Cyanobactéries: caractéristiques, morphologie, systématique, toxicité

Les cyanobactéries, anciennement appelées algues bleu-vert, sont un phylum de bactéries formées par les seuls procaryotes capables d'utiliser la lumière du soleil comme énergie et de l'eau comme source d'électrons dans la photosynthèse (photosynthèse oxygène).

Comme les plantes supérieures contiennent des pigments qui leur permettent de réaliser la photosynthèse oxygénée. Ce phylum comprend environ 2000 espèces appartenant à 150 genres, avec une large gamme de formes et de tailles.

Les cyanobactéries sont des organismes très anciens. Les microfossiles ressemblent beaucoup aux cyanobactéries modernes dans des gisements datant de 2, 1 milliards d'années. Des molécules de biomarqueurs caractéristiques des cyanobactéries ont également été trouvées dans des gisements marins datant de 2 700 et 2 500 millions d'années.

En raison de la capacité des cyanobactéries à produire et à libérer de l'oxygène en tant que sous-produit de la photosynthèse, on pense que leur apparition sur Terre a permis la modification de l'atmosphère, provoquant un événement d'oxygénation important.

L'augmentation de l'oxygène pourrait avoir entraîné une diminution de la concentration de méthane dans l'atmosphère il y a environ 2 400 à 2 100 millions d'années, entraînant l'extinction de nombreuses espèces de bactéries anaérobies.

Certaines souches de cyanobactéries peuvent produire des toxines puissantes dans les environnements aquatiques. Ces toxines sont des métabolites secondaires qui sont libérés dans l'environnement lorsque les conditions environnementales sont extrêmes, dans des environnements eutrophes, avec des concentrations élevées d'éléments nutritifs minéraux tels que le phosphore et des conditions de pH et de température particulières.

Caractéristiques générales

Les cyanobactéries sont des bactéries à coloration Gram-négative, qui peuvent être unicellulaires ou former des colonies sous la forme de filaments, de feuilles ou de sphères creuses.

Au sein de cette diversité, différents types de cellules peuvent être observés:

  • Les cellules végétatives sont celles qui se forment dans des conditions environnementales favorables, dans lesquelles la photosynthèse a lieu.
  • Les akinetes, endospores produites dans des conditions environnementales difficiles.
  • Les hétérocytes, cellules à paroi épaisse, qui contiennent l'enzyme nitrogénase, impliquée dans la fixation de l'azote dans les environnements anaérobies.

Les cyanobactéries sont les organismes les plus simples qui présentent des cycles circadiens, des oscillations de variables biologiques à intervalles de temps réguliers associées à des changements environnementaux périodiques au cours de la journée. L'horloge circadienne des cyanobactéries fonctionne à partir du cycle de phosphorylation de KaiC.

Les cyanobactéries sont réparties dans une grande diversité d'environnements terrestres et aquatiques: roches nues, roches temporairement humidifiées dans les déserts, eaux douces, océans, sols humides et même dans les roches antarctiques.

Ils peuvent faire partie du plancton dans les étendues d'eau, former des biofilms phototrophes sur des surfaces exposées ou établir une relation symbiotique avec des plantes ou des champignons formant des lichens.

Certaines cyanobactéries jouent un rôle important dans les écosystèmes. Microcoleus vaginatus et M. vaginatus stabilisent le sol à l'aide d'une gaine en polysaccharide qui se lie aux particules de sable et absorbe l'eau.

Les bactéries Prochlorococcus produisent plus de la moitié de la photosynthèse en haute mer, apportant une contribution importante au cycle global de l'oxygène.

Plusieurs espèces de cyanobactéries, telles que Aphanizomenon flos-aquae et Arthrospira platensis (Spiruline), sont récoltées ou cultivées comme sources de nourriture, aliments pour animaux, engrais et produits de santé.

Morphologie

Les cellules des cyanobactéries ont une paroi cellulaire hautement différenciée, de type gram négatif, avec une membrane plasmique et une membrane externe séparées par un espace périplasmique.

