Si les risques liés à la présence de résidus médicamenteux dans l'environnement sont encore méconnus, les premiers cas avérés et l'introduction récente de trois médicaments (2013) sur une liste de surveillance de l'UE imposent d'ores et déjà le développement de procédés de traitement capables d'éliminer cette pollution spécifique. C'est dans ce contexte que le traitement des effluents d'un service d'oncologie par un bioréacteur à membranes a été évalué dans cette thèse. Les effluents collectés sont caractérisés par une importante variabilité de la charge polluante et des concentrations médicamenteuses très élevées, parfois supérieures à 1 mg.L-1. Ces conditions n'ont pas favorisé le développement continu de la biomasse épuratrice. Il a toutefois été démontré que la toxicité de ces effluents n'est pas proportionnelle à la charge appliquée puisqu'une charge massique supérieure à 0.20 kgDCO.kgMVS-1.j-1 permet la croissance de la biomasse. Le colmatage des membranes a permis une rétention significative des médicaments sélectionnés. L'élimination des médicaments sélectionnés a par ailleurs été systématiquement améliorée par les boues acclimatées avec notamment le développement de capacités de biotransformation sur des molécules parfois uniquement éliminées par sorption dans les stations d'épuration. / The risks concerning the presence of pharmaceutical residues into the environment are still unknown. However, the first confirmed cases and the recent introduction of three drugs (2013) on a surveillance list of EU already require the development of processes able to remove this specific pollution. It is against that background that oncological ward wastewater treatment by a membrane bioreactor was investigated in this thesis. These effluents are characterized by a very variable charge and high pharmaceutical concentrations, sometimes above 1 mg.L-1. These conditions did not favor the continuous development of the biomass. However, it could be demonstrated that the toxicity of these effluents is not related to the applied charge since a food to microorganisms ratio above 0.20 kgCOD.kgMLVSS-1.d-1 allows biomass growth. Membrane fouling played a major role in the significant retention of the investigated drugs. In comparison to unacclimated activated sludge from WWTP pharmaceutical removal was systematically enhanced by the acclimated biomass with the development of biotransformation possibilities.

Les nanotubes de carbone (CNT) sont des nanomatériaux (1D<100 nm) présentant des propriétés physico-chimiques uniques, qui ont conduit à des applications déjà nombreuses dans l'industrie. Cette utilisation croissante des CNT soulève la question de leur potentielle toxicité. De nombreuses études ont été réalisées sur les effets de ces nanomatériaux, et il a été montré que les CNT pouvaient être toxiques, entraînant du stress oxydant et de l'inflammation d'intensité variable selon leurs caractéristiques physico-chimiques. Parmi ces caractéristiques, la longueur et la chimie de surface semblent jouer un rôle important. Néanmoins, les mécanismes sous-jacents de cette toxicité n'ont pas été complètement identifiés à ce jour. Il a été montré que l'autophagie pouvait moduler la réponse oxydante et inflammatoire, et que les CNT pouvaient être internalisés par endocytose dans la cellule et se retrouver dans les lysosomes, ce qui pourrait relier l'autophagie à la toxicité des CNT. De plus, le devenir des CNT dans les cellules (localisation, et intégrité de leur structure) a été très peu étudié à ce jour, alors que mieux connaître ce devenir pourrait nous donner des informations supplémentaires sur le mécanisme de toxicité des CNT. L'objectif de ce travail était donc 1) d'évaluer le rôle de l'autophagie dans la réponse de macrophages exposés à différents CNT, et 2) d'étudier le devenir des CNT dans ces cellules. Pour cela, il a été synthétisé quatre CNT de différentes longueurs et chimies de surface : des courts (S-), courts fonctionnalisés (SF-), longs (L-) et longs fonctionnalisés (LF-) CNT, qui ont été caractérisés. Des macrophages murins ont été exposés à ces différents CNT, et leurs effets sur l'autophagie ont été analysés, ainsi que leur devenir dans ces cellules. Nous avons montré que tous les CNT entraînaient une accumulation des autophagosomes avec un blocage du flux autophagique et un dysfonctionnement lysosomal. Ce dysfonctionnement lysosomal était dépendent du type de CNT, tous les CNT sauf les SF-CNT entraînant une basification du pH lysosomal. Il a aussi été démontré que tous les CNT sauf les SF-CNT étaient modifiés au contact des cellules. Ces résultats montrent donc que les CNT peuvent interagir avec l'autophagie, et