Introduction à la Microbiologie Aquatique

Histoires cachées
Un peu de microbiologie aquatique (morceaux choisis)
Stéphan JACQUET
« Ce qui est important, ça ne se voit pas » (Le petit prince, Saint-Exupéry)
Le lac de Paladru
n° 5
Le lac d’Aiguebellette
n° 4
Le lac d’Annecy
n° 3
Le lac du Bourget
n° 2
Le lac Léman
n° 1
Le lac Léman
Superficie du
plan d'eau
582 km2
348 km2 (60%)
234 km2 (40%)
Périmètre du lac
167 km
Altitude
moyenne
372 m
Profondeur
maximum
309 m
Volume total
d'eau
89.109 m3
Largeur
maximum
13,8 km
Longueur dans
l'axe
72,3 km
Temps moyen de
renouvellement
des eaux
12 ans
Biologie
étude du vivant
--------------------------------------Ecologie
étude des interactions entre le
vivant et l’environnement
Plantes et macroalgues
Macrophytes (<10)
Characées
Annecy
Potamot perfolié
Elodée de Nuttall
invasive
Plantes et algues
Macrophytes
Myriophylle en épi
Potamot pectiné
Plantes et algues
Macroalgues (2)
Cladophora
Spirogyres
Poissons (<20)
Brochet
Perche
Lotte
Poissons
Omble
chevalier
Carpe
Chevaine
Tanche
Poissons
Féra ou corégone ou palée
Truite (2)
Gardon
Crustacés (100)
Ecrevisses (3)
Invasives
Ecrevisse américaine
Ecrevisse de Californie
Ecrevisse à pattes grêles
Crustacés
Gammare du Danube
ou crevette tueuse
invasive
Mollusques (<10)
Annodontes
Mollusques
Dreissene ou moule zébrée
invasive
Mollusques
Escargots (3) = pas forcément bon signe ?
Canards
Cygnes
Goélands
Limnea
stagnatys
Puce du canard
Petit escargot operculé
invasive
Quand les « gros » ont besoin des petits
Poissons
icthyophages
(ex: brochet)
Poissons
planctonophages
(ex: perche)
Zooplancton
(ex: daphnies)
Phytoplancton
Réseau trophique pélagique
Contexte global
Le réseau trophique
Boucle microbienne
Poissons
Chaîne
classique
virus
Protozoaires
Zooplancton
Phytoplancton
Bactéries
Nutriments inorganiques
Nutriments organiques
Avec quelques chiffres
Abondance des organismes dans 1 ml d’échantillon d’eau (lac, mer, océan)
Virus / phages
Bactéries hétérotrophes
10 000 000
1 000 000
Bactéries photosynthétiques
100 000
Protozoaires
< 10 000
Microalgues
< 5 000
Zooplancton
<< 1
Poissons
0
Quelques copépodes
Eudiaptomus
gracilis f
Cyclops prealpinus
Cyclops vicinus
Chair saumonée des poissons
Quelques cladocères
Daphnia hyalina
Quelques flagellés et ciliés
Quelques chlorophycées
Dictyosphaerium pulchellum
Eudorina elegans
Oocystis lacustris
Pediastrum boryanum
Scenedesmus acutus
Pediastrum tetras
Quelques diatomées
Asterionella formosa
Nitzschia dissipata
Cyclotella cyclopuncta
Navicula tripunctata
Fragilaria
crotonensis
Quelques cyanobactéries
Chroococcus turgidus
Merismopedia glauca
Merismopedia punctata
Planktothrix
rubescens
Anabaena sp.
Pseudanabaena galeata
Quelques cyanobactéries
Quelques cryptophycées
Rhodomonas minuta
Rhodomonas minuta
Variété
Quelques chrysophycées
Dinobryon
elegantissimum
Dinobryon cylindricum
Dinobryon divergens
Quelques desmidiacées
Micrasterias sp.
Spyrogira sp.
Mougeotia sp.
Staurastrum sp.
Ceratium hirundinella
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
Recherches en microbiologie aquatique
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 biomoléculaires
Echantillon
naturel
Méthodes Destructives
Extraction de l’
l’ADN
indirecte
PCR
(gène marqueur
phylogénétique)
Clonage
D/TGGE
SSCP
RISA
SEQUENCAGE
RFLP
(Banque de données)
T-RFLP
Méthodes NON
Destructives
directe
Gradient
de densité
% GC
FISH
(comptage en
microscopie ou
cytométrie)
Cinétique de
réassociation ADN\ADN
Nombres de génomes différents
Techniques de » fingerprinting »
moléculaires
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 ?
