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Source: Elizabeth Suter1, Christopher Corbo1, Jonathan Blaize1
1 Département des sciences biologiques, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 10301
La colonne Winogradsky est un écosystème miniature et clos utilisé pour enrichir les communautés microbiennes des sédiments, en particulier celles qui participent au cycle du soufre. La colonne a été utilisée pour la première fois par Sergueï Winogradsky dans les années 1880 et a depuis été appliquée dans l'étude de nombreux micro-organismes divers impliqués dans la biogéochimie, tels que les photosynthétiseurs, les oxydants de soufre, les réducteurs de sulfate, les méthanogènes, les oxydants de fer, l'azote cyclistes, et plus (1,2).
La majorité des micro-organismes sur Terre sont considérés comme inexplicables,ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être isolés dans un tube à essai ou sur un plat de Pétri (3). Cela est dû à de nombreux facteurs, y compris que les micro-organismes dépendent d'autres pour certains produits métaboliques. Les conditions d'une colonne Winogradsky imitent étroitement l'habitat naturel d'un micro-organisme, y compris leurs interactions avec d'autres organismes, et permettent de les cultiver en laboratoire. Par la présente, cette technique permet aux scientifiques d'étudier ces organismes et de comprendre à quel point ils sont importants pour les cycles biogéochimiques de la Terre sans avoir à les cultiver isolément.
Les environnements de la Terre sont pleins de micro-organismes qui prospèrent dans tous les types d'habitats,tels que les sols, l'eau de mer, les nuages et les sédiments des eaux profondes. Dans tous les habitats, les micro-organismes dépendent les uns des autres. Comme un micro-organisme se développe, il consomme des substratsparticuliers , y compris les combustibles riches en carbone comme les sucres ainsi que les nutriments, vitamines et gaz respiratoires comme l'oxygène. Lorsque ces ressources importantes s'épuisent, différents micro-organismes ayant des besoins métaboliques différents peuvent alors fleurir et prospérer. Par exemple, dans la colonne Winogradsky, les microbes consomment d'abord la matière organique ajoutée tout en appauvrissant l'oxygène dans les couches inférieures de la colonne. Une fois que l'oxygène est utilisé, les organismes anaérobies peuvent alors prendre le relais et consommer différentes matières organiques. Ce développement consécutif de différentes communautés microbiennes au fil du temps s'appelle la succession (4). La succession microbienne est importante dans une colonne Winogradsky, où l'activité microbienne modifie la chimie des sédiments, ce qui affecte ensuite l'activité d'autres microbes et ainsi de suite. De nombreux micro-organismes dans les sols et les sédiments vivent également le long des gradients,qui sont des zones transitoires entre deux types différents d'habitats en fonction des concentrations de substrats (5). Au bon endroit dans le gradient, un microbe peut recevoir des quantités optimales de différents substrats. Au fur et à mesure qu'une colonne Winogradsky se développe, elle commence à imiter ces gradients naturels, en particulier dans l'oxygène et le sulfure (fig. 1).
Figure 1 : Représentation des gradients d'oxygène (O2) et de sulfure (H2S) qui se développent dans une colonne Winogradsky.
Dans une colonne Winogradsky, la boue et l'eau d'un étang ou d'une zone humide sont mélangées dans une colonne transparente et autorisées à incuber, généralement dans la lumière. Des substrats supplémentaires sont ajoutés à la colonne pour donner à la communauté des sources de carbone, généralement sous forme de cellulose, et de soufre. Les photosynthétiseurs commencent généralement à pousser dans les couches supérieures des sédiments. Ces micro-organismes photosynthétiques sont en grande partie composés de cyanobactéries,qui produisent de l'oxygène et apparaissent sous forme de couche verte ou rouge-brun (fig. 2, tableau 1). Bien que la photosynthèse produise de l'oxygène, l'oxygène n'est pas très soluble dans l'eau et diminue en dessous de cette couche (fig. 1). Cela crée un gradient d'oxygène, allant de fortes concentrations d'oxygène dans les couches supérieures à zéro oxygène dans les couches inférieures. La couche oxygénée est appelée la couche aérobie et la couche sans oxygène est appelée la couche anaérobie.
