L’utilisation de coproduits en tant que matière première provenant d’une autre voie industrielle, fait qu’il n’est plus considéré comme « déchet ». Leur valorisation est donc un axe de développement pour les entreprises agronomiques et agroalimentaires. Cependant, leur nouveau statut de « matière première » entraîne des contraintes pour les industriels.Celles-ci sont diverses selon les voies de destination : sanitaires, toxicologiques …Ce travail s’intéresse à deux coproduits issus de filières différentes de transformation végétale :(1) l’épiderme de pomme, comme source d’antioxydants. Leur valorisation passe par l’emploi de matières premières peu traitées d’un point de vue phytosanitaire qui pourront être a priori plus contaminées par des flores diverses.(2) Les broyats de végétaux issus de la culture céréalière comme matière première de produits biosourcés. Ils présentent naturellement de fortes contaminations en microorganismes sporulés.La valorisation de ces deux coproduits nécessite donc des traitements assainissants adaptés.Ainsi, il était indispensable de déterminer la nature, la variabilité et l’évolution des écologies microbiennes présentes sur ces coproduits par des techniques rapides de dénombrement ainsi que d’identification par biologie moléculaire. L’étude de différents procédés assainissants a également été réalisé pour combiner l’efficacité de désinfection à la préservation des qualités nutritionnelles (pomme) ou des propriétés physiques (broyats). / The use of byproduct as raw material from another industrial sector, facts that it is not considered any more as "waste". Their valuation is thus an axis of development for the agronomic and food-processing industry. However, their new consideration of "raw material" entails constraints for the industrialists. These constraints are diverse according to the destination ways of the byproduct: sanitary, toxicological… This work focus on two byproducts resulting from different vegetable process: (1) apple peels, as antioxidant source. Their valuation needs to use raw materials with low phytosanitary treatment, so these materials may be more contaminated by different floras. (2) Crushed vegetable matter stemming from cereal crop as raw material of biosourced products. They occur naturally a strong microbial spore contamination. The valuation of these two byproducts requires adapted cleaning treatments. So, it was the main thing to determine nature, variability and evolution of the present microbial ecologies of these byproducts by fast techniques of enumeration and identification by molecular biology. The study of different cleaning process was also realized to combine efficiency of disinfection with the preservation of nutritional qualities (apple) or physical properties (crushed vegetable matter).

Les activités industrielles sont à l’origine d’un grand nombre de sites et sols pollués en France. Parmi les polluants retrouvés, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), notamment ceux de haut poids moléculaire, posent un réel problème environnemental et de santé publique en raison de leur toxicité et de leur persistance dans les sols. Les techniques biologiques de remédiation qui stimulent la dégradation microbienne des HAP en utilisant des plantes (phyto/rhizoremédiation), des nutriments (biostimulation), ou encore des microorganismes (bioaugmentation), apparaissent comme des stratégies intéressantes car elles sont plus respectueuses de l’environnement et moins onéreuses que les méthodes physico-chimiques. Dans ce contexte, la capacité de la plante Miscanthus x giganteus (MxG) à améliorer la dissipation du benzo(a)anthracène (BaA), un HAP de haut poids moléculaire peu étudié en remédiation, a été évaluée par une approche pluridisciplinaire en réalisant deux types d’expérimentations à partir d’un sol artificiellement contaminé. La première a consisté à analyser l’influence rhizosphérique de la plante (phyto/rhizoremédiation) au cours d’une période de 12 mois. Les résultats ont montré que la présence de MxG conduisait en fin d’exposition à une réduction 3 fois plus importante de la teneur en BaA dans le sol grâce à une augmentation de la biodisponibilité du contaminant et à un effet positif sur les communautés microbiennes via une modification de leur diversité et une augmentation de leur densité de gènes ARNr 16S et PAH-RHDα GP. Afin d’améliorer la compréhension de ce phénomène, une deuxième expérimentation a été mise en place sur une durée de 105 jours dans le but d’étudier spécifiquement l’influence de certaines molécules exsudées au niveau du système racinaire de la plante (biostimulation) et de microorganismes spécifiques, associés à sa rhizosphère, ayant la capacité de dégrader le BaA (bioaugmentation). Ces essais ont témoigné de la complexité des mécanismes rhizosphériques et de la nécessité d’approfondir ce type d’analyses afin d’améliorer la compréhension des processus de biodégradation dans la rhizosphère de la plante. L’ensemble de ces résultats a alors montré que MxG était une candidate idéale pour la phyto/rhizoremédiation de sols