Next Generation Sequencing and mass spectrometry reveal high taxonomic diversity and complex phytoplankton-phycotoxins patterns in Southeastern Pacific fjords

In fjord systems, Harmful Algal Blooms (HABs) not only constitute a serious problem when affecting the wildlife and ecosystems, but also human health and economic activities related to the marine environment. This is mostly due to a broad spectrum of toxic compounds produced by several members of the phytoplankton. Nevertheless, a deep coverage of the taxonomic diversity and composition of phytoplankton species and phycotoxin profiles in HAB prone areas are still lacking and little is known about the relationship between these fundamental elements for fjord ecosystems. In this study, a detailed molecular and microscopic characterization of plankton communities was performed, together with an analysis of the occurrence and spatial patterns of lipophilic toxins in a HAB prone area, located in the Southeastern Pacific fjord region. Microscopy and molecular analyses based on the 18S rRNA gene fragment indicated high diversity and taxonomic homogeneity among stations. Four toxigenic genera were identified: Pseudo-nitzschia, Dinophysis, Prorocentrum, and Alexandrium. In agreement with the detected species, liquid chromatography coupled with mass spectrometry revealed the presence of domoic acid (DA), pectenotoxin-2 (PTX-2), dinophysistoxin-2 (DTX-2), and 13-desmethyl spirolide C (SPX-1). Furthermore, a patchy distribution among DA in different net haul size fractions was found. Our results displayed a complex phytoplankton-phycotoxin pattern and for the first time contribute to the characterization of high-resolution phytoplankton community composition and phycotoxin distribution in fjords of the Southeastern Pacific region

Mieux comprendre les conditions de développement et la biodiversité microbienne des biofilms en riviéres pour mieux les surveiller : cas particulier des biofilms à cyanobactéries

In a general context of aquatic ecosystems degradation, my thesis focuses on the issue of potentially toxic benthic cyanobacterial proliferations that can form thick biofilms fixed on the riverbed of certain rivers. While planktonic cyanobacterial blooms have been the subject of numerous studies, mainly due to their detrimental effects on the ecosystems, only a limited number of works have focused on benthic cyanobacteria. Therefore, the thesis involves a fundamental approach for knowledge acquisition on biofilms biodiversity and ecology, with an interest on benthic cyanobacterial proliferations, and an applied approach concerning strategies and tools for their monitoring on rivers in order to meet a request from water agencies and aquatic environmental managers.The main results of the thesis highlight (i) the importance of the hydrogeological context of sampling stations and water temperature on the temporal variations of periphytic communities, (ii) by OTU correlation analysis, positive interactions on the framework of organic matter recycling, and negative interactions in the case of light access competition, and (iii) a geographical structure of cyanobacterial-associated bacterial communities that seems to be mostly explained by local environmental context rather than distance. Concerning surveillance, we showed the limitations of a new spectrofluorometric tool for the quantification of benthic cyanobacteria and we propose sampling strategies to evaluate the importance of cyanobacterial biofilms in rivers.Dans un contexte général de dégradation de nombreux écosystèmes aquatiques, les travaux de ma thèse se sont intéressés à la problématique des proliférations de cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques qui peuvent former des biofilms épais sur le fond de certaines rivières. Alors que les proliférations de cyanobactéries planctoniques ont fait l’objet de nombreuses études, notamment en raison de leurs effets néfastes sur les écosystèmes et des limitations de leurs usages qu’elles provoquent, seul un nombre très restreint de travaux s’est intéressé aux proliférations de cyanobactéries benthiques. Partant de ce constat, les données acquises au cours de cette thèse se sont inscrits à la fois dans une démarche fondamentale d’acquisition de connaissances sur la composition microbienne et l’écologie des biofilms périphytiques, avec un regard particulier sur les proliférations de cyanobactéries benthiques en rivières, et dans une démarche plus appliquée sur les stratégies et outils pour la surveillance des biofilms à cyanobactéries dans les rivières afin de répondre à une demande des Agences de l’Eau et des gestionnaires de milieux aquatiques. Ces travaux ont reposé sur des prélèvements de biofilms dans deux rivières françaises, le Tarn et la Loue, et dans neuf rivières néo-zélandaises. Les communautés microbiennes au sein des biofilms ont été caractérisées par des approches de séquençage à haut débit ciblant un fragment du gène de la petite sous-unité de l’ARN ribosomal 16S et 18S. Des données environnementales permettant de décrire le contexte dans lequel les biofilms se sont développés ont été également acquises. Les résultats principaux permettant une amélioration des connaissances sur les communautés microbiennes et l’écologie des biofilms de rivières se rapportent à la mise en évidence (i) de l’importance fondamentale de certains facteurs comme la température de l’eau sur les variations temporelles de l’ensemble des communautés périphytiques et de la nécessité de prendre en compte les contextes hydrologique et géologique des stations de prélèvements pour comprendre ces variations, (ii) par l’analyse des corrélations entre les OTU dominantes des communautés phototrophes et hétérotrophes, d’interactions positives entre certaines de ces OTU, par exemple dans le cadre du recyclage de la matière organique ou d’interactions négatives, par exemple dans le cas des compétitions pour l’accès à la lumière entre bactéries et micro-algues phototrophes et (iii) d’une structuration géographique des communautés bactériennes associées aux biofilms à cyanobactéries qui semble plus s’expliquer par le contexte environnemental local des biofilms que par leur éloignement par la distance. Concernant les données acquises lors de cette thèse pour améliorer la surveillance et la gestion des risques liés aux proliférations de cyanobactéries benthiques, nos travaux ont permis de montrer les limites d’un nouvel outil (sonde spectrofluorimétrique) pour la détection et la quantification des cyanobactéries benthiques et de proposer des stratégies d’échantillonnage pour évaluer l’importance des biofilms à cyanobactéries en rivières. Finalement, nos résultats suggèrent que la prévention des risques liés aux cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques devrait essentiellement reposer sur l’information des usagers

