Ecologie des Milieux Aquatiques Introduction aux Ecosystèmes aquatiques Aquatic Ecosystems Aquatic ecosystems make up the largest part of the biosphere. The term “biome” is based on dominant vegetation and is not applicable to aquatic environments. Water depth, flow, chemistry, available light, and temperature are key factors in describing aquatic ecosystems.

Les Facteurs Clés Le terme « biome » est basé sur la végétation dominante et ne s'applique pas aux environnements aquatiques. La profondeur d'eau, l’hydrologie, la chimie de l’eau, la lumière disponible, et la température sont des facteurs clés en décrivant les écosystèmes aquatiques.

Le Cycle Hydrologique Le cycle hydrologique correspond aux échanges d’eau entre réservoirs La biologie des environnements aquatiques dépend de facteurs physiques tels que la lumière, la température, les mouvements de l’eau et de facteurs chimiques tels que la salinité et l’oxygène. What is very important to understand while studying aquatic ecosystems is that a lot depend on the hydrologic cycle which will exchange water through various reservoirs. . The second concept is that the biology will respond directly to physical factors….

Cycle Hydrologique 97% Vapeur Atmosphérique Réservoir glacier Précipitation font Réservoir atmosphérique Infiltration Condensation Evapotranspiration (végétation…) Percolation Réservoir Terrestre Réservoir aquifère Evaporation ruissèlement Précipitation Five reservoirs are involved in the hydrologic cycle : oceans (97%), atmosphere, polar ice and glaciers, underground reservoir and the land reservoir which includes the lakes, rivers and even the living organisms The arrows show the paths the water takes from one reservoir to another one, through evaporation for ex, condensation, wind transport, precipitation, surface flow and groundwater flow and infiltration. Evapotranspiration is the term used to describe the combined processes of evaporation and transpiration (by plants) of water. Réservoir océanique 97% Cycle Hydrologique

Bassin Versant On appelle bassin versant tout le territoire nourrissant le réseau d'un cours d'eau donné Définissons un bassin versant : Ensemble des pentes inclinées vers un même cours d’eau et déversant leurs eaux de ruissellement. Note : Plus la surface du Bassin Versant est importante Plus le Lac subira les effets des eaux vives du milieu terrestre.

Limnologie Créée par Forel, l’étude des eaux continentales ou eaux douces a été dénommée limnologie. Elle regroupe deux grands types d’écosystèmes aquatiques : Les eaux stagnantes qui correspondent aux milieux lentiques ex : un lac Les eaux courantes qui correspondent aux milieux lotiques ex : une rivière

Partie 1 Systèmes Lentiques Eaux Continentales Partie 1 Systèmes Lentiques

Sommaire Classification selon leur formation Distribution Macrophytes Morphométrie Zonation Distribution Macrophytes Classification selon leur temps de rétention Oligothrophique vs. Eutrophique Communauté autotrophe

Systèmes Lentiques En réalité dans les milieux lentiques, l’eau ne stagne jamais, mais il y a toujours un temps de séjour ± long des eaux. Il y a trois grands systèmes pour désigner ces milieux lentiques : La mare : toute pièce d’eau de moins de 1 m de profondeur où les radiations lumineuses pénètrent jusqu’au fond du plan d’eau. La dissipation de cette énergie échauffe donc la vase qui en automne restitue la chaleur emmagasinée. Ceci permet un développement décalé dans le temps d’organismes benthiques : tardif au printemps, et une survie automnale longue. L’étang : toute pièce d’eau dont la profondeur est inférieure à 10 m, sous nos latitudes. L’énergie cinétique du vent est en toute saison susceptible de provoquer un brassage total de la colonne d’eau. Ceci implique une remontée permanente des éléments minéraux en provenance des zones profondes (sédiments) vers la zone proche de la surface. Le phytoplancton est donc particulièrement abondant dans ce type de milieu. Le lac : toute pièce d’eau suffisamment profonde pour que se manifeste en été une stratification thermique. Cela empêche le brassage des eaux supérieures chaudes, pauvres en éléments nutritifs avec les eaux profondes froides et riches en sels minéraux.

