Articles

Océans de plastique

Du fait d’une production mondiale en constante augmentation, le nombre de produits plastiques polluant les océans s’accroît. Sous l’action des vagues, de la lumière et des conditions météorologiques, ces déchets se fragmentent jusqu’à atteindre moins de 5mm de diamètre, on parle alors de microplastiques qui s’accumulent dans les écosystèmes marins. Le nombre de ces particules dans les océans est estimé à plusieurs milliards et leur présence pourrait avoir des conséquences néfastes pour les espèces animales comme pour l’Homme. En effet, ces microfragments sont si petits qu’ils se confondent avec le phytoplancton constitué d’algues microscopiques, celui-ci forme le premier maillon de la chaîne alimentaire en milieu marin et produit, grâce à la photosynthèse, une grande partie de l’oxygène de notre planète. Les microplastiques peuvent donc atteindre facilement les niveaux trophiques supérieurs et être ingérés par les organismes marins directement ou indirectement via des vecteurs comme le phytoplancton avec lequel ils interagissent en s’agrégeant (hétéro-agrégats). On les retrouve ainsi absorbés par un très large éventail de crustacés, bivalves, mammifères… jusqu’aux poissons qui garnissent nos assiettes.

Les 3 espèces de phytoplancton étudiées, vues au microscope Heterocapsa triquetra, Tisochrysis lutea et Chaetoceros neogracile

L’étude abordée ici, s’est focalisée sur des billes de polystyrène (l’un des 3 polymères de plastique les plus présents dans les océans avec le polyéthylène et le polypropylène) de 2 micromètres de diamètre. Afin de comprendre comment le phytoplancton interagit avec ces fragments, leur potentiel d’agrégation a été étudié via des cultures en laboratoire. Trois espèces de phytoplancton Heterocapsa triquetra (un dinoflagellé), Tisochrysis lutea (un prymnésiophycée), et Chaetoceros neogracile (une diatomée) ont ainsi été exposées aux grains de plastique (à une concentration de 3,96 microgrammes/litre). Leur croissance et leur teneur en pigments ont également été surveillées pour vérifier un éventuel impact physiologique.

Figure 1 : Cytogramme de la culture de C. neogracile (à gauche) et micrographie associée des particules de microplastiques, des cellules de C. neogracile et des hétéro-agrégats (à droite).

La fluorescence rouge est liée à la présence de pigments chlorophylliens dans les algues et la fluorescence verte à celle des microbilles de plastique (UA = unité arbitraire) La méthode de la cytométrie en flux a été utilisée pour observer la répartition du plastique dans les cultures. Cette technique, déjà très employée pour l’étude du phytoplancton, permet de différencier et de dénombrer les particules selon leurs caractéristiques. Ainsi il a été possible de distinguer les cellules de phytoplancton des microparticules de plastique et des hétéro-agrégats (plastiques collés au phytoplancton) (fig. 1). La microscopie 3D a également permis d’approfondir l’étude en discernant les morceaux de plastique présents à la surface de la cellule de ceux phagocytés (ingérés par la cellule). Chez Chaetoceros neogracile, la proportion de billes collées aux microalgues était importante, atteignant 19 % de la teneur totale en microplastique (fig. 2B).

Figure 2 : Répartition des microplastiques exprimée en pourcentage lors des expériences en culture. A: Flacon témoin avec du plastique et sans microalgue, B: Flacon avec du plastique et des cellules de Chaetoceros neogracile. Les lignes vertes représentent la concentration en microalgues (nombre de cellules par millilitre) ; les lignes jaunes et bleues représentent respectivement le pourcentage de microplastiques libres ou adsorbés sur la verrerie et les lignes rouges représentent le pourcentage d’hétéro-agrégats.

