Microbiologie
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Vous avez de La microbiologie est la science qui étudie les micro-organismes (ou microorganismes).
Les micro-organismes constituent un groupe très diversifié, ils existent à l'état de cellule isolée ou en groupe. Ils sont de petite taille.
Comment distinguer les cellules microbiennes des plantes ou des animaux ? Les cellules animales et végétales sont incapables de vivre à l'état isolé dans la nature ; elles sont toujours à l'état multicellulaire. Les virus ne sont pas des micro-organismes car ils ne sont pas autonomes, ils ne peuvent pas se reproduire sans détourner la machinerie cellulaire d'un autre individu.
[modifier] Historique
- Dès l'Antiquité, on postulait l'existence d'agents infectieux transmissibles invisibles à l'œil nu.
- 1546 : Jérôme Fracastor impute la transmission des maladies à des germes vivants, qu'il appelait « seminaria ».
- 1677 : Découverte des bactéries par le microscopiste hollandais Antoine van Leeuwenhoek.
- 1828 : Christian Gottfried Ehrenberg utilise pour la première fois le terme bactérie.
- 1840 : Le pathologiste allemand Jacob Henle propose une « théorie des germes » pour les maladies.
- 1857-1876 : Louis Pasteur met en évidence les rôles des micro-organismes dans la fermentation lactique et alcoolique. Il développe les techniques de pasteurisation et de stérilisation lui permettant la mise en place de cultures pures de micro-organismes. La possibilité de culture a permis de démontrer que la génération spontanée était une aberration.
- 1877-1895 : Louis Pasteur démontre que des maladies sont la conséquence de la présence de ces micro-organismes. Premières recherches systématiques sur l'origine de certaines maladies, ainsi que la vaccination (connue depuis Edward Jenner pour la variole - maladie virale).
- 1873-1882 : Robert Koch met en évidence le bacille responsable de la tuberculose (Mycobacterium tuberculosis). Koch a établi les règles (toujours utilisées) qui permettent de démontrer rigoureusement qu'une bactérie donnée est à l'origine d'une infection.
- 1884 : Hans Christian Gram développe une technique de coloration qui est la plus utilisée dans l'étude et la classification des bactéries en deux grands groupes : les bactéries à Gram positif et celles à Gram négatif.
- 1928 : Alexander Fleming découvre les propriétés antibactériennes de la pénicilline.
- 1940 : Selman Waksman découvre un autre antibiotique: la streptomycine.
- 1997 : Séquençage complet du premier génome bactérien (Escherichia coli). La microbiologie entre dans l'ère de la génomique.
[modifier] Classification
L'analyse de la structure interne a permis de déterminer deux groupes de micro-organismes : les procaryotes (ou bactéries, munis d'un proto-noyau) et les eucaryotes (munis d'un vrai noyau)
- procaryote (groupe polyphylétique comprenant en fait des taxons de rangs distincts)
- eucaryote (groupe monophylétique ou taxon simple)
Les deux groupes se sont différenciés très tôt du point de vue phylogénétique.
[modifier] Caractéristiques
[modifier] Les procaryotes (ou bactéries)
Dépourvus de noyau complet, ils appartiennent à au moins deux taxons distincts :
- Les archéobactéries ou archées sont un groupe particulier car il ne comprend essentiellement que des espèces anaérobies (n'ayant pas besoin d'oxygène), vivants dans des environnements extrêmes : on parle d'organisme extrémophile. Les environnements extrêmes sont à la limite des conditions tolérées par les cellules biologiques (milieu salin très acide ou très alcalin, milieu à une température limite de l'ébullition). Les archéobactéries ne sont pas que des extrêmophiles, ce sont aussi des organismes plus communs qui vivent dans des conditions de vie classique comme les marais ou les rumens des ruminants. Il ne faut pas associer systématiquement archéobactéries à des organismes extrêmes même si on retrouve parmi eux la plupart des extrêmophiles.
- On retrouve les eubactéries dans notre quotidien, sol, nourriture... Ce sont les bactéries les plus connues. Cependant certaines eubactéries sont aussi extrémophiles.
Ces micro-organismes ont des mécanismes pour résister à ces conditions.
