2 - Bibliothèque Clermont Université
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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 C Ecosystèmes aquatiques Organismes aquatiques Diversité (Biodiversité) Fonctions Interactions Flux de matière et d’énergie Cycles biogéochimiques 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) Ecologie Aquatique Fonctions Interactions Flux de matière et d’énergie Cycles biogéochimiques Ecologie Microbienne Origines de cette discipline Objectifs Pourquoi étudier les microorganismes? Complexité d’étude (réseaux d’interactions, dynamique spatio-temporelle, diversité métabolique) Qu’est ce que l’Ecologie Microbienne ? MICROBES ? Dans la conscience collective, le mot « microbe » est (très souvent) associé à F ED R IARHE V E IE C E O CH IQU X TO IE GI A OR M S E E H EM AN - Contagion - Epidémie - Contamination, etc. Microorganismes = ennemis absolus de nos existences et agents impitoyables de toutes les corruptions et maladies? Pionniers de la microbiologie moderne et médicale Robert Koch (1843-1910) -Bacille de la tuberculose -Vibrion du choléra Louis Pasteur (1822-1895) -Fermentations - Vaccin contre la rage Pionniers de l’écologie microbienne Sergei Winogradsky (1856-1953) Martinus Beijenrinck (1851-1931) Microbes= (aussi) auxiliaires indispensables et bénéfiques de notre environnement « PARADOXE des connaissances» Communication entre microorganismes ? Structure des communautés? Façonnent les écosystèmes ? Le monde microbien Réseau d’interactions Diversifié Cosmopolite Hégémonique Ecologie microbienne 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. Populations et fonctions qui sous-tendent le fonctionnement des écosystèmes BIOTOPE Mécanismes fondamentaux (interactions, BIOCENOSE 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 10 milliards 10 milliards de milliards 1 milliard de trillards 000 000 000 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 . CO2 SO42Fe 3+ Mn 4+ NO3- CH4 H2S Fe2+ Mn2+ N2 Composé organique e- 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 Bact A ATGCTTAGGCTAGACTCG(……)TCAGCT Bact B ATCGTTGACATGGATCTG(……)TTGACT Règne Bacteria Animalia Chordata Embranchement Proteobacteria Mammalia Classe Epsilon Proteobacteria Ordre Primates Campylobacterales Hominidae Famille Helicobacteriaceae Homo Genre Helicobacter Espèce Pylori Sapiens Classifier les microorganismes comme les « macroorganismes » Comment estimer la « biodiversité » microbienne? 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? 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… Le voyage de Charles Darwin sur le Beagle Charles Darwin (1809-1882) Page from Darwin's notebooks around July 1837 showing his first known sketch of an evolutionary tree. Champignons Plantes Animaux Robert Harding Whittaker (1920-1980) Protistes Monères …To the « modern vision » of evolution EUCARYA ARCHAEA BACTERIA 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! RADIATION « Was Nature ready for the A-bomb? » 1956: Chercheurs américains (Agricultural Experiment Station, Oregon) stérilisent des boites de viande par rayons Gamma Rayon gamma La nourriture s’abime Quel organisme peut résister aux rayons gamma et continuer de s’alimenter? 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. Deinococcus radiodurans « Conan the bacterium » 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 Production d’hydrogène par voie microbiologique R. Nouaille (chercheur au LMGE) Proposer une énergie renouvelable sans émission de gaz à effet de serre BIOREMEDIATION Équipe Ecotoxicologie Microbienne-LMGE (…) The spores might provide a unique opportunity to trace seepages from the hot subsurface, possibly pointing towards undiscovered offshore petroleum deposits. « 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. 