Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Microbien écotoxicologie“

Dans le cadre du projet ARISTO, ma thèse aborde la nécessité de faire progresser l'évaluation des risques engendrés par l’utilisation de pesticides pour les microorganismes du sol. Etant donné l'ampleur des applications annuelles de pesticides et l'accumulation possible des ingrédients actifs et de leurs produits de transformation dans le sol, il devient urgent de développer une stratégie d'évaluation des risques précise et efficace. Dans cette thèse, une attention particulière est portée aux microorganismes nitrifiants car ils jouent un rôle crucial dans le cycle de l'azote dans le sol. Par ailleurs, alors que les réponses des communautés microbiennes du sol à l’application de pesticides commencent à être étudiées, il existe un manque de connaissances important concernant les effets de ces composés sur les nématodes du sol, communauté qui interagit étroitement avec la communauté microbienne. Cette thèse vise également à combler cette lacune en étudiant les réponses des microbes du sol et des communautés de nématodes libres à l’application de pesticides en mélange, par le biais d'approches expérimentales en microcosmes au laboratoire et en plein champs. Différentes approches moléculaires (qPCR et metabarcoding) ont été utilisées pour étudier les changements dans la communauté microbienne dus à l'application de mélanges de pesticides, tandis que les impacts sur les communautés de nématodes ont été évalués à l'aide de l'identification taxonomique traditionnelle. Nos résultats suggèrent que l’application de pesticides en mélange n'a pas un impact plus fort sur les communautés microbiennes et de nématodes que celui mesuré pour chacun des pesticides étudiés appliqués isolément. Dans l'ensemble, les outils moléculaires utilisés ciblant les microorganismes et l'identification taxonomique des nématodes fournissent des informations complètes sur l'impact des mélanges de pesticides sur les acteurs clés du réseau trophique du sol, qui pourraient être intéressantes à mettre en œuvre dans le cadre d'une nouvelle révision de l'actuelle règlementation de l'UE sur l’évaluation des risques causés par l’utilisation des pesticides
Abstract: Within the ARISTO project, this thesis addresses the need to advance the Environmental Risk Assessment (ERA) of pesticides for soil microbes. Given the magnitude of pesticide applications annually and the possible accumulation of active ingredients and their main residues in soil, there is an urgent need to develop an accurate and effective risk assessment strategy. Particular attention is directed towards ammonia oxidizers, crucial contributors to the soil nitrogen cycling. While soil microbial responses to pesticides are relatively well studied, there is a significant knowledge gap regarding the effects on free-living nematodes, organisms closely interacting with the microbial community. This thesis aims also to explore this gap by investigating the responses of both soil microbes and free-living nematodes communities to pesticide mixtures, through a lab-to-field experimental approach.Molecular techniques such as qPCR and next generation sequencing were employed to study changes in microbial community due to pesticide mixture application, while impacts on free-living nematodes were recorded with the traditional taxonomical identification. Our findings suggest that pesticide mixtures do not have a stronger impact on the microbial and nematode communities than that produced by each of the pesticide studied. Overall, molecular techniques targeting microbes and taxonomical identification of nematode provide comprehensive information on the impact of pesticide mixture on the key players of the soil food web, that could be of interest to be implemented in a further revision of the current pesticides EU regulation

Dans le cadre de l’évaluation du risque, des tests d’écotoxicité plus représentatifs de la réalité environnementale tenant compte de la complexité des écosystèmes doivent être développés. Malgré l’importance des microorganismes dans les écosystèmes et les processus fonctionnels associés, ceux-ci restent trop peu considérés dans les tests d’écotoxicité. Le principal objectif de cette thèse a donc été le développement d’un réseau trophique microbien modèle pour évaluer l’impact des contaminants sur les écosystèmes dulçaquicoles. Ce réseau est composé de rotifères (Brachionus calyciflorus, consommateurs primaires et secondaires) se nourrissant à la fois d’algues (Chlorella vulgaris, producteur primaire) et de protozoaires (Tetrahymena pyriformis, cilié bactérivore). Les protozoaires, associés