Géologie et formation des Lacs 1.- Mouvements tectoniques -> lacs tectoniques Les mouvement tectoniques des plaques ont créé certains des plus anciens et les plus profonds lacs 2.- Activités volcaniques -> lacs volcaniques 3.- Activité glaciaire -> lacs glaciaires Assez courants. Les glaciers se déplaçant créent des dépression 4.- Par hydrodynamisme -> lacs fluviaux Un lac se forme quand les eaux rencontrent un obstacle à leur écoulement naturel. 1- Les lacs tectoniques : les plus grands lacs, dûs à des plissements ou à des effondrements tectoniques. ex : Lac Tanganyika (Tanzanie), lac Baikal (Russie) DIAPO 97 2- Les lacs volcaniques : Les cratères, les explosions volcaniques (maar), les coulées de lave barrant une vallée (Massif central). Ex : Lac de Pavin (lac de maar) = rencontre explosive entre l’eau et le magma, volcan le plus jeune de la France métropolitaine. DIAPO 98 Ex : Lac d’Aydat = dû à une coulée de lave qui a barré le passage d’une rivière. DIAPO 99 3- Les lacs glaciaires : les plus nombreux. Les glaciers par leur action de rabot génèrent des cuvettes. Ex : Lac du Bourget DIAPO 100 4- Les lacs fluviaux : anciens méandres de fleuves coupés du lit principal. Ex : Lac au bord du Mékong (Cambodge), Lac sur le St Laurent DIAPO 101

Morphométrie d’un lac Moyen de classification Bathymétrie (profil en profondeur) Les lacs peu profonds sont souvent les plus productifs Mélange des eaux Photosynthèse Caractéristiques générales - Surface : ha ou km2 - Profondeur : m ; profondeur moyenne notée Z, et maximale, Zm - Volume : m3 ou km3 - Longueur & largeur - Creux : il faut tenir compte de la raideur des pentes : plus le creux est important, plus la masse d’eau aura du mal à se mettre en mouvement lors des brassages thermiques. Bathymétrie du Lac Erié

Zonation en milieu lacustre La zone littorale (écosystème terrestre) : frange en contact avec le milieu terrestre où se développent les macrophytes. La zone pélagique (écosystème lacustre) : zone où se développe le plancton, les poissons. La zone benthique (écosystème lacustre) : zone du fond où se développe la faune benthique.  Propriétes optiques : Au sein de l’écosystème lacustre, on définit deux zones en fonction des propriétés optiques et de la profondeur : la zone trophogène (P>R) et la zone tropholytique (P<R). A une profondeur qui correspond à 1% de la lumière pénétrant en surface, les processus photosynthétiques égalent les processus respiratoires, càd. que la production nette est nulle (P=R). Au-dessus de cette ligne imaginaire appelée la zone de compensation, la croissance du phytoplancton est possible, on parle de zone trophogène (trophos : nourriture, gène : fabriquer) ou euphotique. Au-dessous de cette ligne, les processus hétérotrophes/respiratoires sont prépondérants (dégradation de la matière organique). On parle de zone tropholytique (lytique : destruction) ou aphotique. The limnetic zone is the well-lit, open surface waters in a lake, away from the shore. The vegetation of the littoral zone surrounds this expanse of open water and it is above the profundal zone.It can be defined as the lighted surface waters in the area where the lake bottom is too deep and unlit to support rooted aquatic plants. Most photosynthesis takes place in this part of the lake.

ECOSYSTEME LACUSTRE Ecosystème terrestre Ecotone Ecosystème lacustre Zone pélagique Zone littorale Zone euphotique Zone de compensation photique Z1%:1% de lumière incidente Zone aphotique Zone benthique

AMPHIPHYTES HYDROPHYTES Helophytes Pseudo hydrophytes Rhizophytes Emménophytes Pleustophytes Distribution et composition des macrophytes dans la zone riparienne (rives) des eaux stagnantes tempérées : Macrophytes : terme désignant les végétaux de grande taille (cryptophytes et phanérogames) qui croissent dans la zone riparienne des écosystèmes aquatiques. Ils sont essentiellement représentés par des bryophytes (mousses), des characées (appartenant à un embranchement primitif entre les algues et les phanérogames) et des angiospermes aquatiques. Il existe deux grands types de macrophytes : Amphiphytes : englobent l’ensemble des plantes amphibies Hélophytes :“ les pieds dans l’eau ” ou hélophytes, végétaux qualifiés de supra-aquatiques supportent une immersion temporaire ou plantes pourvues de racines, à port dressé, avec les parties inférieures le plus souvent immergées, alors que les feuilles et l’inflorescence sont hors de l’eau. Ex : Carex sp., Typha sp., Prêle aquatique. et les végétaux de marais qui poussent dans la zone des embrun Pseudohydrophytes : plantes entièrement immergées en règle générale mais dont le cycle exige une phase exondée des parties végétatives pour la reproduction. Ex : Sagittaria sp., Juncus bulbosa 2. Hydrophytes : regroupent les espèces qui croissent en pleine eaumacrophytes elle sont des plantes réellement aquatiques (algues, bryophytes aquatiques, hydrophytes vasculaires), - Rhizophytes : plantes fixées au substrat (sédiment ou fond) à feuilles flottantes avec ou non présence de feuilles submergées (affleurantes). Ex : Nympheas, Lotus, Potamegon natans. - Emménophytes : plantes intra-aquatiques, entièrement submergées, dépourvues d’organes de flottation. Ex : Myriophyllum, divers Potamegon, Chara sp. - Pleustophytes : plantes libres non enracinées flottantes à la surface de l’eau à l’exception des racines. Ex : Ceratophyllum sp., Utricularia sp., Lemna sp.