contaminés par des HAP de haut poids moléculaires mais que des études supplémentaires étaient encore nécessaires pour comprendre les processus intervenant dans sa rhizosphère / Industrial activities result of a large number of contaminated sites and soils in France. Among the pollutants found, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), and especially those of high molecular weight, are a real environmental and public health problem because of their toxicity and persistence in soils. Biological remediation techniques which stimulate microbial degradation of PAHs using plants (phyto/rhizoremediation), nutrients (biostimulation), or microorganisms (bioaugmentation), appear as interesting strategies because they are more environmental friendly and less expensive than physico-chemical methods. In this context, the ability of the plant Miscanthus x giganteus (MxG) to improve benzo(a)anthracene (BaA) dissipation, a high molecular weight PAH few studied in remediation, was assessed with a multidisciplinary approach through two types of experimentations using an artificially contaminated soil. The first one was to analyze the rhizospheric influence of the plant (phyto/rhizoremediation) over a period of 12 months. Results showed that the presence of MxG led to a 3-fold reduction in BaA concentration in soil at the end of exposure thanks to an increase in pollutant bioavailability, and a positive effect on microbial communities due to a modification of their diversity and an increase in their 16S rRNA and PAH-RHDα GP genes density. In order to improve the understanding of this phenomenon, a second experiment was carried out for 105 days to study specifically the influence of certain molecules exuded in the plant’s root system (biostimulation), and specific microorganisms associated with its rhizosphere having the capacity to degrade BaA (bioaugmentation). These tests demonstrated the complexity of rhizospheric mechanisms, and the necessity to explore this type of analysis to improve the understanding of biodegradation processes in plant rhizosphere. All these results showed that MxG was an ideal candidate for phyto/rhizoremediation of soils contaminated with high molecular weight PAH, but that further studies were still needed to understand processes involved in its rhizosphere

La lignocellulose est le composant principal des parois végétales et donc le biopolymère végétal le plus abondant sur Terre. Sa transformation en molécules d’intérêt industriel est donc une voie prometteuse pour diminuer la consommation de ressources fossiles. Au sein de la plateforme des carboxylates, la transformation de la lignocellulose repose sur l’utilisation de communautés bactériennes. Mais s’ils sont augmentés par des approches de prétraitement du substrat, les rendements sont encore faibles. Afin de les améliorer, nous avons ici testé les capacités de dégradations de communautés microbiennes issues de l’enrichissement de rumen bovin et d’intestin de termites. Afin de caractériser l’effet de la source d’inoculum et du prétraitement du substrat sur le fonctionnement des communautés sélectionnées, une approche de séquençage 16S a été utilisée. Celle-ci a permis la comparaison des compositions de communautés obtenues, mais également de leurs dynamiques au cours de la transformation du substrat lignocellulosique. Les conditions de culture imposées semblent avoir un effet très fort sur la composition des communautés sélectionnées puisque malgré leurs différences, celles-ci présentent d’importantes similitudes et sont bien plus proches que ne l’étaient les inocula initiaux. Enfin, les communautés associées à la dégradation du substrat lignocellulosique montrent des dynamiques très marquées, caractérisées par une importante baisse de diversité et la dominance de quelques populations bactériennes seulement lors du maximum de dégradation. / Lignocellulose is the main component of vegetal cell wall and is thus the most abundant biopolymer on Earth. Its conversion into industrially relevant molecules is of concern to reduce fossil resources consumption. In the dedicated carboxylates platform, lignocellulose conversion relies on the metabolic potential of microbial consortia, but lignocellulose transformation rates can still be improved, despite substrate pretreatment approaches. In order to improve these rates, we here tested the transformation capacities of microbial communities originated from cow rumen and termite guts. 16S sequencing was used to characterize the effects of inoculum source and substrate pretreatment on the selected communities’ functioning. It allowed the comparison between obtained communities, but also between their dynamics during lignocellulose transformation. Culture conditions appeared to have a strong effect on the selected communities, which presented high similarities despite differences between initial inocula. Finally, communities associated to lignocellulose degradation showed marked dynamics, with a strong decrease in diversity indexes and the dominance of a few bacterial populations during the degradation maximum.

