le sédiment du Lac Rotsee
3. LE SÉDIMENT DU LAC ROTSEE
être détecté durant le mois de novembre 2000. Durant ce même mois, la valeur maximale de la concentration du soufre, et celle du sulfate étaient de 20 mmol m·2 d-1 pour toute la profondeur du sédiment analysé.
En général les indices de production de l'ammonium (NH4 +) du carbone organique (HC03-) et du méthane (CH4) ont présenté leurs valeurs maximales durant les mois d'août 2000 et mai 2001. Au contraire, ces valeurs ont diminué significativement durant les mois de
mmol.m-2
.f
116.08.00 20.11.00 28.05.01 02.10.01
HC03- -3.3 -1.3 -4.2 -2.2
H2C03 -2.0 -2.3 -3.2 -1.8
NH/ -1.7 -0.7 -1.9 -1.3
SOl- 0.1
-
0.2-Ca2+ -0.5 -0.1 -0.8 -0.4
CH4 -6.7 -1.2 -5.9 -4.9
DIC + CH4 -11.6 -4.7 -12.5 -8.6
Tableau 3.2.1: Sédiment du lac Rotsee (16 m de profondeur). Valeurs des flux d'HC03·, d'H2C03, de NH/, de
so/·,
de Ca2+, de TIC et de CH4 . Les flux d'HC03·, de NH/, deso/·,
et de Ca2+ ont été obtenus en utilisant les plaques de diffusion. H2C03 dérive du profil d'H+ et d'HC03·. Le flux de minéralisation TIC a été estimé selon le profil de NH/ et le flux de CH4 se base sur celui du DIC.Concentration des substrats dans le sédiment. Le contenu du carbone organique dans le sédiment est représenté dans la figure 3.2.3. Le carbone organique total {TOC) représentait environ 7% du carbone total dans les premiers 10-15 cm du sédiment, puis il a diminué à 5% à des profondeurs supérieures. L'indice du rapport C:N a augmenté à partir de 8.6 à la surface, jusqu'à 10.6 à 30 cm de profondeur. La concentration en azote total, utilisée pour calculer la valeur du rapport C:N, a diminué de 0.8% à 0.5%. Le contenu des acides aminés totaux hydrolysés {THAA) se situait entre 2.5 et 4 % dans la partie plus superficielle du sédiment et a diminué jusqu'à 1% à 30 cm de profondeur. Dans la partie plus superficielle du sédiment, le contenu en carbone dans les THAA, représentait environ 17 à 25% du carbone organique total. Contrairement au TOC, qui dans les trois échantillonnages ne montrait pas de grandes variations, 25% du contenu des THAA a diminué à partir des mois d'août et de novembre 2000, jusqu'en mai 2001. La concentration en acétate, mesurée avec I'HPLC était de 120 1-1M au dessus du sédiment et a montré une brusque diminution dans le sédiment du mois d'août 2000. La concentration en lactate était d'environ 5 1JM.
3. LE SÉDIMENT DU LAC ROTSEE concentrations sont données en mg g-1 de sédiment sec.
Distribution des communautés microbiennes. La figure 3.2.4 met en évidence les
r.nmpt;::~g~B de~ ce!!u!es t0ta!es par !a ~éthcdc DAPL Une difféïentiëtiûn de5 communautés a ensuite été faite, grâce à l'utilisation de sondes spécifiques telles qu'EUB338, SRB385, SRB385Db et ARCH915. Ces quatre sondes détectent respectivement: les microorganismes appartenant au domaine Bacteria, les bactéries sulfata-réductrices (BSR) de la famille des Desulfovibrionaceae et des Desulfobacteriaceae [63] et enfin celles du domaine des Archaea. Ces sondes nous ont permis, pour les trois échantillonnages (août et novembre 2000 et mai 2001 ), de compter séparément les quatre groupes de microorganismes des 30 premiers centimètres de sédiment.
16.08.2000 20.11.2000 28.05.2001
Figure 3.2.4: Sédiment du lac Rotsee à 16 m de profondeur. Abondance des bactéries dans les 30 premiers centimètres de profondeur du sédiment durant les mois d'août 2000, novembre 2000 et mai 2001, en utilisant la coloration DAPI ainsi que les sondes EUB338, SRB385, SRBDb385 et ARC915.
