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.

Le sol représente le support de la production agricole. A l’interface avec les autres compartiments de la biosphère, il remplit de nombreuses fonctions essentielles à la fourniture de services écosystémiques nécessaires au bien-être de nos sociétés. C’est aussi une ressource non renouvelable dont les propriétés physicochimiques et biologiques ont été altérées par le développement de l’agriculture intensive. La prise de conscience actuelle de cet état de fait a révélé la nécessité de définir de nouveaux modes de gestion adaptés à la préservation et à l’utilisation durable des sols. Elle a ainsi marqué l’entrée dans l’ère de l’agroécologie qui prône un modèle de production optimisant notamment les services rendus par la biodiversité afin de réduire le recours aux intrants et à l’utilisation d’énergie. Pour atteindre cet objectif, le développement d’une gamme d’indicateurs permettant d’évaluer les pratiques/systèmes agricoles en rendant compte de la qualité biologique du sol est donc indispensable. Cette thèse, dont l’objectif est de contribuer au développement de bioindicateurs microbiens de la qualité du sol, s’inscrit dans ce contexte agroécologique. Le choix de travailler sur les communautés microbiennes se justifie pleinement dans cette problématique car elles sont (i) présentes avec une forte densité et diversité dans tous les environnements, (ii) fortement impliquées dans le fonctionnement biologique et les services rendus par le sol, et (iii) elles répondent de façon très sensible aux changements des conditions environnementales en termes de modification de biomasse, de structure/diversité et d’activité. Elles offrent donc un potentiel important en termes de développement de bioindicateurs. Ce travail a porté plus précisément sur l’évaluation de deux indicateurs complémentaires : (i) la biomasse moléculaire microbienne et (ii) la diversité taxonomique microbienne. Dans une première partie nous avons éprouvé la robustesse de ces deux indicateurs en évaluant les biais associés à chacune des étapes techniques des procédures mises en œuvre pour leur mesure. Nous avons ensuite utilisé ces deux indicateurs dans différents contextes agronomiques pour évaluer leur pertinence. Un premier travail a ainsi consisté à suivre la réhabilitation du patrimoine microbien, par l’implantation d’une culture à vocation énergétique, d’un sol pollué irrigué pendant une centaine d’années par des eaux usées. Une seconde application a porté sur l’étude de l’impact de différentes pratiques agricoles sur les communautés microbiennes selon l’intensité du travail du sol (labour vs. travail réduit), la gestion des résidus de culture (export vs. restitution), et le type de culture (annuelle vs. pérenne).Les résultats montrent que la biomasse moléculaire microbienne et la diversité taxonomique obtenue par séquençage massif sont deux bioindicateurs robustes et sensibles pour décrire la qualité microbiologique des sols agricoles dans des contextes très variés. Ces deux indicateurs permettent de mettre en évidence aussi bien des perturbations des sols que l’impact positif de pratiques innovantes. Ils peuvent donc représenter des outils performants pour l’évaluation des systèmes agricoles, aidant à une amélioration de leur mode de gestion et, à long terme, permettant une utilisation durable des ressources fournies par ces sols. / Soil is the support of agricultural production. It performs many functions essential to the provision of ecosystem services necessary for the well-being of our societies. Soil physicochemical and biological properties have been altered by the development of intensive agriculture while it is a non-renewable resource, revealing the need to develop new management practices suitable for the sustainability of soil quality. This also marked the entry into the “Agroecology” era, which promotes the development of new agricultural systems optimizing services provided by biodiversity to reduce the use of inputs and energy use. To achieve this aim, the development of a range of indicators to assess the impact of agricultural practices on the biological quality of the soil is essential. This thesis, which aims to contribute to the development of microbial bio-indicators of soil quality, is a part of this agroecological context. The choice to work on microbial communities is fully justified because they are (i) present with a high abundance and diversity in all environments, (ii) heavily involved in biological functioning and the soil ecosystem services, (iii) they respond very sensitive to changes in environmental conditions in terms of biomass, diversity and activity. They therefore have significant potential in terms of bio-indicators of development. This work has focused specifically on the evaluation of two complementary bioindicators: (i) the microbial molecular biomass and (ii) the microbial taxonomic diversity. In a first part we tested the robustness of these two bioindicators by assessing the biases associated with each of the procedure technical steps used for their measurement. We then used these bioindicators in different agricultural contexts to assess their sensitivity. A first work has followed the rehabilitation of microbial patrimony of a polluted soil irrigated for a hundred years by sewage, by implanting a bioenergy crop. A second application has focused on the impact of different agricultural practices on microbial communities depending on the intensity of tillage (tillage vs. reduced tillage), management of crop residues (export vs. restitution), and the crop type (annual vs. perennial). Results highlighted that microbial molecular biomass and microbial taxonomic diversity achieved by high throughput sequencing are both robust and sensitive bioindicators to describe the microbiological quality of agricultural soils in very different contexts. Both bioindicators allow evidencing soil disturbances but also the positive impact of innovative practices. They may therefore represent powerful tools for the assessment of agricultural systems, helping to improve their long term management, allowing a sustainable use of resources provided by soils.

