Du juste dosage de la lumière et des éléments nutritifs

La plupart des algues que l’on trouve dans les eaux continentales bretonnes sont microscopiques ; il s’agit d’êtres unicellulaires isolés ou vivant en colonies d’une taille variant de 2 à 400 microns. Ils constituent le premier maillon de la chaîne alimentaire et servent de nourriture au zooplancton, à quelques espèces de poissons et de mollusques.

Le plus souvent, les algues se trouvent dans l’eau ; certaines flottent dans la colonne d’eau, d’autres sont attachées et vivent sur le fond, d’autres encore restent à l’interface eau/air. Mais les algues peuvent aussi se développer sur des rochers, du bois, des arbres ou à la surface du sol dès qu’ils sont humides. Grandes colonisatrices, il en existe même qui vivent en symbiose avec des invertébrés ou des plantes. Le plus connu de ces mariages est probablement le lichen, nom que l’on donne à l’association d’une algue et d’un champignon.

Au total, il existe plus de 14 000 espèces de microalgues au monde rien qu’en eau douce avec des formes, des mobilités et une écologie d’une grande variété. Dans un volume très réduit, 5 à 10 ml, il n’est pas rare de trouver une dizaine d’espèces. Mais si diverses soient-elles, les microalgues partagent un point commun : leur remarquable capacité d’adaptation aux modifications physico-chimiques des milieux aquatiques.

A l’exception de quelques espèces, les microalgues sont photoautotrophes. C'est-à-dire qu’elles sont capables d’élaborer leurs propres constituants cellulaires à partir d’éléments minéraux (dioxyde de carbone, azote, phosphore, etc.) et en utilisant l’énergie photosynthétique.

Pour réaliser la photosynthèse, les végétaux aquatiques doivent capter des radiations lumineuses. Or, plus les eaux sont riches en matières en suspension, et donc opaques, moins les rayons solaires y pénètrent profondément. Les cyanobactéries, par exemple, longtemps appelées algues bleues du fait de leur pigmentation et parce qu’elles utilisent la photosynthèse (d’un point de vue cellulaire, elles sont plutôt proches des bactéries) utilisent des pigments accessoires comme la phycocyanine (bleu) et la phycoérythrine (rouge) lorsque la baisse de luminosité empêche la photosynthèse.

Dès lors qu’une algue est dans la zone optimale pour réaliser la photosynthèse (zone dite euphotique, qui peut varier, en Bretagne, de 4 m en hiver à 50 cm en été dans une retenue d’eau), encore faut-il qu’elle y reste, y compris lorsque les changements de température ou le vent mélangent l’eau et créent des courants au sein des milieux aquatiques. Certaines cyanobactéries ont trouvé une solution originale à ce problème : elles possèdent des vacuoles gazeuses qu’elles utilisent pour monter et descendre dans la colonne d’eau. D’autres espèces du phytoplancton sont pourvues de flagelles ou de cils pour se déplacer.

Dès lors qu’il dispose de la lumière, le phytoplancton doit encore assimiler des éléments nutritifs pour produire ses constituants cellulaires. Il s’agit d’éléments minéraux comme le potassium, le sodium, le calcium et le magnésium. Ceux-ci sont généralement considérés comme suffisamment abondants dans les milieux aquatiques pour ne pas limiter la croissance. Il lui faut aussi des oligo-éléments (molybdène, zinc, cuivre, etc.). Enfin et surtout, le phytoplancton utilise, en grande quantité, le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le phosphore, la silice et le fer.

Qu’un seul de ces éléments chimiques vienne à manquer, ou qu’il soit présent seulement en quantité insuffisante, et la production végétale ne peut pas avoir lieu. En général en Bretagne, ce n’est pas le manque d’éléments nutritifs qui pose problème mais plutôt leur trop grande disponibilité, en particulier celle de l’azote et du phosphore. Dans les eaux douces calmes, la croissance algale peut alors s’intensifier anormalement allant même jusqu’à fragiliser l’équilibre écologique des milieux aquatiques. C’est ce qu’on appelle l’eutrophisation. Un phénomène en grande partie hérité des pollutions agricoles et urbaines.

Les microalgues d'eau douce s'adaptent tous azimuts

Les microalgues sont très efficaces lorsqu’il s’agit de s’adapter pour survivre aux variations, parfois rapides, des milieux aquatiques.

Certaines espèces de microalgues ont modifié leur physiologie ou leur forme pour se prémunir d’un manque d’azote ou de phosphore, deux éléments nutritifs indispensables à leur croissance. C’est le cas par exemple des cyanobactéries filamenteuses Anabaena, Anabaenospis, Aphanizomenon qui, grâce à des cellules spécialisées, peuvent fixer l’azote atmosphérique dissous dans l’eau. Elles s’affranchissent, de cette façon, des éventuelles pénuries en nitrates et autres composés azotés solubles. Cette situation ne se rencontre pas dans les eaux bretonnes suffisamment riches en azote.