Dans la couche anaérobie, de nombreuses communautés microbiennes différentes peuvent proliférer selon le type et la quantité de substrats disponibles, la source des microbes initiaux et la porosité des sédiments. Au bas de la colonne, les organismes qui décomposent anaérobiement la matière organique peuvent prospérer. La fermentation microbienne produit des acides organiques à partir de la dégradation de la cellulose. Ces acides organiques peuvent ensuite être utilisés par les réducteurs de sulfate,qui oxydent ces matières organiques à l'aide de sulfate, et produisent du sulfure comme sous-produit. L'activité des réducteurs de sulfate est indiquée si les sédiments deviennent noirs, car le fer et le sulfure réagissent pour former des minéraux noirs sulfureux de fer (fig. 2, tableau 1). Le sulfure se diffuse également vers le haut, créant un autre gradient dans lequel les concentrations de sulfure sont élevées dans le bas de la colonne et basses dans le haut de la colonne (fig. 1).
Près du milieu de la colonne, les oxydants de soufre profitent de l'approvisionnement en oxygène d'en haut et de sulfure d'en bas. Avec la bonne quantité de lumière, des oxydants de soufre photosynthétiques peuvent se développer dans ces couches. Ces organismes sont connus sous le nom de bactéries de soufre vert et violet,et apparaissent souvent sous forme de filaments et de taches vert, violet ou rouge pourpre (fig. 2, tableau 1). Les bactéries de soufre vert ont une plus grande tolérance pour le sulfure et se développent habituellement dans la couche directement au-dessous des bactéries de soufre pourpre. Au-dessus des bactéries de soufre pourpre, les bactéries nonsulfures pourpres peuvent également se développer. Ces organismes photosynthétisent à l'aide d'acides organiques comme donneurs d'électrons au lieu de sulfure et apparaissent souvent comme une couche rouge, pourpre, orange ou brune. Les oxydants de soufre non photosynthétiques peuvent se développer au-dessus des bactéries non sulfureuses violettes, et ceux-ci apparaissent habituellement sous forme de filaments blancs (Fig. 2, tableau 1). En outre, des bulles peuvent également se former dans la colonne Winogradsky. Les bulles dans les couches aérobies indiquent la production d'oxygène par les cyanobactéries. Les bulles dans les couches anaérobies sont probablement dues à l'activité des méthanogènes,des organismes qui décomposent anaérobiement la matière organique et forment le méthane comme sous-produit.
| Position dans la colonne | Groupe fonctionnel | Exemples d'organismes | Indicateur visuel |
| Retour au début | Photosynthétiseurs | Cyanobactéries | Couche verte ou brun-rougeâtre. Parfois des bulles d'oxygène. |
| Oxydants de soufre non photosynthétiques | Thiobacilus Beggiatoa | Couche blanche. | |
| Bactéries non sulfureuses violettes | Rhodomicrobium, Rhodospirilum, Rhodopseuodmonas | Couche rouge, violette, orange ou brune. | |
| Bactéries de soufre pourpre | Chromatium | Couche pourpre ou rouge pourpre. | |
| Bactéries vertes de soufre | Chlorobium | Couche verte. | |
| Sulfate Réduction des bactéries | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter, Desulfuromonas | Couche noire. | |
| bas | Methanogens | Méthanocoque, Methanosarcina | Parfois des bulles de méthane. |
Tableau 1 : Les principaux groupes de bactéries qui peuvent apparaître dans une colonne classique Winogradsky, de haut en bas. Des exemples d'organismes de chaque groupe sont donnés, et les indicateurs visuels de chaque couche d'organismes sont énumérés. D'après Perry et coll. (2002) et Rogan et coll. (2005).
