Search

Fabaceae use in agricultural systems has many benefits for the environment and for food security. Among the numerous ecosystem services provided, Fabaceae enrich the soil with both carbon (C) and nitrogen (N) because of their ability to use both atmospheric C and N sources in symbiosis with Rhizobiaceae and are an important driver of soil ecology because they support microbial activities. The work of this thesis focused on C and N soil inputs through the study of the rhizodeposition process and its impact on soil microbial communities. Two grain Fabaceae (pea and faba bean) and two forage Fabaceae (white clover and crimson clover) and a non-fixing Poaceae, wheat, were studied. The objectives were to assess (i) the flux of C and N from the atmosphere (through plant photosynthesis and biological N fixation) to the soil; (ii) the consequences on C, N and P dynamics by measuring soil enzyme activities and (iii) on rhizospheric active microbial communities. Plants were grown under controlled conditions. An approach combining 13CO2 labeling and the method measuring the dilution of soil 15N by atmospheric N was carried out to measure plant rhizodeposition all along plant growth in relation with functional traits. Key enzyme activities related to C, N and P cycles were measured and the stable 13C DNA isotope probing (DNA SIP) method was used to study the incorporation of plant-exuded 13C into microbial communities. Our results show that rhizodepositions of C and N are strongly controlled by photosynthesis and biological nitrogen fixation of atmospheric nitrogen and consequently by the growth rate of plants. High rhizodeposition fluxes are observed for faba bean and both clover species. Traits related to root architecture appeared as good predictors of plant rhizodeposition. We also found that species with the highest amounts of rhizodeposition had the highest levels of enzyme activities in soil. This study also shows that N and C nutrient supply contributes to the nutritional requirements and growth of microorganisms in the soil. The study of the structure of active microbial communities showed that faba bean is associated with a diversified rhizospheric microbiome enriched in beneficial bacteria and fungi. The determinism of active microbial communities was explained by biomass production and root dry matter content. Qualitative analysis of root exudates should provide a better understanding of the impact of rhizodeposition on soil microbiota. The species comparisons observed here under controlled conditions will have to be validated by complementary approaches in the field., L’utilisation des Fabacées dans les systèmes agricoles présente de nombreux avantages pour la préservation de l’environnement et le renforcement de la sécurité alimentaire. Parmi les nombreux services écosystémiques qu’ils fournissent, les Fabacées enrichissent le sol en carbone (C) et en azote (N) grâce à leur capacité à utiliser à la fois le C et l’N atmosphérique à travers la symbiose qu’elles forment avec les rhizobiacées et soutiennent ainsi les activités microbiennes rhizosphériques. Les travaux de cette thèse se sont intéressés à la fourniture de carbone et d’azote dans les sols à travers l’étude du processus de la rhizodéposition et de son impact sur la structure et l’activité des communautés microbiennes rhizosphériques. Ils ont porté sur deux Fabacées protéagineuses (pois et féverole) et deux Fabacées fourragères (trèfle blanc et trèfle incarnat) alors que le blé a été utilisé comme espèce non fixatrice d’N atmosphérique. Les objectifs de ce travail de thèse consistaient à évaluer (i) le flux de C et d’N de l'atmosphère vers le sol liés à la rhizodéposition, (ii) les conséquences sur la dynamique du C, de l’N et du phosphore (P) du sol par la mesure des activités enzymatiques et (iii) l’effet sur la structure des communautés microbiennes actives dans le sol. Les plantes ont été cultivées en conditions contrôlées. Une approche combinant le marquage au 13CO2 et la méthode de dilution au 15N du sol par l’N atmospherique a été mise en oeuvre pour mesurer la rhizodéposition des plantes tout au long de leur croissance en relation avec les traits fonctionnels. Un panel d’activités enzymatiques clefs en lien avec le cycle du C, de l’N et du P ont été mesurées et la technique de sondage isotopique 13C de l’ADN « DNA SIP » a été utilisée pour étudier le lien entre la rhizodéposition et la structure des communauté bactériennes et fongiques actives dans la rhizosphère. Nos résultats montrent que les rhizodéposition du C et de l’N sont fortement contrôlées par la photosynthèse et la fixation biologique de l’azote atmosphérique et en conséquence par la vitesse de croissance des plantes. Ils montrent également que la féverole et les deux trèfles possèdent de bonnes capacités de rhizodéposition du C et de l’N. D'autres traits liés à l'architecture des racines sont apparus comme de bons prédicteurs de la rhizodéposition des plantes. Nous avons également constaté que les espèces ayant présenté les quantités les plus importantes de rhizodépots présentent les niveaux d’activités enzymatiques les plus élevés dans le sol. Aussi, cet apport en nutriments N et C contribue aux besoins nutritionnels et à la croissance des microorganismes dans le sol. L’analyse de la structure des commuanutés actives montre que la féverole est associée à un microbiome rhizosphérique diversifié et enrichi en bactéries et champignons bénéfiques. Le determinisme des communautés actives est expliqué par la production de biomasse et la teneur en matière sèche des racines. Par ailleurs, l’analyse qualitative des exsudats devrait permettre de mieux comprendre l’impact de la rhizodéposition sur les microbiotes rhizosphèriques. Les comparaisons d’espèces observées ici en conditions contrôlées devront être validées par des approches complémentaires en plein champ.

L’orpaillage joue un rôle économique très important et fait vivre plusieurs millions de personnes à travers le monde en général et en Afrique de l’Ouest en particulier. Or lorsqu’elle est mal maitrisée, cette activité a des conséquences désastreuses de par l’utilisation de produits chimiques toxiques (Mercure, Cyanure, Acide sulfurique, Zinc etc.) pour extraire l’or, par la remobilisation de métaux toxiques associés à l’or, par l’obstruction des cours d’eaux, la déforestation, la pollution de l’eau, de l’atmosphère et des sols. De nombreux microorganismes, naturellement présents dans ces environnements multipollués, peuvent être utiles à différentes étapes du cycle d’un site d’orpaillage. Ils permettent d’extraire l’or plus facilement, avec un impact écologique moindre sur l’environnement en limitant l’utilisation de produits toxiques. Ils peuvent apporter une aide précieuse dans la remédiation des sites pollués. Ce travail a pour objectif d’étudier les microorganismes du site d’orpaillage de Kokumbo (Centre de la Côte d’Ivoire). L’identification taxonomique de ces microorganismes et l’étude de leur diversité génétique permettront d’étudier la biodiversité et de mieux appréhender leurs rôles potentiels sur le site. Ces connaissances permettront d’améliorer la gestion des exploitations artisanales de l’or, d’apporter des solutions pour la bioremédiation des eaux et des sols pollués.

Natural products have always been a successful source of new drugs. Nowadays, the health sector (animal and human) is still looking for new compounds from natural resources, especially those which can exhibit a beneficial effect on the biological processes involved in the age-related affections (which have become a public health issue). The plants have already been investigating for this application. However, other natural resources, such as the microbial diversity, remain unexplored for the bioactivity of their compounds. The non-pathogenic microorganisms, especially those that can be found in fermented foods and drinks, could be considered as an interesting and innovative source of new metabolites that could exhibit beneficial effects. Among those fermented foods, the raw-milk cheese appears to have a great potential, as a source of new compounds, due to its rich microbial diversity. An innovative strategy was developed in this thesis with the aim of discovering new bioactive metabolites in a raw goat milk cheese. Several cheese extracts were obtained via an extraction method, which efficacity has been validated. The effect of the extracts on aging has been determined on in vitro and on in vivo models. Their impacts on the longevity of the nematode Caenorhabditis elegans, and on its survival on an oxidative medium have been evaluated. Some extracts (freeze-dried cheese, apolar extract and three aqueous extracts) have demonstrated beneficials effects during these experiments. Moreover, two signalling pathways (DAF-2/ILR pathway and p38 MAPK pathway) were identified to be involved in the mechanisms of action of the extracts. In parallel, two extracts (apolar extract and an aqueous extract) demonstrated a capacity to reduce the ROS production in human leukocytes. Finally, the study of the chemical composition of the bioactive extracts has begun, with the aim of determining the compounds that could be responsible of the biological activity and deserve to be isolated and studied. All the results obtained during this thesis are promising. The study of the chemical composition of the extracts will be pursued, as well as the study of their biological activity, especially on other in vitro and in vivo models more specific to aging., Depuis toujours, l’Homme a eu recours à la nature pour subvenir à ses besoins. Aujourd’hui encore, le secteur de la santé (animale et humaine) s’intéresse aux ressources naturelles pour découvrir des principes actifs originaux permettant de développer de nouveaux traitements. Ce secteur est notamment à la recherche de nouvelles molécules pouvant lutter contre les processus biologiques impliqués dans les affections liées au vieillissement, qui induisent une problématique de santé publique. Bien que la bioressource végétale ait été la plus étudiée pour ses propriétés pharmacologiques, d’autres ressources naturelles restent à explorer, telle que la bioressource microbienne. Les microorganismes non pathogènes, notamment ceux régulièrement consommés au travers des aliments et boissons fermentés, représentent une source intéressante de métabolites potentiellement actifs sur ces processus. Parmi ces aliments, le fromage au lait cru présente un fort potentiel grâce à la richesse de sa biodiversité microbienne. Une stratégie innovante a été développée au cours de cette thèse pour rechercher des métabolites bioactifs dans un caillé lactique caprin. Cette stratégie a permis l’obtention de plusieurs extraits de fromage, à l’aide d’une méthode d’extraction dont l’efficacité a été validée. Le criblage de l’effet des extraits sur le vieillissement a ensuite été réalisé à l’aide de modèles biologiques in vitro et in vivo. Leurs impacts sur la longévité du modèle Caenorhabditis elegans et sur sa survie sur un milieu oxydant ont notamment été évalués. Plusieurs des extraits (fromage lyophilisé, extrait apolaire, 3 extraits aqueux différents) ont par ailleurs montré des effets bénéfiques au cours de ces expériences. Les voies biologiques impliquées dans l’action des extraits ont également pu être identifiées (voie DAF-2/ILR et voie p38 MAPK). En parallèle, deux extraits (extrait apolaire et un des extraits aqueux) ont induit une diminution de la production de radicaux libres dans un modèle de leucocytes humains. Enfin, l’étude de la composition des extraits ayant présenté des résultats bénéfiques a débuté, avec pour objectif de cibler, parmi toutes les molécules les composant, celles pouvant être porteuses de l’activité biologique. L’ensemble des résultats obtenus est prometteur, et encourage à poursuivre les études de la composition des extraits issus du fromage ainsi que de leurs activités biologiques, notamment sur des modèles plus spécifiques du vieillissement.

Microorganisms are at the heart of Earth’s ecology. Omnipresent, they have been playing a fundamental role in the evolution of life on Earth. Assembled in the form of communities, they present beneficial interactions that are essential for biogeochemical cycles, bioremediation, plants growth and protection, our health and even our survival. However, the synergies that these communities present are not extensively studied, and remain untapped, largely owing to lack of an appropriate technology. This thesis proposes a new technology, called “Microbial Evolution Machine” (MEM), using the driving force of evolution, natural selection, to study microbial ecology and take benefit from it. This thesis work allowed its design, development and demonstration of its application potential. The chosen approach, based on digital millifluidics, consists of using millimeter-sized droplets to compartmentalize and parallelize the culture, manipulation, and analysis of hundreds of communities, and to direct their evolution in an automated way. Its functioning and concept have been validated by a first concrete biological application, which demonstrates an acquisition of antibiotic resistance in bacterial populations of Escherichia coli.; Les microorganismes sont au cœur de l’écologie Terrestre. Omniprésents, ils ont joué et jouent un rôle primordial dans l’évolution de la vie sur Terre. Assemblés sous forme de communautés, ils présentent des interactions bénéfiques et indispensables aux cycles biogéochimiques, à la bioremédiation, à la croissance et la protection des plantes, à notre santé et même à notre survie. Pourtant, les synergies que présentent ces communautés ne sont que peu étudiées, et restent inexploitées, essentiellement par manque d’une technologie appropriée. Cette thèse propose une nouvelle technologie, dite « Machine d’Évolution Microbienne » (MEM), utilisant la force motrice de l’évolution, la sélection naturelle, pour étudier l’écologie microbienne et en tirer profit. Ce travail de thèse a permis sa conception, son développement et la démonstration de son potentiel d'application. L’approche choisie, basée sur la millifluidique digitale, consiste à utiliser des gouttes millimétriques pour compartimenter et paralléliser la culture, la manipulation, l’analyse de centaines de communautés, et diriger leur évolution de manière automatisée. Son fonctionnement et son concept ont été validés par une première application biologique concrète illustrant le cas de l’acquisition d’une antibiorésistance chez des populations bactériennes d’Escherichia coli.

Microorganisms are at the heart of Earth’s ecology. Omnipresent, they have been playing a fundamental role in the evolution of life on Earth. Assembled in the form of communities, they present beneficial interactions that are essential for biogeochemical cycles, bioremediation, plants growth and protection, our health and even our survival. However, the synergies that these communities present are not extensively studied, and remain untapped, largely owing to lack of an appropriate technology. This thesis proposes a new technology, called “Microbial Evolution Machine” (MEM), using the driving force of evolution, natural selection, to study microbial ecology and take benefit from it. This thesis work allowed its design, development and demonstration of its application potential. The chosen approach, based on digital millifluidics, consists of using millimeter-sized droplets to compartmentalize and parallelize the culture, manipulation, and analysis of hundreds of communities, and to direct their evolution in an automated way. Its functioning and concept have been validated by a first concrete biological application, which demonstrates an acquisition of antibiotic resistance in bacterial populations of Escherichia coli.; Les microorganismes sont au cœur de l’écologie Terrestre. Omniprésents, ils ont joué et jouent un rôle primordial dans l’évolution de la vie sur Terre. Assemblés sous forme de communautés, ils présentent des interactions bénéfiques et indispensables aux cycles biogéochimiques, à la bioremédiation, à la croissance et la protection des plantes, à notre santé et même à notre survie. Pourtant, les synergies que présentent ces communautés ne sont que peu étudiées, et restent inexploitées, essentiellement par manque d’une technologie appropriée. Cette thèse propose une nouvelle technologie, dite « Machine d’Évolution Microbienne » (MEM), utilisant la force motrice de l’évolution, la sélection naturelle, pour étudier l’écologie microbienne et en tirer profit. Ce travail de thèse a permis sa conception, son développement et la démonstration de son potentiel d'application. L’approche choisie, basée sur la millifluidique digitale, consiste à utiliser des gouttes millimétriques pour compartimenter et paralléliser la culture, la manipulation, l’analyse de centaines de communautés, et diriger leur évolution de manière automatisée. Son fonctionnement et son concept ont été validés par une première application biologique concrète illustrant le cas de l’acquisition d’une antibiorésistance chez des populations bactériennes d’Escherichia coli.

