Tesi sul tema "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

Les nanoparticules métalliques manufacturées (NPs) sont des polluants émergents dont la concentration augmente dans les sols en raison de leur utilisation croissante dans de nombreux produits commerciaux de la vie courante (cosmétiques, aliments, peintures…). Des études in vitro ont montré la toxicité des NPs pour les microorganismes, mais il existe encore peu de données sur l'écotoxicité et le devenir de ces contaminants dans les sols. L'objectif de cette thèse est donc d'évaluer l'influence des paramètres abiotiques du sol sur (i) les caractéristiques physico-chimiques et le transfert des NPs, et (ii) sur la toxicité des NPs pour les communautés microbiennes du sol, en particulier pour des groupes fonctionnels microbiens impliqués dans le cycle du carbone et de l'azote. Nous avons mis en évidence que les propriétés du sol influençaient l'agrégation et la charge de surface des NPs de dioxyde de titane (TiO2) et d'oxyde de cuivre (CuO). Dans les six sols agricoles étudiés, nous avons observé un transport très faible des NPs testées lors d'une expérimentation en colonnes de sols. Nous avons mis en évidence une absence de toxicité des NPs de TiO2 sur les communautés microbiennes, sauf dans un sol limono-argileux à forte teneur en matière organique. Dans ce sol, des effets négatifs ont été observés après 90 jours d'exposition sur les activités microbiennes, sur l'abondance des microorganismes nitrifiants et la diversité des bactéries et des archées. Des études complémentaires en colonnes de sol, ont permis de mettre en évidence des effets délétères des NPs plus importants que la nitrification lors d'une contamination chronique au TiO2 que lors d'une contamination aigüe
Manufactured metallic nanoparticles (NPs) are emerging pollutants of soils due to their increasing utilization in numerous commercial products (cosmetics, food, paint…). In vitro studies have demonstrated NPs toxicity on microorganisms but data are still scarce on the fate and ecotoxicity of these contaminants in soils. The objective of this thesis was to assess the influence of soil properties on (i) the physicochemical characteristics and the transport of NPs, and (ii) on the NPs toxicity on soil microbial communities, especially on microbial functional groups involved in carbon and nitrogen cycles. This work highlighted that soil properties influenced the aggregation and the surface charges of titanium dioxide NPs (TiO2-NPs) and copper oxide NPs (CuO-NPs). In the six agricultural soils studied, we observed a very low transport of the two NPs in a soil column experiment. We observed a low toxicity of TiO2-NPs for soil microbial communities, except in a silty-clay soil with a high organic matter content. In this soil, microbial activities (soil respiration, nitrification and denitrification) and nitrifier abundances were strongly decreased and archaeal and bacterial community structure were altered after 90 days of exposure. Furthermore in this soil, we observed decreases of nitrification activity, even for very low TiO2-NPs concentrations (0.05 mg kg-1) which were explained by a high sensitivity of ammonia-oxidizing archaea (AOA) involved in this process. Additional studies in soil columns demonstrated that chronic contamination with TiO2-NPs caused more deleterious effects on nitrification than acute contamination

La lutte contre la pollution plastique est devenue une priorité afin de limiter les impacts déjà visibles sur les écosystèmes naturels. La production de plastiques dits biodégradables est aujourd’hui une composante de la stratégie globale envisagée par les états pour lutter contre cette pollution. Cependant, les tests normatifs (ISO, AFNOR, ASTM…) qui valident la biodégradabilité des plastiques en milieu aquatique ont été largement critiqués dans la littérature scientifique, notamment pour leur manque de représentativité du milieu naturel. L’objectif de cette thèse est de renforcer les connaissances sur la biodégradabilité des plastiques en milieu aquatique et de proposer des pistes d’amélioration des normes actuelles. Une attention particulière s’est portée sur les communautés microbiennes qui colonisent les plastiques en milieu naturel, la « plastisphère ». La première partie de cette thèse porte sur l’analyse des communautés bactériennes associées aux débris plastiques flottant le long du continuum fleuve-mer, grâce à une campagne d’échantillonnage de 8 mois réalisée le long de 9 grands fleuves européens (mission Tara Microplastiques, soutenue par la fondation Tara Océans). On estime en effet que 80% des déchets trouvés en mer proviennent du continent en transitant par les fleuves. Cependant, les études sur la plastisphère en eau douce sont encore peu nombreuses. L’étude taxonomique des communautés associées à ces débris flottants a permis de mettre en évidence des distinctions claires entre les plastisphères en eau douce et en mer, suggérant un faible transfert des communautés du fleuve vers la mer (y compris pathogènes). La