Succession écologique de communautés bactériennes

OCEANOLOGICA ACTA 1980- VOL. 3 - No 3 ~
-----i.-
Succession écologique Phytoplancton
Bactéries
Structure des communautés
Activité hétérotrophe
de communautés bactériennes
d 1
' ' 1 t • Phytoplankton
au cours e evo u lOn Communitys~~~:~~~
d'un écosystème phytoplanctoniqùëtrophi""'''''
marin expérimentai
RÉSUMÉ
ABSTRACT
3-1784/1980/293($ 5.00/ C> Gauthier-Villars
Y. P. Martin
Fondation océanographique Ricard,
Ile des Embiez,
Le Brusc, 83140 Six-Fours-les-Plages, France
et Laboratoire
de Biologie marine,
Faculté des Sciences, Saint-Jérôme,
13013 Marseille, France.
Reçu le 18/1/80, révisé le 7/3/80, accepté le 12/3/80.
L'évolution comparée des populations phytoplanctoniques et bactériennes a été étudiée
lors de productions continues de phytoplancton marin, réalisées en bassin extérieur de
grand volume. Les communautés bactériennes hétérotrophes ont été définies à la
fois en
termes de structure (numérations, appartenance taxonomique et diversité des écotypes) et
de fonction (physiologie; potentialités métaboliques, activité hétérotrophe). Cette analyse
a permis de délimiter trois systèmes bactériens différents, selon que
le phytoplancton est en
bon état physiologique et exerce un
effet simplement stimulant sur les bactéries, ou est au
contraire sénescent, ce qui se traduit par une forte sélection de certains types bactériens.
Les caractéristiques de la communauté bactérienne, associées au déclin du phytoplancton,
semblent indiquer que son apparition correspond au premier stade de la succession des
bactéries hétérotrophes qui diffère ainsi de celle survenant dans le phytoplancton,
débutant bien plus précocement dès l'apport de sels nutritifs. Ces données permettent de
penser que les peuplements bactériens suivent dans l'ensemble une évolution conforme à
celle des autres groupements d'êtres vivants, des stades pionniers faiblement structurés et
fortement actifs, vers des états plus organisés d'activité plus réduite.
Oceanol. Acta, 1980, 3, 3, 293-300.
Ecological succession of bacterial communities
during the development
of
an experimental marine phytoplankton ecosystem
The comparative development of natural phytoplankton and associated heterotrophic
bacteria was studied during the continuous experimental production of marine
phytoplankton in an outdoor tank of very large capacity. Heterotrophic bacterial
communities were defined in terms of both structure (bacterial counts, taxonomie
analysis, diversity ofbacterial eco types) and function (physiology, catabolic potentialities,
heterotrophic activity). This analysis bas permitted the delimitation of three different
bacterial systems, depending on whether the phytoplankton
is in a good physiological
state, and thus exercises a simple stimulative
effect on the bacteria, or on the contrary
senescent which leads to a strong selection of certain bacterial types. Judging from its
characteristics, the bacterial community, which makes its appearance
at the time of
phytoplanktonic decline, occurs
at the beginning of the succession of heterotrophic
bacteria in this experimental ecosystem. In this respect, the heterotrophic bacterial
succession differs from that of the more precocious phytoplankton community, which
appears as soon as nu trient salts are added.
Our data make it reasonable to suppose that
the dynamic pattern of bacterial communities
is identical with that of other groups of
organisms, and reflects an evolution from poorly diversified but highly active pioneer
stages to more organized states in which activity
is reduced.
Oceanol. Acta, 1980, 3, 3, 293-300.