Clouds are multiphase systems (gas, liquid, solid) in which dissolved organic matter is subjected to complex transformations processes. Most studies have focused on radical reactions, but the discovery of metabolically active microorganisms in clouds has demonstrated their potential role as biocatalysts in the transformation of organic molecules. The main objective of this thesis was to evaluate the fate of pollutants (phenol, catechol) and amino acids in the cloud aqueous phase by chemical and microbiological transformations. For phenol and catechol, the two degradation processes have been described based on two approaches: experimental (microcosm simulating cloudy conditions) and modeling (Box model). Measured photo-and biodegradation rates are within the same range of order. When the multiphase cloud system is considered, the model shows that phenol is almost exclusively degraded in the gas phase by radical reactions, while catechol is partially degraded in the aqueous phase by the microorganisms (17%) and radical chemistry (13%). For the amino acids, the rates of biotic and abiotic transformations have been measured in the same type of microcosms, for this purpose a new LC-MS method has been developed. These experimental measurements have been complemented by theoretical calculations based on reactivity constants. The results are complex and show that AA are both degraded and synthetized, the rates of transformation depend on the type of AA and of microbial strain. A complementary study was performed to study the mechanism of photochemical degradation of the Fe (III) -EDDS complex (EDDS: Ethylenediamine-N, N'-disuccinic acid) which was used in the microcosms to produce OH radicals. The proposed mechanism is based on the structural identification of 6 photo-transformation products by LC-MS., Les nuages sont des systèmes multiphasiques complexes (gaz, liquide, solide) dans lesquels la matière organique dissoute est soumise à de multiples processus de transformation. La plupart des études se sont focalisées sur les réactions radicalaires, mais la découverte de microorganismes métaboliquement actifs dans les nuages a mis en évidence leur rôle potentiel en tant que biocatalyseurs dans la transformation des molécules organiques. L’objectif principal de cette thèse était d’évaluer le devenir de polluants (phénol, catéchol) et des acides aminés dans la phase aqueuse du nuage selon des transformations chimiques et microbiologiques. En ce qui concerne le phénol et le catéchol, les deux processus de transformation ont été décrits en se basant sur deux approches : expérimentale (microcosme simulant les conditions nuageuses) et modélisation (Box model). Les vitesses de bio- et photo-dégradation mesurées sont du même ordre de grandeur. Lorsque le système multiphasique est pris en compte, le modèle montre que le phénol est très majoritairement dégradé dans la phase gaz par des processus radicalaires, seul de catéchol, plus soluble, est transformé par les microorganismes (17%) et la chimie radicalaire (13%) en phase aqueuse. Pour les AA, les vitesses de transformations biotiques et abiotiques des acides aminés ont été également mesurées en microcosmes, pour ce faire une nouvelle méthode de LC-MS a été développée. Ces mesures ont été complétées par des calculs théoriques basés sur les constantes de réactivité. Les résultats sont complexes et montrent que les AA peuvent être dégradés mais aussi produits, les vitesses dépendent des AA mais aussi des souches microbiennes. Un travail complémentaire a été réalisé pour décrire le mécanisme de photo-dégradation du complexe Fe(III)-EDDS (EDDS : Ethylenediamine-N, N'-disuccinic acid) utilisé dans les microcosmes pour créer des radicaux OH. Ce mécanisme est basé sur l’identification structurale de 6 photo-produits par LC-MS.

Thèse confidentielle; Le sujet de thèse proposé expose les validations de méthodes d'analyses au laboratoire de contrôle qualité, dans l'industrie pharmaceutique, d'un point de vue règlementaire tout d'abord, puis d'un oeil très pratique. Le contexte réglementaire général est mis en place dans la première partie avant de s'intéresser plus précisément aux validations de méthodes microbiologiques dans la deuxième partie. La partie finale expose les travaux de validation effectués dans le laboratoire de Contrôle Qualité de Microbiologie d'Octapharma Lingolsheim. Des revalidations périodiques et des validations de méthodes analytiques entrainées par un changement de méthode sont imposées par les Bonnes Pratiques de Fabrication. Le laboratoire comporte 22 procédures et donc un grand nombre de validations de méthodes sont à mettre en place. Le travail mis en place concerne 3 validations principales : • Validation de la numération de germes par filtration d'échantillons en cours de procédé de fabrication • Validation de la possibilité d'utiliser du milieu de culture fusionné après 8h de maintien au bain-marie • Validation de la possibilité d'incuber les différents milieux de culture jusqu'à leur péremption La rédaction du protocole de validation et de son analyse de risque est suivie par la mise en place de la technique d'analyse puis de la rédaction du rapport de validation. Une fois tous ces documents vérifiés et signés par les différents services en charge, les procédures sont révisées en conséquence.

Surface biocontamination from microorganisms leads to serious economic and health issues. Nowadays, biocide compounds are mostly used as prevention. Nonetheless, they are known to be toxic for environment and to participate in the rise of the antibiotic resistance of pathogens. These research works examine a non-biocide and non-toxic approach. It is based on the inhibition of the microbial adhesion with a monofuranoside-functionalized surface. The development of surfaces was started with the glycosidic synthesis of target furanosides from D-Glucose, D-Galactose and D-Mannose. In order to compare the interest of the cyclic form, pyranosidic homologues, known for their anti-adhesive activity, were also achieved. The modified glycosides were then grafted to a prefunctionalized glass surface linked through an O-glycosidic or S-glycosidic via a triazole group. The resulted surfaces were characterized using goniometry and X-ray photoelectron spectroscopy. The adhesion studies with Pseudomonas aeruginosa have shown an anti-bioadhesion activity with furanosidic and glycosidic surfaces. Specific and non-specific interactions were explored through lectin deficient mutant strains and a thermodynamic approach. The anti-bioadhesive activity was concluded to depent more on the carbohydrate physicochemical properties, rather than the biological interactions.; La biocontamination de surface par des microorganismes provoque d’importantes conséquences économiques et sanitaires. Les différents moyens de prévention mis en place de nos jours utilisent des composés biocides nocifs pour l’environnement et participent à la recrudescence de l’antibiorésistance des organismes pathogènes. Ces travaux de recherche étudient une approche alternative non-biocide et non-toxique. Elle consiste à inhiber l’adhésion microbienne en appliquant une couche de monofuranosides sur une surface. La conception des surfaces a débuté par les synthèses glycosidiques des furanosides cibles à partir du D-Glucose, D-Galactose et D- Mannose. Des homologues pyranosidiques, connus pour leur activité antiadhésive, ont été réalisés afin de comparer l’intérêt de la forme cyclique. Ces sucres ont ensuite été greffés par chimie click sur une surface de verre préfonctionnalisée et au travers d’un lien O-glycosidique ou S- glycosidique via un groupe triazole. Les surfaces résultantes ont été caractérisées à l’aide de la goniométrie et de la spectroscopie photoélectron par rayons X. Les études d’adhésion avec Pseudomonas aeruginosa ont révélé une activité anti-biodhésion des surfaces furanosidiques et pyranosidiques. Les interactions spécifiques et non-spécifiques ont été explorées gràce à l’adhésion de mutants déficiants en lectine et d’un modèle thermodynamique. Les résultats ont conclu que l’activité antiadhésive des monosaccharides était davantage liée aux propriétés physicochimiques des sucres plutôt qu’à des interactions biologiques.

National audience

Litter decomposition is a key process in soil functioning that contributes to many ecosystem services. In temperate climates, earthworms interacting with soil microorganisms contribute significantly to this process. However, knowledge about earthworms most often targets the three ecological categories in which they are defined: epigeics, endogeics and anecics. Anecics are very common in temperate soils, constitute the major part of the earthworm biomass and are involved in the litter decomposition. Several studies have observed behavioral, morphological and physiological traits that distinguish two subcategories within anecics: epi-anecics and strict-anecics. The first objective of this thesis was to verify if this distinction had a reality in the context of the litter decomposition process. Under controlled conditions, we evaluated (i) the role of the main anecic earthworm species in the decomposition process, (ii) the impact of these species on microorganism communities and (iii) soil enzymatic activities and (vi) the impact of interactions between anecic species on the decomposition process. Taking into account their major roles in various soil processes, based on field observations, the second objective of this thesis was to define the assembly of earthworm communities in grassland, The results obtained confirmed the distinction between epi and strict-anecic earthworms: only epic-anecics contribute to the litter decomposition process, which is correlated to the average individual biomass of each species. This contribution involved a greater stimulation of soil enzymatic activities, regardless of the species considered. In contrast to bacteria, soil fungal communities depend on the epi-anecic earthworm species with which they interact. This work also highlights that the abundance, biomass and diversity of earthworm communities in grassland soils are regulated by different environmental filters, including landscape diversity. This thesis highlights that the two ecological subcategories within the anecic category have different roles in the litter decomposition process and therefore contribute to ecosystem services provided by the soil in a differentiated way.; La décomposition des litières est un processus clé du fonctionnement du sol contribuant à de nombreux services écosystémiques. En climat tempéré, les lombriciens en interaction avec les micro-organismes du sol, contribuent significativement à ce processus. Cependant, les connaissances sur les lombriciens ciblent le plus souvent les trois catégories écologiques selon lesquelles ils sont définis : les épigés, les endogés et les anéciques. Les anéciques sont très répandus dans les sols tempérés, constituent la majeur partie de la biomasse lombricienne et interviennent dans la décomposition des litières. Plusieurs études ont observé des traits comportementaux, morphologiques et physiologiques distinguant deux sous-catégories au sein des anéciques : les épi-anéciques et les anéciques stricts. Le premier objectif de ce travail de thèse était de vérifier si cette distinction avait une réalité dans le cadre du processus de décomposition des litières. En conditions contrôlées, nous avons évalué (i) le rôle des principales espèces anéciques dans le processus de décomposition, (ii) l’impact de ces espèces sur les communautés de microorganismes et (iii) les activités enzymatiques des microorganismes du sol et (vi) l’impact des interactions entre espèces anéciques sur le processus de décomposition. A partir d’observations sur le terrain, le second objectif de ce travail de thèse était de définir les règles d’assemblages des communautés lombriciennes en prairie compte-tenu de leurs rôles majeurs dans divers processus du sol. Les résultats obtenus ont confirmé la distinction entre lombriciens anéciques stricts et épi-anéciques : les épi-anéciques étant les seuls à contribuer au processus de décomposition des litières et celui-ci étant corrélé à la biomasse individuelle moyenne de chaque espèce. Cette contribution passe par une plus forte stimulation des activités enzymatiques du sol, indépendamment des espèces considérées. En revanche, contrairement aux bactéries, les communautés fongiques du sol dépendent de l’espèce épi-anécique avec laquelle ils interagissent. Ce travail met également en évidence que l’abondance, la biomasse et la diversité des communautés lombriciennes des sols prairiaux sont régulées par différents filtres environnementaux dont la diversité du paysage. Cette thèse met en évidence que les deux sous-catégories écologiques au sein des anéciques ont des rôles différents sur le processus de décomposition des litières et qu’elles contribuent donc à des services écosystémiques fournis par le sol de manière différenciée.

Phytomanagement is an emerging approach that includes plant biomass valorization for the management of polluted soils and sites. To evaluate the long-term performance of this strategy at field scale, two phytomanaged sites of 1 ha each (sites A and B) were implanted in Fresnes-sur-Escaut (Hauts-de-France) in 2011/2012 at a dredged-sediment disposal site contaminated with potentially toxic elements or PTE (Cd, Cu, Pb et Zn). The thesis work is based on the study of the two sites with the following objectives: (1) study the dynamics of selected plants (Deschampsia cespitosa, Skado and I-214 poplars, Tordis and Inger willows), colonizing plants and invaders, (2) study the efficiency of amendments (mycorrhizal fungi inoculum, basic mineral amendment) on sediment PTE mobility, on aerial plant parts PTE accumulation and on the microbial diversity in soils and tree roots.The efficiency of the grass D. cespitosa for phytomanagement at the site B has been highlighted. The plant was tolerant to the site conditions, had low concentrations of Cd, Cu and Pb in shoots and formed a dense and perennial plant cover. At the site A, the herbaceous plant cover formed by plant colonists was heterogenous with a dominance of the species Urtica dioïca.In amended and non-amended plots, U. dioïca showed higher concentrations of Cd, Cu, Pb and Zn than the same plants from uncontaminated soils. According to risk calculations based on Cd and Zn concentrations, there was no risk related to the ingestion of these herbaceous plants by herbivorous animals. Concerning poplars and willows dedicated to energy production, high Cd and Zn concentrations were found in their leaves regardless of the amendments. These leaves may pose a risk for herbivorous animals. Unlike poplars which were very tolerant to the site conditions, willows showed a reduction of growth and survival rate in the amended and non-amended plots sown with D. cespitosa, because of belowground competition with D. cespitosa. Ecotoxicological tests revealed that soil phytotoxicity was also responsible of the willow growth reduction. Besides, the biological and chemical amendments had no significant effect on PTE mobility and speciation in soils after 4 or 5 years of phytomanagement. Their effects on PTE transfers in plants varied depending on the species, levels of pollution and time. The study of microbial communities in tree roots revealed that the herbaceous cover and soil pollution had a significant impact on microbial composition whereas the amendments did not affect the microbial communities.; Le phytomanagement est un mode de gestion de sites et sols pollués émergent qui inclut la valorisation de la biomasse produite. Pour alimenter les retours d’expérience en conditions réelles et sur le long terme, deux essais de phytomanagement de 1 ha chacun (sites A et B) ont été mis en place à Fresnes-sur-Escaut (Hauts-de-France) en 2011/2012 sur un terrain de gestion de sédiments de curage contaminés par des éléments potentiellement toxiques ou EPT (Cd, Cu, Pb et Zn). Dans ce contexte, les travaux de thèse réalisés sur ces sites avaient pour objectifs d’étudier : (1) la dynamique et la performance des espèces végétales sélectionnées (Deschampsia cespitosa, peupliers Skado et I-214, saule Tordis et Inger), des plantes colonisatrices et envahissantes, (2) l’effet des amendements (inoculum de champignons mycorhiziens, amendement minéral basique) sur la mobilité des EPT dans le sol, sur l’accumulation des EPT dans les parties aériennes des plantes et impact sur la diversité microbienne des sols et des racines ligneuses.L’efficacité de l’espèce herbacée D. cespitosa pour le phytomanagement du site B a été démontrée. Tolérante aux conditions du site, cette plante a présenté de faibles concentrations en Cd, Cu et Pb dans ses parties aériennes et a formé un couvert dense et pérenne. La végétalisation du site A par des plantes colonisatrices était hétérogène avec une dominance de l’espèce Urtica dioïca.Sur les parcelles amendées et non amendées, les concentrations mesurées chez U. dioïca étaient plus élevées en Cd, Pb, Cu et Zn comparées aux mêmes plantes issues de sols non contaminés. Selon les calculs préliminaires de risques basés sur les concentrations mesurées dans les plantes herbacées enrichies en Cd et Zn, les risques liés à leur ingestion par les herbivores se sont avérés négligeables.Concernant les saules et les peupliers dédiés à la production d’énergie, de fortes concentrations en Cd et en Zn ont été mesurées dans les feuilles quels que soient les amendements. Ces feuilles peuvent représenter un risque pour les herbivores. Contrairement aux peupliers très tolérants aux conditions du milieu, une réduction de la croissance et du taux de survie des saules a été mesurée sur les parcelles amendées et non amendées en présence de D. cespitosa, liée à une forte compétition souterraine avec D. cespitosa. L’utilisation de tests écotoxicologiques a permis d’identifier d’autres facteurs dont la phytotoxicité du sol. Par ailleurs, aucun effet des amendements biologiques et chimiques n’a été observé sur la mobilité et la spéciation des EPT après 4 ou 5 années de phytomanagement. Leur effet sur le transfert des EPT était très variable en fonction des espèces, des niveaux de pollution et du temps. L’étude des communautés microbiennes dans les racines ligneuses a révélé un impact de la végétation herbacée et de la pollution mais aucun effet lié aux amendements n’a été observé.

