Dans un contexte général de dégradation de nombreux écosystèmes aquatiques, les travaux de ma thèse se sont intéressés à la problématique des proliférations de cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques qui peuvent former des biofilms épais sur le fond de certaines rivières. Alors que les proliférations de cyanobactéries planctoniques ont fait l’objet de nombreuses études, notamment en raison de leurs effets néfastes sur les écosystèmes et des limitations de leurs usages qu’elles provoquent, seul un nombre très restreint de travaux s’est intéressé aux proliférations de cyanobactéries benthiques. Partant de ce constat, les données acquises au cours de cette thèse se sont inscrits à la fois dans une démarche fondamentale d’acquisition de connaissances sur la composition microbienne et l’écologie des biofilms périphytiques, avec un regard particulier sur les proliférations de cyanobactéries benthiques en rivières, et dans une démarche plus appliquée sur les stratégies et outils pour la surveillance des biofilms à cyanobactéries dans les rivières afin de répondre à une demande des Agences de l’Eau et des gestionnaires de milieux aquatiques. Ces travaux ont reposé sur des prélèvements de biofilms dans deux rivières françaises, le Tarn et la Loue, et dans neuf rivières néo-zélandaises. Les communautés microbiennes au sein des biofilms ont été caractérisées par des approches de séquençage à haut débit ciblant un fragment du gène de la petite sous-unité de l’ARN ribosomal 16S et 18S. Des données environnementales permettant de décrire le contexte dans lequel les biofilms se sont développés ont été également acquises. Les résultats principaux permettant une amélioration des connaissances sur les communautés microbiennes et l’écologie des biofilms de rivières se rapportent à la mise en évidence (i) de l’importance fondamentale de certains facteurs comme la température de l’eau sur les variations temporelles de l’ensemble des communautés périphytiques et de la nécessité de prendre en compte les contextes hydrologique et géologique des stations de prélèvements pour comprendre ces variations, (ii) par l’analyse des corrélations entre les OTU dominantes des communautés phototrophes et hétérotrophes, d’interactions positives entre certaines de ces OTU, par exemple dans le cadre du recyclage de la matière organique ou d’interactions négatives, par exemple dans le cas des compétitions pour l’accès à la lumière entre bactéries et micro-algues phototrophes et (iii) d’une structuration géographique des communautés bactériennes associées aux biofilms à cyanobactéries qui semble plus s’expliquer par le contexte environnemental local des biofilms que par leur éloignement par la distance. Concernant les données acquises lors de cette thèse pour améliorer la surveillance et la gestion des risques liés aux proliférations de cyanobactéries benthiques, nos travaux ont permis de montrer les limites d’un nouvel outil (sonde spectrofluorimétrique) pour la détection et la quantification des cyanobactéries benthiques et de proposer des stratégies d’échantillonnage pour évaluer l’importance des biofilms à cyanobactéries en rivières. Finalement, nos résultats suggèrent que la prévention des risques liés aux cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques devrait essentiellement reposer sur l’information des usagers. / In a general context of aquatic ecosystems degradation, my thesis focuses on the issue of potentially toxic benthic cyanobacterial proliferations that can form thick biofilms fixed on the riverbed of certain rivers. While planktonic cyanobacterial blooms have been the subject of numerous