Biofilm, bactéries, exopolysaccharides, érodabilité, vasière intertidale, bassin de Marennes-Oléron.

           Dans les zones littorales de type européen, les vasières intertidales constituent les écosystèmes les plus productifs de toute la zone côtière. Le biofilm microbien (fig.1) se développant sur ces vasières est constitué d’un complexe microalgues/EPS/bactéries et joue un rôle essentiel dans la productivité de ces zones. En effet, cette productivité du biofilm alimente directement le réseau trophique benthique ‑ par broutage des déposivores - et indirectement le réseau trophique planctonique - par remise en suspension du biofilm dans la colonne d’eau et broutage par les suspensivores.

Fig. 1 : a: vasière intertidale. b: biofilm microphytobenthique à la surface de la vasière. c: photographie du biofilm en microscopie électronique

Notre compréhension de la dynamique de la production primaire a fortement évolué depuis quelques années. A marée basse, les microalgues forment un biofilm continu à la surface de la vase en se multipliant rapidement. Le pool de sels nutritifs est ainsi rapidement diminué stimulant la sécrétion externe d’exopolysaccharides (EPS) par ces algues. Ces EPS forment une matrice qui est une source de nourriture pour les bactéries. Cette production bactérienne peut atteindre des niveaux aussi élevés que celle du microphytobenthos. Par conséquent, le biofilm microbien intertidal, constitué d’un complexe microalgues/EPS/bactéries, s’avère un point central dans notre compréhension de la dynamique trophique des vasières. Cependant nos connaissances actuelles sur le déterminisme et le devenir du biofilm sont largement conceptuelles et théoriques.

Par conséquent, une représentation claire et une quantification du devenir du biofilm microbien doivent être établies pour une bonne compréhension du fonctionnement de l’écosystème vasière intertidale et pour une aide à la gestion des zones littorales. Le programme VASIREMI permettra d’étudier ces aspects dans les Pertuis Charentais.

• Déterminisme de la production bactérienne

Cette partie consiste à décrire le processus de production bactérienne sur un biofilm microphytobenthique sécrétant des EPS très diversifiés. Les travaux seront menés en conditions contrôlées en reconstituant un biofilm dans des mésocosmes tidaux en suivant l’évolution de la biomasse/production/diversité des bactéries couplée avec celles des microalgues, la production en EPS, les paramètres photosynthétiques lors du développement et du vieillissement du biofilm. Ces expériences seront appliquées in situ sur une vasière nue, sur un cycle de marée en milieu de Vives-eaux et de Mortes-eaux à différentes saisons.

La caractérisation structurale de ces EPS (nature et proportion des unités saccharidiques et positions des liaisons glycosidiques) mais également l’étude des relations entre la structure et les propriétés physico-chimiques et/ou biologiques de ces EPS sera effectuée par chromatographie couplée à de la spectroscopie. Des enzymes de dégradation spécifiques des EPS seront utilisées pour caractériser ces polysaccharides complexes, tandis que des enzymes de modification permettront d’en modifier la structure, et ainsi de générer probablement de nouvelles propriétés biologiques ou rhéologiques.

• Quel est le devenir de ce biofilm ?

Afin d’étudier le devenir de ce biofilm vers le milieu pélagique, des expériences en milieu contrôlé et in situ auront lieu pour étudier le fonctionnement microalgues/EPS/bactéries dans un canal benthique (ERODIMETRE). Ces mesures permettront d’analyser l’érodabilité du sédiment (seuils critiques) et la remise en suspension séquentielle des microorganismes, paramètres dépendant fortement de la production d’EPS en relation avec l’âge du biofilm, l’état physiologique des microalgues et les carences en sels nutritifs.

Au cours de la croissance du biofilm, les structures en EPS permettraient d’assurer une certaine adhésion et cohésion au sédiment en exerçant un effet biostabilisateur. A partir du moment où la biomasse algale devient élevée en entraînant une carence en sels nutritifs, une très forte quantité d’EPS est sécrétée et la remise en suspension du sédiment est fortement facilitée par un effet de type déstabilisateur. Le changement d’état du sédiment serait dû à une colonisation bactérienne qui modifierait les capacités rhéologiques du biofilm bactérien et sa capacité à retenir les eaux interstitielles. Le rôle des bactéries pour déterminer l’érodabilité du biofilm microphytobenthique reste à vérifier et à affiner. De nouvelles expériences doivent être réalisées pour mieux mettre en évidence les relations entre 1) l’effet du vieillissement du biofilm (qualité et de la quantité d’EPS, développement bactérien, capacité du sédiment à retenir l’eau) sur l’érodabilité du sédiment et 2) les interactions à l’échelle microscopique et moléculaires (liaisons chimiques, enzymes, hydrophobicité) entre les diatomées, la matrice d’EPS, l’activité bactérienne et les particules sédimentaires.