Phytomanagement is an emerging approach that includes plant biomass valorization for the management of polluted soils and sites. To evaluate the long-term performance of this strategy at field scale, two phytomanaged sites of 1 ha each (sites A and B) were implanted in Fresnes-sur-Escaut (Hauts-de-France) in 2011/2012 at a dredged-sediment disposal site contaminated with potentially toxic elements or PTE (Cd, Cu, Pb et Zn). The thesis work is based on the study of the two sites with the following objectives: (1) study the dynamics of selected plants (Deschampsia cespitosa, Skado and I-214 poplars, Tordis and Inger willows), colonizing plants and invaders, (2) study the efficiency of amendments (mycorrhizal fungi inoculum, basic mineral amendment) on sediment PTE mobility, on aerial plant parts PTE accumulation and on the microbial diversity in soils and tree roots.The efficiency of the grass D. cespitosa for phytomanagement at the site B has been highlighted. The plant was tolerant to the site conditions, had low concentrations of Cd, Cu and Pb in shoots and formed a dense and perennial plant cover. At the site A, the herbaceous plant cover formed by plant colonists was heterogenous with a dominance of the species Urtica dioïca.In amended and non-amended plots, U. dioïca showed higher concentrations of Cd, Cu, Pb and Zn than the same plants from uncontaminated soils. According to risk calculations based on Cd and Zn concentrations, there was no risk related to the ingestion of these herbaceous plants by herbivorous animals. Concerning poplars and willows dedicated to energy production, high Cd and Zn concentrations were found in their leaves regardless of the amendments. These leaves may pose a risk for herbivorous animals. Unlike poplars which were very tolerant to the site conditions, willows showed a reduction of growth and survival rate in the amended and non-amended plots sown with D. cespitosa, because of belowground competition with D. cespitosa. Ecotoxicological tests revealed that soil phytotoxicity was also responsible of the willow growth reduction. Besides, the biological and chemical amendments had no significant effect on PTE mobility and speciation in soils after 4 or 5 years of phytomanagement. Their effects on PTE transfers in plants varied depending on the species, levels of pollution and time. The study of microbial communities in tree roots revealed that the herbaceous cover and soil pollution had a significant impact on microbial composition whereas the amendments did not affect the microbial communities.; Le phytomanagement est un mode de gestion de sites et sols pollués émergent qui inclut la valorisation de la biomasse produite. Pour alimenter les retours d’expérience en conditions réelles et sur le long terme, deux essais de phytomanagement de 1 ha chacun (sites A et B) ont été mis en place à Fresnes-sur-Escaut (Hauts-de-France) en 2011/2012 sur un terrain de gestion de sédiments de curage contaminés par des éléments potentiellement toxiques ou EPT (Cd, Cu, Pb et Zn). Dans ce contexte, les travaux de thèse réalisés sur ces sites avaient pour objectifs d’étudier : (1) la dynamique et la performance des espèces végétales sélectionnées (Deschampsia cespitosa, peupliers Skado et I-214, saule Tordis et Inger), des plantes colonisatrices et envahissantes, (2) l’effet des amendements (inoculum de champignons mycorhiziens, amendement minéral basique) sur la mobilité des EPT dans le sol, sur l’accumulation des EPT dans les parties aériennes des plantes et impact sur la diversité microbienne des sols et des racines ligneuses.L’efficacité de l’espèce herbacée D. cespitosa pour le phytomanagement du site B a été démontrée. Tolérante aux conditions du site, cette plante a présenté de faibles concentrations en Cd, Cu et Pb dans ses parties aériennes et a formé un couvert dense et pérenne. La végétalisation du site A par des plantes colonisatrices était hétérogène avec une dominance de l’espèce Urtica dioïca.Sur les parcelles amendées et non amendées, les concentrations mesurées chez U. dioïca étaient plus élevées en Cd, Pb, Cu et Zn comparées aux mêmes plantes issues de sols non contaminés. Selon les calculs préliminaires de risques basés sur les concentrations mesurées dans les plantes herbacées enrichies en Cd et Zn, les risques liés à leur ingestion par les herbivores se sont avérés négligeables.Concernant les saules et les peupliers dédiés à la production d’énergie, de fortes concentrations en Cd et en Zn ont été mesurées dans les feuilles quels que soient les amendements. Ces feuilles peuvent représenter un risque pour les herbivores. Contrairement aux peupliers très tolérants aux conditions du milieu, une réduction de la croissance et du taux de survie des saules a été mesurée sur les parcelles amendées et non amendées en présence de D. cespitosa, liée à une forte compétition souterraine avec D. cespitosa. L’utilisation de tests écotoxicologiques a permis d’identifier d’autres facteurs dont la phytotoxicité du sol. Par ailleurs, aucun effet des amendements biologiques et chimiques n’a été observé sur la mobilité et la spéciation des EPT après 4 ou 5 années de phytomanagement. Leur effet sur le transfert des EPT était très variable en fonction des espèces, des niveaux de pollution et du temps. L’étude des communautés microbiennes dans les racines ligneuses a révélé un impact de la végétation herbacée et de la pollution mais aucun effet lié aux amendements n’a été observé.

Volatile Organic Compounds (VOCs) are trace carbonaceous gases emitted in low concentrations from the continental and marine surfaces to the atmosphere. Highly reactive, these compounds are involved in atmospheric chemistry and are at the heart of many current environmental issues such as climate change related to greenhouse gases, air quality and feedback on the functioning of ecosystems. Terrestrial plant cover was previously identified as the main source of VOCs of biogenic origin. But recent studies suggest that soils could be major sources of VOCs. However, in agricultural anthropogenic landscapes, soils are subject to various and varied uses and management and are likely to modify qualitatively and quantitatively the patterns of VOC emissions. Paradoxically, agrosystem soils have been the subject of few inventories of their VOC emissions. The scarcity of knowledge on the contribution of agrosystems soils in VOC emissions motivated this work of thesis in which three objectives were pursued : i) inventory the spectra and quantify the VOCs fluxes emitted by soils in agricultural landscapes (ii) to determine the role of soil microorganisms in emissions and (iii) to identify the abiotic determinants controlling VOC emissions by soils. A first part of the work has consisted in analyzing the temporal dynamics of VOCs emissions in the field, in two observatory sites representative of the Britain agricultural landscape : the EFELE site (SOERE-PRO) comprising cultivated soils subjected to contrasting fertilization practices, and the Zone Atelier Armorique (ZAAr) including fertilized permanent meadows and wet meadows characterized by a low degree of anthropization. The second step of the work was conducted in the laboratory to clarify and complete the field observations, two series of laboratory experiments were conducted to manipulate, i) the soil organic carbon source via the input of different model molecules (ii) microbial communities by transplanting natural microbial communities into three distinct soils. This study has generated technical advances and produced entirely new results concerning both the characterization of spectra and the quantification of biogenic VOC fluxes emitted by soils. Thus, we show, in the laboratory and in the field, that a soil emits about forty masses of which only a few (1 to 4) are dominant. These VOC spectra are also specific to land uses (crop vs meadow) and fertilization practices. We also show that : i) there is a temporality of VOC emissions by soils ranging from 22 to 167 μg of VOCs per m−2 h−1, the winter period is the least emissive and ii) adds that some fertilization practices, such as pig slurry, induce a flux of methanol up to 10 times that observed by soils amended with methanised pig slurry. Regarding the role of soil microorganisms in VOCs production, we demonstrate that the VOCs spectrum is not representative of the phylogenetic diversity of the soil community but rather of the metabolic activity of active microorganisms. As for the exploration of abiotic determinants that can regulate emissions, our results suggest that the addition of organic molecules to the soil induces a rapid change in the VOC spectrum emitted by the soil, ranging from a few hours to a few days after intake. This modification is dependent on the degree of polymerization of the molecule provided. All research suggests that VOC emissions by soils are not negligible. Their key position in terms of issues requires to be of greater interest and to take them into account in future scenarios of global changes (climate and land uses), especially with regard to emerging practices of soil management in connection with the ecological transition initiated in agriculture. Similarly, the consideration of VOCs emissions in the biogeochemical cycles of carbon and that of nitrogen to better understand the functioning of ecosystems is also discussed in this document., Les composés Organiques Volatils (COVs) sont des gaz carbonés rares, émis en faible concentration depuis les surfaces continentale et marine vers l’atmosphère. Très réactifs, ces composés sont impliqués dans la chimie atmosphérique et sont au cœur de nombreuses problématiques environnementales actuelles telles que le changement climatique lié aux gaz à effet de serre, la qualité de l’air et les rétroactions sur le fonctionnement des écosystèmes. Les couverts végétaux terrestres étaient jusqu’alors identifiés comme les sources principales de COVs d’origine biogénique. Mais, de récentes études suggèrent que les sols pourraient constituer des sources majeures de COVs. Or dans les paysages anthropisés agricoles, les sols sont l’objet d’usages et de gestions divers et variés et sont susceptibles de modifier qualitativement et quantitativement les patrons d’émissions de COVs. Paradoxalement, les sols d’agrosystèmes ont fait l’objet de peu d’inventaires de leurs émissions de COVs. La rareté des connaissances sur la contribution des sols d’agrosystèmes dans les émissions de COVs a motivé ce travail de thèse dans lequel trois objectifs ont été poursuivis : i) inventorier les spectres et quantifier les flux de COVs émis par les sols dans les paysages agricoles, ii) déterminer le rôle des microorganismes du sol dans les émissions et iii) identifier les déterminants abiotiques régulant les émissions de COVs par les sols. Une première partie du travail a consisté à analyser les dynamiques temporelles d’émissions de COVs sur le terrain, dans deux sites observatoires représentatifs du paysage agricole Breton : le site EFELE (SOERE-PRO) comprenant des sols cultivés soumis à des pratiques de fertilisation contrastées, et la Zone Atelier Armorique (ZAAr) comprenant des prairies permanentes fertilisées et des prairies humides caractérisées par un faible degré d’anthropisation. La deuxième partie du travail a été menée en laboratoire pour expliciter et compléter les observations de terrain, deux séries d’expérimentations en laboratoire ont été réalisées permettant de manipuler, i) la source de carbone organique du sol via l’apport de différentes molécules modèles, ii) les communautés microbiennes par la transplantation de communautés microbiennes naturelles dans trois sols distincts. Cette étude aura permis de montrer, en laboratoire et sur le terrain, qu’un sol émet une quarantaine de masses dont seules quelques-unes (1 à 4) sont dominantes. Ces spectres de COVs sont par ailleurs spécifiques des usages des sols (culture vs prairie) et des pratiques de fertilisation. Nous montrons aussi : i) qu’il existe une temporalité des émissions de COVs par les sols allant de 22 à 167 μg de COVs par m−2 h−1, la période hivernale étant la moins émissive et que ii) s’ajoute que certaines pratiques de fertilisation, comme l’apport de lisier de porc, induisent un flux de méthanol pouvant atteindre jusqu’à 10 fois celui qui est observé par les sols amendés avec du digestat de lisier de porc. Concernant, le rôle des microorganismes du sol dans la production de COVs, nous démontrons que le spectre de COVs n’est pas représentatif de la diversité phylogénétique de la communauté du sol mais plutôt de l’activité métabolique des microorganismes actifs. S’agissant de l’exploration des déterminants abiotiques susceptibles de réguler les émissions, nos résultats suggèrent que l’ajout de molécules organiques au sol, induit un changement rapide dans le spectre de COVs émis par le sol. Cette modification est dépendante du degré de polymérisation de la molécule apportée. Pour conclure, l’approche intégrative et interdisciplinaire mise en œuvre dans ce travail de thèse a permis d’accroître les connaissances sur les émissions de COVs biogéniques par les sols. L’ensemble des recherches suggère que les émissions de COVs par les sols ne sont pas négligeables. Leur position dans les cycles biogéochimiques nécessite leur intégration dans les scenarii futurs des changements globaux.