293

Y. P. MARTIN
INTRODUCTION
L'analyse de l'évolution des communautés planctoniques
a montré l'existence de successions de populations
orientées, l'évolution s'effectuant selon plusieurs stades
qui correspondent à une structuration croissante du
système considéré (Margalef,
1958). Cet accroissement de
maturité va de pair avec une organisation plus poussée
des peuplements dans l'espace qu'ils occupent, permet-
tant ainsi une meilleure gestion du flux d'énergie. Ces
concepts écologiques d'une portée générale
ont été
établis à partir de l'étude quantitative et qualitative des
composants biologiques de l'écosystème planctonique
(phytoplancton et éventuellement zooplancton). Bien
que de nombreux travaux aient révélé l'importance
quantitative des populations bactériennes associées
au
phytoplancton, il existe peu d'informations concernant à
la fois la structure de ces communautés bactériennes et les
fonctions métaboliques qu'elles exercent
au sein de ces
biocénoses. Des informations de cette nature sont encore
plus rares
d'un point de vue dynamique. Si le phénomène
de structuration progressive de l'écosystème phytoplanc-
tonique est bien établi, on ne sait
ce qu'il en est dans le cas
de l'évolution des communautés bactériennes qui lui sont
associées. Ce manque d'informations est
dû à des causes
diverses. Un premier obstacle réside dans les difficultés
inhérentes à l'observation d'un phénomène dynamique
dans le temps, en milieu naturel et particulièrement en
mer (mélange des masses d'eau, conditions météorologi-
ques et état de la mer.
.. ). Le second obstacle est d'ordre
méthodologique :l'étude de la structure et de la fonction
des communautés bactériennes pose un certain nombre
de problèmes qui rendent son approche délicate. C'est en
particulier le cas pour l'identification des bactéries
rencontrées, et la délimitation de différentes commu-
nautés n'est pas aisée dans la mesure
où celle-ci est
généralement réalisée en tenant compte de la composi-
tion spécifique des peuplements.
Nous avons tenté d'aborder
ce problème d'une façon
expérimentale, grâce à l'utilisation
d'un dispositif de
production continue de phytoplancton, en grand
volume, soumis aux conditions climatiques extérieures et
à l'élaboration d'une méthodologie permettant d'ana-
lyser simultanément la structure, la physiologie et
l'activité des communautés bactériennes qui lui sont
associées. L'estimation de
ces caractéristiques autorise
alors la délimitation de
di!Térentes communautés, qui
seront définies à la
fois à partir de leurs propriétés
structurales (composition taxonomique, diversité des
écotypes) et métaboliques globales (physiologie, activité).
Cette étude a été réalisée au cours de plusieurs campagnes
dans
le cadre d'un programme national de recherche du
Centre National pour l'Exploitation des Océans
(Programme Ecotron). La diversité des analyses
effectuées et la relative simplicité du système, dont
l'évolution peut être suivie régulièrement, ont donné lieu
à de nombreuses observations et analyses qui ont fait
l'objet de différentes publications.
La synthèse des données obtenues au cours de ce travail
permet d'ébaucher un schéma de la succession des
294
communautés bactériennes au sein de cet écosystème
phytoplanctonique expérimental, schéma que nous
présentons dans cet article.
MATÉRIEL ET
MÉTHODES
Le dispositif expérimental utilisé a été décrit par ailleurs
(Riva, Vicente,
1978). Il se compose d'un bassin d'un
volume efficace de
35 m 3, dans lequel un flux continu
d'eau de mer naturelle oligotrophe, pompée dans une
lagune proche (lagune du Brusc, Var, France), est enrichi
également en continu
par un apport de sels nutritifs
(nitrate d'ammonium, silicates, phosphates), permettant
ainsi
le développement du phytoplancton présent. Le
taux de dilution du bassin et
le débit des sels nutritifs
peuvent être ajustés selon
les besoins des expériences.
L'introduction des nutriments conduit à une augmenta-
tion de la biomasse phytoplanctonique, et à la mise en
place d'un peuplement paucispécifique faiblement
structuré avec une exubérance particulière des espèces
opportunistes des eaux méditerranéennes (Skeletonema
costatum, divers Chaetoceros), ce qui correspond, selon
Margalef, à l'installation d'un stade 1 de développement
phytoplanctonique (Travers,
1971). Ce système de faible
maturité persiste pendant 8 à
10 jours avec un plateau de
la biomasse phytoplanctonique, puis on assiste à un
déclin du peuplement en place avec une chute des
paramètres indicateurs de biomasse. Les dinotlagellés et
le zooplancton prennent une importance plus grande, et
ce système mieux structuré se maintient au-delà avec des
oscillations quantitatives plus ou moins accusées (Nival
et al., 1978).
