Histoires cachées Un peu de microbiologie aquatique...

Histoires cachées Un peu de microbiologie aquatique (morceaux choisis)

« Ce qui est important, ça ne se voit pas » (Le petit prince, Saint-Exupéry)

Stéphan JACQUET

Le lac de Paladrun° 5

Le lac d’Aiguebelletten° 4

Le lac d’Annecyn° 3

Le lac du Bourgetn° 2

Le lac Lémann° 1

12 ansTemps moyen de renouvellement

des eaux

72,3 kmLongueur dans l'axe

13,8 kmLargeur maximum

89.109 m3Volume total d'eau

309 mProfondeur maximum

372 mAltitude moyenne

167 kmPérimètre du lac

234 km2 (40%)

348 km2 (60%)

582 km2Superficie du plan d'eau

Le lac Léman

Biologie étude du vivant

---------------------------------------

Ecologie étude des interactions entre le

vivant et l’environnement

CharacéesAnnecy

Elodée de Nuttallinvasive

Plantes et macroalgues

Potamot perfolié

Macrophytes (<10)

Plantes et algues

Potamot pectiné

Myriophylle en épi

Macrophytes

Plantes et algues

Spirogyres

Macroalgues (2)Cladophora

Poissons (<20)

Perche

Lotte

Brochet

Poissons

Omble chevalier

Carpe

TancheChevaine

Poissons

Gardon

Féra ou corégone ou palée

Truite (2)

Crustacés (100)

Ecrevisses (3)Invasives

Ecrevisse américaineEcrevisse de CalifornieEcrevisse à pattes grêles

Crustacés

Gammare du Danubeou crevette tueuseinvasive

Mollusques (<10)

Annodontes

Mollusques

Dreissene ou moule zébréeinvasive

MollusquesEscargots (3) = pas forcément bon signe ?

Limneastagnatys

Puce du canard

CanardsCygnes

Goélands

Petit escargot operculéinvasive

Phytoplancton

Poissonsicthyophages(ex: brochet)

Poissonsplanctonophages(ex: perche)

Zooplancton(ex: daphnies)

Quand les « gros » ont besoin des petits

Contexte globalBoucle microbienne

Chaîneclassique

Zooplancton

Phytoplancton

Nutriments inorganiques Nutriments organiques

virus

Bactéries

Protozoaires

Le réseau trophiquePoissons

Réseau trophique pélagique

Abondance des organismes dans 1 ml d’échantillon d’eau (lac, mer, océan)

Virus / phages 10 000 000

Bactéries hétérotrophes 1 000 000

Bactéries photosynthétiques 100 000

Protozoaires < 10 000

Microalgues < 5 000

Zooplancton << 1

Poissons 0

Avec quelques chiffres

Quelques copépodes

Cyclops prealpinus

Cyclops vicinus

Chair saumonée des poissons

Eudiaptomusgracilis f

Quelques cladocèresDaphnia hyalina

Quelques flagellés et ciliés

Oocystis lacustris Pediastrum boryanum

Dictyosphaerium pulchellum

Pediastrum tetras

Eudorina elegans Scenedesmus acutus

Quelques chlorophycées

Quelques diatomées

Asterionella formosa Cyclotella cyclopuncta Fragilariacrotonensis

Navicula tripunctataNitzschia dissipata

Quelques cyanobactéries

Chroococcus turgidus

Merismopedia glauca

Merismopedia punctata Planktothrix rubescens Pseudanabaena galeata

Anabaena sp.

Quelques cyanobactéries

Quelques cryptophycées

Rhodomonas minuta Rhodomonas minutaVariété

Quelques chrysophycées

Dinobryon divergensDinobryon cylindricum

Dinobryonelegantissimum

Quelques desmidiacées

Ceratium hirundinella

Micrasterias sp.

Mougeotia sp.

Spyrogira sp.

Staurastrum sp.

Quelques virus et bactéries

Recherches en microbiologie aquatique

Quels sont les organismes ?Identité, diversité, biodiversité

Que font-ils ?Dynamique, succession d’espèces, rôle, fonction

Sont-ils dangereux ?Toxicité, autre

Sont-ils (ir)remplaçables ?Compétition, résistance, fitness

Recherches en microbiologie aquatique

Quels sont les organismes ?Identité, diversité, biodiversité

Que font-ils ?Dynamique, succession d’espèces, rôle, fonction

Sont-ils dangereux ?Toxicité, autre

Sont-ils (ir)remplaçables ?Compétition, résistance, fitness

Recherches en microbiologie aquatique

Diversité des communautés naturelles

Quelles techniques pour analyser la diversité ?