à un consortium microbien nitrifiant produit au laboratoire, forment une boucle microbienne qui assure le lien trophique entre les bactéries et les métazoaires. Tous les organismes de ce réseau microbien sont en interaction les uns avec les autres de par des relations trophiques (proie-prédateur) et/ou de par les fonctions qu’ils assurent au sein de l’écosystème (production d’oxygène, production primaire, recyclage des nutriments). Le système est conditionné en volume de 4 ml et peut être suivi sur une durée d’au moins 28 jours sans renouvellement de milieu, permettant par exemple l’analyse de la résilience du système sur des temps longs. Afin d’évaluer au mieux les différents effets des polluants sur le réseau trophique, diverses méthodes analytiques ont été adaptées et testées sur ce système. Parmi elles, le suivi de la dynamique de population des rotifères s’est avéré être un paramètre probant pour évaluer de manière simple et rapide la réponse du réseau à des contaminants
In the framework of risk assessment, more environmentally realistic ecotoxicity tests taking complexity of ecosystems into account must be developed. Despite the importance of microorganisms in ecosystems and in their associated functional processes, this compartment is not enough taken into account in ecotoxicity assessment. The main objective of this thesis was the development of a model microbial food web to evaluate impact of contaminants on freshwater ecosystems. This network is composed of rotifers (Brachionus calyciflorus, primary and secondary consumers) that feed on both algae (Chlorella vulgaris, primary producer) and protozoa (Tetrahymena pyriformis, bacterivorous ciliate). A nitrifying microbial consortium produced in the laboratory associated with protozoa constitute a microbial loop that ensure trophic links between bacteria and metazoans. Organisms of the microbial network are in interaction by trophic relationships (prey-predator) and/or by functions they ensure within the ecosystem (oxygen production, primary production, nutrient recycling). The system can evolve into 4 ml over at least 28 days without medium renewing and, for example can allow to analyze the resilience of the system over a long period of time. In order to better evaluate different effects of pollutants on the food web, various analytical methods have been adapted and tested on this system. Among them, monitoring rotifer population dynamics was found to be a suitable parameter to evaluate the response of the miniaturized ecosystem to contaminants in a simple and fast way

De nombreux herbicides ciblent une enzyme végétale aussi retrouvée chez des organismes dits « non-cibles » tels que les microorganismes. Ce travail de thèse vise à établir la preuve de concept que les gènes microbiens codant l’enzyme ciblée ou l’activité de l’enzyme elle-même peuvent servir de marqueur d’impact écotoxicologique des herbicides dans les sols. L’enzyme HPPD (4-hydroxyphénylpyruvate dioxygénase) et le gène du même nom, cible des herbicides bêta-tricétones, sont sujets d’étude. Des études in silico montrent que le gène hppd est présent dans de nombreux genres bactériens et un couple d’amorces ciblant une majorité des séquences décrites a été dessiné. Ce dernier a servi à mesurer l’abondance, la composition et la diversité de la communauté bactérienne hppd de microcosmes de sols exposés à la sulcotrione ou à sa formulation commerciale, le Decano®. Les mêmes mesures sont réalisées sur des champs agricoles traités avec des ?-tricétones pendant une année. A l’échelle de la communauté, aucun effet des herbicides n’est décelable, renforçant leur réputation « eco-friendly ». Au niveau enzymatique, des études de docking moléculaire montrent que les herbicides se lient plus fortement à l’HPPD de certaines souches. Le bioessai développé soutient cette observation : les ?tricétones ont un effet variable sur l’activité HPPD en fonction de la souche considérée. La tembotrione inhibe plus fortement l’activité HPPD de Bacillus cereus ATCC14579 et Shewanella oneidensis MR-1 que la sulcotrione et la mésotrione. A l’avenir, ce bioessai pourrait être utilisé comme marqueur d’exposition des sols aux herbicides ?-tricétones dans une optique d’évaluation du risque par les autorités