Temps de Rétention Temps de rétention ou temps de résidence de l’eau correspond au temps pris par l’eau pour être complètement renouvelée (volume du lac) / (débit d’entrée et de sortie) Peut varier de quelques heures à des milliers d’années (ex Lake Tahoe = 700 ans) Paramètre essentiel pour comprendre l’impact d’une pollution, les effets sur le biotope…

Stratification thermique Dimictique La plupart de lac sont dimitique, ils se melange duex fois par an. Stratification thermique

Classification des lacs selon leur stratification Lac Nyos holomictique : les eaux se mélangent au moins une fois par an monomictique 1 / ans dimictique : 2 x /an polymictique plusier fois/an méromictique : <les eaux se mélangent moins une fois par an , décennie ou siècle Lac Pavin Lac Nyos , Cameroun, 1 800 morts en 1986 lac méromictique : les eaux de surface et de profondeur se mélangent moins d'une fois par an et pour certains moins d'une fois par décennie ou siècleCes lacs ont la particularité d'avoir, dans leurs eaux profondes, de très faibles concentrations en oxygène (inférieures à 1 mg/l) et donc de ne pas permettre le développement d'organismes vivants autres que des bactéries sulfureuses de ne pas permettre l'oxydation et la décomposition des matières organiques et par conséquent, par l'étude de prélèvements dans les couches de sédiments, de renseigner sur les différentes végétations, climats, incendies, etc. qu'a connus la région. Ils ont par contre l'inconvénient d'accumuler du gaz carbonique dissout qui peut être libéré en grande quantité lors d'un tremblement de terre ou d'un glissement de terrain (éruption limnique), gaz qui en se répandant brutalement au ras du sol dans l'atmosphère environnante peut être responsable de la mort d'hommes ou d'animaux. Ce fut le cas du lac Nyos en 1986 qui fit près de 1 700 morts.

Diversité et Eutrophisation Les lacs oligotrophes sont caractérisés par : Forte diversité phytoplanctonique Les communautés benthiques : larves d’ éphéméroptères, trichoptères et Plécoptères ou perles petits bivalves Truites Les lac eutrophes sont caractérisés par : Larves de nématocères, chironomidés Vers Tubificinae, Carpe Dans les régions tempérés les lacs oligotrophes sont caractérisée par : caddisflies, and stoneflies midge larvae and turbificid worms Eutrophic like lac de Bourget

Caractéristiques des lacs en zone tempérée Paramètre Oligotrophique Eutrophique Production faible forte richesse haute Niveau de biomasse dans l’eau efflorescences algales rare fréquent Abondance de Cyanobactéries Distribution verticale des algues dans hypolimnion Seulement dans eau de surface Végétation dans zone littorale Peu ou abondant; végétation émergente et submerge abondant; plus d’algues filamenteuses et moins de macrophytes Migration des algues extensive limitée Caractéristiques des groupes algales Algues vertes: Desmids, Staurastrum Diatomées: Tabellaria, Cyclotella Algues dorées: Dinobryon Cyanobactéries: Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, Oscillatoria Diatomées: Melosira, Fragilaria, Stephanodiscus, Asterionella

Lac Oligotrophique Lac Eutrophique Température fraîche et concentration en oxygène élevée (Truite) Faible concentration en nutriments (N, P) Faible densité de phytoplancton et de plantes aquatiques Température chaude et faible teneur en oxygène favorisant les poissons tolérants Disponibilité des nutriments (N, P ). Fortes densités de phytoplancton et plantes aquatiques Forte biomasse d’invertébrés benthiques, dominée par des espèces tolérantes aux températures chaudes et oxygène faible Espèces d’invertébrés à forte exigence en oxygène sont dominantes dans la faune benthique Les berges pentues et la forte profondeur réduisent le réchauffement d’eau Faible profondeur qui réduit le volume total de l'eau et augmente le réchauffement en été

