Cyanobacteria

Les cyanobactéries, aussi nommées cyanophycées, sont une sous-classe de bactéries. Elles étaient jadis nommées «algues bleues».



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  • À l'eau brute des stations, sur . 42 espèces de cyanobactéries identifiées, 13 sont connues pour produire différents types de cyanotoxines.... (source : inspq.qc)
  • cyanobactéries, bactéries photosynthétiques contenant, ... Certaines espèces d'eau douce, productrices de toxines, peuvent proliférer et former des amas... (source : fr.encarta.msn)
  • Au Québec, il y en a à peu près 300, mais il existe plus de 1500 espèces, ... S'il y a contamination de fleur d'eau de cyanobactéries dans un milieu aquatique, ... (source : carnet.csdecou.qc)
Les cyanobactéries comptent parmi les formes les plus anciennes de vies en colonies capables de construire des récifs. Les stromatolithes fabriqués par certaines espèces existaient il y a plus de 3, 5 milliards d'années. On en trouve toujours quelques formations, dont ici dans l'ouest de l'Australie, dans le parc national de Yalgorup
Pullulation cyanophycées
Pullulation avec apparition de taches bleues correspondant aux pigments bleus libérés par des bactéries mortes
Exceptionnellement, le biofilm prend une couleur bleue, surtout sur les berges, à l'endroit où le vent et/ou le courant poussent les algues mortes
Les fleurs d'eau importantes sont quelquefois le prélude à des intoxications directe ou secondaire (botulisme.. ), mortalité

Les cyanobactéries (Cyanobacteria), aussi nommées cyanophycées (Cyanophyceæ), sont une sous-classe de bactéries (procaryotes). Elles étaient jadis nommées «algues bleues». Il en existe au moins 2 000 espèces, réparties dans plus de 150 genres[3].

Elles réalisent la photosynthèse oxygénique et peuvent par conséquent transformer l'énergie lumineuse en énergie chimique utilisable par la cellule en fixant le dioxyde de carbone (CO2) et en libérant du dioxygène (O2). Certaines d'entre elles peuvent dans certaines conditions fixer le diazote.

Apparues il y a à peu près 3, 8 milliards d'années, elles ont contribué à l'expansion de la vie sur Terre par leur production d'oxygène par photosynthèse et par leur contribution au premier puits biologique de carbone ainsi qu'à une désacidification des océans, quand elles se sont organisées en colonies fixées (stromatolithes), capables de produire du calcaire.

Leurs pullulations croissantes, favorisées par l'eutrophisation des eaux, posent divers problèmes : obstruction des dispositifs de filtration, coloration et quelquefois dystrophisations des eaux ou anoxies, avec métabolites secondaires donnant un mauvais goût à l'eau (géosmine, 2-méthylisobornéol, p-cyclocitral... ). Une quarantaine d'espèces[4] connues sécrètent ou contiennent des cyanotoxines qui sont le plus souvent des neurotoxines pouvant affecter mortellement divers animaux et l'homme.

Description

Les cyanobactéries sont des organismes procaryotes autotrophes ne présentant ni noyau véritable, ni plaste, ni reproduction sexuée. Elles possèdent de la chlorophylle et d'autres pigments, d'où leur couleur qui peut fluctuer énormément, mais qui est habituellement bleue, ce qui explique leur nom.

Au microscope électronique, on peut distinguer deux zones différenciées essentiellement par leur couleur : le chromoplasma (zone périphérique contenant les thylakoïdes, sortes de sacs écrasés contenant les organites photosynthétiques) et le centroplasma (zone centrale assurant des fonctions identiques à celle d'un noyau, contenant de l'ADN sous formes d'aiguilles). Le chloroplasma, hormis la photosynthèse, assure deux autres fonctions : la respiration et la fixation de l'azote chez certaines espèces. Les cyanobactéries sont dépourvues de membrane nucléaire, de mitochondries, de réticulum, de chromosomes et de flagelle.