1. Mise en place
2. Assemblage d'une colonne Winogradsky
3. Modifications facultatives à la colonne Winogradsky classique
4. Analyse des données
Figure 2A : Une photo d'une colonne classique de Winogradsky qui a incubé à la température ambiante pendant 21 jours. Notez les sédiments verts, indicatifs de cyanobactéries, dans la partie supérieure de la colonne.
La plupart des microorganismes de la Terre ne peuvent pas être cultivés en laboratoire, souvent parce qu'ils dépendent d'autres microbes au sein de leurs communautés autochtones. Une colonne Winogradsky, du nom de son inventeur Sergei Winogradsky, est un écosystème miniature et clos qui enrichit les communautés microbiennes dans un échantillon de sédiments, permettant aux scientifiques d'étudier de nombreux microbes qui jouent un rôle vital dans la biogéochimiques, sans avoir besoin de les isoler et de les rectier individuellement.
En règle générale, la boue et l'eau d'un écosystème, comme un étang ou un marais, sont mélangées. En option, le sel peut être ajouté à ce mélange pour enrichir diverses espèces halophiles. Ensuite, une petite partie du mélange est complétée avec du carbone, généralement sous forme de cellulose de journal, et de soufre, généralement à partir d'un jaune d'œuf. Pour une autre expérience facultative, un ongle peut être ajouté à ce mélange pour enrichir certaines espèces de Gallionella. Ce nouveau mélange est ensuite ajouté à une colonne transparente, de sorte que la colonne est un quart plein. Enfin, le reste du mélange de boue et plus d'eau est ajouté à la colonne jusqu'à ce qu'il soit la plupart du chemin plein.
La succession, qui se réfère au développement consécutif de différentes communautés microbiennes au fil du temps, peut être observée en temps réel avec une colonne Winogradsky. À mesure que les microbes se développent dans la colonne, ils consomment des substrats spécifiques et modifient la chimie de leur environnement. Lorsque leurs substrats sont épuisés, les microbes d'origine meurent et les microbes ayant des besoins métaboliques différents peuvent s'épanouir dans l'environnement modifié. Au fil du temps, des couches visiblement distinctes commencent à se former, chacune contenant des parties d'une communauté bactérienne ayant des besoins microenvironnementaux différents.
Par exemple, les microbes photosynthétiques, en grande partie composés de cyanobactéries, forment des couches vertes ou brun-rouge près du sommet de la colonne. Puisque la photosynthèse produit de l'oxygène, souvent considéré comme des bulles dans la partie supérieure de la colonne, un gradient se forme avec les concentrations d'oxygène les plus élevées près du sommet, et la plus basse vers le bas. Selon les substrats disponibles, différentes communautés microbiennes peuvent se développer dans la couche inférieure anaérobie. Les bulles de cette couche peuvent indiquer la présence de méthanogènes, qui créent du méthane par fermentation. Ici, la fermentation microbienne de la cellulose entraîne des acides organiques. Les réducteurs de sulfate oxydent ces acides pour produire du sulfure, et leur activité est indiquée par les sédiments noirs. Le sulfure se diffuse vers le haut dans la colonne, créant encore un autre gradient où les concentrations de sulfure sont les plus élevées vers le bas de la colonne, et les plus basses près du sommet. Vers le milieu de la colonne, les oxydants de soufre utilisent l'oxygène d'en haut et le sulfure d'en bas. Avec une lumière adéquate, des oxydants de soufre photosynthétiques, tels que les bactéries de soufre vert et violet, se développent. Les bactéries de soufre vert tolèrent des concentrations plus élevées de sulfure. Ainsi, ils se développent directement en dessous de la bactérie du soufre violet. Directement au-dessus de cette couche, les bactéries pourpres non sulfureuses forment une couche rouge-orange. Les oxydants de soufre non photosynthétiques sont indiqués par la présence de filaments blancs.