In the context of global warming, more precise knowledge of atmospheric processes is needed to evaluate their impact on the Earth radiative budget. Clouds can limit the increase of temperature but this retroaction is not well understood due to a lack of knowledge of cloud media (like organic fraction composition). From the beginning of atmospheric studies, only chemical, especially radical, reactions was taken into account. However microorganisms metabolically active were found in cloud water arising questions about their role as biocatalyst. They are able to use carboxylic acids as nutriments, to degrade radical precursor (like H2O2) and to survive oxidative stress. The aim of this work is to quantify the impact of photochemical and biological processes on cloud chemistry composition. First, the concentrations of •OH, the most reactive radical, were evaluated and the influence of microorganisms on the concentrations were studied. A new method was developed in artificial medial before direct quantification of steady state •OH concentration in atmospheric waters (rain and cloud waters). Concentrations ranged from 10-17 to 10-15 M and did not change in presence of microorganisms. These measures were lower than concentrations estimated by chemical atmospheric models. A possible explanation was an underestimation of the main sink of this radical (organic matter). To better characterize this fraction, simple aromatic compounds were identified in cloud waters, phenol was found in the 8 samples analyzed. To go further, we studied phenol degradation in detail. Enzyme transcripts involved in phenol degradation were present in cloud water samples showing in situ activity of native bacteria. 93% of tested cultural strains, isolated from cloud waters, were able to degrade phenol. To quantify the relative contribution of radical versus microbial processes allowing phenol degradation, we performed photo-biodegradation experiment with a model strain (Rhodococcus erythropolis PDD-23b-28). Our results showed that these two processes participated equally to phenol degradation, suggesting that microorganisms and radicals can be involved in atmospheric natural remediation.; Dans un contexte de réchauffement climatique, une compréhension des mécanismes atmosphériques influençant le bilan radiatif terrestre est nécessaire. Les nuages peuvent participer à un refroidissement mais des incertitudes demeurent sur ces systèmes qui sont encore mal connus (notamment la composition de leur fraction organique). Depuis toujours, seules les réactions chimiques et surtout celles radicalaires sont considérées comme importantes pour jouer sur la composition des nuages. Cependant la découverte de microorganismes métaboliquement actifs pose la question de leur rôle en tant que biocatalyseurs. Ces microorganismes sont en effet à même d'utiliser des molécules carbonées comme nutriments, de dégrader des molécules précurseur des radicaux (H2O2) et de se prémunir contre le stress oxydant. L'objectif de ce travail est de mesurer l'impact des processus photochimiques et biologiques sur la composition chimique du nuage. Pour cela, la quantification de •OH, le radical responsable de la réactivité diurne, et l’évaluation de l’impact des microorganismes sur cette concentration à l’état stationnaire ont été entreprises. Après un développement en milieu modèle, la méthode a été appliquée à des eaux atmosphériques (eaux de pluies et eaux de nuages). Les concentrations obtenues sont de l'ordre de 10-17 à 10-15 M et ne sont pas modifiées en présence de microorganismes. Ces concentrations sont plus faibles que celles obtenues dans les modèles de chimie atmosphérique, ceci peut s’expliquer par un manque de connaissance sur la matière organique. Pour mieux caractériser cette dernière, des composés aromatiques simples présents dans des eaux de nuages ont été identifiés, le phénol a été retrouvé dans les 8 échantillons analysés. Une étude approfondie sur sa dégradation a donc été entreprise. Nous avons montré que des transcrits d’enzymes intervenant dans sa biotransformation sont synthétisés par les bactéries in situ dans l’eau de nuage. De plus, 93% des souches bactériennes testées, isolées de ce milieu, dégradent le phénol. Pour évaluer l'impact relatif des processus de dégradation biotique et abiotique du phénol, une expérience de photobiodégradation avec une souche modèle (Rhodococcus erythropolis PDD-23b-28) a été entreprise. Ces deux processus interviennent avec une importance de même ordre de grandeur. Ces résultats suggèrent que les microorganismes et les radicaux interviennent dans la remédiation naturelle de l'atmosphère.

Totally implantable venous-access ports are medical devices used for the administration of chemotherapy drugs and/or parenteral nutrition. Infections can occur and it is indispensable in modern-day medical practice to prevent and reduce the rare infectious complications. In this context, the goal of this work was to study the contribution of the modification of physico-chemical properties of titanium based surfaces on the adherence of microorganisms. Surfaces with different characteristics were produced and the adherence of the bacterium Staphylococcus aureus and the yeast Candida albicans was studied in vitro in static conditions. Model surfaces made of titanium dioxide with roughness from nanometer to micrometer were elaborated using silicon wafers recovered with a thin film of titanium dioxide deposited by plasma vapor deposition. Titanium alloy surfaces (Ti grade 2 and Ti grade 5) were modified by polishing, grit-blasting or wire erosion, to create different surface morphologies. In vitro studies were performed and it was found that the number of adhering microorganisms changed with roughness, but more importantly with the surface morphology of the biomaterials and microorganisms size. Flat titanium dioxide thin films were then functionalized by molecular grafting to modify the hydrophobicity of the surface. Study of plasma protein adsorption, by QCM, allowed to better explain the adherence of bacteria and yeast onto these surfaces. The influence of parenteral nutrition and chemotherapy drugs was also studied in order to better approach the real conditions of totally implantable venous-access ports.; Les chambres implantables sont des dispositifs médicaux utilisés pour l’'administration de produits de chimiothérapie et/ou de nutrition parentérale. Comme la plupart des implants médicaux, ces dispositifs peuvent être à l’'origine d’infections nosocomiales. L’'objectif de la thèse a été d’'étudier la contribution des modifications physico-chimiques de surface de matériaux à base de titane sur l’'adhérence de microorganismes. Des surfaces présentant différentes caractéristiques ont été élaborées et l’'adhérence de la bactérie Staphylococcus aureus et de la levure Candida albicans a été testée in vitro en conditions statiques. Des surfaces modèles de TiO2 présentant des rugosités à l’'échelle du nanomètre et du micromètre ont été élaborées avec des wafers de silicium revêtues d’'un film mince d’'oxyde de titane déposé par pulvérisation cathodique. Des surfaces d’'alliages de titane grade 2 et grade 5 ont été modifiées par polissage, sablage ou électroérosion, créant différentes morphologies. Il est apparu que le nombre de microorganismes adhérents changeait certes avec la rugosité, mais était fonction de la morphologie de surface des matériaux et de la taille du microorganisme. Des surfaces lisses de TiO2 ont ensuite été fonctionnalisées par greffage moléculaire pour modifier le caractère hydrophile/hydrophobe de surface. L’'étude de l’'adsorption de protéines du plasma sanguin, par QCM, a permis de mieux expliquer l’'adhérence de bactéries et de levures sur ces surfaces. L’'influence de la nutrition parentérale et des produits de chimiothérapie sur les surfaces a aussi été étudiée afin de se rapprocher des conditions d’'utilisation des chambres implantables.

National audience

Etudes après études, les pesticides sont identifiés comme une menace pour la diversité et l’activité des microorganismes des sols. Bien que cette menace soit identifiée, nous restons démunis pour estimer l’impact écotoxicologique des pesticides sur des fonctions écosystémiques des sols. Ainsi, l’évaluation a priori des effets des pesticides sur les microorganismes des sols repose sur l’estimation de leur impact sur la minéralisation du carbone et de l’azote. Ces tests trop globaux ne rendent pas compte de l’effet des pesticides sur les microorganismes. Cette étude a testé un bouquet d’indicateurs pour évaluer l’impact écotoxicologique de pesticides sur les communautés microbiennes supportant des fonctions écosystémiques des sols et des sédiments. Elle a permis le développement de nouveaux outils et de normes ISO pouvant être utilisés pour évaluer l’impact a priori et a posteriori des pesticides sur la diversité et l’activité des microorganismes des sols et des sédiments., What microbial indicators to assess the ecotoxicological impact of pesticides on terrestrial and aquatic ecosystem functions? Studies after studies, pesticides are identified as a major threat for the diversity and activity of soil microorganisms. Although identified as a threat, there is a lack of methods to estimate the ecotoxicological impact of pesticides on soil ecosystemic functions. Indeed a priori evaluation of pesticide effects on soil microorganisms relies solely on the estimation of their impact on carbon and nitrogen mineralisation. These global tests did not allow to properly measure the effects of pesticides on soil microorganisms. This study tested a panel of indicators to evaluate the ecotoxicological impact of pesticides on microbial communities supporting soil and sediment ecosystemic functions. It leads to the development of new tools and ISO standards ready to be used to evaluate the a priori and a posteriori impact of pesticides on the diversity and activity of soil and sediment microorganisms.

Ce numéro comprend les articles issus du colloque de restitution Ecophyto Recherche « Des outils et des dispositifs pour éclairer les décisions, explorer les possibles et accompagner la transition vers des systèmes économes et multi-performants », qui s’est tenu à Saint-Malo, du 22 au 24 mars 2017.; Quels indicateurs microbiens pour évaluer l’impact écotoxicologique des pesticides sur des fonctions écosystémiques terrestres et aquatiques ?

The new-generation pesticides are often sprayed at low dosages and in mixtures. Up to now, a few studies focused on the effect of these mixtures on the biodegradation and the toxicity of each pesticide and/or metabolite. The aim of this Ph.D. work was to study the biotransformation of each herbicide of a mixture composed of mesotrione (β-triketone), nicosulfuron (sulfonylurea) and S-metolachlor (chloroacetanilide) applied on maize crops, as well as the toxicity (Microtox® test) of the herbicides/metabolites alone or in mixture. The identification of mesotrione metabolites by the strain Bacillus megaterium Mes11 and a differential proteomic approach suggested the role of nitroreductases in the first step of mesotrione biotransformation. This was confirmed by the structural and functional characterization of two enzymes able to biotransform mesotrione: the NfrA1 and NfrA2 nitroreductases, belonging to the NfsA-FRP sub-family of Nitro-FMN reductases. The biotransformation pathway of nicosulfuron has been elucidated for the strain Pseudomonas fluorescens SG-1 isolated from an agricultural soil and able to co-metabolically biotransform nicosulfuron. Two major metabolites resulting from the cleavage of the sulfonylurea bridge were identified, one of them (ADMP, 2-amino-4,6-dimethoxypyrimidine) presenting a 20-fold higher toxicity than the parent compound. The simultaneous biotransformation of mesotrione and nicosulfuron by the strain Mes11 was also qualitatively and quantitatively studied, showing a negative effect of mesotrione on nicosulfuron biotransformation, and a positive effect of S-metolachlor on mesotrione biotransformation. All parent compound mixtures tested resulted in synergistic effects towards A. fischeri, while metabolite mixtures (with or without S-metolachlor) were mostly synergistic or antagonistic. The last part of the PhD work was devoted to the development of a preventive technique for the treatment of pollutions caused by agricultural pesticides (bioprophylaxis). We made the proof of concept of this method by using a soil microcosm study. The simultaneous spreading of 2,4-D (2,4-dichlorophenoxyacetic acid) herbicide and the strain Cupriavidus necator JMP134 able to mineralize it allowed a 3-fold reduction of 2,4-D half-life in soil, while preserving its herbicide activity., Les pesticides de nouvelle génération sont le plus souvent épandus à de faibles doses et en mélange. Peu d’études se sont intéressées jusqu’à présent à l’effet de ces mélanges sur la biodégradation et la toxicité de chaque pesticide et/ou métabolite. Le but de ces travaux de thèse était d’étudier les voies de biotransformation de chacun des trois herbicides d’un mélange constitué de mésotrione (β-tricétone), nicosulfuron (sulfonylurée) et S-métolachlore (chloroacétanilide) utilisé sur les cultures de maïs, ainsi que la toxicité (test Microtox ® ) des herbicides et de leurs métabolites, seuls et en mélanges. L’identification des métabolites de la mésotrione chez la souche Bacillus megaterium Mes11 et une étude de protéomique différentielle ont suggéré l’implication de nitroréductases dans la première étape de la biotransformation de cet herbicide, rôle confirmé ensuite par la caractérisation structurelle et fonctionnelle de deux enzymes capables de transformer la mésotrione : les nitroréductases NfrA1 et NfrA2, appartenant à la sous-famille NfsA-FRP des Nitro-FMN réductases. La voie de biotransformation du nicosulfuron a, quant à elle, été étudiée chez la souche Pseudomonas fluorescens SG-1 isolée à partir de sol agricole, capable de transformer cet herbicide par co-métabolisme. Cette biotransformation conduit à la formation de deux métabolites majoritaires issus du clivage de la liaison sulfonylurée du nicosulfuron, l’un deux (l’ADMP, 2-amino-4,6-diméthoxypyrimidine) présentant une toxicité 20 fois supérieure à celle de la molécule mère. Nous avons également étudié qualitativement et quantitativement la biotransformation de la mésotrione et du nicosulfuron par la souche Mes11 séparément ou en mélange, et en présence ou non de S-métolachlore Les résultats ont montré un effet négatif de la mésotrione sur la biotransformation du nicosulfuron et un effet positif du S-métolachlore sur la biotransformation de la mésotrione. Tous les mélanges d’herbicides testés ont montré des effets synergiques pour la toxicité vis-à-vis de A. fischeri, tandis que les mélanges de métabolites (avec ou sans S-métolachlore) étaient majoritairement synergiques ou antagonistes. La dernière partie des travaux de thèse est focalisée sur le développement d’une technique préventive de traitement de la pollution par les pesticides d’origine agricole (bioprophylaxie). Nous avons fait la preuve de concept de cette technique par une étude en microcosmes de sol. L’épandage simultané de l’herbicide 2,4-D (acide 2,4-dichlorophénoxyacétique) et de la souche Cupriavidus necator JMP134 capable de le minéraliser a en effet permis de réduire le temps de demi-vie de ce composé d’un facteur 3, tout en conservant son activité herbicide.