peuvent être modifiés, selon leurs caractéristiques physico-chimiques. Ceci ouvre de nouvelles possibilités quant à l'interprétation et la compréhension de la toxicité des CNT / Carbon nanotubes (CNT) are fibre-shaped nanomaterials (at least 1D<100 nm). They are widely used in various industries because of their unique properties. As a result, an important literature has been published with the aim to evaluate the impact of CNT on health. It is now understood that CNT can be toxic, and, although inflammation and oxidative stress have been proposed as two mechanisms potentially relevant to CNT toxicity, the exact underlying mechanisms remain to be elucidated. It has been demonstrated that autophagy can repress oxidative stress and inflammation, and that CNT can be internalized in the cells by endocytosis, ending up in the lysosomes, which could link autophagy to CNT toxicity. Moreover, little is known about the fate of CNT inside the cells, where they go and if they are modified, although better knowledge about this fate could help us understand CNT toxicity. The aim of this project was therefore 1) to evaluate the role of autophagy in the response of murin macrophages to CNT, and 2) to elucidate the fate of CNT in these cells. Moreover, and because a large contribution of CNT physico-chemical characteristics has been described in their pathogenic response, we choose to synthesized four CNT varying in length and/or in surface properties: short (S-), short functionalized (SF-), long (L-), and long functionalized (LF-) CNT. Here we demonstrated that exposure to all CNT lead to the accumulation of autophagosomes, with the blockage of the autophagic flux and an impairment of lysosomal activity. Interestingly, lysosomal impairment was dependent on the type of CNT, as we observed a basification of lysosomal pH in response to all but SF-CNT. We also showed that all CNT but SF-CNT are modified when in contact with the cells. These results indicate that CNT can interact with the autophagy pathway, and can be modified, depending on their physic-chemical characteristics. This opens new ways in the interpretation and understanding of CNT toxicity

La galanthamine est un alcaloïde isoquinoléique, utilisé dans le monde entier pour le traitement palliatif de la maladie d’Alzheimer en raison de son pouvoir inhibiteur de l’acétylcholinestérase. Cet alcaloïde est extrait à partir de bulbes d’Amaryllidaceae, Leucojum aestivum, Galanthus nivalis, et Narcissus sp. ou obtenu par synthèse chimique. La difficulté principale de cette dernière réside dans le respect de la configuration des centres d'asymétrie. La culture de tissus in vitro pourrait constituer une alternative intéressante pour obtenir ce composé à haute valeur ajoutée. Le premier objectif de ce projet, vise à améliorer l’accumulation de cet alcaloïde par les biais des biotechnologies. Le second objectif est de rechercher par criblage phytochimique (HPLC, LCMS, GCMS, et HPTLC-MS) de bulbes in vitro et in vivo d’Amaryllidaceae, de nouveaux alcaloïdes biologiquement actifs. Le troisième objectif porte sur l’étude de la voie de biosynthèse en vue de réaliser une synthèse biomimétique de la galanthamine. Nous avons établi des cultures in vitro de 3 espèces d’Amaryllidaceae. La variation des paramètres exogènes a conduit à une accumulation accrue d’alcaloïdes (0,02 à 0,2 % MS). Le criblage phytochimique a conduit à l’identification d’alcaloïdes nouveaux issus des cultures in vitro, n’existant pas in vivo, et présentant un puissant pouvoir inhibiteur de l’acétylcholinestérase (40 à 80 % Inh). L’ajout, de la 4’-Ométhyl-d3-norbelladine aux cultures in vitro a conduit à sa métabolisation en trois types d’alcaloïdes deutérés. Une stimulation de la synthèse et du relargage de la galanthamine native (0,15 % MS et 0,16 % Milieu) a été observée en présence du précurseur deutéré / Galanthamine is an Amaryllidaceae alkaloid used worldwide for the symptomatic treatment of Alzheimer’s disease because of his capacity to inhibit the acetylcholinesterase enzyme. There are two galanthamine sources for medical applications. One is the total synthesis, a complicated process because galanthamine has three asymmetric carbons, requiring stereochemically controlled synthesis. Galanthamine is also extracted from bulbs of some Amaryllidaceae such as Leucojum aestivum, Galanthus nivalis, and Narcissus sp.. The first aim of this work is to improve the accumulation of this alkaloid using biotechnologies. The second aim consists on the phytochemical screening (HPLC, LCMS, GCMS, et HPTLCMS) of in vivo and in vitro Amaryllidaceae bulbs, in order to identify new alkaloids with important