Ces travaux de thèse avaient pour objectifs (i) d’étudier le comportement du fer et du nickel au cours de la biominéralisation de sulfures de fer par des bactéries sulfato-réductrices et (ii) de tenter une première estimation de l’influence de l’exploitation minière sur les communautés microbiennes des sédiments de mangrove de Nouvelle-Calédonie. Pour atteindre ces objectifs, des expériences d’incubation ont été conduites en anoxie avec une espèce unique de bactérie (thio)sulfato-réductrice (i.e. Desulfovibrio capillatus) et avec un consortium de bactéries sulfato-réductrices natives de sédiments de mangrove de Nouvelle-Calédonie. Ces expériences ont été réalisées avec différentes sources de Fe(III) (i.e. goethite, ferrihydrite et citrate-ferrique) et en présence de nickel structural ou en solution. Les résultats montrent que l’activité bactérienne sulfato-réductrice (qu’elle soit synergique ou issue d’une espèce unique) conduit, dans toutes les expériences, à la formation principale de mackinawite (FeS). Ce sulfure de fer précipite sous forme de cristallites nanométriques et dont la cristallinité augmente avec la durée d’incubation. Lorsque le nickel est présent en solution, la quasi-totalité de cet élément peut se substituer au fer (i.e. substitution 4% molaire) dans la structure de la mackinawite. Ainsi, la formation d’une faible proportion de mackinawite permet de fixer la quasi-totalité du nickel initialement en solution (e.g. ratio FeS:Ni de 1). Ce mécanisme semble stable sur le long terme (pas de relargage de nickel en solution) et il accélère la croissance cristalline de la mackinawite, ce qui engendre une stabilité accrue de ce minéral. Ces résultats soulignent le rôle efficace des bactéries sulfato-réductrices dans la formation des sulfures de fer de type mackinawite et dans le piégeage du nickel, suggérant une stabilisation de cet élément dans les sédiments de mangrove et la limitation de sa biodisponibilité. Ceci pourrait expliquer les résultats de l’étude comparative des consortiums bactériens autochtones qui ne permet pas de déceler d’impact de l’activité minière sur les communautés bactériennes sulfato-réductrices présentes en Nouvelle-Calédonie. / The aims of the present work were (i) to study the behavior of iron and nickel in the biomineralization of iron sulfides by (thio)sulfate-reducing bacteria and (ii) to estimate the influence of open-cut mining activities on microbial communities development in mangrove sediments in New Caledonia. To achieve these objectives, incubation experiments were conducted under anoxic conditions with the (thio)sulfate-reducing bacteria (i.e. Desulfovibrio capillatus) and a consortium of sulfate-reducing bacteria native mangrove sediments of New Caledonia. These experiments were carried out with different Fe(III) precursors (i.e. goethite, ferrihydrite and ferric citrate) and in the presence of structural or soluble nickel. The results show that the sulfate-reducing bacterial activity leads, in all experiments, to the formation of mackinawite (FeS). This iron sulfide precipitates as nanosized crystallites that increase in size with incubation time. When nickel is present in solution, the total soluble amount can be substituted to iron (i.e. replacing 4 mol%) in the structure of mackinawite. Thus, the formation of a small proportion of mackinawite scavenged total soluble amount of nickel initially present in solution (e.g. FeS:Ni ratio of 1). This sequestration mechanism appears to be stable over time (no nickel was released in solution) and accelerates the crystal growth of mackinawite, leading to the stabilization of this mineral. These results highlight the effective role of sulfate-reducing bacteria in the biomineralization of iron sulfides such as mackinawite and in the sequestration of nickel, suggesting a stabilization of this element in mangrove sediments and limitation of its bioavailability. These results could explain the absence of negative impact of open-cut mining activities on the sulfate-reducing bacterial communities present in New Caledonia.

