L’azote est un peu une énigme. Sous sa forme gazeuse, c'est l'élément le plus abondant dans l'atmosphère, mais peu d'organismes peuvent l'utiliser facilement. Et même si tous les organismes vivants contiennent de l’azote, une nouvelle étude de l’Université du Vermont révèle que même de minuscules quantités d’azote peuvent alimenter la prolifération de cyanobactéries et perturber les écosystèmes des lacs.
« Quand nous pensons aux lacs, à la production et à ce qui alimente les cyanobactéries, il y a une vision historique selon laquelle il s'agit d'un problème de phosphore », explique Katelynn Warner, ancienne doctorante à l'école Rubenstein de l'environnement et des ressources naturelles de l'UVM et auteur principal de l'étude publiée dans Limnologie et océanographie. « Mais je pense que notre travail montre que c'est bien plus que cela. »
Historiquement, l’excès de phosphore a été à l’origine de nombreuses proliférations de cyanobactéries dans le lac Champlain, entraînant des fermetures occasionnelles de plages et stimulant les efforts de surveillance. Cette nouvelle recherche UVM souligne l’importance de comprendre également le rôle que joue l’azote dans la génération de proliférations d’algues toxiques.
Les cyanobactéries sont l'une des formes de vie les plus anciennes sur Terre. Ce sont des organismes photosynthétiques appartenant aux milieux aquatiques. Le problème est que les populations de cyanobactéries, souvent appelées algues bleu-vert, se déséquilibrent. Cela peut se produire lorsque des eaux de ruissellement chargées de phosphore et d’azote pénètrent dans un système lacustre.
Les cyanobactéries utilisent ces nutriments pour se reproduire de manière exponentielle, créant des proliférations qui étouffe la lumière du soleil et l'oxygène des poissons et autres formes de vie dans l'eau. Ils deviennent particulièrement dangereux lorsqu’ils sont provoqués par des espèces de cyanobactéries qui produisent des toxines nocives pour les humains et la faune.
« Les fleurs ne sont pas omniprésentes, elles ne sont pas les mêmes à chaque fois », explique Warner. « Différentes choses conduisent à la production de toxines et au développement de la floraison. »
Au cours de ses études doctorales à l’UVM, Warner a examiné les facteurs environnementaux à l’origine de la prolifération de cyanobactéries et la gravité de la production de toxines dans le lac Champlain. En 2021, avec une équipe de chercheurs de l'UVM, Warner a collecté des échantillons d'eau hebdomadaires dans la baie de St. Albans et la baie Missisquoi pour tester le phytoplancton, les cyanotoxines et les charges de nutriments. Ils ont utilisé des bouées à haute fréquence équipées de capteurs pour capturer des profils complets de la colonne d'eau toutes les 15 minutes, y compris les niveaux d'oxygène et de pH, la température de l'eau, la turbidité et les relevés météorologiques tels que la vitesse du vent et la température de l'air.
Les données permettent aux scientifiques de savoir sur des échelles de temps très courtes ce qui se passe dans le bassin et mesurent l'activité pendant les proliférations de cyanobactéries que la surveillance hebdomadaire peut manquer, explique Warner.
Étant donné que les baies de Saint-Albans et Missisquoi sont peu profondes et reliées à deux bassins hydrographiques différents, les scientifiques pourraient analyser l'impact des différentes dynamiques des lacs sur le développement de la prolifération. L'étude s'est concentrée sur deux espèces de cyanobactéries courantes trouvées dans le lac, Microcystis et Dolichospermum, et a analysé des échantillons pour détecter diverses cyanotoxines. Bien qu’ils aient trouvé de faibles concentrations de toxines pendant les proliférations, il y avait des différences dans la biomasse, probablement déclenchées par de petites quantités d’azote entrant dans le système.
« Nous avons constaté que l'azote dans la baie Missisquoi était, dans certains cas, le double de ce qu'il y avait dans la baie de St. Albans », explique Warner. « Et cela pourrait conduire à cette forte différence dans la biomasse des fleurs, potentiellement parce qu'elles disposent de ces nutriments supplémentaires pour se développer. »
Comme toutes les formes de vie, les cyanobactéries rivalisent pour des ressources limitées. Ils se spécialisent dans la fixation de nutriments précieux tels que le phosphore et l’azote de l’air et de l’eau. Certains se sont adaptés au stockage des nutriments en excès, notamment l’azote de l’atmosphère. Mais c’est une entreprise coûteuse.
« Cela demande beaucoup d'énergie, mais l'entreprise peut se positionner de manière à bénéficier d'un avantage concurrentiel pour se développer (lorsque des conditions favorables sont réunies) », explique Warner.
Plus qu'un problème de phosphore
Imaginez une boule à neige. Lorsqu'elle n'est pas dérangée, la neige se dépose au fond jusqu'à ce que l'eau à l'intérieur claque, mélangeant les particules dans l'eau. Le même concept s’applique aux sédiments des lacs. Ce n’est que lorsque les conditions changent – que ce soit en raison de la température, de la vitesse du vent ou d’un déluge d’eau – que les sédiments et les nutriments qu’ils contiennent se répandent dans la colonne d’eau et alimentent les proliférations de cyanobactéries. Souvent, le responsable de ces proliférations est l’excès de phosphore.