Numerous herbicides target an enzyme found not only in weeds but also in « non-target organisms » such as microorganisms. This proof-of-concept study aims to use microbial gene encoding the targeted enzyme or the targeted enzyme itself as a marker for herbicide exposure in soils. The hppd gene and the encoded enzyme (HPPD; 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase), targeted by B-triketone herbicides, are the subject of this study. In silico analyses reveal that the hppd gene is spread out in all bacterial phyla. Primers specific to this gene were designed. This primer pair is used to measure the abundance, the composition and the diversity of the hppd bacterial community in soil microcosms exposed to sulcotrione or its commercial formulation, Decano®. Similar measurements are made, over a cropping cycle, on agricultural fields treated with various herbicides, including B-triketones. No significant effect of B-triketone herbicides were observed at the bacterial community scale, strengthening their “eco-friendly” reputation. At the enzymatic scale, molecular docking studies reveal that B-triketones bind more closely to certain bacterial HPPD than others. The developed bioassay reinforces this observation: regarding the bacterial strain, ?-triketones have a variable inhibitory effect on the HPPD enzymatic activity. Tembotrione has a greater inhibitory effect on the HPPD activity of Bacillus cereus ATCC14579 and Shewanella oneidensis MR1 than sulcotrione and mesotrione. This bioassay could be used as a marker of exposure for B-triketones risk assessment studies requested by authorities in charge of pesticide regulation

Ce travail de thèse vise à décrire l'écodynamique d'herbicides -tricétones synthétiques (sulcotrione et mésotrione) et naturel (leptospermone) et à estimer leur impact écotoxicologique sur la communauté bactérienne de sols agricoles. Les processus impliqués dans la dissipation de ces herbicides (adsorption et biodégradation) ont été étudiés dans des microcosmes de sol. Deux souches bactériennes, Bradyrhizobium sp. SRl dégradant la sulcotrione et la mésotrione, et Methylophilus sp. LS1 dégradant la leptospermone ont été isolées. Une banque de 12000 mutants de Bradyrhizobium sp. SRl a été construite et deux mutants Sul• ont été sélectionnés, mais les gènes interrompus ne codent pas pour les enzymes de dégradation de la sulcotrione. L'impact écotoxicologique des tricétones synthétique (sulcotrione) et naturelle (leptospermone) sur la communauté bactérienne du sol a été estimé à l'aide d'outils de métagénomique et de métabolomique. La leptospermone modifie de manière transitoire la diversité et la composition de la communauté bactérienne, en accord avec sa rémanence dans les sols. La sulcotrione ne modifie ni la diversité ni la composition de la communauté bactérienne. La combinaison des approches de métagénomique et de métabolomique est prometteuse pour évaluer l'impact écotoxicologique des herbicides sur les microorganismes du sol
This work aims to describe the ecodynamics of synthetic (sulcotrione and mesotrione) and natural (leptospermone) -triketone herbicides and to estimate their ecotoxicological impact on the bacterial community in arable soils. The processes involved in the dissipation of these herbicides (adsorption and biodegradation) have been studied in soil microcosms. Two bacterial strains, Bradyrhizobium sp. SRl able to degrade sulcotrione and mesotrione, and Methylophilus sp. LS1 degrading leptospermone, have been isolated. A bank of 12 ooo mutants of Bradyrhizobium sp. SR1 was established allowing the selection of two Sul•mutants but interrupted genes didn't code for enzymes degrading sulcotrione. The ecotoxicological impact of synthetic (sulcotrione) and natural (leptospermone) triketones on soil bacterial community was estimated using metagenomics and metabolomic tools. Leptospermone transitory modified the diversity and composition of the bacterial community, in accordance with its persistence in soil. Sulcotrione did not modified neither the diversity nor the composition of the bacterial community. The combination of metagenomics and metabolomics is promising for the assessment of ecotoxicological impact of herbicides on soil microorganisms

Les microbes ou micro-organismes sont les producteurs primaires des services écosystémiques pour les cycles biogéochimiques de la terre et les systèmes biologiques. Les xénobiotiques marquent une nouvelle ère anthropogénique « l’anthropocène », et ils représentent une source de sélection artificielle de la structure et de la composition de la biodiversité microbienne. Par conséquent, les perturbations anthropogéniques sont néfastes pour les systèmes microbiens et induisent des changements adaptatifs ou des dommages dans leurs répertoires génotypiques. L’assemblage des communautés microbiennes durant la résistance et la résilience est gouverné par des processus éco-évolutifs. Ce travail découle de l’intersection transdisciplinaire de l’écotoxicologie, l’écologie microbienne, la métagénomique et la