Evidence of the Cost of the Production of Microcystins by Microcystis aeruginosa under Differing Light and Nitrate Environmental Conditions

The cyanobacterium Microcystis aeruginosa is known to proliferate in freshwater ecosystems and to produce microcystins. It is now well established that much of the variability of bloom toxicity is due to differences in the relative proportions of microcystin-producing and non-microcystin-producing cells in cyanobacterial populations. In an attempt to elucidate changes in their relative proportions during cyanobacterial blooms, we compared the fitness of the microcystin-producing M. aeruginosa PCC 7806 strain (WT) to that of its non-microcystin-producing mutant (MT). We investigated the effects of two light intensities and of limiting and non-limiting nitrate concentrations on the growth of these strains in monoculture and co-culture experiments. We also monitored various physiological parameters, and microcystin production by the WT strain. In monoculture experiments, no significant difference was found between the growth rates or physiological characteristics of the two strains during the exponential growth phase. In contrast, the MT strain was found to dominate the WT strain in co-culture experiments under favorable growth conditions. Moreover, we also found an increase in the growth rate of the MT strain and in the cellular MC content of the WT strain. Our findings suggest that differences in the fitness of these two strains under optimum growth conditions were attributable to the cost to microcystin-producing cells of producing microcystins, and to the putative existence of cooperation processes involving direct interactions between these strains

Etude du régime thermique du lac de Pareloup avec le modèle EOLE

EOLE est un modele hydrodynamique et thermique (modèle unidimensionnel vertical) qui simule l'évolution de la stratification thermique saisonnière d'un réservoir. C'est un modèle à bilan d'énergie, basé sur la représentation des mécanismes physiques, qui prend en compte la bathymétrie de la retenue, les échanges d'énergie a l'interface air-eau ainsi que les entrées et sorties d'eau (rivières, pompages, turbinages, débits réservés etc.). EOLE a été développé sur le lac de Pareloup, retenue hydroélectrique au long temps de séjour (1 an), en simulant très correctement son régime thermique pendant 12 années consécutives. Le bon accord obtenu entre les profils thermiques calculés et mesurés montre que le modèle a permis de très bien reproduire la stratification thermique de cette retenue, la dynamique verticale des masses d'eau, le régime thermique des eaux restituées à l'aval, ainsi que les fluctuations interannuelles sur de longues périodes (plusieurs cycles annuels). Le modèle a été appliqué avec les mêmes coefficients dans d'autres cas d'étude en donnant des résultats satisfaisants, ce qui montre que les phénomènes prépondérants de l'hydrodynamique de ces réservoirs sont bien pris en compte. En effet, basé sur la représentation des processus, le modèle n'a pas besoin de calage pourvu que les données d'entrées soient bien représentatives du site étudié, ce qui souligne l'importance de la qualité de ces données d'entrée. La précision des résultats obtenus alliée à la relative simplicité de la représentation nous a permis d'utiliser ce modèle comme structure de base d'un modèle d'écosystème

Modélisation du plancton dans une retenue oligotrophe : Sainte-Croix sur le Verdon

Un modèle biologique a été développé en vue de représenter le fonctionnement de l'écosystème planctonique dans la retenue oligotrophe de Sainte-Croix. II a une structure physique simplifiée (modèle bicouche) qui simule la stratification thermique saisonnière. Ce modèle a représenté correctement les principales poussées planctoniques. L'étude a également mis en évidence l'importance de la fermeture du modèle : il s'agit de la prédation par le zooplancton dans ce cas. Le rôle primordial des variables physiques (température, stratification thermique verticale), notamment dans l'évolution du stock de nutriments, confirme la nécessité de coupler les processus physiques et biologiques dans un modèle écologique

Démarche de modélisation d'un écosystème lacustre : application au Lac de Pareloup

L'effort de recherche mené durant cinq ans sur le lac de Pareloup, réservoir hydroélectrique d'Electricité de France, a permis une meilleure compréhension du fonctionnement de cet écosystème, tant sur le plan biologique que sur le plan hydrodynamique. L'approche pluridisciplinaire suivie pour cette étude a été le développement de modèles de simulation de l'écosystème, associés à un suivi expérimental intense, aussi bien in situ qu'en laboratoire. L'objectif de ce travail a été non seulement d'améliorer la connaissance de cet écosystème, mais aussi de fournir un outil de simulation de scénarios. Nous présentons ici la démarche de cette étude pluridisciplinaire, qui associe étroitement expérimentation et modélisation, ainsi qu'un certain nombre d'enseignements quant aux limites de cette méthode de travail, et certaines recommandations importantes pour les équipes qui souhaiteraient suivre cette démarche

Modélisation de I'écosystème du Lac de Pareloup avec les modèles ASTER et MELODIA