3. LE SÉDIMENT DU LAC ROTSEE
Les comptages effectués dans les trois carottes de sédiment indiquent que l'abondance des cellules totales diminuait en fonction de la profondeur. Les 4 premiers centimètres ont montré la densité de microorganismes la plus haute dans tous les échantillonnages. De plus, on peut voir que le nombre de cellules diminuait avec la profondeur, de manière plus lente durant le mois de novembre 2000 que durant les deux autres mois. Au dessous de 15 cm de profondeur, la concentration de microorganismes appartenant aux Bacteria et aux Archaea était nettement plus basse. En effet, dans la partie la plus profonde, ces microorganismes représentaient 1 0 à 20% des cellules totales identifiables à 2 cm de profondeur.
La figure 3.2.5 présente une comparaison des moyennes des comptages microbiens dans les 4 premiers centimètres de sédiment, pour chaque sonde utilisée dans les trois échantillon nages.
La valeur des cellules totales obtenues avec la coloration DAPI ne variait pas beaucoup entre les trois carottes de sédiment. En effet pour les mois d'août, novembre et mai, on a mesuré respectivement 1.01
±
0.15, 0.80±
0.01, et 0.72±
0.08 x1011 cellules.g-1 de sédiment sec. La proportion de Bacteria par rapport aux comptages globaux des cellules dans les 4 premiers centimètres, variait de 25±
3% en août 2000, à 15±
2% en novembre 2000, et presque la même valeur (18 ± 5%) en mai 2001.E~ ce qüi CO~C6ii16 :a SOilde SR83ô5ub, qui pt:IIIJd ië:l uéi~ciion des bactéries suifato-réductrices (BSR) de la famille des Desulfobacteriaceae, elle n'a pas montré de grande variation tout au long de l'année. En effet, la proportion de ces microorganismes par rapport au nombre total était en moyenne de 6%. La sonde SRB385, qui met en évidence les bactéries sulfate-réductrices (BSR) de la famille des Desulfovibrionaceae, a au contraire donné des valeurs plus élevées, avec une différence entre le mois d'août et les deux autres mois. En effet, ces deux populations de microorganismes, au niveau des 4 premiers centimètres représentaient environ 70% du domaine Bacteria (EUB338).
Le pourcentage des Archaea, par rapport au nombre total de microorganismes, était de 8
±
2% au mois d'août 2000, de 11±
2% en novembre 2000, et diminuait jusqu'à 5±
2% en mai 2001. On peu donc dire qu'il y a eu très peu de variations entre les mois d'août 2000 et novembre 2000, mais une nette diminution au mois de mai 2001. La déviation standard était quant à elle assez élevée, phénomène probablement du à la formation d'agrégats.Une autre particularité du sédiment de ce lac (Rotsee ), est que grâce à la sonde ARCH915, dans tous les échantillonnages, il a été possible de mettre en évidence quelques Archaea méthanogènes endosymbiontes de Plagiopyla nasuta.
"';' sédiment du Rotsee, pour les trois échantillonnages effectués.
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3.3. DISCUSSION
Conditions géochimiques. Différents facteurs déterminent la géochimie des habitats microbiens dans le sédiment du Rotsee. Vu que la production de méthane a été estimée à partir des profils de l'ammonium et de l'alcalinité, la zone de productivité maximale coïncidait parfaitement avec le changement des gradients de ces deux derniers paramètres. De plus, ceux-ci ont été analysés grâce aux plaques de diffusion, et leurs profils indiquent que le processus de minéralisation s'effectuait surtout dans les 10 premiers centimètres de sédiment. Dans cet intervalle de profondeur, le flux de NH4 + variait entre 0.7 et 1.9 mmol.m-2.f1 durant toute l'année. À partir de 10 cm de profondeur, jusqu'à 30 cm, le flux de l'ammonium était encore plus stable, étant de 0.3 à 0.4 mmol.m-2.f1, sans aucune variation saisonnière.