 

Bien que la cytomérie en flux n’ait pas permis de mettre en évidence une interaction (hétéro-agrégats) entre les particules et les cellules de Heterocapsa triquetra ou Tisochrysis lutea, l’utilisation de la microscopie 3D a, quant à elle, révélé la présence chez Heterocapsa triquetra de ces hétéro-agrégats et de fragments de plastique phagocytés ou présents dans des débris cellulaires (Fig. 3).
Par ailleurs, la quantité de microplastiques libres dans le milieu de culture a progressivement diminué dans le temps pour les 3 espèces en partie à cause de l’adhésion des particules aux parois en verre des flasques (Fig. 2A). En fin de culture, jusqu’à 97% des microbilles étaient collées aux parois pour Tisochrysis lutea. L’agrégation des grains de plastique entre eux et de bactéries entres elles a également été observée dans tous les milieux de culture. Par ailleurs la production d’exopolysaccharides (sucres collants secrétés à l’extérieur de la cellule) par les bactéries ou certaines espèces de phytoplancton en fonction de leur stade physiologique, pourrait expliquer cette formation d’agrégats. La présence de molécules aux propriétés adhérentes justifierait également la quantité croissante de particules collées à la verrerie au cours des cultures non exemptes de bactéries.

Figure 3 : Micrographies de cellules d’Heterocapsa triquetra en présence de microplastiques. A : phagocytose en cours ; B : présence de microbilles dans des produits de lyses cellulaires ; C : hétéro-agrégats. (en vert : microplastiques, en rouge : pigments chlorophylliens, en bleu : enveloppe d’H. triquetra)

D’un point de vue physiologique, aucun effet n’a été observé sur la croissance ou la fluorescence des 3 espèces de phytoplancton, peut-être du fait d’une concentration testée relativement faible. A contrario de nombreuses études ont déjà démontré des effets physiologiques et toxicologiques des déchets plastiques sur un large éventail d’organismes marins, mettant ainsi en avant le problème de l’évaluation des teneurs en polluants, testées lors des expériences en laboratoire ; en deçà d’un certain seuil, la quantité est trop faible pour en observer l’effet, au-delà elle dépasse, à l’inverse, largement ce que l’organisme peut supporter au point que des effets néfastes vont inévitablement être relevés. Cette observation n’est pour autant, pas forcément significative de ce qui se passe réellement en milieu naturel où il reste difficile de quantifier ces microparticules. Même si elle ne reflète pas la complexité de l’environnement marin, cette étude démontre qu’il existe potentiellement des interactions phytoplancton/microplastique qui semblent dépendre de l’espèce et du cycle physiologique des microalgues.
Ces interférences peuvent alors avoir un impact sur la distribution et la biodisponibilité des microplastiques et expliqueraient que jusqu’à présent, les quantités de plastiques échantillonnées à la surface des océans, restent moins importantes que celles estimées par les modèles prédictifs. On avance en effet l’hypothèse que ces plastiques seraient partiellement entraînés au fond des océans via leur interaction avec le phytoplancton plus lourd. Par ailleurs, des travaux ont déjà démontré que les bivalves consommaient d’avantage de ces déchets via la formation d’agrégats concentrant les particules synthétiques.

On estime alors que plus les fragments de plastique deviennent petits, plus ils remontent facilement la chaîne alimentaire, jusqu’à nos assiettes. Même s’il est encore trop tôt pour évaluer très  précisément l’impact des microplastiques sur la santé humaine, il est certainement grand temps d’en réduire notre consommation et nos rejets.

Médiation scientifique

Assurée par Fanny Lalegerie, doctorante de l’Ecole Doctorale des Sciences de la Mer et du Littoral (EDSML – Université de Bretagne Occidentale), en 1ère année de thèse au Laboratoire des Sciences de l’Environnement Marin (LEMAR) à l’Institut Universitaire Européen de la Mer (IUEM)

L’article

M. Long, I. Paul-Pont, H. Hégaret, B. Moriceau, C. Lambert, A. Huvet, P. Soudant (2017) Interactions between polystyrene microplastics and marine phytoplankton lead to species-specific hetero-aggregation. Environmental Pollution 228:454–463 . doi: 10.1016/j.envpol.2017.05.047
Les auteurs
Cet article est issu d’une collaboration entre des chercheurs du Laboratoire des Sciences de l’Environnement Marin (https://www-iuem.univ-brest.fr/LEMAR) (LEMAR, UMR 6539, France) et de la School of Chemistry (https://smah.uow.edu.au/chem/index.html) (University of Wollongong, Australia)

La revue

« Environmental pollution » est une revue internationale publiée depuis 1980 par Elsevier et qui s’intéresse aux effets biologiques, sanitaires et écologiques liés à la pollution environnementale.