Le déoxynivalénol (DON) est une mycotoxine qui contamine la plupart des cultures de céréales dans toutes les régions du monde. Capable de résister aux procédés de transformation subies par les céréales, le DON peut se retrouver alors, à l'état de contaminants dans les matières premières (céréales) ainsi que dans les denrées alimentaires transformées destinées à l'Homme (pâtes, pain, bières) et à l'animal (granulés) à des concentrations supérieures aux limites règlementaires. Malgré les efforts de recherche pour caractériser les multiples aspects de l'impact d'une contamination par le DON, les effets bactériologiques de cette mycotoxine n'étaient pas encore documentés chez l'Homme. L'Agence Nationale de Sécurité Sanitaire (Anses), dans le cadre de sa mission de protection du consommateur, a donc souhaité évaluer l'impact d'une contamination au DON sur le microbiote intestinal humain (MIH). Dans cette étude, nous avons d'abord évalué la cinétique du DON chez le porc et chez le rat, puis nous avons utilisé un modèle de rats à flore humanisée pour évaluer l'impact d'une exposition sub-chronique de la mycotoxine sur la composition du MIH. Le DON est un contaminant rapidement distribué et éliminé. Au sein du tractus digestif, il entraine des changements bactériologiques significatifs chez certains principaux groupes bactériens composant le MIH. Cette étude apporte des données complémentaires à l'analyse du risque lié à l'exposition du DON chez l'Homme et montre l'intérêt des modèles animaux étudiés dans des scénarii particuliers d'exposition au DON.

L'éthyl tert-butyl éther (ETBE) et le méthyl tert-butyl éther (MTBE) sont des éthers carburants utilisés comme additifs dans les essences sans plomb. Du fait de leur utilisation massive, de nombreux cas de pollutions d'aquifères ont été répertoriés, en particulier pour le MTBE, et ces composés représentent donc un risque sanitaire potentiel. Des travaux récents ont permis de mettre en évidence différents micro-organismes capables de dégrader ces composés malgré leur faible biodégradabilité dans l'environnement. Néanmoins, une meilleure compréhension de l'écologie et de la régulation de ces capacités de dégradation permettrait une meilleure gestion de la bioremédiation de sites contaminés par l'ETBE ou le MTBE.L'objectif de la thèse, réalisée dans le cadre d'un projet ANR Blanc (MiOxyFun), est de mieux comprendre l'écologie des communautés microbiennes impliquées dans la dégradation de ces éthers et leur relation avec la régulation ainsi qu'avec les cinétiques de dégradation de ces composés par des membres spécifiques de ces communautés. Ainsi, à partir de différents échantillons environnementaux venant de sites pollués par l'ETBE ou le MTBE, des enrichissements ont pu être réalisés en laboratoire afin d'étudier leurs microflores. Ces enrichissements ont été étudiés notamment pour leurs cinétiques de dégradation, la composition de leurs communautés bactériennes, et pour l'isolement de souches bactériennes directement impliquées dans la dégradation de ces composés. L'étude des cinétiques de dégradation de l'ETBE ou du MTBE par différents enrichissements obtenus sur ETBE (cinq) et sur MTBE (six) a permis de montrer des profils de dégradation très différents. La dégradation était généralement lente et