Qu'est-ce que la colonne Winogradsky et à quoi sert-elle?

La colonne Winogradsky est un appareil utilisé pour la culture de différents types de micro-organismes. Il a été créé par le microbiologiste russe Sergei Winogradsky. La croissance des microorganismes sera sous forme stratifiée le long de la colonne.

La stratification est effectuée en fonction des besoins nutritionnels et environnementaux de chaque groupe d'organismes. Pour cela, différents types d'éléments nutritifs et de sources d'énergie sont fournis à l'appareil.

La colonne est un milieu de culture enrichi, où des microorganismes de différents groupes vont se développer. Après une période de maturation pouvant durer de plusieurs semaines à plusieurs mois, ces microorganismes seront éliminés dans des microhabitats spécifiques.

Les microhabitats créés dépendront du matériau utilisé et des relations entre les organismes qui se développent.

Qui était Sergei Winogradsky?

Sergey Winogradsky (1856-1953), le créateur de la colonne qui porte son nom, était un microbiologiste russe né à Kiev, l'actuelle capitale de l'Ukraine. En plus d'être un microbiologiste, il était également un expert en écologie et en étude des sols.

Ses travaux sur les microorganismes dépendant du soufre et sur les processus biogéochimiques de l'azote lui ont valu une grande renommée. Il a décrit de nombreux nouveaux microorganismes, parmi lesquels les genres Nitrosomona et Nitrobacter . Il était également le découvreur de la chimiosynthèse.

Parmi les nombreuses reconnaissances reçues par ce microbiologiste, il est nommé membre honoraire de la Société des sciences naturelles de Moscou.

Il était également membre de l'Académie française des sciences. Il reçut en 1935 la médaille Leeuwenhoek, reconnue par l'Académie royale des arts et des sciences des Pays-Bas. Louis Pasteur lui-même l'a invité à devenir chef de la microbiologie de l'Institut Pasteur.

Quelle est la colonne Winogradsky?

Cet appareil n'est rien de plus qu'un cylindre de verre ou de plastique contenant différents matériaux. Le cylindre est rempli au tiers de sa capacité de boue ou de boue riche en matière organique.

Ensuite, de la cellulose et toute autre matière organique sont ajoutées, qui serviront de source de carbone organique. Du sulfate de calcium est ajouté en tant que source de soufre et du carbonate de calcium est ajouté pour maintenir l'équilibre du pH. La colonne est remplie avec de l'eau d'une rivière, d'un lac, d'un puits, etc.

L'appareil doit ensuite mûrir ou incuber sous un rayonnement solaire ou artificiel pendant une période allant de quelques semaines à quelques mois. Après cette période, la colonne se stabilise et des microhabitats bien définis sont établis. Dans chaque microhabitat, des microorganismes spécifiques seront développés en fonction de leurs besoins particuliers.

Qu'est-ce qui se passe dans la colonne?

Les premiers microorganismes qui coloniseront la colonne commenceront à utiliser les éléments de la colonne et à libérer des gaz et d’autres substances qui inhiberont ou favoriseront le développement d’autres espèces.

Au fil du temps, l'activité des microorganismes et des processus abiotiques produira des gradients chimiques et environnementaux le long de la colonne. Grâce à cela, plusieurs niches pour la croissance microbienne seront générées.

En laissant cette colonne mûrir ou incuber à la lumière du soleil ou artificielle pendant des semaines ou des mois, des gradients d'oxygène et de sulfure se forment.

Cela permet de développer un écosystème microbien structuré avec une grande variété de microhabitats. De cette manière, tous les processus qui permettent le maintien des cycles de nutriments sont produits dans la colonne.

La partie supérieure de la colonne, au contact de l'air, sera la plus riche en oxygène, qui diffusera lentement vers le bas.

Parallèlement, les produits générés dans la partie inférieure de la colonne, produits de la dégradation de la cellulose et du sulfure d'hydrogène, diffuseront verticalement vers le haut.

Zonage de colonne Winogradsky

Zone anaérobie

La génération et la diffusion de métabolites microbiens, en raison des différents gradients chimiques, créent une distribution de groupes d'organismes en fonction de leurs besoins.

Cette distribution est similaire à celle établie dans la nature. De cette manière, la colonne Winogradsky simule la distribution microbienne verticale trouvée dans les lacs, les lagunes, entre autres.

La partie inférieure de la colonne est complètement exempte d'oxygène et riche en sulfure d'hydrogène. Dans cette zone, les bactéries anaérobies telles que Clostridium dégradent la cellulose. Produit de cette dégradation, on obtient des acides organiques, des alcools et de l'hydrogène.

Les métabolites produits par Clostridium servent de substrat aux espèces réductrices de sulfates, par exemple Desulfovibrio . Celles-ci utilisent à leur tour des sulfates ou d'autres formes de soufre partiellement oxydé.

En tant que produit final, ils libèrent du sulfure d'hydrogène et sont responsables des concentrations élevées de ce gaz à la base de la colonne.

La présence de bactéries sulfato-réductrices dans la colonne est représentée par des zones sombres à la base de la colonne. Au-dessus de la bande basale apparaissent deux bandes de faible profondeur, avec des espèces qui utilisent le sulfure d'hydrogène produit dans la bande inférieure. Ces deux bandes sont dominées par les bactéries photosynthétiques anaérobies.

La plus basale de ces bandes contient la bactérie au soufre vert ( chlorobium ). La bande suivante est dominée par les bactéries soufrées pourpres du genre Cromatium . Près de ces bandes, apparaissent des bactéries réduisant le fer, telles que Gallionella, Bacillus ou Pseudomonas .

Zone aérobie

Un peu plus haut dans la colonne, l'oxygène commence à apparaître, mais à des concentrations très faibles. Cette zone est appelée microaérophile.

Ici, des bactéries telles que Rhodospirillum et Rhodopseudomonas tirent parti de la rareté de l'oxygène disponible. Le sulfure d'hydrogène inhibe le développement de ces bactéries microaérophiles.

La zone aérobie est divisée en deux couches:

Le plus basal d'entre eux, représenté par l'interface boue-eau.
La zone la plus à l'extérieur est constituée de la colonne d'eau.

Dans l'interface boue-eau se développent des bactéries de genres tels que Beggiatoa et Thiothrix . Ces bactéries peuvent oxyder le soufre des couches inférieures.

La colonne d'eau, par contre, est colonisée par une grande diversité d'organismes, notamment des cyanobactéries, des champignons et des diatomées.