Transfert interespèces d’électrons par conduction directe via la matrice protéinique exocellulaire dans un biofilm anaérobie granulaire

Abstract

Le fonctionnement efficace des communautés microbiennes anaérobies repose sur le transfert d'électrons interespèces (IET). Par contre, encore aujourd’hui il y a peu d'informations sur les mécanismes par lesquels les micro-organismes coopèrent pour échanger des électrons. Le transfert direct d'électrons interespèces (DIET) est une voie métabolique syntrophe d’IET dans laquelle des électrons libres circulent d'un microorganisme à l'autre sans être transportés par des molécules réduites telles que l'hydrogène moléculaire ou le formate. Cette voie a été proposée comme étant présente entre les populations fermentaires et méthanogènes dans le granule pendant la digestion anaérobie. Elle impliquerait les substances polymériques extracellulaires (EPS) du granule pour faciliter le transfert des électrons libres. L’étude ici présente se penche sur ces hypothèses. Le DIET est divisé en deux grandes catégories, le DIET effectué par l’intermédiaire d’un matériau non organique conducteur (mDIET) et le DIET biologique (bDIET). Ce dernier implique seulement les cellules elles-mêmes et leurs composantes (pilis, nanofils, etc.). En utilisant des granules anaérobies où Geobacter n'était pas dominant (Geobacter étant reconnu pour sa participation fréquente au DIET), les tests réalisés avec deux co-substrats ont montré que les activités méthanogènes du formate et de l'hydrogène diminuaient en présence d'un co-substrat non méthanogène tel que l’éthanol. Cela peut indiquer que le bDIET se produit et entre en compétition avec l'hydrogène et le formate. De plus, l'ajout de microparticules conductrices, telles que l'acier inoxydable et le charbon actif granulaire, augmente l'activité méthanogène dans les granules désintégrés par rapport aux granules désintégrés dépourvus de microparticules. Ces résultats indiquent que les bactéries syntrophes provenant des boues anaérobies, excluant les espèces de Geobacter, peuvent aussi effectuer le mDIET. Par contre, à la suite d'essais réalisés à l’aide d’un petit réacteur conçu pour l’étude du mDIET, il fut déterminé que ce mécanisme n’est peut-être pas exclusif, c’est-à-dire qu’il ne pourrait assurer à lui seul la survie et la croissance des méthanogènes le réalisant; d’autres mécanismes d’IET pourraient devoir se produire en parallèle au mDIET. Les méthanogènes acétoclastes, connues pour effectuer le bDIET, ont été enrichies dans les essais de mDIET, de même que certaines méthanogènes non-acétoclastes, leur suggérant un rôle toujours non défini à ce jour dans cette voie. Finalement, en étudiant les EPS, les protéines de Methanosaeta concilii y étaient les mieux représentées dans l'ensemble des trois boues granulaires étudiées, soulignant son rôle dans la formation et la maintenance du granule anaérobie, ainsi que dans sa stabilité et son efficacité. Sans toutefois confirmer de rôle précis pour les EPS, cette étude met en évidence l'existence de structures et de molécules dans la matrice extracellulaire du granule qui ont chimiquement la capacité de participer au bDIET, tels que les substances humiques et les formate déshydrogénases.

Effective interspecies electron transfer (IET) is key to the efficient functioning of anaerobic microbial communities. On the other hand, even today there is little information on the mechanisms by which microorganisms cooperate to exchange electrons. Direct interspecies electron transfer (DIET) is a metabolic pathway of IET in which free electrons flow from one microorganism to another without being transported by reduced molecules such as molecular hydrogen or formate. This pathway has been proposed as being present between fermentative and methanogenic populations in the granule during anaerobic digestion. It would involve the extracellular polymeric substances (EPS) of the granule to facilitate the transfer of free electrons. The present study examines these hypotheses. The DIET is divided into two broad categories, DIET mediated by a conductive non-organic material (mDIET) and the biological DIET (bDIET). The latter only involves the cells themselves and their components (pilis, nanowires, etc.). Using anaerobic granules in which Geobacter was not dominant (Geobacter is known for its frequent participation in DIET), the tests carried out with two co-substrates showed that the methanogenic activities of the formate and the hydrogen decreased in the presence of a non-methanogenic co-substrate such as ethanol. This may indicate that the bDIET occurs and competes with hydrogen and formate. In addition, the addition of conductive microparticles, such as stainless steel and granular activated carbon, increases the methanogenic activity in the disintegrated granules as compared to the disintegrated granules without microparticles. These results indicate that syntrophic bacteria from anaerobic sludge, excluding Geobacter species, can also perform mDIET. On the other hand, further to tests with a small reactor designed for the study of mDIET, it was determined that this mechanism may not be exclusive, i.e. alone it can not ensure the survival and growth of the methanogens carrying it out; other IET mechanisms may have to occur in parallel with the mDIET. Acetoclast methanogens, known to perform bDIET, have been enriched in the mDIET assays, as well as some non-acetoclastic methanogens, suggesting a role that is still undefined to date in this pathway. Finally, further to studies of granule EPS, the Methanosaeta concilii proteins were shown to be best represented in all three granular sludges studied, highlighting its role in the formation and maintenance of the anaerobic granule, as well as its stability and effectiveness. Without confirming a specific role for EPS, this study highlights the existence of structures and molecules in the extracellular matrix of the granule that chemically have the ability to participate in the bDIET, such as humic substances and formate dehydrogenases.