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Présentation, dynamique des populations, toxicité, un cas particulier sur le Bourget

Stéphan JACQUET

18 mars 2003

CARRTEL

Centre Alpin de Recherche sur lesRéseaux Trophiques des Ecosystèmes Limniques

Task Group on Aquatic Microbial Food Webs

UMR CARRTEL - Station d’Hydrobiologie LacustreEquipe de Microbiologie Aquatique

MICROALGUES ET CYANOBACTERIES LACUSTRES

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Un échantillon prélevé dans le lacUn échantillon prélevé dans le lac

3

LeLe phytoplancton est composé dphytoplancton est composé d ’algues très ’algues très petites incapables de lutter contre le courant.petites incapables de lutter contre le courant.Néanmoins, certaines d’entre elles peuvent Néanmoins, certaines d’entre elles peuvent nager (flagelles)nager (flagelles)

LeLe point commun à tous les organismes point commun à tous les organismes phytoplanctoniques est leur fonction phytoplanctoniques est leur fonction photosynthétique qui est rendue possible photosynthétique qui est rendue possible grâce à la chlorophylle (molécule photogrâce à la chlorophylle (molécule photo--réceptrice)réceptrice)

Le phytoplanctonLe phytoplanctondu grec du grec phytophyto: plante et plancton: qui flotte: plante et plancton: qui flotte

LeLe phytoplancton utilise phytoplancton utilise -- la lumière,la lumière,-- le gaz carbonique le gaz carbonique -- et les composés minéraux solubles pour et les composés minéraux solubles pour se nourrir, croître (fabriquer de la matière se nourrir, croître (fabriquer de la matière organique) et libérer de l’oxygèneorganique) et libérer de l’oxygène

CO2 + H20 + nutriments ⇔⇔⇔⇔ CH20 + O2

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Phytoplancton

Poissonsicthyophages(ex: brochet)

Poissonsplanctonophages(ex: perche)

Zooplancton(ex: daphnies)

Homme

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On distingue au sein du phytoplancton On distingue au sein du phytoplancton les microalgues et les cyanobactériesles microalgues et les cyanobactéries

Les microalgues regroupent l’ensemble des eucaryotesLes cyanobactéries sont des bactéries photosynthétiques

Quelques caractéristiques- Organismes unicellulaires, filamenteux ou coloniaux- Taille de 1 à 400 µm- Distribution ubiquiste (océans, mers, lacs, rivières, sols, murs, troncs d’arbres, plantes, entre les poils des ours polaires!)

- > 14 000 espèces recensées dans les eaux douces- Existence depuis plus de 2,5 milliards d’années (les cyanobactéries sont responsables de la production d’oxygène atmosphérique et de la formation de la couche d’ozone)

- Reproduction asexuée ou multiplication le plus souvent- Nourriture pour animaux microscopiques (zooplancton)- Utilisation humaine (base alimentaire, colorants, cosmétiques)- Potentiellement nuisibles (proliférations ⇒ anoxie, toxines)

Les grands groupes du Les grands groupes du phytoplanctonphytoplancton

6

En faisant appel à deux critères:- la chimie des pigments et - la réserve cellulaire,il est relativement facile de classer les algues en plusieurs groupes.

Les grands groupes du Les grands groupes du phytoplanctonphytoplancton

Les chlorophycées

Les diatomées

Les dinophycées

Les chrysophycées

Les euglénophycées

Les cyanobactéries

7

Microalgues (eucaryotes)

(procaryotes)

8

Les diatoméesLes diatomées

Les Diatomées se présentent comme une boite(de camembert) avec donc deux valves quis’emboîtent l’une dans l’autre. Ce sont des alguessiliceuses qui ne contiennent pas d’amidon maisun polysaccharide comme sucre de réserve.

Les diatoméesLes diatomées

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Les dinoflagellésLes dinoflagellés

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Les Dinoflagellés se présentent comme un casque d’armure constitué par plusieurs plaques.Deux sillons logent chacun un flagelle. Les pigments caroténoïdes leur confèrent leur couleur brune-orangée. Pas d’amidon.

Les dinoflagellésLes dinoflagellés

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Les chlorophycéesLes chlorophycées

12

Les Chlorophycées sont des algues de couleur verte car très riches en chlorophylle a et b,leurs principauxpigments localisésdans les plastes. Dansces plastes, on trouvede l’amidon, sucrede réserve.

