Microbiologie

Microbiologie

La microbiologie est la science qui étudie les micro-organismes et les VIRUS. Les micro-organismes sont si petits qu'ils sont invisibles à l'oeil nu (diamètre de moins de 0,1 mm). Leur découverte et leur étude ne s'est donc faite qu'avec l'augmentation de la résolution des microscopes. Ces organismes possèdent tous une structure cellulaire relativement simple, bien que certains aspects de la structure des différentes espèces diffèrent. Les micro-organismes se divisent en deux groupes selon leur type de structure : les eucaryotes, qui possèdent un « vrai » noyau bien délimité par une membrane, et les procaryotes, qui possèdent un noyau diffus.

Les protozoaires, les champignons et les ALGUES sont des eucaryotes, tout comme les cellules des végétaux et animaux supérieurs. Les BACTÉRIES et les Archéobactéries sont les seuls procaryotes. Puisque les virus ont besoin de cellules hôtes pour se multiplier, ils constituent un groupe à part : ils ne sont ni des eucaryotes, ni des procaryotes.

Les micro-organismes méritent qu'on s'y intéresse, en partie parce que certaines variétés provoquent des maladies. Cependant, les micro-organismes existent dans toutes sortes d'habitats, principalement le sol et l'océan, et sont un composant important de tout écosystème normal. Plusieurs types de micro-organismes se trouvent dans le sol. Celui-ci les protège pendant des mois et même des années, grâce à sa grande stabilité. Les micro-organismes décomposent la matière organique (restes végétaux et animaux, eaux d'égout, etc.) en molécules utilisables par les végétaux et oxydent ou réduisent les éléments insolubles (p. ex., le soufre) en composés solubles servant aussi à nourrir les végétaux. Même les pesticides et les produits pétroliers sont décomposés en des formes moins nocives.

Les océans sont pauvres en nutriments et la température est inférieure à 4 °C dans plus de 80 p. 100 de l'eau océanique. La population microbienne et le rythme de croissance, de même que le métabolisme, y sont donc peu élevés. Les bactéries marines peuvent tout de même croître à cette température, bien que cette croissance soit lente. Elles utilisent le sodium comme nutriment et certaines (les barophiles) se développent dans les zones profondes où la pression est très élevée.

Les micro-organismes marins agissent de façon identique aux micro-organismes terrestres en décomposant la matière organique et en la transformant en une forme utilisable par les plantes aquatiques. Par exemple, il existe un nombre relativement peu élevé de bactéries décomposant le pétrole dans l'océan, en raison de la quantité limitée de nutriments. Dans le cas d'un déversement de pétrole procurant une source importante de carbone, la population bactérienne augmente immédiatement, à condition qu'il y ait aussi suffisamment d'azote et de phosphore. À longue échéance, les substances qui ne peuvent être décomposées par les micro-organismes (p. ex., les métaux lourds, certains pesticides) ou certains facteurs physiques qui nuisent à la décomposition (p. ex., la pollution thermique) constituent les problèmes de POLLUTION les plus graves. Les micro-organismes formant le phytoplancton ( les algues photosynthétiques et certains protozoaires) jouent un rôle important dans l'écologie des océans où ils constituent un élément important de la chaîne alimentaire.

Par contre, les micro-organismes responsables des maladies sont nuisibles. Certains attaquent les plantes et des efforts constants sont nécessaires pour créer des variétés de végétaux pouvant y résister (p. ex., résistant à la rouille). Cela est d'autant plus important que les champignons responsables de la rouille ainsi que beaucoup d'autres MALADIES DES PLANTES développent constamment de nouvelles caractéristiques leur permettant d'affecter les plantes.

Les micro-organismes contribuent à la pollution par leur oxydation de la matière organique, un processus qui utilise l'oxygène disponible et provoque la mort des poissons et des autres organismes nécessitant de l'oxygène. Les bactéries peuvent causer des problèmes dans les réseaux d'aqueduc en oxydant le fer ou le manganèse en sels insolubles qui obstruent les tuyaux. En l'absence d'oxygène, certaines bactéries réduisent le sulfate en hydrogène sulfuré, un acide faible qui corrode les tuyaux en métal. Le pétrole brut possède souvent une haute teneur en soufre. Les bactéries en mesure d'oxyder le soufre en acide sulfurique sont donc présentes dans les puits de pétrole. L'acide ainsi formé détruit les tuyaux et les trépans.