Une grande quantité des eaux usées, particulièrement celles provenant de l'industrie minière, des fermentations et du traitement des aliments, contiennent-elles des concentrations élevées de sulfate (SO42-). SO42- réduction est une problématique sérieuse au niveau environnemental sous conditions qui ne sont pas contrôlées, cette problématique peut résulter en la libération de sulfure toxique vers l'environnement. Les caractéristiques typiques des eaux usées riches en SO42- sont 0.4-20.8 g SO42-.L-1, faible pH, élevé potentiel oxydatif, faible o négligeable demande chimique d'oxygène (DCO) et hautes concentrations de métaux lourds (drainage minier acide) que peuvent drastiquement endommager la flore et la faune des masses d'eau. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'effet du donneur d'électrons sur le processus biologique RS par des bactéries réductrices de sulfate dans des bioréacteurs. Le processus biologique RS a été étudié à l'aide de polymères à base d'hydrate de carbone (PBHC) et biodéchets lignocellulosiques (L) comme des donneurs de libération lente d'électrons (PBCH-DLLE et L-DLLE, respectivement) dans des bioréacteurs discontinus et des bioréacteurs fonctionnant en continu inverse à lit fluidisé (ILF). Les ILF ont été rigoureusement testé pour RS sous haute vitesse et (alimentation-pénurie de nourriture) des conditions d'alimentation transitoires. Dans une autre configuration du bioréacteur, un bioréacteur séquentiel, l'effet de la concentration initiale SO42- sur le démarrage du réacteur a été étudié. Par ailleurs, l'effet de la concentration initiale du donneur d'électrons, NH4+ et SO42- ont été évalués dans des bioréacteurs de traitement par lots aussi bien. La robustesse et la résilience de RS a été démontrée dans les ILF en utilisant le lactate comme donneur d'électrons, dans lequel l'efficacité d'élimination de SO42- (EES) était comparable dans la période d’alimentation (67 ± 15%) de ILF2 aux conditions d'alimentation stables (71 ± 4%) dans même ILF2 et ILF1, le réacteur de commande (61 ± 15%). De la modélisation des réseaux de neurones artificiels et de l'analyse de sensibilité des données de fonctionnement de ILF2, il était prévu que les concentrations de SO42- influents ont affecté le rendement d'élimination de la DCO, la production de sulfure et des changements de pH. Dans un autre ILF3 à un rapport DCO:SO42- de 2.3, RS dans des conditions de taux élevés (CTE = 0.125 d) était 4,866 mg SO42- L-1 d-1 et un EES de 79% a été remporté. Par ailleurs, le second ordre Grau et les modèles d'enlèvement de substrat Stover-Kincannon équipés de la performance du réacteur à haut débit avec r2 > 0.96. Le rapport DCO:SO42- était le principal facteur affectant la RS. Dans des bioréacteurs par lots, en utilisant du papier filtre PBCH-DLLE, la RS a été réalisée à EES > 98%. Avec l'utilisation de scourer comme L-DLLE, un EES de 95% a été remporté. Cependant, lorsque la lavette est utilisée comme matériau de support de L-DLLE dans un ILF4, le RS a montré 38% (± 14) de EES entre 10-33 d de fonctionnement. La SR était limitée par le taux d'hydrolyse-fermentation et, par conséquent, la complexité de la DLLE. L'utilisation du donneur d'électrons pour le processus RS a simultanément amélioré aux concentrations de donneurs d'électrons initial décroissants / Many industrial wastewaters, particularly from the mining, fermentation and food processing industry contain high sulphate (SO42-) concentrations. SO42- reduction (SR) is a serious environmental problem under non-controlled conditions, which can result in the release of toxic sulphide to the environment. Typical characteristics of SO42--rich wastewater are 0.4-20.8 g SO42-.L-1, low pH, high oxidative potential, low or negligible chemical oxygen demand (COD) and high heavy metals concentrations (acid mine drainage), that can dramatically damage the flora and fauna of water bodies. The aim of this PhD is to study the effect of electron donor supply on the biological SR process by sulphate reducing bacteria in bioreactors. The biological SR process was studied using carbohydrate based polymers (CBP) and lignocelulosic biowaste (L) as slow release electron donors (CBP-SRED and L-SRED, respectively) in batch bioreactors and continuously operated inverse fluidized bed bioreactors (IFBB). IFBB were vigorously tested for SR under high rate and transient (feast-famine) feeding conditions. In another bioreactor configuration, a sequencing batch bioreactor, the effect of the initial SO42- concentration on the reactor start-up was investigated. Besides, the effect of the initial concentration of electron donor, NH4+, and SO42- were evaluated in batch bioreactors as well. The robustness and resilience of SR was demonstrated in IFBB using lactate as the electron donor wherein the SO42- removal efficiency (SRE) was comparable in the feast period (67 ± 15%) of IFBB2 to steady feeding conditions (71 ± 4%) in the same IFBB2 and to IFBB1, the control reactor (61 ± 15%). From artificial neural network modeling and sensitivity analysis of data of IFBB2 operation, it was envisaged that the influent SO42- concentrations affected the COD removal efficiency, the sulphide production and pH changes. In another IFBB3 at a COD:SO42- ratio of 2.3, SR under high rate conditions (HRT=0.125 d) was 4,866 mg SO42-. L-1 d-1 and a SRE of 79% was achieved. Besides, the Grau second order and the Stover-Kincannon substrate removal models fitted the high rate reactor performance with r2 > 0.96. The COD:SO42- ratio was the major factor affecting the SR. In batch bioreactors, using filter paper as CBP-SRED, SR was carried out at > 98% SRE. Using scourer as L-SRED, a 95% SRE was achieved. However, when the scourer was used as the L-SRED carrier material in an IFBB4, the SR showed 38 (± 14) % SRE between 10-33 d of operation. The SR was limited by the hydrolysis-fermentation rate and, therefore, the complexity of the SRED. Concerning sequencing batch bioreactor operation, the SR process was affected by the initial SO42- concentration (2.5 g SO42-.L-1) during the start-up. The sequencing batch bioreactor performing at low SRE (< 70%) lead to propionate accumulation, however, acetate was the major end product when SRE was > 90%. In batch bioreactors, the NH4+ feast or famine conditions affected the SR rates with only 4% and the electron donor uptake was 16.6% greater under NH4+ feast conditions. The electron donor utilization via the SR process improved simultaneously to the decreasing initial electron donor concentrations. This PhD research demonstrated that the SR process is robust to transient and high rate feeding conditions. Moreover, SR was mainly affected by the approach how electron donor is supplied, e.g. as SRED or as easy available electron donor, independently of the COD:SO42- ratio. Besides, the electron donor and SO42- utilization were affected by the lack or presence of nutrients like NH4+