Hard-rock aquifers are heterogeneous geological structure very widespread in Britany that have the property to store groundwater. These aquifers are often made of a weathered zone and a fractured zone. The weathered zone is a rather thin layer close to the surface and is constituted of weathered rocks submerged in groundwater. In this zone, groundwater circulates rapidly from the upper parts of the watershed to the aquifer outlet, thus shows short groundwater residence time (< 20y) and is often polluted by nitrates. The fractured zone is located deeper and is thicker. It is composed of fresh rocks crossed by fractures in which groundwater exclusively flows with a very slow velocity, thus groundwater residence time in this zone is rather long (>40 y). In the fractured zone, groundwater is much more mineralized and often rich in iron, in Britany. The differences of flow velocities in the weathered and the fractured zones are responsible for contrasted chemical conditions in these two zones, but the influence of groundwater flow velocity on the microbial ecosystem in groundwater remains largely unexplored. This work shows hydrologic circulations influence the microbial community structuration in hard-rock aquifer groundwater at regional and local scales. Position of a groundwater along a hydrologic flowpath or a “hydrological loop” directly controls microbial community structure through the control of the successively available electron donors and acceptors. The analyzed microbial communities show a predominance of Betaproteobacteria. In recent groundwater (< 20y) thus particularly in the weathered zone, Betaproteobacteria are mainly Comamonadaceae and Oxalobacteraceae, which are generalists able to do denitrification. In old and isolated groundwater (> 40y) thus particularly in the fractured zone, Betaproteobacteria are mainly Gallionellaceae, which are microaerophilic iron-oxidizer. The predominance of Gallionellaceae in the fractured zone suggests a deep ecosystem based on iron oxidation. However, this process implies a minimal input of oxygen in the deeper part, for instance via mixing with recent oxygenated groundwater. Proportion of Gallionellaceae in the different analyzed groundwater shows a positive correlation with the degree of mixing between old and recent groundwater, up to a limit of 20% of recent groundwater. The temporal microbial community dynamics in a single aquifer, before and during the beginning of recharge, demonstrated in the weathered part very fluctuant chemical conditions and a shifting microbial community that remains always composed of numerous potential denitrifiers. In the fractured part, microbial community is dominated by Gallionellaceae and remains rather stable, despite the punctual but substantial changing of the chemical conditions and degree of mixing (up to 60% of recent groundwater) at the beginning of the recharge. Gallionellaceae seem thus able to resist to important and punctual chemical conditions changings. Groundwater in the deeper part of aquifers, even isolated, remains relatively connected to surface, likely allowing the deep microbial ecosystem to maintain.; Les aquifères de socle fracturés très répandus en Bretagne, constituent des formations géologiques hétérogènes renfermant des ressources en eau. Ces structures sont souvent constituées d'une zone altérée et d'une zone fracturée. La zone altérée est peu épaisse et proche de la surface, elle est constituée de roches altérées envahies par l'eau souterraine qui y circule rapidement des hauts topographiques du bassin versant vers l'exutoire. L'eau y présente des temps de résidence courts (40 ans). Dans cette zone, l'eau est plus minéralisée et souvent riche en fer en Bretagne. Ces différentes circulations d'eau, induisent des conditions chimiques contrastées dans les zones altérée et fracturée, mais leur effet sur l'écosystème microbien des eaux souterraines n'a jamais été exploré. Cette étude montre que les circulations hydrologiques influencent à l'échelle régionale et locale la structuration des communautés microbiennes au sein des eaux souterraines d'aquifères de socle. La position d'une eau souterraine le long des voies de circulations des eaux souterraines dites « boucles hydrologiques » contrôle directement la structure des communautés microbiennes via le contrôle de la succession des donneurs et accepteurs d'électrons disponibles. Les communautés microbiennes analysées montrent une prédominance de Nitrobacter. Dans l'eau souterraine récente (40 ans) et isolée donc dans la zone fracturée, ce sont en grande majorité des Gallionellaceae, microorganismes microaérophiles spécialisés dans l'oxydation du fer(II). La prédominance des Gallionellaceae dans la zone fracturée suggère un écosystème profond basé sur l'oxydation du fer(II). Cependant, ce processus suppose une arrivée minimale d'oxygène dans la partie profonde, via par exemple un mélange avec une masse d'eau récente oxygénée. La proportion de Gallionellaceae dans les différentes eaux analysées montre une corrélation positive avec le degré de mélange des eaux anciennes avec des eaux récentes, jusqu'à une limite de 20% d'eau récente. Le suivi temporel de la dynamique des communautés d'un aquifère avant et au début de la recharge a montré dans la zone altérée des conditions chimiques très fluctuantes et une communauté microbienne très changeante mais toujours constituée de nombreux potentiels dénitrifiants. Dans la zone fracturée, la communauté dominée par les Gallionellaceae est relativement stable, malgré des changements chimiques ponctuels substantiels et un degré de mélange transitoire important (jusqu'à 60% d'eau récente) au début de la recharge. Les Gallionellaceae semblent donc capables de résister à des changements ponctuels et importants des conditions chimiques. Les eaux souterraines de la partie profonde des aquifères, bien qu'isolées, restent relativement connectées à la surface ce qui permet probablement le maintien de l'écosystème microbien profond.

Les produits phytopharmaceutiques (ou pesticides) utilisés aujourd'hui en agriculture sont pointés du doigt pour leurs impacts potentiels sur l’environnement et les écosystèmes et pour les risques qu’ils sont susceptibles d’engendrer pour la santé animale et humaine (Inserm, 2013). Les objectifs majeurs de la thèse sont d’isoler et identifier des microorganismes pathogènes des adventices, et d’acquérir des connaissances sur les mécanismes de l'interaction plante adventicemicroorganismes dans le cadre du développement de bioherbicides pour contrôler les adventices. Outre une analyse bibliographique sur l'état des connaissances relatif aux interactions adventicesmicroorganismes, le travail de thèse sera structuré selon 2 axes: - Identification de microorganismes à action herbicide. Après prospection et collecte d'adventices symptomatiques, la diversité des microorganismes endophytes sera évaluée par une approche moléculaire. En parallèle, des microorganismes associés aux symptômes seront isolés, purifiés, identifiés et testés pour leur aptitude à provoquer des symptômes sur l’hôte d’isolement pour vérifier les Postulats de Koch. La virulence des microorganismes pathogènes identifiés sera testée sur un panel d'adventices et de cultures afin de caractériser le spectre d'hôtes et la sélectivité de ces isolats. - Caractérisation du mode d'action conduisant à la mort de l'adventice. Une approche de transcriptomique (type RNAseq) sera réalisée à partir de l'ARNr microbien extrait de l'interaction microorganisme-plante puis amplifié et séquencé afin d'identifier les métabolites pour lesquels codent les gènes exprimés. Le sujet de thèse repose sur la collaboration entre l’UMR Agroécologie et la société De Sangosse.

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2017-03-09; Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are persistent organic pollutants in soil, whose degradation in aged-contaminated soil is limited by their low bioavailability. The ability of plants to promote pollutant dissipation through the action of rhizosphere microorganisms has been shown (rhizodegradation). However contrasted results were obtained suggesting spatio-temporal variability of processes. Different experiments, with different time and space scales, using microcosm and field trials were achieved to precise phenomena. Study of spatial variability of PAH and bacterial diversity were done in two-contrasted rhizospheres (ryegrass and alfalfa) at centimeter scale after 37 days of plant growth, on a wasteland aged contaminated soil Results showed spatial structuration of sugar content, pH, bacterial diversity and microbial density, depending on plant species, but no vertical gradient was observed for PAH concentration. Study of temporal variability of processes showed dissipation of bioavailable fraction of pollutant in just 6 days and in comparison with bare soil, a positive impact of plant was shown on PAH dissipation and on expression of PAH dioxygenase genes. A long-term study (over 6 years) in a field trial revealed that plant cover slowed down PAH dissipation and impacted bacterial and fungal diversity as edaphic parameters. All these results underlined the importance of PAH bioavailability for the dissipation process and of spatio-temporal dynamic of microbial community, in the rhizosphere; Les Hydrocarbures Aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants, dont la faible disponibilité dans les sols historiquement contaminés limite leur biodégradation. La capacité des plantes à favoriser l’élimination de ces polluants par l’action des microorganismes associés à leur rhizosphère a été montrée (rhizodégradation). Toutefois les résultats sont variables, suggérant la variabilité spatio-temporelle des processus. Des études à différentes échelles de temps et d’espace, utilisant des microcosmes et des dispositifs in situ ont été menées pour préciser ces phénomènes. L’étude de la variabilité spatiale des HAP et de la diversité bactérienne a été menée au sein de deux rhizosphères contrastées (ray-grass et luzerne), à l’échelle centimétrique après 37 jours de culture sur un sol de friche industrielle. Les résultats ont montré une spatialisation de la teneur en sucre et du pH, de la diversité bactérienne et de l’abondance microbienne, spécifique de l’espèce végétale, mais sans structuration de la teneur en HAP. L’étude de la variabilité temporelle de ces processus a révélé la dissipation en 6 jours des polluants biodisponibles ainsi qu’un effet positif des plantes par rapport au sol nu sur la dissipation des HAP et sur l’expression des gènes de HAP-dioxygénase. Une étude à plus long terme (6 ans) et in situ a montré que le couvert végétal ralentit la dissipation des HAP et influencent fortement la diversité microbienne, tout comme certains paramètres édaphiques. L’ensemble de ces résultats montre l’importance de la biodisponibilité des HAP qui conditionne leur dissipation, et de la dynamique des communautés microbiennes dans la rhizosphère

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are persistent organic pollutants in soil, whose degradation in aged-contaminated soil is limited by their low bioavailability. The ability of plants to promote pollutant dissipation through the action of rhizosphere microorganisms has been shown (rhizodegradation). However contrasted results were obtained suggesting spatio-temporal variability of processes. Different experiments, with different time and space scales, using microcosm and field trials were achieved to precise phenomena. Study of spatial variability of PAH and bacterial diversity were done in two-contrasted rhizospheres (ryegrass and alfalfa) at centimeter scale after 37 days of plant growth, on a wasteland aged contaminated soil Results showed spatial structuration of sugar content, pH, bacterial diversity and microbial density, depending on plant species, but no vertical gradient was observed for PAH concentration. Study of temporal variability of processes showed dissipation of bioavailable fraction of pollutant in just 6 days and in comparison with bare soil, a positive impact of plant was shown on PAH dissipation and on expression of PAH dioxygenase genes. A long-term study (over 6 years) in a field trial revealed that plant cover slowed down PAH dissipation and impacted bacterial and fungal diversity as edaphic parameters. All these results underlined the importance of PAH bioavailability for the dissipation process and of spatio-temporal dynamic of microbial community, in the rhizosphere, Les Hydrocarbures Aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants, dont la faible disponibilité dans les sols historiquement contaminés limite leur biodégradation. La capacité des plantes à favoriser l’élimination de ces polluants par l’action des microorganismes associés à leur rhizosphère a été montrée (rhizodégradation). Toutefois les résultats sont variables, suggérant la variabilité spatio-temporelle des processus. Des études à différentes échelles de temps et d’espace, utilisant des microcosmes et des dispositifs in situ ont été menées pour préciser ces phénomènes. L’étude de la variabilité spatiale des HAP et de la diversité bactérienne a été menée au sein de deux rhizosphères contrastées (ray-grass et luzerne), à l’échelle centimétrique après 37 jours de culture sur un sol de friche industrielle. Les résultats ont montré une spatialisation de la teneur en sucre et du pH, de la diversité bactérienne et de l’abondance microbienne, spécifique de l’espèce végétale, mais sans structuration de la teneur en HAP. L’étude de la variabilité temporelle de ces processus a révélé la dissipation en 6 jours des polluants biodisponibles ainsi qu’un effet positif des plantes par rapport au sol nu sur la dissipation des HAP et sur l’expression des gènes de HAP-dioxygénase. Une étude à plus long terme (6 ans) et in situ a montré que le couvert végétal ralentit la dissipation des HAP et influencent fortement la diversité microbienne, tout comme certains paramètres édaphiques. L’ensemble de ces résultats montre l’importance de la biodisponibilité des HAP qui conditionne leur dissipation, et de la dynamique des communautés microbiennes dans la rhizosphère

The use of bio-based composites in outdoor applications for civil engineering raises the issue of their sustainability in service. This is mainly due to the highly hydrophilic character of natural fibers. Indeed, the behavior of these composites in a wet environment or under thermal and biological constraints is not well known. The main objective of this study is to get a better understanding of the reversibility of bio-based composites properties. Therefore, wetting/ drying cycles were performed on polyethylene/short flax fibre composites under hydro and hygrothermal ageing at 30 and 80°C. The influence of the fiber content and the interface quality on the mechanical properties was monitored. Moreover, a 6 months study of a microbial growth impact on these composites was carried out. A characterization of the non-aged materials was conducted first. Then, the kinetic parameters such as the water diffusion coefficient and the weight changes due to ageing were determined. Two competing mechanisms seem to affect the diffusion coefficient. The mechanical characterization of these composites during aging has enabled the identification of the aging mechanisms. Changes in the mechanical modulus at 30°C were mostly reversible after a drying cycle and were associated with a plasticizing effect of the water molecules on the cellulose microfibrils. The property losses increase and become irreversible at 80°C, which indicates a higher degradation of the composites. Finally, the biological degradation of these materials has been studied. It was verified that selective consumption of flax fiber components by microorganisms occurs, and that their growth is favored by the fiber content in the composite, L'utilisation des composites biosourcés dans des applications extérieures pour le génie civil pose le problème de leur durabilité dans les conditions d'utilisation, en raison de la forte hydrophilie des fibres naturelles. En effet, le comportement de ces composites en présence d’eau et d’humidité ou face aux contraintes thermiques et agressions biologiques est mal connu. L’objectif de cette thèse est d’étudier, par des analyses multi-échelles, la réversibilité des évolutions des propriétés de composites à matrice polyéthylène renforcée par des fibres courtes de lin. Pour ce faire, des cycles humidification/séchage ont été réalisés lors de vieillissement hydro et hygrothermiques, à 30 et 80°C. L’influence du taux de fibres et de la qualité de l'interface sur l’évolution de ces propriétés a été évaluée. De même, une étude de l’impact du développement microbien sur les composites a été réalisée pendant 6 mois. Après une caractérisation initiale des matériaux, les évolutions des caractéristiques cinétiques de coefficients de diffusion et de prise de masse au cours des vieillissements ont été évaluées. Ainsi, deux phénomènes antagonistes semblent gouverner l'évolution du coefficient de diffusion des composites. Dans un second temps, la caractérisation mécanique de ces composites au cours du vieillissement a permis d'identifier les phénomènes mis en jeu. Les évolutions du module mécanique à 30°C sont réversibles après séchage et sont attribuées à une plastification des microfibrilles de cellulose. Ces chutes s'accentuent et deviennent irréversibles à 80°C, mettant en évidence des dégradations plus importantes des matériaux. Dans un troisième temps, le phénomène de dégradation biologique de ces matériaux a été étudié. Il a été vérifié que les microorganismes sont responsables de consommation sélective de composants de fibres de lin et que leur croissance est favorisée par le taux de fibres dans le composite