s'accompagnait d'un faible rendement en biomasse avec parfois accumulation transitoire de tert-butanol (TBA). Les capacités de dégradation d'autres composés des essences (BTEXs et n-alcanes) étaient aussi différentes d'un enrichissement à l'autre, le benzène, entre autres, étant dégradé par 10/11 enrichissements. Des techniques d'empreinte moléculaire (RISA, DGGE) ont permis de constater que les communautés bactériennes présentes dans les cinq enrichissements sur ETBE étaient différentes de celles sur les enrichissements sur MTBE. Les enrichissements sur ETBE ont fait spécifiquement l'objet d'une étude par analyse de banques de clones réalisées à partir des gènes codant l'ARNr 16S de ces enrichissements. Cette étude a montré la prédominance des Proteobacteria dans trois enrichissements, la prédominance des Acidobacteria dans un autre ainsi qu'une composition plus héterogène dans le cinquième. De plus, des Actinobacteria ont été détectées dans les 5 enrichissements.En parallèle, plusieurs souches possédant des capacités de dégradation ont été isolées des enrichissements: Rhodococcus sp. IFP 2040, IFP 2041, IFP 2042, IFP 2043 (dégradant l'ETBE jusqu'au TBA), une Betaproteobacteria IFP 2047 (dégradant l'ETBE), Bradyrhizobium sp. IFP 2049 (dégradant le TBA), Pseudonocardia sp. IFP 2050 (dégradant l'ETBE et le MTBE), Pseudoxanthomonas sp. IFP 2051 et une Proteobacteria IFP 2052 (dégradant le MTBE). Une étude par qPCR sur les gènes codant l'ARNr 16S a montré la prédominance de certaines souches isolées dans les enrichissements ETBE. Enfin, plusieurs gènes connus comme étant impliqués dans la dégradation des éthers carburants ont pu être mis en évidence dans les enrichissements et dans certaines des souches isolées.

Le déoxynivalénol (DON) est une mycotoxine qui contamine la plupart des cultures de céréales dans toutes les régions du monde. Capable de résister aux procédés de transformation subies par les céréales, le DON peut se retrouver alors, à l'état de contaminants dans les matières premières (céréales) ainsi que dans les denrées alimentaires transformées destinées à l'Homme (pâtes, pain, bières) et à l'animal (granulés) à des concentrations supérieures aux limites règlementaires. Malgré les efforts de recherche pour caractériser les multiples aspects de l'impact d'une contamination par le DON, les effets bactériologiques de cette mycotoxine n'étaient pas encore documentés chez l'Homme. L'Agence Nationale de Sécurité Sanitaire (Anses), dans le cadre de sa mission de protection du consommateur, a donc souhaité évaluer l'impact d'une contamination au DON sur le microbiote intestinal humain (MIH). Dans cette étude, nous avons d'abord évalué la cinétique du DON chez le porc et chez le rat, puis nous avons utilisé un modèle de rats à flore humanisée pour évaluer l'impact d'une exposition sub-chronique de la mycotoxine sur la composition du MIH. Le DON est un contaminant rapidement distribué et éliminé. Au sein du tractus digestif, il entraine des changements bactériologiques significatifs chez certains principaux groupes bactériens composant le MIH. Cette étude apporte des données complémentaires à l'analyse du risque lié à l'exposition du DON chez l'Homme et montre l'intérêt des modèles animaux étudiés dans des scénarii particuliers d'exposition au DON.