Certaines cyanobactéries sont aussi actives la nuit ou en l'absence de lumière, se transformant en quelque sorte en bactéries chimio-hétérotrophes (en oxydant les sucres). Certaines survivent aussi en anaérobiose (ex : Oscillatoria limnetica ) en photosynthétisant à partir du sulfure d'hydrogène au lieu de l'eau. Les pullulations apparaissent fréquemment dans les eaux peu aérées ou à faible courant, mais il arrive qu'en été des rivières rapides soient touchées[5].

Les cyanobactéries qui vivent en colonies cohérentes (en trichomes formant des films, amas ou filaments) fixent l'azote de l'air via des cellules spécialisées dites hétérocystes qui fonctionnent indépendamment des autres cellules, en anaérobiose. Lorsque les nitrates ou l'ammoniac manquent, une partie des cellules de ces cyanobactéries (10% à peu près) épaississent leurs parois, excrètent leur pigments et synthétisent une enzyme (nitrogénase) qui fixe l'azote (stocké sous forme de glutamine qui est parfois utilisée par d'autres cellules vivant elles en aérobie).

Mobilité

Certaines cyanobactéries sont mobiles (fréquemment chez les Nostocales) et/ou peuvent produire des akinètes (cellules résistant à la déshydratation grâce à des parois épaissies).

Reproduction

Elle se fait par division végétative et par spores, soit unicellulaires (coccospores), soit sous forme de filaments de cyanobactéries (trichomes = hormogonies) ce qui forme deux principales classes de cyanobactéries : les coccogonophycidées (formes solitaires ou coloniales) et les hormogonophycidées (formes coloniales filamenteuses).

Écologie des cyanobactéries

Les cyanobactéries sont les êtres vivants les plus anciens identifiés avec certitude avec les archées, puisqu'on en trouve déjà durant le précambrien (les formes les plus simples), jusqu'aux alentours de 3, 8 milliards d'années. La présence de ces bactéries assez complexes laisse supposer l'existence antérieure de formes de vie plus simples (dont nous ne connaissons aucun fossile), repoussant la date d'apparition de la vie sur Terre. D'autre part, ces cyanobactéries anciennes ont généré des formations géologiques, les stromatolithes. Grâce à leur activité, des roches carbonatées se sont constituées en abondance en piégeant ainsi le gaz carbonique de l'atmosphère primitive, ce qui a pu nous apporter de nombreuses informations quant à la composition de l'atmosphère, par conséquent sur les conditions de vie de l'époque. Elles sont à l'origine de la modification de l'atmosphère terrestre avec l'enrichissement en dioxygène, indispensable au développement de la vie sur Terre en donnant la possibilité la naissance de la couche d'ozone protectrice, et du premier grand puits de carbone qui a diminué l'effet de serre, tandis que la puissance moyenne reçue du Soleil augmentait.

Les cyanophycées vivent presque partout, y compris dans des conditions extrêmes, des glaces polaires aux sables des déserts. Elles survivent dans les lacs particulièrement chauds et/ou acides des cratères volcaniques comme dans les geysers. Elles croissent tant en eau douce que salée, sous forme planctonique (vivant dans la masse d'eau), ou sous forme benthique (organismes fixés à un substrat immergé). Elles se développent spécifiquement bien dans certains milieux pollués par les activités humaines (eutrophisation, dystrophisation). Ces proliférations (blooms) forment par exemple des fleurs d'eau de couleur spécifique qui apparaissent sur un plan d'eau en voie de pollution. On assiste à ces efflorescences alguales lorsque l'eau contient de l'azote et/ou du phosphore en excès, conséquence par exemple d'une agriculture trop intensive ou d'une urbanisation épurant mal ses eaux. Pour cette raison, quand on détecte qu'une étendue d'eau est envahie par les cyanobactéries, il ne faut pas considérer l'efflorescence elle-même comme la pollution, mais plutôt comme une réaction naturelle à une pollution déjà présente.

