Les molybdoenzymes (MoEs) à bisPGD sont des métalloprotéines dont le site actif est constitué d'un cofacteur à molybdène (Mo) mononucléaire. Elles sont impliquées dans les cycles biogéochimiques de l'azote, du carbone et du soufre et catalysent essentiellement des réactions d'oxydoréduction à 2 e-/2 H+ envers une grande variété de substrats. En dépit de la connaissance de la structure cristallographique de nombreuses MoEs, leur fonctionnement reste encore largement incompris. Ces enzymes présentent un intérêt biotechnologique car certains de leurs substrats sont des composés toxiques notoires, tels que les oxydes de sélénium ou d'arsenic. L'objectif de ma thèse a été d'identifier quels facteurs structuraux gouvernent la réactivité d'une MoE à bisPGD, la nitrate réductase A d'E. coli. Le premier axe de mes travaux de thèse a consisté à étudier l'activité de l'enzyme envers différents substrats et examiner le rôle du ligand protéique du Mo dans sa réactivité, en combinant des approches de mutagenèse dirigée, de biochimie et de spectroscopie RPE. J'ai montré que le ligand protéique du Mo est impliqué dans une étape clé du cycle catalytique. Le second axe a consisté à identifier les relations existantes entre la structure atomique du site actif et ses signatures spectrales. Pour augmenter la résolution et permettre d'identifier les transitions structurales mises en jeu lors de l'interconversion entre les différentes formes spectrales, j'ai utilisé la spectroscopie RPE impulsionnelle, qui permet de détecter les noyaux magnétiques (1H et 14N, …). Mes résultats constituent un pré-requis nécessaire pour l'étude structurale à haute résolution du site actif de la nitrate réductase. / Molybdenum (Mo) is a rare transition metal that is indispensable to most living organisms. In particular, it makes part of the active site of metalloenzymes involved in the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen and sulphur. In this context, prokaryotic molybdoenzymes (MoEs) with the bisPGD cofactor at their active site essentially catalyze oxidoreduction reactions with 2 e-/2 H+ towards a wide range of substrates. Given that some MoEs can activate substrates that are well-known pollutants, understanding the mechanism of these enzymes accounts for a major prerequisite for future enzymatic engineering strategies aimed at optimizing enzyme reactivity towards bioremediation processes. To identify the molecular determinants of the reactivity of MoEs, we have explored the importance of the Mo proteic ligand aspartate in the respiratory Nitrate Reductase from E. coli. We have combined biochemistry and EPR spectroscopy to analyze the impact of the Mo-ligand substitution on both the enzymatic and the structural properties of the molybdenum cofactor. Our results show that the nature of the proteic ligand plays a critical role in the reactivity of the active site. A second part of my thesis work consisted in establishing the link between spectroscopic data on the MoV centre and its atomic structure. To get a high level of resolution and to identify which kind of structural modification is responsible for the spectroscopic differences between every Mo(V) signature, pulsed EPR spectroscop is most promising. Our results constitute a pre-requisite for structural studies of every species of the MoV center of the NRA.