Le soufre existe dans l’hydrosphère dans des état d’oxydation allant des sulfates (+VI) aux sulfures (-II) et incluant de nombreuses espèces à des états d'oxydation intermédiaires, telles que le soufre élémentaire (0), les thiosulfates (-I, V) et les sulfites (IV). Ces espèces en particulier sont considérées comme des intermédiaires importants dans les réactions biologiques et abiotiques qui transforment (oxydent, réduisent ou dismutent) le soufre et sont fréquemment couplées aux cycles biogéochimiques du carbone, de l’azote, de l'oxygène et du fer.Les processus du cycle du soufre sont étudiés en mesurant les concentrations des différentes espèces contenant du soufre (analyse de spéciation) et en mesurant leur rapport isotopique respectif (analyse isotopique). Des difficultés analytiques sont fréquemment rencontrées, car les espèces soufrées, notamment celles de valence intermédiaire, sont présentes en faibles concentrations et sont difficiles à isoler. Ainsi, les rapports isotopiques des espèces de valence intermédiaire sont rarement déterminés. Les études des processus du cycle du soufre gagneraient grandement à l'amélioration des méthodes de mesure des rapports isotopiques des espèces de soufre inorganiques, en particulier des espèces intermédiaires les moins abondantes.Dans ce contexte, ce travail de thèse s’est consacré à l’élaboration de stratégies analytiques combinant spéciation et isotopie du soufre, afin de réaliser la mesure des rapports isotopiques du soufre de plusieurs espèces inorganiques présentes simultanément dans des échantillons liquides. Une méthode de spéciation permettant de quantifier les sulfites, les sulfates et les thiosulfates par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse à plasma à couplage inductif haute résolution (LC-HR-ICP-MS) a tout d’abord été mise en place. Ensuite, une approche hors-ligne a été développée pour l’analyse isotopique des sulfures, des sulfates et des thiosulfates. Elle consiste en une préparation d’échantillon par précipitation séquentielle des espèces soufrées, suivie de leur analyse par analyseur élémentaire couplé à un spectromètre de masse à rapport isotopique (EA-IRMS). Cette méthode permet de déterminer les valeurs de δ34S des sulfures, des sulfates et des thiosulfates avec des incertitudes de mesure inférieures à 0,5 ‰ pour des échantillons d’eau contenant au moins 27 µg de soufre. Cette méthode a été appliquée à l’étude d’eaux de source et d’eaux d’un aquifère profond et au suivi du fractionnement isotopique du soufre dans une culture de bactéries sulfato-réductrices.Un couplage entre séparation anionique et détection par spectromètre de masse à plasma à couplage inductif multicollecteur (LC-MC-ICP-MS) a été mis au point pour la détermination en ligne des valeurs de δ34S des sulfites, des sulfates et des thiosulfates. Cette méthode nous a permis de déterminer δ34S des sulfites, des sulfates et des thiosulfates pour des échantillons d’eau contenant 1 µg de soufre par espèce avec des incertitudes de mesure inférieures à 0,6 ‰. / Sulfur is present in the hydrosphere at oxidation states ranging from sulfate (+VI) to sulfide (-II) and including many species at intermediate oxidation states, such as elemental sulfur (0), thiosulfate (-I, V) and sulfite (IV). These species in particular are considered as important intermediates in biological and abiotic reactions (oxidation, reduction or disproportionation) involving sulfur and are frequently coupled to the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen, oxygen and iron.Sulfur cycle processes are studied by measuring the concentrations of different species containing sulfur (speciation analysis) and by measuring their respective isotope ratios (isotopic analysis). Analytical difficulties are frequently encountered because sulfur species, especially intermediate valence species, are present in low concentrations and are difficult to isolate. Thus, the isotope ratios of intermediate valence species are rarely determined. Methods for measuring isotope ratios of inorganic sulfur species, particularly the least abundant intermediate species, would be a great assistance in deciphering sulfur cycle processes.In this context, this thesis work was devoted to the development of analytical strategies combining speciation and isotopic analysis of sulfur, in order to measure sulfur isotope ratios of several inorganic species that can be simultaneously present in liquid samples. First, a speciation method for quantifying sulfite, sulfate and thiosulfate by liquid chromatography coupled to high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer (LC-HR-ICP-MS) was set up. Then, an off-line approach was developed for the isotopic analysis of sulfide, sulfate and thiosulfate. It consisted of a sample preparation by sequential precipitation of the sulfur species, followed by elemental analyzer coupled to isotope ratio mass spectrometer (EA-IRMS) analysis. This method made it possible to determine the δ34S values of sulfide, sulfate and thiosulfate with measurement uncertainties below 0.5 ‰ for water samples containing at least 27 µg of sulfur. This method has been applied to the study of spring waters and deep aquifer waters and the monitoring of isotopic fractionation of sulfur in a culture of sulfate-reducing bacteria.Moreover, an on-line analytical method coupling anionic separation and detection by multicollector inductively coupled plasma mass spectrometer (LC-MC-ICP-MS) has been developed for the determination of δ34S values of sulfite, sulfate and thiosulfate. This method allowed us to determine δ34S of sulfite, sulfate and thiosulfate for water samples containing as little as 1 µg of sulfur per species with measurement uncertainties below 0.6 ‰.

