Les scientifiques et collaborateurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont utilisé une nouvelle technique pour mieux prévoir le niveau de toxines algales qui s’accumulent chaque année dans le lac Érié.
Les proliférations d’algues nuisibles (HAB) sont des phénomènes mondiaux et, dans les lacs et réservoirs d’eau douce, sont causées par des cyanobactéries du genre Microcystis qui produisent des microcystines, une suite de toxines de type acide aminé qui sont nocives pour la faune et les humains. Comprendre les facteurs environnementaux qui affectent les concentrations de microcystines et développer des capacités de prévision sont essentiels pour protéger la santé humaine et environnementale et, en fin de compte, prévenir les futurs HAB.
L’équipe a utilisé le marquage isotopique des cyanotoxines pour examiner sa dégradation dans le lac Érié. À l’aide de l’instrument NanoSIMS du LLNL, ils ont confirmé qu’un composant petit mais très actif du microbiome était responsable de la dégradation de la toxine. La recherche paraît dans la revue Limnologie et Océanographie.
Les microcystines sont une puissante toxine hépatique et un cancérogène possible pour l’homme. Les cyanotoxines peuvent également tuer le bétail et les animaux de compagnie qui boivent les eaux contaminées. Des mortalités de poissons et d’oiseaux ont également été signalées dans des plans d’eau présentant des efflorescences persistantes de cyanobactéries. Ces efflorescences se forment lorsque les cyanobactéries, qui se trouvent normalement dans l’eau, commencent à se multiplier très rapidement. Les efflorescences peuvent se former dans des eaux chaudes et lentes riches en nutriments provenant de sources telles que le ruissellement d’engrais ou les débordements de fosses septiques.
Les prévisions de la biomasse cyanobactérienne dans le lac Érié, qui a des antécédents de HAB cyanobactériens, sont rendues possibles grâce aux données de télédétection fréquentes et au mouvement de la masse d’eau du lac. L’une des prévisions les plus connues est celle de la NASA et de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), qui utilise des images satellites du lac Érié pour prévoir l’emplacement et la biomasse des cyanobactéries deux à quatre jours à l’avance.
Cependant, bien que les prévisions de la biomasse aient aidé les gestionnaires à prévoir quand et où les efflorescences cyanobactériennes se situeront, les prévisions ne peuvent actuellement pas prédire les concentrations de microcystines car la toxicité n’est pas toujours corrélée à la biomasse. Des informations sur la façon dont la production et la dégradation des microcystines changent dans l’espace et dans le temps lors d’une efflorescence pourraient aider à surmonter les limites qui empêchent actuellement les prévisions de concentration de microcystines.
À ce jour, il n’y a pas eu d’études antérieures établissant un lien entre la production de microcystines et la biodégradation dans une efflorescence cyanobactérienne naturelle dominée par Microcystis. Les résultats de l’étude fournissent des preuves de la dégradation microbienne in situ de la microcystine. L’utilisation du marquage isotopique de l’azote 15 (15N) pour retracer le devenir d’une toxine algale dans la communauté bactérienne n’avait jamais été faite auparavant; une découverte majeure était que la dégradation semble être limitée à un petit sous-ensemble de la communauté microbienne du lac Érié.
« La haute résolution spatiale du NanoSIMS nous a permis d’identifier que la toxine marquée par un isotope était incorporée dans la biomasse d’une petite fraction de la population microbienne vivant à l’intérieur de la floraison, et non les cellules cyanobactériennes qui l’avaient libérée, ce qui pourrait ne peut être accompli avec aucune autre méthode de détection », a déclaré le scientifique du LLNL Xavier Mayali, co-auteur de l’étude.
« Les résultats de notre étude fournissent non seulement de nouvelles informations sur la dynamique des cyanotoxines dans la nature, mais suggèrent également une nouvelle direction potentielle pour le traitement des cyanotoxines à l’aide de bactéries spécialisées dégradant les toxines », a déclaré Wei Li, chercheur postdoctoral au LLNL, un autre co-auteur de l’étude. papier.
L’équipe a également quantifié les taux de production de microcystines. « Nous avons constaté que les HAB produisent des microcystines le plus rapidement au début de la floraison, et les taux de production élevés au début de la floraison correspondent au moment où nous voyons les concentrations de microcystines les plus élevées dans le lac Érié. Au cours de la floraison tardive, nous avons mesuré de faibles taux de production et faibles concentrations dans le lac », a déclaré Justin Chaffin de l’Ohio State University, l’auteur principal de l’étude.
Le co-auteur Thomas Bridgeman, du Lake Erie Center de l’Université de Toledo, a déclaré: « Nous mesurons les concentrations de microcystines dans le lac Érié depuis de nombreuses années, mais cette étude est la première à montrer que les niveaux de toxines que nous mesurons un jour donné sont le résultat net des processus concurrents de production et de dégradation des microcystines qui varient dans le temps et dans l’espace. C’est un grand pas vers le développement de modèles qui pourront produire des prévisions de microcystines au profit des usines de traitement de l’eau et des utilisateurs récréatifs du lac Érié.
Le scientifique du personnel du LLNL, Peter Weber, chercheur principal de l’installation NanoSIMS, faisait également partie de l’équipe. Les autres institutions comprennent l’Université d’État de l’Ohio, l’Université d’État de Wayne, l’Université d’État de Bowling Green et l’Université de Toledo.
Justin D. Chaffin et al, Quantification de la production de microcystines et des taux de biodégradation dans le bassin ouest du lac Érié, Limnologie et Océanographie (2022). DOI : 10.1002/lno.12096