[modifier] Autres règnes
La systématique moderne phylogénétique amène à reclasser parmi les procaryotes des espèces autrefois classées dans le règne animal, végétal, ou même fongique (normalement des espèces toutes eucaryotes selon la classification moderne du vivant).
De plus, les espèces eucaryotes multicellulaires (végétales comme animales) ne peuvent vivre sans la présence de certaines bactéries dans le milieu intercellulaire ou dans des organes cavitaires: elles participent à la synthèse (notamment chez les plantes fourragères qui utilisent ces bactéries pour la synthèse et l’assimilation de l’azote) ou la dégradation (par exemple pour la digestion) de certains composés organiques et à la lutte active contre d’autres espèces bactériennes ou virales (pathogènes à cause de leur développement anarchique non symbiotique).
De même la microbiologie s’intéresse de plus en plus aux « espèces » pseudo-cellulaires (organites) présentes dans le noyau ou le cytoplasme de tous les eucaryotes et un grand nombre de procaryotes, où ils « vivent » en symbiose parasitaire endogène (endocytose), et permet de penser que leur origine est celle des archéobactéries ou d'espèces encore plus anciennes.
Ce mode de colonisation des êtres cellulaires eucaryotes ou procaryotes est proche de celle utilisée dans un autre domaine du vivant, les virus, toujours classés dans aucun règne, aujourd’hui étudiés activement par la virologie moderne, surtout pour les besoins de la médecine (traitements antiviraux, ou thérapie génique), mais aussi en botanique et zoologie pour les besoins agricoles (organismes génétiquement modifiés). Dans certains cas, des bactéries sont utilisées comme vecteurs de culture et de transport de ces virus (souvent aussi génétiquement modifiés) chargés d’opérer les modifications génétiques cellulaires.
L’étude fondamentale des procaryotes est essentielle donc pour comprendre l’évolution de toutes les autres espèces des cinq règnes classiques et s’appuie aussi maintenant sur la recherche plus récente en virologie et biologie moléculaire.
[modifier] Les eucaryotes
Les eucaryotes ont un système membranaire interne enfermant des organites (noyau, plaste, mitochondrie...) ; ils présentent un cytosquelette interne (actine, tubuline) absent chez les procaryotes, qui leur confère une taille souvent plus importante que les procaryotes.
On estime que chaque groupe d'eucaryotes a eu un ancêtre parmi les procaryotes (archéobactéries ou eubactéries), et que les mitochondries (et peut-être aussi d'autres organites comme les chloroplastes) présents dans le noyau des eucaryotes actuels ont aussi eu au moins un ancêtre procaryote distinct qui aurait colonisé cette ancienne bactérie pour vivre en symbiose parasitaire (endosymbiose) avec elle et former tous les eucaryotes qui ne peuvent plus vivre sans elles.
En effet, on retrouve dans les mitochondries un cytosquelette interne spécifique, une structure membranaire externe complexe, un matériel génétique interne spécifique logé dans une zone plasmique appelée proto-noyau (dépourvu de membrane mais tout de même structurée), même si les mitochondries ne peuvent se multiplier seules sans le concours de la cellule hôte (les mitochondries auraient perdu leurs facultés de reproduction qui ne leur étaient plus nécessaires, puisque la cellule hôte leur fournit pratiquement tout le matériel nécessaire à leur croissance et leur division).
[modifier] Algue
Contrairement aux champignons et aux protozoaires, les algues ont des pigments chlorophylliens.
Les algues sont présentes dans le sol, les plantes, l'eau douce et l'eau de mer. Elles sont autotrophes.
[modifier] Champignon
Les champignons sont présents dans le sol, plantes, débris végétaux, lichen, parasites de l'homme, des animaux et des plantes.
- Remarque : une levure est un champignon eucaryote.
Les champignons sont "absorbotrophes" : ils se nourrissent par absorption. Ils sécrètent des enzymes qui digèrent des polymères dans le milieu extérieur, ce mécanisme chimique transforme par exemple les glucides en monomères (petites molécules) qui sont ainsi absorbés.
[modifier] Protozoaire
Les protozoaires sont des êtres unicellulaires dépourvus de paroi cellulaire (contrairement aux algues). On en trouve dans le sol, l'eau douce, l'eau de mer, mais également comme parasites de l'homme et des animaux. Les protozoaires se nourrissent par pinocytose et endocytose car ils n'ont pas de paroi cellulaire.