« Nous n'accordons pas autant d'attention à l'azote que nécessaire dans la gestion de l'eau et l'écologie des lacs, et il est très important pour déterminer non pas toujours le début de la prolifération, mais la composition de la prolifération, la toxicité de la prolifération et combien de temps elle va durer », explique Ana « Mindy » Morales, professeure agrégée à l'école Rubenstein de l'environnement et des ressources naturelles de l'UVM et co-auteur de l'article.
Les scientifiques peuvent plus facilement prédire l’impact du phosphore sur les systèmes lacustres, mais moins avec l’azote, dit-elle. « Nous devons vraiment comprendre l'importance de l'azote, et pas seulement en science fondamentale, mais cela doit être traduit en gestion et en action – et c'est difficile. »
Cela est dû en partie au fait que l’azote est très volatil. Il se présente naturellement sous différentes formes et est fabriqué synthétiquement à des fins industrielles et agricoles. Il est intéressant de noter qu’au fil des décennies, les niveaux d’azote ont chuté dans le bras nord-est du lac Champlain. Depuis 2009, cependant, les niveaux d'azote ont augmenté, avec les plus fortes augmentations de ces dernières années, probablement le résultat d'inondations entraînant davantage d'azote dans les systèmes, explique Warner.
Mais comme le démontre leur étude, il ne faut pas beaucoup d’azote pour faire des ravages dans un lac.
« Si un peu d'azote arrive lors de ces grosses tempêtes, cela peut avoir des impacts assez importants sur l'écologie du lac », explique Morales. « Nous devons simplement réfléchir de manière plus critique à la manière dont nous gérons l'azote, car nous ne nous en occupons pas vraiment. »
Dans les parties plus profondes du lac Champlain, l'eau se stratifie en couches qui se mélangent deux fois par année, au printemps et à l'automne. Les eaux moins profondes, comme la baie Missisquoi, sont plus susceptibles de se mélanger en raison de l'activité du vent. Ce brassage peut nourrir les proliférations ou les écraser en fonction des conditions du lac et du moment de la formation des proliférations de cyanobactéries. Les vagues de chaleur ou les précipitations extrêmes – événements qui devraient s’intensifier dans le Vermont avec le changement climatique – peuvent également exacerber les proliférations.
« Les cyanobactéries aiment les conditions calmes et stables », explique Morales. « Mais si vous avez ces impulsions répétées et ces événements de mélange, cela peut les maintenir dans une phase de floraison exponentielle où les choses continuent simplement à circuler et à leur donner plus de nutriments, à se stabiliser et à circuler. »
Prochaines étapes
Malgré les niveaux élevés de biomasse produits lors des proliférations de cyanobactéries, les scientifiques de l’UVM ont trouvé de faibles concentrations de toxines. Bien que ce soit une bonne nouvelle, cela ne signifie pas nécessairement que l’eau est nécessairement sécuritaire pour la baignade.
« Ce n'est pas parce que nous n'avons pas trouvé de toxines lors des prélèvements d'échantillons que ces proliférations ne sont pas toxiques et vraiment dangereuses », prévient Morales.
Warner prévoit de retourner à l'UVM pour des études postdoctorales afin de répondre à certaines questions non résolues. Elle utilisera des échantillonnages à haute fréquence et bihebdomadaires sur quatre sites le long du lac Champlain pour mieux comprendre comment l’azote affecte la production et la toxicité des cyanobactéries en prolifération. Son objectif est de déterminer si les agents de prolifération dominants du lac Champlain sont même capables de produire des cyanotoxines.
« Vous pouvez avoir des souches de ces espèces qui ont la capacité de produire des toxines, et d'autres qui ne le font pas, mais vous ne pouvez pas faire la différence simplement en les regardant », explique Warner. « Vous pouvez avoir deux colonies de la même espèce qui semblent morphologiquement identiques… (mais) vous devez examiner l'ADN et cibler ces gènes pour voir si elles les ont dans leur génome. »
Warner utilisera des tests génétiques pour identifier quelles espèces de cyanobactéries sont présentes, quels gènes elles possèdent et lesquels sont exprimés dans diverses conditions environnementales. Elle mènera également des expériences en laboratoire pour découvrir ce qui se passe avec les changements de température et les charges de nutriments. Certaines cyanobactéries pourraient disparaître de la population tandis que d’autres prospéreraient. Considérez son travail dans la baie Missisquoi : aucune toxine n'a été détectée lors de la prolifération initiale; mais une fois la grande prolifération détruite, des toxines ont été trouvées dans la prolifération secondaire.
« Est-ce que d'autres espèces sont également en fleur avec eux ? » se demande Warner. « Y a-t-il d'autres nutriments ou d'autres facteurs qui limitent cette production de toxines ? »
Et enfin, comment gérer ces proliférations nuisibles ?
