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Le virioneuston
Les virus sont la forme de vie la plus abondante dans l’environnement aquatique. Leur concentration dans l’océan est probablement supérieure à 1029 virus par litre (Wilhelm & Suttle, 1999). Les études sur l’importance écologique des virus sont récentes (Proctor & Fuhrman, 1990 ; Bratbak et al., 1990 ; Thingstad et al., 1993 ; Bratbak et al., 1994 ; Suttle, 1994) et le virioneuston reste très peu documenté (Tapper & Hicks, 1998).
Les virus participent activement aux flux d’énergie et de matière dans le réseau trophique microbien. L’infection virale est signalée comme la principale cause de la mortalité des procaryotes dans les écosystèmes aquatiques (Fuhrman, 1999 ; Wommack & Colwell, 2000). D’ailleurs la lyse virale transforme la biomasse en matière organique dissoute (MOD), utilisée dans la production et la espiration bactériennes (Fuhrman, 1999). Cette production de MOD par la lyse virale affecte encore la structure de la communauté bactérienne (Lebaronet al., 1999 ; Middelboe, 2000 ; Riemann et al., 2000 ; Arrieta & Herndl, 2002). Les virus infectent également des organismes unicellulaires comme les flagellés et les algues. Dans les écosystèmes marins pélagiques, entre 6% à 26% du carbone fixé par la photosynthèse est transformé en MOD par lyse virale (Wilhelm & Suttle, 1999).
La mortalité des espèces dominantes par lyse viraleaffecte la composition des communautés microbiennes et entretient la richesse en espèces (Thingstad & Lignell, 1997). Les virus sont aussi capables de transférerdes gènes entre espèces (Jiang & Paul, 1996 et 1998 ; Paul, 1999 ; Brüssow & Hendrix, 2002 ).
Dans les eaux de surface, l’abondance et l’infectiv ité des virus sont affectés par les effets nocifs des rayons UV (Suttle & Chen, 1992 ; Wommack et al., 1996 ; Noble & Fuhrman, 1997 ; Wilhelm et al., 1998 a et b). D’autre part, les radiations solaires induisent le cycle lytique dans les bactéries lysogéniques (Freifelder, 1987).
Le bacterioneuston
La microcouche présente une importante densité de actériesb métaboliquement actives (Sieburth, 1971 ; Bezdek & Carlucci, 1972 ; Carlucci et al., 1985). Le bacterioneuston est de 100 à 1000 fois plus abondan t que les communautés bactériennes de l’eau sous-jacente (MacIntyre, 1974; Dahlbach et al., 1982 ; Hardy, 1982).
Les bactéries jouent un rôle fondamental dans la structure et la dynamique des réseaux trophiques et dans les cycles du carbone etdes nutriments inorganiques dans les environnements marins (Cho & Azam, 1988; Azam et al., 1983 ; Schauer et al., 2000). Le bactérioplancton est responsable de la transformation du carbone organique dissous produit par le phytoplancton en carbone organique particulaire (biomasse bactérienne), qui est consommé ensuite par les flagellés et les iliéesc (Azam et al., 1983). Le bacterioneuston est essentiel dans la dégradation et la minéralisation de la matière organique d’origine naturelle et anthropique dans la microcouche (Tsyban, 1971 ; GESAMP, 1995 ; Walczak et al., 2001 a et b). Le bactérioneuston joue également nu rôle important dans la dégradation des polluants toxiques concentrés dans la microcouche.
Bien que l’importance des bactéries soit reconnue depuis plusieurs décades (Azam 1998, Ducklow, 2000), le nombre d’espèces bactériennes présents dans le bactérioplancton reste inconnu. Pendant longtemps, la petite taille des cellules bactériennes et l’impossibilité de cultiver la plupart (>99%) des bactéries présentes dans l’environnement (Jannasch & Jones, 1959 ; Olsen & Bakken, 1987 ; Amman et al., 1995) ont rendu difficile l’étude de l’écologie etde la taxonomie bactériennes. Des nouvelles technologies, comme la cytométrie en flux et les techniques d’empreintes moléculaires, ont permis l’approfondissement des études des communautés bactériennes (Woese, 1987 ; Marieet al., 1997).
