Diaporama - Université Blaise Pascal

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
- 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
H2 S
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+
NO3O2
H2 S
Fe2+
Mn2+
NH4+
H2 0
Composé
organique
e- e
e-
Zone
oxydée
CH4
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-le-champ 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
Cône de scories
Eau
Coulée de lave
Socle
Magma
Représentant de la plus récente manifestation volcanique
en Auvergne (3500-6000 ans BP)
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
92 m
Chémocline
-40 m
-50 m
--6060mm
-70
- 70mm
-80 m
-90 m
Le Lac Pavin
Unique représentant des Lacs méromictiques en
France
O2
Mixolimnion
60 m
O2
X
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
Soleil
O2= 21 %
O 2= 0 %
T. Sime-Ngando et J. Colombet
Agent de mortalité bactérienne
Recyclage de la MO
0
Régulateur de la diversité
microbienne
Matière Organique
- 60 m
Transferts latéraux de matériel
génétique
Cellules bactériennes
Entités virales
Conditions "extrêmes"
Pression: 7 à 10 atm
Température: 4°C
Aphotique
- 92 m
[O2]=0 %
10 000 000 cellules /ml
1 000 000 000 virus /ml
Quelles espèces?
Richesse et la diversité
Conditions extrêmes MAIS vaste diversité
Répartition non homogène sur la zone
anoxique
-60 m
-70 m
ARNr16S: marqueur universel %90
Nombre de taxons
Variabilité spatiale
Zone oxydée
Zone anoxique
Espèces non décrites
80
-92 m
Bacteria
70
Archaea
60
50
des relations de parenté et intégrer des
Découverte de nouvelles espèces!! Établir
perspectives évolutives
40
R
E
Classe
30
Ordre
ATTGCTGACTGCTTAGA…..ATTGTACTAGCCTATTCATATTACCTATTCAT
TATCCGGTACGTCATCAGTC…TTGCACTACTAGGCATAC- 1500 pb 20
Famille
10
Genre
0
Espèce
Bacteria
Archaea
Bactéries anaérobies utilisent de nombreux accepteurs finaux
d’électrons
CO2
SO42-
CH4
3+
Fe
Mn 4+
NO3-
H2 S
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)
dioxyde de carbone
CO 2
1
200 (variable)
méthane
CH4
22
12,2±3
protoxyde d'azote
N 2O
310
120
dichlorodifluorométhane (CFC-12) CCl2F2 6 200-7 100
102
chlorodifluorométhane (HCFC-22) CHClF2
1300-1400
12,1
3
tétrafluorure de carbone
CF4
6 500
50 000
hexafluorure de soufre
SF6
23 900
3 200
Production et consommation de méthane dans le Lac Pavin
Concentrations en O2 dissous (mg.l-1)
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.l-1)
-50
CONSOMMATION
Methylobacterium
Méthanotrophe aérobie
Methylophilus
CH4
Methylobacter
CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O
-60
-70
O2
METHANOSARCINALE
Concentrations en CH4 (µM)
Laboratoire de Géochimie des eaux, Paris VII
Acétate
PRODUCTION
/ H2
METHANOMICROBIALE
Bactéries Méthanotrophes aérobies
intégrées dans le réseau trophique
pélagique
Taux de mortalité (j-1)
ATTENTION PREDATEURS!!
Protistes phagotrophes
60
Métazoaires filtreurs
40
2
Virus
Prédation
50
30
1
0
20
10
C. Amblard
-1
Flagellés
Zooplancton
0
Vlfrche
CN
Pavin
CN
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  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 dans les
Laboratoiremarins
de Géochimie des eaux, Paris VII
sédiments
5-20 % émissions de méthane
atmosphérique
Fe2+
CH4 + 8 Fe(OOH) (s) + 16 H+  CO2 + 8 Fe2+ + 14 H2O
Processus non encore décrit dans les écosystèmes lacustres
OAM: HOT TOPIC!!!
CH4+SO42-+H+→ CO2+HS-+2H2O
Implication putative de Bactéries réductrices du Fe
OAM
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)
Richesse insoupçonnée
Grande majorité (> 70%) d’espèces non décrites-
Non décrites- Non identifiées dans d’autres systèmes
Nouvelles fonctions microbiennes?
Identification des microorganismes impliqués dans la
production du méthane
Nouvelle voie métabolique d’oxydation du méthane- reliée
avec le cycle du fer?
O2
Implication des bactéries dans la réduction du fer
(détoxification)
O
X2
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)
clés)
Description de nouvelles voies métaboliques (isolement de nouvelles souches, nouvelles enzymes
Conditions
"extrêmes"
« 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)
Pression: 7 à 10 atm
Température: 4°C
Aphotique
[O2]=0 %
“Lakes are test tubes of oceans”.
Werner Stumm, chimiste de l’eau