studies, mainly due to their detrimental effects on the ecosystems, only a limited number of works have focused on benthic cyanobacteria. Therefore, the thesis involves a fundamental approach for knowledge acquisition on biofilms biodiversity and ecology, with an interest on benthic cyanobacterial proliferations, and an applied approach concerning strategies and tools for their monitoring on rivers in order to meet a request from water agencies and aquatic environmental managers.The main results of the thesis highlight (i) the importance of the hydrogeological context of sampling stations and water temperature on the temporal variations of periphytic communities, (ii) by OTU correlation analysis, positive interactions on the framework of organic matter recycling, and negative interactions in the case of light access competition, and (iii) a geographical structure of cyanobacterial-associated bacterial communities that seems to be mostly explained by local environmental context rather than distance. Concerning surveillance, we showed the limitations of a new spectrofluorometric tool for the quantification of benthic cyanobacteria and we propose sampling strategies to evaluate the importance of cyanobacterial biofilms in rivers.

Geruchsstoffe in Trinkwassergewinnungsanlagen stellen ein weltweit auftretendes Problem dar und führen in der Regel zu einer Kostenintensivierung bei der Aufbereitung des Rohwassers. Die den erdig-muffigen Geschmack des Wassers verursachenden, hauptsächlichsten Substanzen Geosmin und 2-Methylisoborneol (2-MIB) sind schon in einem Konzentrationsbereich von 1-10 ng/L wahrnehmbar. Da das Trinkwasser Geruchs- und Geschmacksneutral sein soll, müssen im Zuge der Rohwasseraufbereitung die Geruchsstoffe entfernt werden. Geruchsstoffe können durch verschiedene Mikroorganismen wie Cyanobakterien, Aktinomyceten, Streptomyceten oder auch Algen gebildet werden. Das Ziel dieser Arbeit stellte daher die Identifikation von cyanobakteriellen Geruchsstoffbildnern in den drei sächsischen Trinkwassertalsperren Klingenberg, Cranzahl und Saidenbach dar. Das Hauptaugenmerk lag auf der Charakterisierung der vorkommenden benthischen Cyanobakterien. Neben deren Abhängigkeit von der Trophie des Gewässers sollte das Artenspektrum der benthischen Cyanobakterien untersucht werden sowie eine Identifikation erfolgen, welche Geruchsstoffe sie synthetisieren bzw. freisetzen. Dazu erfolgte die Gewinnung von Isolaten benthischer Cyanobakterien anhand von Proben, die aus den Talsperren entnommen wurden. Die anschließende Charakterisierung der Isolate wurde sowohl auf morphologischer als auch auf molekularbiologischer Ebene durch die partielle Sequenzierung der rbcL- und geoA-Gene durchgeführt. Ein weiteres Ziel bestand darin, die Fähigkeit zur Bildung von Geosmin und 2-MIB nachzuweisen. Dazu sollten ausgewählte Isolate, zur Abschätzung des Geruchsstoff-Bildungspotentials der Cyanobakterien in der Talsperre, unter verschiedenen Laborbedingungen kultiviert und auf die Bildung und Freisetzung von Geruchsstoffen hin untersucht sowie der Einfluss der Beleuchtung durch verschiedene Lichtfarben bzw. Spektren und des Mediums bestimmt werden. Zusätzliche Fragestellungen stellten die Identifikation spezifischer Gene sowie die Entwicklung eines geeigneten Primersystems und gegebenenfalls der Nachweis einer Korrelation zur Geruchsstoffbildung dar. Anhand der Klima- und der physikalischen Daten sollten mögliche Einflussgrößen auf die Geruchsstoffproduktion durch benthische Cyanobakterien aufgezeigt werden. Durch regelmäßige Probenahmen wie auch Kamerabefahrungen in Zusammenarbeit mit der Landestalsperrenverwaltung Sachsen wurde