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Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche – CR1 CNRS Observatoire Océanologique de Banyuls-sur-mer Laboratoire d’Océanographie Microbienne U.M.R. CNRS 7621 Les bactéries et le pétrole [email protected]

Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

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Page 1: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Jean-François GHIGLIONE

Chargé de Recherche – CR1 CNRS

Observatoire Océanologique de Banyuls-sur-mer

Laboratoire d’Océanographie Microbienne U.M.R. CNRS 7621

Les bactéries et le pétrole

[email protected]

Page 2: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

PLAN DU COURS (de la déprime…aux solutions)

I. Généralités sur les pétroles

1. Place du pétrole dans les sociétés

2. Les problèmes écologiques liés au pétrole

3. Composition des pétroles et devenir en milieu marin

II. Intervention de l’homme dans la dépollution

1. Elimination physique des pétroles

2. Compréhension de l’écosystème : vers la bioremédiation

3. Exemples d’applications

III. Recherche de biomarqueurs des pétroles

1. Isolement

2. Génétique, génomique et protéomique

3. Biocapteur

Page 3: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

1859: Premières découvertes de pétrole en

Pennsylvanie (États-Unis) (Edwin Drake et George Bissell)

Guerre Irak-Iran

Prix x2

Place du pétrole dans les sociétés

Page 4: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

A quoi sert le pétrole ?

78%

Page 5: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

Le pétrole est partout:

il intervient directement ou indirectement

dans la production de 95 % des biens industriels

Un ordinateur : 24 kilos accompagné d'un écran 17 pouces (fabrication et transport d’Asie):

612 litres de pétrole

Un jean (culture du coton en Inde, transport, tissage en Tunisie, fabrication) :

25 litres

Un pneu "classique ’’ de voiture 7,25 kg (gomme, acier, vulcanisation) :

27 litres et jusqu’à 102 l. pour un poids lourd.

Un kilomètre d'autoroute (enrobé à 5% de bitume et fabrication à chaud):

59.800 litres de pétrole par km.

Un gobelet en plastique = 3,2 g de pétrole

4 % de la production pétrolière mondiale est utilisée pour fabriquer du plastique.

Un yaourt: 40 g de pétrole par kilo.

Combien de pétrole dans…

Page 6: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

Pourquoi le pétrole ?

Il ne coûte pas cher…

Comparaison prix

du pétrole/café (1 gallon = 3,78 litres)

Amélioration du

pouvoir d’achat

Page 7: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

Pourquoi le pétrole: il ne coûte pas cher…

… et équivalence énergétique (travail homme/pétrole)

Energie fournie par un organisme humain:

2,5 kWh par jour pour 2000 cal. d’alimentation

Energie fournie par 1L d’essence:

10 kWh et ~eq. 4kWh d’énergie mécanique (moteur)

Energie bon marché «inépuisable» remplace le labeur humain dans les manufactures

Permet de créer une vaste quantité de biens de consommation

Amélioration des conditions de vie: doublement de l’espérance de vie

Développement du modèle industriel au détriment du modèle agricole (apparition

de mégapoles, système de transport individuel très énergivore, etc.)

Frénésie de production et de consommation actuelle…

Page 8: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

Le pétrole est partout: explique l’extraordinaire croissance de sa

consommation

Les 30

Glorieuses

x3

L’accroissement de la

population n’explique pas

tout…

en 1 siècle:

- population x4

- consommation d ’énergie x10

Page 9: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

Le pétrole est un élément déterminant du prix

de plusieurs matières premières et denrées

Pétrole

Métaux

Page 10: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Que représente

le pétrole

dans le mix énergétique mondial ?

Place du pétrole dans les sociétés

Page 11: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

Evolution du prix du baril

Relation avec les conflits mondiaux – récession économiques Périodes de récession

économique

a seconde raison tient à son prix bas

Baisse

production

OPEP

40

20

60

80

100 Evolution du prix du baril en $ (eq.159 l)

Page 12: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

Qui produit le pétrole ?

Page 13: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

Pays producteurs

Pays consommateurs

Nord

Prod: 31 MdsB/j

Conso: 48 MdsB/j

S Prod: 51 MdsB/j

Conso: 32 MdsB/J

Page 14: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Place du pétrole dans les sociétés

A qui profite la manne pétrolière ?

Mais où passe donc la manne pétrolière ?

