Les proliférations de cyanobactéries nocives dans les écosystèmes d’eau douce font l’objet d’une préoccupation grandissante dans la population et dans le milieu scientifique. Une meilleure compréhension des facteurs qui contrôlent ces proliférations est essentielle pour en améliorer leur prédiction et leur gestion. L’objectif général de cette thèse est de comprendre les changements dans la structure de la communauté cyanobactérienne d’un réservoir d’eau douce. Le réservoir du lac Saint-Charles constitue une importante source d'eau potable pour la ville de Québec (Canada) et le signalement d’efflorescences de cyanobactéries y est de plus en plus fréquent depuis l’automne 2006. La collecte de données physiques, chimiques et biologiques pendant 5 années consécutives (2007-2011) a tout d’abord permis d’identifier l’état mésotrophique du lac et de mettre en évidence les importantes variations interannuelles des variables limnologiques, fournissant des conditions intermittentes favorables à la dominance des cyanobactéries. De larges variations spatiales – sur un gradient nord/sud – mais aussi interannuelles ont été révélées, à la fois en terme de concentrations observées et d’espèces dominantes (Microcystis aeruginosa, Anabaena flos-aquae et Aphanocapsa/Aphanothece sp.). Ces résultats ont souligné l’existence de contrôles environnementaux contrastés (phosphore, température, stabilité de la stratification) agissant sur les différents taxons de cyanobactéries et la forte sensibilité aux changements environnementaux des réservoirs à écoulement rapide tels que le lac Saint-Charles. L'analyse détaillée des sédiments du lac indique le faible potentiel d’inoculum sous forme de cellules en dormance. Cette observation contraste avec le cas de nombreux lacs touchés par les efflorescences de cyanobactéries et indique le potentiel d’une réponse rapide au contrôle de l’apport en sels nutritifs provenant du bassin versant. L’ensemble de ces recherches a permis de mettre en évidence la nature hautement dynamique des réservoirs d’eau douce, leur sensibilité à l’eutrophisation malgré un court temps de résidence, et la nécessité d'une surveillance continue afin de détecter au mieux l'apparition des taxons responsables pour les proliférations de cyanobactéries / The occurrence of harmful blooms of cyanobacteria in freshwater ecosystems is subject to growing public as well as scientific concern. An improved understanding of the factors controlling the proliferation of bloom-forming taxa is an essential requirement for the adequate prediction and management of this water quality problem. The overall objective of this thesis was to understand the cyanobacterial community dynamics of a north-temperate reservoir. The Lake St. Charles reservoir is a major source of drinking water for Quebec City, Canada, and cyanobacterial blooms have appeared episodically in the lake since autumn 2006. Physical, chemical and biological variables were measured over 5 consecutive summers (2007-2011). This confirmed the mesotrophic status of the lake, and underscored the large interannual variation in limnological conditions that provided intermittently favorable conditions for cyanobacterial growth and dominance. There were pronounced variations in cyanobacterial community biomass and structure among the 5 years, including in the dominant species (Microcystis aeruginosa, Anabaena flos-aquae and Aphanocapsa/ Aphanothece sp.). In addition, large differences in community biomass and composition were observed spatially, with significantly higher cyanobacterial concentrations in the north relative to south. These results indicated that there were contrasting environmental controls (phosphorus, temperature, stability of the stratification) acting on the different taxa of cyanobacteria. This large spatial and temporal variability also reflects the dynamic nature of high through-flow reservoirs such as Lake St. Charles. In situ sediment mapping implied that benthic resting cells, if present, were mostly below detection at all sites. This low potential to inoculate the water column from sediments contrasts with many lakes affected by cyanobacteria blooms and indicates the potential for a rapid response to nutrient loading control in the Lake St. Charles watershed. This research has highlighted the markedly dynamic nature of freshwater reservoirs, their potential sensitivity to eutrophication despite a short hydraulic residence time, and the need for continuous monitoring in order to detect the appearance of bloom-forming cyanobacteria.