Contacts

Bibliothèque La Pérouse : Suivi éditorial, rédaction, corrections et mise en page : Fanny Barbier
Service Communication : communication.iuem@univ-brest.fr

Téléchargez le PDF de l’article

L’impact du changement climatique sur la biodiversité et sur les écosystèmes marins

Le changement climatique affecte les organismes marins. Les poissons, les mollusques ou même les communautés microbiennes subissent les modifications de la température de l’eau, du pH et de la teneur en d’oxygène, et ce, à différents stades de leur cycle de vie. A ces contraintes s’ajoutent d’autres facteurs comme la surpêche ou la pollution des océans. Parmi les espèces, certaines peuvent réussir à s’adapter, d’autres migreront ou ont déjà commencé, et enfin certaines risquent de disparaître, perturbant les interactions que les espèces entretiennent entre elles et l’écosystème dans lequel elles évoluaient.

Le flet, poisson estuarien en première ligne

Dans les estuaires, là où les eaux douces des fleuves rencontrent les eaux salées de la mer, de nombreuses espèces trouvent refuge. Certaines s’y abritent la quasi-totalité de leur cycle de vie, d’autres viennent s’y nourrir ou s’y reproduire. Dans ces mêmes zones, les activités humaines sont très présentes (aménagements portuaires, industries, pêche…) et les polluants issus des bassins versants composés des effluents domestiques, industriels et agricoles s’accumulent. C’est également un milieu où le réchauffement climatique se fait davantage ressentir puisque les eaux, peu profondes, sont plus susceptibles de voir leur température augmenter.

Des scientifiques du Laboratoire des sciences de l’environnement marin (LEMAR) tentent de comprendre les impacts de ces pressions sur le cycle de vie des espèces estuariennes. Ils étudient notamment l’effet de ces conditions environnementales particulières sur le flet, poisson plat qui vit l’intégralité de son cycle biologique en estuaire. On le retrouve sur toute la façade atlantique, de la Finlande au Portugal. Il y a 30 ans, les populations de flet étaient présentes jusqu’à la pointe ibérique, mais la limite sud de leur aire de répartition s’est déplacée et se trouve désormais à 150 km au nord de Lisbonne. C’est un des effets du réchauffement climatique.

Les chercheurs étudient les réponses du flet à ce qu’ils appellent des stress multiples : contamination de leur milieu par des polluants et réchauffement climatique. Ils ont pu démontrer que les populations de flet qui vivent dans des estuaires particulièrement pollués, comme c’est le cas de l’estuaire de la Seine, ont d’autant plus de mal à faire face à une augmentation de la température. Ce résultat a été obtenu en 2015 en étudiant des populations de jeunes poissons. Ils poursuivent aujourd’hui leurs travaux afin de d’étudier l’impact du réchauffement sur les différents stades du cycle de vie de ce poisson en fonction du niveau de contamination du milieu. Lancé en 2018, le projet POPEST va comparer différents estuaires, qu’ils soient très pollués, comme l’estuaire de la Seine ou beaucoup moins, comme le Belon (Sud-Finistère).

Contact au Laboratoire des sciences de l’environnement marin (LEMAR) : jean.laroche@univ-brest.fr

Quand la coquille Saint Jacques délivre ses secrets

Il y a plus de 20 ans, des chercheurs de l’IUEM ont découvert que la coquille Saint Jacques renfermait une mine d’informations. Tout commence en 1995, quand à l’occasion d’une thèse, des bandes blanches sont constatées sur le bord de toutes les coquilles récoltées en rade de Brest. En les observant à la loupe binoculaire, les scientifiques comptent presque toujours le même nombre de petites stries. Ils mettent en évidence la concomitance de l’apparition de ces stries avec un bloom d’algues toxiques ayant eu lieu au mois de juillet. Les chercheurs parviennent alors à démontrer que les coquilles forment une microstrie par jour.

La coquille devient un précieux instrument permettant de décrypter les variations de l’environnement comme la température ou la teneur en oxygène. Lorsqu’il y a plus d’espace entre les stries, c’est que la croissance s’est accélérée car la coquille a eu accès à plus de lumière et plus de phytoplancton. Une manière d’étudier le réchauffement climatique, en rade de Brest, ou encore en Terre Adélie, où des coquillages similaires fournissent des informations sur la période d’ouverture des glaces pendant l’été. Une manière également de remonter dans le temps puisque certains de ces animaux vivent 400 à 500 ans et permettent d’étudier les environnements passés.