Le déoxynivalénol (DON) est une mycotoxine qui contamine la plupart des cultures de céréales dans toutes les régions du monde. Capable de résister aux procédés de transformation subies par les céréales, le DON peut se retrouver alors, à l'état de contaminants dans les matières premières (céréales) ainsi que dans les denrées alimentaires transformées destinées à l'Homme (pâtes, pain, bières) et à l'animal (granulés) à des concentrations supérieures aux limites règlementaires. Malgré les efforts de recherche pour caractériser les multiples aspects de l’impact d’une contamination par le DON, les effets bactériologiques de cette mycotoxine n’étaient pas encore documentés chez l’Homme. L'Agence Nationale de Sécurité Sanitaire (Anses), dans le cadre de sa mission de protection du consommateur, a donc souhaité évaluer l'impact d'une contamination au DON sur le microbiote intestinal humain (MIH). Dans cette étude, nous avons d’abord évalué la cinétique du DON chez le porc et chez le rat, puis nous avons utilisé un modèle de rats à flore humanisée pour évaluer l'impact d'une exposition sub-chronique de la mycotoxine sur la composition du MIH. Le DON est un contaminant rapidement distribué et éliminé. Au sein du tractus digestif, il entraine des changements bactériologiques significatifs chez certains principaux groupes bactériens composant le MIH. Cette étude apporte des données complémentaires à l’analyse du risque lié à l’exposition du DON chez l’Homme et montre l’intérêt des modèles animaux étudiés dans des scénarii particuliers d’exposition au DON. / Deoxynivalenol (DON) is one of the most prevalent mycotoxins present in cereal crops worldwide. Able to withstand the transformation process undergone by grains, DON can be found as contaminant in raw materials (cereals) and in processed food for humans (pasta, bread, beer) and animals (grains) at concentrations upper the control limits. Despite research efforts to characterize various aspects of the impact of DON contamination, the microbiological effects of DON were not documented in humans. The French agency for food, environmental and occupational health and safety (Anses), as part of its mission to protect the consumer, wanted to assess the impact of DON contamination on the Human Gut Microbiota (HGM). In this study, we first evaluated the kinetics of DON in pigs and rats, and then we assessed the impact of an oral subchronic exposure of deoxynivalenol on the composition of HGM in a human microbiota-associated rats model. DON is a contaminant rapidly distributed and eliminated. In gut, DON leads to significant changes in some of the main bacterial groups of the HGM. This study provides additional data to analyze the risk exposure of DON in humans and shows the interest of these animal models in studies dealing with particular scenarios of DON exposure.

Le microbiome de la rhizosphère fait généralement référence aux communautés bactériennes, archées et fongiques ainsi qu'à leur matériel génétique entourant étroitement les systèmes racinaires des plantes. Le métagénome de ce microbiome a été appelé le deuxième génome de la plante puisqu’elle est capable de profiter de plusieurs fonctions dont elle manque. La communauté microbienne de la rhizosphère inclue entre autres des microorganismes ayant développé des interactions intimes et spécifiques de longue durée avec les racines des plantes. Il s'agit d'une communauté dynamique de microorganismes, à partir de laquelle une partie d’espèces a développé des interactions intimes et spécifiques de longue durée avec les racines des plantes. Les progrès récents dans l’étude des interactions plantes-microbes ont démontré leur impact considérable sur la croissance, la nutrition et la santé des plantes. Le microbiote de la rhizosphère est complexe avec une structure spatio-temporelle dynamique qui s'adapte rapidement en fonction des stress biotiques et abiotiques. Considérant l’importance du microbiome de la rhizosphère pour la santé des plantes, des informations précises sur leurs microbes associés sont d'une importance capitale pour déchiffrer les mécanismes d'adaptation des plantes aux stress médiés par le microbiome et comprendre comment les plantes recrutent des taxons microbiens clés pour mieux faire face aux conditions stressantes. Pour ce faire, nous avons mené trois études afin de faire la lumière sur les facteurs qui jouent un rôle dans le recrutement et la structure du microbiome de la rhizosphère de plantes dans les milieux