Les chlorophycéesLes chlorophycées

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Les chrysophycéesLes chrysophycées

14

Les Chrysophycéesssont des algues libresou coloniales le plussouvent flagellées (uncourt et un long). Les plastes jaune-or de cesorganismes sont à l’originede leur dénomination. Pasd’amidon.

Les Les euglénophycéeseuglénophycées

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Les Euglénophycéessont des algues unicellulairesle plus souvent mobiles grâceà leurs flagelles. Trèsproches des Chlorophycées,elles en différent par la naturedes réserves qu’elles produisent (duparamylon).Il existe aussides formes non chlorophylliennes.

Les cyanobactériesLes cyanobactéries

16

Les Cyanobactéries aussi appelées algues bleues ou algues vert-bleuessont des organismes intermédiaires entre bactéries et microalgues:

- bactéries car leurs cellules sont dépourvues de vrai noyau

- algues car elles contiennent des pigments photosynthétiques,typiquement la chlorophylle, la phycoérythrine, la phycocyanine.

Elles ont aussi des formes très variées:- unicellulaires- coloniales- filamenteuses

Les cyanobactériesLes cyanobactéries

17

Ces algues ne possèdent ni noyau véritable (ce sont des procaryotes) ni chromatophore. La chlorophylle et les pigments qui l'accompagnent souvent, en modifient la couleur. Ils ne sont pas portés par des plastes mais sont diffus, dispersés dans le cytoplasme qui prend alors une couleur homogène. Cette couleur des Cyanophytes est très variable, généralement bleu-vert, parfois vert-noirâtre ou brunâtre, rouge, bleu ou même violet. Ces variations sont dues à des mélanges divers de chlorophylle verte, de phycoérythrine rouge et de phycocyanine bleue. Les réserves sont constituées par un polysaccharide voisin du glycogène et qui prend une teinte acajou avec la solution iodo-iodurée

Les cyanobactériesLes cyanobactéries

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Microcystis Anabaena Anabaena Gomphosphaeria

Aphanizomenon Merismopedia Microcystis Planktothrix

Prolifération de cyanobactériesProlifération de cyanobactéries

19

Les toxines de cyanobactéries (Les toxines de cyanobactéries (cyanotoxinescyanotoxines))

20

• Depuis l’An 1000 (Chine), intoxications de soldats (Chorus et Bartram, 1999)

• Australie, mort d’animaux (Francis, 1878)

• Tous les habitats (aquatiques dulçaquicole, saumâtre, marin, terrestres)

• Tous les continents

Les toxines de cyanobactéries (Les toxines de cyanobactéries (cyanotoxinescyanotoxines))

21

• Fortes proportions d’efflorescences toxiques (une sp. au moins) :

44 % en Finlande (Sivonen, 1990)

48 % Norvège (Willen et Mattsson, 1997)

53 % Suède (Willen et Mattsson, 1997)

60 à 80 % au Danemark (Henriksen et Moestrup, 1997)

72 % en Allemagne (Fastner et al., 1999)

• Tous les ordres de CyanobactériesChroococcales (3 genres)Oscillatoriales (6 genres)Nostocales (8 genres)Stigonématales (2 genres)

la plupart des cyanobactéries communes formant des efflorescences sont potentiellement toxiques

Les toxines de cyanobactéries (Les toxines de cyanobactéries (cyanotoxinescyanotoxines))

• Genres toxiques(Chorus et Bartram, 1999)

Une même espèce peut synthétiser plusieurs (types de)toxines,et pls toxinessimultanément(ex.: A. flos-aquae)

22

Les toxines de cyanobactéries (Les toxines de cyanobactéries (cyanotoxinescyanotoxines))

23

! microcystines ! nodularines ! cylindrospermopsine! PSPs ! anatoxine-a ! anatoxine-a(S) ! homoanatoxine

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(Antarctique)

(Hawai)

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(source : thèse M. Gugger)

Impacts des cyanobactéries

# Ecologique:

- Perturbations du fonctionnement des écosystèmes- Ombrage- Chaînes trophiques

- Anoxie à la fin du bloom

# Sanitaires

- Mortalité et morbidité chez les (in)vertébrés aquatiques et terrestres

- Contamination humaine

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Empoisennement humain par les cyanotoxines