Un autre paramètre important influençant la naissance de fleurs d'eau est le débit du cours d'eau[6]. Un fort débit provoque un brassage continuel de la matière en suspension en plus d'empêcher la stratification des eaux. Ainsi, l'acquisition de nutriments par les cyanobactéries est peu probable et ils ne peuvent se positionner dans la colonne d'eau pour obtenir l'intensité lumineuse requise. C'est pourquoi les fleurs d'eau apparaissent dans les lacs et les rivières à faible débit, plutôt que dans les fleuves (avec quelques exceptions).

De plus, les cyanobactéries sont reconnues pour n'avoir que particulièrement peu d'ennemis naturels et éliminer espèces concurrentes, tout en échappant à la prédation. La principale source de contrôle des populations provient de la compétition entre espèces de cyanophycées[3].

Les cyanobactéries adoptent plusieurs stratégies de survie telle la capacité d'emmagasiner le phosphore qui est l'élément nutritif limitant dans les cours d'eau[6]. De plus, certaines espèces possèdent un mécanisme de positionnement dans la colonne d'eau par l'intermédiaire de vésicules gazeuses. Ils sont par conséquent en mesure de s'adapter aux conditions lumineuses variables selon la période du jour[6]. Comme autres mécanismes d'adaptation on dénote la capacité de certaines espèces à utiliser des photons de longueurs d'ondes différentes, de ceux qui sont normalement utilisés, et qui pénètrent plus profondément dans l'eau[6].

Une question particulièrement importante au niveau de la fonction métabolique (rôle écologique) des cyanotoxines subsiste. Plusieurs suggèrent que la production de ces métabolites seraient seulement due à une réponse face à un stress provenant de l'environnement, tandis que d'autres croient que l'expression des gènes qui génèrent ces toxines est constitutive et que la proportion synthétisée augmenterait avec la croissance de la souche en question et donc, indirectement avec les facteurs environnementaux[7]. Comme autre hypothèse, on propose que ces molécules puissent servir de facteurs facilitant le mutualisme avec d'autres espèces, ou bien à l'inverse, ces toxines pourraient procurer un avantage sélectif sur des espèces compétitrices[6].

Toxicité, écotoxicité

50 % des efflorescences algales libèrent des endotoxines potentiellement dangereuses pour l'homme et les animaux. Elles affectent essentiellement la peau et les muqueuses (dermatotoxines), le foie (hépatotoxines) et le dispositif nerveux (neurotoxines, plus rares que les hépatotoxines). Le classement de la toxicité aiguë des cyanotoxines, établi selon les valeurs de DL50, place les anatoxines et les microcystines parmi les substances biologiques particulièrement toxiques[8].

Les genres principaux reconnus pour produire des toxines sont Anabæna, Aphanizomenon , Cylindrospermopsis , Microcystis , Nodularia , Oscillatoria , Planktothrix [6], [7].

La plus grande partie des cyanotoxines produites s'accumulent au sein des cellules et l'ampleur de la production semble être corrélée avec la phase de croissance des cyanobactéries. Par la suite, quand les bactéries sont à la fin de la période de sénescence, elles meurent et se lysent, provoquant le relâchement des toxines dans le milieu environnant. Ainsi, quand la période de floraison est en progression, on retrouve particulièrement peu de toxines extracellulaires tandis que vers le déclin de celle-ci, la concentration de toxines extracellulaires augmente énormement[9].

L'évaluation de la toxicité d'une efflorescence ne peut se faire par l'unique reconnaissance des espèces en présence, car une même cyanotoxine peut être synthétisée par plusieurs genres. A titre d'exemple, on sait que les genres Microcystis et Anabæna produisent des cyanotoxines de type microcystine[3].