Majoritairement les pays du Nord

Les Etats, lorsque

l’exploitation du pétrole

est nationalisé

Dans tous les cas, l’aspect redistributif

aux populations est faible

Page 15: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

Page 16: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

1-Réchauffement climatique

Page 17: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

1-Réchauffement climatique

Il faudrait ne pas dépasser 2°C d’augmentation de température soit environ 450 ppm do CO²;

nous en sommes déjà à 491 ppm et une augmentation de +0,6° depuis 1950.

Page 18: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

2-L’épuisement des ressources…

Page 19: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

2-L’épuisement des ressources…

Tous les pays producteurs ont atteint le peak-oil

Page 20: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

2-L’épuisement des ressources…

Page 21: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

2-L’épuisement des ressources…

Courbe de Hubbert pour le pétrole

Page 22: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

2-L’épuisement des ressources…

Outre la dégradation des

paysages, les procédés

d’extraction des schistes

bitumineux consomment

3 à 4 fois plus d’eau que celle

utilisée pour le pétrole

classique ainsi que des

produits chimiques.

Le tout en rejetant 3 à 5 fois

plus de gaz à effet de serre

que pour les hydrocarbures

traditionnels

car ils utilisent beaucoup

d’énergie pour le

chauffage des schistes.

Schistes bitumineux en Alberta

Page 23: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

2-L’épuisement des ressources…

En tout état de cause, la fin physique du pétrole sera précédée

par la fin du pétrole bon marché.

Prix en augmentation

Conflits et récessions économiques

Page 24: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

1: Début de l’ère industrielle

4 : Eruptions de violences au Moyen-Orient

5: Pic de la production de pétrole

6: Plus de 50% du pétrole provient des pays de l’OPEP

7: Pannes électriques dans le monde

8: La production mondiale d’énergie chute au niveau de 1930

2: Pic absolu de tous les temps de la production d’énergie par tête 3: Fin du pétrole bon marché

Page 25: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Possibilités énergétiques futures

Actuel 100 ans 200 ans

Pétrole

Charbon

Gaz

Fission

Fusion

EnR

Pile Hydrogène

Air comprimé

Hydrates CH4 ?

?

Non conventionnel

Non conventionnel

Page 26: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Possibilités énergétiques futures

Mais ce n’est pas une fatalité.

Solutions simples mais plus compliqué à mettre en oeuvre

Transition énergétique Economie d’énergie

Page 27: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

3-Les pollutions pétrolières

Page 28: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

Principaux accidents pétroliers depuis 1967

2010

Plateforme BP Golfe du Mexique ~700 000 tonnes

3-Les pollutions pétrolières

Page 29: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Les problèmes écologiques liés au pétrole

Naufrage de l'Erika, France (1999)

Accidents pétroliers

Exemple: 883000 tonnes/an

en Méditerranée

= plus de 10 accidents du Prestige/an !

Déballastage, dégazage,…

Rejets de raffineries off-shore ou côtières

Lessivage des sols contaminés par les

hydrocarbures

volontaire

volontaire volontaire

accidentel

3-Les pollutions pétrolières

Page 30: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Composition des pétroles

et devenir en milieu marin

Page 31: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

•Le pétrole est un « cocktail » varié de composés chimiques comportant principalement des atomes de carbone et d’hydrogènes appelés hydrocarbures.

•Il n’existe pas un pétrole brut, mais des pétroles bruts de compositions différentes selon l’endroit d’où ils proviennent (Brent de mer du Nord, pétrole lourd du Vénézuéla, pétrole léger d’Arabie ou d’Iran, etc…).

•Lors d’une pollution, cette composition est très importante à connaître car elle détermine le comportement du pétrole dans le milieu marin.

65 à 95%

10 à 40%

10 à 40%

30 à 50%

20 à 40%

0 à 10%

5 à 25%

Composition des pétroles

Page 32: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Composition des pétroles

200

composés

2000

composés

Des pétroles de complexité différente à la pompe…

Page 33: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Devenir des pétroles en milieu marin

Hydrocarbures hydrosolubles

= les plus dangereux pour la faune et la

flore locale Absorption par les

organismes

O2 + UV -> Photo-oxydation Concerne surtout les composés aromatiques (photosensibles)

Production de composés solubles dans l’eau (acides, alcools,etc…) =

pollution secondaire

Perte de contrôle de la pollution

Toxicité pour le

plancton et les

animaux en

contact

Hydrocarbures à faible poids moléculaire

Pollution atmosphérique

Toxicité pour les oiseaux

et les bénévoles

Résidus goudronneux

constitués des pétroles les plus lourds

Pollution des sédiments Persistance

Toxicité à long

terme pour la faune

non benthique

(fixée, crustacés,

etc...)