# Effets à court terme- Maladies gastro-intestinales et hépatiques- Mort de patients dialysés au Brésil

# Effets chroniques- Carcinomes hépatiques

Principales routes d’exposition- Orale: eaux de boisson, produits contaminés- Orale et dermatho: eaux de baignade- Hémodialyse

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Le contrôle environnemental est peu connu

26

Signifiance biologique, rôle fonctionnel des toxines :

- Assimilation et incorporation des nutriments pour la croissance- Associations bénéfiques avec d’autres microbes- Rôle protecteur vis-à-vis du zooplancton, bactéries, virus, champignons- Pool de réserves de métabolites

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

27

Quels sont les facteurs environnementaux et les processus favorisant ou non la croissance des populations phytoplanctoniques ?

Lumière

Température

Turbulence

Advection

Sédimentation

Nutriments

Salinité

Polluants

Toxines

Nourriture

Prédation

Compétition

Lyse virale

physiques chimiques biologiques-----------------------------Facteurs--------------------------

Temps

Effe

ctif

des

popu

latio

n s

28

La dynamique des populationsLa dynamique des populations

Propriétés individuelles des organismes populations

+

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

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Cyanobactéries et microalgues

Prédation et parasitisme(zooplancton, virus…)

Mortalité

Nutriments minéraux+ lumière

+ température

Croissance

Contrôle des communautés phytoplanctoniques

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

30

Lumière et température

7 °C

24 °C

7 °C

0 m

50 mHIVER ETE

prof

onde

ur

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

31

1 jan 1 mai 1 sep 1 jan 1 mai 1 sep0

50

100

150

200

Sur

face

(103

cell

ml-1)

Date

12

14

16

18

20

22

24

26

Temperature

Microalgue 1Microalgue 2Temperature

Lumière et température

ÉchellesSaisonnière,annuelle

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

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Échelles journalière, hebdomadaire

Exemples de mésocosmes

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

33

Time (days)

+N +PControl

+ 10C1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

A

D

Cyanobactéries

C

BC

once

ntra

tion

(x 1

03 cel

l.ml-1

)

0

50

100

150

2000

50

100

150

200

+N +P +10C

Nutriments, compétition, prédation

Prédateurs

Bactéries

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

34

0 m

50 mJuil 99 Nov. Mars 00 Juil Nov Mars 01 Juil

Le cas d’une cyanobactérie qui prolifère dans le lac du Bourget depuis 1996

Planktothrix rubescens(« le sang des Bourguignons »)

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

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Généralement, les cyanobactériesprolifèrent dans des milieux « pollués »par le surplus de nutriments (phosphore)

… dans le lac du Bourget, les concentrationsde ces nutriments diminuent depuis le débutdes années 80

Le cas d’une cyanobactérie qui prolifère dans le lac du Bourget depuis 1996

Mais …

⇒ SITUATION INATTENDUE, PARADOXALE A EXPLIQUER

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P-PO

4 (µg

.l-1)

0

30

60

90

120

150

180 1969 - 2002

Année 2001PO4 ~ 18 µg.l-1Ptot ~ 26 µg.l-1

Processus de restauration de laqualité des eaux du lac du Bourget

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

37

Chl

a (µ

g.l-1

.yea

r-1)

4

5

6

7

8

9

10 1988 - 2001

Tran

sp. (

m)

4

5

6

7

Année 2001Transp moy ~ 6.2 mTransp min ~ 3.3 mChloro ~ 7.7 mg.m-3

1984 - 2001

printemps

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

Processus de restauration de laqualité des eaux du lac du Bourget

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cependant, depuis 1996

Été2000

Automne2000

Hiver2000 / 2001

Printemps2001

Fluoroprobe(µg / L chlorophylle a)

Cell counting(Number of cells / mL)

0

20

40

0

20

40

Dep

th(m

)D

epth

(m)

Planktothrixrubescens

Fluoroprobe

Comptage cellulaire

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

39

0 m

50 m

1

2

3

4

5

6

03-A

ug-99

31-A

ug-99

13-S

ep-99

29-S

ep-99

14-O

ct-99

03-N

ov-99

16-N

ov-99

29-N

ov-99

07-D

ec-99

22-D

ec-99

05-Ja

n-00

18-Ja

n-00

31-Ja

n-00

15-Feb

-0010 m

15 m

20 m

Eq. MCYS LR (µg.l-1)WHO drinking waterguideline conc. of 1µg.l-1

Bloom et production de toxinesC

onc.