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2004-2005 / Traditionnellement, les études portant sur les lacs sont basées sur des données obtenues à une fréquence mensuelle ou bimensuelle en assumant une certaine homogénéité des caractéristiques limnologiques dans le temps. Cependant, certaines études ont montré qu’à l’échelle de quelques jours, des changements importants peuvent survenir dans un lac. L’un des objectifs du mémoire était donc d’évaluer la dynamique à court terme d’un lac de dimension modeste avec une fréquence d’échantillonnage élevée (2 fois par semaine) combiné à des données obtenues en continu. À cette fin, le lac Saint-Augustin, un lac eutrophe de 0,5 km² et d’une profondeur moyenne de 3 m situé sur le territoire de la ville de Québec, a été sélectionné. Les résultats indiquent que les conditions météorologiques 24h à 48h précédant l’échantillonnage ont un grand impact sur la stabilité thermique de la colonne d’eau et que celle-ci, à son tour, provoque des effets sur plusieurs paramètres. Un deuxième volet du mémoire avait comme objectif de déterminer la cause de la floraison de cyanobactérie qui est survenue au cours de l’été 2002. Les floraisons de cyanobactéries sont un des symptômes les plus dramatiques de l’eutrophisation des lacs. Les résultats indiquent que les conditions météorologiques affectent en très peu de temps (24h) la stabilité thermique du lac et que la présence d’une séquence de conditions de mélange suivie d’une période de stratification a été vraisemblablement la cause de la floraison de l’été 2002, alors que l’absence de cette séquence à l’été 2003 a résulté en une absence de floraison. Cette étude souligne l’importance à accorder aux stratégies d’échantillonnage pour tenir compte de la dynamique à court terme et ainsi obtenir un portrait plus juste d’un lac. Elle montre aussi qu’avec le réchauffement climatique et l’augmentation de la fréquence de périodes de stratification dans les lacs qui lui est potentiellement associé, il est à anticiper que les épisodes de floraisons de cyanobactéries seront plus fréquents. Ceci est particulièrement vrai pour les lacs eutrophes, déjà prédisposés aux floraisons de cyanobactéries, ce qui plaide en faveur du contrôle de l’eutrophisation des lacs dès maintenant. / Traditionally lake studies use data obtained biweekly or monthly assuming a certain homogeneity of parameters in time. However several studies have showed that at daily scale major changes can occur. One of the main goal of this thesis was to evaluate short-term dynamics in a small lake with a high sampling frequency (twice a week) in combination with continuous data. Saint-Augustin lake, a eutrophic lake of 0,5 km2 and 3 m mean depth, has been chosen. Results show that the weather conditions 24h to 48h prior to the sampling date had great impact on the water column thermal stability that in turn affects several limnological parameters. A second aspect of the thesis was to understand the causes underlying the cyanobacterial blooms that occurred in summer 2002. Cyanobacterial blooms are one of the most striking symptoms of eutrophied lakes. Results show that weather conditions alter very quickly (24h) the thermal stability of the water column. It appears that mixing conditions immediately followed by thermal stratification are likely to be responsible for the summer 2002 blooms, and the absence of this chain of events in summer 2003 is linked with the absence of cyanobacterial bloom that year. This study stresses the importance in choosing the correct sampling strategies in order to take into account the short term dynamics and thus getting a better picture of the lake. It also shows that with global warming and enhancement of period of thermal stratification that is likely to follow, cyanobacterial blooms should be more frequent. This is particularly true for eutrophic lakes already sensitive to blooms. To limit the impact of global warming on lakes, a better control of eutrophication is needed.