bioinformatique. L’objectif de ce travail consiste à étudier les signatures adaptatives de la résistance et de la résilience microbienne selon deux modèles. Le premier est environnemental (E) composé d’un bassin versant lacustre contaminé par des métaux lourds. Le deuxième modèle est hôte-associé (HA), constitué d’un système expérimental d’exposition de la Perchaude (Perca flavescens) au chlorure de cadmium selon deux régimes constant et graduel. Trois nouveautés résument les travaux de cette thèse de doctorat. Premièrement, le phénomène de découplage taxon-fonction a été démontré pour la première fois, dans le système E sous un gradient sélectif de pollution, et au sein du microbiote cutané dans le système HA durant sa période de résilience. Deuxièmement, des altérations significatives de la diversité taxonomiques et fonctionnelles mettent en évidence des signatures adaptatives du résistome et de l’érosion des fonctions métaboliques dans le système E. Quant au système HA, le stress métallique a augmenté la prévalence significative de souches pathogènes et des opportunistes avec une dysbiose cutanée de la perchaude accompagnée par une réduction de sa capacité de résistance à une colonisation bactérienne massive. Troisièmement, la modélisation de l’assemblage bactérien de microbiote du système HA montre des rôles confondus de l’ontogenèse et de la force de sélection durant la période de résistance. La persistance des effets à long terme de la sélection durant le stade de résilience a été expliquée par une augmentation inattendue de la bioaccumulation du cadmium dans les tissus hépatiques de l’hôte. En conclusion, nos travaux montrent que l’adaptation des répertoires métagénomiques peut être décelée par le phénomène de redondance fonctionnelle observée à l’échelle de découplage taxon-fonction, ce qui reflète potentiellement une stratégie adaptative par transfert horizontal de gènes partagés entre les communautés microbiennes environnementales sous perturbation graduelle. Dans le système HA, l’assemblage de microbiote montre un gradient de processus neutres et non neutres. Enfin, la dérive taxonomique serait une force écologique non négligeable plus importante dans le système environnemental que dans le système intestinal durant et après la perturbation.
Microbes or microorganisms are the primary producers of ecosystem services for biogeochemical cycles of the earth and biological systems. Xenobiotics mark a new anthropogenic era, "the Anthropocene," and they represent a source of artificial selection of the structure and composition of microbial biodiversity. As a result, anthropogenic disturbances are detrimental to microbial systems and induce adaptive changes or damage in their metagenomic repertories. During resistance and recovery, the ecological processes governing the assembly of microbial communities cannot be dissociated from those of microbial evolution. This work stems from the transdisciplinary intersection of ecotoxicology, microbial ecology, metagenomics and bioinformatics. The main goal is to understand the adaptive signatures of microbial resistance and resilience in two models. The first is environmental (E) composed of a lake-bound watershed contaminated by heavy metals. The second model is hostassociated (HA), consisting of an experimental system of perch (Perca flavescens) intoxicated with cadmium using two steady and gradual regimes. Three novelties summarize the work of this doctoral thesis. Firstly, the phenomenon of taxon-function decoupling has been demonstrated for the first time, in the E system under selective pollution gradient, and second, within the cutaneous microbiota in the HA system during its recovery stage. Third, the microbiota assembly modelling in the HA system suggested mixed effects of ontogenesis, and selective pressure during the period of resistance and recovery. The increase in cadmium bioaccumulation in liver tissues of perch can argue the persistence of the long-term effects of selection during the recovery stage. In conclusion, our work showed that the adaptation of microbial metagenomic repertories could be revealed through functional and taxonomic redundancy patterns observed at the scale of taxon-function decoupling. The gap between functional and taxonomic diversity reflects an adaptive strategy by horizontal gene transfer among environmental communities microbial under gradual disruption In the HA system, the microbiota assembly shows a gradient of neutral and non-neutral processes. Finally, the taxonomic drift is a significant ecological force, more effective in the environmental system than in the intestinal system during and after the disruption.