•Méthodes classiques:

•Nombre restreint d’échantillons (temps, coût, expertise)

•1-5% de micro-organisms sont cultivables (sous-estimation)

•Méthodes biomoléculaires:

•Différentes techniques pour différentes questions

•Méthodes qui ne nécessitent pas la mise en cultures

•Méthodes non-destructives (FISH,…)

•Méthodes destructives (SSCP, DGGE,...)

Recherches en microbiologie aquatique

Méthodes DestructivesExtraction de lExtraction de l’’ADNADN

Méthodes NON Destructives

Echantillon Echantillon naturelnaturel

FISH (comptage en microscopie ou cytométrie)

PCR(gène marqueur phylogénétique)

indirecteindirecte directedirecte

Gradient de densité

Cinétique de réassociation ADN\ADN

Clonage

SEQUENCAGE(Banque de données)

D/TGGESSCPRISARFLPT-RFLP

% GC Nombres de génomes différents

Méthodes biomoléculaires

Techniques de » fingerprinting » moléculaires

Recherches en microbiologie aquatique

Recherches en microbiologie aquatique

Quels sont les organismes ?Identité, diversité, biodiversité

Que font-ils ?Dynamique, succession d’espèces, rôle, fonction

Sont-ils dangereux ?Toxicité, autre

Sont-ils (ir)remplaçables ?Compétition, résistance, fitness

Recherches en microbiologie aquatique

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

La dynamique des populationsLa dynamique des populations

Propriétés individuelles des organismes populations

+

Date du début de stratification thermique

1-mai

15-mai

29-mai

12-juin

26-juin

1970 1980 1990 2000

Moyennes annuelles des températures au fond du lac

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

1960 1970 1980 1990 2000

Evolution des dynamiques planctoniques au cours d’une réoligotrophisation sur un fond de

réchauffement climatique

Pour le phytoplancton, le scénario dégagé rend compte d’une évolution plus saltatoire que régulière

Jusqu’en1985

Période1986-1991

Période1988-à

nos jours0

5001000150020002500300035004000

Espèces d’automneEspèces de

printempsEspèces

d’été

moisJ F M A M J J A S O N D

J F M A M J J A S O N D0500

1000150020002500300035004000

J F M A M J J A S O N D

mois

Espèces d’automne

Espèces deprintemps

Espècesd’été

0500

10001500200025003000

mois

Espèces d’automne

Espèces deprintemps

Espècesd’été

!La cinétique du développement vernal tend à s’accélérer

100

1100

2100

3100

4100

5100

74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98Années

Biom

asse

(µg

.l-1

)

Biomasse observée en AvrilInterpolée (15 du mois)

!Et les espèces indésirables, initialement automnales, sont revenues en force depuis 1988, et s’accumulent de + en plus tôt au cours de l’été

Phytoplancton….

Automne

0500

1000

1500

2000

2500

J F M A M J Jt A S O N D

Bio

mas

se (µ

g.l-1

)

Printemps

Eté

Broutage par le zooplancton

herbivore :Phase des

eaux claires

Les cyanobactériesLes cyanobactéries

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

Microcystis Anabaena Anabaena Gomphosphaeria

Aphanizomenon Merismopedia Microcystis Planktothrix

En 1476 eut lieu la bataille de Morat (Suisse) au cours delaquelle les troupes de Charles le Téméraire furent défaites et précipitées dans le lac du même nom. A la suite de quoi le lac devint rouge, couleur attribuée à la remontée du « Sang des Bourguignons » et due, en fait, à la prolifération de la cyanobactérie Planktothrix rubescens

Conditions eutrophes Conditions mésotrophes50

00

1000

0

1500

0

2000

0

2500

0

3000

0

3500

0

4000

0

4500

0

5000

0

5500

0

6000

065

000

7000

0

5000

1000

0

1500

0

2000

0

2500

0

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0

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0

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0

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0

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0

5500

0

6000

065

000

7000

0

0 m

50 m

Eté1999 Eté 2000 Eté 2001 Eté 2002 Eté 2003

Pourquoi les cyanobactéries « gagnent » souvent lorsqu’elles sont en situation de compétition ?