Applications

Dans les sociétés industrielles, les micro-organismes sont utilisés de diverses façons pour améliorer la qualité de l'environnement humain.

Épuration des eaux usées
Les micro-organismes, particulièrement les bactéries, jouent un rôle important dans l'épuration des eaux usées. Ils oxydent la matière organique contenue dans les eaux usées et la transforment en substances plus simples. Ils réduisent donc les effets nocifs potentiels sur les poissons et autres organismes nécessitant de l'oxygène. La première étape du traitement microbiologique des eaux usées se déroule en absence d'oxygène et produit du méthane. Beaucoup de stations d'épuration des eaux usées tirent d'ailleurs toute leur énergie de cette source. L'aération est essentielle afin de compléter la décomposition et elle est effectuée de diverses manières. Elle a également pour effet de tuer les bactéries indésirables.

Microbiologie industrielle

L'industrie laitière utilise depuis longtemps des micro-organismes. On a commencé à pasteuriser le lait peu après 1886, afin de tuer les bactéries pathogènes et de réduire, de façon générale, la quantité de bactéries afin de permettre une meilleure conservation du lait. Le yogourt, le fromage cottage, le babeurre et autres dérivés laitiers sont produits en contrôlant la fermentation du lait à l'aide de diverses bactéries lactiques, particulièrement les lactobacilles. On a développé plusieurs souches de LEVURES qui produisent de l'alcool éthylique et des composés aromatiques à partir du raisin et qui résistent à des taux élevés d'alcool. Ces levures sont à la base de l'industrie du vin. Les problèmes surgissent lorsque la fermentation est perturbée par une contamination indésirable par des levures sauvages. Le vin doit également être protégé contre la contamination bactérienne, puisque les bactéries peuvent former de l'acide lactique ou oxyder l'alcool et faire ainsi tourner le vin en vinaigre.

Les brasseries utilisent aussi les levures pour transformer les sucres en alcool. Contrairement à l'industrie vinicole, les sucres proviennent des céréales et la levure n'a pas à être résistante à des taux élevés d'alcool. La bière est pasteurisée dans son contenant, qu'il s'agisse de bouteilles ou de canettes, de façon à éviter une action bactérienne. La bière en fût n'est pas pasteurisée : on compte plutôt sur la réfrigération et une utilisation rapide pour permettre sa conservation. Les distilleries, quant à elles, utilisent les levures pour faire fermenter les céréales, la mélasse, les fruits et les légumes et les transformer en alcool qui est ensuite distillé à partir du brassin, vieilli et mélangé.

La production d'antibiotiques constitue un des principaux usages industriels des micro-organismes. Le premier antibiotique découvert a été la pénicilline. Celle-ci demeure encore aujourd'hui l'antibiotique le plus utilisé. Les antibiotiques agissent en perturbant le métabolisme des bactéries et autres micro-organismes. La pénicilline, par exemple, inhibe la synthèse de la paroi cellulaire des procaryotes. Puisque cette paroi cellulaire est totalement différente de celle des eucaryotes, la pénicilline ne s'attaque donc qu'aux bactéries et aux algues bleu-vert. Actuellement, on utilise couramment une centaine d'antibiotiques différents et plus de 5000 ont été produits. En général, les antibiotiques utiles sont produits par des champignons et par un groupe particulier de bactéries, les Streptomycètes.

De plus en plus, les micro-organismes sont utilisés pour produire des enzymes industrielles (des protéines complexes qui catalysent certaines réactions). Les bactéries en particulier sont en mesure de sécréter des enzymes, ce qui rend la production et la purification des enzymes beaucoup plus faciles. La principale utilisation industrielle des enzymes est dans la fermentation à froid de la bière : elles rendent les protéines et les glucides solubles et les empêchent ainsi de précipiter lorsque la bière est refroidie. Les enzymes microbiennes sont également employées dans la production de jus pour enlever le goût amer de l'écorce de pamplemousse et pour transformer le glucose en fructose, un sucre au goût plus sucré. La rénine, une enzyme employée pour coaguler le lait dans la fabrication du fromage, est maintenant principalement obtenue à partir de champignons. Les micro-organismes servent aussi à produire des protéines utilisées surtout pour l'alimentation des animaux.