[modifier] Autres règnes
Bien que non classés parmi les microbes, les règnes végétaux (avec affinité avec les algues) et animaux (avec affinité avec les protozoaires) sont aussi classés parmi des eucaryotes. Ils ne sont pas classés comme micro-organismes car ils ne vivent pas ni ne se reproduisent à l’état unicellulaire.
[modifier] La taille des micro-organismes
Comme signalé au début, les micro-organismes sont de très petite taille (d'où leur nom) :
- procaryotes (bactéries) : de l'ordre de 0,5 à 3 µm (pour la largeur), pas de limite en longueur ; le pouvoir séparateur de l'œil humain est de 100 µm, ces micro-organismes sont donc tous invisibles à l'œil nu.
- eucaryotes : très variable de 2 à 200 µm (pour la largeur), pas de limite en longueur ; certains eucaryotes sont visibles à l'œil nu (notamment les algues), d'autres ne sont visibles que sous forme d'aggrégats (cas des champignons, dont les parois plasmiques émettent des filaments sur une grande longueur relativement à leur taille). Tous les eucaryotes ne s'aggrègent pas ainsi (notamment les protozoaires, invisibles à l'œil nu).
Le rapport surface sur volume directement influencé par la taille : si l'on considère une forme simple telle que la sphère, la surface est proportionnelle au carré de la taille (4πr2 si r est le rayon de la sphère), alors que le volume est proportionnel au cube de la taille (4/3πr3), le rapport surface/volume est donc inversement proportionnel à r (3/r).
Ceci conditionne la vitesse à laquelle le micro-organisme se nourrit : la nourriture passe à travers la membrane plasmique, donc la vitesse d'absorption est proportionnelle à la surface, mais la quantité à nourrir est proportionnelle au volume. La vitesse à laquelle entrent et sortent les nutriments et les déchets est donc inversement proportionnelle à la taille. Donc plus la bactérie est petite, plus elle va pouvoir se nourrir à grande vitesse. Elle compense sa petite taille par une multiplication à très grande vitesse (taux de croissance très rapide).
[modifier] La culture des micro-organismes
[modifier] Richesse du milieu
Les micro-organismes ont besoin :
- D'une source d'énergie.
- Pour les chimiotrophes, elle provient de la dégradation de composés chimiques (par exemple du glucose)
- Pour les phototrophes, de la lumière.
- D'une source de carbone
- Pour les autotrophes, il suffit de CO2 atmosphérique (carbone minéral).
- Pour les hétérotrophes, elle provient de molécules organiques (CH4, oses...)
- De macroéléments (Ainsi appelés en raison de leur concentration dans le milieu de culture)
- De microéléments
- D'une source d'azote
- D'origine minérale (sel d'ammonium)
- De facteurs de croissance
- De dioxygène ou oxygène moléculaire
- Pour les aérobies stricts
- — ou —
- d'absence de dioxygène (ou oxygène moléculaire) pour les anaérobies stricts ; pour ces micro-organismes, le peroxyde d'oxygène (H2O2) formé par la réaction entre l'O2 et l'H2O les empoisonnent, car ils ne possèdent pas une catalase dégradant H2O2 à l'inverse des individus aérobies.
- De facteurs physico-chimiques
- Pour le facteur température, on distingue trois catégories de micro-organismes selon leur optimum de croissance. Les psychrophiles ont leur optimum à 15 °C, les mésophiles à 37 °C, les thermophiles à 65 °C.
Il faut descendre au-delà de -18 °C pour arrêter toute croissance microbienne. À 3 °C il n'y a plus de risque lié aux bactéries pathogènes ou toxinogènes. - Pour le facteur pH, on considère que les bactéries préfèrent la neutralité excepté pour les bactéries lactiques. Pour les levures et moisissures, le pH optimum est plus acide. (pH=5)
- Pour le facteur température, on distingue trois catégories de micro-organismes selon leur optimum de croissance. Les psychrophiles ont leur optimum à 15 °C, les mésophiles à 37 °C, les thermophiles à 65 °C.