Lorsqu’on s’intéresse à leur forme, l’univers des microalgues est aussi loin d’être monotone ; sphériques, en forme de croissant, de fuseau ou de baguette, isolées ou en grappe plus ou moins organisées, etc., elles se sont dotées d’une grande variété de morphologies pour minimiser leurs dépenses énergétiques et optimiser leur croissance, leur reproduction et leur survie.

Les petites espèces (Chlorella sp. et Synechococcus sp.) sont très efficaces pour la capture des différentes ressources (lumière et absorption des éléments nutritifs). Elles montrent les taux de croissance les plus élevés, l’assimilation et la production sont quasiment simultanées. À l’opposé, les espèces plus grandes comme Microcystis aeruginosa ont des taux de croissance plus faibles. Elles découplent l’assimilation et la production en stockant les ressources nutritives avant de les utiliser.

L’une des adaptations les plus redoutables des microalgues découle de leur capacité à produire des toxines, dont certaines mortelles. Les cyanobactéries, par exemple, fabriquent des dermatotoxines, des neurotoxines et des hépatotoxines. Une fois les cellules mortes, ces toxines sont libérées dans le milieu aquatique et peuvent représenter un risque sanitaire par le biais de l’eau de consommation ou des loisirs nautiques. Depuis 2002, les directions départementales des affaires sanitaires et sociales en Bretagne sont chargées de la surveillance sanitaire des cyanobactéries dans les retenues destinées à l’alimentation en eau potable et les plans d’eau de loisirs utilisés pour la baignade et les sports nautiques.

Des espèces qui alternent au fil des saisons

On l’a vu, les microalgues doivent s’adapter en permanence aux variations des conditions physico-chimiques des milieux aquatiques (lumière, température, disponibilité variable en éléments nutritifs). En fonction des saisons et de façon schématique, on observe trois phases au cours desquelles différents groupes phytoplanctoniques alternent.

En automne-hiver – la phase 1, les débits des cours d’eau sont plus importants de même que les ressources nutritives ; au contraire, l'énergie lumineuse disponible se fait plus rare et la température baisse. Seules les espèces qui tolèrent les mélanges d’eau, et donc les alternances de phases obscures et lumineuses, se développent. Il s’agit essentiellement des diatomées Asterionella, Aulacoseira, Stephanodiscus, Tabellaria, Fragilaria qui présentent d'excellentes adaptations aux faibles températures et à la suspension dans les milieux agités tout en disposant d’une bonne capacité pour capturer la lumière. Dans des eaux plus chaudes et moins agitées, on peut identifier les genres : Cosmarium Staurastrum et Planktothrix agardhii/redekei.

Du printemps à l'été – la phase 2, l'apport énergétique augmente (plus de lumière et des températures plus élevées) et permet la création d’une couche d’eau plus ou moins stable à la surface des milieux aquatiques. Au début de cette période, le niveau des ressources minérales est encore abondant puis il diminue progressivement avec l'avancement de la période estivale. Les microalgues les plus couramment rencontrées sont alors les plus petites espèces à croissance rapide. Elles font l'objet d'une forte prédation de la part du zooplancton. Il s'agit essentiellement des genres : Chlorella, Ankyra, Koliella, Chlamydomonas, Synechococcus, Rhodomonas, Chrysochromulina, Monochrysis.

À la fin de l'été - la phase 3, en raison de leur faible tolérance vis-à-vis de la baisse des températures, de nouveaux groupes apparaissent. Dans les eaux colorées très opaques, certaines espèces s’adaptent aux faibles éclairements en ajustant leur couleur. Leur taux de croissance est faible mais, suffisamment grandes, elles échappent à la prédation du zooplancton. Peridinium, Ceratium sont les genres caractéristiques de ce groupe ainsi que des cyanobactéries comme Gomphosphaeria et Microcystis qui peuvent donner lieu à des efflorescences.

Bien évidemment, l’alternance de ces phases n’est pas tranchée ; les transitions d'un état à l'autre sont progressives et supposent des états intermédiaires. Par exemple, entre l’hiver et le printemps, on peut noter les croissances de Pediastrum, Scenedesmus, diatomées comme Cyclotella, Asterionella, Aulacoseira, et entre le printemps et l’été, Dinobryon, Dictyosphaerium, Sphaerocystis, Volvox, Eudorina, Aphanocapsa, Aphanothece, Anabaena, Aphanizomenon, Gloeotrichia.

En raison de l'extrême variabilité des conditions climatiques ainsi que de la faible inertie des étangs et réservoirs, les eaux bretonnes se démarquent de ce schéma général d’alternance ; les phases peuvent se reproduire plusieurs fois au cours d'un cycle annuel et les successions 1-2-3 subissent des réversions ou retours vers des états antérieurs ou intermédiaires. Du printemps à l'automne, des peuplements de la phase 1 (diatomées ou encore Planktothrix agardhii) peuvent être remplacés ou dominés par des cyanobactéries comme Microcystis, Anabaena ou Aphanizomenon. Ces instabilités ne sont pas sans compliquer la surveillance sanitaire de certains réservoirs et obligent à un suivi bimensuel et parfois même hebdomadaire.