Le Lac Pavin, un lac unique en France

Originalités, Légendes, Réalités et Interrogations scientifiques

Anne-Catherine LEHOURS

LMGE, Université Blaise Pascal, UMR CNRS

6023

Equipe

Diversité

Spécifique et Fonctionnelle des Réseaux Trophiques Aquatiques

Equipe

Virus et Métabolismes microbiens en milieu aquatique

Gérard Fonty

DR CNRS

Equipe

Diversité

Spécifique et Fonctionnelle des Réseaux Trophiques Aquatiques

Equipe

Virus et Métabolismes microbiens en milieu aquatique

Ecosystèmes aquatiques

Equipe

Diversité

Spécifique et Fonctionnelle des Réseaux Trophiques Aquatiques

Equipe

Virus et Métabolismes microbiens en milieu aquatique

Ecosystèmes aquatiques

Organismes aquatiques

Diversité (Biodiversité)FonctionsInteractionsFlux de matière et d’énergie

Cycles biogéochimiques

C

N

P

S

Fe

Equipe

Diversité

Spécifique et Fonctionnelle des Réseaux Trophiques Aquatiques

Equipe

Virus et Métabolismes microbiens en milieu aquatique

Ecosystèmes aquatiques

(Micro-) Organismes Aquatiques

Diversité (Biodiversité)

Fonctions

Interactions

Flux de matière et d’énergie

Cycles biogéochimiques

Ecologie Microbienne

Ecologie Aquatique

Complexité d’étude (réseaux d’interactions, dynamique spatio-temporelle, diversité métabolique)

Origines de cette disciplineObjectifs

Pourquoi étudier les microorganismes?

Qu’est ce que l’Ecologie Microbienne ?

Dans la conscience collective, le mot «

microbe

»

est (très souvent) associé

à

Microorganismes = ennemis absolus de nos existences et agents impitoyables de toutes les corruptions et maladies?

MICROBES ?

FIEVRE DIARHEE

HEMORAGI

ES

CHOC

TOXIQUEANEMIE

-

Contagion-

Epidémie

-

Contamination, etc.

Louis Pasteur (1822-1895)

-Fermentations

-

Vaccin contre la rage

Robert Koch (1843-1910)-Bacille de la tuberculose

-Vibrion du choléra

Pionniers de la microbiologie moderne et

médicale

Sergei Winogradsky (1856-1953)

Martinus Beijenrinck (1851-1931)

Pionniers de l’écologie microbienne

Microbes= (aussi) auxiliaires indispensables et bénéfiques

de notre environnement

Le monde microbien

«

PARADOXE

des connaissances»

Communication entre microorganismes ?Structure des communautés?Façonnent les écosystèmes ?

HégémoniqueCosmopolite

DiversifiéRéseau d’interactions

aborde la place et le rôle des microorganismes dans un habitat (environnement, écosystème) ainsi que les interactions des micro-organismes entre eux et avec leur milieu.

Ecologie microbienne

BIOCENOSE

BIOTOPE

Populations et fonctions qui sous-tendent le fonctionnement des écosystèmes

Mécanismes fondamentaux (interactions, métabolismes) qui régissent l’homéostasie

de la biosphère

Microorganisme

= organisme microscopique

bactéries, champignons, protistes, [virus], etc…

Présentation centrée sur Bactéries

Pourquoi les écologues s’intéressent aux bactéries?

1- Most abundant organisms on earth

Comment quantifier ces microorganismes?

Milieux de culture (< 1%)

Sous-estimation de l’abondance des bactéries dans l’environnement

Approches moléculaires

: fluorochrome / sondes marquées (FISH)

Cytométrie en flux

Microscopie à épifluorescence

« Il y a un milliard de fois plus de bactéries sur terre que d’étoiles dans l’univers »

1030 bactéries

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

10 milliards

10 milliards de milliards

1 milliard de trillards

Biomass

350-550 1015 g of carbon

60-100% of the estimated total carbon in plants

85-130 Pg of N and 9-14 Pg of P (~10 fold more of N and P than in plants- largest pool of these nutrients in living organisms)

Dynamique spatio-temporelle de l’abondance et de la biomasse

bactérienne

Temps/ Espace

2- Incredible diversity

Allan T. Bull 2004-Microbial diversity and Bioprospecting

Comment estimer la « biodiversité » microbienne?