Determinism of bacterial

Biofilm, bacteria, exopolysaccharids, erodability, intertidal mudflats, Marennes-Oléron bay.

           In european littoral areas, intertidal mudflats are the most productive ecosystems. The microbial biofilm developping on these mudflats (fig.1), is composed by a microalgae/exopolysaccharids/bacteria complex and plays a key role on productivity of these areas. Indeed, biofilm productivity fuels directly the benthic food web (grazing by deposit-feeders) and indirectly the planctonic food web (resuspension of biofilm into water column and grazing by suspension-feeders).

Fig. 1 : a: intertidal mudflat. b: microphytobenthic biofilm developed on mudflat surface. c: picture of biofilm in electronic microscopy

Our understanding of primary production dynamic has strongly increased since few years. At low tide, microalgae constitute a continuous biofilm on the mud surface by quickly multiplying. Nutritients decrease quickly, stimulating external secretion of exopolysaccharids (EPS) by these algae. These EPS constitue a matrix which is a source of food for bacteria. This bacterial production can raise levels as high as those of microphytobenthos. Consequently, intertidal microbial biofilm (composed by a microalgae/EPS/bacteria complex) turns out to be a main point in our understanding of mudflats trophic dynamic. However, our actual knowledge on biofilm determinism and fate are widely conceptual and theoretical.

Accordingly, a clear representation and quantification of the microbial biofilm fate must be established in order to understand the functioning of a specific ecosystem, the intertidal mudflat, and to improve the management of littoral areas. VASIREMI program will allow to study these aspects in the Pertuis Charentais.

• Determinism of bacterial production

It consists in describing bacterial production processes on a microphytobenthic biofilm exuding varied EPS. Experiments will be conducted under controlled conditions by reconsituting a biofilm in tidal mesocosms and recording numerous parameters: bacterial and algal biomass, productivity, diversity, EPS production, photosynthesis parameters during development and maturing of biofilm. These experiments will be applied in in situ conditions on bare tidal mudflat, during a spring - neap tide cycle, for different seasons.

Structural characterisation of these EPS (nature and proportion of saccharidic unities, positions of glycosidic bonds) and also study of relations between structure and physical, chemical and/or biological properties, will be conducted by chromatography coupled to spectroscopy. EPS-specific degradation enzymes will be used to charcaterize complex polysaccharids, while modification enzymes allow to modify structure, and then probably generate new biological and rheological properties.

It is also considered to study surface properties of these EPS, by determining the surface energies by gas-liquid chromatography. Indeed, these surface characteristics are responsible of EPS adhesive properties, and then of their capability to form a biofilm. The interaction between EPS and bacteria will be better described.

• What is the fate of this biofilm ?

In order to study the fate of biofilm toward pelagic environment, experiments in controlled conditions and in situ will be done through a benthic channel (ERODIMETER). Measures of microalgae, EPS and bacterial fate will allow to analyse sediment erodability (treshold) and resuspension of microorganisms, which is  strongly dependent on EPS production, this latter being linked to the age of biofilm, physiological state of microalgae and nutrients deficiencies.

During the biofilm growth, EPS structures would ensure a certain adhesion and cohesion to sediment by exercising a biostabiliser effect. Since algal biomass becomes high, leading to a nutrient deficiency, a strong among of EPS is exuded and sediment resuspension is facilitate by a destabiliser effect. The change of sediment state should be due to a bacterial colonisation, which would modify the rheological capabilities of bacterial biofilm and its capabilities to retain interstitial waters. The role of bacteria on biofilm erodability stay to confirm. New experiments must be done to highlight the relations between 1) effects of biofilm aging (EPS quantity and quality, bacterial development, capacity of the sediment to retain water) on sediment erodability and 2) interactions at the microscopic and molecular scale (chemical bond, enzymes, hydrophobicity) between diatoms, EPS matrix, bacterial activity and sediment particles.