The aim of the international "4 per 1 000" initiative is to support States and non-governmental actors in their efforts towards a better management of carbon (C) stocks in soils. These stocks depend on the inputs and outputs of C in soils. Stocks are the result of intercon¬nected mechanisms acting at fine spatial scales, leading to stabilisation/destabilisation of the C present in organic matter (OM). The need to federate research on these mechanisms and their effects on C stocks in a context of local and global changes (land uses, agricultural practices, climatic and soil conditions, etc.) led to the creation in 2015 of a group of french researchers, CarboSMS. This is the synthesis of the seminar dedicated to this issue. In the first part, we present recent advances in the understanding of soil C stabilisation mechanisms. Biotic mechanisms correspond to the effects of plants (main source of C through litter and root systems), microorganisms (fungi and bacteria) and ecosystem engineers (earthworms, termites, ants) on organic C stocks in soils. Abiotic processes are related to the physical structure of soils, to the organization of their porosity and to their mineral fraction : inclusion of the OM in aggregates, association with minerals, etc. These biotic and abiotic mechanisms take place concomitantly and interact. In the second part, we discuss the effects of agricultural practices on soil C stocks. By acting on biotic as well as abiotic mechanisms, land use and management specificities (choice of plant species and density, plant residue exports, amendments, fertilization, tillage, etc.) drive not only the spatial and temporal organic inputs into soils, but also the OM sensitivity to mineralisation. The complexity of the interactions between the different mechanisms and their effects on C stocks are evidenced by meta-analyses and long-term field studies. Organic C stabilisation mechanisms in soils are studied at fine spatial scales (mm-μm) under controlled conditions. The third part of this article addresses the issues of upscaling (up to the plot and to global scale) and validating the action of specific mechanisms in different soil and climatic contexts, before taking them into account in large scale models to improve predictions of the changes in soil C stocks. Finally, this literature review highlights some perspectives for future research aiming at preserving or even increasing C stocks. These perspectives focus on the mechanisms, the effects of agricultural practices on these mechanisms, and on predictive models of C stocks.; La iniciativa internacional "4 por 1 000" tiene como ambición sostener Estados y actores no gubernamentales en sus esfuerzos hacia una mejor gestión de los stocks de carbono (C) de los suelos. Estos stocks dependen de las entradas y salidas de C en los suelos. Los stocks son la consecuencia de mecanismos interconectados, que actúan a una escala espacial fina, que conducen al almacenaje o al desalmacenaje del C presente en las materias orgánicas (MO). Aparece necesario federar los investigadores sobre estos mecanismos y su acción sobre los stocks de C en un contexto de cambio local o global (uso de los suelos, prácticas agrícolas, condiciones climáticas o edáficas, etc.), lo que lleva a la creación del colectivo de investigadores CarboSMS. Este artículo es la síntesis del seminario dedicado a esta cuestión. La primera parte presenta los avances recientes sobre la compren¬sión de los mecanismos de estabilización. Los mecanismos bióticos corresponden a los efectos de las plantas (principal fuente de C, en particular a través de sus sistemas radiculares), de los microorganismos (hongos y bacterias) y de los ingenieros del ecosistema (lombrices, termitas, hormigas) sobre los stocks de C orgánico del suelo. Los procesos abióticos son ligados a la estructura física del suelo, a la organización de su porosidad y a su fracción mineral : inclusión de la MO en los agregados, asociación a los minerales, etc. Estos mecanismos bióticos y abióticos se desarrollan de manera concomitante y en interacción. La segunda parte discute de los efectos de las prácticas agrícolas sobre los stocks de C de los suelos. La elección de las especies vegetales y de su densidad de plantación, la intensidad de la extracción de los vegetales, la enmienda, la fertilización y el trabajo del suelo, etc. condicionan no solamente los aportes de MO al suelo en el tiempo y en el espacio, pero también la sensibilidad de estas MO a la mineralización, actuando sobre los mecanismos bióticos y abióticos. La complexidad de las interacciones entre los mecanismos y sus efectos en el tiempo sobre los stocks de C se constata por los meta-análisis y los estudios de terreno de larga duración. Se estudian los mecanismos de estabilización del C orgánico en los suelos a escala espacial fina (mm-μm), en condiciones especificas. La tercera parte de este artículo discuta proposiciones concretas para abordar las cuestiones del cambio de escala (hasta la parcela y al nivel global) y de la validación de la acción de un mecanismo en diferentes contextos pedo-climáticos antes de tomarlo en cuenta en los modelos a larga escala para mejorar las previsiones de evolución de los stocks de C de los suelos. En fin, en una óptica de preservar mejor los stocks de C, incluso de aumentarlos, esta revisión bibliográfica nos permite hacer proposi¬ciones para los ejes de investigaciones futuras sobre los mecanismos, los efectos de las prácticas agrícolas sobre estos mecanismos, y los modelos de predicción de los stocks de C.; L’initiative internationale "4 pour 1 000" a pour ambition de soutenir États et acteurs non gouvernementaux dans leurs efforts vers une meilleure gestion des stocks de carbone (C) des sols. Ces stocks dépendent des entrées et sorties de C dans les sols. Ils sont la consé¬quence de mécanismes interconnectés, agissant à une échelle spatiale fine, qui conduisent au stockage ou déstockage du C présent dans les matières organiques (MO). Il apparaît nécessaire de fédérer les recherches sur ces mécanismes et leur action sur les stocks de C dans un contexte de changement local ou global (usage des sols, pratiques agricoles, conditions climatiques ou édaphiques, etc.), ce qui a conduit à la création du collectif de chercheurs CarboSMS. Cet article est la synthèse d'un séminaire dédié à cet enjeu. La première partie présente les avancées récentes sur la compréhension des mécanismes de stabilisation. Les mécanismes biotiques correspondent aux effets des plantes (principale source de C, notamment à travers leurs systèmes racinaires), des micro-organismes (champignons et bactéries) et des ingénieurs de l’écosystème (vers de terre, termites, fourmis) sur les stocks de C organique du sol. Les processus abiotiques sont liés à la structure physique du sol, à l’organisation de sa porosité et à sa fraction minérale : inclusion de la MO dans les agrégats, association aux minéraux, etc. Ces mécanismes biotiques et abiotiques se déroulent de façon concomitante et en interaction. La deuxième partie discute des effets des pratiques agricoles sur les stocks de C des sols. Le choix des espèces végétales et de leur densité de plantation, l’intensité du prélèvement des végétaux, l’amendement, la fertilisation et le travail du sol, etc. conditionnent non seulement les apports de MO au sol dans le temps et l’espace, mais aussi la sensibilité de ces MO à la minéralisation, en agissant sur les mécanismes, biotiques comme abiotiques. La complexité des interactions entre les mécanismes et leurs effets dans le temps sur les stocks de C sont mis en évidence par les méta-analyses et les études de terrain de longue durée. Les mécanismes de stabilisation du C organique dans les sols sont étudiés à fine échelle spatiale (mm-μm), dans des conditions spéci¬fiques. La troisième partie de cet article discute de propositions concrètes pour aborder les questions du changement d’échelle (jusqu’à la parcelle et au niveau global) et de la validation de l’action d’un mécanisme dans différents contextes pédo-climatiques avant de le prendre en compte dans des modèles à large échelle pour améliorer les prévisions d’évolution des stocks de C des sols. Enfin, dans une optique de mieux préserver les stocks de C, voire de les augmenter, cette revue bibliographique nous permet de faire des propositions pour les axes de recherches futures sur les mécanismes, les effets des pratiques agricoles sur ces mécanismes, et les modèles de prédiction des stocks de C.

Communication atthe International Congress, biotechnology at the service of society, FST, Fes, Morocco

Les infections nosocomiales sont devenues un enjeu de Santé Publiqueprimordial. Les antibiotiques et les mesures d’hygiène deviennent insuffisantspour éradiquer ces infections.D’autres méthodes doivent être mises en oeuvre afin de permettre unemeilleure prévention. Parmi celles-ci, nous pouvons agir sur la diminution durisque de contact aux microorganismes.Au niveau des surfaces environnementales, il faudrait un matériau deremplacement à ceux utilisés habituellement qui aurait des propriétés autodésinfectantes.C’est pour cela que nous nous intéressons au cuivre. De par ses propriétésbactéricides, virucides et fungicides naturelles, nous pouvons espérer unediminution de la charge microbienne dans l’environnement du patient et doncdu risque d’infections nosocomiales.

Nitrite is an intermediate in many microbial pathways of the nitrogen cycle, but is also toxic for most form of aquatic life. It is toxic at a cellular level for microorganisms, and for the respiration of complex organisms. In general the elimination of this compound is assumed to be fast in the environment, and the microorganisms responsible efficient. In the Seine River however, nitrite concentrations exceed the European norm of 1 µM between Paris and the estuary. The nitrite is released in the Seine River downstream of Paris by the waste water treatment plants (WWTP) despite the addition of nitrogen removal treatments (nitrification and denitrification). In addition to its content chemical compounds and organic matter, the WWTP outlets also contain microorganisms which can colonize the environment downstream. In the water column, measurements of nitrification kinetics showed that nitrite oxidizers had a higher potential activity than ammonia oxidizers. Quantification of nitrifiers by qPCR showed that nitrite oxidizers, Nitrobacter in the environment and Nitrospira in the WWTP outlets were more abundant than ammonia oxidizers. Despite these facts, in situ nitrite oxidation rates were similar to ammonia oxidation rates in the Seine River, even if both were higher downstream of the WWTP. This balance between nitrite production (ammonia oxidation) and elimination (nitrite oxidation) results in a very slow elimination of nitrite in the water column. This led to hypothesize that low nitrite oxidizing’s efficiency was caused by either inhibition by pollutants in the Seine River, or use a mixotrophic metabolism by nitrite oxidizers. In addition to the significant impact on nitrite concentration in the water column, the WWTP were shown to have a significant impact on the composition and distribution of the microorganisms present in the sediment. The microbial communities of the sediment were shown to be highly modified by the WWTP outlets, and were heavily colonized by the Nitrospira genera. The study of the sediment showed that this compartment of the Seine River was a source of nitrite for the water column, even though the rates of production were not significant in relation to the concentrations of nitrite. The nitrite was produced in the anoxic zone upstream of the WWTP (3-4 cm) when it was produced near the surface downstream of the WWTP (0-1 cm). As a consequence, the sediment appears to be more sensitive to the impact of the WWTP than the water column. As a whole the nitrogen cycle in the Seine River was observed to have a very limited impact on the nitrite concentration in the Seine River as its different steps are balanced. This could be viewed as the fact that this nitrite pollution is low enough to not unbalance the nitrogen cycle of the Seine River in a measurable way., Le nitrite est un intermédiaire de nombreuses voies du cycle de l’azote, mais est toxique pour la plupart des formes de vies aquatiques. Sa toxicité agit au niveau cellulaire pour les microorganismes, et au niveau de la respiration pour les organismes plus complexes. Il est généralement supposé que ce composé est éliminé rapidement dans l’environnement, et que les microorganismes responsables de son élimination sont efficaces. Cependant les concentrations de nitrite dépassent la norme européenne (1 µM) dans la Seine entre Paris et l’estuaire. Le nitrite est apporté dans la Seine en aval de Paris par les stations d’épuration (STEP), malgré l’ajout de traitements d’élimination de l’azote (nitrification et dénitrification). En plus de leur contenu chimique et organique, les eaux de sorties de STEP contiennent des microorganismes qui peuvent coloniser l’environnement en aval. Dans la colonne d’eau, les mesures de cinétique de nitrification ont montré que les oxydant du nitrite avaient une activité potentielle plus élevée que les oxydant de l’ammonium. De plus, la quantification des microorganismes nitrifiants par qPCR a montré que les oxydants du nitrite (Nitrobacter dans la Seine et Nitrospira dans les rejets de STEP) étaient plus abondants que les oxydants de l’ammonium. Malgré cela, les taux in situ d’oxydation du nitrite étaient similaires aux taux in situ d’oxydation de l’ammonium dans la Seine, bien qu’ils augmentent e tous deux en aval de la STEP. Cet équilibre entre production du nitrite (oxydation de l’ammonium) et élimination du nitrite (oxydation du nitrite) résulte en une très lente élimination du nitrite dans la colonne d’eau. Les hypothèses pouvant expliquer la faible efficacité de l’oxydation du nitrite seraient une inhibition des microorganismes oxydants le nitrite par des polluants présents en Seine, ou le basculement de leur métabolisme vers un comportement mixotrophe de ces oxydants du nitrite. En plus de l’impact significatif sur la concentration du nitrite dans la colonne d’eau, il a été observé un fort impact des STEP sur la composition et la distribution des microorganismes présents dans le sédiment. Les communautés microbiennes du sédiment étaient fortement modifiées par les rejets de STEP, et étaient fortement colonisés par les bactéries du genre Nitrospira. L’étude du sédiment a montré que ce compartiment de la Seine était une source de nitrite pour la colonne d’eau, bien que les taux étaient très faibles par rapport aux concentrations dans la Seine. Le nitrite était produit en conditions anoxiques en amont de la STEP (3-4 cm), mais en surface en aval de la STEP (0-1 cm). En conséquence, le sédiment parait plus sensible à l’influence de la STEP que la colonne d’eau. Dans son ensemble, le cycle de l’azote semble avoir un impact limité sur la dynamique du nitrite dans la Seine, dans la mesure où ses différentes étapes sont équilibrées. Il pourrait donc être supposé que la pollution en nitrite de la Seine est suffisamment peut importante pour ne pas déstabiliser le cycle de l’azote dans la Seine d’une façon mesurable.