Diversité

morphologique: bacille, coque, flagelles, etc.

Comment estimer la « biodiversité » microbienne?

Diversité

fonctionnelle: rôle dans les cycles biogéochimiques .

Composé

organique

SO42-

NO3-

Fe 3+

Mn 4+

CO2

e-

H2 S

Mn2+

N2

Fe2+

CH4

Comment estimer la « biodiversité » microbienne?

Milieux de culture (< 1%)

Sous-estimation de l’abondance des bactéries dans l’environnement

La grande majorité des bactéries n’ont pas encore été cultivées

Comment estimer la « biodiversité » microbienne?

Diversité

phylogénétique: considère l’ancêtre commun des organismes

Comparaison séquences de marqueurs moléculaires

ATGCTTAGGCTAGACTCG(……)TCAGCT

ATCGTTGACATGGATCTG(……)TTGACT

Bact A

Bact B

Règne

Embranchement

Classe

Ordre

Famille

Genre

Espèce

Animalia

Chordata

Mammalia

Primates

Hominidae

Homo

Sapiens

Bacteria

Proteobacteria

Epsilon Proteobacteria

Campylobacterales

Helicobacteriaceae

Helicobacter

Pylori

Classifier les microorganismes comme les «

macroorganismes

»

Woese based his classification on molecules, not how organisms look or act. This transition from classification based on phenotype (taxonomy) to one based on genotype

enabled him to

determine the evolutionary relationships

(phylogeny) among bacteria

Carl Woese

Comment estimer la « biodiversité » microbienne?

Comment estimer la « biodiversité » microbienne?

Diversité

phylogénétique: considère l’ancêtre commun des organismes (évolution)

ARNr: macromolécule constitutive des sous unités ribosomales

3- Two of the three domains

of life (Archaea and Bacteria)

From the first «

vision

»

of evolution…

Charles Darwin (1809-1882)

Le voyage de Charles Darwin sur le Beagle

Page from Darwin's notebooks around July 1837 showing his first

known sketch of an evolutionary tree.

Robert Harding Whittaker (1920-1980)

Monères

Protistes

ChampignonsPlantes Animaux

…To the «

modern

vision

»

of evolution

BACTERIA

ARCHAEA

EUCARYA

BACTERIA

ARCHAEA

EUCARYA

On ne sait encore que très peu de choses sur la biodiversité microbienne…..

→ Projets internationaux (ex: TARA Oceans)

4- Discoveries of microbial diversity expand the frontiers of knowledge about the limits and strategies of life

"It is a lovely day in the San Francisco Bay area. But then, I’m a Homo Sapiens with a rather

parochial definition of “lovely”-roughly 20-27°C, mostly sunny, atmophere pressure of 1 bar, 21% O2

and so on. “Frigid” cries the thermophile. “I can’t take the low pressure” declares the barophile. “Too

much oxygen” gasps the anaerobe."

Strain 121: The current champion!

« Was Nature ready for the A-bomb? »

1956:

Chercheurs américains (Agricultural Experiment Station, Oregon) stérilisent des boites de viande par rayons Gamma

RADIATION

Rayon gamma

La nourriture s’abime

Quel organisme peut résister aux rayons gamma et

continuer de s’alimenter?

Deinococcus radiodurans

« Conan the bacterium »

D. radiodurans can be exposed to levels of radiation (20 KGy) that blow its

genome into pieces

only to have the organism repair its genome and be back

to normal operations in a day.

5- Microbes represent the largest untapped reservoir of biodiversity for potential discovery of new technology products, such as biopharmaceuticals, new enzymes, or organisms that carry out novel processes

Proposer une énergie renouvelable sans émission de gaz à effet de serre

Production d’hydrogène par voie microbiologique

R. Nouaille (chercheur au LMGE)

BIOREMEDIATION

Équipe Ecotoxicologie Microbienne-LMGE

« Arctic bacteria may point to oil deposits ».

The discovery of heat-loving bacteria in cold Arctic Ocean sediments could lead to development of a tool to help explorers detect oil

and gas

riches under the ocean's floor, according to a Calgary-educated scientist.

(…) The spores might provide a unique opportunity to trace seepages from the hot subsurface, possibly pointing towards undiscovered offshore petroleum deposits.