Les cyanobactéries ont une place très importante dans les écosystèmes aquatiques et un nombre important d’espèces considéré comme nuisible de par leur production de métabolites toxiques. Ces cyanotoxines possèdent des propriétés très variées et ont souvent été associées à des épisodes d’empoisonnement. L’augmentation des épisodes d’efflorescence d’origine cyanobactériennes et le potentiel qu’ils augmentent avec les changements climatiques a renchéri l’intérêt de l’étude des cyanobactéries et de leurs toxines. Considérant la complexité chimique des cyanotoxines, le développement de méthodes de détection simples, sensibles et rapides est toujours considéré comme étant un défi analytique. Considérant ces défis, le développement de nouvelles approches analytiques pour la détection de cyanotoxines dans l’eau et les poissons ayant été contaminés par des efflorescences cyanobactériennes nuisibles a été proposé. Une première approche consiste en l’utilisation d’une extraction sur phase solide en ligne couplée à une chromatographie liquide et à une détection en spectrométrie de masse en tandem (SPE-LC-MS/MS) permettant l’analyse de six analogues de microcystines (MC), de l’anatoxine (ANA-a) et de la cylindrospermopsine (CYN). La méthode permet une analyse simple et rapide et ainsi que la séparation chromatographique d’ANA-a et de son interférence isobare, la phénylalanine. Les limites de détection obtenues se trouvaient entre 0,01 et 0,02 μg L-1 et des concentrations retrouvées dans des eaux de lacs du Québec se trouvaient entre 0,024 et 36 μg L-1. Une deuxième méthode a permis l’analyse du b-N-méthylamino-L-alanine (BMAA), d’ANA-a, de CYN et de la saxitoxine (STX) dans les eaux de lac contaminés. L’analyse de deux isomères de conformation du BMAA a été effectuée afin d’améliorer la sélectivité de la détection. L’utilisation d’une SPE manuelle permet la purification et préconcentration des échantillons et une dérivatisation à base de chlorure de dansyle permet une chromatographie simplifiée. L’analyse effectuée par LC couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et des limites de détections ont été obtenues entre 0,007 et 0,01 µg L-1. Des échantillons réels ont été analysés avec des concentrations entre 0,01 et 0,3 µg L-1 permettant ainsi la confirmation de la présence du BMAA dans les efflorescences de cyanobactéries au Québec. Un deuxième volet du projet consiste en l’utilisation d’une technologie d’introduction d’échantillon permettant des analyses ultra-rapides (< 15 secondes/échantillons) sans étape chromatographique, la désorption thermique à diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) et à la spectrométrie de masse (MS). Un premier projet consiste en l’analyse des MC totales par l’intermédiaire d’une oxydation de Lemieux permettant un bris de la molécule et obtenant une fraction commune aux multiples congénères existants des MC. Cette fraction, le MMPB, est analysée, après une extraction liquide-liquide, par LDTD-APCI-MS/MS. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et des concentrations entre 1 et 425 µg L-1 ont été trouvées dans des échantillons d’eau de lac contaminés du Québec. De plus, une analyse en parallèle avec des étalons pour divers congénères des MC a permis de suggérer la possible présence de congénères ou d’isomères non détectés. Un deuxième projet consiste en l’analyse directe d’ANA-a par LDTD-APCI-HRMS pour résoudre son interférence isobare, la phénylalanine, grâce à la détection à haute résolution. La LDTD n’offre pas de séparation chromatographique et l’utilisation de la HRMS permet de distinguer les signaux d’ANA-a de ceux de la phénylalanine. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et la méthode a été appliquée sur des échantillons réels d’eau avec un échantillon positif en ANA-a avec une concentration de 0,21 µg L-1. Finalement, à l’aide de la LDTD-APCI-HRMS, l’analyse des MC totales a été adaptée pour la chair de poisson afin de déterminer la fraction libre et liée des MC et comparer les résultats avec des analyses conventionnelles. L’utilisation d’une digestion par hydroxyde de sodium précédant l’oxydation de Lemieux suivi d’une purification par SPE a permis d’obtenir une limite de détection de 2,7 µg kg-1. Des échantillons de poissons contaminés ont été analysés, on a retrouvé des concentrations en MC totales de 2,9 et 13,2 µg kg-1 comparativement aux analyses usuelles qui avaient démontré un seul échantillon positif à 2 µg kg-1, indiquant la possible présence de MC non détectés en utilisant les méthodes conventionnelles. / Cyanobacteria have a very important place in aquatic ecosystems and a significant number of species are considered harmful given their production of toxic metabolites. These cyanotoxins have various chemical proprieties and have often been associated with poisoning episodes. The frequency of cyanobacterial blooms is increasing and the study of cyanobacteria and their toxins is of increasing interest, especially considering the potential increase associated with climate changes. Given the chemical complexity of the cyanotoxins, the development of simple, sensitive and fast detection methods is an analytical challenge. Considering these issues, the development of new analytical approaches for the detection of cyanotoxins in water and fish samples contaminated