Le sulfate (So/-) de l'eau interstitielle a montré un changement de gradient de concentration à 3-4 cm de profondeur, et aucune concentration importante n'a été détectée à des profondeurs majeures. On s'attendait donc à trouver une activité considérable des bactéries sulfate-réductrices dans les premiers centimètres de profondeur. En revanche, les Archaea méthanogènes devraient montrer un développement maximal à la surface eau-sédiment et une diminution avec la profondeur.
Les paramètres mesurés dans l'eau interstitielle montraient également des différences saisonnières dans les premiers centimètres de profondeur. La majeure production de méthane (CH4) a été observée au printemps et en été, après la déposition de la matière organique. Le flux diminuait ensuite jusqu'à un minimum atteint durant le mois de novembre. Une variation saisonnière similaire de ce paramètre a également été décrite dans d'autres recherches telles que l'étude des sédiments des lacs mésotrophes [72, 80].
De même que pour le méthane, Schulz et Conrad (1995, [72]) ont découvert qu'une grande concentration d'acétate se développe en été et diminue aussi drastiquement en hiver dans les sédiments (lac mésotrophe de Constance). Cette découverte montre bien que la méthanogénèse est stimulée par les variations saisonnières de déposition de la matière organique.
Les profils du sulfate (So/-) changeaient également avec les saisons. Contrairement aux mois de mai et d'août, la concentration en sulfate durant le mois de novembre était à son minimum, et aucun gradient n'a été détecté. La valeur du sulfate dans l'interface eau-sédiment a atteint le minimum de sa concentration en novembre, c'est-à-dire à la fin de la
période de stratification. A ce moment on pourrait par conséquent s'attendre à une diminution des Bactéries sulfata-réductrices. Différentes études précédentes démontraient déjà que la réduction du sulfate était localisée dans les premiers centimètres du sédiment, zone qui subissait des variations saisonnières selon sa disponibilité en sulfate [75, 80].
Dans le lac mésotrophe de Kizaki, par exemple, avec une température constante de 6°C, le plus grand taux de sulfate était détecté au printemps et en été, tandis que la concentration la plus basse se retrouvait à la fin de l'automne et en hiver [80].
L'intervalle de variation du flux du méthane dans le Rotsee était de 1.2 à 6.7 mmol.m-2
.f
1,ce qui correspond bien aux valeurs de ce paramètre déterminé dans d'autres sédiments de lacs mésotrophes et eutrophes (voir tableau 3.3.1 ).
Sulfatoréduction Méthanogénèse
mmol.m··.j" mmol.m·•.j"
Lacs (m) ·c eau incubation eau interstitielle incubation bibliographie
interstitielle
Tableau 3.3.1: Flux de diffusion de la sulfatoréduction et de la méthanogénèse dans les sédiments lacustres.
Dans le tableau 3.3.1 on peut également voir que pour l'eau interstitielle, les taux de sulfate réduit, qui ont été déterminés avec les électrodes sélectives d'ions (incubation), étaient nettement plus élevés que ceux mesurés avec les plaques de diffusion. La valeur
3. LE SÉDIMENT DU LAC ROTSEE
mesurée avec une incubation par Kahler dans le Rotsee (1984, [38]) a montré en effet un flux de sulfatoréduction de 2 mmol.m-2
.f
1 [38]. Ce résultat est nettement plus élevé que celui détecté avec les plaques de diffusion, et ce fait a déjà été décrit par Urban et collaborateurs (1994, [84]). Il y a deux explications possibles à ce phénomène: la première est que la ré-oxydation du S(-11) peut recycler du sulfate qui se trouve dans le sédiment; la deuxième est que les bactéries sulfata-réductrices transforment les traces de sulfate en excès. Ces deux phénomènes peuvent se dérouler dans le sédiment in situ, mais difficilement durant une incubation in vitro.Vu que la composition du sédiment du Rotsee est altérée par l'activité microbienne, il était important de quantifier non seulement la variation spatiale (verticale) dans le sédiment, mais également la variation saisonnière de la composition en matière organique. Le profil du carbone organique total (TOC) est resté remarquablement constant durant toute l'année. Un plus bas rapport entre le carbone contenu dans les acides aminés totaux et le carbone organique total (THAA-C/TOC) a été observé durant le mois de mai 2001, par rapport aux mois d'août et de novembre 2000. Cette caractéristique indique donc une consommation de la matière organique disponible pendant le mélange hivernal des eaux.