Le processus de digestion anaérobie conduit à la production de biométhane, un vecteur flexible d’énergie renouvelable. L’amélioration du rendement de ce processus est souvent évoquée comme dépendante de la compréhension approfondie de la structure et de la dynamique des communautés microbiennes qui y sont impliquées. L’objectif de la thèse a été de caractériser les communautés microbiennes impliquées dans le processus de digestion anaérobie et de déterminer l’influence de facteurs opérationnels sur leurs dynamiques. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’augmentation du taux de charge organique, le type de digesteurs anaérobies (réacteur continu perpétuellement mélangé vs réacteur anaérobie à chicane), mais aussi à la phase de démarrage d’un digesteur de ferme avec une montée en température. En absence de conditions contraignantes, nous avons observé l’installation de populations méthanogènes les mieux adaptées à la production de biogaz dans les réacteurs étudiés et la mise en place de communautés microbiennes similaires entre réacteurs réplicats. Cependant, des changements au niveau opérationnel ont conduit au développement de communautés divergentes en termes de structure. En effet, en présence d’un environnement déterministe, la plupart des bactéries et archées impliquées en digestion anaérobie ont montré une redondance fonctionnelle à la perturbation. Toutefois, certaines populations bactériennes dominantes ont également pu montrer des phénomènes de résistance, en termes de présence et d’abondance, à l’évolution des conditions environnementales. Au cours de nos études, les différentes communautés s’installant dans les digesteurs étudiés ont également montré des aptitudes variables pour la production de biogaz. De plus, des corrélations entre les communautés bactériennes, archées et eucaryotes ont aussi été démontrées, soulignant le rôle non négligeable des eucaryotes dans le processus de digestion anaérobie et l’installation de communautés microbiennes dominantes et spécifiques à la production de biogaz. Ainsi, les changements au sein de la communauté microbienne résultant de la modification progressive de facteurs opérationnels, et ce bien avant l’apparition des premiers symptômes d’inhibition de la production de biogaz, pourraient permettre le développement d’indicateurs microbiens de l’état du processus de digestion anaérobie et donc la mise en place d’une gestion microbiologique raisonnée des digesteurs anaérobies / The anaerobic digestion process leads to the production of biomethane, a versatile renewable energy vector. The dynamics and interactions between specific microbial groups are currently considered as key research subjects towards the improvement of the anaerobic digestion (AD) process. Indeed, deeper knowledge of the ecology of AD, the dynamics of the microbial populations and their structure could provide valuable information regarding unexplained and unpredictable failures or malfunctioning of the anaerobic digestion process. The aim of this work was to characterize the microbial communities involved in the AD process, and to study their responses due to the change of operational parameters such as an increase of the organic loading rate, the reactor type (completely stirred tank reactor vs anaerobic baffled reactor), or the start-up phase of a farm reactor with a shift from psychrophilic to mesophilic temperature range. While we observed the installation of similar microbial populations between replicated reactors under stable conditions, best adapted to biogas production, the microbial communities started to diverge once the operational parameters changed. Indeed, due to deterministic environment, most of bacteria and archaea showed redundant functional adaptation to the changing environmental conditions. However, some dominant bacterial populations were also resistant in terms of presence and abundance to the environmental change. The specific microbial communities established in our studied reactors showed also discrepancies in terms of biogas yields. Furthermore, correlations between the bacterial, archaeal and eukaryotic communities were pointed out, indicating the putative influence of eukaryotes on the anaerobic digestion process and the establishment of the other microbes having crucial functions during the anaerobic biomass digestion. Interestingly, shifts inside the anaerobic microbial community due to the gradual change of operational parameters, were detected prior to any biogas production inhibition, giving the opportunity for the development of potential early microbial indicators for assessing the AD process status and improving the microbial management of anaerobic reactors

Les amibes libres sont des microorganismes unicellulaires eucaryotes dont l'écologie au sein des réseaux d'eau potable est mal connue. Les amibes libres représentent un enjeu de santé publique, du fait de leur capacité à favoriser la présence de bactéries potentiellement pathogènes, parmi lesquelles des mycobactéries.Une campagne de prélèvement menée sur le réseau d'eau potable de Paris a permis d'évaluer la diversité des amibes libres et de leur microbiome bactérien, par pyroséquençage ciblant les gènes ribosomaux (16S et 18S). Ces analyses ont suggéré la prédominance des genres Acanthamoeba, Vermamoeba, Echinamoeba et Protacanthamoeba. Le microbiome des amibes a révélé une grande diversité bactérienne, dominée par Pseudomonas, Stenotrophomonas, Bradyrhizobium, Sphingomonas et Pseudoxanthomonas. L'intégration des paramètres physicochimiques a permis de suggérer l'importance de l'origine de l'eau, la température, le pH et la concentration en chlore dans la dynamique des populations amibiennes. Une endosymbiose originale entre V. vermiformis et des bactéries du phylum TM6 a également été mise en évidence.Les amibes ont été fréquemment co-isolées avec des mycobactéries dans le réseau, principalement les espèces M. llatzerense et M. chelonae. Des expériences d'infection chez A. castellanii ont permis d'observer la capacité de ces mycobactéries à survivre et croitre en présence d'amibes. Par génomique comparative et analyses transcriptomiques, plusieurs facteurs de virulence, conservés entre M. llatzerense, M. chelonae et M. tuberculosis, ont été identifiés et sont surexprimés au cours de l'infection. Ces données suggérent leur implication dans la résistance à la prédation amibienne.L'ensemble de ces travaux a permis d'améliorer la connaissance des populations amibiennes et de leur microbiome au sein du réseau d'eau potable, apportant des éléments supplémentaires concernant leur implication dans la survie et la persistance des mycobactéries. / Free-living amoebae are unicellular eukaryotes whose ecology in drinking water networks remains poorly understood. They may represent a public health concern, because of their ability to favour the presence of potentially pathogenic bacteria, among which are mycobacteria.A sampling scheme based on Paris drinking water network allowed identifying the diversity of both freeliving amoebae and their bacterial microbiome, using ribosomal RNA targeted pyrosequencing. These analyses indicated the major presence of Acanthamoeba, Vermamoeba, Echinamoeba and Protacanthamoeba genera. The microbiome was highly diverse and dominated by Pseudomonas, Stenotrophomonas, Bradyrhizobium, Sphingomonas and Pseudoxanthomonas. The coupling of physicochemical parameters to this analysis allowed underlining the importance of water origin, temperature, pH and chlorine concentration in shaping amoebal populations. Also an original endosymbiosis between V. vermiformis and a bacterium of the TM6 phylum was described. Free-living amoebae were frequently co-isolated with mycobacteria in the water network, mainly M. llatzerense and M. chelonae species. Infection experiments on A. castellanii illustrated the capacity of these species to resist and grow in presence of amoebae. Through genomics and transcriptomics approaches, several virulence factors, conserved between M. llatzerense, M. chelonae and M. tuberculosis were identified, and found to be upregulated during infection experiments. These results suggest their involvement in mycobacterial resistance to amoebal predation.Altogether, this work helped to better understand the ecology of free-living amoebae and their microbiome in drinking water networks, as well as the role of free-living amoebae in the survival and persistence of mycobacteria in such environments.

