Archea méthanogène

Les organismes méthanogènes sont des micro-organismes qui produisent du méthane comme sous-produit métabolique de la vie en conditions anoxiques.

Certaines espèces peuvent néanmoins survivre un certain temps en présence d'oxygène. Ils étaient autrefois classés comme archaébactéries ; mais celles-ci ont été depuis reclassées comme Archaea, un groupe tout à fait distinct parmi les bactéries.

Ce sont des bactéries coccoïdales (forme de sphère) ou en forme de bâtonnet.

Les méthanogènes sont dépourvus d'un polymère présent dans les parois cellulaires des autres procaryotes.

• Certaines bactéries méthanogènes ont une paroi cellulaire constituée de pseudomuréine (Pseudopeptidoglycane) (protéine évoquant le peptidoglycane).
• D'autres bactéries méthanogènes qui n'ont pas de pseudomureine ont au moins un réseau paracristallin (S-layer) constitué de protéines s'assemblant comme un puzzle.

Les méthanogènes sont dans la plupart des cas des anaérobies stricts, c'est-à-dire qui meurent en présence de traces d'oxygène par autooxydation de certains cofacteurs nécessaires à leur métabolisme. Certaines espèces peuvent néanmoins survivre quelques temps en présence d'oxygène, de même que dans des milieux difficiles (sols arides, acides, toxiques...).
Il existe aussi au moins une exception connue à l'anaérobiose ; Methanosarcina Barkeri, qui produit une enzyme (superoxyde dismutase ou SOD) lui permettant de survivre longtemps en présence d'oxygène.

Trois grands types d'habitats abritent ces bactéries ;

• certaines zones humides où ces bactéries vivent dans les couches inférieures des sédiments où les sulfates sont épuisés, dans des milieux variés, allant de sédiments marins ou estuariens, jusqu'aux tourbières. Plus tardivement, on a découvert d'autres méthanogènes, extrémophiles, trouvés dans des environnements tels que sources chaudes éventuellement sous-marines évents hydrothermaux et même dans des roches « solides » de la croûte terrestre, à des kilomètres sous la surface. Dans les roches profondes, elles trouvent l'hydrogène qui leur est nécessaire grâce à la dégradation thermique et radioactive de l'eau.
• le système digestif (intestins le plus souvent) de nombreux animaux (termites, mammifères, dont l'Homme ou les ruminants chez lequel ils sont responsables des phénomènes de flatulence ...). Quelques autres bactéries sont « méthanogènes partielles » (Helicobacter pylori dans l'estomac humain par exemple).
• Certains milieux extrêmes ; de déserts chauds et secs et jusqu'à 3 km de profondeur dans des échantillons de glaces prélevés au Groenland. Elles vivent et se reproduisent à des températures variant de 15 à 100°C (même un peu plus dans la vapeur d'eau de certains geysers). → Ce sont les espèces vivantes les moins rares dans les milieux souterrains profonds.

Certains scientifiques ont ainsi proposé d'étudier l'hypothèse que la présence de méthane dans l'atmosphère martienne puisse être le signe d'une méthanogenèse native sur cette planète.

Du point de vue trophique, ce sont des organismes chimioautotrophes, une sous-division des organismes chimiotrophes.

Ils jouent un rôle important dans le cycle du carbone, les puits de carbone et le rétrocontrôle du climat par le Vivant (Il a été estimé qu'un tiers du méthane rejeté dans l'atmosphère pourrait avoir pour origine ces bactéries).

Les méthanogènes jouent un rôle écologique majeur dans des environnements anaérobies où elles suppriment les excès d'hydrogène et de produits issus de fermentation par d'autres formes de respiration anaérobie. Les méthanogènes prospèrent habituellement dans les environnements dans lesquels tous les autres accepteurs d'électrons (comme l'oxygène, les nitrates, les sulfates, et fer trivalent) ont été épuisés.

Il existe aussi des symbioses avec des bactéries anérobies strictes qui fournissent en continu l'hydrogène et le gaz carbonique indispensables. On dit qu'il se forme un consortium écologique.

Étroitement lié à la biométhanogenèse, existent des organismes méthanotrophes, capables d'oxyder le méthane, via une réduction par des sulfates et nitrates.

La plupart des bactéries méthanogènes sont des productrices autotrophes, mais celles qui oxydent le CH₃COO sont classés comme chémohétérotrophes.