Understanding the conditions of development and microbial biodiversity of biofilms in rivers for a better surveillance : the particular case of cyanobacterial biofilms

Dans un contexte général de dégradation de nombreux écosystèmes aquatiques, les travaux de ma thèse se sont intéressés à la problématique des proliférations de cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques qui peuvent former des biofilms épais sur le fond de certaines rivières. Alors que les proliférations de cyanobactéries planctoniques ont fait l’objet de nombreuses études, notamment en raison de leurs effets néfastes sur les écosystèmes et des limitations de leurs usages qu’elles provoquent, seul un nombre très restreint de travaux s’est intéressé aux proliférations de cyanobactéries benthiques. Partant de ce constat, les données acquises au cours de cette thèse se sont inscrits à la fois dans une démarche fondamentale d’acquisition de connaissances sur la composition microbienne et l’écologie des biofilms périphytiques, avec un regard particulier sur les proliférations de cyanobactéries benthiques en rivières, et dans une démarche plus appliquée sur les stratégies et outils pour la surveillance des biofilms à cyanobactéries dans les rivières afin de répondre à une demande des Agences de l’Eau et des gestionnaires de milieux aquatiques. Ces travaux ont reposé sur des prélèvements de biofilms dans deux rivières françaises, le Tarn et la Loue, et dans neuf rivières néo-zélandaises. Les communautés microbiennes au sein des biofilms ont été caractérisées par des approches de séquençage à haut débit ciblant un fragment du gène de la petite sous-unité de l’ARN ribosomal 16S et 18S. Des données environnementales permettant de décrire le contexte dans lequel les biofilms se sont développés ont été également acquises. Les résultats principaux permettant une amélioration des connaissances sur les communautés microbiennes et l’écologie des biofilms de rivières se rapportent à la mise en évidence (i) de l’importance fondamentale de certains facteurs comme la température de l’eau sur les variations temporelles de l’ensemble des communautés périphytiques et de la nécessité de prendre en compte les contextes hydrologique et géologique des stations de prélèvements pour comprendre ces variations, (ii) par l’analyse des corrélations entre les OTU dominantes des communautés phototrophes et hétérotrophes, d’interactions positives entre certaines de ces OTU, par exemple dans le cadre du recyclage de la matière organique ou d’interactions négatives, par exemple dans le cas des compétitions pour l’accès à la lumière entre bactéries et micro-algues phototrophes et (iii) d’une structuration géographique des communautés bactériennes associées aux biofilms à cyanobactéries qui semble plus s’expliquer par le contexte environnemental local des biofilms que par leur éloignement par la distance. Concernant les données acquises lors de cette thèse pour améliorer la surveillance et la gestion des risques liés aux proliférations de cyanobactéries benthiques, nos travaux ont permis de montrer les limites d’un nouvel outil (sonde spectrofluorimétrique) pour la détection et la quantification des cyanobactéries benthiques et de proposer des stratégies d’échantillonnage pour évaluer l’importance des biofilms à cyanobactéries en rivières. Finalement, nos résultats suggèrent que la prévention des risques liés aux cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques devrait essentiellement reposer sur l’information des usagers.In a general context of aquatic ecosystems degradation, my thesis focuses on the issue of potentially toxic benthic cyanobacterial proliferations that can form thick biofilms fixed on the riverbed of certain rivers. While planktonic cyanobacterial blooms have been the subject of numerous studies, mainly due to their detrimental effects on the ecosystems, only a limited number of works have focused on benthic cyanobacteria. Therefore, the thesis involves a fundamental approach for knowledge acquisition on biofilms biodiversity and ecology, with an interest on benthic cyanobacterial proliferations, and an applied approach concerning strategies and tools for their monitoring on rivers in order to meet a request from water agencies and aquatic environmental managers.The main results of the thesis highlight (i) the importance of the hydrogeological context of sampling stations and water temperature on the temporal variations of periphytic communities, (ii) by OTU correlation analysis, positive interactions on the framework of organic matter recycling, and negative interactions in the case of light access competition, and (iii) a geographical structure of cyanobacterial-associated bacterial communities that seems to be mostly explained by local environmental context rather than distance. Concerning surveillance, we showed the limitations of a new spectrofluorometric tool for the quantification of benthic cyanobacteria and we propose sampling strategies to evaluate the importance of cyanobacterial biofilms in rivers

