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Facteurs chimiques : Interactions Biofilms - Nutriments

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SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

I. 3.3. Facteurs de contrôle du développement du biofilm

I. 3.3.3. Facteurs chimiques : Interactions Biofilms - Nutriments

a) Effets des nutriments sur le développement du biofilm

Les facteurs chimiques déterminants de la croissance du périphyton peuvent être différents au sein de chaque rivière : phosphore, azote, carbone, éléments traces, combinaison des facteurs (Peterson B.J. et al., 1983). Ce sont cependant les éléments nutritifs, phosphore et azote, qui sont reconnus être les paramètres principaux (Bothwell M.L., 1985), le phosphore constituant généralement, comme pour les populations phytoplanctoniques, l’élément nutritif limitant de la croissance du périphyton (Benmoussa M., 1995). En outre, M.A. Borchardt (1996) souligne que lorsque la lumière n’est pas limitante, ce sont les nutriments qui constituent la ressource la plus déterminante pour le développement des biofilms.

Les enrichissements en nutriments stimulent la croissance du périphyton (Aizaki M. & Sakamoto K., 1988 ; Dodds W.K. et al., 2002). Toutefois, on peut se demander à quels niveaux se lisent les effets des éléments nutritifs. Est-ce au niveau de la composition des flores ou dans la quantité globale de biofilm présente à un instant t ou bien dans la quantité de biomasse maximale atteignable ou encore dans la vitesse de croissance du biofilm ?

Au niveau de la composition interne du périphyton, dans les situations oligotrophes, un apport en nutriments se traduit par une augmentation de la biodiversité. En cas de situations eutrophes à hypereutrophes, il y a spécialisation et réduction de la richesse spécifique. En effet, M. Benmoussa (1995) indique que lorsque les concentrations optimales pour le développement du biofilm sont dépassées, un apport en continu d’éléments nutritifs, et notamment de phosphore, peut inhiber le développement de certaines espèces et réduire ainsi la biodiversité.

En ce qui concerne la quantité de biofilm, l’entrée d’éléments nutritifs dans le milieu a généralement pour conséquence une augmentation des biomasses périphytiques. Par exemple, B.J.F. Biggs (1990) cite le rejet d’effluents d'eaux usées contenant de fortes concentrations en P et N, qui accroît l'apparition et l'ampleur des proliférations algales en rivières. Les mécanismes de cette augmentation de biomasse sont de deux ordres :

• les niveaux maximum de biomasse peuvent être amplifiés car la diffusion dans la matrice du biofilm est améliorée lorsque le gradient de concentration est plus élevé (Bothwell M.L., 1989) ;

• les taux de croissance peuvent être augmentés du fait de la levée des limitations en nutriments (Bothwell M.L., 1988).

C’est spécifiquement sur ce dernier point que porte notre travail puisque, comme nous l’avons vu précédemment, en conditions naturelles les niveaux maximums de biomasse ne sont que rarement atteints car régulés par l’ensemble des facteurs hydrauliques. De ce fait, il est difficile d’identifier un

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b) Action du biofilm sur les teneurs en nutriments

Composé de micro-organismes actifs, le périphyton exerce une influence sur son milieu environnant en raison de ses activités métaboliques : photosynthèse et respiration. Les biofilms sont considérés comme des éléments clés dans les processus d'amélioration de la qualité de l'eau (Vymazal J., 1988 ; Sabater S.

et al., 2002). En effet, ils assurent le recyclage des nutriments dissous (Battin T.J. et al., 2003) et ont un rôle dans la rétention d’éléments polluants, tels que les métaux lourds ou les pesticides. Les propirétés qui sont attribuées au périphyton sont donc principalement celles d'un rôle épuratoire du milieu aquatique (Biggs B.J.F., 2000 ; Sabater S. et al., 2002).

Cette capacité auto-épuratoire des biofilms est mise à profit en milieu industriel où ils sont utilisés pour diminuer les teneurs en azote et phosphore dans les traitements par biomasse fixée des eaux résiduaires.

S. Sabater et al. (2002) indiquent que les biofilms peuvent mettre en jeu d'autres mécanismes que l'assimilation et l'adsorption physique dans le recyclage des nutriments : lorsque les biofilms sont suffisamment épais, des zones d'anoxie peuvent se former et entraîner la dénitrification (Teissier S., 2001).

Ce sont les micro-organismes hétérotrophes qui sont les principaux agents de l'épuration biologique et ainsi leur abondance indique une forte pollution organique (Capblancq J. & Cassan M., 1979a). L. Aleya et J. Devaux (1989) précisent que c’est l’activité microbienne qui assure les processus biogéochimiques essentiels de recyclage des éléments et qui permet la remise à disposition des éléments minéraux aux producteurs primaires. Néanmoins, on peut noter que la fraction autotrophe du biofilm permet une mobilisation plus durable des éléments, comparé au compartiment hétérotrophe (2 à 3 mois au lieu de quelques jours).