Les Bactéries sulfato-réductrices (BSR) représentent un groupe fonctionnel majeur dans les habitats aquatiques en intervenant dans les processus de minéralisation de la matière organique. En plus de leur implication dans le cycle du carbone et du soufre, les BSR sont considérées comme les principaux producteurs de méthylmercure en milieu côtier, un composé neurotoxique extrêmement bioaccumulable dans les réseaux trophiques. Dans ce contexte, la diversité des BSR dans les sédiments et le panache de l'estuaire de l’Adour (France) a été évaluée par une approche polyphasique incluant le clonage des gènes dsrAB et une méthode de culture haut-débit en microplaques 384 puits. Ces deux techniques ont fourni des données très complémentaires et donc, une meilleure représentation de la diversité sulfato-réductrice réellement présente dans l’estuaire. La réduction des volumes de culture à raison de 100 µL a permis d’améliorer significativement l’efficacité d’isolement des BSR. Près de 200 souches ont été isolées et identifiées à partir des sédiments et du panache de l’estuaire, et plusieurs d'entre elles ont constitué de nouveaux taxons cultivés. En parallèle, un biosenseur luminescent sensible spécifiquement au méthylmercure a été appliqué pour l’étude de la méthylation du mercure par les BSR. Cet outil simple et rapide constitue une bonne alternative aux méthodes de détection chimique traditionnellement utilisées pour évaluer les potentiels de méthylation du mercure des micro-organismes. L’analyse de la production de méthylmercure chez 21 BSR affiliées à la famille des Desulfobulbaceae a permis d’identifier des souches méthylantes, dont certaines ont été identifiées comme abondantes dans les sédiments de l’estuaire. À long terme, l’utilisation du biosenseur pour l’analyse des capacités de méthylation du mercure chez les BSR ou d’autres groupes fonctionnels permettra de mieux connaître la distribution phylogénétique des micro-organismes méthylants et d'appréhender le déterminisme génétique de ces transformations. / Sulfate-Reducing Bacteria (SRB) represent a significant part of the standing microbial communities living in coastal sediments. This functional group is involved in the decomposition and the mineralization of organic matter as well as in the sulfur cycle. In addition, production of methylmercury was shown to be mainly driven by SRB in aquatic ecosystems. Environmental methylation of inorganic mercury constitutes a human health issue due to its neurotoxic effect and its biomagnification in aquatic food webs. In this context, sulfate-reducing diversity was evaluated in anoxic sediments, as well as in the water plume of the Adour estuary. SRB were characterized through a polyphasic approach including dsrAB genes analysis and high throughput isolations in 384-well microplates. As a result, the microplate approach contributed to assess a significant part of the sulfate-reducing community and provided complementary results to the molecular approach. High-throughput SRB isolation permitted a rapid access to numerous but also original strains and around 200 SRB were isolated and identified from the estuarine sediments and the estuarine plume. Beside, the mercury methylation potentials of 21 sulfate reducing strains were determined using a bacterial sensor. All strains were related to the Desulfobulbaceae family and the capacity to produce methylmercury varied a lot. This work permit to identify some methylating strains identified as abundant in the Adour estuarine sediments. On the long view, the use of the biosensor to assess the mercury methylation potential will offer a better knowledge on the distribution of methylating bacteria among the SRB and other functional groups and could help to identify the molecular determinism beside these transformations.

Cette étude est consacrée à la caractérisation de la migration de l'uranium dans une zone restreinte du site du Bouchet, ancienne usine de traitement de minerai d'uranium, aujourd'hui démantelé et en cours de réhabilitation. Certains déchets de cette usine ont été stockés dans une déposante réhabilitée à proximité, appelée le site d'Itteville. Dans le cadre de la surveillance de l'environnement autour de la déposante (air, eau, sédiment) imposée par arrêtés préfectoraux, un piézomètre (PZPK) situé à l'aval hydraulique de cette dernière, présente des pics d'uranium dissous total chaque hiver depuis les années 1990. Le PZPK collecte à la fois les eaux d'une formation tourbeuse calcique, saturée en eau, située entre la surface et 3 m, ainsi que l'eau d'une nappe alluviale vers 6 m de profondeur. Dans un premier temps, une caractérisation hydrogéochimique du site a mis en évidence le terme source d'uranium, qui se trouve dans la tourbe vers 0,8 m, écartant ainsi toute fuite provenant de la déposante. En effet, quelques microparticules d'oxyde d'uranium et d'oxyde mixte d'uranium-thorium ont été détectées, mais ne constituent pas la partie majeure du terme source. Dans un second temps, la chimie des eaux de tourbe et du PZPK a fait