Spatial and Temporal Variability in the Development and Potential Toxicity of Phormidium Biofilms in the Tarn River, France

Proliferation of Phormidium biofilms in rivers is becoming a worldwide sanitation problem for humans and animals, due to the ability of these bacteria to produce anatoxins. To better understand the environmental conditions that favor the development of Phormidium biofilms and the production of anatoxins, we monitored the formation of these biofilms and their toxins for two years in the Tarn River, biofilms from which are known to have caused the deaths of multiple dogs. As previously observed in New Zealand, Phormidium biofilm development occurred in riffle areas. The coverage of these biofilms at the bottom of the river exhibited strong spatial and temporal variations, but was positively correlated with water temperature and depth. Anatoxin-a was detected in less than 50% of the biofilms. The concentrations of these toxins in the biofilms exhibited high spatiotemporal variability, with the highest concentrations being recorded at the end of the summer period at the upstream sampling sites. These findings suggest that the maturity of the biofilms, combined with the local environmental conditions, have an impact on the production of anatoxin, making risk assessment for these benthic proliferations challenging

Spatial and Temporal Variability in the Development and Potential Toxicity of Phormidium Biofilms in the Tarn River, France

International audienceProliferation of Phormidium biofilms in rivers is becoming a worldwide sanitation problem for humans and animals, due to the ability of these bacteria to produce anatoxins. To better understand the environmental conditions that favor the development of Phormidium biofilms and the production of anatoxins, we monitored the formation of these biofilms and their toxins for two years in the Tarn River, biofilms from which are known to have caused the deaths of multiple dogs. As previously observed in New Zealand, Phormidium biofilm development occurred in riffle areas. The coverage of these biofilms at the bottom of the river exhibited strong spatial and temporal variations, but was positively correlated with water temperature and depth. Anatoxin-a was detected in less than 50% of the biofilms. The concentrations of these toxins in the biofilms exhibited high spatiotemporal variability, with the highest concentrations being recorded at the end of the summer period at the upstream sampling sites. These findings suggest that the maturity of the biofilms, combined with the local environmental conditions, have an impact on the production of anatoxin, making risk assessment for these benthic proliferations challenging

Biofilms à cyanobactéries dans les rivières : une diversité et une écologie encore méconnues