Certaines de ces bactéries dites « hydrogénotrophiques » peuvent utiliser le dioxyde de carbone (CO₂) de leur milieu comme source de carbone, en présence d'hydrogène comme un agent réducteur. Le carbone extrait du CO₂ est mis par la bactérie en réaction avec l'hydrogène pour produire du méthane, qui produit un gradient électrochimique de part et d'autre d'une membrane utilisée pour générer l'ATP par chemiosmose. Ce processus diffère fortement de celui utilisé par les plantes et algues qui utilisent l'eau comme agent réducteur.

Bien que la plupart du méthane biogénique (produit par le vivant) en mer résulte d'une réduction du CO₂, il en existe d'autres sources :

- On a montré par l'étude isotopique du méthane, qu'une petite quantité en est dérivée d'acétate (CH₃COO) dégradé par fermentation bactérienne. ces archaea au catabolisme particulier sont dites acétotrophiques ou acéticlastiques.

- On connaît aussi des archaea dites « méthylotrophes » qui utilisent des composés méthylés (méthylamines, méthanol et méthanethiol) comme source de carbone.

Principe métabolique :

• CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O ;
• CH₃COOH → CH₄ + CO₂ ;
• HCOOH + 3 H₂ → CH₄ + 2 H₂O ;
• CH₃OH + H₂ → CH₄ + H₂O ;
• CH₃NH₂ + H₂ → CH₄ + NH₃ ;
• (CH₃)₂S + 2 H₂ → 2 CH₄ + H₂S.

Ce sont des réactions exergoniques (qui libèrent de l'énergie).

Elles ont lieu généralement dans des milieux réducteurs (potentiel < -330 mV).

Ces réactions s'accompagnent donc d'une consommation d'hydrogène (processus d'épuration). Il y a aussi élimination du carbone réduit sous forme de CH₄ gazeux (perdu pour le métabolisme).

Étapes de la méthanisation

• mobilisation des matières organiques (végétales)
• hydrolyse de la cellulose et des hémicelluloses → libération des glucides → voie des oxydations aérobies et des fermentations
• fermentation sur des composés organiques drainés à partir du tapis végétal ou accumulé par sédimentation du phytoplancton. Action des germes ANAs (Bactéroides, Butyvibrio, Bifidobacterum, Lactobacillus, Clostridium ...)
• libération d'acides organiques, de gaz carbonique, d'hydrogène

CO₂, H₂ → alimentation directe de la méthanogenèse.

Les archaea méthanogènes représentent aujourd'hui une part très importante des recherches effectuées dans le monde sur les archaea.

On a déjà scientifiquement décrit une cinquantaine d'espèces de méthanogènes strictes, qui toutes sont anaérobies et appartiennent aux Archaea, mais ne forment pas un groupe monophylétique.
Ci dessous, liste non limitative, à titre d'exemples :

• Methanobacterium bryantii

• Methanobacterium formicum

• Methanobrevibacter arboriphilicus

• Methanobrevibacter gottschalkii

• Methanobrevibacter ruminantium

• Methanobrevibacter smithii

• Methanocalculus chunghsingensis

• Methanococcoides burtonii

• Methanococcus aeolicus

• Methanococcus deltae

• Methanococcus jannaschii

• Methanococcus maripaludis

• Methanococcus vannielii

• Methanocorpusculum labreanum

• Methanoculleus bourgensis (Methanogenium olentangyi & Methanogenium bourgense)

• Methanoculleus marisnigri

• Methanofollis liminatans

• Methanogenium cariaci

• Methanogenium frigidum

• Methanogenium organophilum

• Methanogenium wolfei

• Methanomicrobium mobile

• Methanopyrus kandleri

• Methanoregula boonei

• Methanosaeta concilii

• Methanosaeta thermophila

• Methanosarcina acetivorans

• Methanosarcina barkeri

• Methanosarcina mazei

• Methanosphaera stadtmanae

• Methanospirillium hungatei

• Methanothermobacter defluvii (Methanobacterium defluvii)

• Methanothermobacter thermautotrophicus (Methanobacterium thermoautotrophicum)

• Methanothermobacter thermoflexus (Methanobacterium thermoflexum)

• Methanothermobacter wolfei (Methanobacterium wolfei)

• Methanothrix sochngenii