Le protoxyde d’azote (N2O) est un gaz à effet de serre (GES) important et la principale substance attaquant la couche d'ozone. Les sols agricoles sont la principale source anthropique de ce GES. La concentration de N2O dans l'atmosphère est en constante augmentation, mais nous manquons de connaissances sur les facteurs contrôlant sa production et sa consommation dans les sols. La réduction du N2O en N2 par des microorganismes porteurs du gène codant pour la N2O réductase (nosZ) est le seul processus biologique capable de réduire ce GES. Des études récentes ont mis en évidence un clade précédemment inconnu de réducteurs du N2O qui interfère de manière significative avec la quantité de N2O produite dans les sols. Cette thèse a cherché à mieux comprendre l'écologie des réducteurs du N2O dans les sols agricoles.Une combinaison d'expériences d'incubation en laboratoire mais aussi d’expériences en plein champs a été utilisée pour essayer de mieux comprendre la production de N2O dans le sol, en analysant l’influence conjointe des producteurs et réducteurs de N2O. Nous avons aussi évalué l’impact des pratiques agricoles et leurs potentiels à modifier ces communautés microbiennes. Suite aux essais réalisés en laboratoire, nous avons montré que l'ajout d'une souche non-dénitrifiante Dyadobacter fermentans,possédant la N2O réductase NosZII, permettait de réduire la production de N2O dans 1/3 des sols testés. Certains sols sont même devenus consommateurs de N2O suite à l'ajout de la souche nosZII. Cette expérience a démontré la contribution des bactéries nosZII non-dénitrifiantes dans la consommation de N2O dans le sol.D’autre part, nos analyses en contexte agricole ont montré que les pratiques agricoles testées ont peu d’influence sur les communautés microbiennes considérées, les exceptions étant le travail du sol (labour), et le système de culture (annuel ou pérenne). L’intensifiant du travail du sol induit une augmentation de la diversité de nosZII. Nous observons le même phénomène dans le système de culture annuel comparé au système de culture pérenne. D’autres résultats nous permettent aussi d’affirmer que le clade récemment identifié de réducteurs du N2O est plus sensible aux variables environnementales que le clade précédemment connu (nosZI). Les variations de propriétés du sol, notamment pH et C:N structurent les communautés microbiennes appartenant à ces 2 clades indiquant une spécialisation de niche pour chacun de ces deux clades de N2O-réducteurs.Pour mieux comprendre les relations entre les communautés microbiennes et les processus impliqués, nous avons évalué les activités potentielles de dénitrification et de nitrification, et les émissions de N2O in situ. La production potentielle de N2O et l'activité potentielle de dénitrification ont été utilisées pour calculer le ratio de production de N2O (N2O:N2). La diversité du clade nosZII est négativement corrélée au ratio N2O:N2, et explique à elle seule la plus grande part de variance observée du ratio N2O:N2. Les variations de production potentielle de N2O et d'activité potentielle de dénitrification sont elles expliquées principalement par les variations de propriétés du sol. Afin de mieux évaluer la contribution des différents facteurs édaphiques et microbiologiques aux variations d’émission in situ de N2O, 70000 mesures ont été subdivisées en différentes gammes d’émission de N2O, d‘émissions dites de base à des émissions élevées. Fait intéressant, les variations d’émissions in situ de N2O dites de base sont seulement liées à des variations du pH du sol, alors que les variations d’émissions dites élevées sont également fortement associées aux variations de diversité des communautés microbiennes. Parmi les variables microbiennes importantes, nous avons constaté que la diversité des nosZII est négativement liée aux émissions de N2O in situ dites élevées.En conclusion, nos résultats mettent en évidence l’importance du clade nosZII pour le cycle du N2O dans le sol (...). / Nitrous oxide (N2O) is an important greenhouse gas (GHG) and the main ozone depleting substance. Agricultural soils are the main anthropogenic-induced source of this GHG. The concentration of N2O in the atmosphere is steadily increasing, but we still lack knowledge on the factors controlling its production and consumption in soils. The reduction of N2O to N2 by microorganisms harboring the N2O reductase gene (nosZ) is the only known biological process able to consume this GHG. Recent studies revealed a previously unknown clade of N2O-reducers which was shown to be important to the N2O sink capacity of soils. This thesis seeks to gain a greater understanding on the ecology of N2O-reducers in agricultural soils. A combination of laboratory incubation and field experiments were used to gain knowledge on the importance of N2O-producers and N2O-reducers to the soil N2O production. Additionally, the