Selon une nouvelle étude de modélisation, réduire les niveaux de phosphore nutritif pour contrôler les proliférations d’algues nocives dans des endroits comme le lac Érié est en fait avantageux pour les souches de cyanobactéries toxiques, ce qui peut entraîner une augmentation des toxines dans l’eau.
Des chercheurs de la Technische Universität Berlin (TU Berlin) détaillent leurs découvertes dans un article publié en ligne le 26 mai dans la revue interdisciplinaire Science. Deux scientifiques de l’Université du Michigan sont parmi les co-auteurs.
« La grande avancée ici a été d’intégrer notre compréhension de la microbiologie des efflorescences dans des modèles prédictifs », a déclaré Gregory Dick, microbiologiste environnemental de l’UM et co-auteur de l’étude. « Les résultats suggèrent que les modèles biologiquement informés sont capables de reproduire les propriétés émergentes des fleurs qui ne sont pas prédites par les modèles traditionnels. »
Les cyanobactéries, également connues sous le nom d’algues bleu-vert, peuvent produire des toxines et épuiser les lacs d’oxygène lorsqu’elles meurent. Le phosphore est un nutriment important pour ces algues, et des efforts sont en cours dans le monde entier pour réduire les niveaux de phosphore et inhiber la croissance des cyanobactéries.
Cependant, à mesure que le nombre total de cyanobactéries diminue, les cyanobactéries restantes ont plus d’un autre nutriment important disponible : l’azote. Et des concentrations plus élevées d’azote aident certaines cyanobactéries à produire une toxine qui les protège contre les dommages résultant de l’oxydation.
À l’aide d’un modèle basé sur des agents, les chercheurs ont simulé le comportement des cyanobactéries dans le lac Érié. Ils appellent à un changement de réflexion sur la gestion de l’eau et à l’adoption d’une approche qui réduit non seulement le phosphore, mais également la charge d’azote dans les masses d’eau.
Les cyanobactéries peuvent être dangereuses pour les animaux domestiques et les humains. En août 2014, près d’un demi-million de personnes dans la région de Tolède ont été privées d’eau du robinet pendant près de trois jours en raison d’une eau potable contaminée. Un type d’algue bleu-vert, Microcystis, avait produit des niveaux particulièrement élevés de microcystine (MC), une toxine hépatique, dans le lac Érié.
« Bien que la microcystine soit une toxine puissante pour les humains et les animaux, elle est très bénéfique pour les cyanobactéries », a déclaré Ferdi Hellweger, président de l’ingénierie de la qualité de l’eau à l’Institut de technologie environnementale de la TU Berlin et auteur principal de l’article scientifique.
La microcystine peut occuper certains sites sur les enzymes importantes pour les processus vitaux de la bactérie. Ce faisant, il protège les bactéries du peroxyde d’hydrogène agressif, qui pourrait autrement attaquer ces sites de liaison, oxyder les enzymes et les rendre inutiles.
« Le peroxyde d’hydrogène se trouve partout dans la nature, y compris en tant que sous-produit de la photosynthèse », a déclaré Hellweger. En tant que tel, la production de microcystine est un mécanisme de protection important pour les bactéries. Pourtant, certaines souches de bactéries produisent beaucoup de microcystine, et d’autres qui en produisent très peu ou pas du tout.
« Cette diversité parmi les souches bactériennes est précisément ce qui est responsable du phénomène selon lequel une réduction du phosphore peut entraîner une augmentation de la production de MC », a déclaré Hellweger.
Le phosphore étant un nutriment qui n’est disponible que dans une mesure limitée dans la nature pour les bactéries, les efforts se sont jusqu’à présent concentrés sur la réduction de l’utilisation des phosphates comme engrais dans l’agriculture et la réduction de la teneur en phosphore des eaux usées au moyen d’un traitement tertiaire des eaux usées pour ralentir la croissance des algues bleu-vert, même dans les grands plans d’eau comme le lac Érié.
