La France est dépendante en gaz naturel dont elle importe 98% de sa consommation. Comme pour plusieurs autres pays (Etats-Unis, Canada, Grande Bretagne, Autriche, Allemagne, etc.), le stockage de gaz est principalement réalisé afin de pallier aux variations saisonnières de consommation. Grâce aux spécificités géologiques de notre territoire, ce stockage se fait essentiellement aux niveaux d’aquifères très profonds (-500 à 1000 mètres). Le gaz naturel contient en majorité du méthane mais également des traces d’autres composés tels que les BTEX (Benzène, Toluène, Ethylbenzène et les trois isomères du Xylène) qui sont connus pour leur toxicité. Ces hydrocarbures monoaromatiques peuvent se solubiliser dans l’eau de formation aux niveaux des interfaces eau/gaz. Leur biodégradation est bien moins rapide en anaérobiose qu’en aérobiose mais un potentiel d’atténuation naturelle des BTEX par les communautés microbiennes indigènes a déjà pu être démontré lors de travaux antérieurs. Cependant, bien que de nombreuses études aient été réalisées sur le sujet, les voies de dégradation anaérobie ne sont que partiellement connues et les connaissances concernant les microorganismes impliqués sont réduites, voire inexistantes. Le développement de biomarqueurs moléculaires in situ doit permettre d’évaluer rapidement le potentiel de dégradation des microorganismes d’un aquifère. Pour atteindre cet objectif, il est indispensable d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation et donc, d’isoler les microorganismes impliqués dans la dégradation de ces composés. Au cours de cette étude, des communautés microbiennes provenant d’échantillons d’eau de formation issue de trois aquifères distincts (nommés dans ce travail A, C et D) ont été étudiées à l’aide de trois approches différentes de microbiologie environnementale. L’ensemble de ces résultats ainsi que ceux de la littérature suggèrent l’ubiquité des bactéries sulfato-réductrices à Gram positif tels que les Desulfotomaculum dans les environnements profonds. Les résultats obtenus lors de ce travail de doctorat suggèrent le rôle prépondérant de microorganismes affiliés au genre Desulfotomaculum dans la dégradation des BTEX en aquifères très profonds et représentent une avancée dans la compréhension des phénomènes d’atténuation naturelle des BTEX dans ce type d’environnement. / France is dependent on natural gas and imports 98% of its consumption. Like in many other countries (The United States of America, Canada, Great Britain, Austria, Germany, etc.), gas storage is primarily performed to compensate for seasonal variations in consumption. Geological characteristics of our territory allow to store essentially natural gas into deep aquifers (-500 to 1000 meters). Natural gas contains mostly methane, but also traces of other compounds such as BTEX (Benzene, Toluene, Ethylbenzene and the three isomers of Xylene) which are known to be toxic. These mono-aromatic hydrocarbons are soluble in water. Anaerobic biodegradation is much slower than aerobic processes however potential for anaerobic BTEX natural attenuation by indigenous microbial communities has already been shown previously. Although many studies have been done on the topic, the anaerobic degradation pathways are only partially known and the knowledge of microorganisms involved is low or nonexistent. The development of in situ molecular biomarkers will allow rapid evaluation of the potential degradation of aquifer microorganisms. To achieve this goal, a better understanding of the mechanisms of degradation is crucial and requires isolation of microorganisms involved in the degradation of these compounds. In this study, microbial communities sampled from formation waters of three distinct aquifers (named in this work A, C and D) were studied using three different environmental microbiology approaches. All these results and those from the literature suggest the ubiquity of sulfate-reducing bacteria such as Gram positive Desulfotomaculum in deep environments. The results obtained during this PhD suggest the importance of microorganisms related to the genus Desulfotomaculum in BTEX degradation in deep aquifers. This work represents a step forward in understanding the phenomenon of natural attenuation of BTEX in this kind of environment.