Powerful Ideas: Bacteria Clean Sewage and Create Electricity

http://www.geobacter.org/

6-Microbes are critical to the sustainability of life on earth, including recycling of elements, maintenance of climate, degradation of wastes

« Le cœur de la machine climatique? »

Source: F. Partensky Station Biol. Roscoff

Synechococcus Prochlorococcus Abondance 0.2 x 1027 cells 3 x 1027 cells Biomasse estimée 43 Mt C 120 Mt C Taille 0.8-1.2 µm 0.5-0.8 µm Distribution Ubiquiste 40°S-45°N

e-

O2

Composé organique

H2 0

Zone oxydée

Zone anaérobie

SO42-

NO3-

Fe 3+

Mn 4+

CO2

e-

e-

H2 S

Mn2+

Bacteria

NH4+

Fe2+

CH4

Bacteria et Archaea

Archaea

Rôle dans les cycles biogéochimiques de nombreux éléments

Minéralisation de la MO

CO2CH4

Les inextricables interactions des

réseaux microbiens

Syntrophisme

Parasitisme

Compétition

Coopération

Prédation

Lyse virale

Transfert

Versatilité

Flux

Activités

Exemple des communautés productrices et consommatrices de

méthane dans le lac Pavin

Le Lac Pavin: Mythes et Légendes

Primauté incontestée parmi les vingt autres lacs de la région des Monts Dores

« Ce fut vraisemblablement, à l’origine un énorme trou plein d’eau, perdu dans la forêt celtique, à peine connu de quelques hardis chasseurs qui ne s’en approchaient sans doute qu’avec une crainte superstitieuse, car pour ces imaginations frustres il ne pouvait qu’être le séjour de génies sombres et malfaisants. » (Le Lac Pavin, Guide du touriste et du naturaliste (A.Eusébio-

Directeur de la station limnologique de Besse).

Lac Pavin: Objet de nombreux mythes et légendes

On l'a prétendu sans fond.

On a affirmé qu'aucun esquif ne pouvait s'y aventurer ni aucun poisson y vivre.

On assure même encore qu'une pierre jetée dans ses eaux déchaîne sur-le- champ tempêtes et ouragans

Pavens: "qui répand la terreur"

Lac Pavin: un des sites les plus fréquentés en Auvergne (20 000 sites référencés sur Google)

"Le Lac fait des pleurs de Satan", La Montagne (21 août 2005)

Le Lac Pavin: un site d’étude exceptionnel, unique en

France

"Site atelier"

pour de nombreuses équipes scientifiques (françaises et étrangères)

Contexte géologique: Cratère de maar

36 K

m

Représentant de la plus récente manifestation volcanique en Auvergne

(3500-6000 ans BP)

Nuages de cendres et de gaz

Projections de bombes, de lapilii, et d’éléments du socle

Coulée de lave

Eau

SocleMagma

Cône de scories

Le Lac Pavin

-60 m

-70 m

-10 m

-50 m

-80 m

-90 m

-30 m

-40 m

-20 m

Valeur de creux= P max / S1/²= 0.14Lac Chauvet: 0.09, La Godivelle: 0.12

Gourd de Tazenat: 0.13

800 m (Surface= 44 Ha)

92 m

- 60 m

- 70 mChémocline

Temps de résidence des eaux 8-10 ans (mixolimnion)

300 ans (monimolimnion)

chémocline60 m

70 m

Mixolimnion

Monimolimnion=

zone anoxique permanente

Unique représentant des Lacs méromictiques

en

France

O2

O2X

Le Lac Pavin

Laboratoire de Géochimie des Eaux (LGE, Paris VII)

Conditions de l’atmosphère primitive

Lac Nyos, Cameroun, 1986, 1746 morts

CO2

N2

CH4

LGE, Paris VII

2Fe2++3/2 O2 Fe2 O3

Fe (II) ~

1200 µM

[H2

S]~

20 µM

2 H2 S+O2 2S+2H2 O

Lac Pink, Parc de la Gatineau (Outaouais, Québec)