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? » Abondance Biomasse estimée Taille Distribution Synechococcus 0.2 x 1027 cells 43 Mt C 0.8-1.2 µm Ubiquiste Source: F. Partensky Station Biol. Roscoff Prochlorococcus 3 x 1027 cells 120 Mt C 0.5-0.8 µm 40°S-45°N Rôle dans les cycles biogéochimiques de nombreux éléments Minéralisation de la MO Zone anaérobie CO2 SO42- CH4 3+ Fe Mn 4+ - NO3 O2 H2S ee- e- Ar c Fe2+ Mn2+ NH4+ H20 Composé organique CH4 Ba c Ba c ter ia ter ha ea ia et Ar c Zone oxydée ha ea CO2 Activités Prédation Les inextricables interactions des réseaux microbiens Lyse virale Transfert Parasitisme Coopération Compétition Exemple des communautés productrices et consommatrices de méthane dans le lac Pavin Versatilité Syntrophisme Flux 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.EusébioDirecteur de la station limnologique de Besse). Lac Pavin: Objet de nombreux mythes et légendes "Le Lac fait des pleurs de Satan", La Montagne (21 août 2005) Pavens: "qui répand la terreur" 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-lechamp tempêtes et ouragans Lac Pavin: un des sites les plus fréquentés en Auvergne (20 000 sites référencés sur Google) 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 Nuages de cendres et de gaz Projections de bombes, de lapilii, et d’éléments du socle Coulée de lave Socle Magma Représentant de la plus récente manifestation volcanique en Auvergne (3500-6000 ans BP) 36 K Eau m Cône de scories Le Lac Pavin Valeur de creux= P max / S1/²= 0.14 Lac Chauvet: 0.09, La Godivelle: 0.12 Gourd de Tazenat: 0.13 800 m (Surface= 44 Ha) -10 m -20 m -30 m -40 m 92 m Chémocline -50 m --60 60m m -70 - 70m m -80 m -90 m Le Lac Pavin Unique représentant des Lacs méromictiques en France O2 Mixolimnion 60 m O X2 chémocline 70 m Monimolimnion= zone anoxique permanente Temps de résidence des eaux 8-10 ans (mixolimnion) 300 ans (monimolimnion) CH4 Conditions de l’atmosphère primitive Lac Nyos, Cameroun, 1986, 1746 morts [H2S]~ 20 µM N2 CO2 2 H2S+O2 2S+2H2O Laboratoire de Géochimie des Eaux (LGE, Paris VII) Fe (II) ~ 1200 µM LGE, Paris VII 2Fe2++3/2 O2 Fe2O3 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" Température: 20-27°C Pression atmosphérique: 1 bar O O O OO O OO O O O O O2= 21 % O O O O Soleil O2= 0 % T. Sime-Ngando et J. Colombet Agent de mortalité bactérienne 0 Recyclage de la MO Régulateur de la diversité microbienne Matière Organique Transferts latéraux de matériel génétique Cellules bactériennes Entités virales 10 000 000 cellules /ml 1 000 000 000 virus /ml - 60 m Conditions "extrêmes" Pression: 7 à 10 atm Température: 4°C Aphotique - 92 m [O2]=0 % Quelles espèces? Richesse et la diversité Conditions extrêmes MAIS vaste diversité Variabilité Variabilitéspatiale spatiale Zone oxydée Nombre de taxons Répartition Répartitionnon nonhomogène homogène sur la zone anoxique sur la zone anoxique Zone anoxique Espèces non décrites -60 m -70 m % ARNr16S: marqueur universel 90 80 -92 m 70 Bacteria Archaea 60 50 Découverte Établir des relations de parenté et intégrer des Découvertede de nouvelles 40 évolutives nouvellesespèces!! espèces!!perspectives 30 R E Classe Ordre ATTGCTGACTGCTTAGA…..ATTGTACTAGCCTAT 20 TCATATTACCTATTCATTATCCGGTACGTCATCA GTC…TTGCACTACTAGGCATAC- 1500 pb Famille Genre 10 Espèce 0 Bacteria Archaea Bactéries anaérobies utilisent de nombreux accepteurs finaux d’électrons CO2 SO42- CH4 Fe 3+ Mn 4+ - NO3 H2S Fe2+ Mn2+ N2 Composé organique e- 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 Énergie réfléchie Méthane est passé de 700 à 1721 ppm Énergie reçue Énergie piégée par GES 3ème gaz responsable du réchauffement climatique Énergie émise Gaz à effet de serre non artificiels Gaz à effet de serre industriels 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) 1 200 (variable) dioxyde de carbone CO 2 22 12,2±3 méthane