l'objet d'un suivi bimestriel de 2004 à 2007 permettant de comprendre les raisons des fluctuations saisonnières de [U]tot.diss.. Complétées par des modélisations géochimiques et une identification bactérienne par analyse de l'ADN 16S, les chroniques de chimie de l'eau ont mis en évidence une activité bactérienne sulfato-réductrice importante en été, entraînant des conditions plus réductrices et donc, une teneur en uranium dissous total limitée par la faible solubilité de l'uraninite UIVO2(s). En hiver, cette activité bactérienne étant minime et la pluviométrie efficace plus importante, les conditions sont plus oxydantes favorisant la forme U(VI), plus soluble, notamment sous la forme du complexe Ca2UO2(CO3)3(aq) mis en évidence par SLRT. Enfin, l'activité bactérienne sulfato-réductrice a été reproduite en laboratoire afin de mieux caractériser son impact sur la solubilité de l'uranium dans la tourbe. Divers paramètres ont été étudiés (sources de C, température, nutriments) afin de recréer des conditions à la fois proches et aussi éloignées de celles in situ. Les identifications bactériennes par analyse de l'ADN 16S, en fonction du temps d'incubation, ont confirmé une augmentation de la proportion des bactéries sulfato-réductrices. Parallèlement, la chimie de l'eau, ainsi que des calculs géochimiques et des observations MEB et analyses XANES, ont mis en évidence une diminution de [U]tot.diss., due à sa réduction en UO2(s) (certainement sous forme de nanoparticules). Bien que le mécanisme réactionnel n'ait pu être déterminé, à savoir biotique (réduction directe de U par les bactéries) ou abiotique (réduction indirecte), ces expériences ont montré que les bactéries sulfato-réductrices peuvent prévaloir au sein d'une population autochtone variée dans des conditions proches de celles in situ. De plus, la tourbe calcique étudiée contient un stock important de weddellite (CaC2O4.2H2O(s)), constituant un apport permanent d'ions oxalate C2O42- qui peuvent être utilisés comme source de C lors de la réduction des ions sulfate et/ou uranium en été.

Le présent travail s’intéresse à l’étude de la diversité des communautés procaryotiques, basée sur le gène codant pour l’ARNr 16S et sur les gènes codants pour la sous-unité β du sulfite réductase dissimilatrice (dsrB) et la sous-unité alpha de la méthyl-coenzyme M réductase (mcrA), pour étudier la diversité de la communauté des bactéries sulfato-réductrices et des méthanogènes, respectivement à partir des échantillons collectés en saison sèche ou pluvieuse du Chott El Jerid. Les analyses des séquences du gène codant pour l’ARNr 16S ont montré que les bactéries regroupées aux Proteobacteria et Firmicutes sont détectés dans les deux saisons alors que les séquences appartenant au groupe taxonomique Bacteroidetes, Actinobacteria et Betaproteobacteria sont apparues uniquement dans la saison pluvieuse. Le groupe Deinococcus-Thermus sont observés que dans la saison sèche. Dans le domaine des archées, la plupart des séquences appartiennent au phylum Euryachaeota, détecté dans les deux saisons, alors que, le phylum Crenarchaeota apparait uniquement dans la saison pluvieuse. En plus, les bactéries sulfato-réductrices, appartenant à la classe Deltaproteobacteria, sont fréquents notamment à la saison pluvieuse prouvée déjà par les deux techniques DGGE et qPCR. A partir des cultures d’enrichissement, de nombreuses bactéries anaérobies fermentaires appartiennent aux familles Halanaerobiaceae et Halobacteroidaceae. Les analyses phylogénétiques ainsi que les caractéristiques phénotypiques et physiologiques montrent une nouvelle souche Sporohalobacter salinus proche de l’espèce Sporohalobacter lortetii, seule espèce décrite à ce jour du genre Sporohalobacter. / The present work concerns microbial biodiversity of prokaryotic communities, sulfate-reducing bacteria, and methanogens targeting the 16S rRNA gene and functional gene markers encoding the dissimilatory sulfite reductase β-subunit gene (dsrB) and alpha subunit of the methyl-coenzyme M reductase (mcrA), respectively from samples collected in the dry and wet seasons from Chott El Jerid. Phylogenetic analysis targeting the 16S rRNA gene showed that bacteria were grouped to Proteobacteria and Firmicutes detected at both seasons, whereas, Bacteroidetes, Actinobacteria and Betaproteobacteria were present only in the wet season. Deinococcus-Thermus group were observed in the dry season. Archaeal sequences were belonged to the phyla of Euryarchaeota in both seasons and Crenarchaeota was appeared in wet season. Sulfate-reducing bacteria, related to Deltaproteobacteria class were dominant mainly in wet season proved by two techniques DGGE and QPCR. From enrichment cultures, anaerobic fermentative bacteria were isolated in pure cultures, related to Halanaerobiaceae and Halobacteroidaceae families. Phylogenetic analysis, phenotypic and physiological characteristics showed a novel strain Sporohalobacter salinus related to Sporohalobacter lortetii, an unique species of genus Sporohalobacter described until now.