Les zones sources formées par les organochlorés dans les sols (DNAPL) peuvent contaminer les aquifères pour plusieurs siècles en alimentant un panache de composés dissous. Pour épuiser ces zones sources, pomper le DNAPL est la solution la plus simple, mais l’efficacité est limitée par le cheminement préférentiel de l'eau dans le sol et les forces capillaires qui piègent le DNAPL. Les stratégies plus agressives (dissolution, traitement thermique, dégradation chimique…) sont aussi plus coûteuses. Dans cette thèse, deux stratégies de traitement à base de mousse de surfactant ont été développées et évaluées au laboratoire en préparation d’un essai terrain. La première stratégie utilise l’injection de mousse en zone source pour mobiliser de façon contrôlée le DNAPL et le diriger vers des puits de pompage. Dans les meilleures conditions, la saturation en DNAPL après traitement a pu être abaissé en dessous de 1 % avec une consommation de surfactant inférieure à 10 g kg-1 de DNAPL éliminé. La seconde stratégie utilise la mousse comme vecteur de réactif (hydrogène) pour accélérer la biodégradation des composés dissous dans le panache. Sous forme de mousse, l’hydrogène a été délivré de façon ciblée et plus rémanente dans l’horizon à traiter. Les technologies développées se sont montrées très prometteuses à l’échelle du terrain et lors de l’évaluation technico-économique. De la recherche reste nécessaire pour rendre ces procédés plus prédictibles lors de leur mise en œuvre. / Source zones formed by chlorinated organic compounds in soils (DNAPL) can contaminate aquifers for several centuries by feeding a plume of dissolved compounds. To deplete those source zones, DNAPL pumping is the simplest option, but the efficacy is limited by preferential water flow in the soil and capillary forces that are trapping the DNAPL. More aggressive strategies (dissolution, thermal treatment, chemical degradation...) are also costlier. Within this thesis work, two treatment strategies using surfactant foam were developed and assessed at lab-scale to prepare field assessment. The first strategy relies on foam injection in the source zone to mobilize the DNAPL in a controlled fashion to drive it ahead to pumping wells. In the best conditions, DNAPL saturation was lowered below 1% after treatment with a surfactant consumption below 10 g kg-1 of DNAPL removed. The second strategy uses foam as a reagent (hydrogen) carrier to accelerate the biodegradation of dissolved compounds in the plume. When injected as a foam, hydrogen was delivered in a targeted and more persistent manner in the strata to be treated. Developed technologies showed to be promising at field-scale and when the technico-economic assessment was conducted. Research still remains to be done to make those techniques more predictable during their implementation.

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Ce travail de thèse est axé sur l'élaboration de techniques de bioremédiation des sols contaminés par les Polluants Organiques Persistants (POP) en particulier sur deux familles de polluants : les Hydrocarbures Aromatiques Polycyliques et les dioxines (PCDD/F). La dégradation des POP présente deux obstacles majeurs à l'efficacité des traitements biologiques par voie fongique : la faible biodisponibilité des POP et la difficulté d'amorcer l'oxydation de molécules aussi stables chimiquement. Afin de lever ces verrous technologiques, nous proposons de coupler une oxydation chimique douce à l'oxydation biologique par les champignons telluriques saprotrophes et d'utiliser l'amidon pour améliorer la proximité spatiale entre le polluant et les réactifs d'oxydation. La première partie de ce travail de thèse consiste à fonctionnaliser de l'amidon de pomme de terre par la 1,4-butane sultone et l'anhydride 2-octén-1-ylsuccinique selon différentes conditions de synthèses. En comparaison avec l'amidon natif, un des produits obtenus, P9*, possède des propriétés surfactantes très intéressantes pour notre étude. En effet, P9* augmente la solubilité aqueuse de l'amidon par un facteur de 35 (22,60 g.L⁻¹) et stimulent 33 fois la solubilisation aqueuse du benzo[a]pyrène (BaP). Pour la seconde partie, l'utilisation d'un système d'étude simplifié où le champignon est cultivé en milieu minéral en conditions axéniques nous a permis de déterminer les paramètres (souche fongique, type et dose d'oxydant chimique) optimaux pour l'élaboration d'une méthode de dégradation des POP au laboratoire. Des études comparatives de dégradation du BaP sont donc réalisées in vitro par différents processus d'oxydation chimique (réaction de Fenton) et/ou biologique. Le couplage des deux procédés conduit à une dégradation du PaP de 40,0%. De plus, l'encapsulation du BaP par les nanosphères d'amidon P9* permet une dégradation du polluant de 