Formation de résidus goudronneux difficilement dégradables

Pollution des plages

Toxicité pour toute

la faune et la flore

(ingestion par les

poisons, diffusion par

contact)

Page 34: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Devenir des pétroles en milieu marin

La biodégradation = épuration naturelle effectuée par des organismes vivants

Inconvénient: procédé lent Avantages: suppression définitive de la pollution (conversion en biomasse) sans conséquences dommageables pour l’environnement et coûts plus faibles que pour les traitements traditionnels

Page 35: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

PLAN DU COURS (de la déprime…aux solutions)

II. Intervention de l’homme dans la dépollution

1. Elimination physique des pétroles

2. Compréhension de l’écosystème : vers la bioremédiation

3. Exemple d’application: Golfe du Mexique

III. Recherche de biomarqueurs des pétroles

1. Isolement

2. Génétique, génomique et protéomique

3. Biocapteur

I. Généralités sur les pétroles

1. Place du pétrole dans les sociétés

2. Les problèmes écologiques liés au pétrole

3. Composition des pétroles et devenir en milieu marin

Page 36: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 1. Elimination physique des pétroles a. Confinement, pompage, stockage et traitement des polluants

Page 37: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 1. Elimination physique des pétroles b. Utilisation de dispersants

Le pétrole ne se mélange pas dans l’eau. Le surfactant fait une interface eau/pétrole => dispersion du pétrole en fines gouttes dans la colonne d’eau (moins visible!!!)

Page 38: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 1. Elimination physique des pétroles c. Nettoyage des plages

Nettoyage

manuel du bord

de mer

Associés ou non au décapage à haute pression + surfactants

Latouche Island, Alaska après la catastrophe du Exxon Valdez (Photo researchers, Inc)

Page 39: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Dispersion

Evaporation

Atmosphère

Océan

Sédiment

Émulsification

Dissolution

Absorption

MOP

Agrégation MOD

Photo-oxydation

Bactéries

Poissons

Phytoplancton

Zooplancton

Protozoaires

Virus

BOUCLE MICROBIENNE

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles a. Nécessaire compréhension du fonctionnement de l’écosystème

Page 40: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles b. Les organismes hydrocarbonoclastes

• 79 genres bactériens (plusieurs centaines d’espèces) • 9 cyanobactéries • 103 champignons • 14 algues

(Prince et al., 2005)

Les bactéries aérobies qui dégradent les hydrocarbures sont considérées comme des acteurs majeurs de la

dépollution de l’environnement marin.

Bactéries qui dégradent les hydrocarbures saturés (n-alcanes)

Bactéries qui dégradent les hydrocarbures aromatiques

polycycliques (HAP)

Bactéries ne dégradant pas les hydrocarbures

Page 41: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles b. Les organismes hydrocarbonoclastes

Évolution temporelle: principe de dominance et de sélection des espèces

Hydrocarbures aliphatiques de faible poids moléculaire

Hydrocarbures aliphatiques de haut poids moléculaire

Hydrocarbures aromatiques de faible poids moléculaire

Hydrocarbures aromatiques de haut poids moléculaire

Fraction polaire

Souches dégradant les alcanes

Souches dégradant les aromatiques

Importance de la diversité bactérienne dans la biodégradation des hydrocarbures pétroliers

Équipements enzymatiques

complémentaires (co-métabolisme)

tro

le

Ba

cté

rie

s

Page 42: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Sels nutritifs

Virus

Autres facteurs: Température Salinité Ressources en O2…

Prédation

Etat du consortium bactérien

Agents tensio-actifs

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles c. Facteurs influençant la biodégradation

« Top-down »

« Bottom-up »

Page 43: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles d. Facteurs influençant la biodégradation

Problème d’accessibilité des hydrocarbures

3 modes décrits pour l’assimilation des composés:

Interaction directe avec les composés

dissous dans la phase aqueuse

Contact des bactéries avec des gouttelettes

« pseudo-solubilisation » à l’aide de

surfactants

Biodisponibilité ?