[modifier] Diversité du milieu de culture
On distingue deux sortes de milieux de culture :
- Synthétiques : milieux dont on peut donner la composition chimique complète. Les milieux synthétiques sont utilisés en recherche fondamentale.
- Empiriques : milieux dont on ne connaît que partiellement la composition.
et parmi ces 2 types de milieux, il existe des milieux séléctifs (qui vont permettre de séléctionner le type de bactéries qui pourront se multiplier dessus). Les milieux de culture peuvent contenir des extraits de levure (cellules de levure déshydratées et lysées) qui fournissent une source d'acides aminés, de vitamines et d'azote, des extraits de malt apportant une source de carbone, des peptones (protéines animales, de poisson, de caséine de lait) source d'azote organique qui intéresse les individus hétérotrophes.
Ces milieux sont soit liquides, soit solides. On utilise fréquemment la gélose ou agar-agar, un polymère de sucre tiré d'une algue rouge présentant la propriété de former avec l'eau un gel solide si la température est inférieure à 60°C.
[modifier] La stérilisation
La stérilisation est l'opération qui consiste à éliminer les micro-organismes d'un objet, et ce de manière durable. En microbiologie, le but de la stérilisation est d'une part de maîtriser les micro-organismes introduits dans le milieu d'étude, et d'autre part d'éviter la contamination du milieu extérieur et des personnes (voir aussi l'article sur l'hygiène).
Il existe trois façons pour stériliser un milieu de culture. Une destruction par la chaleur, par une méthode de filtration ou par l'emploi de radiation et d'agent chimique (gaz)
[modifier] La chaleur
On distingue les procédés à chaleur « sèche » ou « humide ».
- Chaleur sèche :
- bec Bunsen : tout l'air qui se trouve dans un globe virtuel de 10 cm de rayon de la flamme d'un bec Bunsen, est passé une fois dans la flamme. Ceci crée une enceinte fictive stérile. Les microbiologistes travaillent avec une flamme oxydante qui crépite.
- Four Pasteur ou four Poupinel : C'est un four classique utilisé à 180°C pendant 90 minutes au minimum.
- Chaleur humide :
- Autoclave : cette technique consiste à faire bouillir de l'eau dans une enceinte close pour augmenter la pression et donc dépasser les 100°C d'ébullition (principe de l'autocuiseur). Ceci est réalisé à 121°C pendant 15 minutes au minimum.
[modifier] Cas particuliers : la pasteurisation et tyndallisation
Cette technique ne détruit qu'une partie de la flore bactérienne. Ce n'est, en aucun cas, une technique de stérilisation.
La tyndallisation est une série de chauffages brefs à des températures de 70°C à intervalles réguliers (3 chauffages d'une heure, 24 h entre 2 chauffages), ceci afin de laisser aux formes résistantes la possibilité de germer pour les tuer au chauffage suivant. Par exemple, la destruction des germes pathogènes du lait se fait par un cycle de 63°C pendant 30 minutes suivie de 73°C pendant 15 minutes.
L'ébullition n'est pas une méthode de stérilisation. les formes sporulées des bactéries résistent jusqu'à 8H30 à 100°C.
[modifier] La filtration
La filtration est une technique qui consiste à faire passer un liquide à travers un filtre dont les pores ont un diamètre de 0,2 µm ; les micro-organismes sont trop gros et sont donc retenus par le filtre. Pour forcer ce liquide à traverser le filtre on utilise deux solutions:
- mise en pression du liquide par l'intermédiaire d'un piston
- aspiration du liquide en créant par exemple une enceinte dépressurisée de l'autre côté du filtre.
Cette technique est intéressante lors d'utilisation de produits thermolabiles (c'est-à-dire qui ne résistent pas à la chaleur) comme certains acides aminés aromatiques, vitamines, hormones de croissance, acides nucléiques et une bonne partie des antibiotiques.
[modifier] Radiation et agent chimique
Ces techniques sont utilisées par les industries dont l'alimentaire. Elles sont très pénétrantes car les radiations et les gaz traversent le plastique et tuent les micro-organismes. Les rayons ultraviolets ne sont cependant pas une bonne technique de stérilisation car ils sont non pénétrants, donc ils ne passent pas au travers de matériaux comme le plastique et le verre.