64,6% par le réactif de Fenton. Deux souches fongiques (Penicillium brasilianum et Fusarium solani) sont ensuite utilisées pour des essais de dégradation conduits au laboratoire en microcosmes de sols historiquement contaminés par les PCDD/F. L'inoculation de la souche endogène P. brasilianum en présence de copeaux de carton comme agent structurant a conduit à une diminution de la toxicité des PCDD/F de 40,5% après seulement 2 mois d'incubation par rapport au sol témoin. Ce travail de thèse ouvre ainsi de nouvelles perspectives de techniques de remédiation des sols pollués par les POP à faible coût économique et respectueuses de l'environnement. / This thesis work deals with the development of bioremediation techniques for contaminated soils by Persistent Organic Pollutants (POPs) such as : Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and dioxins (PCDD/F). The degradation of POPs has two main obstacles to efficient biological treatments by fungi : the low bioavailability of POPs and the difficulty of initiating the oxydation of molecules as stable as others. To overcome these technological barriers, we propose to couple a mild chemical oxidation to biological oxidation by saprotrophic telluric fungi and to use starch to improve the spatial proximity between the pollutant and oxidizing reagents. The first part of this study is to functionalize native potato starch by 1,4-butane sultone and 2-octenyl-1-succinic anhydride according to different synthesis conditions. In comparison with native starch, one of the processed products, P9*, has very interesting surfactant properties for our study. Indeed, P9* increases starch apparent aqueous solubility by a factor of 65 (22.60 g.L⁻¹) and stimulates 33-fold benzo[a]pyrene (BaP) aqueous solubilization. For the second part, the use of a simplified study system where the fungus is cultivated in mineral medium under axenic conditions allowed us to determine the best parameters (fungal strainsn type and dose of chemical oxydant) for the development of a POPs degradation method in the laboratory. Comparative studies of BaP degradation are therefore carried out in vitro by different processes of chemical (Fenton's reagent) and/or biologial oxidation. The coupling of the two processes leads to a BaP degradation of 40.0%. Moreover, the BaP encapsulation by starch nanospheres P9* allows a pollutant degradation of 94.6% by the Fenton reagent. Two fungal strains (Penicillium brasilianum and Funsarium solani) are then used for the degradation lab experiment in historically PCDD/F contaminated soil microcosms. the inoculation of the endogene strain P.brasilianum in presence of cardboard chips as a bulking agent led to a decrease in PCDD/F toxicity of 40.5% after only two months of incubation compared to the controm soil. This PhD work draws new perspectives for remediation techniques of contaminated soils by POPs that are cost-effective and environmentally friendly.

Les bioprocédés environnementaux prennent une place de plus en plus importante dans le paysage industriel mondial. La complexité et la diversité des processus impliqués dans les réactions biologiques de dégradation des polluants limitent considérablement la compréhension et l’utilisation de ces procédés. De plus, les mesures disponibles pour le suivi de cette activité sont souvent hors-ligne et/ou indirectes. Dans ce cadre, les outils de modélisation phénoménologique permettent, via le choix d’hypothèses judicieuses, de lier les observations du système aux processus biologiques sous-jacents. Ces méthodes nécessitent néanmoins l’application d’une étude rigoureuse d’identifiabilité afin de pouvoir exploiter correctement les résultats obtenus. Les modèles ainsi développés permettent de capitaliser des connaissances sur la description des processus biologiques grâce aux mesures effectuées sur le système. Cette approche a été développé au travers de deux cas d’étude, correspondant à deux domaines d’application industrielle. La bioremédiation des sols contaminés aux hydrocarbures constitue la méthode la plus écologique de traitement des sols. Néanmoins, le processus de biodégradation peut être long, voire inexistant en fonction des conditions environnementales. Afin de mesurer l’efficacité de la dégradation, la mesure de la respiration en phase gaz apparaît comme étant l’observation la plus facile à mettre en œuvre. Le problème est que la simple mesure de la consommation d’oxygène est généralement insuffisante. Pour répondre à cette limite, un modèle capable d’expliquer les évolutions du quotient respiratoire apparent grâce aux différentes étapes de la biodégradation a été développé. Cette mesure pourrait alors donner une indication sur l’efficacité de la biodégradation. La seconde partie de ce travail, plus conséquente, s’intéresse à l’épuration des