Lac Eutrophique (Bourget) Leuciscus cephalus Chondrostoma nasus Chondrostoma nasus (hotu) Leuciscus cephalus chevaine Stizostedion lucioperca : sandre (Europe centrale) Taille : 30/60 cm ; rare : 1,30 m Poids : jusqu'à 15 kgs. Ictalurus melas poisson chat (Amerique du Nord) La taille des individus dépasse rarement 30 à 40 cm. Poids : jusqu'à 1,5 kgs. Stizostedion lucioperca Ictalurus melas

La Communauté Autotrophe

Phytoplancton d’eau douce Cyanobactéries Cyanophyta or Myxophyceae Algues vertes Chlorophyta Xanthophycées Xanthophyceae Algues Dorées Chrysophyceae Diatomées Bacillariophyceae Cryptophycée Cryptomonadineae Dinoflagellées Dinophyceae Euglénoïdes Euglenophyceae Les algues vertes désignent un ensemble d'algues dont les pigments photosynthétiques principaux sont les chlorophylles a et b. Taille très diverse Les Xanthophyceae ou sont des algues unicellulaires colonial et filamenteuse. Elles des algues brunes, quoique de couleur vert-jaune, généralement d'eau douce, se déplaçant grâce à deux flagelles . Peusont planctoniques. Les chrysophycées (Chrysophyceae) sont des algues de couleur jaune doré que l'on rencontre généralement en eau douce Possède des carotenes et la plus part sont unicellulaires. Le cryptophycée sont peu représenté, sont unicellulaires et motiles. Peu etre abondant en conditions de peu luminaire pendant l’hiver. Les Euglénoïdes sont t principalement d’algues aquatiques unicellulaires. Les flagellés de ce groupe, qui comprend environ mille espèces, se trouvent couramment dans les eaux douces chargées de matières organiques

Mesures de la biomasse phytoplanctonique 1- Mesure directe par la technique des biovolumes Dénombrement (microscope), identification et mesure  conversion en C (µm3/µgC) 2- Dosage de la chlorophylle a par spectrophotométrie Filtration, extraction et dosage  conversion en C (µgC/µgChla) 3- Dosage des pigments par HPLC Filtration, extraction, chromatographie Ex: fucoxanthine (diatomées, chrysophycées), alloxanthine (Cryptophycées), chlorophylle b et lutéine (algues vertes), zéaxanthine (cyanobactéries) 4- Mesure de la production primaire: nCO2 + H2O  (CH2O)n + O2 Mesure du dégagement d’oxygène Mesure de l’assimilation en carbone: 14C radioactif

Matériels de collection Cet appareil est constitué d'une bouteille ambrée d'un litre, attachée à un harnais lesté. Un bouchon de caoutchouc, traversé par les tuyaux d'entrée et de sortie, ferme le goulot de la bouteille. Le tuyau d'entrée est attaché à un obturateur qui s'ouvre s'il est déclenché

Larves de lacs Oligotrophes éphéméroptère Plécoptères lDe gauche à droite Larves de éphéméroptère, trichoptères ou "caddis" nom commun était probablement dérivé d'une allusion à leur habitude générale à construire soit un filet ou des étuis. et Plécoptères o perles

Larves des lacs Eutrophes nématocères Tubifex Nématocères Culiciformes de la Famille des Chaoborines : Ces larves (et les nymphes) ont des éventails postérieurs natatoires... Nématocères Culiciformes de la Famille des Chironomides : Beaucoup de larves s'abritent dans des fourreaux mobiles ou des galeries creusées dans des plantes aquatiques; elles possèdent parfois un pigment sanguin hémoglobinique qui peut faciliter la respiration en période critique ("branchies sanguines") Les tubifex (Tubifex tubifex) sont de petits vers fins, rougeâtres, qui vivent en colonie sur le fond des mares, étangs, cours d'eau lents. Ils constituent des colonies très denses, en taches. En zone tempérée, ils peuvent littéralement tapisser certaines parties des fonds de cours d'eau pollués Chironomides

Lac Tanganyika (Tanzanie) 1 - Lacs tectoniques Lac Tanganyika (Tanzanie) Surperficie: 31500 km2 Profondeur: 1620 m Volume: 23000 km3 Lac Baïkal (Russie) Surperficie: 31900 km2 Profondeur: 1435 m Volume: 18900 km3

