Characterization of Phenomena Governing Oxidation of Cyanobacteria Through Metagenomics

L'apparition fréquente de proliférations de cyanobactéries toxiques dans les ressources d'eau douce constitue une menace pour les stations d'épuration d'eau potable en raison de la libération de métabolites et de l'accumulation potentielle de cyanobactéries dans les plantes.La pré-oxydation a été largement utilisée pour amortir l'entrée de cyanobactéries dans les stations d'épuration et pour éliminer les métabolites nocifs (par exemple les cyanotoxines, les composés du goût et de l'odeur).La sélection du meilleur scénario de pré-oxydation nécessite une compréhension de la dynamique des cyanobactéries et de leur comportement complexe pendant l'oxydation.Pourtant, on sait peu de choses sur la manière dont les communautés bactériennes/cyanobactériennes et leurs capacités fonctionnelles sous-jacentes réagiront à l'oxydation chimique.Pour répondre à cette question, nous nous sommes concentrés sur le lac Champlain, Québec, Canada, à une période de floraison des cyanobactéries, du 1er au 29 août, 2018.L'objectif principal de cette recherche est d'étudier le devenir des cyanobactéries lors de l'oxydation par la génomique.Les objectifs spécifiques sont de déterminer (1) le devenir des cyanobactéries pendant l'oxydation en utilisant la cytométrie de flux, les analyses par microscopie électronique à balayage et la détection de carbone organique par chromatographie liquide, (2) la déformation morphologique des cyanobactéries pendant l'oxydation, (3) la composition du profil taxonomique et la persistance sélective potentielle pendant l'oxydation d'eau et (4) la capacité fonctionnelle de des cyanobactéries exposées à l'oxydation.La première partie de ce projet de recherche consiste à étudier la réponse morphologique des cyanobactéries à l'oxydation chimique ainsi que l'impact de la fraction de matière organique à l'aide de la détection de carbone organique par chromatographie liquide.Une nouvelle technique microscope été appliquée pour étudier la réponse morphologique des cellules de cyanobactéries pendant l'oxydation.Des spectres distincts de la paroi cellulaire pour Microcystis et Dolichospermum après chloration et ozonation ont confirmé une déformation morphologique différente des espèces cyanobactériennes.Les résultats de microscopie électronique à balayage ont révélé la fragmentation des liaisons cellulaires dans Dolichospermum avant la lyse cellulaire.Les composants de la matière organique (substances humiques, biopolymères, éléments de construction, acides et substances naturelles) ont augmenté après la chloration et l'ozonation.La forte variation des biopolymères est attribuée à la libération de matière organique algale et/ou à la vi fragmentation de la membrane cellulaire.Toutes les fractions se sont dégradées sous l'effet de l'oxydation du permanganate de potassium et du peroxyde d'hydrogène.Pour la deuxième phase, nous évaluons la persistance et l'élimination sélective potentielle et les changements de composition de la communauté cyanobactérienne suite à l'oxydation.En utilisant un séquençage à haut débit (métagénomique shotgun), un changement net des taxons dominants a été observé pendant l'échantillonnage des proliférations : de la dominance initiale des proliférations par Dolichospermum/Dolichospermum Sp.90 à une dominance de fin d'été par Microcystis/Microcystis aeruginosa.La composition de la structure des communautés bactériennes/cyanobactériennes a été progressivement modifiée après la chloration à faible dose en fonction de l'augmentation de la concentration et temps de contact (CT).Le permanganate de potassium et le peroxyde d'hydrogène ont provoqué des changements plus importants.Une composition des communautés de cyanobactérie similaire a été trouvée pour une faible exposition au chlore, au peroxyde d'hydrogène et au permanganate.Certaines espèces productrices de toxines (Dolichospermum sp.90) peuvent persister après l'oxydation, indépendamment de la différence significative dans la composition de la communauté imposée par les oxydants.Parmi les oxydants utilisés, seul le peroxyde d'hydrogène (10 mg/L) apparait comme une barrière efficace contre l'entrée des cyanobactéries dans les stations de traitement d'eau potable en diminuant l'abondance relative de tous les taxons et espèces (y compris certaines espèces productrices de toxines).En outre, nos résultats ont montré que le séquençage à haut débit était capable d'identifier différentes communautés (genre, espèce) que celles observées par dénombrement taxonomique des cellules.Au stade final, les capacités fonctionnelles bactériennes et cyanobactériennes des communautés de prolifération de cyanobactéries à l'oxydation ont été étudiées.Des différences de capacité fonctionnelle sont observées entre le début (1er août) et la fin de la période de floraison (29 août) a été détectée après l'oxydation.Pour l'échantillon du 1er août, qui correspond aux Protéobactéries en tant que taxons principaux, les catégories de sous-systèmes "Métabolisme des composés aromatiques", "Glucides", "Réponse au stress" et "Acquisition du fer" ont été regroupées avec une faible exposition relative au chlore et au peroxyde d'hydrogène.L'augmentation de l'exposition au chlore, au permanganate et au peroxyde d'hydrogène a entraîné une diminution des catégories "Glucides" et "Acides aminés et dérivés".Il est intéressant de noter que les gènes liés à la "division cellulaire et au cycle cellulaire", au "métabolisme de l'azote" et à la "photosynthèse" ont montré une corrélation positive significative avec l'embranchement des cyanobactéries, qui était dominé vii par Dolichospermum apres chlorination.Pour les échantillons du 29 août, aucun changement notable n'a été observé entre les échantillons de contrôle et les échantillons après oxydation, à l'exception de l'augmentation des éléments prophétiques, transposables, des plasmides, sous un CT relativement plus élevé de KMnO4.Trois biomarqueurs de cyanobactéries (Heterocyst formation in Cyanobacteria and Transcription factors cyanobacterial rpoD-Like sigma factors) ont été identifiés dans l'analyse métagénomique et ont été utilisés pour suivre la capacité fonctionnelle de la communauté cyanobactérienne.La variation de l'abondance relative des biomarqueurs de cyanobactéries après exposition au chlore et au permanganate a été limitée (en présence d'une abondante Microcystis).Cependant, l'abondance relative des biomarqueurs de cyanobactéries diminue après le peroxyde d'hydrogène, dans les deux dates d'échantillonnage, indépendamment de l'abondance du genre Dolichospermum ou Microcystis.En ce qui concerne les gènes liés à la production de toxines, une corrélation positive significative a été observée entre les copies de gènes mcyD et la microcystin (MC) totale (intra et extra) dans l'eau brute.Ces résultats ont révélé un potentiel pour prédire la concentration de MC en utilisant un test basé sur la toxicité.Cette étude fournit de nouvelles informations sur trois facteurs importants qui influencent l'efficacité de l'oxydation au sein d'une prolifération de cyanobactéries : la réponse morphologique des cyanobactéries, l'impact de la matière organique et la dynamique des profils taxonomiques/fonctionnels. Dans ce cas, la métagénomique s'est révélée être un outil efficace pour le dépistage et l'identification des cyanobactéries, tout en offrant une capacité de diagnostic pour évaluer les capacités fonctionnelles des communautés bactériennes et cyanobactériennes à diverses conditions d'oxydation.Ces résultats devraient être pris en compte dans la surveillance future et la sélection de scénarios de pré-oxydation efficaces dans le cadre de la gestion des efflorescences cyanobactériennes dans les sources d'eau potable.

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