eaux usées par boues activées, elle reprend et amplifie l’approche méthodologique développée pour la biomédiation des sols. L’efficacité de ce traitement des eaux est grandement liée à la production de boues en excès, exprimée par le rendement hétérotrophe. Ce paramètre difficile à maitriser constitue une information primordiale pour la modélisation et la conduite des stations d’épurations. Il apparaît néanmoins que sa définition usuelle ne suffit pas à expliquer ses variations observées. Dans ce cadre, différents modèles phénoménologiques issus des travaux du groupe de travail ASM (Activated Sludge Modeling) ont été étudiés afin de décrire les variations de ce rendement apparent en introduisant les hypothèses réactionnelles liées au stockage du substrat. Une étude expérimentale en laboratoire a permis de confronter ces hypothèses à des mesures de dégradation de substrats purs par des boues activées en respiromètre. L’équilibre entre le stockage du substrat et la croissance bactérienne a ainsi été proposé comme source d’influence majeure sur la valeur du rendement. Ce travail a abouti à une clarification nécessaire de la définition du rendement hétérotrophe. / Environmental bioprocesses are gaining importance in the industrial landscape. Nevertheless, the complexity of mechanisms involved in biological reactions stays an issue for their implementation. Moreover, available measurements of biological activity are often off-tine and/or indirect. ln this context, phenomenological modeling tools are a solution to link observations of the system to underlying biological reactions, considering the right hypotheses. These methods require a rigorous sensitivity analysis in order to properly process the results. Thus, the models permit to obtain precise knowledge about biological systems thanks to indirect measurement. This approach was developed throughout two cases of study corresponding to two industrial fields of application. Bioremediation is the most ecological method for hydrocarbons contaminated soils remediation. Nevertheless, biodegradation can be long or absent depending on environmental conditions. In order to measure its efficiency, respiration measurement in the gas phase seems to be the easiest observation to implement. Oxygen measurement can be insufficient on its own, that is why a model able to describe the evolution of the apparent respiratory quotient has been developed considering the different steps of biodegradation. This observation alone could give insights on the efficiency of biodegradation. The second part of this work deals with activated sludge wastewater treatment using the theoretical approach developed for soil bioremediation. The eftïciency ofthe process depends on the excess production of sludge, which is linked to the heterotrophic yield of the reaction. This parameter is a key component for modeling and optimization of wastewater treatment plant. Most of the time, its common definition is not sufficient to explain its observed variations. In this context, several phenomenological models derived from the activated sludge models were studied to explain these variations, taking into account the substrate storage process. An experimental study was conducted in order to confront the reactional hypothesis of the models to actual measurements of single substrate degradations in respirometer. The balance between substrate storage and direct growth was proposed as a main component of the yield value. This study resulted in a necessary clarification of the heterotrophic yield definition.

De nombreux métaux sont indispensables au métabolisme cellulaire, d’autres sont considérés toxiques même à de faibles concentrations. Différents champignons appartenant à des différents groupes taxonomiques ont été identifiés dans des milieux pollués et ont révélé une capacité à survivre et à croître en présence de concentrations potentiellement toxiques. Pour s'adapter à ce stress, les champignons ont développé plusieurs mécanismes au niveau intracellulaire et extracellulaire. En particulier, ils sont connus pour leur capacité à sécréter un large panel de protéines. Cependant, leur rôle dans l'adaptation des champignons à la toxicité des métaux n'a pas encore été étudié. Pour répondre à cette question, le champignon Botrytis cinerea a été soumis à un stress métallique en présence de cuivre, zinc, nickel ou cadmium, les protéines sécrétées ont été collectées et séparées par 2D-PAGE. Deux métabolites ont également été analysés, l'acide oxalique et la nicotianamine. Enfin, les capacités de biosorption des champignons isolés à partir de sols pollués ont été étudiées. L'analyse du sécrétome a révélé 116 spots dont le volume varie en réponse d'au moins un métal. Cinquante-cinq de ces spots sont associés à des protéines uniques. La classification