Les acides gras, principaux composants des lipides de stockage et de structure, sont indispensables au maintien de la fluidité membranaire et au stockage de l'énergie métabolique. L’impact des pesticides sur les profils d'acides gras ont déjà été étudiés chez les microalgues marines, mais peu d’études se sont intéressées aux réponses des diatomées d'eau douce. De plus, aucune étude n'a porté sur l'impact des herbicides sur leur teneur en lipides. Les principaux objectifs de cette étude étaient : 1) de comparer les profils d'acides gras et les réponses des « descripteurs classiques » afin d'évaluer leur complémentarité, 2) d’estimer l'effet des herbicides sur la composition en lipides d'une diatomée d'eau douce et enfin, 3) d’examiner le potentiel du 20:5n3 en tant que biomarqueur de la pollution en herbicides. Pour ce faire, Gomphonema gracile et Nitzschia palea ont été exposées pendant sept jours au diuron et au S-métolachlore à 10 μg.L-1. Le diuron s’est avéré plus toxique par rapport au S-métolachlore à 10 μg.L-1 tout au long de cette étude. Les acides gras ont été impactés par le diuron à l'inverse de la teneur en pigments et ont permis d’informer sur la variation du contenu énergétique des diatomées en réponse à une pollution contrairement aux « descripteurs classiques ». La composition lipidique totale a été impactée par le diuron avec une diminution des lipides de stockage. Le diuron a affecté le contenu en 20:5n3 des lipides impliqués dans la photosynthèse. Sur la base d'études précédentes et de ces résultats, il est suggéré que la teneur en 20:5n3 dans les diatomées pourrait être un bon biomarqueur de la pollution des eaux par le diuron
Fatty acids (FA), which are the main components of storage and structural lipids, are crucial for the maintenance of membrane fluidity and play a central role in metabolic energy storage. Pesticide impacts on FA profiles have been documented in marine microalgae, but remain understudied in freshwater diatoms. In the same way, no study has focused on the impact of herbicides on their lipid content. The main aims of this study were to: 1) compare the responses of FA profiles and “classical descriptors” in order to evaluate their complementarity, 2) estimate the effect of herbicides on lipid content and composition of one freshwater diatom and finally, 3) examine the potential of 20:5n3 as a biomarker of herbicide pollution. To address these issues, Gomphonema gracile and Nitzschia palea were exposed during seven days to diuron and S-metolachlor at 10 μg.L-1. The results demonstrated higher toxicity of diuron compared to S-metolachlor at 10 μg.L-1 on all descriptors studied. FA responded to diuron contamination conversely to pigment content and permitted to document energy content variations in diatoms subjected to herbicide stress conversely to “classical descriptors”. Total lipid composition was impacted by diuron with a notable decrease of storage lipids. Diuron affected the content of 20:5n3 in lipids involved in photosynthesis. Based on previous studies and our current findings, it is suggested that 20:5n3 content in diatoms could be a good biomarker of diuron pollution in freshwaters

L’utilisation du chlordécone (CLD) pour éradiquer les populations de charançon noir dans les bananeraies des Antilles françaises (Guadeloupe et Martinique) entre 1972 et 1993 a conduit à la contamination des sols et de l’environnement. Cet insecticide organochloré très hydrophobe persiste dans les sols d’où il transfère lentement vers les ressources en eau et vers les biotes terrestre et aquatique (plantes, animaux, poissons, crustacées). Réputé « indégradable », le CLD résiste à la photolyse, à l’hydrolyse et à la biodégradation. A ce jour, il n’existe pas de méthode pour remédier les 20 000 hectares de sols pollués avec cet insecticide. Compte-tenu de l’étendue de la pollution avec le CLD, les procédés biologiques de décontamination paraissent appropriés au contexte antillais. Les objectifs de mon travail de thèse étaient d’explorer les possibilités de transformation microbienne du CLD et l’impact écotoxicologique du CLD sur la communauté microbienne des sols. Mes travaux reposent sur l’hypothèse selon laquelle des populations microbiennes exposées de manière chronique au CLD se seraient adaptées à sa dégradation pour détoxifier leur environnement ou éventuellement pour l’utiliser comme source d’énergie pour leur croissance. Pour cela, j’ai développé une méthode d’analyse du CLD dans les sols et les cultures microbiennes basée sur l’isotopie stable. J’ai conduit des expériences d’enrichissement à partir de sols de Guadeloupe pollués avec le CLD. Une centaine de souches fongiques et près de 200 souches bactériennes ont été isolées. Aucunes souches bactériennes dégradantes n’ont pu être mises en