die Entwicklung des von Cyanobakterien dominierten Phytobenthos in drei Talsperren verfolgt und dokumentiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass dieses durch Vertreter der Gattungen Oscillatoria und Phormidium dominiert wurde. Im Verlauf der Untersuchungen konnten mehrere Massenentwicklungen von Cyanobakterien verfolgt werden. Die Abnahme des Staupegels ist in Verbindung mit der Sonneneinstrahlung die möglicherweise wichtigste Stellgröße für eine Massenentwicklung benthischer Cyanobakterien und einem damit verbundenen Anstieg des Geruchsstoff-Gehalts im Roh- bzw. Oberflächenwasser. Die Analyse der Entwicklung der Cyanobakterien unter natürlichen Bedingungen stellt aufgrund der großen Varianz der Einfluss nehmenden Parameter eine sehr komplexe Aufgabe dar. Daher wurden zur umfangreicheren Analyse der Herkunft der Geruchsstoffe Cyanobakterien isoliert. Dadurch wurde es möglich, das Geruchsstoff-Bildungspotential näher zu charakterisieren. Die erhaltenen Isolate wurden durch morphologische Merkmale bestimmt und molekularbiologisch durch partielle Sequenzierung des rbcL-Gens klassifiziert. Weiterhin erfolgte der analytische Nachweis von Geruchsstoffen in der Biomasse der Cyanobakterien sowie im Kultivierungsmedium. Der Nachweis von Geosmin in der Biomasse konnte hoch signifikant mit dem PCR-Nachweis von geoA korreliert werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Besitz von geoA zu einer deutlich stärkeren Bildung und Freisetzung des Geruchsstoffs führt. Für das unter natürlichen Bedingungen ebenfalls auftretende 2-MIB konnten dagegen keine gesicherten cyanobakteriellen Produzenten identifiziert werden. 2003 wurde die Funktionalität des Gens cyc2 in Streptomyceten durch Gust et al. beschrieben. Auf dieser Grundlage konnte ein degeneriertes Primersystem zum Nachweis eines Stoffwechselgens (geoA) bei Cyanobakterien entwickelt werden. Die Biomasse des Isolats Phormidium sp. P2r aus der Talsperre Saidenbach enthielt einerseits in besonders großen Mengen intrazelluläres Geosmin. Andererseits konnten aber auch im Kultivierungsmedium hohe Geosminkonzentrationen ermittelt werden. Durch die Anwendung des etablierten Primersystems konnte mit der isolierten, genomischen DNA dieses Cyanobakteriums ein Amplifikat erhalten und sequenziert werden. Durch die Anwendung weiterer Protokolle, wie beispielsweise degenerierte Primersysteme oder des Vectorette-Ansatzes konnte der bekannte Sequenzbereich deutlich vergrößert werden. Dabei stellte es sich heraus, dass Phormidium sp. P2r zwei sehr ähnliche Gene (geoA1 und geoA2) besitzt, die vermutlich koreguliert werden. Die mRNA-Expressionsuntersuchungen bestätigten die Expression beider Gene bei Licht und einer Temperatur im Bereich von 10 - 20 °C. Nach einer 24stündigen Dunkelphase konnte die Bildung der geoA-mRNA hingegen nicht mehr nachgewiesen werden, was die Vermutung bestätigt, dass die Aktivität der Gene reguliert und nicht konstitutiv ist. Eine Verbindung der Synthese von Geosmin zur Photosysnthese ist aber dennoch fraglich. Die molekularbiologische Bestimmung der Diversität von geoA in Proben des Phytobenthos aus der Talsperre Klingenberg offenbarte eine große Vielfalt unterschiedlicher Sequenzen. Dies könnte auf vielfältigste Geosmin produzierende Mikroorganismen hinweisen. Das Geruchsstoff-Bildungspotential der isolierten und charakterisierten Cyanobakterien wurde unter verschiedenen Testbedingungen ermittelt. Dabei wurde vor allem der Einfluss unterschiedlicher Nährstoffkonzentrationen sowie Lichtfarben einschließlich UV-Strahlung untersucht. Es hat sich gezeigt, dass alle getesteten Stämme zur Geosmin-Freisetzung befähigt waren und sich