Selon les propriétés membranaires

Surfactants industriels ou naturels

Microorganisme Biosurfactant Arthrobacter RAG-1 Hétéropolysaccharides

Arthrobacter MIS38 Peptidolipides

Arthrobacter sp. Lipides de tréhalose, saccharose ou

fructose

Bacillus licheniformis JF-2 Peptidolipides

Bacillus licheniformis 86 Peptidolipides

Bacillus subtilis Surfactine

Bacillus sp. AB-2 Rhamnolipides

Candida antarctica Lipide à mannosylerthritol

Candida tropicalis Acides gras

Clostridium pasteurianum Lipides neutres

Corynebacterium insidiosum Phospholipides

Corynebacterium lepus Acides gras

Nocardia erythropolis Lipides neutres

Ochrobactrum anthropii Protéine

Penicillium spiculisporum Acide spiculosporique

Pseudomonas aeruginosa Rhamnolipide

Pseudomonas fluorescens Peptidolipide

Phaffia rhodozyma Lipide glucidique

Rhodococcus erythropolis Trehalose dicorynomycolate

Rhodococcus sp. ST-5 Glycolipide

Rhodococcus sp. 33 Polysaccharide

Corynebacterium insidiosum Phospholipides

Corynebacterium lepus Acides gras

Nocardia erythropolis Lipides neutres

Ochrobactrum anthropii Protéine

Penicillium spiculisporum Acide spiculosporique

Pseudomonas aeruginosa Rhamnolipide

Pseudomonas fluorescens Peptidolipide

Phaffia rhodozyma Lipide glucidique

Rhodococcus erythropolis Trehalose dicorynomycolate

Rhodococcus sp. ST-5 Glycolipide

Rhodococcus sp. 33 Polysaccharide

Exemples de micro-organismes producteurs de surfactant (Banat, I. M. 2000).

« Bottom-up »

Page 44: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles d. Facteurs influençant la biodégradation

Problème d’accessibilité des hydrocarbures

« Bottom-up »

Propriétés avantageuses des surfactants: -Augmentent la solubilisation des hydrocarbures - Facilitent le contact de la cellule avec l’hydrocarbure grâce à l’enrobage : - augmentent l’assimilation - protègent du contact direct toxique

Inconvénients des surfactants: - En augmentant la solubilisation des hydrocarbures : - passage dans la colonne d’eau de composés supplémentaires - risque d’augmentation de la toxicité (surfactant souvent toxiques!!!) - L’enrobage des hydrocarbures par le surfactant ne convient qu’aux organismes utilisant ce mode d’assimilation restrictif - Risque de piège des hydrocarbures dans des micelles baisse de la biodisponibilité

Page 45: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles e. Bioremédiation

Bio-addition (seeding)

Bactérie hydrocarbonoclaste

Bio-stimulation feeding

Nutriments

Émulsifiant

Page 46: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Pas d’activation de la dégradation

Disparition des bactéries apportées

Apport de bactéries dégradant les hydrocarbures

Pétrole

Population autochtone

Pétrole

Apport de

bactéries

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles e. Bioremédiation (bioaddition = seeding)

Page 47: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Apport

d’éléments

nutritifs et/ou

d’agents

tensio-actifs

Population autochtone

Stimulation de la population

dégradation de la pollution

Stimulation de la population microbienne autochtone

dégradant les hydrocarbures

N P

P N

Pétrole

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles e. Bioremédiation (biostimulation = feeding)

Page 48: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Addition : l’Inipol EAP22 et le Customblen

- Sources d’azote et de phosphore - Formulation en émulsion discutable - Apport sous forme d’épandages périodiques

Utilisation de l’Inipol EAP22 avec succès dans le cas de l’Exxon Valdez : dépollution significativement meilleure sur les zones d’épandage mais au bout de 8 mois… !!

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles e. Bioremédiation (biostimulation = feeding)

Page 49: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Ecart important entre les observations au laboratoire et la réalité du terrain

Manque de connaissances sur l’écologie des microorganismes et sur leurs capacités métaboliques

Echec de la bioaddition :

Réussite de la biostimulation:

Utilité des compléments nutritifs

Lenteur des biodégradations

-Manque de connaissances du fonctionnement du système

II. Intervention de l’homme dans la dépollution 2. Elimination biologique des pétroles e. Bioremédiation (biostimulation = feeding)

-Manque de connaissances des systèmes de dégradation

Page 50: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

-Pollution par le pétrole (un des plus lourd du Golfe du Mexique) Il est chargé en « asphalt-like substances » ce qui le rend particulièrement collant et moins évaporant , moins accessible, moins biodégradable pour les µO et enfin moins inflammable que les autres pétroles. mais aussi par des gaz toxiques (méthane, ethane, propane,etc..)