L’utilisation du gène codant l’ARNr 16S en phylogénie moléculaire (Woese, 1987) a permis une évolution significative dans le domaine de l’identification et de la taxonomie des bactéries. Les nouvelles méthodes biomoléculaires permettent une description plus précise de la diversité, de la structure et de la dynamique des communautés bactériennes (Muyzer, 1998).
Pour survivre aux conditions extrêmes de forte incidence des radiations UV et d’importantes concentrations de polluants dans la microcouche, le bacterioneuston doit présenter des mécanismes de protection et/ou de résistance. L’écologie et la diversité du bacterioneuston restent peu étudiées. L’isolement des souches neustoniques peut permettre l’identification des bactéries résistante aux radiations UV ou capables de dégrader certains polluants. Ces études présententun grand intérêt pour les applications biotechnologiques.
Le phytoneuston
Le phytoneuston rassemble une grande variété d’organismes de divers tailles et taxons. Les principaux composants du phytoneuston sont les cyanobactéries, les diatomées et les dinoflagellés.
La cyanobactérie Trichodesmium est un organisme phytoneustonique très important dans la production primaire et la fixation d’azote atmosphérique (Carpenter & Romans, 1991 ; Letelier & Karl, 1996 ; Capone et al., 1997 ; Zehr & Ward, 2002 ; Rabouille et al., 2006).
Les diatomées du genre Nitzschia et les dinoflagellés du genre Prorocentrum sont fréquemment observés dans la microcouche (Harvey, 1966 ; De Souza-Lima & Chretiennot-Dinet, 1984). Dans les eaux protégées te subissant un processus d’eutrophisation, la microcouche devient visible grâce à la forte densité (bloom) de Prorocentrum et d’autres espèces phytoneustoniques (GESAMP, 1995).
Diverses études montrent que le phytoneuston présente une composition spécifique distincte de celle du phytoplancton (Wilians et al., 1986 ; Hardy & Apts, 1989)
En général le phytoneuston présente un facteur d’enrichissement qui varie entre 10 à 1000 (Nestrova, 1980 ; Hardy et al., 1988 ; Liss & Duce, 1997). Néanmoins, la photosynthèse du phytoneuston est inhibée par la forte incidence des rayons solaires dans la microcouche (Marumo et al., 1971 ; Hardy 1982 ; Willians et al., 1986). Les effets nocifs des rayons UV sur le phytoneuston sont indiqués par la forte concentration de phaeopigments retrouvée dans la microcouche (Hardy & Apts, 1984 ; Falkowska, 1999 b).
Le zooneuston
Le microzooneuston comprend les ciliés (Zaitsev, 1971), les protozoaires (Norris, 1965). Les dinoflagellés hétérotrophesNoctiluca scintillans et Oxyrrhis marina sont très abondantes dans les échantillons neustoniques (Hardy, 1973). Les tintinnides sont aussi très abondantes dans la microcouche et se nourrissent du bacterioneuston. La prédation des bactéries et d’autres microorganismespar le microzooneuston, fonctionne comme un lien entre le réseau trophique microbien et le réseau trophique classique.
Les organismes mesozooneustoniques consomment de grandes densités de microneuston (Zaitev, 1971). Les copépodes sont très nombreux dans la microcouche, surtout la famille des Pontellidés (Zaitev, 1971 ; Hardy, 1982). Le mesozooneuston comprend encore les isopodes et amphipodes, en général attachés à des débris (Zaitev, 1971 ; Tully & O’Ceidigh, 1986). Certains poissons et invertébrés habitent dans la microcouche pendant la période de développement embryonnaire (oeufs) et larvaire.
Les organismes du macroneuston sont beaucoup plus rares et incluent les coelentérés comme les méduses et certains gastropodes (Prosobranchiata et Nudibranchiata).
Les hydrocarbures de la microcouche de surface
Les hydrocarbures sont les composés organiques les plus simples, constitués essentiellement de carbone et d’hydrogène. Ils présentent une grande valeur économique vu leur utilisation comme carburants, combustibles, huiles lubrifiantes et comme produits de base en synthèse pétrochimique.
