Description de tapis microbiens 1. Introduction

Depuis une vingtaine d’années, les tapis microbiens photosynthétiques ont fait l’objet de nombreuses études d’écologie descriptive afin de permettre une meilleure compréhension de ces écosystèmes côtiers (Krumbein et al., 1977 ; Stal, 1994 ; Stal et al., 1985 ; van Gemerden, 1993). A cette époque, les méthodes classiques comme la microbiologie et la biogéochimie ont permis d’entrevoir la complexité de tels écosystèmes.

Ce chapitre vise à décrire deux tapis microbiens photosynthétiques différents : l’un hypersalé, l’autre marin. Déjà présentés dans la littérature, l’analyse des tapis microbiens de Camargue (Salins-de-Giraud) et des Iles Orcades (Ecosse) a été appréhendée de manière intégrée, afin de mettre en lien les communautés bactériennes présentes et leurs rôles écologiques au sein de ces écosystèmes complexes. Ainsi, les différents aspects de la biodiversité et de l’écologie, ont été abordés par la combinaison d’approches variées (moléculaire, microscopique, chimique et biogéochimique) permettant de caractériser à l’échelle du micromètre la distribution des groupes fonctionnels majoritaires composant la partie métaboliquement active de ces tapis.

Les tapis microbiens hypersalés représentent des écosystèmes particulièrement bien adaptés aux habitats ayant des conditions de salinité fluctuantes. Les marais salants de Salins-de-Giraud en Camargue abritent le développement de tapis microbiens au sein de ses nombreux partènements. Les travaux de Caumette et al. (1994) ont pu décrire ces tapis issus de bassins de très fortes salinités (entre 150 ‰ et 300 ‰) en abordant l’étude d’un point de vue microbiologique et écologique. Ainsi, les cyanobactéries du genre Phormidium dominent la surface de ce tapis, et recouvrent une couche de bactéries pourpres principalement composée des genres Halochromatium et Halothiocapsa. Par la suite, plusieurs études moléculaires ont permis d’approfondir cette première description des tapis de Camargue (Mouné, 2000 ; Mouné et al., 2003; Mouné et al., 1999 ; Mouné et al., 2000 ), révélant une diversité bactérienne bien plus importante qu’attendue.

En première partie de ce chapitre, les travaux présentés dans l’article “Characterization of functional bacterial groups in a hypersaline microbial mat community (Salins-de-Giraud, Camargue, France)”, concerne cette fois un tapis microbien issu de bassins de salinités inférieures (de 70 ‰ à 110 ‰). La biodiversité des communautés bactériennes de ce tapis

s’organise en une structure très fine, constituée verticalement de couches distinctes de quelques micromètres, où s’agencent les populations bactériennes en fonction de leurs caractéristiques physiologiques et des conditions environnementales. Les cyanobactéries filamenteuses dominent la surface de ce tapis, essentiellement par la présence de Microcoleus chthonoplastes. Les bactéries phototrophes pourpres et sulfato-réductrices présentent une forte diversité qui s’organise le long des microgradients d’oxygène, de lumière et de sulfure.

Les tapis microbiens sont capables de se développer dans des habitats très divers, ainsi ils ont été observés dans des zones intertidales tels que les plages des îles Orcades (Herbert, 1985). Cet écosystème stratifié, se développant annuellement sur ces sédiments, est dominé par la bactérie sulfureuse pourpre Thiocapsa roseopersicina. Cette bactérie forme des microcolonies distinctes solidement fixées aux grains de sable, permettant ainsi un maintien et une cohésion du sédiment. Ce tapis microbien est pauvre en cyanobactéries, et exclut totalement le développement de Microcoleus chtonoplastes en son sein (van Gemerden et al., 1989a; van Gemerden et al., 1989b).

La seconde partie de ce chapitre, exposée dans l’article “Microbial mats on the Orkney Islands revisited: microenvironment and microbial community composition”, a permis une caractérisation plus complète des tapis photosynthétiques marins présents sur deux sites différents, Waulkmill et Swanbister. L’analyse de biomarqueurs caractéristiques a ainsi révélé la présence de micro-algues, diatomées, cyanobactéries et bactéries sulfato-réductrices. Les méthanogènes majoritairement présentes sur les plages de Swanbister indiquent le rôle probable de la méthanogénèse dans le cycle du carbone au sein de ces sédiments. L’analyse microscopique par CLSM (Confocal Laser Scanning Microscopy) a montré une faible diversité des cyanobactéries, filamenteuses et unicellulaires, au sein de ces tapis. Le tapis de Swanbister a révélé par l’analyse des spectres d’irradiances scalaires une hétérogénéité importante des bactéries phototrophes anoxygéniques, en terme de distribution verticale et de densité. La T-RFLP et les mesures physico-chimiques ont montré une importante diversité des bactéries pourpres et sulfato-réductrices, ainsi qu’une organisation verticale très fine liée aux conditions environnementales. Les principaux facteurs qui influencent la structure des communautés bactériennes sont l’oxygène et le sulfure ou d’autres composés sulfurés.