Une diminution du nombre des Archaea méthanogènes durant le mois de mai 2001 coïncidait avec la valeur très basse du contenu en THAA. En outre, une petite diminution verticale du TOC ainsi que des THAA correspond bien à un processus de dégradation ralenti au dessous des 10 cm de profondeur.
Distribution verticale dans les sédiments du Rotsee des bactéries sulfata-réductrices et des Archaea méthanogènes. Les profils de comptages bactériens présentés dans la figure 3.2.4 amènent à se poser deux questions.
Pourquoi y a-t-il une communauté si élevée de Bactéries sulfata-réductrices entre 5 et 30 cm de profondeur, alors que des valeurs très basses de sulfate y ont été mesurées ? Quels mécanismes sont-ils responsables du nombre si élevé d'Archaea méthanogènes dans la zone de la sulfatoréduction des premiers centimètres de sédiment ?
L'observation de la présence des BSR à basses concentrations de sulfate n'est pas nouvelle. Lovley et collaborateurs (1983, [48]) démontraient déjà la présence de BSR dans ces conditions pendant la stratification estivale dans un lac oligotrophe. Par des techniques moléculaires, des études plus récentes ont également montré la présence d'une haute diversité de BSR à basses concentrations en
so/-
et en présence duprocessus de la méthanogénèse [39, 60]. Sur la base d'une étude environnementale du Lac Biwa, Koizumi et collaborateurs (2003, [39]) ont suggéré que certaines BSR auraient pu changer leur métabolisme en utilisant d'autres accepteurs d'électrons tels que le N03-, le Fe(lll), le S(IV), le S(ll), et le S(O), afin d'effectuer une fermentation, même avec des concentrations en sulfate très basses. D'autres recherches de laboratoire, avec des espèces appartenant aux familles des Desu/fovibrionaceae et des Desulfobacteraceae, confirment cette potentialité métabolique des BSR [88, 25]. À des profondeurs plus élevées, les BSR sont donc capables d'effectuer des fermentations. Cette caractéristique permet donc d'expliquer leur abondance, même dans un environnement typiquement favorable à la méthanogenèse et/ou en absence de sulfate.
Pour répondre à la deuxième question, on peut expliquer la présence d'un grand nombre d'Archaea méthanogènes proches de l'interface eau-sédiment grâce à une séparation physique des communautés microbiennes. Cette partie du sédiment, très riche en agglomérats de minéraux organiques, en matières fécales, etc., est caractérisée par une hétérogénéité en trois dimensions des habitats microbiens. Jorgensen (1977, [32, 33]) a montré que la présence des BSR dans la partie oxygénée du sédiment marin plus superficiel était possible grâce à des micro-niches anaérobiques. D'une manière similaire, la surface des particules de matière organique des premiers centimètres pourrait présenter des conditions favorables à la sulfatoréduction, de même qu'un environnement typique pour la méthanogenèse à l'intérieur des agglomérats. Le modèle de Jahnke (1985, [29]) a été une des premières représentations quantitatives de ces micro-niches.
Cependant, cette hypothétique séparation spatiale entre les deux populations de microorganismes devrait être encore mieux étudiée, par exemple en utilisant un microscope confocal associé à la technique de l'hybridation in situ (FISH) [50, 16].
En général, l'abaissement considérable du nombre de bactéries totales (DAPI) en dessous de 10 cm coïncide assez bien avec le flux d'ammonium relativement bas de la zone 10-30 cm, mais également avec la diminution de la concentration en acides aminés totaux (THAA) à partir de 10 cm.