Les micro-organismes servent aussi dans des procédés industriels tels que la synthèse du méthane à partir de la cellulose (p. ex., à partir des déchets des INDUSTRIES DES PÂTES ET PAPIERS). Ce procédé demeure en grande partie expérimental (voirÉNERGIE DE LA BIOMASSE). Il est également possible d'employer les bactéries pour dissoudre les métaux contenus dans les minerais. Il s'agit d'un procédé largement utilisé par l'industrie de l'EXPLOITATION MINIÈRE au Canada.

La microbiologie au Canada

La microbiologie est une des sciences majeures dans les universités canadiennes. Dans bien des cas, cette discipline est offerte par les écoles de médecine, mais certains départements de sciences ou d'agriculture l'enseignent aussi avec succès. Le CONSEIL NATIONAL DE RECHERCHES DU CANADA, le ministère de l'Agriculture et de l'Agro-alimentaire ainsi que le ministère des Pêches et des Océans participent depuis longtemps à la recherche en microbiologie. Cette discipline est généralement plus reconnue que les autres disciplines de la biologie. Il existe des emplois à tous les niveaux pour les diplômés : dans les hôpitaux, les laboratoires de santé publique et les laboratoires privés de diagnostic. Dans l'industrie de l'alimentation et des boissons, l'industrie laitière est le principal employeur, bien que les brasseries, les producteurs de vin et les exploitants d'abattoirs emploient couramment des microbiologistes pour s'assurer de la qualité de leurs produits. Une formation en microbiologie est aussi un atout pour devenir maître brasseur ou producteur de vin.

Dans de nombreux secteurs, une formation en microbiologie est considérée comme une excellente préparation pour être cadre. Les compagnies pharmaceutiques engagent les diplômés comme représentants pharmaceutiques ou encore comme travailleurs dans leurs laboratoires de recherche ou de contrôle de la qualité. Les universités demeurent les principaux employeurs des diplômés universitaires. Un baccalauréat en sciences permet de travailler comme préparateur de laboratoire ou assistant à la recherche et les études supérieures mènent à la recherche et à l'enseignement.

Au Canada, les microbiologistes peuvent faire partie des associations suivantes : la Société canadienne des microbiologistes, l'Association canadienne des médecins microbiologistes, l'Association canadienne de microbiologie clinique et des maladies contagieuses, la Canadian Genetics Society, la Société canadienne de biologie cellulaire, la Société canadienne de biochimie, la Société canadienne d'immunologie, la Canadian Association of Public Health, la Société canadienne des clinico-chimistes et le Collège canadien des microbiologistes.

Agriculture

Même si les sols contiennent de nombreuses souches de bactéries fixatrices d'azote, leur nombre peut être insuffisant pour fournir tout l'azote nécessaire aux cultures. Afin de prévenir cet appauvrissement, les graines des légumineuses (p. ex., le trèfle, les pois et les haricots) sont souvent inoculées avec une souche appropriée de bactéries fixatrices d'azote. À mesure que les graines germent et que la plante croît, ces bactéries (du genre Rhizobium) se développent et forment des nodules sur les racines. La plante se sert du soleil comme source d'énergie et les bactéries transforment l'azote en ammoniaque qui nourrit la plante et enrichit les sols. Il peut aussi être avantageux d'inoculer un sol contenant peu d'azote avec une bactérie libre fixatrice d'azote du genre Azotobacter. Les micro-organismes sont également employés pour contrôler les insectes nuisibles qui s'attaquent aux végétaux (p. ex., la tordeuse des bourgeons de l'épinette et la mouche à scie).

La BIOTECHNOLOGIE est un domaine qui fait présentement beaucoup parler de lui. Cette technique permet de rassembler dans une même cellule, généralement une bactérie, des caractéristiques provenant de plusieurs types d'organismes différents. Les techniques de base sont celles de la génétique microbienne. La production de molécules complexes (p. ex., l'INSULINE, l'interféron) par les bactéries est déjà commencée et il existe une forte demande pour la production de masse d'importantes substances biologiques.