with harmful cyanobacterial blooms have been proposed. A first approach consists of the use of an on-line solid phase extraction coupled to liquid chromatography and tandem mass spectrometry (SPE-LC-MS/MS) for the analysis of six microcystins (MCs), anatoxin-a (ANA-a) and cylindrospermopsin (CYN). This method allows a simple and rapid analysis and enables the chromatographic separation of ANA-a and its isobaric interference, phenylalanine. The detection limits ranged from 0.01 to 0.02 µg L-1 and concentrations in lake waters were found between 0.024 and 36 µg L-1. A second method consists of using manual solid phase extraction (SPE) coupled to high resolution mass spectrometry (HRMS) for the determination of b-N-methylamino-L-alanine (BMAA), ANA-a, CYN and saxitoxin (STX) in contaminated lake water. The analysis of two conformational isomers of BMAA was done to improve the selectivity. Dansyl chloride-based derivatization allows simplified chromatography. The detection limits were obtained between 0.007 and 0.01 µg L-1. The analysis of bloom water samples detected concentrations of cyanotoxins between 0.01 and 0.3 µg L-1 allowing the confirmation of the presence of BMAA in algal blooms in Québec. A second part of the project consists in the use of an alternative sample introduction technology for MS analysis. It enables ultra-fast analysis (< 15 seconds/sample) without the use of a chromatographic step, and is called laser diode thermal desorption (LDTD) coupled with atmospheric pressure chemical ionization (APCI). The first LDTD project consists of the analysis of total MCs via Lemieux oxidation in order to obtain a common moiety of all MCs existing congeners. This fraction, the MMPB, is analyzed after a liquid-liquid extraction step, with the LDTD-APCI-MS/MS. A value of 0.2 µg L-1 was obtained for detection limit and concentrations between 1 and 425 µg L-1 have been found in contaminated water samples. In addition, a comparison with a parallel analysis using MCs congeners’ standards suggested the possible presence of undetected MCs or isomers. A second project involves the direct analysis of ANA-a using LDTD-APCI-HRMS in order to solve the isobaric interference, phenylalanine, which is possible due to the high resolution detection. The LDTD offers no chromatographic separation and by using HRMS, we can distinguish ANA-a signals from those of phenylalanine. A value of 0.2 µg L-1 was obtained as detection limit and the method has been applied on water bloom samples with a positive concentration of 0.21 µg L-1. Finally, using the LDTD-APCI-HRMS combination, analysis of total MCs has been adapted to fish tissues to determine the unbound and bound MCs and compare the results with standard analysis. The use of digestion with sodium hydroxide prior to Lemieux oxidation followed by SPE purification yielded a detection limit of 2.7 µg kg-1. Total MCs concentrations were found between 2.9 and 13.2 µg kg-1 in real field-collected contaminated fish samples and comparison was made with standard analysis which yield a single positive sample with a concentration of 2 µg kg-1. This indicates the possible presence of undetected MCs using conventional analytical methods.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les efflorescences de cyanobactéries peuvent relâcher des substances toxiques pour la vie aquatique, mais également pour les humains. Plusieurs études ont tenté d'identifier les facteurs qui sont corrélés au dénombrement et aux efflorescences de cyanobactéries. Un facteur souvent négligé dans ces études est l'effet des plantes aquatiques. Certaines plantes peuvent relâcher dans l'eau des substances qui affectent la croissance des cyanobactéries, un phénomène que l'on nomme allélopathie. Il a été montré en laboratoire que le myriophylle à épis (*Myriophyllum spicatum*) libère des acides gras et des polyphénols toxiques pour les cyanobactéries, mais ceci n'a jamais été documenté en nature. Un suivi exhaustif du dénombrement de cyanobactéries, des efflorescences de cyanobactéries, de différents paramètres physico-chimiques (eau, atmosphère) et du couvert de plantes aquatiques a été effectué au lac Saint-Charles (Québec, Canada) entre 2011 et 2022. Les données historiques n'ont pas permis de déceler un effet du myriophylle sur les cyanobactéries, faute peut-être d'un protocole d'échantillonnage adéquat. En 2022, un autre protocole a été mis en place pour étudier de manière plus spécifique cet effet au lac Saint-Charles, mais également au lac McKenzie, un plan d'eau situé non loin et fortement colonisé par le myriophylle. Les substances émises par le myriophylle ont été détectées dans l'eau des deux lacs, mais en concentrations trop faibles pour affecter les cyanobactéries. Les sites avec myriophylle et sans myriophylle au lac Saint-Charles ne présentent pas de différences importantes dans la concentration de ces substances. Les deux études ont montré que d'autres facteurs, soit le niveau d'eau, les précipitations, la température et les concentrations en nutriments ont davantage d'influence sur les efflorescences et le nombre de cyanobactéries. Il est peu probable que l'effet allélopathique du myriophylle détecté en laboratoire exerce une influence significative sur les cyanobactéries en milieu naturel, du moins dans le cas des deux lacs étudiés.