deuxième partie de ce travail concerne les méthodes d’évaluation de la biodégradabilité des plastiques en milieu marin. La miniaturisation des tests nous a permis d’augmenter le nombre de conditions et de réplicas analysés pour tenir compte de l’effet du milieu utilisé (eau de mer naturelle ou artificielle), mais également de la diversité de l’inoculum bactérien (eau de mer naturelle ou biofilm bactérien naturel) et de sa concentration (104, 105, 106 cellules par mL) sur différents types de polymères (polyethylène-PE, polyhydroxyalcanoate-PHA et cellulose). L’évolution des activités bactériennes (respirométrie, production hétérotrophe bactérienne), des produits de biodégradation (oligomères) et des concentrations en sels nutritifs ont été analysés pendant 90 jours d’incubation. Ces expériences ont permis de mettre en évidence l’importance d’utiliser un inoculum présélectionné (biofilm mature qui se développe sur le polymère testé pendant au moins un mois) et de suivre les limitations possibles en éléments nutritifs (azote et phosphore) pour réaliser ces tests dans des conditions les plus proches possible du milieu naturel. La troisième partie de cette thèse est une application de la méthode miniaturisée à l’étude de la biodégradabilité de sept formes de PHA ayant des compositions chimiques et des propriétés physiques différentes. Nos tests indiquent que la biodégradabilité des PHA est étroitement liée à la présence de monomère d’acide hydroxybutyrate (HB), qui est à la fois le monomère le plus produit par les organismes qui synthétisent des PHA, mais aussi le plus ciblé par les enzymes des microorganismes responsables de leur dégradation. Ces travaux de thèse contribuent à une meilleure compréhension l’écologie microbienne associée à la biodégradabilité des plastiques en mer et ouvrent de nouvelles perspectives pour l’amélioration des méthodes utilisées dans les normes de biodégradation des plastiques dans l’environnement
Limiting plastic pollution has become a priority to limit already existing impacts on natural ecosystems. Manufacturing of so-called biodegradable plastics is part of the solutions willing to limit this pollution. However, standard methods (ISO, AFNOR, ASTM…) validating plastics biodegradability in aquatic environments have been highly criticized in the scientific literature, especially for their lack of relevance towards the natural environment. This thesis aims at strengthening the knowledge on plastic biodegradability in aquatic environments and proposing new insights for improving the current standard methods, while focusing on bacterial communities associated to these plastic debris in natural environment, referred to as the “plastisphere”. The first part of this work focuses on the microbial communities associated to floating plastic debris on the river-sea continuum, thanks to an 8-month campaign on 9 European rivers (the Tara Microplastic mission, supported by the Tara Oceans foundation). Indeed, it is estimated that 80% of plastic debris found at sea are land-based, arriving at sea through the rivers. The taxonomic study of plastic-associated communities showed a clear distinction between plastisphere from sea and riverine samples (included pathogens). The second part of this work focuses on protocols for the evaluation of plastic biodegradability at sea. A miniaturized experimental design allowed to generate numerous experimental conditions and replicates to test the influence of test medium (natural or synthetic sea water), but also the bacterial inoculum diversity (sea water or natural bacterial biofilm) and its concentration (104, 105 and 106 cells per mL) on different polymer types (polyethylene-PE, polyhydroxyalkanoates-PHA and cellulose). Bacterial activities (respirometry, heterotrophic bacterial production), biodegradation products (oligomers) and nutrients concentration were monitored during 90 days of incubation. These experiments highlighted the relevance of using a preselected inoculum (1-month mature biofilm grown on the tested polymer) and to follow the possible nutrients limitations (nitrogen and phosphorus) for biodegradability testing in conditions close to the natural conditions. The third part of this work is an application of the testing method for the study of the marine biodegradability of 7 formulas of PHA exhibiting various chemical compositions and physical properties. Our tests indicate that PHA biodegradability is tightly related to the presence of hydroxybutyric acid monomers, which is the most widespread PHA monomer and also the most targeted by microbial enzymes responsible of their biodegradation. This PhD work contributes to a better understanding of microbial ecology related to plastic biodegradability at sea and paves the way for improving the standard methods for testing of marine plastic biodegradability