potential of agricultural practices to modify those microbial communities were assessed.We showed experimentally, in laboratory incubations, that the addition of a non-denitrifying strain Dyadobacter fermentans, which possesses the previously unaccounted N2O reductase NosZII, reduced N2O production in 1/3 of the tested soils. Remarkably, after addition of the nosZII strain, some soils became a N2O sink, as negative rates were recorded. This experiment provided unambiguous evidence that the overlooked non-denitrifying nosZII bacteria can contribute to N2O consumption in soil.Our evaluation of agricultural field experiments showed limited impact of agricultural practices on the microbial communities except for tillage management, and differences observed between an annual and a perennial cropping system. Increasing tillage management enhanced nosZII diversity. Higher diversity of the nosZII clade was also observed in the annual cropping system than in the perennial cropping system. Overall, the recently identified clade of N2O-reducers was more sensitive to environmental variables than the previously known clade (nosZI). The community structure of these two groups was explained by common and uncommon soil properties suggesting niche specialization between the two N2O-reducers.In an attempt to understand the relationship between the microbial communities and process rates, we assessed the potential denitrification and nitrification rates, and in situ N2O emissions. Potential N2O production and potential denitrification activity were used to calculate the denitrification end-product ratio. The diversity of nosZII was negatively related to the N2O:N2 ratio and explained the highest fraction of its variation (26%), while the potential N2O production and potential denitrification activity were mainly explained by the soil properties. To better evaluate the contribution of different factors to the in situ emissions, more than 70000 N2O measurements were subdivided into different ranges, from low to high rates. Interestingly, the low range of in situ N2O emissions was only related to soil pH, while the high ranges were also strongly related to the microbial communities. This result suggests that the “base-line” N2O emissions might be more regulated by soil edaphic conditions than by microorganisms, the lasts being more important for the high emissions ranges. Among the significant microbial variables, we found that the diversity of nosZII was negatively related to the high ranges of in situ N2O emissions.In conclusion, our results highlight the relevance of the second clade of N2O-reducers to the fate of N2O in soil. Our results also suggest niche differentiation between the two N2O-reducing clades with nosZII being more responsive to environmental variables. Agricultural practices showed limited impact on the two guilds. Further research is needed to test the niche specialization between the two groups, to disentangle their controlling factors, and to evaluate their potential for N2O mitigation.

Afin d’étudier l’écologie microbienne, il est nécessaire, dans un premier temps, de déterminer quels micro-organismes sont présents dans un milieu et à quel instant. Ces informations sont requises pour pouvoir ensuite développer des outils permettant de prédire l’assemblage des communautés et les fonctions que celles-ci peuvent contenir. Cependant, la multitude des processus entrant en jeu dans la structure et la composition des communautés microbiennes, rendent leur étude complexe. Parmi les nombreux processus à étudier, il est notamment question de l’échelle temporelle à prendre en compte pour comprendre l’assemblage des communautés microbiennes. En effet, les événements historiques conditionnent la composition et la biodiversité des futures communautés microbiennes. Pourtant, dans les sols, peu d’études se sont intéressées à l’impact des événements historiques dans l’assemblage des communautés microbiennes. Par conséquent, l’objectif de cette thèse était de quantifier comment les différentes histoires du sol ont influencé la structure et biodiversité des communautés bactériennes et oomycètes associées aux plantes hôtes des Brassicaceae à travers le temps. Les rotations de cultures de Brassicaceae sont de plus en plus courantes dans le monde et ont démontré des avantages pour les cultures concernées, telles que la rétention de l’humidité du sol ou la suppression de certains agents pathogènes des plantes. En revanche, l’impact des rotations de cultures de Brassicaceae sur la structure et biodiversité des communautés microbiennes résidentes est peu connu. Ainsi, des terrains agricoles des prairies canadiennes ayant des expériences de rotations de cultures en cours ont été utilisés pour modéliser l’impact des histoires de sol précédemment établies sur les futures communautés microbiennes. Les communautés