das Freisetzungsniveau massiv in Abhängigkeit des Besitzes von geoA unterschied. Bei grünem Licht, welches auch in den untersuchten Talsperren den dominierenden Spektralanteil im Wasserkörper darstellt, wurde neben dem Tageslicht das beste Wachstum benthischer Cyanobakterien ermittelt. Letztendlich konnte durch die Laborexperimente eine variable Geosminbildung sowie ein unterschiedlicher Einfluss der Testbedingungen festgestellt werden. In der Talsperre Klingenberg konnte im Juni 2007 ein Gehalt von bis zu mehr als 70 ng Geosmin/L Oberflächenwasser bei einer Geruchsschwellenkonzentration von 1 ng/L (Young et al., 1996) ermittelt werden. Die Herkunft dieses Geruchsstoffs kann mit den Ergebnissen dieser Arbeit eindeutig den benthischen Cyanobakterien zugeordnet werden. Von besonderer Bedeutung war die Feststellung, dass der Besitz von geoA unter den benthischen Cyanobakterien der drei untersuchten Talsperren mit etwa 33 % der unterschiedlichen rbcL-Genotypen nicht weit verbreitet war. Die Rolle der anderen Cyanobakterien darf jedoch nicht unterschätzt werden, da z. B. hohe Geruchsstoff-Konzentrationen in der Talsperre Klingenberg bei einer deutlichen Dominanz von Oscillatoria sp. zustande kamen, aber alle als Oscillatoria klassifizierten Isolate geoA negativ waren. Eine Vorhersage der Entwicklung benthischer Cyanobakterien in den Talsperren kann auch mit den Ergebnissen dieser Arbeit nicht getroffen werden. Dazu ist die Reaktion der Cyanobakterien auf unterschiedliche Umweltfaktoren wie diese bei der Geruchsstoff-Bildung getestet wurden zu mannigfaltig. Wenn Cyanobakterien im Phytobenthos der Talsperren nachweisbar sind, könnte eine Prognose zur weiteren Entwicklung unter Berücksichtigung der zu erwartenden Veränderungen der Rahmenbedingungen, wie vor allem des Staupegels gegeben werden. Zur Ausbildung stabiler Cyanobakterien-Matten wie diese in der Talsperre Cranzahl 2007 vorhanden waren, ist sicherlich eine längerfristige Stabilität verschiedener und bislang noch unbekannter Rahmenbedingungen nötig. Obwohl die Dominanz der Cyanobakterien bei der Bildung von Geruchsstoffen im Phytobenthos in ähnlichen Habitaten auf Grund dieser Untersuchungen nicht mehr in Frage gestellt werden wird, ist dennoch die Möglichkeit gegeben, dass möglicherweise unter anderen Voraussetzungen und Bedingungen auch andere, nicht näher untersuchte Mikroorganismengruppen wie Aktinomyceten intensiv Geruchsstoffe in Talsperren bilden könnten.

Geruchsstoffe in Trinkwassergewinnungsanlagen stellen ein weltweit auftretendes Problem dar und führen in der Regel zu einer Kostenintensivierung bei der Aufbereitung des Rohwassers. Die den erdig-muffigen Geschmack des Wassers verursachenden, hauptsächlichsten Substanzen Geosmin und 2-Methylisoborneol (2-MIB) sind schon in einem Konzentrationsbereich von 1-10 ng/L wahrnehmbar. Da das Trinkwasser Geruchs- und Geschmacksneutral sein soll, müssen im Zuge der Rohwasseraufbereitung die Geruchsstoffe entfernt werden. Geruchsstoffe können durch verschiedene Mikroorganismen wie Cyanobakterien, Aktinomyceten, Streptomyceten oder auch Algen gebildet werden. Das Ziel dieser Arbeit stellte daher die Identifikation von cyanobakteriellen Geruchsstoffbildnern in den drei sächsischen Trinkwassertalsperren Klingenberg, Cranzahl und Saidenbach dar. Das Hauptaugenmerk lag auf der Charakterisierung der vorkommenden benthischen Cyanobakterien. Neben deren Abhängigkeit von der Trophie des Gewässers sollte das Artenspektrum der benthischen Cyanobakterien untersucht werden sowie eine Identifikation erfolgen, welche Geruchsstoffe sie synthetisieren bzw. freisetzen. Dazu erfolgte die Gewinnung von Isolaten benthischer