La prise de conscience récente de la menace qui pèse sur les océans, réceptacle final de la pollution plastique, a donné lieu à une effervescence dans le domaine scientifique. On estime que plus de 5,25 milliards de particules plastiques flottent dans les océans. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de cette préoccupation environnementale de premier ordre, en apportant de nouvelles connaissances sur le compartiment bactérien qui se développe sur les débris plastiques en mer, appelé « plastisphère ». L’analyse des prélèvements effectués pendant l’expédition Tara-Méditerranée a permis de caractériser, pour la première fois dans cette zone, un biofilm abondant et spécifique des plastiques par comparaison aux communautés bactériennes attachées aux particules organiques ou libres dans l’eau de mer. Ensuite, la cinétique de colonisation bactérienne sur différents polymères a été étudiée grâce à la mise en place de microcosmes en circulation ouverte sur le milieu naturel. Le couplage original de données biologiques et physico-chimiques des surfaces plastiques a permis de constater un développement bactérien plus important sur des plastiques « biodégradables » (notamment des espèces hydrocarbonoclastes) par rapport aux polymères conventionnels. Enfin, de fortes activités hétérotrophes et ectoenzymatiques ont été constatées sur les polymères par rapport à l’eau de mer. Encore une fois, des différences en fonction des types de plastiques et du stade de formation du biofilm ont été observées. Les travaux menés pendant cette thèse mettent en lumière l’existence d’une nouvelle niche écologique sur les plastiques, distincte de celle de l’eau de mer environnante
The increasing awareness on the impact of plastic pollution within the marine environment has stimulated countless of scientific studies. For the past decade, researchers have quantified plastic waste and assessed its fate at sea. It is estimated that more than 5.25 billion plastic particles float within the world’s oceans today. This PhD work is a result in part of this major environmental concern. It brings with it new knowledge about the marine bacterial communities that develop on plastic debris, also termed as the "plastisphere". The analysis of samples taken from the Tara-Mediterranean expedition allowed us, for the first time, to characterize, and quantify communities specific towards plastic biofilms in comparison to the communities attached to organic matter in surrounding seawater. Bacterial colonization and its evolution on different types of polymers was studied using microcosm experiments with open seawater circulation. The unusual coupling of biological and physicochemical data of plastic surfaces revealed a greater bacterial development on "biodegradable" polymers compared to conventional polymer types (especially hydrocarbonoclastic species). We showed that the composition of the polymer, together with its hydrophobicity and roughness, influences the diversity of bacterial communities during the early colonization steps. Finally, a greater bacterial biofilm activity (e.g. heterotrophic productions) was observed on polymer surfaces compared to seawater. Once again, differences according to plastic types have been observed. This present work highlights the existence of a new ecological niche on plastics that are distinct from the surrounding seawater

De nos jours, les déchets plastiques ont envahi l’ensemble des écosystèmes marins du monde en n’épargnant aucune zone. La demande mondiale de plastique ne cesse de croitre d’année en année, malgré l’impact dramatique qu’il provoque sur l’environnement lorsqu’il est laissé dans la nature. On estime que chaque année entre 4.8 et 12.7 millions de tonnes de plastiques finissent dans les océans. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de cette urgence environnementale, en permettant de mieux identifier les biofilms bactériens attachés aux différents plastiques (« plastisphère) et de mieux caractériser le phénomène de biodégradation de certains polymères en milieu marin. Dans un premier temps, l’analyse d’échantillons prélevés pendant deux expéditions (l’expédition Tara-Méditerranée et Tara-Pacifique) ont permis de caractériser la biogéographie des biofilms bactériens spécifiques des plastiques. Cette comparaison a permis de mettre en évidence une niche écologique à la surface des plastiques distincte de l’eau environnante, nettement influencé par la géographie, expliqué principalement par la température. L’étude taxonomique a permis de mettre en évidence un « core microbiome », dominé par un genre de cyanobactérie (Rivularia sp.) et des familles connues (Rhodobacteraceae et Flavobacteraceae) comme étant colonisateurs de plastique en milieu marin. Dans un second temps, la colonisation bactérienne sur différents polymères a été étudiée grâce à des aquariums en circuit ouvert sur la baie de Banyuls. Le processus de biodégradation a été étudié en milieu artificiel sans source de carbone que le polymère, imitant l’environnement marin et en suivant plusieurs paramètres expérimentaux. Dans notre étude aucune spécificité des communautés microbiennes liées à la nature des polymères a été observée pendant la phase de croissance du biofilm. Le