La compréhension des interactions qui associent les plantes et les microorganismes du sol est une étape incontournable pour une gestion durable de nos écosystèmes notamment en agriculture. Parmi les services écosystémiques résultant de leurs interactions, on peut citer la productivité végétale répondant, en partie, aux besoins alimentaires de la population mondiale et la régulation des cycles biogéochimiques. Les services écosystémiques, qui émergent de telles interactions, reposent sur des liens trophiques pouvant être représentés par un compromis entre coûts et bénéfices pour les différents partenaires de l’interaction. Les plantes, organismes autotrophes ou producteurs primaires, sont des organismes clefs qui font entrer le carbone dans l’écosystème, via la photosynthèse. Une partie de ce carbone est libérée sous forme de molécules plus ou moins complexes, au niveau de leurs racines, par le processus de rhizodéposition. Ces composés servent de molécules signal et de nutriments pour les microorganismes du sol, essentiellement hétérotrophes, c’est l’effet rhizosphère. Ce processus est donc coûteux pour la plante mais bénéfique aux microorganismes. Les microorganismes contribuent, en retour, à la nutrition et la santé des plantes ce qui est coûteux mais leur assure une source bénéfique de nutriments. Ces échanges trophiques reposent néanmoins sur un équilibre dépendant des conditions biotiques et abiotiques qui affectent chaque partenaire. La biodiversité microbienne, de par la multitude d’interactions au sein des communautés microbiennes, est un facteur biotique important. Parmi les facteurs abiotiques, le contexte environnemental actuel, soumis aux changements globaux, est propice à une déstabilisation de ces interactions. L’objectif de ce travail est donc de comprendre comment vont varier les coûts et bénéfices, pour chaque partenaire, suite à des modifications de l’environnement affectant l’un ou l’autre. L’intérêt étant de savoir si les bénéfices pour les plantes et les microorganismes, qui permettent les services écosystémiques, seront affectés. Pour répondre à cet objectif, un cadre d’interaction plantes-microbes simplifié a été choisi et une déstabilisation, au niveau de la plante, a été effectuée au moyen d’une augmentation en CO2 atmosphérique. L’interaction entre Medicago truncatula et Pseudomonas fluorescens a ainsi été étudiée. Les interactions ont ensuite été complexifiées en utilisant une communauté microbienne dans son ensemble et, cette fois, la modification a été appliquée au compartiment microbien soumis à une dilution de sa diversité. L’effet du gradient de diversité microbienne obtenu a été mesuré sur la croissance et la reproduction de trois espèces végétales modèles (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon et Arabidopsis thaliana). Enfin, l’analyse s’est focalisée sur la communauté microbienne en identifiant la part active, c'est-à-dire les microorganismes qui utilisent les composés libérés par la plante. Ces microorganismes, qui interagissent réellement avec la plante, ont été détectés grâce à une analyse ADN SIP utilisant l’isotope 13C. Les principaux résultats observés, que la modification affecte l’un ou l’autre des partenaires, sont une déstabilisation des coûts et bénéfices. La première étude montre une variation temporaire des interactions en faveur de la plante en condition de CO2 augmenté. Dans le cas d’une dilution de la diversité microbienne, les coûts pour la plante sont conditionnés par la dépendance naturelle des plantes vis-à-vis des microorganismes symbiotiques qui interagissent avec le reste de la communauté. Cela est confirmé par la dernière expérimentation qui met en évidence les interactions microbes-microbes qui conditionnent la structure de la communauté microbienne interagissant avec la plante. [...] / Understanding the interactions that bind plants and soil microorganisms is an essential step for the sustainable management of ecosystems, especially in agriculture. The ecosystem services resulting from such interactions include plant productivity which responds, in part, to the food requirements of the world's population and the regulation of biogeochemical cycles. These ecosystem services depend on trophic links between the two partners in the interaction and can be represented by a tradeoff between the costs and benefits for each partner. Plants, being autotrophic organisms or primary producers, are key organisms which introduce carbon into the ecosystem, through photosynthesis. Part of this carbon is released as more or less complex molecules at the roots level, thanks to the rhizodeposition process. These compounds act as signal molecules and nutrients for soil microorganisms, which are mainly heterotrophic, in the so-called rhizosphere effect. This process is costly for the plant but beneficial to the microorganisms. In return, microorganisms contribute to plant nutrition and health, which is costly but provides them with a beneficial source of nutrients. These trophic exchanges, however, are based on a balance which depends on the biotic and abiotic conditions that affect each partner. Microbial biodiversity, through the multitude of interactions occurring within microbial communities, is a significant biotic factor. Among the abiotic factors, the current environmental context, subject to global change, is tending to destabilize these interactions. The objective of this work was to understand how environmental changes affect the costs and benefits for each partner by applying changes to one or the other, the aim being to determine whether these changes would affect the benefits for plants and microorganisms that provide ecosystem services. To achieve this objective, a simplified framework for plants-microbes interaction was first chosen. Destabilization at the plant level was carried out by increasing the atmospheric CO2 and studying the interaction between Medicago truncatula and Pseudomonas fluorescens. The interactions were then made more complex by using a whole microbial community but this time the change was applied to the microbial compartment by subjecting it to diversity dilution. The effect of the resulting microbial diversity gradient was measured on the growth and reproduction of three model plant species (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon and Arabidopsis thaliana). Finally, the microbial community was subjected to a DNA SIP analysis, with the isotope 13C, to identify the active portion, i.e., those microorganisms which really interacted with the plant and used compounds released by it. The main result, when the change affected one or other partner, was a destabilization of the costs and benefits. The first study showed a transient variation in the interactions in favour of the plant under increased CO2 conditions. In the case of a dilution of microbial diversity, the costs for the plant are conditioned by the natural dependency of plants on symbiotic microorganisms that interact with the rest of the community. This was confirmed by the last experiment that highlighted the between-microbes interactions which determined the composition of the microbial community that interacted with the plant. This work has helped to clarify the functioning of relationships between plants and soil microbes and the factors that contribute to their maintenance which is essential to the functioning of ecosystems. These studies also provide ways for predicting the impacts of global change on ecosystems. The conservation or restoration of ecosystem services is essential for human well-being