Cyanobakterien anhand von Proben, die aus den Talsperren entnommen wurden. Die anschließende Charakterisierung der Isolate wurde sowohl auf morphologischer als auch auf molekularbiologischer Ebene durch die partielle Sequenzierung der rbcL- und geoA-Gene durchgeführt. Ein weiteres Ziel bestand darin, die Fähigkeit zur Bildung von Geosmin und 2-MIB nachzuweisen. Dazu sollten ausgewählte Isolate, zur Abschätzung des Geruchsstoff-Bildungspotentials der Cyanobakterien in der Talsperre, unter verschiedenen Laborbedingungen kultiviert und auf die Bildung und Freisetzung von Geruchsstoffen hin untersucht sowie der Einfluss der Beleuchtung durch verschiedene Lichtfarben bzw. Spektren und des Mediums bestimmt werden. Zusätzliche Fragestellungen stellten die Identifikation spezifischer Gene sowie die Entwicklung eines geeigneten Primersystems und gegebenenfalls der Nachweis einer Korrelation zur Geruchsstoffbildung dar. Anhand der Klima- und der physikalischen Daten sollten mögliche Einflussgrößen auf die Geruchsstoffproduktion durch benthische Cyanobakterien aufgezeigt werden. Durch regelmäßige Probenahmen wie auch Kamerabefahrungen in Zusammenarbeit mit der Landestalsperrenverwaltung Sachsen wurde die Entwicklung des von Cyanobakterien dominierten Phytobenthos in drei Talsperren verfolgt und dokumentiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass dieses durch Vertreter der Gattungen Oscillatoria und Phormidium dominiert wurde. Im Verlauf der Untersuchungen konnten mehrere Massenentwicklungen von Cyanobakterien verfolgt werden. Die Abnahme des Staupegels ist in Verbindung mit der Sonneneinstrahlung die möglicherweise wichtigste Stellgröße für eine Massenentwicklung benthischer Cyanobakterien und einem damit verbundenen Anstieg des Geruchsstoff-Gehalts im Roh- bzw. Oberflächenwasser. Die Analyse der Entwicklung der Cyanobakterien unter natürlichen Bedingungen stellt aufgrund der großen Varianz der Einfluss nehmenden Parameter eine sehr komplexe Aufgabe dar. Daher wurden zur umfangreicheren Analyse der Herkunft der Geruchsstoffe Cyanobakterien isoliert. Dadurch wurde es möglich, das Geruchsstoff-Bildungspotential näher zu charakterisieren. Die erhaltenen Isolate wurden durch morphologische Merkmale bestimmt und molekularbiologisch durch partielle Sequenzierung des rbcL-Gens klassifiziert. Weiterhin erfolgte der analytische Nachweis von Geruchsstoffen in der Biomasse der Cyanobakterien sowie im Kultivierungsmedium. Der Nachweis von Geosmin in der Biomasse konnte hoch signifikant mit dem PCR-Nachweis von geoA korreliert werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Besitz von geoA zu einer deutlich stärkeren Bildung und Freisetzung des Geruchsstoffs führt. Für das unter natürlichen Bedingungen ebenfalls auftretende 2-MIB konnten dagegen keine gesicherten cyanobakteriellen Produzenten identifiziert werden. 2003 wurde die Funktionalität des Gens cyc2 in Streptomyceten durch Gust et al. beschrieben. Auf dieser Grundlage konnte ein degeneriertes Primersystem zum Nachweis eines Stoffwechselgens (geoA) bei Cyanobakterien entwickelt werden. Die Biomasse des Isolats Phormidium sp. P2r aus der Talsperre Saidenbach enthielt einerseits in besonders großen Mengen intrazelluläres Geosmin. Andererseits konnten aber auch im Kultivierungsmedium hohe Geosminkonzentrationen ermittelt werden. Durch die Anwendung des etablierten Primersystems konnte mit der isolierten, genomischen DNA dieses Cyanobakteriums ein Amplifikat erhalten und sequenziert werden. Durch die Anwendung weiterer Protokolle, wie beispielsweise degenerierte Primersysteme oder des Vectorette-Ansatzes konnte der bekannte Sequenzbereich deutlich