On distingue les hydrocarbures aliphatiques (à chaî ne droite) et les composés cycliques. Les hydrocarbures aliphatiques sont constitués d’une chaîne carbonée linéaire saturée, pouvant présenter une ou plusieurs ramifications. Les gaz de combustion (naturel et de pétrole liquéfié), l’essence et l’huile de moteur sont composés d’hydrocarbures aliphatiques .
Les composés cycliques présentent un ou plusieurs ycles. Parmi les hydrocarbures cycliques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) possèdent au moins deux cycles (aromatiques) insaturés à six atomes de carbone, dont les électrons sont délocalisés sur tout le cycle (phénomène de conjugaison).
L’interface air-mer fonctionne comme puits et source des composées anthropiques, des hydrocarbures chlorés ou pétroliers et métaux lourds, et participe activement du cycle des polluants organiques persistants (POPs) dans les écosystèmes aquatiques (Southwood et al., 1999). Dans plusieurs environnements côtiers des concentrations élevés en métaux toxiques (Hoffmannet al., 1974 ; Hunter, 1980; Hardy et al., 1985) et en polluants organiques (Williams et al., 1986 ; Hardy et al., 1987 ; Cross et al., 1987 ; Sauer et al., 1989 ; Hardy et al., 1990 ; Cincinelli et al., 2001) sont observées dans la SML en comparaison avec l’eau sous-jacente.
Les hydrocarbures non-aromatiques (aliphatiques et alicycliques – HNA) et aromatiques (HAP) s’accumulent dans la SML en comparaison avec l’UW (Marty & Saliot, 1976 ; Marty et al., 1979 ; Cincinelli et al., 2001). En général la fraction particulaire présente des facteurs d’enrichissement plus importantes que la fraction dissoute (Marty & Saliot, 1976 ; Cincinelli et al., 2001)
Les facteurs d’enrichissement des n-alcanes varient de 0,3 à 4 dans les eaux côtières et dans les océans (Marty et al., 1979 ; Boehm, 1980 ; Hô et al., 1982). Pour les HAP le facteur d’enrichissement moyen varie de 9 à 21,8 (Cincinelli et al., 2001). Dans les zones contaminées par du pétrole, les hydrocarbures peuvent être 1000 fois plus abondants dans la microcouche par rapport à l’eau s ous-jacente (Marty & Saliot, 1976 ; Hardy et al., 1987).
La toxicité des hydrocarbures est variable. En général, les hydrocarbures aromatiques sont plus toxiques que les hydrocarbures aliphatiques. L’exposition du neuston aux polluants résulte en un impact sur l’écologie de l’environnement marin (Corsolini et al., 2002 ; Wurl & Obbard, 2004). Toutefois certains bactéries et microalgues non seulement résistent mais peuvent dégrader les hydrocarbures et autres polluants (Johnsen et al., 2002 ; Sho et al., 2004).
Les hydrocarbures présents dans l’environnement proviennent de processus naturels ou anthropiques. Actuellement, on observe une augmentation des hydrocarbures d’origine anthropique par comparaison avec les hydrocarbures d’origine naturelle, notamment dans des endroits industrialisés et urbains (Bourbonniere & Meyers, 1996).
La génération naturelle des hydrocarbures dérive des feux de forêt et d’herbage, des éruptions volcaniques, de l’érosion des rocheset des fuites des réservoirs naturels (NRC, 1985). La production d’hydrocarbures par les végétaux supérieurs (cires) et par les algues est importante et marquée par la prédominance des n-alcanes (Saliot, 1981).
Les sources anthropiques se partagent entre sources pétrolières (pétrogenèse de basse température) et sources pyrolytiques (processus de combustion à haute température) (NRC, 1985). Les principales sources anthropiques des hydrocarbures sont la circulation automobile (surtout la combustion incomplète des carburants), le chauffage urbain et les industries (Neff, 1979 ; NRC, 1985).
