Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2007

University, Diss., 2003--Konstanz.

Les microcystines (MCs), hépatotoxines produites par des cyanobactéries d'eau douce, sont incriminées dans des intoxications humaines et animales. L'ingestion est leur principale voie d'exposition chez l'homme. Parmi les quelques 90 variants décrits, la MC-LR constitue le variant le plus toxique et le mieux connu sur lequel est fondé l'évaluation du risque associé aux MCs. Afin de mieux caractériser le danger pour l'homme par ingestion, nous avons choisi d'étudier et de comparer l'absorption et la toxicité de deux variants, la MC-LR et la MC-RR, sur un modèle cellulaire intestinal humain, les Caco-2. Ces deux variants, de structure quasi identique, sont connus pour leur différence de toxicité aiguë. Nous avons montré que, contrairement aux cellules hépatiques, les Caco-2 absorbent les deux variants de manière similaire. De plus, nos travaux suggèrent l'existence d'un efflux actif de la MC-LR et de la MC-RR par les Caco-2. Enfin, une étude à l'échelle pangénomique a permis de mettre en évidence des différences de réponses cellulaires, avec des atteintes plus marquées de la MC-LR sur la réponse au stress oxydant, la régulation du cycle cellulaire, le stress du réticulum endoplasmique et la dégradation des protéines. Ainsi, les mécanismes de toxicité mis en jeu par les deux variants semblent diverger. Nos travaux soulignent donc la nécessité d'obtenir de données complémentaires sur d'autres variants que la MC-LR pour affiner l'évaluation du risque associé aux MCs.

La production de toxines telles que la microcystine (MC) est le principal problème de santé publique relié à la croissance excessive des cyanobactéries dans les lacs eutrophes. La toxicité résultante sera reliée à la dominance de genres potentiellement toxiques au sein de la communauté. Dans le cadre de cette étude, cinq lacs du bassin versant de la rivière Yamaska (Québec) ont été échantillonnés durant l'été 2007. Les cyanobactéries ont été caractérisées sur un gel contenant un gradient de dénaturant (DGGE) à la suite de l'amplification du gène 16S du ribosome. De plus, un dénombrement microscopique classique a été entrepris. Les toxines ont aussi été dosées de deux façons, soit une méthode immuno-enzymatique et une autre basée sur la chromatographie liquide. Les résultats confirment l'association des genres potentiellement toxiques à la concentration de MC, en particulier Anabaena. Ces corrélations sont meilleures lorsqu'entreprises à partir des données taxonomiques, avec un r2 aj. atteignant 0,64 (p<0,0001). Les données DGGE, moins adaptées à la détermination d'un modèle prédictif de MC, expliquent néanmoins une partie de la variation lorsque celle-ci est partitionnée dans une analyse de redondance. De plus, les analyses moléculaires étaient plus sensibles aux changements dans la communauté. La vitesse de changement telle que déterminée par DGGE était corrélée à celle déterminée par la taxonomie sur l'échantillon pris deux semaines plus tard (n=22, r2 adj. = 0.32, p=0.004). Ceci pourrait conférer au DGGE une valeur prédictive intéressante puisque la dynamique des communautés a montré une association entre stabilité et toxicité dans deux des cinq lacs. Cette stabilité, exprimée sous forme de taux de changement, est associée aux températures les plus élevées de la saison (r2 aj. = 0,21 pour le DGGE et 0,28 pour la taxonomie, p<0,005). ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : cyanobactéries toxiques, succession saisonnière, Haute-Yamaska, Microcystis, DGGE