[modifier] Notion de culture pure
[modifier] Technique des stries
Elle est basée sur la notion d'UFC (unité formant une colonie). Chaque unité cellulaire (une cellule, un groupe de cellules ou un morceau d'hyphe) va donner une colonie. Sur un milieu de culture, il y a formation d'un monticule de bactéries avec une forme particulière (la colonie). La forme de ce monticule est déterminée par l'organisation de la colonie, qui elle-même est déterminée génétiquement.L'UFC est utilisée aussi pour le dénombrement bactérien en utilisant des cultures sur boîte à partir de tubes préparés par dillutions en cascades de la suspension bacterienne mère. L'observation macroscopique de l'aspect des colonies permet de différencier les colonies de bactéries contaminantes de celles qu'on cherche à isoler.La coloration gram permet une vérification un peu plus poussée de la pureté de la souche.
[modifier] Technique de suspension dilution
Cette technique sert à évaluer le nombre de microorganismes qui se trouvent dans un milieu liquide (eau de puit, boissons, eau de piscine...) ou dans un milieu solide (sol, aliments...). Elle peut aussi servir à isoler une souche pure à partir d'un mélange. Il s'agit simplement d'une suite de dilutions suivie d'un prélèvement d'un aliquot qui sera étalé sur un milieu de culture qui pourra être séléctif ou non. Il suffira ensuite de compter le nombre de colonies, et connaissant le volume de l'aliquot (en générale 1mL sur une boîte), on en déduira la quantité approximative de bactéries dans le milieu (on considère qu'1 UFC correspond à 1 bactérie).
[modifier] Identification des bactéries
L'identification des bactéries se fait suivant une clé dichotomique qui va des caractères les plus vastes au plus pointus pour aboutir à une espèce bacterienne donnée.
[modifier] Critères morphologiques
L’étude de la morphologie bactérienne est le premier acte effectué par un laboratoire de diagnostic pour identifier une bactérie. L'observation de la morphologie bactérienne permet une orientation préliminaire du diagnostic.
[modifier] Macroscopique
A l'œil nu, on peut distinguer les caractéristiques d'une colonie:
- la forme du relief
- La taille
- La couleur
- L'aspect (collant, filamenteux...)
- L'odeur
la transparence l'allure des contours
[modifier] Microscopique
[modifier] Forme
- La forme est extrêmement diverse au sein du monde bactérien. Si on excepte les bactéries dépourvues de paroi (Mycoplasmes), qui peuvent être très polymorphes, la diversité est relativement restreinte pour les bactéries d’intérêt médical et vétérinaire. Parmi celles-ci, on distingue principalement des formes sphériques (cocci), cylindriques (bacille), spiralées (spirille), enroulées (spirochète) à appendice bourgeonnante ou filamenteuses.
[modifier] Mode de groupement
- Elles peuvent se regrouper en chaînes (Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus...), en amas asymétriques ou grappes (Staphylococcus), en amas cubiques réguliers (sarcines), en palissades ou en forme de lettre chinoise ou en paquets d’épingles (Corynebacterium)... Le mode de groupement, à condition de l’apprécier sur une culture jeune effectuée en milieu liquide et de tenir compte de l’aspect prédominant, est également un élément important pour orienter l'identification.
[modifier] Taille
- Les plus petites bactéries ont une taille de 0,1 à 0,2 micromètre (Chlamydia) alors que certaines ont un diamètre supérieur à 10 micromètres. La plus grande bactérie connue (Thiomargarita namibiensis) peut atteindre un diamètre de 750 micromètres.
[modifier] Présence de spore
- Toutes les bactéries n'ont pas la possibilité de sporuler. Il faut noter que la totalité des bacilles à Gram + sporulent en situation de stress. Pour mettre en évidence les spores au microscope optique, il suffit de les colorer au vert de malachite. Mais on peut les deviner à la coloration de Gram (absence de coloration).
[modifier] Mobilité
- Les bactéries peuvent être équipées d'un ou plusieurs flagelle(s) leur permettant de se déplacer.