L'effort de recherche mené durant quatre ans sur le lac de Pareloup, réservoir hydroélectrique d'Electricité de France, a permis une meilleure compréhension du fonctionnement de cet écosystème, tant sur le plan biologique que sur le plan hydrodynamique. Les modèles de simulation, développés lors de cette étude, ont permis de proposer un outil d'aide à la gestion de l'eau. La première étape a été l'élaboration du modèle ASTER. C'est un modèle biologique (deux groupes de phytoplancton, trois groupes de zooplancton, matière détritique, PO4 et SiO2), basé sur une structure physique simple (modèle bicouche). L'importante base de données disponible a permis de caler ce modèle et de s'assurer qu'il simule correctement I'évolution saisonnière de chacune des variables pendant cinq ans (1983-1987). Ce modèle a permis de mettre en évidence les mécanismes prépondérants dans I'évolution des variables biologiques. La grande sensibilité de I'écosystème à l'hydrodynamique nous a conduits à la seconde étape, l'élaboration du modèle MELODIA. C'est un modèle de simulation d'un écosystème de réservoir résultant du couplage du modèle biologique bicouche (ASTER) au modèle vertical hydrodynamique et thermique (EOLE) qui simule I'évolution de la stratification thermique en prenant en compte les échanges d'énergie à l'interface air-eau ainsi que les entrées et sorties d'eau. Ce modèle a permis de simuler, à l'échelle journalière, la dynamique verticale de I'écosystème pendant les cinq années de mesures de la base de données. La comparaison des profils calculés et mesurés pour chacune des variables montre une assez bonne représentation de cet écosystème, à la fois pour la dynamique verticale et pour I'évolution saisonnière. De plus, les fluctuations interannuelles de I'écosystème sont bien représentées et les simulations ont montré à quel point la réponse de I'écosystème est sensible à la structure hydrodynamique. Le modèle a été ensuite utilisé pour simuler différents scénarios de gestion de la retenue. Appliqué à une plus longue période, 1976-1987, il a permis de mettre en évidence les fluctuations interannuelles dues aux conditions hydrométéorologiques en signalant les périodes où le risque de perturbation est grand. Cette étude a permis de mieux comprendre le rôle joué par la diatomée A. formosa, dominante au printemps. Cette diatomée, non consommée par le zooplancton, disparaît par sédimentation, immobilisant ainsi une quantité importante de nutriments, jusqu'à la période d'isothermie hivernale. Elle se comporte comme une épuratrice en phosphore du lac. Si un phénomène vient perturber son développement, la quantité de PO4 disponible l'été est plus importante, favorisant une forte croissance algale estivale. Si les perturbations printanières sont liées aux conditions météorologiques, elles dépendent également de la gestion hydraulique. C'est ce qu'a mis en évidence l'étude des scénarios de gestion. Enfin, cette étude a permis de montrer la puissance d'un travail pluridisciplinaire ainsi que la nécessité d'une approche globale pour bien représenter un écosystème. Si tous les efforts ont convergé vers l'outil de modélisation, dépositaire de cette connaissance commune, cet outil n'existe que grâce à l'investissement à long terme de chacun, dans des domaines de compétence très variés. C'est, à n'en pas douter, le plus bel enseignement de ce travail

Étude de la dynamique des masses d'eau du Lac de Pareloup par traçages

Un lac de barrage est le siège de circulations d'eau complexes liées à sa topographie, aux conditions météorologiques ainsi qu'à la gestion hydraulique des aménagements, pouvant perturber, de façon transitoire, son homogénéité horizontale. Connaître ces circulations est important pour l'étude d'un écosystème de réservoir, car elles jouent un rôle fondamental sur le transport et la redistribution des nutriments à des échelles de temps de l'ordre de la journée. Les circulations d'eau dans le lac de Pareloup ont été mises en évidence par l'injection de traceurs fluorescents (fluorescéine et rhodamine) qui ont marqué les eaux à différentes profondeurs, et lors de différentes situations hydrométéorologiques, en particulier : le suivi du panache de l'eau du lac de Bage injectée au fond de la retenue par pompage, le régime de circulation des eaux de part et d'autre de détroit de Charouzech, les échanges d'eau entre le bras du Rieutord et le corps principal de la retenue

Functional analysis of Microcystis vertical migration: a dynamic model as a prospecting tool. II. Influence of mixing, thermal stratification and colony diameter on biomass production

Yoyo is a deterministic model developed to represent the growth and vertical movement of Microcystis sp. colonies in the water column. Migration of colonies is represented in the model through the dynamics of carbon-reserve metabolism during photosynthesis and biosynthesis. It was used to quantify combined impacts of light, temperature and mixing on the growth and migration of colonies with different diameters. These 3 factors characterise a vertically non-homogeneous water column. Although conditions of simulation are schematic, they allow identification of situations in which the ability to regulate buoyancy gives Microcystis an advantage over non-mobile phytoplankton. Even if some vertical structures appear unfavourable for the exploitation of light energy, they nevertheless offer some advantages for the access to nutrients. Each diameter has particular benefits, and the increase in diameter observed throughout the year is probably an ecological adaptation to fluctuations in the environment at a seasonal scale. [KEYWORDS: Photosynthesis ; Carbohydrates ; Vertical migration ; Hydrodynamics ; Mixing zone ; Thermocline ; 1-D mathematical model]