Le 20 avril 2010, un Geyser d’eau et

de gaz (très forte teneur en

méthane) provoque l’explosion de la

plate-forme pétrolière Deepwater

Horizon exploitée par BP

Page 51: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS
Page 52: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Barrages

flottants,

boudins,

dispersants,

dilution,

écrémage,

écopage

Page 53: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

La pollution visible

Page 54: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

La pollution invisible

Le méthane se dissout et stagne selon des strates Concentrations 20 à 50 plus importantes que la

valeur normale du golf du Mexique

Page 55: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

500 million de $ débloqués par BP mais très peu pour la recherche.

Essentiellement fonds pour la recherche par la National Science Foundation.

Une couche de 35Km de long à 1100m de profondeur -> peu de dégradation durant plusieurs mois

= persistance du pétrole polluant (Camilli et al., 2010)

Page 56: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Dispersion

Evaporation

Atmosphère

Océan

Sédiment

Émulsification

Dissolution

Absorption

MOP

Agrégation MOD

Photo-oxydation

Bactéries

Poissons

Phytoplancton

Zooplancton

Protozoaires

Virus

BOUCLE MICROBIENNE

Page 57: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

PLAN DU COURS (de la déprime…aux solutions)

I. Généralités sur les pétroles

1. Pollution par les pétroles: état des lieux

2. Origine et composition des pétroles

3. Devenir des pétroles dans la colonne d’eau

II. Intervention de l’homme dans la dépollution

1. Elimination physique des pétroles

2. Compréhension de l’écosystème : vers la bioremédiation

3. Exemples d’applications

III. Recherche de biomarqueurs des pétroles

1. Isolement

2. Génétique, génomique et protéomique

3. Biocapteur

Page 58: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

-Do Bacteria care ? In most coastal systems, are bacterial communities influenced by petroleum ?

-In oil spill conditions, how much petroleum influence the microbial loop? How human can help ?

-Who are the uncultured hydrocarbonoclastic bacteria ?

-Need of new (genomic) tools for environmental quality measurement?

SOME QUESTIONS YOU MAY ASK…

Page 59: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Marseille Bay (France) Program EC2CO: IBISCUS

Two seasons:

June 2009

January 2010

Surface microlayer sampling

Terminos Lagoon (Mexico) Program EC2CO: JEST

Two seasons:

June 2009

October 2009

Page 60: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

40 60 80 100

Similarity

Saumaty (Marseille Bay) - POLLUTED

In all harbours, bacterial

community structure

changed a lot from inside the

harbour compared to the

coastal waters,

PETROLEUM: DO BACTERIA CARE ?

YES, but very limited to the zone of waste (~400m around !)

And much more

PolyAromatic Hydrocarbon

PAH-degraders found in

the harbours (Q-PCR and

MPN)

0,0E+00

5,0E+03

1,0E+04

1,5E+04

SO

FC

O…

Co

rtio

u…

Co

rtio

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Co

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Co

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Co

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Saum

at…

Saum

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Saum

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Vie

ux…

Vie

ux…

Vie

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Vie

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Vie

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Vie

ux…

Port

de

…P

ort

de

…P

ort

de

…P

ort

de

…P

ort

de

…P

ort

de

MP

N.m

l-1

[Oil]

in relation to a rapid decrease of

petroleum concentrations

Page 61: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

-Do Bacteria care ? In most coastal systems, are bacterial communities influenced by petroleum ?

-In oil spill conditions, how much petroleum influence the microbial loop? How human can help ?

-Who are the uncultured hydrocarbonoclastic bacteria ?

-Need of new (genomic) tools for environmental quality measurement?