processus de biodégradation à pu être mis en évidence sur certains polymères tels que le PHBV, Bioplast, Mater-Bi et la cellulose grâce notamment à une activité bactérienne maintenue tout au long de l’incubation. Dans un troisième temps, une souche provenant du biofilm mature du PHBV a pu être isolée pour étudier spécifiquement son processus de biodégradation. L’analyse du génome d’Alteromonas sp., a révélé la présence de 4 dépolymérases dont 3 externes et 1 interne, expliquant sa capacité à dégrader le PHBV. L’étude du génome a aussi permis de mettre en évidence deux voies de synthèse des PHA l’une permettant la synthèse de PHASCL et l’autre de PHAMCL. Enfin, l’étude de la biodégradation du PHBV par un consortium naturel a été approfondi grâce à un marquage isotopique du polymère. Cette nouvelle expérimentation couplée à une analyse métagénomique a permis d’étudier des communautés fonctionnelles pouvant assimiler le carbone du polymère. Les travaux menés durant cette thèse permettent de mieux identifier les biofilms bactériens se développant à la surface de polymères biodégradables et non dégradables, et également d'affiner la caractérisation du processus de biodégradation en milieu marin grâce à l'utilisation de différents paramètres tels que la production bactérienne, la respiration, la perte de poids, le suivi de l’assimilation du carbone marqué ou l’imagerie en microscopie. Ces études sont primordiales pour mieux comprendre le processus de biodégradation des plastiques en mer et ainsi proposer des adaptations aux normes de standardisations régissant l’environnement marin et actuellement peu représentative
Nowadays, plastic waste has invaded all of the world's marine ecosystems, sparing no area. The global demand for plastic continues to grow year after year, despite its dramatic impact on the environment when plastic is left in nature. It is estimated that each year between 4.8 and 12.7 million tonnes of plastics end up in the oceans. This PhD aims and works fall within the framework of this environmental emergency, by making possible to better identify the bacterial biofilms attached to different plastics (the so called "plastisphere) and to better characterize the biodegradation process of certain polymers in the marine environment. The first stage, was to analyse the microbial diversity of samples taken during two expeditions (the Tara-Mediterranean expedition and Tara-Pacific) in order to characterize the biogeography of bacterial biofilms specific to plastics. The comparison between samples from the Pacific and the Mediterranean see allow to highlight an ecological niche on the surface of plastics distinct from the surrounding water. Niche which is clearly influenced by geography, explained mainly by temperature. The taxonomic study revealed a "core microbiome" dominated by a genus affiliated to the cyanobacteria and families (Rhodobacteraceae and flavobacteraceae) known to be colonizers of plastic in the marine environment. Then, the bacterial colonization on different polymers was studied in aquarium using uninterrupted circulation of seawater collected continuously from the Banyuls Bay. The biodegradation process was studied using an artificial environment without any other carbon source than the polymer in order to mimic the marine environment, and by following several experimental parameters (Bacterial production, respiration, loss of mass). In our study we observed during the growth phase of the biofilm no specific microbial communities related to the nature of the polymers. The biodegradation process has been demonstrated on certain polymers such as PHBV, Bioplast, Mater-Bi and cellulose, in particular due to the bacterial activity maintained throughout the incubation. Next, a strain Alteromonas sp., isolated from the mature biofilm of the PHBV allow us to explore its biodegradation capabilities. The analysis of the genome of Alteromonas sp. revealed the presence of 4 depolymerases, with 3 external and 1 internal, explaining its ability to degrade PHBV. The study of the genome also revealed two pathways for the PHA synthesis, one allowing the synthesis of PHASCL and the other of PHAMCL. Finally, the study of the biodegradation of PHBV by a natural consortium was done using isotopic labelling of the polymer. This experiment, coupled with metagenomic analysis, allowed the study of functional communities that can assimilate the carbon of the polymer. Thus, this PhD work enhanced the identification of the bacterial communities inhabiting the biofilms developed on the surface of polymers (biodegradable and non-degradable), and also to refine the characterization of the biodegradation process in the marine environment owing the use of various parameters such as the bacterial production, respiration, weight loss, monitoring of labeled carbon and microscopy. These studies are essential for a better understanding of the biodegradation process of plastics at sea and thus to propose adaptations to the standards methods governing the marine environment and currently not very representative

