d’études se sont intéressées à la dégradation des composés polymériques et/ou hydrophobes, quasiment insolubles dans l’eau constituant le POC. Parmi ces composés, on retrouve les lipides et les hydrocarbures regroupés sous le terme de COH (composés organiques hydrophobes). La dégradation des COH est réalisée par des bactéries dîtes oléolytiques ayant entre autre pour stratégie la formation de biofilms également qualifiés d’oléolytique. Nos connaissances sur la diversité et la fonctionnalité des biofilms oléolytiques se limitent actuellement aux bactéries spécifiquement étudiées pour leur capacité à dégrader les HC. Ainsi la dégradation des lipides est souvent négligée alors que cette famille de molécules représente une part significative du POC.La diversité taxonomique des bactéries formant des biofilms oléolytiques a été déterminée par un criblage de 199 souches marines sur 4 substrats : un alcane (paraffine), un triglycéride (tristéarine), un acide gras (acide palmitique) et une cire (l’hexadécyl palmitate). Cette étude a révélé que les bactéries oléolytiques (formant un biofilm sur au moins 1 des substrats) sont relativement répandues parmi les bactéries marines puisque qu’elles représentent 18.7 % des souches testée. Cette étude montre également que les bactéries capables d’assimiler les alcanes sont également capables d’assimiler au moins un lipide. Les bactéries hydrocarbonoclastes, jusqu’alors décrites comme spécialisées, voir restreintes à l’assimilation des hydrocarbures, présentent donc une gamme de substrats s’étendant aux lipides. La corrélation positive entre la capacité d’assimilation des alcanes et l’assimilation des lipides suggère un lien physiologique entre l’assimilation de ces deux familles de COH. L’activité lipase qui est essentielle à l’assimilation des triglycérides mais pas à l’assimilation des alcanes, a été mesurée dans des cultures de souches oléolytiques poussant sur acétate, triglycéride ou hexadécane. Comme attendu, les cultures sur triglycérides montrent toutes une surexpression de l’activité lipases par rapport aux cultures sur acétate. Les cultures sur hexadécane montraient aussi une surexpression de l’activité lipase renforçant l’idée d’un lien physiologique entre dégradation des alcanes et dégradation des lipides. De plus les souches oléolytiques n’ont pas montré de capacité à former un biofilm sur une surface inerte hydrophobe telle que le polystyrène ou sur une surface hydrophile telle que le verre à la hauteur de celles constaté sur COH. Une étude quantitative de l’adhésion sur COH et substrats inertes réalisée par microscopie montre que l’adhésion (dans les conditions testées) n’est pas un facteur déterminant de la formation de biofilm sur ces mêmes substrats. Cela suggère que la spécificité de formation de biofilm sur les substrats COH, ne réside pas dans l’adhésion mais vraisemblablement dans les étapes de développement du biofilm plus tardives.Enfin, les biofilms oléolytiques mettant en jeux des produits extracellulaires (enzymes et facteurs de solubilisation) qui constituent des biens communs, sont propices à l’établissement de comportements sociaux. Nous avons mis en évidence des comportements synergiques (5/8 des comportements observés) ou compétitifs au sein de biofilm oléolytiques (3/8 des comportements observés).

mots clés

• Oleolytic
• Hydrocarbons
• Alkane
• Lipid
• Hydrocarbonoclastic
• Adhesion
• Hydrophobic organic compounds

Titre traduit

Oleolytic biofilm biodiversity and functionality in marine environments

Résumé

Particulate organic carbon (POC), in marine environment, accounts for 25% of total organic carbon. POC degradation is carried out by heterotrophic microorganisms which have developed strategies to dissolve and assimilate it. Few studies have investigated the degradation of the polymeric and / or hydrophobic components of POC, which are almost insoluble in the water. Among these compounds, there are lipids and hydrocarbons (HC) grouped under the term of HOCs (hydrophobic organic compounds). The degradation of the HOCs is carried out by oleolytic bacteria which form biofilms at the HOC– water interface. Our knowledge of the diversity and functionality of oleolytic biofilms is mostly limited to HC degrading bacteria, while the degradation of lipids is often neglected although this family of molecules represents a significant part of the POC. A screening of 199 marine strains on 4 substrates: an alkane (paraffin), a triglyceride (tristearin), a fatty acid (palmitic acid) and a wax ester (hexadecyl palmitate) was performed to determine the taxonomic diversity of bacteria able to form oleolytic biofilms. This study revealed that oleolytic bacteria (forming a biofilm on at least 1 substrate) were relatively widespread among marine bacteria since they represented 18.7% of tested strains. This study also showed that bacteria able to assimilate alkanes were also able to assimilate at least one lipid. Hydrocarbonoclastic bacteria, previously described as specialized, or restricted to the assimilation of hydrocarbons, have actually a substrate range spanning from HC to lipids. The positive correlation between the ability to form a biofilm on alkanes and on lipids suggested a physiological link between the assimilation of these two HOC families. The lipase activity, which is essential for triglycerdides assimilation but not for the alkanes assimilation, was measured in oleolytic strains cultures growing on acetate, triglyceride or hexadecane. As expected, overexpression of lipase activity was observed in cultures on triglycerides compared to cultures on acetate. Moreover, overexpression of lipase activity was also observed in cultures on hexadecane reinforcing the idea of a physiological link between alkanes and lipids degradation.Oleolytic strains exhibited a very weak ability to form a biofilm on the inert surfaces (non-nutritive) polystyrene or glass compared to the HOC nutritive surface indicating that oleolytic strains have a specificity for HOC to form a biofilm. A quantitative study of adhesion on HOC and inert substratums carried out by microscopy shows that adhesion (in the tested conditions) is not a determining factor of the biofilm formation on these same substrates. This suggests that the specificity of biofilm formation on HOC substrates does not reside in adhesion but presumably in later biofilm development stages.Lastly, oleolytic biofilms, involving extracellular products (enzymes and solubilization factors) that constitute public goods, are favorable to the establishment of social behaviors. We have demonstrated synergistic behaviors (5/8 of observed behaviors) or competitive behaviors (3/8 of observed behaviors) in oleolytic biofilms.