La présence de matière biologique (biofilms) dans les sites de stockage géologique profond, d'éléments toxiques ou encore de l'eau potable des aquifères est maintenant clairement démontrée. Cette biomasse est à l'origine de processus physiques et chimiques qui modifient considérablement la durabilité et la pérennité des sites concernés. Ces processus, principalement de type oxydo-réductif, sont encore mal compris. Ceci est principalement dû aux méthodes d'investigation, principalement macroscopiques, loin de l'échelle micrométrique caractéristique des bactéries. Seules des études, basées sur des méthodes d'investigation locale, peuvent apporter les informations requises. Ainsi, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur l'utilisation combinée de la microscopie optique (en transmission), la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie AFM en mode électrique et électrochimique (EC_AFM) afin d'obtenir des informations simultanées sur la topographie de l'échantillon et sur les processus électrochimiques à l'échelle des bactéries. La première étape sensible consistait à utiliser l'AFM sur des échantillons biologiques en milieu liquide: nous présentons ici les résultats de l'imagerie AFM en milieu liquide de plusieurs types de bactéries dans leurs conditions physiologiques naturelles (conditions in vivo). Aucun protocole d'immobilisation, ni chimique ni mécanique, n'a été nécessaire; et pour la première fois, les mouvements de reptation de cyanobactéries Nostoc ont été étudiés par l'AFM. Les études AFM ont permis d'acquérir des données topographiques mais aussi mécaniques : nous avons pu ainsi mesurer le module d'Young, la pression de turgescence de différentes souches bactériennes (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Cette étude complète, a révélé que l'imagerie AFM est donc possible sur des espèces vivantes en mouvement. Ces résultats ouvrent une grande fenêtre sur de nouvelles études d'intérêts tels que la formation de biofilms et les propriétés dynamiques de bactéries dans des conditions physiologiques réelles. La deuxième étape délicate était de combiner l'AFM aux mesures optiques et électriques. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental permettant (i) le suivi de l'évolution de la croissance bactérienne par la mesure des propriétés optiques comme la densité optique DO (pour le développement bactérien en volume - milieu planctonique) , ou l'analyse de l'image du substrat par comptage du nombre de bactéries sur la surface de l'échantillon (biofilm), et (ii) les mesures électriques et électrochimiques. L'ensemble de ces résultats sera prochainement appliqué au développement de nouveaux outils de surveillance d'une biodépollution de terrain contaminé par les hydrocarbures, par le suivi in situ et en temps réel de l'activité de bactéries dépolluantes (ECOTECH_BIOPHY ANR).

