microalgues et cyanobacteries lacustres présentation...
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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
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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
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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
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Microalgues (eucaryotes)
(procaryotes)
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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
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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
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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
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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
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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
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Les toxines de cyanobactéries (Les toxines de cyanobactéries (cyanotoxinescyanotoxines))
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• 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))
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• 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)
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Les toxines de cyanobactéries (Les toxines de cyanobactéries (cyanotoxinescyanotoxines))
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! 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
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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
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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
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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
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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
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Échelles journalière, hebdomadaire
Exemples de mésocosmes
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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