(µg.

l-1)

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

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Pourquoi ?

Les blooms à cyanobactéries résultent de situations de compétition entre espèces phytoplanctoniques

Facteurs environnementaux favorisant ces situations :# Pollution nutritive (54 % des lacs européens eutrophes)

# Stabilité de la colonne d’eau (blooms en été principalement

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

36

Pourquoi les cyanobactéries gagnent la compétition ?

- Contrôle de leur flottabilité

- Hétérocystes- Capacité de stockage

- Pigments accessoires(phycoérythrine,…)

- Organisation multicellulaire(filament, colonie)

- faible qualité nutritive

- Synthèse de toxines

Défense contre la prédation

nutriment/lumière

La dynamique des populations ou l’écologie du phytoplanctonLa dynamique des populations ou l’écologie du phytoplancton

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$ Faible lumière, faible température, faible conc. en nutriments$ Boosté par apports rapides de P$ Espèce de fin d’été – début d’automne$ Nécessite une colonne d’eau stabilisée $ Contrôle de la flottabilité$ Filamenteuse et toxique donc faiblement broutée$ probablement peu affectée par un contrôle par les virus$…

Le cas particulier de P. rubescens(Exp. Labo, dynamique in situ, littérature)

7 °C

24 °C

P +++

P +++

P +++

P +

P +++

P -

Conditions eutrophes Conditions mésotrophes

84 010

10

20

30

Année

Limité inférieurede P<10 µg.l-1

43

L’ influence du changement global?

Température au fond

Avance de la stratification

Tem

p(°

C)

Julia

n da

ys

4.5

5.5

6.5

84 01

84 01

Transparence deseaux (printemps)

Tran

sp(m

)

84 01

60

100

80

120

4

5

6

Températures plus élevéesStratification plus longueBrassage écourtée

Years

44

Influence climatique=

Hivers et printemps plus chauds

Pression humaine=

Réduction de P

Avance du bloom printanier& du dévelop. zooplanctonique

=Avance du déclin des populations

& avance de la phase d’eaux claires

Eaux de surface dépourvues de P

=Enfoncement des populations

& la zone dépourvue de P

Espèces très compétitives pour ce nouvel environnement :

faible nutriment, faible lumière, stabilité

Planktothrix rubescens

pas ou peu broutée

Un scénario réaliste

Bourget, Léman,Zurich, …

Mesures de prévention/lutte

#### Pour les grands lacs:Réduction des nutriments: Phosphore (< 10 µg/l)

Permissible inputs Dangerous inputs

P N P N(g m-2 a-1) (g m-2 a-1) (g m-2 a-1) (g m-2 a-1)

MeanDepth (m)

< 5 < 0.07 < 1.0 > 0.13 > 2.0< 10 < 0.1 < 1.5 > 0.2 > 3.0< 50 < 0.25 < 4.0 > 0.5 > 8.0< 100 < 0.4 < 6.0 > 0.8 > 12.0< 150 < 0.5 < 7.5 > 1.0 > 15.0< 200 < 0.6 < 9.0 > 1.2 > 18.0

Renewal time of 2 m3 m-2 a-1 Vollenweider/OECD

Permissible and dangerous inputs for P and N in lakes

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# Pour les petits lacs:

- Précipitation du phosphore

- Construction de pré-reservoir pour retenir P

- Dragage du sédiment et retrait de P

- Traitements physiques et/ou chimiques:- Brassage vertical- Sulfate de cuivre

- Bio manipulations- Poissons, virus…

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Mesures de prévention/lutte

Sources & RemerciementsSources & Remerciements

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$ Luc BRIENT (photographies des microalgues)

$ Robert G Wezel (Limnology, lake and river ecosystems)

$ Hilda CANTER-LUND & John WG LUND(Freshwater algae: their microscopic world explored)

$ Christer BRONMARK & Lars-Anders HANSSON(the biology of lakes and ponds)

$ Jean-François BRIAND & Jean-François HUMBERT