Les changements globaux sont aujourd’hui une réalité et les activités humaines à l’origine de ces bouleversements tendent à augmenter avec par exemple l’utilisation toujours plus importante de produits chimiques. Les pollutions résultantes peuvent alors avoir un fort impact sur les écosystèmes, en particulier ceux d’eaux douces de surface.Cette thèse a d’abord montré au travers d’un échantillonnage à haute fréquence d’une rivière typiquement méditerranéenne (la Têt), lors d’un évènement pluvieux intense caractéristique, que des phénomènes de multicontaminations ont lieu avec la présence dans les eaux naturelles de sels nutritifs, éléments trace métalliques, pesticides et produits pharmaceutiques entre autres. Ces phénomènes de contaminations multiples sont principalement liés aux débordements du réseau urbain d’évacuation des eaux qui ont lieu au travers des débordements de déversoirs d’orage. Cette étude a également montré, grâce à l’utilisation de la nouvelle technique de séquençage haut-débit MiSeq, que les changements dans les diversités structurelles des communautés bactériennes aquatiques de la matière en suspension évoluent principalement en fonction de l’hydrodynamique de la rivière, les plus fortes dissimilarités entre les communautés s’observant lors du pic de débit. Les paramètres physico-chimiques environnementaux ont également un impact majeur sur la structure des communautés, ce qui pourrait amener suite à l’exploration des taxons bactériens associés à une dynamique de contaminations caractéristiques, à la découverte de biomarqueurs spécifiques de ces phénomènes
Global changes cannot be ignored nowadays and human activities causing these disruptions tend to increase with, for example, the growing use of chemicals. The resulting pollution can then have a strong impact on ecosystems, in particular those of fresh surface waters.This thesis first showed through a high-frequency sampling of a typically Mediterranean river (the Têt River), during a characteristic intense rainy event, that multicontaminations occur with the presence in natural waters of nutrients, trace metals, pesticides and pharmaceuticals among others. These multicontamination phenomena are mainly related to the overflows of the sewage system that take place through storm overflows. This study has also shown, through the use of the new MiSeq high-throughput sequencing technique, that changes in the structural diversities of aquatic bacterial communities of suspended matter evolve mainly according to the hydrodynamics of the river, the strongest dissimilarities between the communities being observed during peak flow. The physico-chemical environmental parameters also have a major impact on the structure of communities, which could lead to the exploration of bacterial taxa associated with a characteristic contaminations dynamic, to the discovery of specific biomarkers of these phenomena

La prise de conscience récente de la menace qui pèse sur les océans, réceptacle final de la pollution plastique, a donné lieu à une effervescence dans le domaine scientifique. On estime que plus de 5,25 milliards de particules plastiques flottent dans les océans. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de cette préoccupation environnementale de premier ordre, en apportant de nouvelles connaissances sur le compartiment bactérien qui se développe sur les débris plastiques en mer, appelé « plastisphère ». L’analyse des prélèvements effectués pendant l’expédition Tara-Méditerranée a permis de caractériser, pour la première fois dans cette zone, un biofilm abondant et spécifique des plastiques par comparaison aux communautés bactériennes attachées aux particules organiques ou libres dans l’eau de mer. Ensuite, la cinétique de colonisation bactérienne sur différents polymères a été étudiée grâce à la mise en place de microcosmes en circulation ouverte sur le milieu naturel. Le couplage original de données biologiques et physico-chimiques des surfaces plastiques a permis de constater un développement bactérien plus important sur des plastiques « biodégradables » (notamment des espèces hydrocarbonoclastes) par rapport aux polymères conventionnels. Enfin, de fortes activités hétérotrophes et ectoenzymatiques ont été constatées sur les polymères par rapport à l’eau de mer. Encore une fois, des différences en fonction des types de plastiques et du stade de formation du biofilm ont été observées. Les travaux menés pendant cette thèse mettent en lumière l’existence d’une nouvelle niche écologique sur les plastiques, distincte de celle de l’eau de mer environnante