En outre, ils possèdent un système interne de membranes thylacoïdiennes où résident les chaînes de transfert d'électrons intervenant dans la photosynthèse et la respiration. Ces différents systèmes membranaires confèrent à ces bactéries une complexité unique.

Ils n'ont pas de flagelles. Certaines espèces ont des filaments mobiles appelés hormogonias, qui leur permettent de glisser sur les surfaces.

Les formes filamenteuses multicellulaires, telles que le genre Oscillatoria, sont capables de générer un mouvement ondulant grâce à l'oscillation du filament.

Les autres espèces qui habitent les colonnes d’eau forment des vésicules à gaz, formées par une gousse de protéines, qui leur confèrent une flottabilité.

Les hormogonies sont constituées de cellules minces avec des cellules pointues aux extrémités. Ces cellules sont libérées et mobilisées, poussant dans des endroits éloignés de la principale colonie, où elles créent de nouvelles colonies.

Systématique

La classification des cyanobactéries aux niveaux taxonomiques les plus élevés a été vivement débattue. Selon les codes botaniques, ces bactéries étaient initialement classifiées comme algues bleu-vert (Cyanophyta). Ces études initiales étaient basées sur des caractéristiques morphologiques et physiologiques.

Plus tard, dans les années 1960, lorsque les caractéristiques procaryotes de ces microorganismes ont été établies, les cyanobactéries ont été reclassées sous le code bactériologique.

En 1979, 5 sections correspondant à 5 ordres ont été proposées: section I = Chroococcales, section II = Pleurocapsales, section III = Oscillatoriales, section IV = Nostocales et section V = Stigonematales.

Le système taxonomique des cyanobactéries a été radicalement modifié avec l'introduction de la microscopie électronique et des méthodes moléculaires et génétiques.

La taxonomie des cyanobactéries a été revue presque continuellement au cours des 50 dernières années, au cours desquelles des propositions radicalement différentes ont été générées. Le débat sur la classification des cyanobactéries se poursuit.

Les dernières propositions d'arbres phylogénétiques pour ce phylum proposent l'utilisation des ordres: Gloeobacterales, Synechococcales, Oscillatoriales, Chroococcales, Pleurocapsales, Spirulinales, Rubidibacter / Halothece, Chroococcidiopsidales et Nostocales. Ces ordres sont composés de genres monophylétiques, composés de nombreuses espèces.

Toxicité

On estime qu'il existe 150 genres de cyanobactéries contenant environ 2 000 espèces, dont environ 46 possèdent une souche produisant des toxines.

Dans les écosystèmes aquatiques, l'abondance de cyanobactéries peut atteindre des niveaux très élevés lorsque les conditions environnementales sont propices à leur croissance, ce qui favorise l'accumulation de métabolites secondaires dans le cytoplasme.

Lorsque les conditions environnementales deviennent défavorables, avec l'augmentation des concentrations d'éléments nutritifs minéraux tels que le phosphore, les cyanobactéries meurent, provoquant une lyse des cellules et la libération de toxines dans l'environnement.

Deux principaux types de toxines ont été identifiés: les hépatotoxines et les neurotoxines. Les neurotoxines sont produites principalement par des espèces et des souches des genres: Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria, Trichodesmium et Cylindrospermopsis .

Les neurotoxines agissent rapidement, entraînant la mort par arrêt respiratoire quelques minutes après l'ingestion de fortes concentrations de toxine. La saxitoxine est une neurotoxine paralytique figurant à l'annexe 1 de la Convention sur l'interdiction des armes chimiques.

Les hépatotoxines sont produites par les genres Microcystis, Anabaena, Nodularia, Oscillatoria, Nostoc et Cylindrospermopsis. Ils sont à l’origine du type d’intoxication le plus courant associé aux cyanobactéries. Ils agissent plus lentement et peuvent entraîner la mort quelques heures ou quelques jours après une intoxication.