pharmacological activities. Finally, the third aim concerns the study of the biosynthesis pathway in order to establish a biomimetic synthesis of galanthamine. Therefore, we established in vitro cultures of three Amaryllidaceae species. The variation of exogenousparameters led to the obtainment of high galanthamine accumulation (0.02 to 0.2 % DW). The phytochemical screening showed new alkaloids in extracts of in vitro cultures, which did not exist in in vivo extracts, and possessing high acetylcholinesterase activity (40 to 80 % Inh). The 4’-O-methyl-d3-norbelladine is incorporated into three different groups ofAmaryllidaceae alkaloids. The addition of the labelled precursor to shoot cultures stimulated the synthesis of native galanthamine (0.15 % DW and 0.16 % Culture medium)

In the first part of this work, magnetized nanoporous silica based microparticles (MMPs) are used for horseradish peroxidase (HRP) immobilization and applied in amperometric peroxidase-based biosensors. A homemade magnetized carbon paste electrode permits the MMPs attraction close to the electrode surface. The resulting original biosensor is applied to the investigation of enzymatic oxidation of model drug compounds namely, clozapine (CLZ) and acetaminophen (APAP) by HRP in the presence of hydrogen peroxide. The biosensor operates at a low applied potential and the signal corresponds to the electro-reduction of electroactive species enzymatically generated. The biosensor allows performing the quantitation of the two drug compounds in the micromolar concentration range. It allows also the study of thiol compounds based on the inhibition of the biosensor response. Interestingly, distinct inhibition results are observed for HRP entrapped in the silica microparticles compared to the soluble HRP.<p>We expect that this type of biosensors holds high promise in quantitative analysis and in biotransformation studies of drug compounds.<p><p>In the second part of this thesis work, HRP immobilized magnetic nanoparticles are injected on-line and magnetically retained, as a microreactor, in the capillary of a CE setup. The purpose of such a configuration is to develop an analytical tool for studying “in vitro” drug biotransformation. The advantages expected are (i) minimum sample (drug compound) and biocomponent (enzyme) consumption, (ii) high analysis throughput, (iii) selectivity and sensitivity. In order to illustrate the potential of such an instrumental configuration, it has been applied to study acetaminophen as model drug compound. The mechanistic information obtained by the HRP/H2O2 system is in agreement with literature data on acetaminophen metabolization. Horseradish peroxidase kinetic studies are realized by this setup and the apparent Michaelis constant is determined. Capillary electrophoresis permitted the identification of APAP off-line biotransformed products such as N-acetyl-p-benzoquinone imine (NAPQI), the APAP dimer and APAP polymers as inferred from literature data. The formation of the APAP dimer was further confirmed by electrospray ionization mass spectrometry.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

De nombreux insectes s’avèrent être des ravageurs de culture, pouvant de surcroît transmettre des pathogènes aux plantes et ainsi causer des dégâts d’importance économique notables. Leur contrôle repose essentiellement sur l’utilisation d’insecticides, mais cela pose problème en termes de pollution de l’environnement, d’effets non désirés sur les espèces non-cibles, d’apparition de populations d’insectes résistants aux insecticides, sans parler de leur toxicité pour l’homme. L’olfaction joue un rôle clef dans le développement de nombreux comportements chez les insectes, comme la recherche de la plante nourricière ou du partenaire sexuel, le repérage de sites de ponte ou de prédateurs. Leurs organes olfactifs portent les sensilles sensorielles dans lesquelles se déroulent les étapes de la réception du signal : les molécules odorantes pénètrent par les pores et sont transportées à travers la lymphe sensillaire par des "odorant binding proteins" jusqu’aux récepteurs olfactifs (Ors) avec lesquels elles interagissent pour déclencher la cascade de transduction, puis le signal olfactif est inactivé. Si les interactions odeurs/ORs sont largement étudiées et élucidées, il n’en est pas de même pour le transport et l’inactivation du signal. En particulier, les "odorant-degrading enzymes" (ODEs) qui seraient impliquées dans cette dernière étape, en dégradant les molécules odorantes en métabolites inactifs, i.e. ne pouvant plus stimuler les récepteurs. Les ODEs appartiennent à diverses familles d’enzymes de biotransformation, comme