La pollution des milieux aquatiques est un problème majeur qui a des répercussions importantes au niveau récréatif et commercial, mais également sur la santé des populations humaines, animales et végétales. Les écosystèmes aquatiques sont susceptibles d'être contaminés par une multitude de polluants provenant de sources anthropiques qui peuvent entrainer plusieurs conséquences directes ou indirectes. Le développement de tests rapides pour détecter les polluants aquatiques est essentiel afin d'évaluer le potentiel de risque d'un plan d'eau ou d'une source d'eau potable. L'objectif de mon mémoire a été d'évaluer l'efficacité des bioessais basés sur la fluorescence chlorophyllienne de phytoplancton dans l'étude de problématiques environnementales émergentes telles que la prolifération des cyanobactéries toxiques et la pollution par les perturbateurs endocriniens. Les bioessais basés sur l'activité photosynthétique d'algues ont démontré une grande sensibilité à divers polluants. Or, ils n'ont jamais été utilisés avec les perturbateurs endocriniens et très peu pour les microcystines (MCs). Nous avons donc évalué si ces toxiques influencent l'efficacité photochimique et comment les flux d'énergie du photosystème II (PSII) sont affectés. Pour y parvenir, quatre algues vertes (Chlamydomonas reinhardtii, Pseudokirchneriella subcapitata, Scenedesmus obliquus et Chlorella vulgaris) ont été exposées à des standards de MC (variantes LF, LR, RR, YR) ainsi qu'à des extraits de MC provenant de culture de Microcystis aeruginosa CPCC299, une cyanobactérie toxique. Aussi, ces mêmes espèces (à l'exception de C. vulgaris) ainsi que deux souches de cyanobactéries, M. aeruginosa CPCC299 et CPCC632 ont été exposées aux perturbateurs endocriniens (4-octylphénol, 4-nonylphénol et β-estradiol). Des mesures de l'efficacité photochimique ont été effectuées à l'aide des f1uorimètres PEA (Hansatech Ltd.) et LuminoTox (Lab_Bell Inc.). Nous avons démontré qu'en seulement 15 minutes d'exposition, les toxiques testés ont un effet significatif sur l'activité photosynthétique des organismes utilisées. Une différence de toxicité entre les standards de MC et une plus grande toxicité ont été mesurées pour l'extrait de MC comparativement à la toxine pure équivalente, soit MC-LR. Les trois perturbateurs endocriniens testés ont affecté les flux d'énergie du PSII des phytoplanctons exposés mais l'espèce P. subcapitata s'est avérée tolérante. De plus, les algues étudiées ont manifesté une sensibilité différente face aux toxiques testés, l'espèce la plus sensible face aux MCs et aux perturbateurs endocriniens étant respectivement S. obliquus et M. aeruginosa (CPCC632). Le choix de l'espèce est donc à considérer dans l'élaboration d'un bioessai sensible. Finalement, bien que le PEA s'est avéré moins sensible que le LuminoTox face aux MCs, il a permis d'obtenir de l'information sur le mode d'action des MCs au niveau du PSII. À la lumière de ces résultats, nous pouvons envisager l'utilisation des bioessais basés sur l'efficacité photochimique du phytoplancton pour détecter les MCs et les perturbateurs endocriniens dans un échantillon d'eau. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : bioessais, photosynthèse, perturbateurs endocriniens, microcystines, phytoplancton.

Ces dernières décennies, la dégradation continue de la qualité des eaux a engendré une augmentation des blooms algaux toxiques en zones côtières. Les biotoxines libérées de façon ubiquitaire lors de ces blooms, représentent un danger épidémique important pour l’homme et l’animal. Afin de limiter les risques de contamination et les pertes économiques, les organismes compétents ont mis en place des programmes de surveillance et ont établi des seuils de toxicité (OMS: 1 µg de MC-LR/L ; EFSA : 160 µg éq OA /kg de chair de coquillage). Cependant, les méthodes d’analyse préconisées sont longues et coûteuses, il est donc nécessaire de développer des nouvelles techniques d’analyse. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de concevoir des outils analytiques rapides, fiables et adaptables sur le terrain afin de détecter la présence des toxines les plus nocives: les microcystines (MCs) et l’acide okadaïque (OA). En premier lieu, des bioessais colorimétriques basés sur l’inhibition des protéines phosphatases par ces toxines ont été développés. Les limites de détection obtenues ont été très inférieures aux limites maximales autorisées. Par conséquence, les tests mis au point sur microplaques ont été adaptés pour élaborer des biocapteurs électrochimiques. Les seuils de sensibilités obtenus sont conformes aux normes imposées et les