stressés. Dans un premier lieu, nous avons testé si des inoculations répétées avec des protéobactéries influençaient la productivité des plantes et les communautés microbiennes associées à la rhizosphère de quatre espèces végétales poussant dans des sédiments contaminés par des hydrocarbures pétroliers. Une expérience de mésocosme a été réalisée en conception de blocs randomisés avec deux facteurs : 1) la présence ou l'absence de quatre espèces végétales collectées dans un bassin de sédimentation d'une ancienne usine pétrochimique, et 2) l'inoculation ou non avec un consortium bactérien composé de dix isolats de Protéobactéries. Les plantes ont été cultivées en serre pendant quatre mois. Le séquençage d'amplicon MiSeq, ciblant le gène de l'ARNr 16S bactérien l’ITS fongique, a été utilisé pour évaluer les structures de la communauté microbienne des sédiments provenant de mesocosmes plantés ou non plantés. Nos résultats ont montré qu’alors que l'inoculation provoquait un changement significatif dans les communautés microbiennes, la présence de la plante et de son identité spécifique avait une influence plus forte sur la structure du microbiome dans les sédiments contaminés par les hydrocarbures pétroliers. Ensuite, en utilisant le même dispositif expérimental, nous avons utilisé le séquençage d'amplicon MiSeq ciblant le gène de l'ARNr 18S pour évaluer les structures communautaires AMF dans les racines et la rhizosphère de plantes poussant dans des substrats contaminés et non contaminés. Nous avons également étudié la contribution de l'identité spécifique des plantes et du biotope (racines des plantes et sol rhizosphérique) dans la formation des assemblages AMF associés. Nos résultats ont montré que si l'inoculation provoquait un changement significatif dans les communautés AMF, la contamination du substrat avait une influence beaucoup plus forte sur leur structure, suivie par le biotope et l'identité végétale dans une moindre mesure. De plus, l'inoculation augmentait considérablement la production de biomasse végétale et était associée à une diminution de la dissipation des hydrocarbures pétroliers dans le sol contaminé. Le résultat de cette étude fournit des connaissances sur les facteurs influençant la diversité et la structure communautaire de l'AMF associée aux plantes en milieux stressés à la suite d’inoculations répétées d'un consortium bactérien. Finalement, nous avons testé l’effet d’une inoculation d’arbres avec des champignons mycorhiziens spécifiques sur leur survie et croissance, ainsi que l’extraction de métaux traces. Pour ce faire, une expérience sur le terrain a été menée dans laquelle nous avons cultivé le clone de Salix miyabeana "SX67" sur le site d'une décharge industrielle déclassée, et inoculé les arbustes avec le champignon arbusculaire mycorhizien Rhizophagus irregularis, le champignon ectomycorhizien Sphaerosporella brunnea, ou un mélange des deux. Après deux saisons de croissance, les saules inoculés avec le champignon S. brunnea ont produit une biomasse significativement plus élevée. Le Ba, le Cd et le Zn se sont avérés être accumulés dans les parties aériennes des plantes, où le Cd présentait les valeurs de facteur de bioconcentration les plus élevées dans tous les traitements. De plus, les parcelles où les saules ont reçu l'inoculation de S. brunnea ont montré une diminution significative des concentrations de Cu, Pb et Sn dans le sol. L'inoculation avec R. irregularis ainsi que la double inoculation n'ont pas influencé de manière significative la production de biomasse et les niveaux d’éléments traces du sol. Le résultat de cette étude apporte des connaissances sur la diversité et l’écophysiologie des microbes de la rhizosphère associés aux plantes de croissance spontanée à la suite d’inoculations répétées. De plus ils montrent le potentiel de l’utilisation de champignons mycorhiziens afin d’améliorer la santé et croissance des plantes dans des milieux pollués et toxiques. Ils soulignent aussi l'importance de la sélection des plantes afin de faciliter leur gestion efficace et accélérer les processus de remise en état des terres. / The rhizosphere microbiome generally refers to the bacterial, archaea, and fungal communities and their genetic material that closely surrounds the root systems of plants. The metagenome of this microbiome has been called the second genome of the plant because it is able to take advantage of several functions that it lacks. It is a vibrant community of