La dynamique des populations
Effectif des populations
Propriétés individuelles
des organismes
populations
+
-----------------------------Facteurs-------------------------physiques
chimiques
biologiques
Lumière
Nutriments
Nourriture
Température
Salinité
Prédation
Turbulence
Polluants
Compétition
Advection
Toxines
Lyse virale
Sédimentation
Temps
Evolution des dynamiques planctoniques au cours
d’une réoligotrophisation sur un fond de
réchauffement climatique
6.0
26-juin
5.5
12-juin
5.0
29-mai
4.5
15-mai
4.0
1960
1970
1980
1990
2000
Moyennes annuelles des
températures au fond du lac
1-mai
1970
1980
1990
2000
Date du début de
stratification thermique
Pour le phytoplancton, le scénario dégagé rend compte
d’une évolution plus saltatoire que régulière
Période
1986-1991
J
Période
1988-à
nos jours
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
F M A M J
J A S O N D
Espèces de Espèces
d’été
printemps
J
F M A M J
5 10 0
4 10 0
Biomasse observée en Avril
Interpolée (15 du mois)
3 10 0
2 10 0
1 10 0
100
7 4 7 6 78 80 8 2 8 4 8 6 88 9 0 9 2 9 4 9 6 9 8
Années
Espèces
d’automne
J A S O N D
!La cinétique du
développement vernal
tend à s’accélérer
Biomasse ( µg.l -1 )
Jusqu’en
1985
Espèces
3000
d’été
2500
2000
Espèces de
1500
Espèces
printemps
1000
d’automne
500
0 J F M A M J J A S O N D mois
4000
3500
3000
2500
2000
Espèces
Espèces
de
1500
d’été
Espèces
printemps
1000
d’automne
500
mois
0
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
Biomasse (µg.l-1)
Phytoplancton….
Phase des
eaux claires
2500
2000
1500
Broutage par
le zooplancton
herbivore :
Printemps
1000
Eté
Automne
500
0
J F M
A M
J Jt A S O N D
Les cyanobactéries
Les Cyanobactéries aussi appelées algues bleues ou algues vert-bleues
sont 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 cyanobactéries
Microcystis
Aphanizomenon
Anabaena
Anabaena
Merismopedia
Microcystis
Gomphosphaeria
Planktothrix
En 1476 eut lieu la bataille de Morat (Suisse) au cours de
laquelle 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
0m
50 m
Conditions eutrophes
Conditions mésotrophes
5000
10000
15000
20000
Eté 2002
25000
30000
35000
40000
45000
50000
55000
Eté 2001
60000
65000
Eté 2000
70000
Eté1999
Eté 2003
Pourquoi les cyanobactéries « gagnent » souvent
lorsqu’elles sont en situation de compétition ?
Contrôle des communautés phytoplanctoniques
Prédation et parasitisme
(zooplancton, virus…)
Top-down control
Cyanobactéries et
microalgues
Bottom-up control
Nutriments minéraux
+ lumière
Pourquoi les cyanobactéries « gagnent » souvent
lorsqu’elles sont en situation de compétition ?
- Controle de la flotabilité
- Présence de cellules spécialisées
(hétéocystes, akinètes)
Utilisation lum / nuts
- Capacité de faire des réserves
- Pigments accessoires
(phycoérythrine, …)
- Organisation multi-cellulaire
(filaments, colonies)
- Faible qualité nutritionnelle
- Synthèse de toxines
Défense contre les prédateurs
Le cas particulier de P. rubescens dans le Bourget
! 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
!…
P +++
24 °C
P+
P +++
P +++
Conditions eutrophes
P-
7 °C
P +++
Conditions mésotrophes
Un scénario réaliste ?
Influence climatique
=
Hivers et printemps plus chauds
Pression humaine
=
Réduction de P
Avance du bloom printanier
Eaux de surface
& du dévelop. zooplanctonique
dépourvues de P
=
=
Avance du déclin des populations Enfoncement des populations
& avance de la phase d’eaux claires
& la zone dépourvue de P
Espèces très compétitives pour
ce nouvel environnement :
faible nutriment, faible lumière, stabilité
Bourget, Léman,
Zurich, …
Planktothrix rubescens
pas ou peu broutée
44
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 laboratoire
sur la croissance de l’espèce
et sa production de toxines
Eq MC-LR (µg.l-1)
DO (570nm)
2
1
extra
intra
600
400
200
0
0
0
20
40
60
Temps (j)
80
100
2
6
20
64
Temps (j)
87
112
Suivi in situ
Relations cyanobactérie zooplancton
8
0.8
Zooplancton avec diète
Seston
6
0.6
Planktothrix rubescens (# cellules/mL)
6229
4
0.4
4286
2
0.2
3771
2994
0
0.0
28/01/03
12/02/03
25/02/03
11/03/03
MCYST équi-LR (µg/L de seston)
MCYST équi-LR (µg/g de zooplancton)
Zooplancton sans diète
RESEAUX
TROPHIQUES
Planktothrix rubescens
Zooplancton
&
Toxines
Vecteur de transfert
Accumulateur
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
0
Prof (m)
10
5e+7
1e+8
2e+8
2e+8
3e+8
3e+8
4e+8
4e+8
20
30
40
50
37500
juillet 2002
37600
37700
Dates (jours)
37800
37900
octobre 2003
Ecologie virale
Ecologie virale
Impact sur la mortalité bactérienne « in situ »
Lac du Bourget
Exp1: March-April
Exp2: May
Exp3: August
-1
Het. bacterial apparent growth rate (d )
2,5
2,0
Mortalité journalière
imputable aux virus de
38 % en mars - avril
26 % en mai
34 % en août
1,5
1,0
Mortalité journalière
due aux protistes de
0,5
0,0
20
40
60
80
Fraction whole water (%)
100
56 % en mars - avril
63 % en mai
18 % en août
Etudiants
Stagiaires
Lycéens !