tests pourront être ainsi utilisés in situ. Du fait de leurs nombreux avantages, les aptamères sont devenus depuis peu des éléments de reconnaissance alternatifs aux anticorps et aux enzymes. Afin d’améliorer la sensibilité et la stabilité des outils proposés, un aptacapteur sans marquage et réutilisable pour la détection de l’OA a été finalement conçu. / The past decades have witnessed water quality degradation due to overwhelming anthropic activities. In this context, production of biotoxins in response to increasing harmful algal blooms is a point of vital concern for human and animal health. In order to overcome bio-contamination and related economic losses, relevant authorities have established toxicity levels and monitoring program for ubiquitous toxins. However, current analysis are expensive and time consuming, so it is necessary to develop fast, reliable and field adaptable methods to assure food and water safety. Based on above described consequences, the objective of the research was to design inexpensive biotools for the detection of most toxic and widespread toxins including: microcystins (MCs) and okadaïc acid (OA).The first approach was to perform colorimetric enzymatic bioassays based on the inhibition of commercial and genetically modified proteins phosphatase by toxins. The obtained detection limit (LOD) were many folds lower than maximum limit defined by WHO (1 µg of MC-LR/L) and EFSA (160 µg eq OA/kg in shellfish meat). Subsequently, developed colorimetric methodology was adapted to design electrochemical biosensors for toxins detection. Electrochemical transduction was performed by Differential Pulse Voltammetry, showed a good LOD with the possibility of being used as a field portable device.With many advantages over antibody and enzyme, aptamers have recently emerged as powerful class of nucleic acids able to recognize specific targets. To further improve the analytical figure of merit, aptamers were used to design reusable label-free biosensors for OA detection.

Avec la hausse mondiale de la fréquence des floraisons de cyanobactéries (CB), dont certaines produisent des cyanotoxines (CT), le développement d’une méthode de détection/quantification rapide d’un maximum de CT s’impose. Cette méthode permettrait de faire un suivi quotidien de la toxicité de plans d’eau contaminés par des CB et ainsi d’émettre rapidement des avis d’alerte appropriés afin de protéger la santé publique. Une nouvelle technologie utilisant la désorption thermique induite par diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique sous pression atmosphérique (APCI) et reliée à la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) a déjà fait ses preuves avec des temps d'analyse de l’ordre de quelques secondes. Les analytes sont désorbés par la LDTD, ionisés en phase gazeuse par APCI et détectés par la MS/MS. Il n’y a donc pas de séparation chromatographique, et la préparation de l’échantillon avant l’analyse est minimale selon la complexité de la matrice contenant les analytes. Parmi les quatre CT testées (microcystine-LR, cylindrospermopsine, saxitoxine et anatoxine-a (ANA-a)), seule l’ANA-a a généré une désorption significative nécessaire au développement d’une méthode analytique avec l’interface LDTD-APCI. La forte polarité ou le poids moléculaire élevé des autres CT empêche probablement leur désorption. L’optimisation des paramètres instrumentaux, tout en tenant compte de l’interférence isobarique de l’acide aminé phénylalanine (PHE) lors de la détection de l’ANA-a par MS/MS, a généré une limite de détection d’ANA-a de l’ordre de 1 ug/L. Celle-ci a été évaluée à partir d’une matrice apparentée à une matrice réelle, démontrant qu’il serait possible d’utiliser la LDTD pour effectuer le suivi de l’ANA-a dans les eaux naturelles selon les normes environnementales applicables (1 à 12 ug/L). Il a été possible d’éviter l’interférence isobarique de la PHE en raison de sa très faible désorption avec l’interface LDTD-APCI. En effet, il a été démontré qu’une concentration aussi élevée que 500 ug/L de PHE ne causait aucune interférence sur le signal