évidence bien que certaines formaient un halo de dissolution du CLD sur milieu gélosé. Parmi les isolats fongiques, seul F. oxysporum sp. MIAE01197 se développait sur un milieu minéral contenant le CLD comme seul source de carbone et dissipait 40% du CLD. Cet isolat était deux fois plus tolérant au CLD qu’un isolat de référence jamais exposé au CLD. Cet isolat minéralisait très peu le 14C-CLD, formait très peu de 14C-métabolites, mais le 14C-CLD s’adsorbait sur les parois fongiques, suggérant que l’adsorption était le principal mécanisme impliqué dans la dissipation du CLD. L’analyse de trois autres isolats appartenant au genre Aspergillus a confirmé que l’exposition au CLD était un des paramètres améliorant la tolérance des souches fongiques au CLD et que la biomasse fongique était capable d’adsorber le CLD dans des proportions proches de celles obtenues avec du charbon actif utilisé pour traiter l’eau potable aux Antilles. L’évaluation de l’impact écotoxicologique du CLD sur la communauté microbienne et les fonctions qu’elle supporte a été menée sur deux sols aux propriétés physicochimiques contrastées n’ayant jamais été exposés au CLD. L’analyse de la structure globale (évaluée par RISA), de l’abondance et de l’activité de la communauté microbienne du sol argilo-limoneux n’étaient pas affectées par le CLD. En revanche, la composition taxonomique (qPCR) et l’activité respiratoire de la communauté microbienne étaient affectées par le CLD dans le sol sableux. Ces résultats montrent que la toxicité du CLD pour la communauté microbienne dépend des propriétés physicochimiques du sol qui conditionne sa biodisponibilité. Des études complémentaires devront être menées pour évaluer la toxicité possible du CLD sur des fonctions écosystémiques des sols des Antilles
The use of chlordecone (CLD) to eradicate the weevil populations in the banana plantations in the French West Indies (Guadeloupe and Martinique) between 1972 and 1993 led to the contamination of the soil and the environment. This very hydrophobic organochlorine insecticide persists in the soil where it slowly transfers not only to the water resources but also to terrestrial and aquatic biota (plants, animals, fishes, shellfishes). Deemed “non-degradable”, CLD is resistant to photolysis, hydrolysis and biodegradation. To date, there is no method to remediate the 20,000 hectares of polluted soil with this insecticide. Given the extent of CLD pollution, biological decontamination processes appear appropriate to the Caribbean context. The objectives of my thesis were to explore the possibilities of microbial transformation of CLD and to assess the ecotoxicological impact of CLD on the soil microbial community. My work is based on the hypothesis that microbial populations chronically exposed to CLD would be adapted to its degradation to detoxify their environment or possibly for use as an energy source for growth.To do so, I developed an analysis method in soils and microbial cultures based on the use of stable isotope to trace CLD. I conducted enrichment experiments with CLD polluted soils from Guadeloupe yielding in the isolation of one hundred fungal strains and nearly two hundred bacterial strains. No degrading bacterial strains have been identified although few of them formed dissolution halo of CLD on solid media. Among the fungal isolates, only F. oxysporum sp. MIAE01197 grew on a mineral medium containing CLD as sole carbon source and dissipated 40% of the CLD. This isolate was twice more tolerant than the reference isolate which had never been exposed to CLD. This isolate mineralizes 14C-CLD very lowly, formed very few 14C-metabolites, but the 14C-CLD was adsorbed on the fungal cell walls, suggesting that the adsorption was the main mechanism involved in the dissipation of the CLD. Analysis of three other isolates belonging to the genus Aspergillus confirmed that exposure to CLD was one of the parameters improving the tolerance of fungal strains to CLD and fungal biomass was capable of adsorbing the CLD in proportions close to those obtained with activated carbon used to treat drinking water in the French West Indies.The assessment of the CLD ecotoxicological impact on the microbial community and functions it supports was carried out on two soils never exposed to CLD showing contrasting physicochemical properties. The analysis of the overall structure (evaluated by RISA), the abundance and the activity of the microbial community of the silty-clay soil were not affected by the CLD. However, the taxonomic composition (evaluated by group specific qPCR) and respiratory activity of the microbial community were affected by the CLD in the sandy soil. These results showed that the toxicity of CLD for microbial community depends on the physicochemical properties of the soil which may determine its bioavailability. Further studies are needed to evaluate the possible toxicity of the CLD on Caribbean soil ecosystemic functions