La présence d'un genre connu produire des cyanotoxines ne veut pas dire obligatoirement que les toxines seront présentes, car ce ne sont pas l'ensemble des espèces constituant le genre qui produiront des cyanotoxines[3]. Les espèces toxiques peuvent générer une souche qui possèdera (et exprimera) ou non les gènes pour la production de toxines. Selon la diversité du matériel génétique des souches toxiques, celles-ci peuvent générer des cyanotoxines de toxicité variable[3]. De plus, les études disponibles en 2005 laissaient penser que les proliférations de cyanobactéries ne sont pas prédictibles, et qu'il n'y a pas de relation entre la biomasse alguale totale, la biomasse de cyanobactéries et la quantité de toxines produites.

Les proliférations de surface, en diminuant la pénétration de la lumière dans l'eau, nuisent aussi à d'autres groupes d'algues et de plantes et limitent les échanges gazeux entre l'atmosphère et l'eau (en outre elles consomment l'oxygène de l'eau) et peuvent ainsi conduire à une asphyxie (ou anoxie) des animaux aquatiques ou du milieu. Cependant, certaines espèces de cyanophycées du phytoplancton «normal» ou non toxiques, sont quelquefois cause d'un rendement exceptionnel en poissons de certains étangs ou zones marines. Les toxines ou leur mécanismes d'action ne sont pas toujours tous connus (ex pour Cœlosphærium kuetzingianum) .

Cyanobactéries et azote

Ces algues jouent un rôle important dans le cycle de l'azote, en étant capable de transformer l'azote atmosphérique en ammonium ou en nitrates assimilables par les plantes. En mourant, elles libèrent des sels nutritifs produits par la fixation de l'azote et augmentent ainsi le rendement agricole, tout spécifiquement en rizicultures. On les utilise quelquefois ainsi comme engrais «vert» pour amener un apport d'azote directement assimilable par les plantes.

Elles peuvent aussi vivre en symbiose, par exemple comme constituants algaux des lichens (gonidies) associés avec un champignon.

Les propriétés thérapeutiques des bains de boue seraient dues en majeure partie aux cyanobactéries.

Certaines espèces comme la spiruline (Arthrospira platensis ) forment aussi un très bon complément alimentaire.

Relations avec les chloroplastes

Les Chloroplastes qu'on retrouve chez les eucaryotes photosynthétiques, comme les algues et les plantes (c'est-à-dire les producteurs primaires) sont issus sans doute de cyanobactéries endosymbiotiques. Cette théorie endosymbiotique est soutenue par diverses similitudes structurelles et génétiques. Des plastes issus d'une endosymbiose primaire qui contiennent de la chlorophylle a et b ont été retrouvés parmi les algues vertes et les plantes mais aussi des plastes qui contiennent de la chlorophylle a et des phycobiliprotéines parmi des algues rouges et des glaucophytes. Ces plastes ont certainement eu une origine commune. D'autres algues ont acquis leurs plastes à partir de ces formes par endosymbiose ou ingestion secondaire (pour la lignée verte : Euglénophytes et Chlorarachniophytes à partir d'une algue verte, et pour la lignée rouge : l'ensemble des algues brunes au sens le plus large du terme - Hétérokontophytes, Cryptophytes, Dinophycées, Haptophytes, etc. - à partir d'une algue rouge).

Cyanobactéries en aquarium

En aquariophilie, la présence de certaines cyanobactéries dites «algues encroûtantes» signale un problème au niveau de l'eau. Ces algues apparaissent fréquemment après un manque d'entretien ou un déséquilibre important et brutal. Les matières organiques en décomposition facilitent aussi leurs développements. Leur mode de reproduction les rendent presque invincibles face à l'utilitaire de nettoyage de l'aquariophile, et quelques fragments suffisent à reconstituer une croûte épaisse.