The soil microflora plays a major role in the mobilization of metals and metalloids in soils. The global bacterial oxidation of AsIII to AsV tends to decrease the toxicity and mobility of arsenic in soils. The effect of organic matter (OM) on bacterial AsIII oxidation in presence of oxygen and its potential impact on the behavior of arsenic in non-saturated soils has not been determined up to date. However, supply of OM on polluted sites can be proposed in the context of a phytostabilization operation. Furthermore, agricultural soils affected by diffuse As pollution may be fertilized by organic amendments that could impact arsenic transfer. The objective of the present PhD thesis was to quantify the influence of OM on the speciation of As by the polluted soil microflora and the consequences of this process on arsenic mobility. The influence of OM on the speciation of As was evaluated (1) at the physiological and molecular levels on two pure strains and (2) at global level by AsIII oxidation measurements by microbial communities from polluted soils and on soils incubations. The effect of the nature of OM was considered through the comparison of simple and complex substrates. The experiments with Thiomonas delicata and Herminiimonas arsenicoxydans showed a negative effect of OM on the specific AsIII oxidation rate. Yeast extract (YE) induced a decrease of aioA gene (encoding for the big subunit of arsenite oxidase responsible for AsIII oxidation) expression with both pure strains. At the level of soils microbial communities, AsIII oxidizing activity were measured on 8 As-polluted soils. Measurements were realized in culture media containing different concentrations of OM. Two complex OMs were compared: YE and a synthetic mixture of organic matters (SMOM) whose composition was inspired from soils OM characteristics (C/N ratio and proportion of functional groups). Correlations were searched between soils characteristics and AsIII bio-oxidation rate constants with and without added OM. Results indicate that AsIII oxidation rate by the soil microflora was limited by available OM and this limitation was removed by the addition of 0.08 g L-1 of organic C as YE or SMOM. When the addition of OM reached 0.4 g L-1 of C, divergent results were observed: YE was less inhibiting than SMOM. Finally, an experiment was carried out to evaluate the combined influence of microbial activity and SMOM addition on As mobilization from polluted soils incubated as slurries at laboratory scale. A mobilization of As present in the polluted soils was observed in presence of both SMOM and active microorganisms. This PhD thesis enlightens the important role played by OM metabolism within the biogeochemical cycle of As, which should be given consideration in the context of polluted site remediation, La microflore joue un rôle majeur dans la mobilité des éléments métalliques et métalloïdes dans les sols. L’activité bactérienne globale d’oxydation de l’AsIII en AsV tend à diminuer la toxicité et la mobilité de l’arsenic (As) dans les sols, cependant l’effet de la matière organique (MO) sur cette activité n’a pas été déterminé jusqu’à présent. Il est important de répondre à cette question car sur des sites pollués, un apport de MO peut être préconisé dans le cadre d’opérations de phyto-stabilisation. Par ailleurs, dans un contexte de pollution diffuse, les pratiques agricoles d’amendement des sols pourraient avoir un impact sur le transfert d’As. L’objectif de ce projet de thèse était donc de quantifier l’influence de la MO sur la spéciation de l’As par la microflore de sols pollués, et les conséquences de ce processus sur la mobilité du métalloïde. L’influence de la MO sur la spéciation de l’As a été évaluée (1) au niveau physiologique et moléculaire, sur l’activité de deux souches pures et (2) au niveau global, par l’évaluation de l’activité d’oxydation de l’AsIII par les communautés microbiennes de sols pollués et des incubations de sols. L’effet de la nature même de la MO a été examiné à travers la comparaison de substrats simples et complexes. Les expériences réalisées avec les souches de Thiomonas delicata et Herminiimonas arsenicoxydans ont montré un effet négatif de la MO sur la vitesse spécifique d’oxydation de l’AsIII. L’extrait de levure (EdL) induit une diminution de l’expression du gène aioA codant pour la grande sous-unité de l’arsénite-oxydase permettant l’oxydation de l’arsenic, avec les deux souches pures. Au niveau plus global des communautés microbiennes de sols, l’activité AsIII-oxydantes a été évaluée sur 8 sols pollués par de l’As. Les mesures ont été effectuées dans des milieux de cultures contenant différentes concentrations de MO. Deux MO complexes ont été comparées : l’EdL et une mixture synthétique de molécules organiques (SMOM) dont la composition a été inspirée par les caractéristiques de la MO de sols réels (rapport C/N, contenu en groupes fonctionnels). Des corrélations ont été recherchées entre les caractéristiques des sols et la constante de vitesse d’oxydation de l’AsIII par la microflore, avec et sans ajout de MO. La vitesse d’oxydation de l’AsIII par la microflore des sols semble limitée par la MO disponible, et cette limitation est levée par un apport de 0,08 g.L-1 de C apporté sous forme d’EdL ou de SMOM. Lorsque l’apport de MO s’élève à 0,4 g.L-1 de C, des résultats divergents sont observés : l’EdL est moins inhibiteur que la SMOM. Enfin, une expérience a été réalisée dans le but d’évaluer l’influence combinée de l’activité microbienne et de l’apport de SMOM sur la mobilisation de l’As présent dans quatre sols pollués, incubés au laboratoire en suspension. Une mobilisation dans la phase aqueuse de l’As présent dans les sols pollués est observée en présence de SMOM et de microorganismes actifs. Ce travail de thèse apporte un éclairage sur le rôle important joué par le métabolisme de la MO au sein du cycle biogéochimique de l’As, phénomène devant être pris en compte lors des études visant à optimiser la remédiation des sites pollués

Microorganisms are key component of Earth biodiversity and ecosystem processes, especially in soils where they interact with plants. The objectives of the PhD was to caracterize the plant and abiotic respective influence on microbial spatial distribution. The work was based on a simplified soil biology model, the alpine cushion plants. We choose one species composed of variable morphotype, Silene acaulis, an ecosystem engineer species that creates de novo soilthrough growth. Sampling design includes soil within cushions and outside, spanning altitudinal and geological gradients. Molecular approachs were used to describe diversity and to genotype cushions. Cushions structures bacterial and fungal regional beta diversity through a micro-local buffering of the influence of abiotic context, homogeneizing soil pH and by nutrient supply. This engineering effect increased in stressful conditions and varied according to plantgenotype. Betadiversity differed between bacteria and fungi. Bacterial communities are mainly influenced by pH and converge within cushions while fungal communities correlate to cushion genetic, especially plant-associated biotrophs fungal clades. This work shows that plants act as a major biotic filter on microbial biogeography., Les microorganismes occupent une place centrale dans la diversité du vivant et les processus écosystémiques, notamment dans le sol où ils sont en interaction avec les plantes. Cette thèse vise à caractériser l’influence respective des plantes et du contexte abiotique dans la distribution spatiale des microorganismes. Le travail s’appuie sur un modèle simplifié de la biologie des sols, les plantes en coussins des falaises de haute montagne. Nous avons suivi une seule espèce aux morphotypes variés, Silene acaulis, une espèce ingénieure de l’écosystème dont la croissance mène à la création d’un sol de novo. L’échantillonnage comprend le prélèvement de sol de plante et de sol extérieur comme témoin, pour des coussins distribués le long de gradients altitudinaux et géologiques. Des méthodes moléculaires ont été utilisées pour décrire la diversité microbienne et le génotypage des coussins. Les coussins structurent la beta diversité bactérienne et fongique à l’échelle régionale en agissant comme un tampon à échelle micro-locale sur les effets de la roche mère et de l’altitude en homogénéisant le pH et par un apport de nutriments. Cet effet ingénieur estd’autant plus fort que la contrainte abiotique augmente et varie selon le génotype des coussins. La beta diversité bactérienne diffère de la beta diversité fongique. Alors que les communautés bactériennes sont sensibles au pH du sol et convergent sous les coussins, les communautés fongiques sont corrélées à la génétique des coussins, particulièrement les clades aux modes de vie biotrophes/pathogènes. Ce travail montre que les plantes sont un filtre biotique majeur de la biogéographie microbienne.

EA SPE GenoSol EcolDur; National audience; Les microorganismes (bactéries, archées et champignons) sont les organismes les plus abondants et les plus diversifiés de la matrice sol. Ils représentent un réservoir encore largement méconnu et presque infini de ressources génétiques, fortement impliqué dans le fonctionnement biologique du sol et plus largement dans la plupart des services écosystémiques fournis par ce sol. Malgré ce rôle central dans le fonctionnement des écosystèmes, nos connaissances sur la diversité génétique, taxonomique et fonctionnelle de ces microorganismes restent limitées à ce jour. Ceci s’explique essentiellement par des difficultés techniques pour accéder à ces organismes de petites tailles, qui sont localisés dans des microenvironnements au sein d’une matrice hétérogène comme le sol mais aussi par notre incapacité à caractériser et à résoudre une ressource génétique aussi complexe (plusieurs milliards d’individus par gramme de sol regroupant plusieurs millions d’espèces selon les dernières estimations). Depuis une vingtaine d’années, le développement des techniques de biologie moléculaire a permis l’avènement de certains outils en écologie moléculaire permettant d’aborder la notion de communauté microbienne dans sa dimension quantitative (abondance) et qualitative (diversité et fonctionnalité). Récemment, les techniques de séquençage massif sont au centre des débats méthodologiques mais aussi scientifiques pour évaluer leur capacité à résoudre la diversité taxonomique des communautés microbiennes ainsi que leurs potentialités génétiques. Dans ce contexte, la plateforme GenoSol, créée en 2008, centre de ressources biologiques unique en France et en Europe, dédiée à la conservation et à l’analyse des ressources génétiques des communautés microbiennes, s’est lancée dans ce débat technique et a relevé le challenge méthodologique de standardiser et de « routiniser » cette méthodologie afin de pouvoir réellement aborder la diversité microbienne des sols grâce à des inventaires taxonomiques microbiens. La première étape a donc été d’évaluer les différentes étapes nécessaires aux approches de séquençage massif afin d’optimiser cette technique (extraction ADN du sol, effet MID, optimisation PCR, etc…). Dan un second temps, différents exemples d’applications de la technique de séquençage massif pour évaluer la diversité microbienne des sols seront présentés dans un contexte d’évaluation environnementale des pratiques agricoles (travail du sol, amendements organiques, inter-culture…) mais aussi d’un point de vue plus fondamental (réponse des communautés aux changements climatiques, stress hydrique…).

The overall objective of this thesis was to study the microbial mechanisms involved in the evolution of the structure and the properties of the natural rubber from Hevea brasiliensis during the maturation of latex and cup-coagula. For this, three levels of analyses were performed on maturation experiments under controlled conditions: dry rubber structure and properties, biochemistry and microbial flora. After a methodology development phase aiming at (i) optimizing maturation conditions in a controlled chamber and (ii) defining suitable DNA extraction methods, samples of serum and dry rubber coagulum were produced at different times and under different maturation treatments varying three parameters: the presence of microorganisms, the presence of oxygen, and the latex coagulation method. Dry rubber analyses concerned macrostructure (P0, P30 and PRI) and mesostructure (Mw, Mn and total gel). The microbial flora was analyzed using several complementary methods: plate-counts, total DNA determination, cloning / sequencing and 454 pyrosequencing. The objective was to assess microbial diversity on field and in latex, and to follow the dynamics of their evolution during maturation in a controlled environment. Various biochemical investigations were performed on latex, serum and dry rubber (nitrogen content, proteins, lipids, sugars, quebrachitol, organic acids). The results were then analyzed for correlations to propose mechanisms linking changes in dry rubber properties, latex and coagula biochemistry, and their evolution under the action of microorganisms and enzymes. Some ideas for improving technical routes in the process are also proposed.; L'objectif général de cette thèse était d'étudier les mécanismes microbiens intervenant dans l'évolution de la structure et des propriétés du caoutchouc naturel produit à partir du latex d'Hevea brasiliensis lors de la maturation du latex et des coagula de tasse. Pour cela, trois niveaux d'analyses ont été réalisés sur des expériences de maturation en conditions contrôlées : analyse de la structure et des propriétés du caoutchouc sec, analyse des flores microbiennes et analyses biochimiques. Après une phase de mises au point méthodologiques permettant notamment d'optimiser les conditions de maturation en chambre contrôlée et de définir une méthode d'extraction d'ADN adaptée au latex et au sérum de coagulum, des échantillons de caoutchouc sec et de sérum ont été produits à différents temps de maturation et selon différents traitements faisant varier trois paramètres : la présence de microorganismes, la présence d'oxygène, et le mode de coagulation du latex. Les analyses sur caoutchouc sec se sont portées sur la macrostructure (P0, P30 et PRI) et sur la mésostructure (Mw, Mn et gel total). L'analyse des flores microbiennes s'est appuyée sur plusieurs méthodologies complémentaires : comptages sur boîtes, dosage de l'ADN total, clonage/séquençage et pyroséquençage 454. L'objectif était d'évaluer la diversité des flores sur plantation et dans le latex ainsi que de suivre la dynamique de leur évolution au cours de la maturation en milieu contrôlé. Diverses analyses biochimiques ont réalisées sur latex, sérum et caoutchouc sec (taux d'azote, protéines, lipides, sucres, québrachitol, acides organiques). Les résultats obtenus ont ensuite été analysés en vue d'établir des corrélations et de proposer des mécanismes reliant l'évolution des propriétés du caoutchouc sec à celle de la biochimie du latex et des coagula et de leur évolution sous l'action des microorganismes et des enzymes, et de proposer quelques pistes en vue de l'amélioration des itinéraires techniques dans la filière.

The overall objective of this thesis was to study the microbial mechanisms involved in the evolution of the structure and the properties of the natural rubber from Hevea brasiliensis during the maturation of latex and cup-coagula. For this, three levels of analyses were performed on maturation experiments under controlled conditions: dry rubber structure and properties, biochemistry and microbial flora. After a methodology development phase aiming at (i) optimizing maturation conditions in a controlled chamber and (ii) defining suitable DNA extraction methods, samples of serum and dry rubber coagulum were produced at different times and under different maturation treatments varying three parameters: the presence of microorganisms, the presence of oxygen, and the latex coagulation method. Dry rubber analyses concerned macrostructure (P0, P30 and PRI) and mesostructure (Mw, Mn and total gel). The microbial flora was analyzed using several complementary methods: plate-counts, total DNA determination, cloning / sequencing and 454 pyrosequencing. The objective was to assess microbial diversity on field and in latex, and to follow the dynamics of their evolution during maturation in a controlled environment. Various biochemical investigations were performed on latex, serum and dry rubber (nitrogen content, proteins, lipids, sugars, quebrachitol, organic acids). The results were then analyzed for correlations to propose mechanisms linking changes in dry rubber properties, latex and coagula biochemistry, and their evolution under the action of microorganisms and enzymes. Some ideas for improving technical routes in the process are also proposed.; L'objectif général de cette thèse était d'étudier les mécanismes microbiens intervenant dans l'évolution de la structure et des propriétés du caoutchouc naturel produit à partir du latex d'Hevea brasiliensis lors de la maturation du latex et des coagula de tasse. Pour cela, trois niveaux d'analyses ont été réalisés sur des expériences de maturation en conditions contrôlées : analyse de la structure et des propriétés du caoutchouc sec, analyse des flores microbiennes et analyses biochimiques. Après une phase de mises au point méthodologiques permettant notamment d'optimiser les conditions de maturation en chambre contrôlée et de définir une méthode d'extraction d'ADN adaptée au latex et au sérum de coagulum, des échantillons de caoutchouc sec et de sérum ont été produits à différents temps de maturation et selon différents traitements faisant varier trois paramètres : la présence de microorganismes, la présence d'oxygène, et le mode de coagulation du latex. Les analyses sur caoutchouc sec se sont portées sur la macrostructure (P0, P30 et PRI) et sur la mésostructure (Mw, Mn et gel total). L'analyse des flores microbiennes s'est appuyée sur plusieurs méthodologies complémentaires : comptages sur boîtes, dosage de l'ADN total, clonage/séquençage et pyroséquençage 454. L'objectif était d'évaluer la diversité des flores sur plantation et dans le latex ainsi que de suivre la dynamique de leur évolution au cours de la maturation en milieu contrôlé. Diverses analyses biochimiques ont réalisées sur latex, sérum et caoutchouc sec (taux d'azote, protéines, lipides, sucres, québrachitol, acides organiques). Les résultats obtenus ont ensuite été analysés en vue d'établir des corrélations et de proposer des mécanismes reliant l'évolution des propriétés du caoutchouc sec à celle de la biochimie du latex et des coagula et de leur évolution sous l'action des microorganismes et des enzymes, et de proposer quelques pistes en vue de l'amélioration des itinéraires techniques dans la filière.

