Academic literature on the topic 'Cyanobactéries – Québec (Province) – Saint-Charles, Lac (Québec)'

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.

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.
Inscrit au Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures

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 > 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 > 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.

Les lacs au Québec ont été soumis à une influence anthropique importante depuis l'établissement des colonies européennes, il y a quatre cents ans. Les apports anthropiques du défrichage, de l'agriculture et de l'urbanisation ont plusieurs conséquences variables pour la limnologie des lacs à travers la province. L'augmentation des températures et les périodes sans glace plus longue due aux changements climatiques au long du dernier siècle auraient pu occasionner des impacts additionnels sur la limnologie des lacs. Les rapports sur l'eutrophisation au Québec sont en croissance, mais des données limnologiques à long terme ne sont pas disponibles. L'étude présente a adopté une approche paléolimnologique afin de fournir une meilleure compréhension des changements a long terme dans les lacs du sud du Québec. Spécifiquement, ce projet a utilisé les pigments biomarqueurs prélevés dans les sédiments des lacs pour examiner la variation historique des communautés phytoplanctoniques. Les pigments photosynthétiques identifiés par chromatographie liquide de haute performance (HPLC) ont été la chlorophylle a (et ces dérivés) et les caroténoïdes d'algues, soient β, β-carotène, alloxanthine, crocoxanthine, diadinoxanthine, fucoxanthine, lutéine, vaucheriaxanthine, échinénone, zéaxanthine et canthaxanthine. L'âge des sédiments a été déterminé par les radio-isotopes 210Pb et 14C, et la concentration de matière organique a été déterminé par perte-au-feu. Une analyse HPLC détaillée d’une carotte de sédiment du Lac Saint-Augustin a montré trois périodes majeures de l’eutrophisation qui correspondent aux augmentations d’activité anthropique dans le lac. Les concentrations de chlorophylle a ont augmenté de 2,35 mg g-1 OM-1 en 1682 à 55,4 mg g-1 OM-1 en 2011. Les biomarqueurs spécifiques des pigments fossiles ont été utilisés pour décrire l’historique de la biomasse phytoplanctonique dans le lac et a indiqué la première occurrence de floraison de cyanobactéries à la fin des années 1860. Une étude de dix lacs québécois a examiné la variabilité de l’ampleur de l’eutrophisation de la région et le synchronisme des réponses à l’enrichissement des lacs. Les résultats ont montré que les populations des cyanobactéries et des autres phytoplanctons ont augmentés à des niveaux sans précédent dans les dernières décennies. Par rapport aux conditions avant la colonisation par les Européens, il y a eu une augmentation générale de pigments et de dominance des cyanobactéries, ce qui souligne l’impact du développement anthropique sur l’eau douce de la région.
Quebec lakes have been subjected to substantial anthropogenic influence since the establishment of European colonies four hundred years ago. Anthropogenic inputs from land clearing, agriculture and urbanization have resulted in variable impacts on the limnology of lakes across the province. Rising temperatures and longer ice-free periods as a result of changing climate over the past century may have resulted in additional impacts on the limnology of these lakes. Reports of eutrophication in the province of Quebec are increasing, but long-term limnological data are not available. The present study adopted a paleolimnological approach to provide an improved understanding of long term change in the lakes of southern Québec. Specifically, the project employed pigment biomarkers from lake sediments to examine the historical variations in phytoplankton communities. The photosynthetic pigments identified by high performance liquid chromatography (HPLC) were chlorophyll a (and its derivatives) and the algal carotenoids β, β-carotene, alloxanthin, crocoxanthin, diadinoxanthin, fucoxanthin, lutein, vaucheriaxanthin, echinenone, zeaxanthin and canthaxanthin. Sediment age was determined by 210Pb and 14C, and organic matter concentration was determined by loss-on-ignition. The detailed HPLC analysis of a sediment core from Lac Saint-Augustin revealed three major periods of enrichment corresponding to increases of anthropogenic activity in the lake. Chlorophyll a concentrations increased significantly from the base of the core to present day, rising from 2.35 mg g-1 OM-1 in 1682 to 55.4 mg g-1 OM-1 in 2011. Specific fossil pigment biomarkers were used to describe the history of phytoplankton biomass in the lake, and indicated the first occurrence of cyanobacterial blooms in the 1860s. A study of ten Quebec lakes addressed the variability in magnitude of eutrophication in this region, and the synchronicity in timing and responses to enrichment among lakes. The results showed cyanobacterial and associated phytoplankton populations have risen to unprecedented levels over the last few decades of ongoing development. Relative to pre-European settlement conditions, there was an overall increase in pigments and cyanobacterial dominance, highlighting the overall impact of anthropogenic development on the freshwater resources of this region.

La sensibilité du lac Saint-Charles à l'eutrophisation a été démontrée. Des installations septiques sont soupçonnées de contribuer à son enrichissement en nutriments. La littérature révèle que certaines installations septiques âgées provoquent une contamination de la nappe, notamment en phosphore. Cette étude présente un modèle conceptuel de la contamination issue d’installations septiques basé sur la littérature et un portrait sommaire de l’hydrogéologie du bassin-versant du lac Saint-Charles. Des essais en colonnes ont été menés sur trois échantillons de sédiments récoltés dans la zone d’étude. Les résultats de ces essais suggèrent un épuisement éventuel des sites de rétention de phosphore et la libération de fortes concentrations de phosphore suite à l’introduction d’eau pure. La présence d’une zone oxydante augmente la quantité de phosphore retenue et diminue la réversibilité des mécanismes de rétention du phosphore. Les installations septiques contribuent probablement à l’eutrophisation du lac Saint-Charles, surtout lorsque leur conception ou utilisation ne favorisent pas l’oxydation de l’effluent.
The changes of Lac Saint-Charles toward eutrophication have been demonstrated. Septic systems are suspected to contribute to its enrichment in nutrients. Literature reveals that aged septic systems can lead to groundwater contamination, including release of phosphorus which is responsible for lacustrine eutrophication. This study presents a conceptual model of contamination from septic systems as described in the literature and a general description of the hydrogeology of lac Saint-Charles’ watershed. Column tests were carried out on three sediment samples from the study area. Results suggest an eventual exhaustion of retention sites and the release of important concentrations of phosphorus following the introduction of pure water. Presence of an oxidizing zone will increase the retention and diminish the reversibility of the phosphorus attenuation mechanism. Aged septic systems most probably contribute to lac Saint-Charles eutrophication, more importantly when their use or design do not favour effluent oxidation.