microorganisms, from which part of the species has developed long-lasting, specific and intimate interactions with plant roots. Recent advances in the study of plant-microbe interactions have demonstrated their considerable impact on plant growth, nutrition and health. The rhizosphere microbiota is complex with a dynamic spatio-temporal structure which adapts rapidly to biotic and abiotic stresses. Considering the importance of the rhizosphere microbiome to plant health, accurate information about their associated microbes is of utmost importance in deciphering the mechanisms of plant adaptation to microbiome-mediated stress, and understanding how plants recruit key microbial taxa to better cope with stressful conditions. To do this, we conducted three studies to shed light on the factors that play a role in the recruitment and structure of the microbiome of the rhizosphere of plants in stressed environments. First, we tested whether repeated inoculations with Proteobacteria influenced the productivity of plants and the microbial communities associated with the rhizosphere of four plant species growing in sediments contaminated with petroleum hydrocarbons. A mesocosm experiment was carried out in design of randomized blocks with two factors: 1) the presence or absence of four plant species collected in a sedimentation basin of a former petrochemical plant, and 2) inoculation or not with a bacterial consortium made up of ten isolates of Proteobacteria. The plants were grown in the greenhouse for four months. MiSeq amplicon sequencing, targeting the bacterial 16S rRNA gene and the fungal ITS, was used to assess the microbial community structures of sediments from planted and unplanted microcosms. Our results showed that while inoculation caused a significant change in microbial communities, the presence of the plant and its specific identity had a stronger influence on the structure of the microbiome in sediments contaminated with petroleum hydrocarbons. Next, using the same experimental setup, we used MiSeq amplicon sequencing targeting the 18S rRNA gene to assess AMF community structures in the roots and rhizosphere of plants growing in contaminated and uncontaminated substrates. We also studied the contribution of the specific identity of plants and the biotope (plant roots and rhizospheric soil) in the formation of associated AMF assemblages. Our results showed that while inoculation caused a significant change in AMF communities, substrate contamination had a much stronger influence on their structure, followed by biotope and plant identity to a lesser extent. In addition, inoculation dramatically increased plant biomass production and was associated with decreased dissipation of petroleum hydrocarbons in contaminated soil. The result of this study provides knowledge on the factors influencing the diversity and community structure of AMF associated with plants in stressed environments following repeated inoculations of a bacterial consortium. Finally, we tested the effect of inoculating trees with specific mycorrhizal fungi on their survival and growth, as well as the extraction of trace metals. To do this, a field experiment was carried out in which we cultivated the Salix miyabeana "SX67" clone on the site of a decommissioned industrial landfill and inoculated the shrubs with the arbuscular mycorrhizal fungus Rhizophagus irregularis, the ectomycorrhizal fungus Sphaerosporella brunnea, or a mixture of both. After two growing seasons, willows inoculated with the fungus S. brunnea produced a significantly higher biomass. Ba, Cd and Zn were found to accumulate in the aerial parts of plants, where Cd had the highest bioconcentration factor values in all treatments. In addition, the plots where the willows were inoculated with S. brunnea showed a significant decrease in the concentrations of Cu, Pb and Sn in the soil. The inoculation with R. irregularis as well as the double inoculation did not significantly influence the biomass production and the soil trace elements levels The result of this study provides insight into the diversity and ecophysiology of rhizosphere microbes associated with spontaneously growing plants following repeated inoculations. In addition, they show the potential of using mycorrhizal fungi to improve plant health and growth in polluted and toxic environments. They also stress the importance of plant selection to facilitate their efficient management, in order to speed up land reclamation processes.