Or leur présence est indésirable en aquarium où elles peuvent former un tapis sur les plantes, empêchant leur activité chlorophyllienne normale, les affaiblissant et les tuant, leur mort contribuant à polluer l'eau. Le sable recouvert par un tapis d'algues n'est plus drainé et oxygéné, devenant impropre à toute vie microbienne aérobie.
Les cyanobactéries fixant l'azote, elles font concurrence aux "bonnes bactéries" présentes dans l'aquarium (Nitrobacter et Nitrosomonas), ce qui déséquilibre à long terme l'écodispositif en place.

Solutions : Agir sur un des facteurs n'apporte fréquemment aucun résultat. Les nitrates, même peu présents, peuvent être compensés par la fixation de l'azote. Il est recommandé de nettoyer l'aquarium et son filtre avant des changements d'eau importants, en veillant à un éclairage approprié, et en évitant provisoirement l'apport de CO2. Une période d'une semaine dans le noir total, combiné à un bon nettoyage du bac ainsi qu'à une oxygénation de l'aquarium pourrait quelquefois suffire à les éradiquer. En derniers recours, des antibiotiques (érythromycine à raison de 200 mg pour 100 litres) sont efficaces, mais tueront aussi les bonnes bactéries (déséquilibre écologique), en risquant de créer des souches résistantes. Les poissons peuvent être transférés dans un autre aquarium le temps du traitement pour surtout leur éviter un pic d'ammoniac ou de nitrites, avant de filtrer sur charbon actif puis ré-ensemencer l'aquarium en bonnes bactéries, une fois le traitement terminé.


Dans les réservoirs d'eau potable...

L'eau de réservoirs alimentés par des fleuves ou de l'eau pluviale peut être contaminée par des cyanobactéries toxiques. C'est de plus en plus habituel depuis les années 1970. On y trouvera par exemple (Hémisphère nord)

  • Anabæna flosaquæ
  • Anabæna planctonica
  • Anabæna solitaria
  • Anabæna spiroides
  • Anabæna sp.
  • Aphanizomenon flosaquæ
  • Cœlosphærium kuetzingianum
  • Cœlosphærium nægilianum
  • Gomphosphæria aponica
  • Gomphosphæria lacustris
  • Microcystis flosaquæ
  • Microcystis sp.
  • Oscillatoria aghardii

Causes

Au niveau de l'eau, les causes suspectées sont une teneur trop élevée en matière organique, en nitrates et/ou phosphates. Dans un aquarium, l'éclairage peut être en cause (trop, pas suffisament ou source inappropriée). Le temps d'éclairage devrait être compris entre 10 et 12 heures par jour. Des contaminations externes par introduction d'algues peuvent être en cause. Par précaution, sur les sites extérieurs contaminés, les activités nautiques autres que baignade ou plongée sont quelquefois autorisée à condition qu'un lavage/rinçage soigneux du matériel suive l'activité, pour ne pas contaminer d'autres sites.

Au Québec, en 3 ans de 2001 à 2004, sur 6 stations de pompage d'eau potable, Anabæna flosaquæ , Cœlosphærium kuetzingianum ont assez souvent été détectées, ainsi qu'une dizaine d'autres souches. Le plus grand nombre d'espèces potentiellement toxiques était sur les sites de Plessisville, Saint-Hyacinthe et Farnham. Dans un tiers des cas à peu près, la présence d'une ou plusieurs espèces de cyanophycée était associée à une concentration détectable de cyanotoxine[10]. Sachant que ces espèces sont caractérisées par des blooms planctoniques, sans mesures régulières et particulièrement rapprochées, on est jamais certain de mesurer les maxima. La rivière Bécancour, la rivière Yamaska et la baie Missisquoi qui servent de réservoir d'eau potable, en contenaient[11] à des taux "fréquemment supérieurs au seuil d'alerte proposé par Bartram et al. (1999) pour l'approvisionnement en eau potable, soit 2000 cellules/ml". Les cyanotoxines n'étaient cependant que rarement détectées au robinet, ou à faibles valeurs[12] grâce à un bon traitement de l'eau ; les stations de potabilisation réussissant à éliminer les cyanobactéries sans faire éclater leurs cellules, c'est-à-dire sans libérer les cyanotoxines intracellulaires dans l'eau ou en les filtrant sur le charbon de bois activé.