Les conditions telles que la lumière et la température peuvent également être modifiées pour enrichir d'autres communautés. Dans cette vidéo, vous apprendrez à construire une colonne Winogradsky, et varier les conditions de croissance et les substrats pour enrichir des communautés microbiennes spécifiques.
Tout d'abord, localiser un écosystème aquatique approprié, comme un étang ou un marais. Les échantillons de sédiments doivent provenir de la zone près du bord de l'eau et être complètement saturés d'eau. Ensuite, utilisez une pelle et un seau pour recueillir un à deux litres de boue saturée. Ensuite, obtenir environ trois litres d'eau douce de la même source et retourner au laboratoire avec les échantillons sur le terrain.
Dans le laboratoire, mettez l'équipement de protection individuelle approprié, y compris une blouse de laboratoire et des gants. Maintenant, transférer environ 750 millilitres de boue dans un bol à mélanger. Ensuite, tamisez dans la boue pour enlever les grosses roches, les brindilles ou les feuilles et utilisez une cuillère pour briser les touffes. Ensuite, ajouter un peu d'eau fraîche dans le bol à mélanger, et remuer avec une grande cuillère. Ajouter de l'eau jusqu'à ce que la consistance du mélange eau-boue soit semblable à un milk-shake. Continuez à vous assurer qu'il n'y a pas d'amas.
Comme une expérience facultative, sélectionnez pour les bactéries halophiles en ajoutant 25 à 50 milligrammes de sel au mélange de boue.
Ensuite, transférer environ 1/3 du mélange eau-boue dans un deuxième bol à mélanger. Ajouter un jaune d'œuf et une poignée de papier journal râpé dans le bol. Ensuite, ajoutez ce mélange à la colonne, jusqu'à ce qu'il soit d'environ 1/4 plein. Ensuite, ajouter le mélange eau-boue sans l'œuf et le journal à la colonne, jusqu'à ce qu'il soit environ 3/4 plein. Ensuite, ajouter plus d'eau à la colonne, en laissant un espace de 1/2 pouce sur le dessus. Couvrir la colonne d'une pellicule plastique et la fixer à l'abri d'un élastique.
Incuber la colonne dans la lumière près d'une fenêtre à température ambiante pendant les quatre à huit prochaines semaines. Tout au long de la période d'incubation, surveillez les changements dans la colonne Winogradsky au moins une fois par semaine pour le développement de différentes couches colorées et la formation de bulles. En outre, enregistrez le temps qu'il faut pour que différentes couches se développent.
Une autre modification qui peut être faite est l'incubation de la colonne près d'un radiateur pour sélectionner pour les bactéries thermophiles, ou dans un réfrigérateur pour sélectionner pour les bactéries psychrophiles. Variez les conditions de lumière en plaçant différentes colonnes dans la lumière élevée, la basse lumière, ou l'obscurité pour incuber. Alternativement, limitez la longueur d'onde de la lumière entrante en couvrant la colonne avec différentes nuances de cellophane pour déterminer quelles couleurs choisissent pour différents groupes bactériens. Pour une autre expérience facultative, pour enrichir les bactéries oxydantes du fer, ajouter un clou au mélange eau de boue avant l'ajout d'un journal et d'un jaune d'œuf.
Après une à deux semaines, la croissance de la couche cyanobactérienne est indiquée par un film vert ou brun-rouge sur la couche de boue de la colonne classique Winogradsky. Au fil du temps, l'apparence et l'évolution des différentes couches sont surveillées, chacune indicatrice des différents types de bactéries présentes. En comparant une colonne cultivée dans l'obscurité à une colonne Winogradsky traditionnelle, nous voyons le traitement sombre donne la couche noire au bas de la colonne, indicatif de bactéries sulfate-réduction.
La colonne foncée peut également produire d'autres couches, selon d'autres conditions d'incubation. En outre, la colonne foncée ne donne pas la couche cyanobactérienne verte, ni les couches rouges, pourpres, ou vertes indicatifs de pourpre non-sulfure, soufre violet, et les bactéries de soufre vert respectivement. Ces groupes dépendent de la lumière pour la croissance.
