Les proliférations cyanobactériennes en étangs piscicoles : impact de l'environnement sur la dynamique et génétique des populations et sur la production de toxines

par David Pobel

Thèse de doctorat en Biodiversité, écologie, environnement

Sous la direction de Jean-François Humbert et de Joël Robin.

Soutenue le 12-05-2011

à Grenoble, dans le cadre de École doctorale SISEO (Chambéry), en partenariat avec Centre Alpin de Recherche sur le réseaux Trophiques des Ecosystèmes Limniques (laboratoire) .

Le président du jury était Bernard Montuelle.

Le jury était composé de Jean-François Humbert, Joël Robin, Christophe Laplace-Treyture.

Les rapporteurs étaient Cécile Bernard, Myriam Bormans.


  • Résumé

    Les proliférations de cyanobactéries présentent en général d'importantes variations spatiales et temporelles de leur abondance cellulaire et de leur potentiel toxique, ce qui rend très difficile la surveillance de ces microorganismes et l'estimation des risques sanitaires associés à ces événements. Dans ce cadre général, le premier objectif de ma thèse a été de tester différentes stratégies d'échantillonnage pour suivre au mieux l'évolution des abondances cellulaires lors des proliférations de cyanobactéries. Par un échantillonnage à haute fréquence (six points tous les deux jours) réalisé sur un étang piscicole du Forez, nous avons montré que les deux espèces qui proliféraient dans cet écosystème (Microcystis aeruginosa et Aphanizomenon flos-aquae) présentaient des dynamiques spatiales et temporelles de leur abondance cellulaire très contrastées, ne permettant pas de définir une stratégie d'échantillonnage optimale commune aux deux espèces. Si pour ces deux espèces, trois points d'échantillonnage sont au minimum nécessaires pour bien prendre en compte l'hétérogénéité dans la distribution spatiale des cellules, les fréquences d'échantillonnage optimales sont en revanche très variables, allant d'un échantillonnage mensuel ou bimensuel pour Microcystis à un échantillonnage au minimum hebdomadaire pour Aphanizomenon. Le second objectif de ma thèse a été de m'appuyer sur cette stratégie d'échantillonnage à haute fréquence, pour mieux comprendre le développement de la prolifération de M. aeruginosa. Pour ce faire, nous avons estimé les changements spatiaux et temporels intervenant dans la composition génotypique de la population de cyanobactéries (par utilisation de la SSCP sur l'ITS 16S-23S) et dans sa toxicité potentielle (par le dosage des microcystines et l'évaluation de la proportion de cellules possédant le gène mcyB, un des gènes de synthèse de la microcystine). La répartition spatiale de la composition génotypique s'est révélée homogène à l'échelle de l'étang. Il est également apparu qu'au cours de la phase de croissance de la population, cette composition génotypique subissait de nombreux changements à courte échelle temporelle puis restait stable pendant plusieurs semaines lorsque le maximum d'abondance était atteint. Au niveau du potentiel toxique, la proportion de cellules possédant le gène mcyB est resté proche de 60 % durant toute la prolifération avec toutefois, des variations plus importantes pendant le développement du bloom. Aucune relation n'a pu être établie entre les variations observées dans la composition génotypique de la population et celles dans les proportions de cellules toxiques. De même, aucun lien n'a pu être établi entre les variations de diverses variables environnementales (nutriments, température, pluie) et celles de l'abondance cellulaire, de la toxicité potentielle et de la composition génotypique de la population de Microcystis. L'ensemble de ces résultats suggère que d'autres facteurs et processus interviennent probablement dans ces variations et qu'il existe sans doute des interactions très complexes entre toutes ces variables. Enfin, le troisième objectif de ma thèse a été de comparer la composition génotypique et le potentiel toxique de plusieurs populations de Microcystis plus ou moins connectées entre elles. Cette comparaison a permis de montrer l'importance fondamentale des facteurs et processus environnementaux locaux, dans la mise en place et le développement de ces évènements.

  • Titre traduit

    Cyanobacterial blooms in shallow lakes : impact of environment on the dynamics and genetics of populations and on toxin production


  • Résumé

    Generally, cyanobacteria proliferations show great spatial and temporal variations in their cell abundances and potential toxicity, which makes it difficult to control the development of these microorganisms and to predict the health risks associated with these events. Within this scope, the first goal of my PhD thesis was to test different sampling strategies to guarantee the best monitoring of the cell abundances during cyanobacteria proliferations. We made a high frequency sampling (six points every other day) in a shallow lake located in Forez and we evidenced that the two blooming-species (Microcystis aeruginosa and Aphanizomenon flos-aquae) showed strongly contrasted spatial and temporal patterns of their cell abundances precluding having a common optimal sampling strategy for both species. Even if three sampling points were enough to take into account the spatial heterogeneity of Microcystis and Aphanizomenon cells, a monthly or two-monthly sampling was sufficient for Microcystis whereas a weekly sampling was necessary for Aphanizomenon. The second goal was to gain a better understanding of Microcystis proliferation development. To achieve this aim, we estimated spatial and temporal changes in the genotypic composition (using the SSCP method in the 16S-23S ITS) and in the potential toxicity (by measuring the microcystin concentration and proportion of mcyB+ cells). We obtained a homogeneous spatial repartition of the genotypic composition. Moreover, during the growth phase, there were many rapid changes in the genotypic composition whereas this composition remained stable for several weeks where the maximum cell abundance was reached. As for potential toxicity, the proportion of mcyB+ cells remains at around 60 % during the proliferation but we observed higher variations during the growth phase. No relation was found between the variations of the genotypic composition and proportion of toxic cells on the one hand and the variations of several environmental factors (nutrients, temperature, rain) on the other hand, suggesting that other factors may be involved in these variations and that many complex interactions occur between these factors. Finally, the third goal of my PhD thesis was to compare the genotypic composition and the potential toxicity of different Microcystis populations, which were more or less interconnected. This comparison evidenced the great importance of local environmental factors and processes in the beginning and development of these events.

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