Ce travail de thèse visait à développer des procédés d'élimination des sulfates permettant la réduction des teneurs en sulfates des DC et des sols gypsifères afin d'améliorer la qualité des déchets et des sols à des fins agricoles ou des applications de recyclage. Le concept de traitement des DC par lixiviation à l'eau a été étudié (colonne de lixiviation). Les sulfates contenus dans les lixiviats sont ensuite éliminés à l'aide d'un traitement chimique ou biologique. L'approche biologique mise en oeuvre dans ce travail a consisté à mettre en oeuvre la réduction biologique des sulfates au sein de bioréacteurs de conception différente (i.e. réacteur UASB, réacteur à lit fluidisé inverse (IFB) ou d'un réacteur anaérobie gas lift). L'efficacité d'élimination des sulfates la plus élevée atteinte par ces trois systèmes varie de 75 à 95%. L'eau traitée provenant du bioréacteur peut alors ensuite être réutilisé dans la colonne de lixiviation. Le traitement chimique des sulfates est une option alternative pour traiter les lixiviats. Plusieurs produits chimiques ont été testés, (chlorure de baryum, nitrate de plomb (II), le chlorure de calcium, le carbonate de calcium, l'oxyde de calcium, et du sable recouvert d'un mélange d'oxydes d'aluminium et de fer). Un rendement de 99,9% d'élimination des sulfates (par précipitation) a été atteint avec le chlorure de baryum et le nitrate de plomb (II).Pour le traitement des DMA et des sols gypseux, cinq types de substrat organique tel que les copeaux de bambou, les boues d'épuration des eaux usées municipales, de l'écorce de riz, de coques de noix de coco broyée et des boues d'épuration des eaux usées d'une ferme porcine ont été testés comme donneurs d'électrons pour la réduction biologique des sulfates. L'efficacité de la réduction des sulfates la plus élevé (84%) a été obtenue en utilisant un mélange d'écorce de riz, de coques de noix de coco broyée et des boues d'épuration des eaux usées d'une ferme porcine comme donneurs d'électrons. Ensuite, ce mélange organique a été utilisé pour le traitement des sols gypsifères. Le sol de la mine de gypse a été mélangé avec le mélange organique en différentes proportions (10, 20, 30 et 40% de sol). Le rendement le plus élevé de 59 % de réduction des sulfates a été atteint dans le mélange de sol qui contient 40 % de matière organique. L'élimination des sulfures présents dans l'effluent des procédés de réduction biologique des sulfates est nécessaire. En effet, les sulfures peuvent causer plusieurs impacts environnementaux ou être ré-oxydé en sulfate si ils sont directement rejetés dans l'environnement. Le traitement électrochimique des effluents est l'une des solutions alternatives pour la récupération du soufre élémentaire à partir des sulfures. Une électrode de graphite a été testée comme électrode permettant l'oxydation électrochimique des sulfures en soufre élémentaire. Une électrode en graphite de grande surface est nécessaire afin d'avoir une résistance électrique la plus faible possible. La vitesse d'oxydation des sulfures la plus élevée est atteinte lors de l'application d'une résistance de 30 Ω à une concentration en sulfure de 250 mg.L-1 / Solid wastes containing sulfate, such as construction and demolition debris (CDD), are an important source of pollution, which can create a lot of environmental problems. It is suggested that these wastes have to be separated from other wastes, especially organic waste, and place it in a specific area of the landfill. This results in the rapid rise of the disposal costs of these gypsum wastes. Although these wastes can be reused as soil amendment or to make building materials, a concern has been raised by regulators regarding the chemical characteristics of the material and the potential risks to human health and the environment due to CDD containing heavy metals and a high sulfate content. Soils containing gypsum, namely gypsiferous soils, also have several problems during agricultural development such as low water retention capacity, shallow depth to a hardpan and vertical crusting. In some mining areas, gypsiferous soil problems occur, coupled with acid mine drainage (AMD) problems which cause a significant environmental threat. Reduction of the sulfate content of these wastes and soils is an option to overcome the above mentioned problems. This study aimed to develop sulfate removal systems to reduce the sulfate content of CDD and gypsiferous soils in order to decrease the amount of solid wastes as well as to improve the quality of wastes and soils for recycling purposes or agricultural applications. The treatment concept leaches the gypsum contained in the CDD by water in a leaching step. The sulfate containing leachate is further treated in biotic or abiotic systems. Biological sulfate reduction systems used in this research were the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor, Inverse Fluidized Bed (IFB) Reactor and Gas Lift Anaerobic Membrane Bioreactor (GL-AnMBR). The highest sulfate removal efficiency achieved from these three systems ranges from 75 to 95%. The treated water from the bioreactor can then be reused in the leaching column. Chemical sulfate removal (abiotic system) is an alternative option to treat the CDD leachate. Several chemicals were tested including barium chloride, lead(II) nitrate, calcium chloride, calcium carbonate, calcium oxide, aluminium oxide and iron oxide coated sand. A sulfate removal efficiency of 99.9% was achieved with barium chloride and lead(II) nitrate.For AMD and gypsiferous soils treatment, five types of organic substrate including bamboo chips (BC), municipal wastewater treatment sludge (MWTS), rice husk (RH), coconut husk chip (CHC) and pig farm wastewater treatment sludge (PWTS) were tested as electron donors for biological sulfate reduction treating AMD. The highest sulfate reduction efficiency (84%) was achieved when using the combination of PWTS, RH and CHC as electron donors. Then, this organic mixture was further used for treatment of the gypsiferous soils. The gypsum mine soil (overburden) was mixed with an organic mixture in different amounts including 10, 20, 30 and 40% of soil. The highest sulfate removal efficiency of 59% was achieved in the soil mixture which contained 40% organic material.The removal of sulfide from the effluent of the biological sulfate reduction process is required as sulfide can cause several environmental impacts or be re-oxidized to sulfate if directly discharged to the environment. Electrochemical treatment is one of the alternatives for sulfur recovery from aqueous sulfide. A non-catalyzed graphite electrode was tested as electrode for the electrochemical sulfide oxidation. A high surface area of the graphite electrode is required in order to have less internal resistance as much as possible. The highest sulfide oxidation rate was achieved when using the external resistance at 30 Ω at a sulfide concentration of 250 mg L-1