de l’ANA-a. / Within the context of the worldwide increasing frequency of cyanobacterial (CB) blooms, some containing cyanotoxins (CT), the development of a detection/quantification method for the fast analysis a maximum of CT is necessary. This method would allow daily tracking of the toxicity of CB-contaminated water such that, as warranted, appropriate measures can be taken quickly to protect public health. A new technology using laser diode thermal desorption (LDTD) coupled to atmospheric pressure chemical ionization (APCI)-tandem mass spectrometry (MS/MS) has shown great potential to reduce analysis time to seconds. Analytes are desorbed by the LDTD, ionized in gas-phase by APCI and detected by MS/MS. Therefore, there is no chromatographic separation and sample treatment prior to analysis is minimal, depending on the complexity of the sample matrix. Among the four CT tested (microcystin-LR, cylindrospermopsin, saxitoxin and anatoxin-a (ANA-a)), only ANA-a exhibited sufficient desorption which is necessary to develop an analytical method with the LDTD-APCI interface. The strong polarity or high molecular weight of the other CT probably inhibited their efficient desorption. Optimization of instrumental parameters, while accounting for the isobaric interference caused by the acid amino phenylalanine (PHE) in the detection of ANA-a by MS/MS, generated a detection limit of the order of 1 ug/L ANA-a. This value was obtained in a simulated natural matrix, demonstrating that it would be possible to use LDTD to monitor ANA-a in natural waters within the range of current applicable environmental guidelines (1 to 12 ug/L). Because PHE desorption is limited with the LDTD-APCI interface, this method avoids its interference on ANA-a analysis, even at PHE concentrations as high as 500 ug/L.

La présence de prolifération de cyanobactéries et des toxines associées dans les eaux de surface utilisées pour la production d'eau potable est une problématique de santé publique majeure car plusieurs cas d'intoxication ont été rapportés. Il s'avère donc nécessaire de comprendre le comportement des cyanotoxines au sein des filières de traitement d'eau et en particulier vis-à-vis de la chloration, procédé de désinfection le plus répandu en France. Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur la chloration de la cyanotoxine la plus commune et d'une cyanotoxine émergente en Europe : la microcystine-LR et la cylindrospermopsine. La réaction du chlore avec les toxines a été caractérisée et divers sous-produits ont été identifiés grâce à la spectrophotométrie ultraviolet et la spectrométrie de masse à haute résolution. Des tests réalisés sur la bactérie Vibrio fischeri et sur des cellules Caco-2 ont ensuite permis de vérifier l'impact de la chloration sur la toxicité du milieu.

Cyanobakterien bilden zahlreiche bioaktive Substanzen mit zum Teil humantoxischer Relevanz. Nicht selten spielen dabei zyklische Peptide, zu denen unter anderem die Microcystine (MCYST) gehören, eine Schlüsselrolle. MCYST werden u.a. von Microcystis KÜTZING EX LEMMERMANN 1907 gebildet. Erkenntnisse zur ökophysiologischen Funktion der MCYST, die zweifelsfrei bei den Produzenten selbst zu suchen ist, liegen bisher kaum vor. Mit Hilfe von Freilanduntersuchungen sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit Kenntnisse zu einer möglichen ökologischen Funktion der MCYST erweitert und vertieft werden. Grundlage stellte dabei die Phänologie von Microcystis als einer der bedeutendsten limnischen MCYST-Produzenten dar. Microcystis zeigt im Freiland einen charakteristischen annuellen Lebenszyklus mit benthisch-pelagischer Kopplung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die phänologischen Phasen des Lebenszyklus von Microcystis im Freiland zu differenzieren sowie die Dynamik der MCYST während dieser Phasen kompartimentübergreifend gesamtheitlich zu erfassen. Über eine MCYST-Massenbilanzierung sollen anschließend die dem annuellen Zyklus zugrundeliegenden Teilprozesse quantifiziert und zusammengeführt werden. Vordergründiges Anliegen war es, Phasen einzugrenzen, bei denen