fonctionnelle de ces protéines a révélé que la production d'oxydoréductases et des enzymes dégradant la paroi cellulaire a été modifié en réponse aux métaux. L’étude de la production d'acide oxalique par Botrytis cinerea en réponse aux métaux montre une induction de la sécrétion d'oxalate en réponse au Zn et une accumulation de la nicotianamine, métabolite intracellulaire capable de fixer les métaux chez les plantes. Le gène de la nicotianamine synthase, est d’ailleurs surexprimé en présence de Cu, Zn et Ni. Plusieurs espèces fongiques ont été isolées à partir de sols pollués par des métaux, parmi ceux-ci Trichoderma asperellum et Zygorrhynchus moelleri montrent les meilleurs capacités de biosorption (10mg de Cu/g de matière sèche) des ions Cu / Metal ions are essential elements in many cellular processes. However, metal excess becomes toxic and constitutes a global environmental hazard. A range of fungi from all major taxonomic groups were found in metal-polluted habitats and the ability to survive and grow in the presence of potentially toxic concentrations is frequently encountered. To adapt to this stress, fungi have evolved several mechanisms at both intracellular and extracellular levels. In particular, fungi are well known for their ability to secrete a large panel of proteins. However, their role in the adaptation of fungi to metal toxicity has not yet been investigated. To address this question, here, the fungus Botrytis cinerea was challenged to copper, zinc, nickel or cadmium stress and secreted proteins were collected and separated by 2D-PAGE. Two metabolites were also analyzed, oxalic acid and nicotianamine. Finally, biosorption capacities of fungi isolated from polluted soils were investigated. Secretome analysis revealed one hundred and sixteen spots whose volume varied in at least one tested condition were observed on 2D gels. Fifty-five of these spots were associated with unique proteins and functional classification revealed that the production of oxidoreductases and cell-wall degrading enzymes was modified in response to metals. Study of oxalic acid and nicotianamine (NA) production by Botrytis cinerea in response to tested metals reveal that Zn induces oxalate secretion and that NA synthase gene is upregulated in presence of Cu, Zn and Ni. Many fungal species were isolated from metal polluted soils among them Trichoderma asperellum and Zygorrhynchus moelleri which show the maximum biosorption capacities of Cu ions

La problématique de la contamination des sols urbains et agricoles par les éléments traces métalliques (ETM) est un enjeu majeur en termes de santé publique et de protection de l’environnement. Dans le contexte de l’expansion de l’agriculture urbaine et des jardins communautaires souvent localisés sur des sites contaminés, il existe un intérêt fort pour le développement de méthodes de décontamination moins coûteuses que les méthodes de remédiation conventionnelles et qui préservent l’intégrité et la fertilité du sol. La phytoextraction est une technique écologique de remédiation des sols contaminés en ETM qui repose sur l’utilisation de plantes accumulatrices de métaux pour diminuer les concentrations en ETM dans le sol. La crucifère européenne Noccaea caerulescens (tabouret calaminaire), hyperaccumulatrice de zinc (Zn), cadmium (Cd) et nickel (Ni), s’est imposée comme plante phytoextractrice modèle vu ses étonnantes capacités d’accumulation in natura. Cependant, les conditions de culture optimales de N. caerulescens sont largement méconnues.L’optimisation de la phytoextraction du Cd et du Zn avec N. caerulescens a donc constitué l’objectif principal de ce travail. Nous avons mené des essais de terrain à Bruxelles sur des sites dont les sols sont modérément contaminés en ETM. Le premier objectif était de comparer l’efficacité d’extraction des populations calaminaires du Sud de la France (CAL-SF) et des populations non-métallicoles luxembourgeoises (NMET) de N. caerulescens. En parallèle, un deuxième objectif était de tester l’effet de plusieurs pratiques de culture sur la croissance et l’accumulation afin de développer un itinéraire technique performant. Un dernier objectif était d’étudier l’influence des paramètres édaphiques sur l’efficacité de la phytoextraction. Nous avons mis en évidence pour la première fois sur le terrain que les populations NMET sont nettement plus efficaces pour l’extraction du Zn que les populations CAL-SF et qu’elles combinent à la fois une meilleure production de biomasse et une plus grande résistance aux herbivores et aux pathogènes. Ce travail de thèse souligne que le cycle de vie – annuel ou bisannuel – est un déterminant important de la vitesse de croissance, du rendement d’extraction et du cycle de culture à privilégier. Nos résultats montrent que l’itinéraire technique