CH4 310 120 protoxyde d'azote N 2O 102 dichlorodifluorométhane (CFC-12) CCl2F2 6 200-7 100 1300-1400 12,1 chlorodifluorométhane (HCFC-22) CHClF2 3 CF4 6 500 50 000 tétrafluorure de carbone 23 900 3 200 hexafluorure de soufre SF6 Production et consommation de méthane dans le Lac Pavin Concentrations en O2 dissous (mg.l1 ) METHANOSARCINALE Concentrations en CH4 (µM) Laboratoire de Géochimie des eaux, Paris VII Acétate/ H2 PRODUCTION METHANOMICROBIALE Méthanogènes dépendent de l’activité des bactéries des premiers maillons de la chaine anaérobie Coopération Bactéries hydrolytiques Bactéries fermentatives Archaea Méthanogènes 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….. FeIII→ FeII H2 Acétate Archaea méthanogènes COMPETITION Bactéries Ferroréductrices BFR du Pavin: Versatilité Métabolique!! Fe3+ Fe2+ Réduction du Fer fonction des conditions environnementales BS2+OHF (après 20 heures) T0 BS2+OHF (après 120 heures) T+15 jours N. Morel-Desrosiers et J.P Morel P / µW 150 BS2+ Glucose+OHF 100 Avantage énergétique Avantage écologique 50 BS2+ Glucose 0 5 10 Temps / jours Consommation de CH4 dans le Lac Pavin Concentrations en O2 dissous (mg.l1 ) -50 CONSOMMATION Methylobacterium CH4 Méthanotrophe aérobie Methylophilus Methylobacter CH4 + 2 O2 p CO2 + 2 H2O -60 -70 O2 METHANOSARCINALE Concentrations en CH4 (µM) Laboratoire de Géochimie des eaux, Paris VII Acétate / H2 PRODUCTION METHANOMICROBIALE Bactéries Méthanotrophes aérobies intégrées dans le réseau trophique pélagique Protistes phagotrophes Métazoaires filtreurs Taux de mortalité (j-1) ATTENTION PREDATEURS!! 60 2 Virus Prédation 50 1 40 30 0 20 10 C. Amblard 0 -1 Flagellés Vlfrche CN Pavin CN Zooplancton Pavin CA Zooplancton et flagellés Res Sep CA Aydat CA Régulation de type Bottom-up Pas d’émission de CH4 dans l’atmosphère CONSOMMATION Methyloacterium Méthanotrophes aérobies Methylophilus Methylobacter CH4 + 2 O2 p CO2 + 2 H2O = -60 m CH4 consommé dans la zone anoxique METHANOSARCINALES Oxydation anaérobie du méthane Acétate / H2 METHANOMICROBIALES PRODUCTION H2 Fe3 + 90 % méthane produit Laboratoire de Géochimie des eaux, Paris VII dans les sédiments marins 5-20 % émissions de méthane atmosphérique Fe2 + CH4 + 8 Fe(OOH) (s) + 16 H+ Æ CO2 + 8 Fe2+ + 14 H2O Processus non encore décrit dans les écosystèmes OAM: HOT TOPIC!!! CH4+SO42-+H+→ CO2+HS-+2H2O 2500 2000 1500 1000 Implication putative de Bactéries réductrices du Fe 500 0 OAM 1 2 3 Temps 4 5 Implication putative de dénitrifiantes Premiers résultats microbiologiques in vitro en accord avec l’hypothèse d’un couplage CH4/ Fe Pavin: Implication putative de Sulfatoréductrices « Tout en un » Implication putative de Bactéries réductrices du Mn Modélisation AQUASIM (IPGP, Paris VII) Non décrites- Non identifiées dans d’autres systèmes Richesse insoupçonnée Grande majorité (> 70%) d’espèces non décritesNouvelles fonctions microbiennes? Identification des microorganismes impliqués dans la production du méthane Nouvelle voie métabolique d’oxydation du méthane- reliée avec le O2 cycle du fer? Implication des bactéries dans la réduction du fer O X2 (détoxification) Fe3 + Fe2 + NO3-, SO42-, Mn4+ Fonctionnement du lac: appréhender le cycle des éléments importance capitale pour le Lac Pavin car zone anoxique = zone de stockage (limite eutrophisation, Phosphore, Azote) 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) Description de nouvelles voies métaboliques (isolement de nouvelles souches, nouvelles enzymes clés) Conditions « Anaerobe to the rescue »: Le plus ancien processus de l’histoire du vivant-le problèmes « très métabolisme microbien sans O2- Force potentielle pour résoudre des"extrêmes" modernes » (Derek Lovley, Science 2001) Pression: 7 à 10 atm Température: 4°C Aphotique [O2]=0 % “Lakes are test tubes of oceans”. Werner Stumm, chimiste de l’eau