III.2. Le tapis microbien hypersalé de Camargue (Salins-de-Giraud)

Ce travail a été soumis au journal FEMS Microbiology Ecology sous le titre :

Characterization of functional bacterial groups in a hypersaline microbial mat community (Salins-de-Giraud, Camargue, France)

Par: Aude Fourçans¹, Tirso García de Oteyza², Andrea Wieland³, Antoni Solé⁴, Elia Diestra⁴, Judith van Bleijswijk⁵, Joan O. Grimalt², Michael Kühl³, Isabel Esteve⁴, Gerard Muyzer⁶, Pierre Caumette¹ et Robert Duran¹

ABSTRACT

A photosynthetic microbial mat was investigated in large pond of a Mediterranean saltern (Salins-de-Giraud, Camargue, France) of water salinity from 70 ‰ to 110 ‰ (w/v). Analysis of characteristic biomarkers (e.g., major microbial fatty acids, hydrocarbons, alcohols and alkenones) revealed the presence of cyanobacteria as major components, in addition to diatoms and other algae. Functional bacterial groups involved in the sulfur cycle could be correlated to these biomarkers, i.e. sulfate-reducing, sulfur-oxidizing and anoxygenic phototrophic bacteria. In the first 0.5 millimeters of the mat, a high rate of photosynthesis showed the activity of oxygenic phototrophs in the surface layer. Ten different cyanobacterial populations were detected with Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM): six filamentous species, with Microcoleus chthonoplastes and Halomicronema excentricum as dominant ones (73% of total counts); and four unicellular types affiliated to Microcystis, Chroococcus, Gloeocapsa, and Synechocystis (27% of total counts). Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) of PCR-amplified 16S rRNA gene fragments showed some differences with the dominance of Microcoleus, Oscillatoria, and Leptolyngbya strains (Halomicronema was not found here) and additional presence of Phormidium, Pleurocapsa

and Calotrix types. Spectral scalar irradiance measurements did not reveal a particular

zonation of cyanobacteria, purple or green bacteria in the first millimeter of the mat. Terminal-Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) analysis of PCR-amplified 16S rRNA gene fragments of bacteria depicted a high diversity and a fine-scale depth-distribution of at least five different populations of anoxygenic phototrophs and at least three ones of sulfate-reducing bacteria along the microgradients of oxygen and light inside the microbial mat.

1

Laboratoire d’Ecologie Moléculaire EA 3525, Université de Pau et des Pays de l’Adour, avenue de l’Université, BP 1155, F-64013 Pau Cedex, France.

2

Department of Environmental Chemistry (ICER-CSIC), E-08034 Barcelona, Spain.

3

Marine Biological Laboratory, University of Copenhagen, DK-3000 Helsingør, Denmark.

4

INTRODUCTION

Photosynthetic microbial mats develop at the water-sediment interface in shallow environments such as estuaries [1,2], sheltered sandy beaches [3,4], or hypersaline salterns [5,6]. Most of these microbial mats are formed of horizontally stratified, multicolored and cohesive thin layers, of several functional groups of microorganisms, such as cyanobacteria, colorless sulfur bacteria, purple sulfur bacteria, or sulfate-reducing bacteria, distributed along vertical microgradients of oxygen, sulfide and light [7,8].

Hypersaline mats from salterns represent interesting ecosystems adapted to fluctuating salinity conditions. Microbial mats existing in the most hypersaline ponds of the salterns of Salins-de-Giraud (Camargue, French Mediterranean coast) were described in ecological, microbiological and recently molecular studies since more than ten years [6,9-11]. These saline ponds with water salinity between 150 ‰ and 300 ‰ (w/v) contain microbial mats similar to those previously described in other hypersaline habitats [5,12]. They are formed of an upper layer of cyanobacteria belonging to the genus Phormidium, covering a purple layer of phototrophic bacteria mainly composed of members of the genera Halochromatium [13]

and Halothiocapsa [14], well adapted to such high salinities. The molecular studies [11]

showed that the bacterial composition of these mats was more diverse as expected both in Bacterial and in Archaeal groups.

In the present study, we investigated another mat from the same salterns growing in ponds of lower salinity (70 ‰ to 110 ‰ (w/v)). This mat developed over several decades in large areas used by the Saltern Company as water reservoirs for salt production. The simultaneous use of different methods in terms of bacterial composition and microenvironment, allowed a precise in situ analysis of the Camargue mat. In the mat, the major bacterial groups were investigated by characteristic biomarkers, Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM), by Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) and Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) analysis of PCR amplified 16S rRNA or functional gene fragments. In order to understand the bacterial occurrence and distribution at the microscale level, all the microbiological results were related to microenvironmental gradients determined by in situ microsensor measurements.