Nutrition, croissance et culture des micro-organismes

Cultiver un micro-organisme, c'est lui fournir la source d'énergie, la source de carbone et les éléments minéraux dont il a besoin, dans des conditions physicochimiques compatibles avec sa physiologie. Ce chapitre décrit les types trophiques, la composition des milieux, la cinétique de croissance en batch et en continu. C'est le chapitre le plus « calculatoire » du module : le temps de génération et le taux de croissance tombent presque à chaque session.

1. Les types trophiques

Un type trophique se définit par deux critères croisés. La source d'énergie : lumière chez les phototrophes, oxydation de composés chimiques chez les chimiotrophes. La source de carbone : CO₂ chez les autotrophes, matière organique chez les hétérotrophes. On ajoute la nature du donneur d'électrons : lithotrophe quand il est minéral (H₂, H₂S, NH₄⁺, Fe²⁺), organotrophe quand il est organique.

Les quatre grands types sont donc les photolithotrophes autotrophes (cyanobactéries, bactéries sulfureuses), les photoorganotrophes (bactéries pourpres non sulfureuses), les chimiolithotrophes autotrophes (bactéries nitrifiantes, sulfo-oxydantes, ferrooxydantes) et les chimioorganotrophes hétérotrophes, de loin les plus nombreux, auxquels appartiennent la quasi-totalité des bactéries d'intérêt médical et industriel. Les bactéries incapables de synthétiser certains métabolites ont besoin de facteurs de croissance — acides aminés, bases azotées, vitamines — et sont dites auxotrophes, par opposition aux souches prototrophes.

2. Les milieux de culture

Un milieu apporte l'eau, une source de carbone et d'énergie, l'azote, le phosphore, le soufre, les cations majeurs (K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺) et des oligo-éléments. On distingue les milieux synthétiques, de composition chimique entièrement connue, et les milieux complexes à base d'extraits (peptone, extrait de levure, extrait de viande), dont la composition exacte varie. L'agar-agar, polysaccharide extrait d'algues, sert d'agent solidifiant car il n'est pas dégradé par la plupart des bactéries et fond vers 100 °C pour se prendre en gel vers 40-45 °C.

Fonctionnellement, un milieu est usuel (bouillon nutritif, gélose nutritive), enrichi (ajout de sang ou de sérum pour les germes exigeants), sélectif lorsqu'il contient un inhibiteur qui ne laisse pousser qu'un groupe (sels biliaires, cristal violet, forte concentration en NaCl, antibiotique) ou différentiel lorsqu'un indicateur révèle une activité métabolique — le milieu de MacConkey associe les deux, en sélectionnant les Gram négatif et en distinguant les bactéries fermentant le lactose par le virage de l'indicateur.

3. La courbe de croissance en batch

En milieu fermé non renouvelé (culture batch), la croissance d'une population bactérienne suit quatre phases. La phase de latence correspond à l'adaptation métabolique de l'inoculum : le nombre de cellules ne change pas, mais la synthèse d'enzymes et de ribosomes reprend. La phase exponentielle (ou logarithmique) voit la population doubler à intervalles réguliers ; c'est la seule phase où la population est physiologiquement homogène, celle qu'on utilise pour toute étude quantitative. La phase stationnaire s'installe quand un substrat devient limitant ou que des déchets s'accumulent : les divisions compensent tout juste les morts. Enfin la phase de déclin traduit une mortalité supérieure aux divisions, avec lyse cellulaire.

En phase exponentielle, la croissance obéit à N = N₀ × 2ⁿ, où n est le nombre de générations. On en déduit le temps de génération G = t / n, avec n = (log N − log N₀) / log 2. Sous forme différentielle, dN/dt = µ N, où µ est le taux de croissance spécifique exprimé en h⁻¹, relié au temps de génération par µ = ln 2 / G. Le rendement de croissance Y = biomasse produite / substrat consommé mesure l'efficacité de conversion du substrat en cellules.

4. Culture continue et mesure de la croissance

Le chémostat maintient une culture en phase exponentielle indéfiniment : le milieu frais est apporté à débit constant et le volume est maintenu par un soutirage équivalent. Le taux de dilution D = débit / volume impose, à l'équilibre, µ = D : c'est l'expérimentateur qui fixe la vitesse de croissance. Si D dépasse le taux de croissance maximal, la population est lessivée (washout). Ce dispositif est le modèle des fermenteurs industriels en continu et des stations d'épuration à boues activées.

La croissance se mesure de plusieurs façons, qui ne comptent pas la même chose. Les méthodes totales — cellule de comptage, densité optique à 600 nm, masse sèche — dénombrent cellules vivantes et mortes. Les méthodes viables — étalement puis dénombrement des UFC (unités formant colonies), filtration sur membrane, nombre le plus probable — ne comptent que les cellules capables de se multiplier. Une même culture donne donc toujours un nombre total supérieur au nombre de cellules cultivables.

5. Facteurs physicochimiques

La température définit des classes : psychrophiles, mésophiles (optimum voisin de 30 à 40 °C, dont la plupart des pathogènes humains), thermophiles et hyperthermophiles. Le pH distingue acidophiles, neutrophiles et alcalinophiles ; la majorité des bactéries préfèrent un pH proche de la neutralité, alors que les moisissures et levures tolèrent des pH acides, ce qui explique leur rôle dans l'altération des produits acides.

Vis-à-vis de l'oxygène, on distingue les aérobies stricts, les anaérobies stricts (pour qui O₂ est toxique, faute de superoxyde dismutase et de catalase), les aéro-anaérobies facultatifs comme les entérobactéries, les microaérophiles et les anaérobies aérotolérants. L'activité de l'eau (a_w) et la pression osmotique complètent le tableau : la salaison, le sucrage et le séchage conservent les aliments en abaissant l'a_w sous le seuil de croissance des bactéries.