L'étude de l'évolution des communautés bactériennes a
été réalisée essentiellement pendant la période qui suit
l'impulsion initiale donnée au système par l'apport de
sels nutritifs, c'est-à-dire pendant la croissance, la phase
stationnaire et
le déclin du peuplement planctonique
initial. Cette période correspond à celle du développe-
ment du premier stade d'une succession phytoplanctoni-
que.
Les dillërentes expériences de suivi continu ont duré
environ 1 mois.
La méthodologie d'étude des populations bactériennes et
de leur activité a également été décrite par Bianchi et
Martin
(1978), Cahet et Martin (1978), Martin et Bianchi
(1980). L'analyse des communautés bactériennes hétéro-
trophes a été abordée à la
fois par l'étude des
caractéristiques des bactéries isolées du dispositif
(isolement au hasard d'échantillons de souches représen-
tatifs des populations selon un plan statistique pré-établi)
et, selon un aspect plus global,
par appréciation des
réponses des communautés bactériennes hétérotrophes à
des tests réalisés sur des échantillons d'eau de volume
plus ou moins importants
in situ. Cette stratégie permet
de décrire
les communautés et d'en délïnir l'évolution de
deux façons complémentaires :
-en termes de structure, par estimation des paramètres
considérés comme caractéristiques des communautés :
abondance des individus, distribution des souches au sein
de groupes taxonomiques conventionnels, richesse et

diversité des écotypes bactériens déterminés au moyen de
programmes de classification automatique (indice de
Shannon; dominance);
-en termes de fonction, selon deux aspects.
D'une part,
par des études de laboratoire réalisées sur les souches
isolées, pures, permettant l'appréciation
in vitro des
principales caractéristiques physiologiques
pouvant
intervenir dans la régulation de l'activité des différentes
souches bactériennes qui constituent
chaque commu-
nauté : estimation des différentes potentialités catabo-
liques de ces souches (indice moyen d'utilisation des
composés
carbonés: IMU; équipement moyen en
exoenzymes : 1 ME);
d'autre part, par des mesures
d'activité hétérotrophe
in situ avec l'assimilation et la
reminéralisation de composés carbonés marqués (
14
C),
qui permettent
d'aborder les relations existant entre
l'activité hétérotrophe et la production primaire
particulaire et dissoute analysée selon une méthodologie
analogue, ainsi
que le taux de régénération de l'azote
ammoniacal
par dosages chimiques directs.
La figure 1 résume les différents aspects de cette
méthodologie.
Numération des bactéries viables
(milieu
2216 E.1 autres milfeux)
A. Échantillonnage
Isolements au hasard
20-25 souches par prélèvement
l
Purification
. l
Etude des caractères et de la
physiologie des souches
B. Analyse des individus l
Comparaison des souches; dendrogrammcs
Structure et physioloLe des communautés
C. Analyse des
communauté~
R. h
~d" . . d p . 1" • . b 1"
• 1c esse et 1vers1te es • otentla Ites meta o 1ques
écotypes; dominance. moyennes.
• Genres ou groupes taxo-
nomiques prépondérants.
• Dimension des communautés :
effectifs (cf A)
D. Activité
• Renseignements d'ordre nutri-
tionnel-spécialisation des po-
pulations:
-IMU;
IME;
Prototrophie 1
Auxotrophie
Activité des communautés
-------·-------
• Assimilation des composés • Régénération Je l'azote
carbonés. ammoniacal.
Figure 1
\1i·r lwdol<>!!Îe d'étude des communautés bactériennes. Structure et
activité.
Metlwdology usedfor the study of bacterial commirnities. Structure and
activity.