Les hydrocarbures sont introduits dans le milieu aquatique par des effluents industriels et municipaux, par les eaux souterraines et de ruissellements urbains et industriels, par les dépôts atmosphériques, ainsi que par les déversements accidentels de pétrole brut et de produits pétroliers (Neff, 1979; Eganhouse & Kaplan, 1982 ; Hoffman et al., 1984 ; Burns & Saliot, 1986 ; McVeety & Hites, 1988).
La caractérisation des hydrocarbures dans l’environnement et l’identification des sources sont des tâches très importantes, mais aussi très difficiles à réaliser. L’analyse des spectres des fractions aliphatiques et aromatiques constitue une source d’informations très intéressante et indispensable dans l’identification de l’origine des hydrocarbures. L’analyse fine des spectres permet la distinction des sources biologiques et anthropiques et de différentier les origines pétrolières et pyrolytiques à partir des traceurs chimiques. La fraction aliphatique permet principalement la différentiation des sources biologiques et anthropiques et la fraction aromatique est idéale pour la distinction des origines pétrolières et pyrolytiques.
Les radiations solaires
La microcouche de surface est fortement sensible aux irradiations du soleil qui peuvent influencer les phénomènes chimiques et biologiques.
Les premières observations sur la raréfaction de la couche d’ozone dans l’atmosphère (Molina & Rowland, 1974 ; Farman et al, 1985) et l’augmentation de l’incidence des rayons UVB sur la Terre (Crutzen, 1992 ; Kerr & McElroy, 1993) ont motivé de nombreuses études sur les effets des rayons UV et les réponses des communautés biologiques.
Le soleil émet différentes types de rayonnement classés en fonction de leur longueur d’onde : les rayons infrarouges (IR, >800nm), la lumière visible ou disponible pour la photosynthèse (PAR, 400-750nm) et les radiations ultraviolettes A (UVA, 320-400nm), B (UVB, 280-320nm) et C (UVC, 200-280nm) (Peak & Peak 1989). La radiation UVC, de plus forte énergie et très dangereuse, est absorbée par l’atmosphère et la couche d’ozone et n’arrive pas à la surface de l a Terre. Les rayons UVB sont sélectivement absorbés par la couche d’ozone. Les ayonsr UVA sont les moins énergétiques et les plus pénétrants des UV et correspondent à 99% de la lumière UV qui atteint la surface de la Terre (Stolarski, 1988).
La radiation UV qui atteint la surface de la Terre correspond à environ 4% de l’énergie solaire et varie selon la latitude, la saison, l’heure, l’épaisseur de l’atmosphère et de la couche d’ozone. Les régions tropicales sont caractérisées par des niveaux naturels d’UVB très élevés (Madronichet al., 1995).
Un grand nombre d’études souligne les impacts des rayons UVA et UVB sur les organismes marins, comme les bactéries (Herndl et al., 1993), le phytoplancton (Ferreyra et al., 1997 ; Fauchot et al., 2000), les protistes (Wickham & Carstens, 1998 ; Chatila et al., 1999 ; Mostajir et al., 1999), les métazoaires et les poissons (Rodriguezet al., 2000 ; Zagarese & Williamson, 2000).
Les rayons UV pénètrent profondément dans la colonne d’eau. Dans l’océan atlantique subtropical, 10% du niveau des radiation de 340 et 380nm arrive à 35 et a 60m, respectivement ( Smith & Baker, 1981 ; Fleischmann, 1989 ; Vincent & Roy, 1993 ; Obernosterer et al., 1999 ). Dans les régions côtières les rayons UVB atteintent au moins 20m de profondeur (Smith & Baker, 1981 ; Fleischmann, 1989). Si les organismes benthiques sont affectés par les effets nocifs des rayons UV, les organismes qui habitent à la surface et dans les zones interti dales sont exposés à des niveaux très importants de rayons UVA et UVB (Booth et al., 2001).
Le bactérioplancton est particulièrement affecté par les effets nocifs des rayons UV en comparaison au plancton eucaryote (Helbling et al., 1995 ; Jeffrey et al., 1996 a et b ; Joux et al., 1999). La petite taille des cellules bactérienneset leur génome simple et haploïde avec peut ou sans redondance fonctionnelle sont indiqués comme responsables pour cette sensibilité (Jouxet al., 1999).
