Les bactéries mangeuses d'hydrocarbures accélèrent la consommation en remodelant les gouttelettes de pétrole

Amoco Cadiz, Exxon Valdez, Deepwater Horizon… Au cours de ces marées noires, désastreuses pour la vie aquatique, prospère la bactérie Alcanivorax borkumensis. Le nom latin Alcanivorax signifie « dévoreuse d’alcanes » ; ces bactéries dégradent les longues chaînes carbonées produites par la décomposition des organismes vivantsMcGenity, T.J., McKew, B.A. & Lea-Smith, D.J. Cryptic microbial hydrocarbon cycling. Nat Microbiol 6, 419–420 (2021). https://doi.org/10.1038/s41564-021-00881-4, et jouent à ce titre un rôle dans le cycle du carbone. Ces bactéries sont retrouvées en masse dans les marées noires et il a été montré qu’elles peuvent dégrader les nappes de pétrole avant qu’elles n’atteignent les côtesBrooijmans RJ, Pastink MI, Siezen RJ. Hydrocarbon-degrading bacteria: the oil-spill clean-up crew. Microb Biotechnol. 2009 Nov;2(6):587-94. doi: 10.1111/j.1751-7915.2009.00151.x. .

Dans le cadre d’une collaboration internationale entre l’Université du Tsukuba (Japon), le Centre de physique théorique (CPT, CNRS / Aix-Marseille Université / Université de Toulon), le laboratoire Processus d'activation sélectif par transfert d'énergie uni-électronique ou radiatif (PASTEUR, CNRS / ENS-PSL / Sorbonne Université), l’Institut Pierre-Gilles de Gennes (PSL Université) et le laboratoire Physico-chimie Curie (PCC, CNRS / Institut Curie / Sorbonne Université), les auteurs ont immobilisé dans une puce microfluidique des gouttelettes de pétrole progressivement dévorées par ces bactéries, et suivi au microscope confocal leur évolution au cours du temps. L'équipe a ainsi pu observer et quantifier l'ensemble du processus, de la colonisation initiale à la consommation complète des gouttelettes d'huile. Les conclusions de ces travaux ont été publiées dans le journal Science du 18 août 2023. Terry McGenity et Pierre Philippe Laissue, de l'université d'Essex, ont publié dans le même numéro de la revue un article de perspective décrivant ces travauxTerry J. McGenity Pierre Philippe Laissue, Bacteria stretch and bend oil to feed their appetite.Science381,728-729(2023).DOI:10.1126/science.adj4430.

Alors que les bactéries qui ont été exposées pendant un temps court à une source de carbone insoluble forment des biofilms se développant en volume en maintenant la gouttelette sphérique, les bactéries qui ont été exposées plus longtemps à l'huile forment des biofilms minces ou apparaissent de nombreuses dendrites. Dans cette étude, les auteurs montrent que la vitesse à laquelle les bactéries dégradent les gouttelettes dépend de la morphologie du biofilm :  du fait de leur plus grande surface de contact entre le biofilm bactérien et l’interface eau/huile, les biofilms dendritiques sont beaucoup plus efficaces pour la dégradation rapide de l’huile. Toutefois, plutôt que d'être causée par une augmentation du débit métabolique individuel, cette accélération est la conséquence de l’organisation collective du biofilm à l’interface.

Sous le microscope, les bactéries apparaissent comme des bâtonnets allongés le long de la surface entre le pétrole et l’eau. Juste avant de former un tube, les bactéries s’orientent progressivement vers un point central, qui deviendra le cœur du tube. Ce motif en étoile est connu dans le cadre de la théorie des cristaux liquidesP. G. de Gennes and J. Prost, “The Physics of Liquid Crystals,” Oxford University Press, UK, 1993. sous le nom de défaut topologique de charge +1. Une fois la surface eau/pétrole déformée, la formation de ces tubes d’un rayon bien contrôlé est rendue possible à la fois par une diminution de la tension interfaciale de l’huile au cours du temps d’exposition aux hydrocarbures, et à une augmentation de l’hydrophobie des bactéries, qui induit une apparition d’une courbure préférentielle de l’interface eau-pétrole. Les auteurs ont développé un modèle qui permet d’expliquer ce phénomène.

Les chercheurs se sont enfin intéressés à étudier la présence de surfactants dans le milieu de culture, de manière à simuler l’utilisation des dispersants massivement déversés dans la mer lors de l’accident Deep Water Horizon. Dans le contexte de leurs expériences, les auteurs montrent que les surfactants diminuent l’adhésion des bactéries aux gouttes de pétrole, empêchant la formation des tubes et compromettant ainsi la dégradation du pétrole par ces bactéries. Cependant, des travaux supplémentaires sont encore nécessaires avant de pouvoir tirer des conclusions définitives sur l’effet des surfactants dans la gestion des marées noires, notamment en raison de la grande diversité de la composition des eaux océaniques.

Les auteurs de l’étude envisagent également des applications fondamentales dans la compréhension d’un processus clef du cycle du carbone qu’on appelle la neige marine, où des bactéries – dont Alcanivorax borkumensis – dévorent la matière organique en suspension. Ce processus de dégradation contribue alors au piégeage du dioxyde de carbone dans les profondeurs océaniques.