le plus performant est celui d’un repiquage à l’automne de plantules à cycle bisannuel à densité élevée (100-120 plantes m-²), suivi d’une longue saison de culture (12 mois), tandis que pour des plantes annuelles il faut favoriser une installation au printemps. Enfin, la croissance de N. caerulescens est essentiellement stimulée par des hautes teneurs en matière organique, une faible densité apparente, une texture limoneuse et un bon apport en azote. Ce dernier élément entraîne cependant une baisse des concentrations en ETM dans les plantes quand sa teneur augmente dans le sol. La fertilisation azotée ne devrait donc être utilisée qu’en cas de forte carence azotée.Ce travail a permis de démontrer qu’une culture de N. caerulescens pouvait extraire jusqu’à 18 % du Cd total (CAL-SF) et 10 % du Zn total (NMET) dans les 20 premiers cm de sols modérément contaminés (jusqu’à 10 mg Cd kg-1 et 1000 mg Zn kg-1). À condition d’augmenter et de stabiliser les rendements de biomasse aérienne, la phytoextraction du Cd avec N. caerulescens pourrait donc être une technique pour décontaminer des sols modérément contaminés en Cd tels que les sols agricoles ou les sols urbains. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Pour diversifier leur matériel génétique, s’adapter aux perturbations environnementales et coloniser de nouvelles niches, les bactéries utilisent plusieurs processus évolutifs dont l’acquisition de matériel génétique par transfert horizontal de gènes comme la conjugaison, la transduction et la transformation. À ces trois mécanismes naturels s’ajoute l’électrotransformation due aux phénomènes électriques liés à la décharge de foudre. La présence dans les nuages de bactéries aérosolisées capables de former des noyaux de glace à l’origine des précipitations et impliquées dans le déclenchement de la foudre, telles que la bactérie phytopathogène à répartition mondiale Pseudomonas syringae, nous a conduit à proposer que l’électrotransformation naturelle dans les nuages pouvait affecter les bactéries, contribuant ainsi à augmenter leur potentiel adaptatif. Dans un premier temps, nous avons déterminé si la bactérie glaçogène P. syringae pouvait survivre à des électroporations simulant des décharges de foudre et acquérir du matériel génétique exogène dans les nuages. Comparée à deux autres bactéries, P. syringae se révèle être mieux adaptée pour la survie et l’électrotransformation génétique, ce qui suggère qu’elle serait capable de survivre et d’évoluer durant son transport dans les nuages. Nous avons ensuite évalué l’impact d’électroporations simulant les décharges de foudre sur la survie, le potentiel d’électrotransformation et la diversité de bactéries présentes dans des échantillons de pluie comme substitut des communautés bactériennes des nuages. Ces dernières étaient plus résistantes que les souches de laboratoire et certaines étaient capables d’acquérir de l’ADN exogène par électrotransformation. Les bactéries de la pluie isolées provenaient de différentes origines et présentaient différents modes de vie, représentatifs des sources probables d’émissions de bactéries terrestres. Cette étude montre que les bactéries aérosolisées de divers écosystèmes terrestres sont susceptibles de se disséminer dans de nouveaux habitats grâce aux nuages tout en étant capable d’acquérir de nouveaux gènes par éléctrotransformation, et d’augmenter ainsi potentiellement leur diversité génétique. La dernière partie de mon travail a évalué si l’électrotransformation appliquée aux bactéries indigènes du sol pouvait être employée pour dépolluer les sols contaminés par un pesticide largement utilisé autrefois, le lindane. L’optimisation des expériences met en évidence l’incorporation par les bactéries indigènes d’un plasmide contenant le gène codant les premières déchlorinations du lindane au travers d’une combinaison de transformation naturelle et d’électrotransformation. En conclusion, nous avons montré que l’électrotransformation naturelle liée aux décharges électriques, comme celles se produisant dans les nuages ou atteignant le sol, peut être impliquée dans le transfert horizontal de gènes chez les bactéries et, considérant l’importance de la foudre à travers le monde, pourrait jouer un rôle dans l’adaptation et l’évolution de ces organismes. / To diversify their genetic material, allowing adaptation to environmental disturbances and colonization of new ecological niches, bacteria use various evolutionary processes, including the acquisition of new genetic material by horizontal transfer mechanisms such as conjugation, transduction and transformation. Electrotransformation mediated by lightningrelated electrical phenomena may constitute an additional gene transfer mechanism occurring in nature. The presence in clouds of bacteria capable of forming ice nuclei