Les cellules phytoplanctoniques synthétisent des pigments comme protection contre les rayons UVB. L’importance et l’utilisatio n des pigments dans la protection des bactéries contre les rayons UV reste contradictoire. La petite taille des cellules bactériennes est responsable de l’empêchement d’uneprotection pigmentaire effective (Garcia-Pichel, 1994 ; Jeffrey et al., 1996 a et b). Cependant la production des pigments photoprotecteurs comme la mycosporine et la scytonemine est observé chez les cyanobactéries (Ehling-Schulz et al., 1997) et certains bactéries sont capables de convertir les mycosporines synthétisées par des algues en mycosporine-glycine, molécule ayant des caractéristiques antioxydantes Dunlap( et al., 1998 ; Shick & Dunlap, 2002). Les pigments caroténoïdes jouent un rôle important dans la protection contre les effets nocifs de la radiation UVA et sont présents dans les bactéries (Wuet al., 1983 ; Miki et al., 1994 ; Sundin & Jacobs, 1999).
Les effets des rayons UV sur les bactéries varient selon la longueur d’onde. Les rayons UVA entraînent des dommages indirects sur l’ ADN, protéines et lipides à partir de la formation d’espèces réactives de l’oxygène, ommec le peroxyde d’hydrogène H2O2 et les radicales superoxyde O2- et hydroxyle OH- (Xenopoulos & Bird, 1997).
La radiation UVB est fortement absorbée par l’ADN et entraîne des dommages directs et indirects aux bactéries.
Les effets indirects des UVB sur le bactérioplancton peuvent à la fois inhiber la production bactérienne ou la stimuler (Lindell et al., 1996). Parmi les effets indirects nocifs on pourrait citer la production photochimique de substances toxiques comme les radicaux superoxydes et le peroxyde d’hydrogène et la libération photochimique des métaux toxiques (cuivre, aluminium) antérieurement liés (chelated) à des macromolécules organiques (Karentz et al., 1994). La radiation UV augmente la libération de matière organique dissoute (DOM) parle phytoplancton (Sommaruga et al, 1997) et transforme la MOD réfractaire en formes plus labiles et vice-versa (Benner & Biddanda, 1998 ; Tranvik & Kokalj, 1998 ; Obernosterer et al., 1999 ; Pausz & Herndl, 1999).
Les effets directs des rayons UVB sur les bactéries incluent la formation de lésions dans les acides nucléiques (Mitchell & Karentz, 1993), la diminution de l’activité enzymatique (Herndl et al., 1993) et la réduction de la perméabilité des membranes (Klamen & Tuveson, 1982). Ces dommages résultent en la réduction de la viabilité du bactérioplancton (Vincent & Roy, 1993), la diminution de l’abondance bactérienne (Müller-Niklas et al., 1995 ; Pakulski et al., 1998) et la réduction de la production bactérienne (Aaset al., 1996, Pakulski et al., 1998 ; Visser et al., 1999).
Les effets plus nocifs des rayons UVB sur les bactéries sont les lésions de l’ADN. Les rayons UVB induisent la liaison entre les bases pyrimidines adjacentes résultant surtout en la formation des dimères de pyrimidine cyclobutane (CPDs) (Mitchell & Karentz, 1993). La formation des CPDs peut bloquer la synthèse de l’ADN ou la transcription de l’ARN (Jeffrey et al 1996 a et b).
En réponse aux agressions des rayons UV, les bactéries on développé divers mécanismes de réparation. La photoréparation enzymatique (PER ou light repair) est activée par la lumière visible ou les UVA et permetla réparation des CPDs par l’action d’une enzyme, la photolyase, qui catalyse le clivage chimique du dimère (Friedberg, 1985 ; Miller et al., 1999).
Les mécanismes qui ne nécessitent pas de lumière vis ble (dark repairs) sont la réparation par excision de nucléotide (NER), la réparation inductible ou réparation SOS et la réparation par recombinaison. Ces mécanismesde réparation sont régulés par la protéine RecA, qui est induite pendant les périodesd’obscurité (Miller et al., 1999).