295
SUCCESSION DE COMMUNAUTËS BACTËRIENNES
RÉSULTATS
Structure
et physiologie des communautés bactériennes
Les observations faites lors de deux expériences de
production planctonique continue (printemps et
automne 1977) nous ont permis de mettre en évi-
dence des successions de populations en relation avec
l'évolution
du phytoplancton (Bianchi, Martin, 1978;
Martin, Bianchi, 1980). Les données recueillies nous ont
conduit à considérer l'existence de deux communautés
bactériennes différentes qui semblent prédominer selon
que le phytoplancton est en bon état physiologique ou au
contraire sénescent (Martin, Bianchi, 1980) :
-
la première communauté est associée à la phase de
croissance exponentielle
du phytoplancton et au début
du plateau de chlorophylle. Elle est caractérisée par un
peuplement bactérien dominé par des souches apparen-
tées au genre Pseudomonas, et la diversité des écotypes est
élevée. L'équipement en exoenzymes des bactéries est
identique à celui des conditions initiales. L'indice
moyen
d'utilisation des composés carbonés est plus important;
-la seconde se met en place lors du déclin du
phytoplancton, et présente des caractéristiques différen-
tes qui se manifestent
par une dominance des vibrions
halophiles, une faible diversité,
la diminution de l'indice
d'utilisation des composés carbonés,
la forte augmenta-
tion de l'équipement en exoenzymes des souches, ainsi
qu'une plus forte proportion d'espèces auxotrophes
(Martin, 1979).
Ce schéma paraît également justifié sur le plan de
l'activité hétérotrophe, dont l'intensité peut être reliée à
l'excrétion phytoplanctonique de vivo
ou à la lyse des
cellules lors
du déclin du phytoplancton (Cabet, Martin,
1978).
Au cours de ces expériences, l'étude de la structure et
de la
physiologie des communautés bactériennes a été réalisée
à partir des informations obtenues par l'analyse
d'échantillons de souches isolées
sur milieu 2216 E
(Oppenheimer, Zobell, 1952).
Dans certains cas, nous
avons utilisé d'autres milieux de numération, chimique-
ment définis non peptonés, dont la composition a été
décrite
par ailleurs (Martin, 1979). Dans le bassin
expérimental, ces milieux
ont parfois montré une
abondance de bactéries nettement plus élevée que celle
estimée
sur milieu 2216 E, notamment en périodes de très
fortes floraisons phytoplanctoniques.
Par contre, cela ne
fut
jamais le cas pour le flux d'eau entrant provenant de la
lagune.
Nous avons analysé la structure des communautés
bactériennes à partir des souches isolées de ces différents
milieux
dans ces conditions particulières (milieu 2216 E :
peptone et extrait de levure; trois milieux chimiquement
définis,
de composition de base identique mais différents
entre eux par la source d'azote). L'échantillon de souches
isolées
sur milieu 2216 E se différencie nettement de ceux
prélevés
sur milieux chimiquement définis, par ses
propriétés physiologiques (capacité
de production
d'exoenzymes et d'ammonification plus importante pour
l'échantillon 2216 E; proportion de souches auxotrophes

Y. P. MARTIN
Tableau 1
Structure des populations bactériennes estimée à partir d'échantillons
de souches prélevées sur différents milieux de numération.
Structure of the bacteria/ populations estimated from samples of strains iso/ated on different counting media.
Milieux d'isolement
Nombre de souches étudiées
Nombre d'écotypes différents
indice de Shannon H
Dominance, pour-cent de fréquence de :
l'écotype dominant d 1
les deux écotypes les plus abondants d 2
2216E
(peptone et
extrait de levure)
23
19
4,14
13
21,8
Milieux chimiquement défmis
D
(azote ammoniacal B A
et aminé) (azote ammoniacal) (dépourvu d'azote)
24 23 24
7 4 7
1,93 0,92
1,99
54,2 82,6
45.8
79,2 91,3 79,2
Appartenance taxonomique (fréquences exprimées en pourcentage)
Pseudomonas
Flavobacterium
Vibrio
Bactéries bourgeonnantes
Spirilles
Microcyc/us
Beijerinckia 1 Der xia
Indéterminé
21,7
8,3 0,0
34,8 0,0 0,0
8,7 4,2 0.0
8,7 0,0 0,0
13,0 4,2 0,0
8,7 0,0 0,0
0,0 83,3 100,0
4.4 0.0 0.0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
100,0
0.0
plus faible) et surtout structurales (tableau 1). La
composition taxonomique des échantillons met en
évidence l'importance des azotobactériacées
dans ces
écosystèmes phytoplanctoniques à effectifs très élevés
(teneur
en chlorophylle a de 70 mg/m
3
dans le cas étudié
ici).