that lead to precipitations and are involved in the triggering of lightning, such as the global phytopathogen Pseudomonas syringae, led us to postulate that natural electrotransformation in clouds may affect bacteria, by contributing to increase their adaptive potential. We first determined if the ice nucleator bacterium P. syringae could survive when in clouds and acquire exogenous genetic material through lightning shock-simulating in vitro electroporation. In comparison to two other bacteria, P. syringae appears to be best adapted for survival and for genetic electrotransformation under these conditions, which suggests that this bacterium would be able to survive and evolve whilst being transported in clouds. Secondly, we evaluated the impact of lightning shock-simulating in vitro electroporation on the survival, the electrotransformation potential and the diversity of bacteria collected from rain samples. These isolates better resisted lightning than the laboratory strains and some were able to electrotransform exogenous DNA. The rain bacteria we isolated were of different origins and were representative of life modes of the various sources of bacterial emissions on Earth. Our study suggests that bacteria aerosolized from diverse terrestrial ecosystems can spread to new habitats through clouds whilst also being able to acquire new genetic material via lightning-based electrotransformation, thereby potentially enhancing their genetic diversity. The final part of our work consisted of evaluating whether electrotransformation could be applied to the engineering of indigenous soil bacteria in order to develop a tool for the bioremediation of lindane, a once widely used pesticide. Optimized experiments revealed that both natural and electrotransformation contributed to the incorporation of a plasmid harboring a gene encoding the first lindane dechlorination steps by indigenous soil bacteria. In conclusion, we showed that natural electrotransformation mediated by electrical discharges such as those occurring in clouds or reaching soils can be involved in the horizontal gene transfer process among bacteria and, considering the importance of lightning worldwide, may play a role in the adaptation and evolution of these organisms.

La compréhension du transport et du dépôt bio-colloïdal dans un milieu poreux présente un grand intérêt dans les applications environnementales, en particulier pour le contrôle de la bio-remédiation des sols et la protection des ressources en eau souterraine. Afin de mieux évaluer et prévenir les risques de contamination de la nappe phréatique et de proposer des solutions adéquates de remédiation, il est nécessaire d’avoir une bonne compréhension des mécanismes qui contrôlent le transport et le dépôt des bactéries dans les milieux poreux saturés et non saturés. L’objectif des ces travaux de thèse est d’étudier le rôle de l’hétérogénéité physique du milieu poreux (distribution granulométrique, porosité…) et de l’hydrodynamique du milieu sur les mécanismes de transport et de dépôt de particules bio-colloïdales, tout en prenant en compte l’impact des propriétés de cellules bactériennes sur ces mécanismes. Des expériences de traçage et d’injection de suspensions bactériennes ont été menées à l’échelle de colonnes de laboratoire dans trois milieux poreux avec une porosité et une distribution de taille de pore distincte. Afin de caractériser l’écoulement dans les milieux poreux, un soluté non-réactif a été utilisé comme traceur de l’eau. Trois souches bactériennes ont été utilisées pour préparer les suspensions bactériennes : une bactérie mobile (Escherichia coli), et deux non mobiles (Klebsiella sp. et R. rhodochrous). La caractérisation des propriétés cellulaires (telles que la taille et la forme des cellules, le potentiel zêta, la motilité et l'hydrophobicité) a été effectuée pour chaque souche. Des simulations numériques ont été réalisées en utilisant le code de calcul HYDRUS-1D afin de modéliser l’écoulement et d’estimer les paramètres de transport et de dépôt des bactéries. Ces derniers ont été explorés afin d'identifier le mode de transport bactérien et les mécanismes physico-chimiques ou physiques impliqués dans le dépôt des bactéries. Des expériences supplémentaires à l'échelle des pores ont été réalisées à l'aide de dispositifs microfluidiques conçus à cet effet. Un calcul théorique des différentes interactions entre les bactéries et le milieu poreux aux interfaces air/eau/solide a été effectué pour compléter les résultats expérimentaux ainsi que ceux issus de la modélisation numérique. Ainsi, les énergies d’interactions telles que les forces de van der Waals, électrostatiques de double couche, hydrophobes, stériques, capillaires et hydrodynamiques, impliquées dans le dépôt de bactéries ont été calculées pour