Jusqu’à maintenant, nous avons discuté des facteurs de contrôle du développement des biofilms mais il existe également des facteurs de contrôle de leurs fonctions. Au niveau biologique, la composition taxonomique influence la fonction d’épuration des biofilms. L’efficacité de ce rôle épuratoire augmente de l'hiver à l'été avec le passage des Cyanobactéries aux algues vertes dominantes (Guasch H. & Sabater S., 1995).

I. 3.3.4. Conclusions

Nous avons pu voir que les paramètres qui influencent le développement des biofilms au sein du milieu aquatique sont nombreux et variés. La biomasse présente par unité de temps et de surface est fortement conditionnée par les caractéristiques hydrodynamiques de la période ayant présidé à l’installation du biofilm (Battin T.J. et al., 2003). De ce fait, les facteurs hydrologiques doivent toujours être pris en compte dans l’étude de la dynamique de biomasse du périphyton, celui-ci ne pouvant réagir aux nutriments disponibles que lorsque les régimes du courant sont stables (Biggs B.J.F. & Close M.E., 1989).

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Chapitre I : Synthèse bibliographique - I. 3. Le biofilm des rivières : indicateur biologique

En conclusion, plusieurs aspects singuliers de composition et de fonctionnement sont relatifs à un biofilm :

• le biofilm est accroché à un support ;

• la structure de l’assemblage est hétérogène (Bishop P.L., 1997) ;

• la biomasse du biofilm est structurée dans l’épaisseur, d’un point de vue chimique : par exemple, existence de micro-gradients d’oxygène et d'un gradient d’activité métabolique dans l’épaisseur du biofilm (Brisset L. et al., 1995), d’un point de vue cellulaire : existence d’un gradient de lumière qui induit une répartition des espèces phototrophes en surface (Brunet C., 2000), d’un point de vue physique : la densité du biofilm augmente avec la profondeur tandis que la porosité diminue ;

• le biofilm présente un fonctionnement d’ensemble : les enzymes nécessaires au biofilm restent dans la matrice ainsi que dans la DBL, les ressources en nutriments proviennent à la fois du milieu environnant et de manière significative du recyclage interne (Steinman A.D. et al., 1995) ;

• le taux de croissance du biofilm n’est pas facilement calculable car le développement en masse du biofilm comprend à la fois les processus de gain de biomasse : attachement et établissement des cellules, croissance des communautés déjà en place, piégeage de nouveaux micro-organismes au sein de la matrice polysaccharidique et des processus de perte de biomasse : mort des cellules, détachement sous l’influence de facteurs hydrauliques ou du broutage (Capblancq J. & Cassan M., 1979a ; Brunet C., 2000).

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Chapitre I : Synthèse bibliographique - I. 4. Conclusions - Points d’appui du travail de la thèse

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I. 4 • CONCLUSIONS - POINTS D’APPUI DU TRAVAIL DE LA THESE

Pour résumer les enseignements de la revue de la littérature, retenons les éléments suivants :

• il n’existe pas d’outil normalisé permettant de décrire le niveau d’eutrophisation en eaux courantes ;

• le compartiment du biofilm peut servir d’indicateur du niveau de trophie des eaux ;

• en ce qui concerne les paramètres mesurés, l’attention est focalisée sur les compartiments algal et bactérien ;

• nombreux sont les auteurs qui ont travaillé sur les corrélations entre les quantités de biofilm (mesurée en MSSC ou chlorophylle a) et les charges en nutriments de l’eau (Watanabe T. et al., 1988 ; Biggs B.J.F. & Close M.E., 1989 ; Dodds W.K. et al., 1997 ; Dodds W.K. et al., 2002 ; Bernhardt E. & Likens G.E., 2004, par exemple), soulignant souvent, comme nous l’avons évoqué dans l’introduction à propos de la Garonne, l’efficacité relative de ce type de mise en relation ;

C’est pourquoi nous avons choisi de nous intéresser dans le cadre de la thèse, à la dynamique d’installation des biofilms, autrement dit de travailler sur leur vitesse de croissance. L’objectif est donc de voir s’il existe une relation entre vitesse de croissance et charge en nutriments de l’eau en vue d’un outil de gestion de l’eutrophisation des cours d’eau à biomasse fixée dominante.

• le biofilm est un maillon représentatif du statut trophique, particulièrement durant sa phase de croissance active. En d’autres termes, il est davantage sensible aux conditions externes du milieu lorsqu’il est jeune et fin. Il l’est moins ensuite lors de son fonctionnement autonome, c’est-à-dire à la période de maturation ;

L’étude de la dynamique de croissance du biofilm dans sa phase de colonisation rapide présente donc les meilleures chances d’évaluer le statut de trophie du milieu. C’est cette piste que nous avons tenté d’explorer avec l’hypothèse de la définition d’un outil simple et rapide, utilisable in situ.

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CHAPITRE II :

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