The increasing awareness on the impact of plastic pollution within the marine environment has stimulated countless of scientific studies. For the past decade, researchers have quantified plastic waste and assessed its fate at sea. It is estimated that more than 5.25 billion plastic particles float within the world’s oceans today. This PhD work is a result in part of this major environmental concern. It brings with it new knowledge about the marine bacterial communities that develop on plastic debris, also termed as the "plastisphere". The analysis of samples taken from the Tara-Mediterranean expedition allowed us, for the first time, to characterize, and quantify communities specific towards plastic biofilms in comparison to the communities attached to organic matter in surrounding seawater. Bacterial colonization and its evolution on different types of polymers was studied using microcosm experiments with open seawater circulation. The unusual coupling of biological and physicochemical data of plastic surfaces revealed a greater bacterial development on "biodegradable" polymers compared to conventional polymer types (especially hydrocarbonoclastic species). We showed that the composition of the polymer, together with its hydrophobicity and roughness, influences the diversity of bacterial communities during the early colonization steps. Finally, a greater bacterial biofilm activity (e.g. heterotrophic productions) was observed on polymer surfaces compared to seawater. Once again, differences according to plastic types have been observed. This present work highlights the existence of a new ecological niche on plastics that are distinct from the surrounding seawater

Le compartiment sédimentaire résulte de l’accumulation de matières en suspension issue de l’érosion du bassin versant. A ces matières en suspension sont associés des microorganismes et des contaminants organiques et inorganiques résultant de l’activité anthropique. Les sédiments sont donc le siège d’interactions multiples entre microorganismes et contaminants. L’objectif de cette thèse a été d’étudier l’impact d’une exposition chronique aux éléments traces métallique (ETMs) sur la diversité, la composition et la structure des communautés microbienne et/ou l’enrichissement du résistome. Dans ce contexte, l’étude d’une archive sédimentaire (étang de Martot), intégrant une contamination multi-métallique variable au cours du temps, a démontré que les communautés microbiennes sont indicateurs sensibles aux ETMs. Toutefois, la dynamique des microorganismes reste plus fortement influencée par d’autres paramètres tels que la source des apports sédimentaires et les caractéristiques de la matière organique. Un second volet de cette thèse a porté sur des sédiments récents issus d’un bassin routier de rétention des eaux pluviales enrichis en antimoine (Sb). La forte réactivité géochimique du Sb au sein du bassin (i.e., concentration, état d’oxydation et ligands) a été corrélée à des changements dans la composition des communautés microbiennes totale et active, au sein desquelles, de nombreux gènes impliqués dans la résistance (i.e., arsB, acr3, arsK, antA), et les processus d’oxydation (i.e., anoA, aioA, arsO, arsV, arsH), et de réduction (i.e., anrA, arrA) du Sb ont été observés. En parallèle, l’étude de l’antimonite oxydase AnoA, impliquée spécifiquement dans l’oxydation du Sb(III), suggère une distribution taxonomique bien plus importante que précédemment décrit dans la littérature. De nouveaux jeux d’amorces ont été créés pour cibler le gène anoA dans différents groupes taxonomiques (Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria et Actinobacteria) et permettra de mieux évaluer la contribution de cette enzyme dans l’oxydation du Sb au sein de communautés microbiennes complexes
The sedimentary compartment results from the accumulation of suspended particles resulting from the watershed erosion. These particles are associated with microorganisms and organic and inorganic contaminants resulting from human activity. Sediments are therefore the site of multiple interactions between microorganisms and contaminants. The aim of this thesis was to study the impact of chronic exposure to trace metals (TMEs) on the diversity, composition and structure of microbial communities and/or the enrichment of the resistome. In this context, the study of a sedimentary archive (Martot pond), integrating a multi-metallic contamination varying over the time, demonstrated that microbial communities are sensitive indicators to TMEs. However, microbial dynamics are more strongly influenced by other parameters, such as the source of sediment inputs and the characteristics of the organic matter. A second part of this thesis focused on recent sediments from a roadside stormwater retention basin enriched in antimony (Sb). The high geochemical reactivity of Sb within the basin (i.e., concentration, oxidation state and ligands) was correlated with changes in the composition of total and active microbial communities, within which, numerous genes involved in resistance (i.e., arsB, acr3, arsK, antA), and oxidation processes (i.e., arsB, acr3, arsK, antA), were identified. In parallel, the study of the antimonite oxidase AnoA, involved specifically in Sb(III) oxidation, suggests a much wider taxonomic distribution than previously thought. New primer sets have been created to amplify the anoA gene across different taxonomic groups (Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria and Actinobacteria) and will enable us to better assess the contribution of this enzyme to Sb oxidation in complex microbial communities