The characterization of microbial community structure via SSU rRNA gene profiling has been greatly advanced in recent years by the introduction of NGS amplicons, leading to a better representation of sample diversity at a lower cost. This progress in method development has provided a new window into the composition of microbial communities and sparked interest in the members of the rare biosphere. Concurrently, the processing of such amount of data has become an important bottleneck for the effectiveness of microbial ecology studies, and a multitude of analysis platforms have been developed for the handling of these data. As implemented, these tools have a steep learning curve for the biologist who is not computationally inclined, as they require extensive user intervention and consume many CPU hours due to dataset analysis and complexity, which can present a significant barrier to researchers. Moreover, although phylogenetic affiliation has been shown to be more accurate for the taxonomic assignment of NGS reads, the existing tools assign taxonomy by either a similarity search or a probabilistic approach, with the phylogenies being restricted to samples' comparison. Beyond the taxonomic assignment, the new sequencing technologies also arise the problem of the quality of the generated sequences and its impact on the richness estimation. In this work, we aimed to define a strategy for the bioinformatic analysis of high-throughput sequences in order to depict the microbial diversity, taking into account both the limitations imposed by current computer resources (hardware and software), and the advantage of the phylogenetic methods over the other taxonomic annotation approaches. This work has led to the development of a pipeline offering a set of analyzes ranging from raw sequences processing to the visualization of the results, while replacing the environmental sequences in an evolutionary framework. The developed approach was optimized for managing large volumes of data, and has been compared in term of the accuracy of taxonomic assignment to the approaches commonly used in the field of microbial ecology. This pipeline was then used to the developement of a dedicated web server for high-throughput sequencing analysis, that relies on a computing cluster and performs large-scale phylogeny-based analyses of rRNA genes with no need for specialized informatics expertise, and uses the phylogenies for both the taxonomy assessment and the delineation of monophyletic groups to highlight clades of interest.; Les avancées des nouvelles techniques de séquençage (NGS) ont permis dans le cadre des études en écologie microbienne de passer de l'analyse de quelques centaines de séquences par étude à des centaines de millions de séquences. Cette différence quantitative des données produites a induit des différences qualitatives quant aux études réalisées. En effet, avec le changement du type de données, les approches classiques d'analyse ne peuvent être appliquées et il est devenu nécessaire de définir de nouvelles stratégies en tenant compte des contraintes que posent ces données. Alors qu'il était possible d'insérer classiquement quelques dizaines de séquences issues des techniques de première génération dans des phylogénies expertisées, le nombre de séquences généré aujourd'hui par les NGS à chaque expérience rend cette tâche irréalisable et nécessite la mise en place de nouvelles stratégies et l'utilisation d'outils adaptés. Par ailleurs, les outils disponibles d'analyse de la diversité microbienne adaptés aux amplicons de nouvelle génération, implémentent des approches probabilistes et/ou de recherche de similitude pour l'identification des séquences environnementales. L'approche phylogénétique quant à elle, bien qu'elle soit la plus robuste, n'est pas utilisée pour l'annotation taxonomique de ce type de données du fait de ses besoins en temps et en ressources de calcul. Au-delà de l'approche d'annotation taxonomique, les nouvelles techniques de séquençage posent également le problème de la qualité des séquences produites et son impact sur l'estimation de la diversité. Ainsi, ce travail de thèse avait pour objectif la définition d'une stratégie d'analyse bioinformatique de données de séquençage massif dans le contexte de l'étude de la diversité microbienne, en tenant compte des limitations imposées par les ressources informatiques actuelles (matérielles et logicielles) d'un côté, et de l'avantage des méthodes phylogénétiques par rapport aux autres approches d'annotation taxonomique. Ce travail a donné lieu au développement d'une chaîne de traitement proposant une série d'analyses allant des séquences brutes jusqu'à la visualisation des résultats, tout en replaçant les séquences environnementales dans un contexte évolutif. L'approche développée a été optimisée pour la gestion de gros volumes de données, et a été comparée en terme de précision d'affiliation aux autres approches communément utilisées en écologie microbienne. Les tests et simulations ont montré qu'à partir d'une taille d'amplicons de 400 pb, l'affiliation phylogénétique avait les meilleurs résultats mais aussi, que la qualité de cette affiliation différait selon la région hypervariable ciblée. La chaîne de traitements mise en place a ensuite été par implémentée dans un contexte de calcul à haute performance, notamment sur un cluster de calcul, pour proposer un service web dédié à l'analyse de la diversité microbienne.

L’utilisation de la pression, bien connue dans le monde de la géologie, de la géochimie et de la chimie, a fait son apparition dans les Industries Agro-Alimentaires il y a moins d’une vingtaine d’années en Europe. Le traitement d’aliments par Hautes Pressions Hydrostatiques (HPH), quelquefois dénommé Pascalisation, connaît aujourd’hui un fort et constant développement partout dans le monde. De cette période initiale pionnière, au début des années 1990, à l’existence aujourd’hui de plus de 160 installations industrielles dans le monde et de plus en plus de produits traités par Hautes Pressions Hydrostatiques dans les linéaires de la grande distribution, le chemin parcouru est riche de très nombreuses publications scientifiques ou de vulgarisation s’intéressant le plus souvent aux effets du traitement sur les caractéristiques organoleptiques et technologiques des aliments ou sur les microorganismes d’intérêt. Il nous semble nécessaire et utile, aujourd’hui, d’effectuer une synthèse bibliographique sur ces deux principaux sujets., High Pressure has traditionally been used for many years in the fields of geology and chemistry. This technique was first applied in the food industry, in Japan, in the late 1980s. This technology, also named pascalization, consists in maintaining the product at very high hydrostatic pressure (100-1000 MPa) for a definite time and temperature. The high hydrostatic pressure treatment is considered as a nonthermal process capable of inactivating and eliminating pathogenic and food spoilage microorganisms. This novel technology has great potential improving food safety and extending food products shelf-life while preserving their organoleptic properties. Today, more than 160 industrial vessels are under work and more and more high-pressure-treated products are available in the market. In this paper, effects of high hydrostatic pressure treatment on food constituents and microorganisms are reviewed.

Depuis le développement de l’industrialisation, de l’urbanisation et de l’agriculture intensive, le sol est de plus en plus soumis à de nombreuses variations des conditions environnementales entraînant des modifications de la diversité taxonomique et de la fonctionnalité des communautés microbiennes indigènes. Par conséquent, la question de la signification fonctionnelle de ces pertes/modifications de biodiversité en termes de capacité des écosystèmes à maintenir les fonctions et services dont l’humanité dépend est aujourd’hui centrale. Dans ce contexte, un des challenges en écologie microbienne est de mieux définir et comprendre les processus qui génèrent et maintiennent la diversité microbienne des sols ainsi que le lien entre cette diversité et les services écosystémiques. Dans cette présentation nous avons voulu décrire les stratégies conceptuelles et méthodologiques passées, présentes et à développer en écologie microbienne pour mieux décrire et comprendre les modes derégulation et de distribution de la diversité microbienne des sols avec l’objectif d’améliorer nos capacités de traduction de cette diversité en fonctionnement biologique du sol et plus largement en services écosystémiques., Since the development of industrialization, urbanization and agriculture, soils have been subjected to numerous variations in environmental conditions which have resulted in modifications of the taxonomic diversity and functioning of the indigenous microbial communities. As a consequence, the functional significance of these losses/modifications of biodiversity, in terms of the capacity of ecosystems to maintain the functions and services on which humanity depends, is now of pivotal importance. In this context, one of the main challenges in soil microbial ecology is to better understand and predict the processes that drive soil microbial diversity and the link between diversity and ecosystem process. This paper describes past, present and ongoing conceptual and methodological strategies employed to better assess and understand the distribution and evolution of soil microbial diversity with the aim of increasing our capacity to translate such diversity into soil biological functioning and, more widely, into ecosystem services.

National audience; High Pressure has traditionally been used for many years in the fields of geology and chemistry. This technique was first applied in the food industry, in Japan, in the late 1980s. This technology, also named pascalization, consists in maintaining the product at very high hydrostatic pressure (100-1000 MPa) for a definite time and temperature. The high hydrostatic pressure treatment is considered as a nonthermal process capable of inactivating and eliminating pathogenic and food spoilage microorganisms. This novel technology has great potential improving food safety and extending food products shelf-life while preserving their organoleptic properties. Today, more than 160 industrial vessels are under work and more and more high-pressure-treated products are available in the market. In this paper, effects of high hydrostatic pressure treatment on food constituents and microorganisms are reviewed.; L’utilisation de la pression, bien connue dans le monde de la géologie, de la géochimie et de la chimie, a fait son apparition dans les Industries Agro-Alimentaires il y a moins d’une vingtaine d’années en Europe. Le traitement d’aliments par Hautes Pressions Hydrostatiques (HPH), quelquefois dénommé Pascalisation, connaît aujourd’hui un fort et constant développement partout dans le monde. De cette période initiale pionnière, au début des années 1990, à l’existence aujourd’hui de plus de 160 installations industrielles dans le monde et de plus en plus de produits traités par Hautes Pressions Hydrostatiques dans les linéaires de la grande distribution, le chemin parcouru est riche de très nombreuses publications scientifiques ou de vulgarisation s’intéressant le plus souvent aux effets du traitement sur les caractéristiques organoleptiques et technologiques des aliments ou sur les microorganismes d’intérêt. Il nous semble nécessaire et utile, aujourd’hui, d’effectuer une synthèse bibliographique sur ces deux principaux sujets.

National audience; Since the development of industrialization, urbanization and agriculture, soils have been subjected to numerous variations in environmental conditions which have resulted in modifications of the taxonomic diversity and functioning of the indigenous microbial communities. As a consequence, the functional significance of these losses/modifications of biodiversity, in terms of the capacity of ecosystems to maintain the functions and services on which humanity depends, is now of pivotal importance. In this context, one of the main challenges in soil microbial ecology is to better understand and predict the processes that drive soil microbial diversity and the link between diversity and ecosystem process. This paper describes past, present and ongoing conceptual and methodological strategies employed to better assess and understand the distribution and evolution of soil microbial diversity with the aim of increasing our capacity to translate such diversity into soil biological functioning and, more widely, into ecosystem services.; Depuis le développement de l’industrialisation, de l’urbanisation et de l’agriculture intensive, le sol est de plus en plus soumis à de nombreuses variations des conditions environnementales entraînant des modifications de la diversité taxonomique et de la fonctionnalité des communautés microbiennes indigènes. Par conséquent, la question de la signification fonctionnelle de ces pertes/modifications de biodiversité en termes de capacité des écosystèmes à maintenir les fonctions et services dont l’humanité dépend est aujourd’hui centrale. Dans ce contexte, un des challenges en écologie microbienne est de mieux définir et comprendre les processus qui génèrent et maintiennent la diversité microbienne des sols ainsi que le lien entre cette diversité et les services écosystémiques. Dans cette présentation nous avons voulu décrire les stratégies conceptuelles et méthodologiques passées, présentes et à développer en écologie microbienne pour mieux décrire et comprendre les modes derégulation et de distribution de la diversité microbienne des sols avec l’objectif d’améliorer nos capacités de traduction de cette diversité en fonctionnement biologique du sol et plus largement en services écosystémiques.

Clouds are multiphasic atmospheric systems in which the dissolved organic compounds, such as carboxylic acids, are subject to multiple chemical transformations in the aqueous phase. We investigated to which extent the active biomass (bacteria, yeasts and fungi) existing incloud water represents an alternative route to the chemical reactivity of organic compounds. Microbial analysis of cloud water sampled at the puy de Dôme Mountain (1465 m.a.s.l;France) has been performed between 2003 and 2010. In average, the total microbial cells content in cloud water was 1×105 cells mL-1 for bacteria, and 1×104 cells mL-1 for fungi and yeasts. The ATP cell concentration values measured in cloud water samples prove the existence of a metabolic activity into cloud droplets. To study the biocatalytic influence of viable microorganisms on organic compounds in cloud water, artificial and natural cloud water solutions were incubated in presence of cultivable cells in the dark or under UV irradiation (with and without H2O2 addition). Contribution of biocatalytic and photo-induced processes (via •OH radicals production) over transformation of methanol, formaldehyde and the main carboxylic acids present in cloud water (acetate,formate, oxalate, succinate and malonate) were determined from these experiments. Bio- and photo-transformation rates of these organic compounds obtained in our experimental conditions are in the same range of order (except for oxalate). Microorganisms present in the natural cloud samples are not damaged or metabolically inactivated by the acidity of the cloud water, and by the presence of UV radiation and •OH radicals. H2O2 present in the natural cloud water samples was also biodegraded during the incubation-time by the endogenous microflora. This study shows that microorganisms could affect the carbon budget, but also the oxidative capacity of the cloud aqueous phase and consequently could influence the atmospheric chemistry.; Les nuages sont des systèmes multiphasiques (gaz, liquide, solide) dans lesquels la matière organique dissoute est soumise à de multiples transformations chimiques. Ces transformations en phase aqueuse de l’atmosphère sont supposées être uniquement le fait de processus abiotiques, majoritairement liés aux processus photochimiques et à la réactivité des radicaux libres (•OH, NO3•, HO2•, etc.). De récentes études ont montré la présence de microorganismes (bactéries, champignons dont levures) métaboliquement actifs dans les nuages. Ceci soulève la question de leur activité, en tant que biocatalyseurs dans la transformation des molécules organiques comme alternative aux voies photochimiques. L’objectif de ce travail est d’estimer dans quelle mesure la biomasse active peut impacter la chimie du nuage. Les analyses microbiologiques (ATP, cellules totales et cultivables, identifications taxonomiques) d’échantillons d’eau nuageuse collectés au sommet du puy de Dôme (1465 m) ont été réalisées de 2003 à 2010. Le contenu total en cellules microbiennes dans l’eau nuageuse est en moyenne de l’ordre de 1×105 cellules mL-1 pour les bactéries et de 1×104cellules mL-1 pour les champignons (dont levures). Les mesures de la concentration en ATP indiquent que la majorité des cellules microbiennes de l’eau du nuage est dans un état viable (valeur moyenne: ~ 4×10-6 pmol ATP cellule-1). Afin d’étudier l’influence biocatalytique de ces microorganismes dans le nuage, des solutions d’eau nuageuse naturelles et artificielles ont été incubées en présence de microorganismes et/ou d’irradiation UV (avec ou sans ajout de H2O2). Cela a permis d’évaluer la contribution des processus biocatalytiques et photo-induits (via la production de radicaux hydroxyle •OH) sur les transformations du méthanol, du formaldéhyde et des principaux acides carboxyliques présents dans l’eau nuageuse (acétate, formiate, oxalate, succinate et malonate). Les vitesses de bio- et de photo-transformation de ces composés organiques obtenues dans nos conditions expérimentales sont du même ordre de grandeur (excepté pour l’oxalate). L’acidité du milieu, ainsi que la présence d’irradiation UV et de radicaux •OH, ne semblent pas inhiber l’activité métabolique des microorganismes du nuage ; de plus, la biodégradation du H2O2 présent dans l’eau nuageuse naturelle par sa microflore endogène a également été observée. Cela implique que les microorganismes peuvent modifier le bilan carboné, mais aussi la capacité oxydante au sein de la phase aqueuse du nuage et par conséquent influer sur la chimie atmosphérique.