Lors de cette analyse, le nombre de bactéries obtenu
sur milieux chimiquement définis était sept fois plus élevé
que sur le milieu 2216 E. Ces données permettent
d'envisager l'existence
d'une troisième communauté
bactérienne particulière
dans certains cas.
Succession écologique, activité hétérotrophe et facteurs de
sélection des différentes communautés
Nous avons pu suivre la succession de ces différentes
communautés bactériennes
au cours d'une expérience de
production phytoplanctonique (printemps 1978), et
analyser l'activité hétérotrophe ainsi que les relations de
ces communautés avec le phytoplancton (Martin, 1979).
Quelques ré,sultats de cette expérience sont présentés
sur
la figure 2 (A, B, C).
log bact./ml
A
chl.l ~dpm
mo;
c
so
so
10
3<>/3 1/4 10
15
20
296
L'examen de ces figures permet de délimiter grossière-
ment trois périodes, correspondant à l'apparition des
trois communautés bactériennes distinctes :
-
du 2 au 5 avril :période d'installation du peuplement·
phytoplanctonique avec des organismes en bon état
physiologique.
Figure 2
Évolution des communautés phytoplanctoniques et bactériennes au
cours d'une production printanière continue de phytoplancton.
A. Numérations bactériennes : milieu 2216 E (OZ); milieu
chimiquement défini dépourvu d'azote
(A); bactéries protéolytiques sur
milieu gélose-gélatine (G); vibrions halophiles sur milieu TCBS
(Yb).
B. Activité hétérotrophe estimée à partir de l'assimilation de différents
composés marqués au
14
C (glucose, Gu; serine, Se; glutamate, Gt;
pyruvate, Py et glycolate, Gy), exprimée
par le log. du nombre de
désintégration par minute des organismes (log DPM).
C. Biomasse et activité du phytoplancton
:.__.,chlorophylle a;
x · · · • · x, potentiel photosynthétique (
14
C-bicarbonate); •- -•.
production primaire excrétée.
Development of phytoplankton and bacterial communities during a
continuous production
of phytoplankton, in spring.
A. Bacterial counts: 2216 E medium (OZ); nitrogen free medium (A);
proteolytic bacteria on gelatin-agar medium (G); halophilic vibrios on
TCBS-agar (Vb).
B. Heterotrophic activity jrom the assimilation of different /abe/led
substrates
('
4C-glucose,
Gu;
14
C-serine, Se;
14
C-glutamate, Gt;
14
C-pyruvate, Py;
14
C-glycolate, Gy), estimated by the log. of
desintegration number per minute from the organisms (log DPM).
C. Biomass and activity
of phytoplankton: e--e chlorophyl/ a;
x , • · · · x, photosynthetic potential (
14
C-bicarbonate); •- -•. extracel-
lular release.

Le nombre de bactéries estimé sur milieu 2216 E est en
équilibre avec l'excrétion du phytoplancton, de même
que l'activité hétérotrophe qui est cependant modérée.
Les composés organiques excrétés par
le phytoplancton
sont responsables de la stimulation des bactéries, dont
l'indice moyen d'utilisation des composés carbonés
présente un accroissement durant cette période (Martin,
Bianchi,
1980);
-du 15 au 21 avril : apparition des communautés
bactériennes associées aux écosystèmes phytoplanctoni-
ques à fortes concentrations cellulaires avec des
effectifs
bactériens très élevés sur milieu A, dépourvu d'azote.
L'apparition de ces bactéries coïncide avec les plus forts
taux d'excrétion du phytoplancton avec, en particulier,
l'excrétion de matériel constitué de
90 à 93 %d'hydrates
de carbone (G. Cahet, comm. pers.). C'est probablement
là un facteur essentiel de la sélection de ces souches;
- à partir du
24 avril, on note une forte augmentation
des souches protéolytiques et des vibrions halophiles,
le
dernier jour du plateau de chlorophylle. Cette
exubérance de souches bien équipées en exoenzymes,
donc susceptibles d'hydrolyser les polymères organiques,
ne survient comme dans
les expériences antérieures
(Martin, Bianchi,
1980) que lors de la disparition de tout
ou partie des composants des communautés phytoplanc-
toniques, et elle est probablement consécutive à la lyse
des cadavres, de même
qu'à une importante libération de
substances complexes dans
le milieu. La proportion de
souches auxotrophes est élevée dans ces communautés.