Les écosystèmes d’eau douce sont très vulnérables face aux perturbations anthropiques. Ils peuvent en effet subir de multiples pollutions via entre autres le lessivage des sols des bassins versants mais aussi la remobilisation des sédiments des lits des rivières et des réseaux d’assainissement, phénomènes accentués lors des épisodes pluvieux, particulièrement intenses et fréquents dans les régions au climat méditerranéen. Lors d’un épisode méditerranéen étudié précédemment, il a été démontré que des déversements de mélanges de polluants se produisaient, coïncidant avec le pic de débit et du débordement des déversoirs d’orage (DDO) qui l’ont précédée. Au cours de cette thèse, nous avons pu vérifier que ces multipollutions sont récurrentes, se produisant à chaque DDO et pic de débit lors de deux autres crues. Nous avons donc émis l’hypothèse que les communautés microbiennes fluviatiles, qui constituent le seul compartiment biologique capable de dégrader les polluants, pourraient être largement impactées par ces multipollutions récurrentes en méditerranée. Cette thèse visait ainsi à déterminer l'évolution du microbiome fluviatile au cours d’événements pluvieux extrêmes, et ce, à travers la modélisation statistique combinant des données de séquençage haut débit à une large panoplie de paramètres environnementaux. Les résultats obtenus démontrent une relation significative entre les multipollutions et l’apport de microorganismes liés à la matière fécale, aux milieux urbains et résistants aux polluants et/ou pathogènes. Ces microorganismes exogènes pourraient affecter fortement les communautés résidentes. Compte tenu de la réaction rapide du microbiome fluviatile face aux multipollutions, nous avons également mis en évidence des microorganismes clés de stress multiple, qui pourraient servir comme nouveaux biomarqueurs à incorporer dans un outil de détection de multipollutions pour le suivi de la qualité des eaux
Freshwater ecosystems are highly vulnerable to anthropogenic disturbances. Indeed, they can be subject to multiple forms of pollution via, among other things, the leaching of soil from catchment basins but also the remobilisation of sediment from river beds and sewerage networks, phenomena that are accentuated during rainy episodes, which are particularly intense and frequent in regions with a Mediterranean climate. In a Mediterranean event studied previously, it was shown that discharges of pollutant mixtures occurred, coinciding with the water discharge peak and combined sewer overflows (CSO) that preceded it. During this thesis, we were able to verify that these multipollutions are recurrent, occurring at each CSO and water discharge peak along two other floods. We hypothesised that fluvial microbial communities, which constitute the only biological compartment able to degraded pollutants, could be largely impacted by these recurrent multipollutions in Mediterranean. This thesis aimed to determine the impact of pollutant mixtures on the evolution of the fluvial microbiome during extreme rainfall events via statistical modelling coupling high throughput sequencing data to a wide range of environmental parameters. Results showed a significant relationship between multipollutions events at CSOs and water discharge peak and the appearance of microorganisms linked to faecal matter, urban environments and resistant to pollutants and/or pathogens, which could strongly affect riverine resident communities. Given the rapid response of the fluvial microbiome to multi-pollutants, we were able to identify key multi-stress microorganisms, that could be used as new biomarkers to be incorporated into a multi-pollutant detection tool for water quality monitoring

Les effets de pesticides sur les communautés algales et bactériennes d'un cours d'eau ont été appréciés en couplant des approches in situ menée au cours de deux années, à des approches expérimentales en microcosmes, réalisées avec le diuron et le glyphosate (10 microg l-1). La prédominance des herbicides affecte la biomasse et la diversité algale et induit une sélection prononcée dans la rivière où quatre genres majoritaires sont recensés. La sensibilité des communautés à un même pesticide varie suivant leur état physiologique et leur composition taxonomique. L'impact des herbicides sur le compartiment bactérien au niveau quantitatif (sur la densité, la production hétérotrophe et l'activité respiratoire) et qualitatif (diversité génétique), est majoritairement induit par des effets indirects. Il est plus perceptible dans les dispositif expérimentaux où les bactéries ne peuvent bénéficier d'apports organiques allochtones et sont fortement tributaires de la production algale
Chapitre C : Evolution des communautés microbiennes dans un cours d'eau soumis à l'apport régulier de pesticides (Jauron, Puy-de-Dôme). Comparaison au cours de 2 années successives (2003 et 2004)