National audienc

Spatial and temporal variation of microbial diversity in river biofilms

International audienceProliferations of benthic cyanobacteria in shallow rivers can be hazardous to the human and animal health due to the ability of some species to produce neurotoxins such as anatoxins. In the last ten years, they have been involved in the death of numerous dogs all around the world but despite that, few studies have been performed on the development of biofilms dominated by cyanobacteria in rivers and on the environmental conditions promoting their proliferation. Within biofilms, cyanobacteria coexist with a large diversity of microorganisms such as diatoms, green algae and other bacteria. To get further insight on biofilm installation and development particularly concerning the environmental conditions leading to the dominance of cyanobacteria in these complex communities, we have monitored cyanobacterial biofilms during one summer in different sampling sites along a French river.Four sampling sites along the Loue river were studied at four different dates during the bloom period (June to September). The relative abundances of cyanobacteria, diatoms and green algae was estimated by microscopic counts and the biomasses of all the primary producers by the measurements of chlorophyll-a concentrations. The genetic structure of bacterial communities was assessed using a 454 pyrosequencing approach targeting a fragment of the 16S rRNA gene. Then, the evolution of the bacterial communities was analyzed in relation to the environmental conditions (such as flow, temperature, pH, stone size) and to the biofilm biomass.First, we found that biofilms in the Loue river were mainly dominated by an association of diatoms and cyanobacteria. Second, it appeared that the bacterial communities associated to these autotrophic organisms were highly diversified with a predominance of proteobacteria, in particular alphaproteobacteria. Surprisingly, it appeared also that among these alphaproteobacteria, most of the reads were related to the Rhodobacter genus, which are also photosynthetic microorganisms that may contribute significantly to primary production. Finally, it seems that the relative importance of cyanobacteria and Rhodobacter are determined by environmental factors such as water temperature or flow velocity.If the primary producers of benthic biofilms of the Loue river are dominated for their eukaryotic part by diatoms, it appears that for the prokaryote part, depending on the environmental conditions, cyanobacteria and Rhodobacter can be the dominant microorganisms. We are performing analyses on our data set in the goal to determine if preferential associations between species can be highlighted. Moreover, further studies in other rivers will precise the environmental conditions that lead to the dominance of cyanobacteria in biofilms and the production of toxins by these microorganisms

Une diversité encore méconnue au sein des biofilms à Cyanobactéries benthiques dans les rivières

National audienceBenthic cyanobacteria grow as biofilms in some shallow rivers. In still poorly understood environmental conditions, cyanobacteria biofilms can proliferate and constitute health risks for humans and animals. In fact, some species can produce neurotoxins that are responsible each year of animals’ death. Within biofilms, cyanobacteria coexist with a large diversity of microorganisms such as diatoms, green algae and bacteria. To better understand the dynamics of the biofilm development, the determinism of the blooms and the toxin production, we follow two French rivers (the Loue and the Tarn). The main issues addressed here were to describe the structure and composition of the cyanobacteria biofilms in the Loue river and assess the evolution of the microbial composition at different sampling dates and sites in relation to the environmental conditions.Les cyanobactéries benthiques se développent sous forme de biofilms au fond de certaines rivières peu profondes. Dans des conditions environnementales encore mal connues, elles peuvent proliférer et poser des problèmes sanitaires car certaines espèces produisent des neurotoxines qui sont responsables, chaque année, de la mort d’animaux en France et dans d’autres pays. Au sein des biofilms, les cyanobactéries cohabitent avec d’autres producteurs primaires (diatomées et chlorophycées principalement) mais aussi avec d’autres bactéries. Pour mieux comprendre la dynamique du développement des biofilms ainsi que le déterminisme des proliférations et la production de toxines, nous développons des travaux sur deux rivières françaises, la Loue et le Tarn. Les deux questions principales abordées sont (i) de déterminer quelles sont les conditions environnementales qui favorisent la dominance des cyanobactéries dans les biofilms et conduisent à leur prolifération, et (ii) d’évaluer la composition et la diversité de ces biofilms à cyanobactéries et de rechercher s’il existe des associations privilégiées au sein des biofilms, entre les cyanobactéries et les autres microorganismes présents.L’utilisation d’une sonde spectrofluorimétrique, combinée à des échantillonnages classiques, a tout d’abord montré que les biofilms de la Loue étaient le plus souvent composés d’une association entre des cyanobactéries et des diatomées, dont les biomasses relatives et absolues varient en fonction de paramètres environnementaux, telles que la nature du substrat et la vitesse du courant. Par une approche moléculaire (pyroséquençage 454 sur un fragment d’ARNr 16S), il est apparu que la composante bactérienne de ces biofilms présente une très grande diversité, même si les protéobactéries (56%) et en particulier les alphaprotéobactéries (43%) dominent toujours ces communautés. Parmi ces dernières, les OTU les plus abondantes appartiennent au genre Rhodobacter (8%), qui est connu pour posséder des capacités métaboliques très diverses, dont celle de réaliser la photosynthèse. Ce résultat suggère que ces bactéries contribuent significativement à la production primaire dans cette rivière, en complément des cyanobactéries et des microalgues. Enfin, des variations spatiotemporelles ont été observées dans la composition de ces biofilms en liaison avec leur origine géographique et les dates de prélèvement. Une approche similaire à celle réalisée sur les communautés bactériennes est en cours d’analyse sur la communauté de microeucaryotes (pyroséquençage d’un fragment d’ARNr 18S). Elle devrait nous permettre de mieux connaître cette communauté et d’identifier des associations entre bactéries et eucaryotes