Cette augmentation du nombre
de protéolytiques et de
vibrions est accompagnée d'une forte activité hétérotro-
phe qui atteint alors son maximum dans cette expérienct.
Bell et Mitchell (1972) et Herbland (1975) ont insisté sur
cette importante activité hétérotrophe à la mort
du
phytoplancton. On peut remarquer que cette activité
paraît indépendante de la microflore bactérienne
«totale», qui montre ici une diminution. Diverses
expériences nous ont montré que c'est également durant
Tableau 2
SUCCESSION DE COMMUNAUTÉS BACTÉRIENNES
cette période que peuvent être observés les plus forts taux
de régénération d'ammoniac à partir des substances
azotées (Martin,
1979).
DISCUSSION
A partir de ces différentes observations, on peut tenter
d'appréhender les caractéristiques essentielles des
communautés bactériennes associées aux divers stades
d'évolution de l'écosystème phytoplanctonique expéri-
mental,
afiri d'analyser la succession de ces commu-
nautés.
Caractéristiques des différentes communautés : hypothèse
sur les stratégies adaptatives des composants
On peut délimiter trois ensembles selon que le
phytoplancton est :
-en bon état physiologique au début du plateau de
chlorophylle, ce qui correspond à un système de
production à dominante primaire (système P);
-sénescent,
il s'agit alors d'un système de régénération
(système
R);
-très dense sur le plan des effectifs cellulaires, ce qui
semble constituer un cas particulier, notamment lorsque
les taux d'excrétion phytoplanctonique sont très élevés
(système FC). Les caractéristiques de ces différentes
communautés sont résumées dans
le tableau 2.
On peut remarquer une nette différence entre les
populations du système de production primaire,
nutritionnellement versatiles, d'effectif élevé et d'acti-
vité réduite, et
les représentants caractéristiques du
système de régénération, vibrions bien équipés
en
exoenzymes, dont les effectifs sont réduits mais dont
l'activité métabolique paraît très importante. Ces
observations rejoignent
les conceptions déjà anciennes de
Winogradsky
(1949) sur la proportion d'espèces
« zymogènes >> ou « autochtones » dans les commu-
nautés bactériennes des sols, reprises plus récemment en
Caractéristiques des communautés bactériennes associées aux différents stades d'évolution de l'écosystème phytoplanctonique.
Characteristics of the bacterial communities, associated to the differents stages of deve/opment of the phytoplankton ecosystem.
Structure
Physiologie
Activité hétérotrophe
Facteurs de sélection
Système P
Peuplements phytoplanctoniques im-
matures en bon état physiologique
(stade
1).
Peuplements taxonomiquement diver-
sifiés : Pseudomonas et genres appa-
rentés dominants. Diversité des
écotypes élevée.
Équipement en exoenzymes moyen.
analogue à celui des conditions ini-
tiales, oligotrophes. Souches nutri-
tionnellement versatiles.
Système F.E.
Peuplements paucispècif1ques en état de
stress physiologique, taux d'excrétion
très importants.
Faible diversité; sélection
d'un petit
nombre d'espèces. Azotobactériacés
dominants.
Souches peu équipées en exoenzymes;
indice d'u'tilisation des composés
carbonés élevé.
ProtoLrophes. Auxotrophes.
Proportionnelle
au matériel organique Proportionnelle au matériel organique
excrété. excrété
Stimulation des espèces autochtones
par l'excrétion du phytoplancton. Sélection
de certaines espèces
consécutive aux taux d'excrétion
élevés (hydrates de carbones en
particulier).
297
Système R
Période de mortalité des composants
des populations. Apparition de
dinoflagellé zooplancton.
Faible diversité: sélection d'un petit
nombre d'espèces. Vibrions domi-
nants.
Équipement en exoenzymes impor-
tant. · Sélectivité nutritionnelle
marquée.
Auxotrophes.
Proportionnelle
au matériel organique
· issu de la lyse des cellules; très forte
activité.
.Sélection d'espèces ((zymogènes» par
la richesse du milieu en matériel
organique complexe.