Certaines Bacteria synthétisent des phospholipides particuliers dont la structure possède des caractéristiques communes aux lipides des Bacteria et des Archaea : les éthers de glycérol bactériens (AGE). Le caractère singulier de ces lipides et leur structure chimique thermostable leur permettent d'être assez bien préservés dans l'environnement à la mort des cellules, et suggèrent leur potentiel à constituer de bons marqueurs biogéochimiques et/ou environnementaux. Cependant, très peu d'informations sont actuellement disponibles concernant les modes de formation et le rôle des AGE dans les membranes bactériennes. Au cours de cette thèse, nous avons étudié la composition lipidique de différentes souches pures de bactéries anaérobies sulfato-réductrices capables de synthétiser des AGE et cultivées dans différentes conditions contrôlées de température, pH et salinité. Diverses modifications structurales des AGE ont notamment été mises en évidence en réponse à des variations des conditions de croissance, dont certaines spécifiques d'une adaptation, et linéairement corrélées, à la température ou à la salinité. Les différents résultats démontrent l'implication des AGE dans l'adaptation membranaire en réponse à des variations physico-chimiques du milieu, et permettent d'envisager l'utilisation de la distribution structurale des AGE dans des échantillons naturels comme indicateur de conditions environnementales. L'analyse de la composition en AGE d'échantillons issus de différents écosystèmes actuels et anciens, caractérisés par des conditions environnementales contrastées a permis de vérifier le potentiel de certains AGE à être utilisés comme indicateurs de variations de conditions (paléo)environnementales / Some Bacteria synthesize particular phospholipids, called glycerol ether lipids (AGE) which have a chemical structure at the intersection of the Bacteria and Archea domains. The singular nature of these lipids and their thermostable chemical structure allow them to be well preserved in the environment following bacterial lysis, and suggest their potential to constitute good biogeochemical and/or environmental biomarkers. However, very little information is currently available concerning the modes of formation and the role of AGEs in bacterial membranes. In this thesis, we studied the lipid composition of various pure strains of anaerobic sulfate-reducing bacteria able to synthesize AGEs, grown under various controlled conditions of temperature, pH and salinity. Various structural modifications of AGE were observed in response to variations in growth conditions, some of which being specific to, and linearly correlated with, changes in temperature or salinity. The results demonstrate the involvement of AGEs in membrane adaptation to changes in the physico-chemical conditions, and suggest the use of the structural distribution of AGEs in natural samples as an indicator of environmental conditions. The analysis of the AGE content of samples from different actual and past ecosystems, allowed confirming the potential of AGEs to be used as indicators of variations of (paleo)environmental conditions

Ubiquitaires et très anciens, les communautés des tapis microbiens font preuve de capacités métaboliques et adaptatives très importantes. Situés en zone côtières, ces écosystèmes peuvent être soumis à des contaminations pétrolières. Dans ce contexte, cette étude vise d’une part à décrire la structure et le fonctionnement de tapis microbiens et d’autre part à comprendre l’impact d’une contamination pétrolière sur ces écosystèmes. Cette étude porte sur deux tapis microbiens de l’étang de Berre aux paramètres physico-Chimiques proches mais présentant des contaminations pétrolières contrastées. Le fonctionnement du système étant tributaire d’autres facteurs tels que la lumière et les saisons, les variations saisonnières et nycthémérales ont été prises en compte dans cette étude. Un accent particulier a également été porté sur le cycle du soufre de par son importance en milieu marin. Les résultats de cette étude mettent en évidence des structures de communautés différentes entre les deux tapis au niveau global, la séparation spatiale prévalant sur la séparation saisonnière. La fraction active de la communauté du site contaminé présente une évolution linéaire tandis que celle du site témoins suit pour sa part les variations saisonnières. Au niveau du site contaminé une augmentation de l’expression des gènes impliqués dans la dégradation des hydrocarbures couplée à une biodégradation des hydrocarbures suggère que le tapis contaminé est adapté à la contamination pétrolière. Malgré les différences de structures et d’activités de dégradation, des profils métaboliques très semblables sont cependant observables entre les deux tapis, avec des fonctions similaires laissant supposer une redondance fonctionnelle. Des variations saisonnières et nycthémérales ont également été observées avec notamment des Desulfobulbaceae plus abondantes au printemps et plus actives en journée. Des études culturales ont été réalisées en parallèle. Elles permettront d’appréhender de manière complémentaire la dynamique des communautés des sulfato-Réducteurs au sein du tapis et de mieux comprendre les variations mises en évidence dans cette étude. / Ubiquist and very ancient, the microbial mats communities demonstrate very important metabolic and adaptive capacities. Located in the coastal area, these ecosystems may be subject to oil contamination. In this context, the aim of this study is on one hand to describe the structure and functioning of microbial mats and on the other to understand the impact of oil contamination on these ecosystems. This study focused on two microbial mats from the Berre lagoon with close physical chemical parameters but with contrasted hydrocarbon contamination levels. The functioning of the system is dependent on other factors such as light and seasons, diurnal and seasonal variations were taken into account in this study. Special emphasis was placed on the sulfur cycle due to its importance in the marine environments. The results of this study highlighted different communities’ structures at the global level between both mats, the spatial variation prevailed on seasonal variation. The active part of the community from the contaminated site shows a linear trend while that one of the uncontaminated site follows the seasonal variations. The contaminated site shows genes involved in hydrocarbon degradation more expressed coupled to a hydrocarbon biodegradation suggesting that the contaminated mat is adapted to the petroleum contamination. Despite these differences in the structure and the degradation capacities, very similar metabolic profiles are observed between the two mats with similar functions, suggesting functional redundancy. Seasonal and diurnal variation was also observed, the Desulfobulbaceae were particularly more abundant in spring and more active during the day. A complementary cultural approach will allow to better understanding the dynamics of sulfate-Reducers communities in the mat and comprehending these variations.