Contact au Laboratoire des sciences de l’environnement marin (LEMAR) : yves-marie.paulet@univ-brest.fr

La pompe biologique de carbone, régulatrice du climat

L’océan joue un rôle fondamental de régulateur du climat. Mais, s’il contribue à ralentir le changement climatique, les émissions de CO2 viennent également perturber des processus naturels avec des impacts plus ou moins certains sur les écosystèmes marins.

Le phytoplancton, acteur de la pompe biologique de carbone

A la surface de l’océan, vivent des algues microscopiques qui dérivent, connues sous le nom de phytoplancton. Elles ont accès à la lumière du soleil et utilisent son énergie pour faire de la photosynthèse. Elles transforment ainsi le CO2 et produisent plus de la moitié de l’oxygène que nous respirons. Le carbone fixé par ces organismes permet de nourrir les animaux marins. Les particules (pelotes fécales, cellules mortes, détritus) migrent ensuite vers le fond. Une petite partie atteint les profondeurs et est alors stockée dans les sédiments pour des millénaires. On appelle ce phénomène la pompe biologique de carbone. Il limite la quantité de CO2 présent dans l’atmosphère et participe à la régulation du climat.

Le projet BioPSis

BioPSis est un projet du LEMAR qui s’intéresse à deux types de phytoplancton acteurs de la pompe biologique de carbone : les diatomées et les cyanobactéries. Les diatomées sont des algues microscopiques avec une carapace à base de silice (composant du verre) qui sont à l’origine d’un quart de l’oxygène que nous respirons. Elles produisent également une très grande quantité de matière organique, à la base de la chaîne alimentaire marine. Les cyanobactéries sont des bactéries photosynthétiques qui sont apparues il y a 3,5 milliards d’années. On les retrouve généralement dans les eaux chaudes. Elles peuvent également cumuler de la silice et forment ainsi des agrégats de matière organique qui transportent le carbone vers les profondeurs de l’océan.

Le but de BioPSis est d’étudier l’efficacité de ces deux types d’algues dans la pompe biologique de carbone dans le contexte du changement climatique et dans deux milieux différents : l’océan Arctique pour les diatomées et la mer des Sargasses pour les cyanobactéries. Le changement climatique modifie les courants marins, ce qui diminue la quantité de nutriments présents à la surface des océans. L’enjeu est de savoir quel est l’impact de cette limitation en nutriments sur le comportement des diatomées et des cyanobactéries et si celui-ci limite le transport de carbone vers les profondeurs.

Le projet Greenedge

Greenedge est un projet international multidisciplinaire auquel participe le LEMAR. Son objet d’étude: le phénomène de bloom printanier en Arctique. Dans cette région, le phytoplancton est essentiellement composé de diatomées et de dinoflagellés. Au printemps, la fonte des glaces permet à la lumière de s’infiltrer et aux nutriments de remonter à la surface favorisant ainsi le développement des micro-algues. L’explosion massive du nombre de cellules phytoplanctoniques est appelée le bloom, qui est à la base de toute la chaîne alimentaire.

Avec le changement climatique et la diminution de l’étendue de la banquise, il arrive que le bloom ait lieu plus tôt dans l’année. Il peut également y avoir un autre bloom à l’automne. Les chercheurs tentent de mieux comprendre les grands cycles biogéochimiques et l’impact sur le réseau trophique en Arctique, c’est-à-dire sur l’ensemble des chaînes alimentaires reliées entre elles dans cet écosystème.

Le projet BioPSis, financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR) pour une durée de 4 ans, a commencé le 1er février 2017. Il est coordonné par Brivaëla Moriceau du LEMAR.

Le projet Greenedge est financé par l’ANR 2014 – 2019. Il est porté par l’Unité Mixte Internationale Takuvik, issue d’un partenariat entre l’Université de Laval (Canada) et le CNRS. Le LEMAR est partenaire du projet. Site pédagogique pour découvrir l’océan Arctique et le projet Greenedge : http://www.aoa.education/fr

Contact: brivaela.moriceau@univ-brest.fr

 

Repère: la stratification de l’océan