MCYST möglicherweise eine ökophysiologische Funktion haben könnte. Der annuelle Lebenszyklus von Microcystis wurde anhand von Biomasseänderungen am Sediment und im Pelagial der TS Quitzdorf in die phänologischen Phasen Überwinterung, Reinvasion, pelagisches Wachstum und Sedimentation unterteilt: Intakte, im Herbst aus dem Freiwasser aussedimentierte, Microcystis-Kolonien überwintern am Sediment und steigen im Frühjahr und Frühsommer zurück ins Freiwasser auf. Dort erfolgt der Wachstumsprozess, dem sich im darauffolgenden Herbst erneut ein Zusammenbruch und die Sedimentation der Freiwassergemeinschaft anschließt. Die benthisch-pelagische Kopplung wirkt dabei als interannuelles Bindeglied. Zwischen dem annuellen Lebenszyklus von Microcystis und der MCYST-Dynamik wurde eine enge Bindung nachgewiesen: Änderungen der absoluten MCYST-Konzentrationen während der Übergangsphasen Aufstieg (Frühjahr) und Sedimentation (Herbst) zeigen, dass MCYST mit den aufsteigenden bzw. aussedimentierenden Microcystis-Kolonien aus dem bzw. in das Sediment ‚transportiert’ werden. Ausschließlich während der pelagischen Phase, die sich dem Reinvasionsprozess anschließt, kommt es in Abhängigkeit vom Wachstum der Produzenten und deren Sukzession zur Neubildung von MCYST. Während den Wintermonaten wurden MCYST am Sediment intrazellulär ‚konserviert’. Der Verlauf der pelagischen MCYST-Konzentration wurde mit Hilfe eines Wachstumsmodells nachgebildet. In dieses Modell wurde die genetische Variabilität der MCYST-Produzenten sowie eine mögliche physiologische Steuerung der MCYST-Synthese über die Verfügbarkeit des anorganischen Kohlenstoffs integriert. Der prinzipielle Verlauf zeigte dabei weitestgehend Koinzidenz zwischen den real gemessenen und den simulierten MCYST-Konzentrationswerten. Abweichungen zwischen beiden konnten mit Hilfe des gesamtheitlich kompartimentübergreifenden MCYST-Bilanzierungsansatzes – in erster Linie über benthisch-pelagische Kopplungsprozesse – plausibel erklärt werden. Der Habitatwechsel ist für Microcystis prinzipiell mit Verlusten (Seneszenz/Lyse oder möglicherweise Apoptose) verbunden, sowohl für MCYST-Produzenten und Nichtproduzenten. Die auffallende Stabilität der benthischen MCYST-Zellquote während der Überwinterung gibt Grund zur Annahme, dass eine Funktion von MCYST am/im Sediment eher unwahrscheinlich ist. Da MCYST über derart lange Zeiträume am Sediment intrazellulär ‚konserviert’ werden, ist eine Bedeutung der MCYST während der Reinvasionsphase und in der frühen pelagischen Phase nicht auszuschließen. Im Speziellen wurde eine mögliche ökologische Funktion von MCYST in Zusammenhang mit der Variation der Koloniegröße bzw. dem epiphytischen Bewuchs von Microcystis-Kolonien mit Pseudanabaena mucicola geprüft: Aus dem Zusammenhang zwischen extra-/intrazellulärer MCYST-Konzentration und der Microcystis-Koloniegrößenverteilung waren keine konsistenten Schlussfolgerungen abzuleiten, welche auf eine Steuerung der Koloniebildung durch MCYST deuten. Vor dem Hintergrund, dass MCYST keinen nachweislich allelopathischen Effekt auf den Epibionten Pseudanabaena mucicola ausüben, wurde postuliert, dass zwischen dem beobachteten epiphytischen Besiedlungs-/Verteilungsmuster und der MCYST-Produktion ein indirekter Zusammenhang besteht, welcher die zeitweise Einnischung von Pseudanabaena mucicola auf Microcystis-Kolonien ermöglicht. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung lassen weder unmittelbar noch mittelbar eine Variabilität der ökophysiologischen Bedeutung von MCYST, die im Zusammenhang mit der raum-zeitlichen Verteilung potentieller Produzenten steht, erkennen. Eine divergierende Funktion der MCYST auf intra- bzw. extrazellulärer Ebene kann nicht zwingend ausgeschlossen werden. Die Mehrzahl der aus der MCYST-Phänologie und MCYST-Bilanzierung abzuleitenden Schlussfolgerungen deutet allerdings eher auf eine Funktion auf (intra-)zellulärer Ebene hin, wie etwa die Effizienzsteigerung des Kohlenstoffmetabolismus (d.h. der intrazellulä-ren Akkumulation anorganischen Kohlenstoffs) während der pelagischen (Wachstums-)Phase der Produzenten.