Les micropolluants, dont les pesticides et les résidus pharmaceutiques, constituent une menace pour les écosystèmes aquatiques. Dans ces écosystèmes, les micropolluants rencontrent l'interface sédiment-eau (SWI), une zone biogéochimiquement active pour leur dissipation. Cette thèse examine les facteurs environnementaux impliqués dans la dégradation des micropolluants emblématiques, tels que le (S)-métolachlore (herbicide agricole), le terbutryn (biocide urbain) et la metformine (médicament antidiabétique), dans des microcosmes de laboratoire mimant l'interface eau-sédiment. Elle explore comment les communautés procaryotes répondent à l'exposition à des mélanges de micropolluants, à des événements de contamination successifs et à des conditions variables d'oxygène. La metformine et le métolachlore se sont dissipés, tandis que la terbutryne persiste. La metformine se dégrade aussi en anoxie. L'analyse de séquence des amplicons du gène 16S ARNr a mis en évidence des réponses distinctes des communautés microbiennes dans les expériences avec des micropolluants individuels ou en mélanges, ainsi qu'un effet combiné de l'exposition à la metformine et des alternances des conditions d'oxygène. Un nouveau modèle a mis en évidence des effets non additifs, antagonistes et synergiques des micropolluants sur des taxons spécifiques. Enfin, des expériences exploratoires de marquage isotopique stable avec du glucose 13C et de la metformine 13C2-méthylée permettent d’identifier les procaryotes assimilant potentiellement la metformine-diméthylamine. Cette thèse fournit un cadre pour l’étude des dynamiques régissant le comportement des micropolluants et souligne la diversité des interactions potentielles entre les micropolluants, les communautés procaryotes et les facteurs environnementaux dans l'étude de l'interface eau-sédiment multi-contaminée
Micropollutants, including pesticides and pharmaceuticals, pose a growing threat to aquatic ecosystems. In aquatic ecosystems, micropollutants encounter the sediment-water interface (SWI), a crucial biogeochemical hotspot for their dissipation. This PhD thesis examines the effects of environmental factors on the degradation of emblematic micropollutants, such as (S)-metolachlor (agricultural herbicide), terbutryn (urban biocide) and metformin (antidiabetic drug) in laboratory microcosms mimicking the sediment-water interface. Additionally, it explores how prokaryotic communities respond to exposure to micropollutant mixtures, successive contamination events, and varying oxygen conditions. Dissipation of metformin and metolachlor occurred while terbutryn persisted. Metformin dissipation also occurred under anoxic conditions. Sequence analysis of 16S rRNA gene amplicons evidenced distinct responses of prokaryotic communities in experiments with individual micropollutant or mixtures thereof, and a combined effect of metformin exposure and alternances of oxygen conditions. A newly developed model highlighted non-additive antagonistic and synergistic effects of micropollutants on specific taxa across taxonomic levels. Finally, exploratory Stable Isotope Probing experiments with 13C-glucose and methyl-labelled 13C2-metformin were designed to identify potential metformin-dimethylamine assimilating prokaryotes. Altogether, this thesis provides a framework to investigate dynamics governing the behaviour of micropollutant mixtures and underscores the diversity of potential interactions between micropollutants, prokaryotic communities, and environmental factors in the study of multi-contaminated SWI

Ces travaux s'inscrivent dans une problématique actuelle de compréhension des effets, encore peu connus, des mélanges de pesticides dans le sol. Les formulations d'herbicides S-métolachlore (Dual Gold Safeneur®), mésotrione (Callisto®) et nicosulfuron (Milagro®) ont été appliquées en mélanges et à la dose agronomique recommandée. Les molécules formulées sont plus toxiques que les molécules actives seules (Microtox®) et aucun effet synergique ou antagoniste des mélanges n'a été observé. Cependant, ces mélanges impactent transitoirement et à court terme les communautés microbiennes du sol de Limagne, sans modifier les paramètres généraux de structure et d'abondance. Toutefois, des effets ont été mis en évidence sur des communautés sensibles telles que les phototrophes ou celles impliquées dans les processus de nitrification et de dénitrification. De plus, une comparaison des effets des mélanges sur les communautés phototrophes de deux sols souligne l'importante toxicité du Dual Gold Safeneur® et remet en cause son utilisation d'un point de vue écotoxicologique.