microbiennes des racines, de la rhizosphère, et du sol éloigné des racines des Brassicaceae ont été étudiées grâce aux métabarcodes d’ARNr 16S ou ITS. La PCR quantitative et des méthodes phylogénétiques ont été utilisées pour améliorer l’analyse des communautés microbiennes. Cette thèse illustre comment différentes histories de sol établies par les cultures de l’année précédente ont continué à structurer les communautés microbiennes de la rhizosphère tout au long de la saison de croissance, à différents stades de croissance, jusqu’à un an après leur établissement. Cependant, le phénomène de rétroactions entre plantes et micro-organismes a permis de masquer cet héritage dans la rhizosphere de différentes espèces hôtes de Brassicacea pour lesquelles des communautés bactériennes phylogénétiquement similaires ont été retrouvées malgré diverses histoires du sol. Nos résultats montrent également que les différentes espèces hôtes de Brassicacea n’avaient pas d’impact sur la structure des communautés d’oomycètes et que le stress hydrique limitait également cette structuration pour les communautés bactériennes. Dans ces deux cas, l’effet de l’histoire du sol était donc encore visible sur la structure les communautés microbiennes durant l’année subséquente. Les découvertes selon lesquelles différentes histoires de sol persistent jusqu'à un an, même en présence de nouvelles plantes hôtes, et qu’elles peuvent continuer à façonner les communautés microbiennes ont des implications importantes pour la gestion agricole et les recherches futures sur les composants physiques de l'histoire du sol. Comprendre comment l'histoire du sol est impliquée dans la structure et la biodiversité des communautés microbiennes à travers le temps est une limitation de l'écologie microbienne et est nécessaire pour utiliser les technologies microbiennes à l'avenir pour une agriculture durable et dans toute la société. / A fundamental task of microbial ecology is determining which organisms are present, and when, in order to improve the predictive models of community assembly and functions. However, the heterogeneity of community assembly processes that underlie how microbial communities are formed and structured are makes assembly of taxonomic and functional profiles difficult. One reason for this challenge is the compounding effect temporal scales have on microbial communities. For example, historical events have been shown to condition future microbial community composition and biodiversity. Yet, how historical events structure microbial communities in the soil has not been well tested. Therefore, the objective of this thesis was to quantify how different soil histories influenced the structure and biodiversity of bacterial and oomycete communities associated with Brassicaceae host plants through time. Brassicaceae crop rotations are increasingly common globally, and have demonstrated benefits for the crops involved, such as retaining soil moisture, or suppressing certain plant pathogens. In contrast, there is a lack of knowledge surrounding how Brassicaceae crop rotations impact the structure and biodiversity of resident microbial communities. As such, on-going agricultural field experiments with crop rotations on the Canadian prairies were used to model how previously established soil histories impacted future microbial communities. The Brassicaceae microbial communities were inferred from the roots, rhizosphere and bulk soil using 16S rRNA or ITS metabarcodes. Quantitative PCR and phylogenetic methods were used to improve the analysis of the microbial communities. This thesis illustrates how different soil histories established by the previous year’s crops continued to structure the microbial rhizosphere communities throughout the growing season, at various growth stages, and up to a year after being established. However, active plant-soil microbial feedback allowed different Brassicaceae host species to mask the soil history in the rhizosphere and derive phylogenetically similar bacterial communities from these diverse soil histories. Furthermore, host plants were unable to structure the oomycete communities, and lost the ability to structure the bacterial rhizosphere communities under water stress. In both circumstances, the soil history continued to structure the microbial communities. The findings that different soil histories persist for up to a year, even in the presence of new host plants, and can continue to shape microbial communities has important implications for agricultural management and future research on the physical components of soil history. Understanding how soil history is involved in the structure and biodiversity of microbial communities through time is a limitation in microbial ecology and is required for employing microbial technologies in the future for sustainable agriculture and throughout society.