vergrößert werden. Dabei stellte es sich heraus, dass Phormidium sp. P2r zwei sehr ähnliche Gene (geoA1 und geoA2) besitzt, die vermutlich koreguliert werden. Die mRNA-Expressionsuntersuchungen bestätigten die Expression beider Gene bei Licht und einer Temperatur im Bereich von 10 - 20 °C. Nach einer 24stündigen Dunkelphase konnte die Bildung der geoA-mRNA hingegen nicht mehr nachgewiesen werden, was die Vermutung bestätigt, dass die Aktivität der Gene reguliert und nicht konstitutiv ist. Eine Verbindung der Synthese von Geosmin zur Photosysnthese ist aber dennoch fraglich. Die molekularbiologische Bestimmung der Diversität von geoA in Proben des Phytobenthos aus der Talsperre Klingenberg offenbarte eine große Vielfalt unterschiedlicher Sequenzen. Dies könnte auf vielfältigste Geosmin produzierende Mikroorganismen hinweisen. Das Geruchsstoff-Bildungspotential der isolierten und charakterisierten Cyanobakterien wurde unter verschiedenen Testbedingungen ermittelt. Dabei wurde vor allem der Einfluss unterschiedlicher Nährstoffkonzentrationen sowie Lichtfarben einschließlich UV-Strahlung untersucht. Es hat sich gezeigt, dass alle getesteten Stämme zur Geosmin-Freisetzung befähigt waren und sich das Freisetzungsniveau massiv in Abhängigkeit des Besitzes von geoA unterschied. Bei grünem Licht, welches auch in den untersuchten Talsperren den dominierenden Spektralanteil im Wasserkörper darstellt, wurde neben dem Tageslicht das beste Wachstum benthischer Cyanobakterien ermittelt. Letztendlich konnte durch die Laborexperimente eine variable Geosminbildung sowie ein unterschiedlicher Einfluss der Testbedingungen festgestellt werden. In der Talsperre Klingenberg konnte im Juni 2007 ein Gehalt von bis zu mehr als 70 ng Geosmin/L Oberflächenwasser bei einer Geruchsschwellenkonzentration von 1 ng/L (Young et al., 1996) ermittelt werden. Die Herkunft dieses Geruchsstoffs kann mit den Ergebnissen dieser Arbeit eindeutig den benthischen Cyanobakterien zugeordnet werden. Von besonderer Bedeutung war die Feststellung, dass der Besitz von geoA unter den benthischen Cyanobakterien der drei untersuchten Talsperren mit etwa 33 % der unterschiedlichen rbcL-Genotypen nicht weit verbreitet war. Die Rolle der anderen Cyanobakterien darf jedoch nicht unterschätzt werden, da z. B. hohe Geruchsstoff-Konzentrationen in der Talsperre Klingenberg bei einer deutlichen Dominanz von Oscillatoria sp. zustande kamen, aber alle als Oscillatoria klassifizierten Isolate geoA negativ waren. Eine Vorhersage der Entwicklung benthischer Cyanobakterien in den Talsperren kann auch mit den Ergebnissen dieser Arbeit nicht getroffen werden. Dazu ist die Reaktion der Cyanobakterien auf unterschiedliche Umweltfaktoren wie diese bei der Geruchsstoff-Bildung getestet wurden zu mannigfaltig. Wenn Cyanobakterien im Phytobenthos der Talsperren nachweisbar sind, könnte eine Prognose zur weiteren Entwicklung unter Berücksichtigung der zu erwartenden Veränderungen der Rahmenbedingungen, wie vor allem des Staupegels gegeben werden. Zur Ausbildung stabiler Cyanobakterien-Matten wie diese in der Talsperre Cranzahl 2007 vorhanden waren, ist sicherlich eine längerfristige Stabilität verschiedener und bislang noch unbekannter Rahmenbedingungen nötig. Obwohl die Dominanz der Cyanobakterien bei der Bildung von Geruchsstoffen im Phytobenthos in ähnlichen Habitaten auf Grund dieser Untersuchungen nicht mehr in Frage gestellt werden wird, ist dennoch die Möglichkeit gegeben, dass möglicherweise unter anderen Voraussetzungen und Bedingungen auch andere, nicht näher untersuchte Mikroorganismengruppen wie Aktinomyceten intensiv Geruchsstoffe in Talsperren bilden könnten.