Cyanobactéries Bactéries (procaryotes) Photosynthèse Anabaena circinalis Bactéries (procaryotes) Photosynthèse Certaines peuvent fixer le diazote Associée l'eutrophisation des eaux Donnant un mauvais goût à l'eau (poissons) 40 spp. sécrètent des cyanotoxines qui sont généralement des neurotoxines (PSP) Certaines sont bénéfiques Spiruline (Arthrospira) Un procaryote (est un être vivant dont la structure cellulaire ne comporte pas de noyau ni d'autres organites. Le PSP est aussi produit par de dinoflagellés de la marée rouge l'Alexandrium tamarense

La formation de Biofilm dans lacs Eutrophisés In contrast to true algae, many species of planktonic cyanobacteria possess specialized intracellular gas vesicles. Stacks of these minute (<300 nm) proteinaceous hollow cylinders maintain a gas-filled space in the cell, which enables the organism to regulate its buoyancy and thus to actively seek water depths with optimal growth conditions.

Les cyanotoxines

Algues vertes Les pigments photosynthétiques principaux sont les chlorophylles a et b. Taille et formes très diversifié Pediastrum simplex Spyrogyra une Algue filamenteuse, Cladorpha une alge verte multicellulaire. Cormarium algue verte unicellulaire. Volvox une algue coloniale flagellé

Xanthophyceae Algues brunes Unicellulaires, coloniales et filamenteuses Se déplaçant grâce à deux flagelles Peu sont planctoniques. Tetraedriella Elles des algues brunes, quoique de couleur vert-jaune

Algues dorées couleur brun-jaune Elle possèdent deux flagelles la plupart vit en colonies (un individu mesure à peu près 50 micromètres) Formation des Kystes dans conditions défavorables Les Chrysophycées sont appelées aussi Algues dorées car elle sont de couleur brun-jaune. Elle possèdent deux flagelles et pour la plupart vivent en colonies (un individu mesure à peu près 50 micromètres). Les chrysophycées Possède des carotenes et la plus part sont unicellulaires Quand l'eau s'assèche ou gèle, elles survivent en se transformant en une forme résistante appelée kyste, ce qui leur permet d'attendre des conditions favorables.

Bacillariophyta Diatomées Sont des microalgues jaunes et brunes unicellulaires Les seuls organismes unicellulaires à posséder une structure externe siliceuse (taille de 2 μm à 1 mm) présentes dans tous les milieux aquatiques

Les cryptophycée unicellulaires et mobiles Rhodomonas salina unicellulaires et mobiles Deux flagelles de longueur différente taille 10-50 μm Peu représentées dans l’eau douce Le cryptophycée sont peu représenté, sont unicellulaires et motiles. Peu etre abondant en conditions de peu luminaire pendant l’hiver.

Dinoflagellés Pyrodimium bahamense Pfesteria Deux flagelles perpendiculaires dont le mouvement produit un tourbillon Membrane cellulosique rigide Les dynophycées vivent pour la plupart isolée. Ils possèdent deux flagelles perpendiculaires dont le mouvement produit un tourbillon. chaque espèce a une forme caractéristique renforcée par une membrane cellulosique rigide, formée de plaques polygonales réunies par des sutures. Exemples : Ceratium hirundinella. Pfiesteria, called "the cell from hell, a predatory alga first seen in the estuaries of North Carolina that has caused the death of tens of thousands of fish there. ) secrete a toxin that stuns the fish, then they attach the fish, which form lesions:

Les Euglénoïdes Unicellulaires Mobiles existe environ 1000 espèces eaux chargées de matières organiques Les Euglénoïdes sont t principalement d’algues aquatiques unicellulaires. Les flagellés de ce groupe, qui comprend environ mille espèces, se trouvent couramment dans les eaux douces chargées de matières organiques  Euglenophyta: petit embranchement de la famille des protistes, composé principalement d'algues aquatiques unicellulaires. Certains euglénoïdes contiennent des chloroplastes avec des pigments photosynthétiques; d'autres sont hétérotrophes et peuvent ingérer ou absorber leur nourriture. La reproduction se produit par division cellulaire longitudinale. La plupart vit dans l'eau douce. Le genre le plus caractéristique est l'Euglena, courant dans les étangs et les piscines, spécialement lorsque l'eau a été polluée par écoulement depuis des champs ou des pelouses sur lesquels des engrais ont été utilisés. Il existe environ 1000 espèces d'euglénoïdes

2 - Lacs volcaniques Superficie: 44 ha Diamètre: 800m Profondeur: 92m Altitude: 1197m Lac Pavin (Auvergne)

Lacs de Rila en Bulgarie 3 - Lacs glaciaires Lacs de Rila en Bulgarie

4 - Lacs fluviaux ex: lac Saint Pierre sur le Saint Laurent (Québec)