La plupart des micro-organismes de la Terre ne peuvent pas être cultivés en laboratoire, souvent parce qu’ils dépendent d’autres microbes au sein de leurs communautés d’origine. Une colonne Winogradsky, nommée d’après son inventeur Sergueï Winogradsky, est un écosystème miniature et fermé qui enrichit les communautés microbiennes d’un échantillon de sédiments, permettant aux scientifiques d’étudier de nombreux microbes qui jouent un rôle vital dans les processus biogéochimiques de la Terre, sans avoir besoin de les isoler et de les cultiver individuellement.
En règle générale, la boue et l’eau d’un écosystème, tel qu’un étang ou un marais, sont mélangées. À titre expérimental, on peut ajouter du sel à ce mélange pour enrichir diverses espèces halophiles. Ensuite, une petite partie du mélange est complétée par du carbone, généralement sous forme de cellulose provenant de papier journal, et de soufre, généralement à partir d’un jaune d’œuf. Pour une autre expérience facultative, un clou peut être ajouté à ce mélange pour enrichir certaines espèces de Gallionella. Ce nouveau mélange est ensuite ajouté à une colonne transparente, de sorte que la colonne soit remplie au quart. Enfin, le reste du mélange de boue et plus d’eau sont ajoutés à la colonne jusqu’à ce qu’elle soit presque pleine.
La succession, qui fait référence au développement consécutif de différentes communautés microbiennes au fil du temps, peut être observée en temps réel à l’aide d’une colonne de Winogradsky. Au fur et à mesure que les microbes se développent à l’intérieur de la colonne, ils consomment des substrats spécifiques et modifient la chimie de leur environnement. Lorsque leurs substrats sont épuisés, les microbes d’origine meurent et les microbes ayant des besoins métaboliques différents peuvent prospérer dans l’environnement modifié. Au fil du temps, des couches visiblement distinctes commencent à se former, chacune contenant des parties d’une communauté bactérienne ayant des besoins microenvironnementaux différents.
Par exemple, les microbes photosynthétiques, composés en grande partie de cyanobactéries, forment des couches vertes ou rouge-brun près du haut de la colonne. Étant donné que la photosynthèse produit de l’oxygène, souvent vu sous forme de bulles dans la partie supérieure de la colonne, un gradient se forme avec les concentrations d’oxygène les plus élevées près du haut et les plus basses vers le bas. Selon les substrats disponibles, différentes communautés microbiennes peuvent se développer dans la couche inférieure anaérobie. Les bulles dans cette couche peuvent indiquer la présence de méthanogènes, qui créent du méthane par fermentation. Ici, la fermentation microbienne de la cellulose donne des acides organiques. Les réducteurs de sulfate oxydent ces acides pour produire du sulfure, et leur activité est indiquée par des sédiments noirs. Le sulfure se diffuse vers le haut dans la colonne, créant encore un autre gradient où les concentrations de sulfure sont les plus élevées vers le bas de la colonne et les plus faibles vers le haut. Vers le milieu de la colonne, les oxydants de soufre utilisent l’oxygène par le haut et le sulfure par le bas. Avec une lumière adéquate, des oxydants photosynthétiques de soufre, tels que les bactéries soufrées vertes et violettes, se développent. Les bactéries vertes du soufre tolèrent des concentrations de sulfure plus élevées. Ainsi, ils se développent directement sous les bactéries soufrées violettes. Directement au-dessus de cette couche, des bactéries violettes non soufrées forment une couche rouge-orange. Les oxydants de soufre non photosynthétiques sont indiqués par la présence de filaments blancs.
Des conditions telles que la lumière et la température peuvent également être modifiées pour enrichir d’autres communautés. Dans cette vidéo, vous apprendrez à construire une colonne de Winogradsky et à varier les conditions de croissance et les substrats pour enrichir des communautés microbiennes spécifiques.