Une diversité encore méconnue au sein des biofilms à Cyanobactéries benthiques dans les rivières

National audienceLes cyanobactéries benthiques se développent sous forme de biofilms au fond de certaines rivières peu profondes. Dans des conditions environnementales encore mal connues, elles peuvent proliférer et poser des problèmes sanitaires car certaines espèces produisent des neurotoxines. Au sein des biofilms, les cyanobactéries cohabitent avec d’autres producteurs primaires (diatomées et chlorophycées principalement) mais aussi avec d’autres bactéries. Notre principal objectif est d’évaluer la composition et la diversité de ces biofilms à cyanobactéries et de rechercher s’il existe des associations privilégiées au sein des biofilms, entre les cyanobactéries et les autres microorganismes présents.Par une approche moléculaire (pyroséquençage 454 sur un fragment d’ARNr 16S), il est apparu que la composante bactérienne de ces biofilms présente une très grande diversité, même si les protéobactéries (56%) et en particulier les alphaprotéobactéries (43%) dominent toujours ces communautés. Parmi ces dernières, les OTU les plus abondantes appartiennent au genre Rhodobacter (8%), qui est connu pour posséder des capacités métaboliques très diverses, dont celle de réaliser la photosynthèse. Ce résultat suggère que ces bactéries contribuent significativement à la production primaire dans cette rivière, en complément des cyanobactéries et des microalgues. Enfin, des variations spatiotemporelles ont été observées dans la composition de ces biofilms en liaison avec leur origine géographique et les dates de prélèvement. Une approche similaire à celle réalisée sur les communautés bactériennes est en cours d’analyse sur la communauté de microeucaryotes (pyroséquençage d’un fragment d’ARNr 18S). Elle devrait nous permettre de mieux connaître cette communauté et d’identifier des associations entre bactéries et eucaryotes

Influence of local and global environmental parameters on the composition of cyanobacterial mats in a tropical lagoon

International audienceCyanobacteria-dominated microbial mat communities thrive widely and year round in coral reefs and tropical lagoons, with periodic massive development of benthic blooms. We studied the diversity and spatiotemporal variation of the cyanobacterial dominance in mats of the shallow lagoon of La Réunion Island in the Indian Ocean by means of dena-turing gradient gel electrophoresis and cloning-sequencing approaches targeting the 16S rRNA gene, combined with macromorphological and micromorphological characterization of corresponding phenotypes. The mat-forming cyanobacteria were highly diversified with at least 67 distinct operational taxonomic units identified in the lagoon, encompassing the entire morphological spectrum of the phy-lum Cyanobacteria, but with striking dominance of Oscillatoriales and Nostocales. It appeared also that selective pressures acting at different geographical scales have an influence on the structure and composition of these mats dominated by cyanobacteria. First, large changes were observed in their diversity and composition in relation to local changes occurring in their environment. Second, from the data obtained on the richness and composition of the mats and from the comparison with similar studies in the world, tropical mats seem to display wider cyanobacterial richness than in temperate and cold areas. Moreover, these tropical mats share more species with mats in other tropical regions than with those in temperate and cold climatic regions, suggesting that marine cyanobacteria in biofilms and mats display a biogeo-graphic structure