Les champignons de la rhizosphère ont une grande influence sur le développement et la croissance des plantes. Certains de ces micro-organismes protègent les plantes contre les pathogènes, atténuent l'impact des stress abiotiques ou facilitent la nutrition des plantes. Ces organismes s'influencent mutuellement et forment des réseaux complexes d'interactions. Déterminer le fonctionnement du microbiome fongique de la rhizosphère des plantes cultivées est une étape nécessaire pour optimiser l'efficacité de la production végétale. Nous avons testé les hypothèses suivantes : (1) la diversification des systèmes de culture influe sur le microbiome fongique de la rhizosphère du canola; (2) le canola a un core microbiome, soit un ensemble de champignons toujours associés au canola quelles que soit les conditions du milieu; et (3) que certains de ces taxons ont une influence déterminante sur la structure des communautés (taxons nodaux) dans le core microbiome. Pour ce faire, en 2013 et 2016, nous avons échantillonné à la floraison, la phase de canola (Brassica napus) du système de culture, qui est l'un des deux types de canola (Roundup Ready® et Liberty Link®), utilisés dans le cadre d'une expérience de terrain à long terme (6 ans). Lacombe (Alberta), Lethbridge (Alberta) et Scott (Saskatchewan). En utilisant le séquençage d’amplicon par illumina, nous avons obtenus des résultats qui montrent que la diversification des cultures a un impact significatif sur la structure des communautés fongiques de la rhizosphère. Nous avons également découvert et décrit un core microbiome constitué de 47 OTU (Unité Taxonomique Opérationnelle) en 2013 et identifié Preussia funiculata, Schizothecium sp., Mortierella sp., Nectria sp. ainsi que deux taxons inconnus (OTU12 et OTU298) comme taxons nodaux parmi ce core microbiome. Cependant ce core microbiome s’est montré variable, et nous n’avons pu identifier qu’un OTU y appartenant en 2016 : Olpidium Brassicae. Nos résultats permettent de confirmer l’impact de la diversité culturale sur le microbiome fongique du canola et sont présentés comme une base pour le développement de stratégies d'ingénierie écologique pour l'amélioration de la production de canola. / The fungi in the rhizosphere have a large influence on plant development and growth. Some of these micro-organisms protect plants against pathogens, mitigate the impact of abiotic stress, or facilitate plant nutrition. These organisms influence each other and form complex webs of interactions. Deciphering the structure and function of the fungal microbiome of crop plant rhizosphere is a necessary step toward optimizing the efficiency of plant production. We tested the hypotheses that (1) the diversification of cropping systems influences the fungal microbiome of canola rhizosphere, (2) canola has a fungal core microbiome, i.e. a set of fungi that are always associated with canola, and (3) that some taxa have a determining influence on the structure of the communities (hub-taxa) within the core microbiome. In 2013 and 2016 we used the canola (Brassica napus) phase of five cropping system at blooming stage, from the less to the most diversified, that included one of two types of canola (Roundup Ready® and Liberty Link®), in an existing long-term (6 years) field experiment. The experiment has a randomized complete block design with four blocks, and is replicated at three locations: Lacombe (Alberta), Lethbridge (Alberta) and Scott (Saskatchewan). Our results show that crop diversification has significant impact on the structure of rhizosphere fungal communities. We also discover and described a canola core microbiome made of 47 OTUs in 2013 and identified Preussia funiculata, Schizothecium sp., Mortierella sp., Nectria sp. and two other unidentified taxa (OTU12 and OTU298) as the hub-taxa among this core. However this core microbiome was variable and could identify only one member in 2016 : Olpidium brassicae. Our results confirmed the effect of crop diversification upon the fungal microbiome of canola and are presented as a basis for the development of ecological engineering strategies for the improvement of canola production.

La disposition discontinue à l'échelle mondiale des habitats de la cryosphère, définie comme les environnements glacés de la Terre, offre un contexte opportun pour définir la répartition géographique des espèces microbienne sur la planète. Dans le cadre de ce projet de maîtrise, l'abondance et la diversité microbiennes du couvert neigeux et de l'air du Haut-Arctique canadien ont été révélées par des méthodes moléculaires, de microscopie et de cultures. La composition des communautés de bactéries et de protistes de la neige, qui reflétait le transport aérien survenu au cours des huit mois précédant l'échantillonnage, a permis d'identifier les tapis microbiens locaux et l'océan Arctique comme des sources d'inoculum substantielles. L'analyse des séquences d'ADN ribosomique 16S et 18S suggère que les microorganismes habitant les environnements froids comme la neige, la glace marine et les glaciers des régions arctiques, antarctiques et alpines possèdent une distribution globale à travers la cryosphère.