Les États-Unis et le Canada se sont engagés à réduire de 40 % la quantité de phosphore entrant dans le lac Érié.
« Moins de phosphore dans l’eau réduit le nombre d’algues bleu-vert et donc aussi le niveau de toxine. C’était généralement la règle d’or pour la gestion de l’eau », a déclaré Hellweger. Cependant, les processus naturels réels sont plus complexes que cela, a-t-il déclaré.
« Moins d’algues bleu-vert signifie qu’elles doivent également être moins compétitives pour les autres nutriments, dont le plus important est l’azote. Et l’azote, comme le phosphore, n’est également disponible qu’en quantités limitées. Et, en l’occurrence, c’est un élément important de la molécule MC », a déclaré Hellweger.
En d’autres termes : les souches de bactéries qui produisent des quantités considérables de microcystine peuvent maintenant le faire plus facilement car la microcystine les protège également du peroxyde d’hydrogène nocif.
« Cette étude soutient l’idée que la réduction du phosphore réduira avec succès l’abondance globale des cyanobactéries, conformément aux objectifs des politiques actuelles », a déclaré Dick de l’UM, professeur au Département des sciences de la Terre et de l’environnement et directeur du Cooperative Institute for Great Lakes. Recherche à l’École pour l’environnement et la durabilité.
« Cependant, cela suggère également que la réduction du phosphore entraînera une augmentation de l’abondance du sous-ensemble de cyanobactéries capables de produire des toxines, ce qui entraînera globalement plus de toxines », a déclaré Dick.
L’autre co-auteur de l’UM est Derek Smith, qui a obtenu un doctorat du Département des sciences de la Terre et de l’environnement de l’UM et était chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Dick. Les chercheurs de l’UM ont pris des mesures sur le terrain à la prise d’eau potable de Toledo dans le lac Érié, puis ont utilisé des techniques génomiques environnementales pour quantifier la proportion de cellules Microcystis productrices de toxines et non productrices de toxines dans les efflorescences du lac Érié.
« Des expériences antérieures ont suggéré que la gestion des proliférations de cyanobactéries nocives nécessite une réduction de la pollution par le phosphore et l’azote dans les lacs. Maintenant, un modèle basé sur les connaissances actuelles de la biologie des cyanobactéries toxiques suggère la même chose », a déclaré Smith.
« La seule réduction des apports de phosphore peut être insuffisante pour gérer les proliférations de cyanobactéries nocives », a-t-il déclaré.
Dans la nouvelle étude de modélisation, les chercheurs ont pour la première fois utilisé la simulation à base d’agents pour illustrer le comportement de cette algue bleu-vert. Chaque algue bleu-vert est représentée sur l’ordinateur en tant qu’individu, se comportant légèrement différemment selon son histoire de vie supposée.
Une algue bleu-vert qui se trouvait fréquemment à la surface de l’eau, par exemple, aura été particulièrement exposée au soleil et donc à l’eau oxygénée. Cela augmente la probabilité qu’elle utilise pleinement ses capacités de production de microcystines.
La lumière du soleil peut également activer le gène nécessaire à la production de microcystine. Ce mécanisme contribue au fait que moins de biomasse conduit à plus de toxines car plus de lumière peut pénétrer à de plus grandes profondeurs et stimuler la production.
Les chercheurs ont utilisé l’algue bleu-vert Microcystis et le lac Érié comme organisme modèle et environnement pour leur simulation. Pour modéliser précisément les processus là-bas, ils ont mené une recherche documentaire approfondie et évalué 103 études avec 708 expériences remontant à 1958.
Des scientifiques de l’Université du Tennessee à Knoxville ont également mené leurs propres expériences en laboratoire pour aider à la construction du modèle.
Ferdi L. Hellweger et al, Les modèles prédisent que la réduction prévue de la charge de phosphore rendra le lac Érié plus toxique, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abm6791