Tout d’abord, localisez un écosystème aquatique approprié, comme un étang ou un marais. Les échantillons de sédiments doivent provenir de la zone proche du bord de l’eau et être complètement saturés d’eau. Ensuite, à l’aide d’une pelle et d’un seau, récupérez un à deux litres de boue saturée. Ensuite, obtenez environ trois litres d’eau douce de la même source et retournez au laboratoire avec les échantillons de terrain.
Au laboratoire, enfilez l’équipement de protection individuelle approprié, y compris une blouse de laboratoire et des gants. Maintenant, transférez environ 750 millilitres de boue dans un bol à mélanger. Ensuite, tamisez la boue pour enlever les grosses roches, les brindilles ou les feuilles et utilisez une cuillère pour briser les touffes. Ensuite, ajoutez un peu d’eau fraîche dans le bol à mélanger et remuez avec une grande cuillère. Ajoutez de l’eau jusqu’à ce que la consistance du mélange eau-boue soit similaire à celle d’un milkshake. Continuez à vous assurer qu’il n’y a pas de grumeaux.
À titre d’expérience facultative, sélectionnez les bactéries halophiles en ajoutant 25 à 50 milligrammes de sel au mélange de boue.
Ensuite, transférez environ 1/3 du mélange eau-boue dans un deuxième bol à mélanger. Ajouter un jaune d’œuf et une poignée de papier journal râpé dans le bol. Ensuite, ajoutez ce mélange à la colonne, jusqu’à ce qu’elle soit environ 1/4 pleine. Ensuite, ajoutez le mélange eau-boue sans l’œuf et le journal dans la colonne, jusqu’à ce qu’elle soit environ pleine aux 3/4. Ensuite, ajoutez plus d’eau à la colonne, en laissant un espace de 1/2 pouce sur le dessus. Couvrez la colonne d’une pellicule plastique et fixez-la avec un élastique.
Incuber la colonne à la lumière près d’une fenêtre à température ambiante pendant les quatre à huit prochaines semaines. Tout au long de la période d’incubation, surveillez les changements dans la colonne Winogradsky au moins une fois par semaine pour le développement de différentes couches colorées et la formation de bulles. De plus, notez le temps nécessaire au développement des différentes couches.
Une autre modification qui peut être apportée consiste à incuber la colonne près d’un radiateur pour sélectionner les bactéries thermophiles, ou dans un réfrigérateur pour sélectionner les bactéries psychrophiles. Variez les conditions de lumière en plaçant différentes colonnes dans une lumière forte, une faible luminosité ou l’obscurité pour incuber. Vous pouvez également limiter la longueur d’onde de la lumière entrante en recouvrant la colonne de différentes nuances de cellophane afin de déterminer les couleurs sélectionnées pour différents groupes bactériens. Pour une autre expérience facultative, pour enrichir les bactéries oxydantes du fer, ajoutez un clou au mélange boue-eau avant d’ajouter du papier journal et un jaune d’œuf.
Après une à deux semaines, la croissance de la couche cyanobactérienne est indiquée par un film vert ou rouge-brun au-dessus de la couche de boue de la colonne classique de Winogradsky. Au fil du temps, l’apparition et l’évolution des différentes couches sont surveillées, chacune indicative des différents types de bactéries présentes. Lorsque l’on compare une colonne cultivée dans l’obscurité à une colonne Winogradsky traditionnelle, nous constatons que le traitement sombre produit la couche noire au bas de la colonne, ce qui indique la présence de bactéries sulfato-réductrices.
La colonne sombre peut également produire d’autres couches, selon d’autres conditions d’incubation. De plus, la colonne sombre ne produit pas la couche de cyanobactéries vertes, ni les couches rouges, violettes ou vertes indiquant respectivement des bactéries violettes sans soufre, violettes sulfureuses et vertes soufrées. Ces groupes dépendent de la lumière pour leur croissance.
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