décrire les interactions bactéries-interfaces afin d'identifier leur impact relatif sur le dépôt physico-chimique et physique des bactéries. Les résultats expérimentaux et la modélisation numérique ont mis en évidence un écoulement non uniforme, dépendant de la taille des grains ainsi que de la distribution de la taille des pores du milieu poreux. Pour un milieu poreux donné, l’écoulement devient plus dispersif quand la teneur en eau du milieu diminue. Ceci est dû à l’augmentation de la tortuosité du milieu, du fait de la présence de l’air dans les pores. Le transport des bactéries diffère de celui du traceur de l’eau. Le dépôt bactérien a été fortement influencé par la géométrie du réseau poral du milieu, les propriétés cellulaires et le degré de saturation en eau. Le piégeage physique et physico-chimique sont des mécanismes qui doivent être pris en compte pour bien décrire le dépôt bactérien, mais leur importance sur les mécanismes de dépôt est étroitement liée aux propriétés du milieu poreux et des cellules. Ces travaux mettent en évidence l’effet simultané des propriétés cellulaires, des propriétés physiques (granulométrie et distribution de taille de pores) et de l'hydrodynamique du milieu poreux sur les mécanismes de transport et de dépôt bactérien. Le calcul des différentes énergies d’interaction a permis d’identifier leur importance sur les mécanismes de dépôt bactérien. / The investigation of the transport and retention of bacteria in porous media has a great practical importance in environmental applications, such as protection of the surface and groundwater supplies from contamination, risk assessment from microorganisms in groundwater, and soil bioremediation. The aim of this study is to gain a fundamental understanding of the mechanisms that control bacteria transport and deposition in saturated and unsaturated porous media. Laboratory tracer and bacteria transport experiments at Darcy scale were performed in three porous media with distinct pore size distribution in order to investigate and quantify water and bacteria transport process under steady state flow conditions. A conservative solute was used as water tracer to characterize water flow pathways through porous media. A gram negative, motile Escherichia coli, a gram negative, non-motile Klebsiella sp. and a gram positive, non-motile R. rhodochrous were selected for the transport experiments. Characterization of cell properties (such as cell size and shape, zeta potential, motility and hydrophobicity) was performed for each strain. Numerical simulations with HYDRUS-1D code were performed to characterize water flow and to estimate bacteria transport and deposition parameters. The later were explored to identify bacteria flow patterns and physicochemical or physical mechanisms involved in bacteria deposition. To provide a better understanding of the mechanisms involved on bacteria transport and deposition, pore scale experiments were carried out by using microfluidic devices, designed for this purpose. The information obtained from laboratory experiments and numerical modeling was improved by theoretical calculation of different interactions between bacteria and porous media at air/water/solid interfaces. DLVO and non-DLVO interactions such as hydrophobic, steric, capillary and hydrodynamic forces involved in bacteria deposition were considered to describe bacteria-interface interactions in order to identify their relative impact on physicochemical and physical deposition of bacteria. Results obtained through both laboratory experiments and numerical simulationsoutlined non-uniform flow pathways, which were dependent on both grain/pore size as well as pore size distribution of the porous media. For a given porous medium, water flow patterns became more non-uniform and dispersive with decreasing water saturation due to the presence of air phase, which lead to an increase of the tortuosity of the flow pathways under unsaturated conditions. Bacteria transport pathways were different from the tracer transport, due to size exclusion of bacteria from smaller pore spaces and bacteria motility. Bacteria deposition was greatly influenced by pore network geometry, cell properties and water saturation degree. Both physical straining and physicochemical attachment should be taken into account to well describe bacteria deposition, but their importance on bacteria deposition is closely linked to porous media and cell properties. The results obtained in this work highlighted the simultaneous role of cell properties, pore size distribution and hydrodynamics of the porous media on bacteria transport and deposition mechanisms. The calculation of DLVO and non-DLVO interactions showed that bacteria deposition in saturated and unsaturated porous media was influenced by both kinds of interactions.