La sensibilité aux UV et la capacité de récupération des dommages causés par les radiations UV varient fortement entre les différentes espèces bactériennes (Jouxet al., 1999; Arrieta et al., 2000). Subséquemment l’incidence des radiations UV sur un écosystème interfère dans la composition de la communauté bactérienne (Bothwellet al., 1993) et affect le transfert de l’énergie entre les niveaux trophiques (Mostajir et al., 1999).
Les autres composants de la boucle microbienne sont aussi affectés par la radiation UV. Les effets négatifs des UV sur les protistes diminuent la prédation des bactéries (Chatila et al, 1999). La radiation solaire UV entraîne des effets négatifs sur l’abondance virale et sur l’infectivité (Suttle & Chen, 1992 ; Wommack et al., 1996 ; Noble & Fuhrman, 1997 ; Wilhelm et al., 1998 a et b), mais est signalée comme un facteur d’induction du cycle lytique dans les bactéries lysogéniques (Freifelder, 1987).
Les effets des rayons solaires sur les bactéries isolées ne sont pas comparables aux effets du soleil sur le bactérioplancton totaledans les communautés marines. Dans l’environnement les effets directs et indirects de la radiation solaire sur le bactérioplancton sont divers et simultanés ; d’autres facteurs jouent avec la sensibilité et la capacité régénératrice de chaque bactérie. Parxemple, l’inhibition du bactérioplancton par la radiation solaire est plus prononcée quand le bactérioplancton est séparé de la communauté phytoplanctonique (Sommaruga et al., 1997). Cependant
l’étude de la résistance des souches bactériennessoléesi aux radiations solaires envisage la découverte de souches très sensibles ou très résistantes et d’informations sur les mécanismes spécifiques de protection et de régénération des bactéries exposées aux rayons solaires..
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Table des matières
Chapitre I – Introduction
I.1 L’interface air-mer – la microcouche de surface (SML)
I.2 Le neuston
I.2.1 Le virioneuston
I.2.2 Le bacterioneuston
I.2.3 Le phytoneuston
I.2.4 Le zooneuston
I.3 Les hydrocarbures de la microcouche de surface
I.4 Les radiations solaires
Chapitre II – Présentation du site d’étude
II. Présentation du site d’étude – La Baie de Guanabara
Chapitre III – Méthodologie
III.1 Stratégie d’échantillonnage
III.2 Prélèvement des échantillons
III.3 Analyses microbiennes
III.3.1 Bactéries cultivables
III.3.2 Bactéries totales
III.3.3 Isolement de souches
III.3.4 Caracterisation moléculaire des isolats
III.3.4.1 Extraction de l’ADN
III.3.4.2 Amplification de l’ADNr 16S
III.3.4.3 Criblage génotypique des isolats par RFLP
III.3.4.4 Séquençage
III.3.5 SSCP
III.3.6 Expérience sur la résistance des souches aux radiations solaires
III.4 Analyses chimiques
III.4.1 Précautions prises au cours des manipulations
III.4.2 Séparation entre les fractions dissoute et particulaire
III.4.3 Extraction
III.4.3.1 Fraction dissoute
III.4.3.2 Fraction particulaire
III.4.4 Séparation chromatographique sur gel de silice
III.4.5 Méthodes de quantification et d’identification
III.4.5.1 Chromatographie en phase gazeuse (GC)
Chapitre IV – Résultats
IV.1 Analyses chimiques: les hydrocarbures de la microcouche de surface
IV.2 Analyses microbiennes
IV.2.1 Quantification des bactéries totales et cultivables
IV.2.2 Identification des bactéries
IV.2.3 Résistance aux radiations solaires
IV.2.3 La diversité du bactérioneuston (SSCP)
Chapitre V – Discussion
V.1 Les hydrocarbures à la microcouche de surface
V.2 Le bactérioneuston
V.2.1 Identification des souches bactériennes
V.2.2 La résistance des souches bactériennes aux radiations solaires
V.2.4 La structure populationnelle des communautés bactériennes
V.3 Discussion générale
Chapitre VI – Conclusions & Perspectives
VI.1 Conclusions
VI.2 Perspectives futures
Références Bibliographiques
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