"Le lac Pink atteignait une profondeur de vingt mètres et son fond était recouvert de trois mètres de boue. […] mais en raison même de cette profondeur, les eaux de

surface ne se mêlaient pas aux eaux du fond. A partir de quinze mètres, celles-ci ne bougeaient plus, jamais remuées, jamais oxygénées, non plus que les vases qui

renfermaient ses dix milles six cents ans d’histoire. Un lac d’apparence normale tout compte fait, mais recouvrant un second lac perpétuellement stagnant, sans air, mort,

fossile de l’histoire. "

Fred Vargas, "Sous les vents de Neptune"

O OO OO O

O OO OO OO O

O O

Température: 20-27°C

Pression atmosphérique: 1 bar

Soleil

O2 = 21 %

O2

= 0 %

0

- 60 m

- 92 m

Matière Organique

1 000 000 000 virus /ml

Entités virales

10 000 000 cellules /ml

Cellules bactériennes

Conditions "extrêmes"Pression: 7 à 10 atm

Température: 4°C

Aphotique

[O2 ]=0 %

Agent de mortalité

bactérienne

Recyclage de la MO

Régulateur de la diversité

microbienne

Transferts latéraux de matériel génétique

T. Sime-Ngando et J. Colombet

ARNr16S: marqueur universel

Richesse et la diversité

Établir des relations de parenté et intégrer des perspectives évolutives

ATTGCTGACTGCTTAGA…..ATTGTACTAGCCTAT

TCATATTACCTATTCATTATCCGGTACGTCATCA

GTC…TTGCACTACTAGGCATAC-

1500 pb

Conditions extrêmes MAIS

vaste diversité

R

E

Classe

Ordre

Famille

Genre

Espèce

Bacteria Archaea

Nom

bre

de ta

xons

Zone oxydée

Zone anoxique

Quelles espèces?

-60 m

-70 m

-92 m

Répartition non homogène sur la zone anoxique

Variabilité

spatiale

Répartition non homogène sur la zone anoxique

Variabilité

spatiale

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Bacteria Archaea

%

Espèces non décrites

Découverte de nouvelles espèces!!

Découverte de nouvelles espèces!!

Composé

organique

SO42-

NO3-

Fe 3+

Mn 4+

CO2

H2 S

Mn2+

N2

Fe2+

CH4

e-

Bactéries anaérobies utilisent de nombreux accepteurs finaux d’électrons

Variété

de métabolites finaux de la dégradation anaérobie des composés

carbonés

Métabolite central dans la zone anoxique du Lac Pavin

Pouvoir radiatif 22 fois supérieur au CO2

-

Connaître son origine et son devenir

Durée de séjour et potentiel de réchauffement des principaux gaz à effet de serre Gaz à effet de serre Formule PRG durée de séjour (ans)

dioxyde de carbone CO2 1 200 (variable) méthane CH4 22 12,2±3 protoxyde d'azote N2O 310 120 dichlorodifluorométhane (CFC-12) CCl2F2 6 200-7 100 102 chlorodifluorométhane (HCFC-22) CHClF2 1300-1400 12,1 tétrafluorure de carbone 3 CF4 6 500 50 000 hexafluorure de soufre SF6 23 900 3 200

Gaz à effet de serre non artificiels

Gaz à effet de serre industriels

Énergie reçue

Énergie réfléchie

Énergie piégée par GES

Énergie émise

Méthane est passé

de 700 à 1721 ppm

3ème

gaz responsable du réchauffement climatique

PRODUCTION

Acétate

METHANOSARCINALE

METHANOMICROBIALE/ H2

Production et consommation de méthane dans le Lac Pavin

Laboratoire de Géochimie des eaux, Paris VII

Concentrations en O2

dissous (mg.l-1)

Concentrations en CH4

(µM)

Archaea Méthanogènes

Bactéries hydrolytiques

Bactéries fermentatives

Méthanogènes dépendent de l’activité des bactéries des premiers maillons de la chaine anaérobie

Coo

péra

tion

Analyser les concentrations en H2 et Acétate?

Ce qui est détecté dans un système = ce qui n’a pas été utilisé

Efficience des transferts métaboliques: adhésion à des particules

Bactéries attachées à

des particules

J. F. Carrias

Pour s’alimenter les méthanogènes doivent se livrer à

une rude compétition…..

Acétate

H2

Archaea méthanogènes

Bactéries Ferro- réductrices

FeIII→ FeII

COMPETITION

BFR du Pavin: Versatilité Métabolique!!