Les lacs de thermokarst (lacs peu profonds créés par le dégel et l’érosion du pergélisol riche en glace) sont un type unique d’écosystèmes aquatiques reconnus comme étant de grands émetteurs de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. Ils sont abondants dans le Québec subarctique et ils jouent un rôle important à l’échelle de la planète. Dans certaines régions, les lacs de thermokarst se transforment rapidement et deviennent plus grands et plus profonds. L'objectif de cette étude était d'améliorer la compréhension et d’évaluer quelles variables sont déterminantes pour la dynamique de l'oxygène dans ces lacs. C’est pourquoi j’ai examiné les possibles changements futurs de la dynamique de l’oxygène dans ces lacs dans un contexte de réchauffement climatique. Une grande variété de méthodes ont été utilisées afin de réaliser cette recherche, dont des analyses in situ et en laboratoire, ainsi que la modélisation. Des capteurs automatisés déployés dans cinq lacs ont mesuré l’oxygène, la conductivité et la température de la colonne d’eau en continu de l'été 2012 jusqu’à l’été 2015, à des intervalles compris entre 10 à 60 minutes. Des analyses en laboratoire ont permis de déterminer la respiration et les taux de production bactériens, les variables géochimiques limnologiques, ainsi que la distribution de la production bactérienne entre les différentes fractions de taille des communautés. La température de l’eau et les concentrations d’oxygène dissous d’un lac de thermokarst ont été modélisées avec des données du passé récent (1971) au climat futur (2095), en utilisant un scénario modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5) de réchauffement climatique. Cette recherche doctorale a mis en évidence les conditions anoxiques fréquentes et persistantes présentes dans de nombreux lacs de thermokarst. Aussi, ces lacs sont stratifiés pendant l’hiver comme des concentrations élevées d'ions s’accumulent dans leurs hypolimnions à cause de la formation du couvert de glace (cryoconcentration) et de la libération des ions avec la respiration bactérienne. Les différences de température contribuent également à la stabilité de la stratification. La dynamique de mélange des lacs de thermokarst étudiés était contrastée : la colonne d’eau de certains lacs se mélangeait entièrement deux fois par année, d'autres lacs se mélangeaient qu’une seule fois en automne, alors que certains lacs ne se mélangeaient jamais entièrement. Les populations bactériennes étaient abondantes et très actives, avec des taux respiratoires comparables à ceux mesurés dans des écosystèmes méso-eutrophes ou eutrophes des zones tempérées de l’hémisphère nord. L'érosion des matériaux contenus dans le sol des tourbières pergélisolées procure un substrat riche en carbone et en éléments nutritifs aux populations bactériennes, et ils constituent des habitats propices à la colonisation par des populations de bactéries associées aux particules. Le modèle de la concentration d’oxygène dissous dans un lac a révélé que le réchauffement des températures de l'air pourrait amincir le couvert de glace et diminuer sa durée, intensifiant le transfert de l'oxygène atmosphérique vers les eaux de surface. Ainsi, la concentration en oxygène dissous dans la colonne d'eau de ce lac augmenterait et les périodes de conditions anoxiques pourraient devenir plus courtes. Finalement, cette thèse doctorale insiste sur le rôle des lacs de thermokarst comme des réacteurs biogéochimiques pour la dégradation du carbone organique, qui était retenu dans les sols gelés, en gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère. L’oxygène est un indicateur sensible du mélange de la colonne d’eau et de la dynamique chimique des lacs, en plus d’être une variable clé des processus métaboliques. / Thermokarst lakes (shallow lakes caused by the thawing and collapse of ice-rich permafrost) are a unique type of aquatic ecosystem, and are known to be strong emitters of greenhouse gases into the atmosphere. They are highly abundant and experiencing rapid changes in subarctic Quebec, becoming larger and deeper in some regions. The objective of this study was to provide an improved understanding of oxygen dynamics in thermokarst lakes, while also evaluating the controlling factors for these variations and the potential future changes in oxygenation in this globally important class of freshwater ecosystems. A wide range of techniques was employed throughout this study, including a combination of in situ, laboratory, and modelling approaches. Autonomous oxygen, conductivity and temperature sensors were employed from summer 2012 to 2015, providing continuous measurements at 10- to 60-minute intervals throughout the study. Laboratory measurements included bacterial respiration and production rates, geochemical lake variables, and an investigation of bacterial community size-fractions. Lake temperature and oxygen concentrations were modelled in one thermokarst peatland lake from the recent past (1971) to the future climate (2095), employing a moderate (RCP 4.5) and more extreme (RCP 8.5) climate-warming scenario. The results of this study revealed that anoxic conditions are prevalent in many thermokarst lakes throughout much of the year. High concentrations of ions accumulate throughout winter due to ice formation at the surface (cryoconcentration) and from ions released associated with hypolimnetic respiratory activity. The strong ion gradient resulted in a combined temperature- and salinity-based density gradient throughout winter. Some lakes were dimictic, mixing twice a year, while others only mixed completely once in fall or never throughout the annual cycle. There were abundant and highly active bacterial populations, with respiratory rates comparable to those observed in meso- or eutrophic systems of the north-temperate zone. Erosion of permafrost peatland soil material provided carbon- and nutrient-rich substrates for bacterial populations, and habitats suitable for colonization by active particle-attached bacterial populations. The oxygen model showed that warmer air temperatures could substantially reduce ice-cover thickness and duration, resulting in greater concentrations of oxygen being transferred from the atmosphere to the surface waters. This could ultimately increase dissolved oxygen concentration throughout the water column and reduce the number of days of anoxic conditions within thermokarst lakes. This thesis underscores the critical role played by thermokarst lakes as biogeochemical reactors that convert organic carbon in ancient northern soils to greenhouse gases, and the importance of oxygen as a sensitive indicator of their mixing and chemical dynamics, as well as a master variable controlling metabolic processes.