De nombreux cours d’eau sont exposés aux polluants métalliques. Dans ces milieux, les communautés microbiennes structurées sous forme de biofilms peuvent être affectées par ces polluants. Or, une des questions prégnantes en écotoxicologie concerne l’évaluation des impacts toxiques dans le cas de combinaisons multi-stress. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce travail était d’évaluer l’influence de la température sur la réponse du biofilm à une exposition au cuivre (Cu). Cet objectif a été abordé en considérant l’influence de la température, d’une part, sur la sensibilité des communautés au Cu, et d’autre part, sur l’exposition des communautés de biofilm à ce métal. Ces travaux ont été réalisés en microcosmes de laboratoires et menés sur des biofilms prélevés à différentes saisons. Nous avons tout d’abord optimisé les protocoles utilisés pour mesurer i) les niveaux de tolérance des communautés au Cu et ii) la bioaccumulation du Cu dans les biofilms. Les résultats des expérimentations ont révélé que la température pouvait moduler l’impact structural et fonctionnel du Cu sur les biofilms, du fait notamment d’une diminution de la bioaccumulation aux plus fortes températures. En complément, les résultats ont mis en évidence l’influence d’une hausse de la température sur la sensibilité des communautés au Cu, qu’elles aient été préalablement exposées (PICT) ou non à ce métal. Cependant, nous avons observé que les effets de la température sur la réponse du biofilm étaient variables d’une étude à l’autre, suggérant une influence de nombreux paramètres, tels que la composition initiale de la communauté, les niveaux de stress appliqués (température et Cu), le compartiment microbien étudié (phototrophe ou hétérotrophe), ou les fonctions considérées
Many streams are impacted by metallic pollution. In such ecosystems, microbial communities, which grow preferentially as biofilms, can be affected by these pollutants. However, there is a need to better assess the impact of toxic substances under multi-stress interactions. In this context, the main aim of this work was to evaluate the effect of temperature on biofilm response to copper (Cu) exposure. Accordingly, we addressed the influence of temperature on microbial community sensitivity to Cu on the one hand, and its influence on biofilm exposure to this metal on the other hand. Microcosm experiments were performed under laboratory conditions using biofilms sampled in winter or summer. This work allowed us to set up new methodological developments, which were applied to improve the protocols used to measure (i) Cu tolerance levels of biofilm microbial communities and (ii) Cu bioaccumulation in biofilms. Results showed that temperature could modulate structural and functional effects of Cu on biofilms, notably due to a decrease in Cu bioaccumulation at higher temperatures. In addition, our findings indicate that temperature increase could influence the sensitivity of microbial communities to Cu, whether they have been previously chronically exposed (PICT) or not to this metal. Nonetheless, temperature effects on biofilms varied among experiments, revealing that the influence of temperature on the effects of Cu on microbial biofilms depends on many parameters, such as the initial composition of communities, the level of the applied stresses (temperature and Cu), the microbial compartment studied (i.e. phototrophic or heterotrophic), or the measured functional parameters