Avec la hausse mondiale de la fréquence des floraisons de cyanobactéries (CB), dont certaines produisent des cyanotoxines (CT), le développement d’une méthode de détection/quantification rapide d’un maximum de CT s’impose. Cette méthode permettrait de faire un suivi quotidien de la toxicité de plans d’eau contaminés par des CB et ainsi d’émettre rapidement des avis d’alerte appropriés afin de protéger la santé publique. Une nouvelle technologie utilisant la désorption thermique induite par diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique sous pression atmosphérique (APCI) et reliée à la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) a déjà fait ses preuves avec des temps d'analyse de l’ordre de quelques secondes. Les analytes sont désorbés par la LDTD, ionisés en phase gazeuse par APCI et détectés par la MS/MS. Il n’y a donc pas de séparation chromatographique, et la préparation de l’échantillon avant l’analyse est minimale selon la complexité de la matrice contenant les analytes. Parmi les quatre CT testées (microcystine-LR, cylindrospermopsine, saxitoxine et anatoxine-a (ANA-a)), seule l’ANA-a a généré une désorption significative nécessaire au développement d’une méthode analytique avec l’interface LDTD-APCI. La forte polarité ou le poids moléculaire élevé des autres CT empêche probablement leur désorption. L’optimisation des paramètres instrumentaux, tout en tenant compte de l’interférence isobarique de l’acide aminé phénylalanine (PHE) lors de la détection de l’ANA-a par MS/MS, a généré une limite de détection d’ANA-a de l’ordre de 1 ug/L. Celle-ci a été évaluée à partir d’une matrice apparentée à une matrice réelle, démontrant qu’il serait possible d’utiliser la LDTD pour effectuer le suivi de l’ANA-a dans les eaux naturelles selon les normes environnementales applicables (1 à 12 ug/L). Il a été possible d’éviter l’interférence isobarique de la PHE en raison de sa très faible désorption avec l’interface LDTD-APCI. En effet, il a été démontré qu’une concentration aussi élevée que 500 ug/L de PHE ne causait aucune interférence sur le signal de l’ANA-a. / Within the context of the worldwide increasing frequency of cyanobacterial (CB) blooms, some containing cyanotoxins (CT), the development of a detection/quantification method for the fast analysis a maximum of CT is necessary. This method would allow daily tracking of the toxicity of CB-contaminated water such that, as warranted, appropriate measures can be taken quickly to protect public health. A new technology using laser diode thermal desorption (LDTD) coupled to atmospheric pressure chemical ionization (APCI)-tandem mass spectrometry (MS/MS) has shown great potential to reduce analysis time to seconds. Analytes are desorbed by the LDTD, ionized in gas-phase by APCI and detected by MS/MS. Therefore, there is no chromatographic separation and sample treatment prior to analysis is minimal, depending on the complexity of the sample matrix. Among the four CT tested (microcystin-LR, cylindrospermopsin, saxitoxin and anatoxin-a (ANA-a)), only ANA-a exhibited sufficient desorption which is necessary to develop an analytical method with the LDTD-APCI interface. The strong polarity or high molecular weight of the other CT probably inhibited their efficient desorption. Optimization of instrumental parameters, while accounting for the isobaric interference caused by the acid amino phenylalanine (PHE) in the detection of ANA-a by MS/MS, generated a detection limit of the order of 1 ug/L ANA-a. This value was obtained in a simulated natural matrix, demonstrating that it would be possible to use LDTD to monitor ANA-a in natural waters within the range of current applicable environmental guidelines (1 to 12 ug/L). Because PHE desorption is limited with the LDTD-APCI interface, this method avoids its interference on ANA-a analysis, even at PHE concentrations as high as 500 ug/L.