La recherche

Elle porte ou pourrait porter sur un meilleur monitoring environnemental (réseaux de bouées de mesures automatiques en temps réel), sur l'identification des espèces et de leurs caractéristiques génétiques (ce qui implique l'entretien de collections de souches de référence et la mise en place d'une normalisation et standardisation des protocoles modes de dosages (comptage de cellules, colonies et/ou filaments ?) avec identification des classes, genre et/ou espèce ?) et des dosages de toxines (microcystines, mais également toxines autres que la MC-LR et autres que microsystines, dont cylindrospermopsine, saxitoxines), des modèles visant à prévoir les efflorescences et leur durée mais aussi les risques associés, - une meilleure connaissance de l'écophysiologie des cyanobactéries et de la biosynthèse des toxines, de leur devenir dans l'environnement (filtreurs, poissons, sédiments... ) et d'éventuels moyens de les inhiber (avec évaluation de l'efficacité des traitements à moyen et long terme). Les effets sur la santé d'une exposition longue à de faibles doses ne semblent pas avoir été étudiés.

Règlementation

Dans la majorité des pays, des normes existent avec des teneurs et seuil pour les toxines. En France ; Une circulaire [13] porte sur les eaux récréatives. Un décret[14] porte sur les eaux de boisson concerne les eaux conçues pour la consommation humaine (hors eaux minérales naturelles) imposant de ne pas dépasser 1 μg/L de microcystine LR (soit la recommandation de l'OMS en 1998). Toute prolifération phytoplanctonique impose une recherche de microcystine dans les eaux brutes. L'AFSSA/AFSSE ont produit des avis sur les risques induits par les cyanobactéries.

Notes et références

  1. Référence AlgæBase : phylum Cyanobacteria (en)
  2. Référence AlgæBase : classe Cyanophyceæ (en)
  3. abcde World Health Organisation (WHO), Toxic cyanobacteria in Water : A guide to their public health consequences, monitoring and management, 1ère edition, 1999.
  4. C. Svrcek, D. W. Smith, Cyanobacteria toxins and the current state of knowledge on water treatment options : a review, J. Environ. Eng. Sci. 3 : 155-184, 2004.
  5. Jean-François Humbert, INRA, journée scientifique sur les cyanobactéries du 6/6/2005
  6. abcdef Agence française de sécurité sanitaire de l'environnement et du travail (AFSSET), Évaluation des risques liés à la présence de cyanobactéries et de leurs toxines dans les eaux conçues pour l'alimentation, à la baignade l'eau de baignade ainsi qu'aux autres activités récréatives, juillet 2006.
  7. ab Ministère de la santé et des services sociaux et Santé Canada, Risque à la santé publique découlant de la présence de cyanobactéries et de microcystines dans trois bassins versants du Sud-ouest québécois tributaire du fleuve Saint-Laurent, décembre 2001.
  8. Synthèse de la journée scientifique sur les cyanobactéries du 6/6/2005, consulté 2009 02 01
  9. C. Svrcek, D. W. Smith, Cyanobacteria toxins and the current state of knowledge on water treatment options : a review, J. Environ. Eng. Sci. 3 : 155-184, 2004.
  10. Source, page 37
  11. aux prises d'eau des stations, c'est-à-dire dans le bas de la colonne d'eau.
  12. 30 à 50 fois moins que le maximum acceptable de 1, 5 μg/l pour Santé Canada (2002) pour la microcystine-LR.
  13. Circulaire DGS/SD7a/n°2002/335 du 07/06/02
  14. décret n° 2001-1220 du 20 décembre 2001

Bibliographie

Liens externes

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