Les effondrements miniers en Lorraine (France) ont pour origine la rupture des piliers de soutien constitués de minerai de fer. Leur rupture n'est pas seulement due aux seules contraintes mécaniques qu’exerce le recouvrement mais également aux différentes transformations minéralogiques du minerai de fer, compromettant sa cohésion et sa résistance et par conséquent, la stabilité des piliers. On parle alors d’altération/vieillissement minéralogique du minerai de fer. Les mécanismes chimiques qui entrainent ces transformations minéralogiques sont désormais bien connus mais l’influence de l’activité bactérienne n’est pas encore bien comprise. Des travaux préliminaires ayant soulevé le rôle possible des activités microbiennes, ce travail de thèse s'est alors appliqué à identifier les métabolismes bactériens susceptibles de réagir avec le minerai de fer en conditions aérobie et anaérobie, et à en caractériser les effets physico-chimiques, minéralogiques et mécaniques. Les groupes métaboliques bactériens suspectés d’être impliqués dans ces réactions (activités ferri-réductrices, ferro-oxydantes et sulfato-réductrices) ont été identifiés dans les eaux de mine et incubés en présence du minerai de fer, en souche pure ou avec un consortium issu de l’eau de mine. Les bactéries ferri-réductrices (IRB), sulfato-réductrices (BSR) et acidophiles ferro-oxydantes ont été les seules qui, dans les conditions de laboratoire, ont impacté significativement le minerai en modifiant le ratio Fe(II)/Fe(III). Une phase ferro-carbonatée et de la pyrite se sont formées respectivement au cours des incubations avec les IRB et BSR, et ont été caractérisées par analyse du solide (spectroscopies infrarouge en réflexion diffuse (DRIFTS) et Mössbauer et par diffraction aux rayons X). Des bactéries nitrate-réductrices ont aussi été testées et aucune modification significative du ratio Fe(II)/Fe(III) du minerai de fer n’a été observée. Enfin, les propriétés mécaniques du minerai de fer ont été mesurées après les réactions d’oxydo-réduction biologiques et purement chimiques. Des modifications sensibles de ces propriétés mécaniques par rapport à l’état initial ont ainsi pu être mises en évidence. Sur la base de ces résultats, l’hypothèse de l’altération mécanique du minerai de fer par des activités microbiennes est donc tout à fait réaliste. / Mine collapses occurred in Lorraine (France) because of the failure of safety pillars made of iron ore. Their failure is not only due to the mechanic stresses applied by the overburden, but also due to the various mineralogical transformations in iron ore which decrease material cohesion and resistance and thus stability of pillars. This is called mineralogical alteration/ageing of iron ore. Chemical mechanisms inducing these mineralogical transformations are now well known but the influence of microbial activity is not well understood yet. Preliminary works have raised the possible role of microbial activity, then the focus of this work was to identify the various bacterial metabolisms capable of reacting with iron ore and to characterize the physico-chemical, mineralogical and mechanical effects. The bacterial metabolism groups possibly implied in these reactions (iron-reducing (IRB), iron-oxidizing and sulfate-reducing bacteria (SRB)) were identified from the mine water. As pure strain or as consortium, these bacteria were incubated with iron ore. Under laboratory conditions, only iron-reducing, sulfate-reducing and acidophilic iron-oxidizing bacteria impacted iron ore samples by modifying the Fe(II)/Fe(III) ratio. A ferrous-carbonate phase and pyrite were formed during incubations with IRB and SRB, respectively. These minerals were characterized from analysis of the solid phase (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS), Mössbauer spectroscopy and X-ray diffraction). The impact nitrate-reducing bacteria was also tested but the Fe(II)/Fe(III) ratio of iron ore was not modified significantly. Finally, mechanical properties of iron ore were measured after microbial and purely chemical redox reactions. Discernible modifications of these mechanical properties were observed. From these results, the alteration of iron ore mechanical properties by bacterial activities is a realistic assumption.