Une corrélation similaire entre concentration en acides aminés et nombre de bactéries totales a également été identifiée dans un lac peu profond du delta du Danube (Zepp-Falz et al., communications personnelles). Cette corrélation indique que le taux de minéralisation diminue lentement avec la diminution du nombre des bactéries et l'augmentation de la profondeur. La biomasse estimée de la communauté microbienne
3. LE SÉDIMENT DU LAC ROTSEE
dans les 4 premiers centimètres et celle à 30 cm de profondeur correspondent à une proportion très basse de matière organique (environ 0.012%).
Dynamique saisonnière des BSR et des AM. La figure 3.2.5 montre que dans les 4 premiers centimètres de profondeur, les comptages des Bacteria, des Archaea et des BSR appartenant à la famille des Desulfovibrionacées (mises en évidence avec la sonde SRB385) variaient entre les trois échantillonnages. Les cellules appartenant à la famille des Désulfobacteriacées au contraire, ne présentaient pas de grandes variations. Des valeurs plus élevées des comptages DAPI, EUB338 et SRB385 ont été observées vers la fin de l'été. En effet, de toute évidence, l'apport de matière organique pendant l'été a permis une augmentation du nombre de bactéries et d'espèces mises en évidence avec la sonde SRB385 (considérées comme des "oxydatrices incomplètes"). Le profil du sulfate durant cette période indique que ce composant était consommé activement dans la partie plus superficielle du sédiment. Bien qu'au mois d'août la concentration en
so/-
dans l'eau au dessus du sédiment était d'environ 90 J.!M, durant le mois de novembre, elle diminuait, jusqu'à atteindre un niveau très bas, soit 15 J.!M. Pendant cette période de stratification on a également pu observer une diminution importante des bactéries et des cellules hybridées avec la sonde SRB385 ("oxydatrices incomplètes"), mais pas de variation du nombre de cellules hybridées avec la sonde SRB385Db (considérées des "oxydatrices espèces considérées comme des "oxydatrices complètes" sont plus compétitives dans la recherche des substrats et des accepteurs d'électrons. Elles peuvent donc métaboliser un plus grand nombre de substrats que les "oxydatrices incomplètes", qui sont au contraire limitées à peu de donneurs d'électrons tels que I'H2, l'éthanol et le pyruvate [83, 62, 64].En opposition à la diminution du nombre des bactéries du domaine Bacteria et des cellules hybridées avec la sonde SRB385, les comptages des Archaea ne variaient pas beaucoup entre les mois d'août 2000 et novembre 2000. Ce phénomène montre donc qu'en dessous de 2 cm de profondeur, la réponse à une augmentation de la matière organique provenant de l'interface eau-sédiment est lente.
Après le mélange hivernal, de petits changements des populations microbiennes ont pu être détectés en mai 2001 (voir figures 3.2.4 et 3.2.5). La quantité de Bacteria (sonde EUB338) et de cellules hybridées par les sondes SRB385 et SRB385Db était assez constante, même lorsque l'hypolimnion a de nouveau acquis des conditions oxygénées.
La zone aérobie reste en tout cas limitée aux premiers millimètres de profondeur [52]. Il n'est pas surprenant que la ré-oxygénation de l'hypolimnion n'ait pas influencé le nombre des bactéries comptées aux mois de novembre mai. De plus, le fait que cela ait eu lieu pendant la diminution de la concentration de sulfate est probablement du à une diminution de la concentration en substrats bio-disponibles. Les aminoacides hydrolysables totaux ont montré une diminution de la propre concentration à la surface du sédiment au mois de mai 2001 (voir figure 3.2.3). Cette diminution, corrélée à la matière organique, a aussi probablement influencé les Archaea méthanogènes. En effet, la sonde ARCH915 a montré un pourcentage de diminution de 50% entre novembre et mai (voir figure 3.2.5).
Cette réduction était probablement due à une possibilité plus faible d'utiliser différents substrats, par rapport aux BSR. Un cas similaire a déjà été décrit par Phelps et Zeikus (1985, [59]) dans les sédiments du lac Mendota. Il semblerait qu'après le mélange, les populations des BSR soient restées constantes. Par contre, celles des Archaea méthanogènes diminuaient de l'ordre de une à deux fois.