L’eutrophisation et la contamination des sédiments (ex : métaux, nutriments, etc.) sont des problèmes majeurs pour la protection des écosystèmes aquatiques et la protection des ressources d’eau douce. Le lac Saint-Augustin (Québec, Canada) est aux prises avec ces deux problèmes. Depuis 2001, plusieurs épisodes de fleurs d’eau de cyanobactéries sont rapportés durant la saison estivale (P &gt; 70 µg/L). Galvez et collaborateurs ont proposé une méthode de restauration pour ce lac consistant : (I) à réduire la teneur en phosphore de l’eau du lac par coagulation/floculation avec du sulfate d’aluminium et (II) à effectuer un recouvrement actif de roche calcaire et de sable afin d’isoler le floc d’Al, le P et les autres contaminants (ex., métaux) et permettre la recolonisation par le benthos. L’objectif des présents travaux était d’évaluer l’écocompatibilité de cette méthode. Deux approches écotoxicologiques ont été employées : (I) essais de toxicité monospécifiques (croissance de l’algue Pseudokirchneriella subcapitata et de la lentille d’eau Lemna minor; survie et reproduction de la daphnie Daphnia magna et de l’amphipode Hyalella azteca, survie, croissance et émergence de l’invertébré Chironomus riparius ainsi que survie des larves de tête-de-boule Pimephales promelas et des alevins de truites arc-en-ciel Oncorhynchus mykiss) et (II) essai en microcosmes de 2 litres tel qu’adapté par Triffault-Bouchet. La toxicité de l’aluminium et l’impact de la roche calcaire ont été étudiés séparément : d’abord avec eau et sédiments artificiels et ensuite avec eau et sédiments du lac Saint-Augustin. Les résultats démontrent que les algues et les daphnies sont affectées par l’application d’alun. Aucun effet n’a été observé chez les autres organismes. Ceux-ci ont eu la capacité de recoloniser les milieux traités avec l’alun ou avec la technique complète. Ces résultats tendent à démontrer que la méthode de restauration est prometteuse. L’écocompatibilité de la technique ne pourra cependant être démontrée que par des essais in situ et après un suivi étroit du phytoplancton et du zooplancton dans le lac. Toutefois, dans le cadre des présents travaux, l’efficacité des traitements (en terme de déphosphatation) n’a pas permis d’atteindre le critère de qualité du MDDEP (20 µg/L). Ces paramètres devront être étroitement suivis lors des essais in situ. Mots clés : Eutrophisation, sédiments contaminés, restauration de lac, aluminium, recouvrement actif, évaluation écotoxicologique, bioessais monospécifique, microcosmes. / Eutrophication and contaminated sediments (e.g.: nutrients, metals, etc.) are preoccupying issues in aquatic ecosystems and water resource protection. Saint-Augustin Lake (Quebec, Canada) is affected by both problems in addition to the presence of de-icing salts. This small shallow lake has low renewal time and receives an intensive phosphorus transfer from bottom sediments to the water column. Since 2001, the lake presents cyanobacteria blooms every summer (P &gt; 70 μg/L). Galvez and collaborators has proposed a remediation method for this lake that consists of (i) the precipitation of phosphorus present in the water column by the addition of alum, in association with the deposition of (ii) an active capping layer (limestone + sand) to isolated P, Al and other contaminants (e.g., metals) within bottom sediments and allow recolonisation by benthos. The objective of this study is to assess the ecotoxicological impact of that remediation method. Two ecotoxicological approaches are used to assess the impact of this method: (I) single-species bioassays (algae Pseudokirchneriella subcapitata and duckweed Lemna minor growth; daphnid Daphnia magna and amphipod Hyalella azteca survival and reproduction, invertebrate Chironomes riparius survival, growth and emergence, fathead minnow P. promelas and rainbow trouts O. mykiss survival) and (II) a 2-L microcosm as adapted by Triffault-Bouchet. Alum toxicity and limestone impact were studied separately in laboratory: first with artificial water and sediments and then using actual lake overlying water and sediments. The results show that algae and daphnids are sensitive to alum treatment. No significant effects were observed on the other organisms. These organisms had the ability to recolonize the treated media either with alum treatment or with complete treatment. These results suggest that the restoration method is promising. The environmental compatibility of the technique, would be demonstrated after testing in situ with a close monitoring of phytoplankton and zooplankton in the lake. However, the results of this study showed that the treatments dephosphatation efficacity was not enought to reach the MDDEP quality criteria (20 µg/L). Also, the concentration of residual aluminum after treatments was still over the MDDEP quality criteria after treatments. Keywords : Eutrophication, contaminated sédiments, lake restauration, aluminum, active capping, écotoxicological évaluation, monospécific bioessais, microcosms.