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Création d'une colonne Winogradsky
 

Création d'une colonne Winogradsky : une méthode pour enrichir les espèces microbiennes dans un échantillon de sédiments

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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.

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