Fe3+

Fe2+

Réduction du Fer fonction des conditions environnementales

BS2+OHF (après 20 heures)

BS2+OHF (après 120 heures)

T0 T+15 jours

0

50

100

150

5

P / µW

10Temps / jours

BS2+ Glucose

BS2+ Glucose+OHF

N. Morel-Desrosiers et J.P Morel

Avantage énergétique

Avantage écologique

-50

-60

-70

CH4

O2

PRODUCTION

Acétate

CONSOMMATION

METHANOSARCINALE

METHANOMICROBIALE/ H2

Méthanotrophe aérobie

Methylobacterium

Methylophilus

MethylobacterCH4

+ 2 O2 CO2 + 2 H2O

Consommation de CH4 dans le Lac Pavin

Laboratoire de Géochimie des eaux, Paris VII

Concentrations en O2

dissous (mg.l-1)

Concentrations en CH4

(µM)

Bactéries Méthanotrophes aérobies intégrées dans le réseau trophique pélagique

ATTENTION PREDATEURS!!

Protistes phagotrophes

Métazoaires filtreurs

Régulation de type Bottom-up

-1

0

1

2

Taux

de

mor

talit

é(j-

1)

Flagellés Zooplancton Zooplanctonet flagellés0

10

20

30

40

50

60

Vlfrche CN

Pavin CN

Pavin CA

Res SepCA

Aydat CA

Virus Prédation

C. Amblard

Laboratoire de Géochimie des eaux, Paris VII

CH4

consommé

dans la zone anoxique

PRODUCTION

Acétate

METHANOSARCINALES

METHANOMICROBIALES/ H2

Méthanotrophes aérobies

Methyloacterium

Methylophilus

MethylobacterCH4

+ 2 O2 CO2 + 2 H2O

Oxydation anaérobie du méthane

CH4 + 8 Fe(OOH) (s) + 16 H+ CO2 + 8 Fe2+ + 14 H2O

-60 m

CONSOMMATION

PRODUCTION

=

Pas d’émission de CH4 dans l’atmosphère

90 %

méthane produit dans les sédiments marins

5-20 %

émissions de méthane atmosphérique Processus non encore décrit dans les écosystèmes

H2

Fe3+

Fe2+

OAM: HOT TOPIC!!!

CH4

+SO42-+H+→ CO2

+HS-+2H2

O

0

500

1000

1500

2000

2500

1 2 3 4 5

Temps

Premiers résultats microbiologiques in vitro en accord avec l’hypothèse d’un couplage CH4

/ Fe

Implication putative de Bactéries réductrices du Fe

Implication putative de dénitrifiantes

Implication putative de Sulfatoréductrices

Implication putative de Bactéries réductrices du Mn

Pavin:

« Tout en un »

Modélisation AQUASIM (IPGP, Paris VII)

OAM

Identification des microorganismes impliqués dans la

production du

méthane

Richesse insoupçonnéeGrande majorité

(> 70%)

d’espèces non

décrites-

Nouvelles fonctions microbiennes?

Non

déc

rites

-Non

iden

tifié

es d

ans

d’au

tres

sy

stèm

es

O2

O2X

Fe3+

Fe2+

Nouvelle voie métabolique d’oxydation du méthane-

reliée avec le

cycle du fer?Implication des bactéries dans

la réduction du fer (détoxification)

NO3-, SO4

2-, Mn4+

Nombreuses investigations restent à

mener mais les mécanismes microbiens sous jacents particulièrement "stimulants

(reduction des GAZ A EFFET DE SERRE-CH4

dans les environnements anoxiques)

Fonctionnement du lac: appréhender le cycle des éléments importance capitale pour le Lac Pavin car zone anoxique = zone de stockage (limite eutrophisation, Phosphore, Azote)

Description de nouvelles voies métaboliques

(isolement de nouvelles souches, nouvelles enzymes clés)

Conditions "extrêmes"

Pression: 7 à

10 atm

Température: 4°C

Aphotique

[O2

]=0 %

« Anaerobe to the rescue »: Le plus ancien processus de l’histoire du vivant-le métabolisme microbien sans O2 - Force potentielle pour résoudre des problèmes « très

modernes » (Derek

Lovley, Science 2001)

“Lakes are test tubes of oceans”.Werner Stumm, chimiste de l’eau