Cyanobactéries et microalgues

Prédation et parasitisme(zooplancton, virus…)

Top-down control

Nutriments minéraux+ lumière

Bottom-up control

Contrôle des communautés phytoplanctoniques

- Controle de la flotabilité

- Présence de cellules spécialisées(hétéocystes, akinètes)

- Capacité de faire des réserves

- Pigments accessoires(phycoérythrine, …)

- Organisation multi-cellulaire(filaments, colonies)

- Faible qualité nutritionnelle

- Synthèse de toxines

Défense contre les prédateurs

Utilisation lum / nuts

Pourquoi les cyanobactéries « gagnent » souvent lorsqu’elles sont en situation de compétition ?

Conditions eutrophes Conditions mésotrophes

! adapté à faible lumière, faible conc. nutriments! capacité de réserve et de photo-hétérotrophie! été tardive – espèce automnale! requiert une colonne d’eau stable! capable de réguler sa flottabilité! filamenteuse & toxique : faible pression des prédateurs! probablement peu affecté par la lyse virale! …

Le cas particulier de P. rubescens dans le Bourget

7 °C

24 °C

P +++

P +++

P +++

P +

P +++

P -

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

Un scénario réaliste ?

Bourget, Léman,Zurich, …

pas ou peu broutée

Recherches en microbiologie aquatique

Quels sont les organismes ?Identité, diversité, biodiversité

Que font-ils ?Dynamique, succession d’espèces, rôle, fonction

Sont-ils dangereux ?Toxicité, autre

Sont-ils (ir)remplaçables ?Compétition, résistance, fitness

Expériences au laboratoiresur la croissance de l’espèceet sa production de toxines

Temps (j)

0 20 40 60 80 100

DO

(570

nm)

2

1

0

Temps (j)

2 6 20 64 87 112

extraintra

EqM

C-L

R (µ

g.l-1

)

0

200

400

600

Suivi in situ

0

2

4

6

8

28/01/03 12/02/03 25/02/03 11/03/030.0

0.2

0.4

0.6

0.8Zooplancton sans dièteZooplancton avec dièteSeston

MC

YST

équi

-LR

(µg/

g de

zoo

plan

cton

)

MC

YST

équi

-LR

(µg/

L de

ses

ton)

6229

3771

4286

2994

Planktothrix rubescens (# cellules/mL)

Relations cyanobactérie -zooplancton

RESEAUXTROPHIQUES

Zooplancton&

Toxines

Vecteur de transfert Accumulateur

Planktothrix rubescens

Ecologie virale

Ecologie virale

1. Pourquoi s’y intéresser ?- groupe biologique le plus abondant- impact important sur la structure et le

fonctionnement des écosystèmes- cycle de la matière (carbone, nutriments)- l’écologie virale débute

2. Quelle importance écologique ?- réduction de la production primaire et bactérienne- terminaison des efflorescences algales- affectation de la dynamique des populations et de la diversité

des communautés planctoniques- transferts et recombinaisons génétiques

3. Applications potentielles ?- contrôle des blooms à cyanobactéries toxiques

Ecologie virale

Quelle est la dynamique des communautés bactériennes et virales ?

Quelle est la diversité de ces communautés ?

Quel est le rôle des virus en tant qu’agents de mortalité bactérienne ?

Ecologie virale

LAC LEMAN

Dates (jours)

37500 37600 37700 37800 37900

Pro

f (m

)

0

10

20

30

40

50

5e+7 1e+8 2e+8 2e+8 3e+8 3e+8 4e+8 4e+8

juillet 2002 octobre 2003

Ecologie virale

Ecologie virale

Fraction whole water (%)

Het

. bac

teria

l app

aren

t gro

wth

rate

(d-1

)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5Exp1: March-AprilExp2: MayExp3: August

20 40 60 80 100

Mortalité journalière imputable aux virus de

38 % en mars - avril26 % en mai34 % en août

Mortalité journalièredue aux protistes de

56 % en mars - avril63 % en mai18 % en août

Impact sur la mortalité bactérienne « in situ »

Lac du Bourget

EtudiantsStagiairesLycéens !