Les toits verts sont des écosystèmes d’une grande importance pour les milieux urbains. Cependant, le microbiome du sol est peu considéré dans l’aménagement de ces habitats, alors qu’il est pourtant à la base de nombreux services écosystémique, dont le cyclage des nutriments et la productivité primaire. Il est donc nécessaire de s’intéresser davantage à l’assemblage de ce microbiome, de manière à éventuellement mieux manipuler ces communautés pour favoriser le maintien des services écosystémiques. Nous avons donc échantillonné le sol 19 toits verts en plus de cinq grands parcs urbains afin d’étudier les communautés bactériennes, fongiques et mycorhiziennes de ces habitats. Contrairement à ce que prédisent les théories classiques en écologie, les communautés microbiennes des sols des toits verts sont abondantes et diversifiées même dans les toits les plus jeunes. De plus ces communautés ne sont pas dominées par des microorganismes reconnus comme étant tolérants au stress. Ainsi, les limites à la dispersion ne semblent pas affecter ces communautés microbiennes isolées. Une grande variation dans les structures des communautés est restée non expliquée, montrant peu d’évidences d’assemblages déterministes. Ce phénomène pourrait être dû à une plus grande importance de déterminants ou processus stochastiques. Nous avons aussi observé ce phénomène chez les champignons mycorhiziens avec une plus grande abondance des espèces fréquentes régionalement et globalement. Cela montre l’importance du pool régional d’espèces pour l’assemblage des communautés des toits verts. Les toits échantillonnés ont des microbiomes uniques aux parcs environnants, avec une faible abondance de certains groupes taxonomiques, comme les Thaumarchaeota (procaryotes nitrificateurs), les actinobactéries (saprotrophes), ou les Gigasporaceae (champignons mycorhiziens produisant un important réseau d’hyphes extraracinaires). Ces profils microbiens uniques pourraient induire des conséquences biogéochimiques importantes sur les processus écosystémiques du sol des toits verts. Les recherches futures devraient évaluer les liens entre la structure du microbiome et les fonctions écosystémiques rendus par les toits verts. / Green roofs are novel ecosystems of great importance for urban environments. However, green roof soil microbiome has received little attention, even though it supports numerous ecosystem services. It is therefore necessary to pay more attention to the green roof soil microbiome assembly and eventually better manipulate it to promote the maintenance of ecosystem services, as nutrient cycling and primary productivity. We sampled 19 green roofs in addition to five large urban parks to study the bacterial, fungal and mycorrhizal communities in these habitats. Contrary to what was expected under classic ecological theories, microbial communities were abundant and diverse, even on the youngest roofs. Moreover, green roofs soils were not dominated by microorganisms known to be particularly stress tolerant. Dispersal limitation did not appear to affect the green roof soil communities. High level of variation in community structure remained unexplained, showing little evidence of deterministic assembly. This phenomenom may be a sign of stochastic assembly in these habitats. It was partly observed for mycorrhizal fungi with greater abundance of regionally and globally frequent species. This suggests the importance of regional species pool for community assembly in green roofs. The sampled roofs showed unique microbiomes, with low abundance of some taxonomic groups, such as the Thaumarchaeota (nytrifying prokaryotes), Actinobacteria (sapotrophs), or Gigasporaceae (mycorrhizal fungi producing an important external hyphae network). This could have important biogeochemical consequences on green roofs. Much insight will be gained from future research looking at the links between microbiome composition and the ecosystem services provided by green roofs.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / Les pergélisols nordiques contiennent une quantité significative de carbone organique. Or, son utilisation par les microorganismes dans les rivières et l’océan Arctique est peu connue. Au cours de l’Arctic River-Delta Experiment (ARDEX), des variables environnementales et microbiologiques furent mesurées le long d’un transect de 300 km entre le fleuve Mackenzie et la mer de Beaufort (juillet-août 2004). Nous voulions étudier les gradients fluviaux et estuariens de la structure et de l’activité de la communauté microbienne et évaluer l’influence des UV et de l’approvisionnement en carbone sur les processus bactériens. La communauté microbienne a changé le long du transect et les bactéries attachées aux particules jouaient un rôle majeur dans le fleuve et la zone de transition. Le métabolisme bactérien était limité par la disponibilité du carbone dans le fleuve Mackenzie. La photodégradation a augmenté la labilité du carbone organique dans le fleuve, mais l’a diminuée dans la mer de Beaufort. / Globally significant quantities of organic carbon are stored in northern permafrost soils, but little is known about how this carbon is processed by microbial communities once it enters rivers and is transported to the coastal Arctic Ocean. As part of the Arctic River-Delta Experiment (ARDEX), we measured environmental and microbiological variables along a 300 km transect across the Mackenzie River and coastal Beaufort Sea in July-August 2004 to investigate the river and estuarine gradients in microbial community structure and activity, and to evaluate the influence of UV exposure and carbon supply on bacterial processes in these ecosystems. Microbial community structure changed along the transect and the contribution of particle-attached bacteria was significantly higher in riverine and transition zone stations. Experimental results showed that bacterial metabolism was carbon limited in the Mackenzie River. Photodegradation increased organic carbon biolability in the Mackenzie River and decreased it in the Beaufort Sea.