Pour definir le mode de deplacement des bacteries, on parle de Chimiotactisme. la bacterie evoluant dans un milieu se deplace selon des gradients de concentration pour se rapprocher de sa "nourriture"
[modifier] Capsule
- La capsule est formée de polymères (polysaccharides ou protides) disposé en couche à la périphérie de la bactérie. Celle-ci permet à la bactérie d'adhérer aux surfaces (coloniser les surfaces) et d'échapper au système immunitaire car les antigènes de surface sont recouverts par la capsule qui les rend indétectables. (Pouvoir pathogène)
[modifier] Critères biochimiques
On identifie aussi une bactérie en observant si elle utilise tel ou tel substrat, on la met donc en contact dans un milieu de culture avec un glucide ou un peptide ou d'autres substrats plus compliqués. On peut révéler l'utilisation de ce substrat par virage d'un indicateur de pH car un glucide utilisé donne un produit acide, un peptide donne un produit basique, etc. Chaque famille de bactéries a des caractères propres, on peut donc les rassembler facilement avec des caractéristiques de base comme l'utilisation du glucose avec ou sans oxygène, la réduction des nitrates, etc. Ensuite, on dispose de galeries d'identifications biochimiques qui sont parfois vendues par des sociétés spécialisées. Ces tests sont assez longs, de un à deux jours.
[modifier] Critères génétiques
On peut citer des techniques de Génie Génétique comme:
- la PCR pour cibler un gène présent uniquement chez une famille ou un genre bacterien par réhybridation spécifique de courtes séquences d'ADN (oligonucléotides amorces) synthétiques précises.
- les puces à ADN qui utilisent le meme principe mais ayant une précision allant jusqu'a la souche même.
[modifier] Les agents antibactériens
[modifier] Les agents physiques
Ont peut citer les agents suivants :
- La chaleur : à partir de 65°C, les protéines sont dénaturées, cependant certains micro-organismes sont capables de supporter des températures plus élevées.
- Le pH : qu'il soit trop acide ou trop basique.
- Les hautes pressions : à partir de 6 000 bars. Ainsi, c'est avec un traitement par la pression que l'on stérilise les jus de fruits produits en industrie.
- L'aW : moins il y a d'eau libre dans un milieu, moins les bactéries pourront se développer ( Staphylococcus aureus se développe à partir d'une Aw de 0.83 )
[modifier] les agents chimiques
à suivre
[modifier] Les antibiotiques
Les antibiotiques sont des substances chimiques qui ont une action spécifique avec un pouvoir destructeur sur les micro-organismes. Elles sont dépourvues de toxicité pour les autres cellules. Ces molécules peuvent avoir une action drastique, c'est-à-dire bactéricide ou fongicide, leur efficacité peut être également limitée à empêcher le développement des micro-organismes (on parle alors d'action bactériostatique ou fongistatique).
Voir l'article détaillé Antibiotique.
[modifier] Les résistances aux antibiotiques
Voir l'article Antibiotique > Les résistances aux antibiotiques.
[modifier] La croissance bactérienne
C'est le pouvoir ou la capacité des bactéries à augmenter leur nombre ; il est en fonction du type de bactéries (thermophyles / mésophyles / pscychrophyles / pscychrotrophes / etc.) Quand des bactéries sont incubées dans un milieu liquide adéquat, elles continuent généralement à se multiplier de façon exponentielle jusqu'à ce qu'un facteur nécessaire à leur croissance approche de l'épuisement et devienne limitant ou que des produits métabolites inhibiteurs (acides organiques, alcools, ammoniaque, etc.) s'accumulent exagérément. Cette culture, pratiquée sans addition de nutriment ni élimination de déchets en cours de croissance, s'appelle une culture en milieu discontinu ou en batch qui constitue un système clos. Une culture de ce type se comporte comme un organisme muticellulaire avec une limitation de croissance génétiquement déterminée.
On peut représenter graphiquement la croissance d'une culture de ce type en portant le logarithme du nombre de cellules viables en fonction du temps. La courbe obtenue pourra être divisée en quatre phases : 1- phase de latence = x, 2- phase de croissance logarithmique de x à X, 3- phase stationnaire = X et 4- phase de décroissance exponentielle de X à 0.
[modifier] Diauxie
En présence de deux sources de carbone, les bactéries exhibent une courbe de croissance biphasique. L'analyse de ce comportement à permis à Jacques Monod de définir la notion d'opéron.
[modifier] Voir aussi
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