Contribution à la compréhension du déterminisme de la mise en place des proliférations de cyanobactéries et de leur production de toxines

• Auteur / Autrice : Enora Briand
• Direction : Cécile Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie microbienne
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Caumette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bouvy, André Crocq, Jean-François Humbert, Catherine Quiblier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cheng-Cai Zhang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie des populations

Microcystines

Écotoxicologie

Cyanobactéries

Résumé

Les cyanobactéries font l'objet d'une surveillance de plus en plus importante de la part des gestionnaires et utilisateurs des plans d'eau car leurs proliférations perturbent les usages de ces plans d’eau, notamment en raison des risques sanitaires associés à ces évènements. En effet, les cyanobactéries sont capables de synthétiser de nombreuses toxines dangereuses pour la santé humaine et animale. Parmi ces toxines, les microcystines, petits peptides cycliques, sont les plus fréquemment observées. La principale difficulté rencontrée, lors de la mise en place des plans de surveillance de la dynamique de ces microorganismes et de la production des toxines, repose sur le fait que ces deux processus peuvent subir de grandes variations spatio-temporelles à l’échelle d’un plan d’eau. Nos travaux se plaçaient tout d’abord dans la perspective générale de mieux comprendre le déterminisme de la mise en place des proliférations de cyanobactéries par une double approche de dynamique et de génétique des populations. Cette première approche a été réalisée sur deux retenues de grandes tailles qui ont fait l’objet d’un suivi multipoints au cours de plusieurs saisons de développement des cyanobactéries. Le second objectif était de mieux comprendre le déterminisme des variations de production de microcystines et notamment l’influence de l’environnement sur ces variations. Cette problématique a reposé à la fois sur des suivis réalisés sur le terrain et sur des approches expérimentales en laboratoire basées entre autres sur le développement méthodologique de la PCR quantitative pour distinguer dans une culture les génotypes toxiques des génotypes non toxiques. Concernant la mise en place des proliférations de cyanobactéries, nous avons tout d’abord démontré que les écosystèmes étudiés comportaient des zones plus ou moins favorables à la mise en place des proliférations. C’est ainsi, par exemple, que dans l’un d’entre eux, la retenue de barrage de Bort Les Orgues, deux espèces différentes ont pu se développer conjointement en deux points opposés de cette retenue. Par l’approche de génétique des populations, nous avons par ailleurs mis en évidence dans la retenue de Grangent, que la prolifération de Microcystis résultait de la sélection d’un génotype particulier dans la zone aval de la retenue. Ce génotype a ensuite envahi l’ensemble de l’écosystème. Parmi les différents facteurs environnementaux ayant une influence sur ces phénomènes, il est apparu que les vents avaient sans doute une importance primordiale. Concernant l’évolution de la proportion de génotypes producteurs ou non de microcystines au cours des proliférations de cyanobactéries, nous avons démontré chez deux genres, Microcystis et Planktothrix, qu’il existait une relation négative entre l’abondance cellulaire et la proportion de génotypes potentiellement producteurs de microcystines. Ces résultats acquis par des suivis de terrain ont été ensuite confirmés par une approche expérimentale réalisée sur Planktothrix. Au cours de cette approche qui reposait sur des compétitions entre souches productrices et non productrices de microcystines, il est apparu qu’en conditions non limitantes pour la croissance, la fitness des souches non toxiques était généralement supérieure à celle des souches toxiques. L’observation inverse a été faite en conditions limitantes. Ces résultats suggèrent que la production de microcystines est coûteuse pour les cellules dans des conditions environnementales favorables à la mise en place d’un bloom mais qu’elle est probablement bénéfique avant et après ces évènements. Finalement, tous ces résultats ont été discutés et replacés dans le contexte de la mise en place de stratégies d’échantillonnages et de suivis adaptés à l’évaluation des risques sanitaires liés aux proliférations de cyanobactéries potentiellement toxiques dans les écosystèmes aquatiques continentaux.

Cyanobacteria are a source of growing concern for managers and users of freshwater areas, because their proliferation interferes with the use of these freshwater ecosystems, especially on account of the health risk associated with cyanobacterial proliferation. Indeed, cyanobacteria are known to produce numerous toxins that can potentially threaten human and animal health. The toxins most often produced are the microcystins, which are small cyclic peptides. The main difficulty in organizing a thorough survey of these microorganisms is that cell abundances and toxin production dynamics can vary greatly in space and time within a single ecosystem. The first aim of this study was to clarify the factors underlying a cyanobacterial proliferation using population dynamics and genetics. This was carried out at numerous sampling sites in two reservoirs, during periods of cyanobacterial development. The second aim was to clarify the factors determining variations in microcystin production, and more specifically the influence of environmental factors. The study was based on in-situ monitoring and laboratory experiments. The experiments involved particularly the development of a quantitative PCR method that would enable us to distinguish between toxic and non-toxic genotypes in the same culture. As regards the onset of cyanobacterial proliferations, we demonstrated that the ecosystems studied offer areas favorable to the development of blooms. For example, in the Bort Les Orgues Reservoir, two different species were able to proliferate simultaneously, but at two opposite ends of the reservoir. Using a population genetics approach, we were able to show that the bloom of Microcystis in the Grangent Reservoir resulted from the selection of a dominant genotype in the downstream part of the reservoir. This genotype then invaded the entire ecosystem. Among the different environmental factors that influenced these processes, wind seemed to be important. As regards the changes in the proportions of microcystin-producing and non-producing genotypes during cyanobacterial proliferations, for two genera, Microcystis and Planktothrix, we demonstrated a negative relationship between the cell abundance and the proportion of potentially microcystin-producing genotypes. These field results were confirmed by experimental investigation of Planktothrix. These experiments involved competition between microcystin-producing and non-producing strains. We demonstrated that under non-growth-limiting conditions, the fitness of non-toxic strains was generally greater than that of toxic ones. The reverse was observed under growth-limiting conditions. These findings suggest that under favorable environmental conditions for the development of a cyanobacterial bloom, the production of microcystins is costly for cells, but that it may be advantageous before and after the bloom. Finally, all these findings are discussed in the context of devising suitable sampling strategies and surveys for evaluating the health risks associated with potentially toxic cyanobacterial proliferations in freshwater ecosystems.