SOME QUESTIONS YOU MAY ASK…

Page 62: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Viruses

Ciliates and flagellates

Microbial loop

BACTERIA

Sediments

Zooplankton

Phytoplankton

Organic matter

High trophic levels

Linear Trophic Chain

UV Petroleum

Carbon source

Toxicity

Page 63: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Two sites in South of Greece European project COMMODE

Elefsina Bay Anavissos Bay

Chronically vs. pristine polluted sites

Mesocosms 75L

-Influence of pollution history -Human can help by biostimulation:

nutrient and emulsifier addition

Banyuls Bay European project MICSIPE

-Pure top-down control under polluted conditions (nutrients non limitant with

constant N/P=25)

Banyuls-sur-mer Bay

Pristine

Mesocosms 400L

Page 64: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Initial bacterial community

Addition of oil : Rapid decrease of

bacterial OTUs (1-2 days) Higher decrease in the pristine site

Temporal changes (14 days)

Top-down control Predation

Keep maximum bacterial abundance≤107 cells.mL-1

Grazing experiments: predation dominated by virus (100 time more than flagellates)

« viruses kill the winners (oil degraders) »

-Characterized by higher oil-degradation rates (even higher in the chronically polluted site: history of the sites matters)

-Consumption of large amount of nutrients (under non-limitant nutrient conditions, increase of oil-degradation by ~10 times and much more rapid degradation)

Second bacterial consortium able to degrade mainly linear alcane

Bottom-up control Biostimulation

Viral and HNF growth began when bacterial abundance

reached a maximum: Prey-predation curve

Third consortium able to degrade

more recalcitrant PAH

Page 65: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

-Do Bacteria care ? In most coastal systems, are bacterial communities influenced by petroleum ?

-In oil spill conditions, how much petroleum influence the microbial loop? How human can help ?

-Who are the uncultured hydrocarbonoclastic bacteria ?

-Need of new (genomic) tools for environmental quality measurement?

SOME QUESTIONS YOU MAY ASK…

Page 66: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Hydrocarbonoclastic bacteria on culture media:

Stable Isotope Probing: Diversity Fonction (Boschker & Middelburg, 2002)

12C cells

Bacteria

Addition of 13C-PAH

DNA extraction

Density gradient

Identification

ADN Light

ADN

Heavy

454 Pyrosequencing

13C cells Results for 13C-Phe: some

unknown species, but mainly cultured species

(Alcanivorax, Marinobacter, Cycloclasticus…)

mm+HC

Page 67: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

-Do Bacteria care ? In most coastal systems, are bacterial communities influenced by petroleum ?

-In oil spill conditions, how much petroleum influence the microbial loop? How human can help ?

-Who are the uncultured hydrocarbonoclastic bacteria ?

-Need of new (genomic) tools for environmental quality measurement?

Page 68: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

II. Recherche de biomarqueurs de pétrole

Outils de la bio-surveillance de pollution marine

Bio-essais Bio-indicateurs Bio-marqueurs

Test biologique

diagnostic environnemental

Réponse biologique en fonction

de doses toxiques

en comparaison avec un témoin

Test Daphnie (USEPA) ou

Microtox (NF T90-920)

-Fixer les seuils de toxicité (dose

létale, sub-létale,…)

-Surveillance et réglementation

des déversements

Espèces sentinelles dont

la sensibilité aux toxiques

est > à celle de l’homme

Mise en évidence de la

qualité écologique des

écosystèmes

BQI

(indice de qualité écologique)

Etat écologique

Mise en évidence

d’exposition présente ou

passée à des polluants

Changements au niveau

moléculaire, biochimiques,

cellulaire, physiologique

Approche multimarqueurs (différents organismes et niveaux

d’organisation biologique)

= Biosurveillance, Biodisponibilité

Promoteur Tn5::lux CDABE

ARNm

Lumière

Analyte (HCP)

Protéine

reporteur

Bio-élément

bactérien

Page 69: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Marinobacter hydrocarbonoclasticus sp. 17

(Gauthier et al. 1992)

Ubiquist in polluted zones, facultative aerobic denitrifier, extreme

halotolerance (0.08 to 3.5M NaCl), able to degrade broad range of

linear alcanes C12 à C40, and some PAHs

3.9Mbases, GC%= 57.40

Collection of 1000 mutants with luxCDABE or gfp

2 mutant strains emitting light in presence of hexadecane

= new biomarkers

Multi-biomarkers (Pseudomonas stutzeri nah-lux, Ostreococcus

tauri luc….)

Page 70: Jean-François GHIGLIONE Chargé de Recherche CR1 CNRS

Daniella BOTTJER Elisabeth MIRANDA-TELLO

Caroline SAURET Arturo RODRIGUEZ-BLANCO

Marina AGAB Chloé DUMAS Marc AUFFREY Léa DENKWITZ

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