les cytochromes P450s (CYPs), les carboxylestérases (CCEs), les glutathion-S-transférases (GSTs), ou les UDP-glucosyltransférases (UGTs). La plupart sont exprimées fortement dans les antennes. Peu d’entre-elles ont été caractérisées fonctionnellement, principalement par des approches in vitro, peu d’études ont été réalisées in vivo avec des approches électrophysiologiques ou comportementales. Au cours de ma thèse, nous avons caractérisé deux CCEs antennaires, l’Estérase6 (Est6) et la « Juvenile Hormone Esterase duplication » (JHEdup), chez Drosophila melanogaster, en combinant des approches transcriptomiques et fonctionnelles. Nous avons montré que ces deux estérases étaient exprimées très fortement dans les antennes et capables de métaboliser in vitro certaines odeurs alimentaires émises par les fruits mûrs. Nous avons aussi démontré que ces deux estérases étaient impliquées in vivo dans les réponses physiologiques et comportementales à ces odorants, et qu’elles s’avèrent donc être des ODEs.. Pour deux ODEs candidates, Ugt35b (UGT) et Cyp308a1 (CYPs), nous avons établi leur patron d’expression dans les antennes afin de préciser les types de sensilles impliquées, en préliminaire à des études fonctionnelles plus ciblées. Enfin, pour ugt35b, cyp308a1 et jhedup, nous avons mis en évidence une expression dans différentes structures gustatives, posant la question de leur rôle possible dans le métabolisme de molécules sapides. Les quatre enzymes antennaires présentées ici ne sont que le début d’une longue liste d’ODEs candidates identifiées lors de l’analyse du transcriptome antennaire de D. melanogaster. Ce travail participe à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans le fonctionnement du système olfactif. Du point de vue appliqué, les ODEs pourraient constituer des cibles d’intérêt (via des inhibiteurs spécifiques par exemple) pour modifier des comportements olfacto-induits, et ce dans un contexte de contrôle de populations d’insectes ravageurs plus respectueux de l’environnement. Par ailleurs, les connaissances acquises sur les ODEs chez cette espèce modèle pourraient contribuer à leur caractérisation chez d’autres espèces, en particulier des ravageurs de cultures. / Insects can be hazardous crop pests that do not only feed on crops but also transmit plant pathogens, causing yearly a great economical damage. Pest control relies mainly on insecticides but an extensive use bears problems such as the pollution of environment, unpredictable effects on non-target species, an increase of insecticide resistant populations and toxicity for humans. Olfaction is fundamental for the implementation of many insect behaviours like host plant and mating partner foraging, identification of suitable oviposition sites and predator avoidance. Insects smell with hairshaped olfactory sensilla, which are located on their antennae and palps. These sensilla are the showplace of early olfactory processing involving several steps: the odor uptake through the sensillar pores and their transport through the sensillar lymph mediated by odorant binding proteins, the detection of odors by olfactory receptors (ORs) and eventually the inactivation of the olfactory signal. Odor/OR interactions have been intensely studied, contrary to odor transport and inactivation that remain not well understood. Odorant-degrading enzymes (ODEs) have been suggested to be responsible for odor inactivation by degrading odorants into inactive metabolites which no longer activate ORs. The ODEs identified to date belong to various biotransformation enzyme families, including cytochrome P450s (CYPs), carboxylesterases (CCEs), glutathione-S-transferases (GSTs), UDP-glucosyltransferases (UGTs). Most of them are highly expressed in insect antennae. To date, only some ODEs have been functionally characterized, most of them in vitro using recombinant protein and showing their ability to efficiently metabolize various odorant molecules. Only a very few studies were investigating ODE function in vivo using electrophysiological and behavioural approaches. In this thesis we functionally characterize two antennal CCEs, Esterase6 (Est6) and Juvenile Hormone Esterase duplication (JHEdup), in the insect model Drosophila melanogaster combining transcriptomic, in vitro and in vivo approaches. We found that both CCEs are highly expressed in antennae and are able to efficiently metabolize certain odors emitted by rotting fruits in vitro. Furthermore, we showed that both are involved in physiological and behavioural responses to these odors. Therefore we propose Est6 and JHEdup as sensillar candidate ODEs. Moreover, we investigated the precise antennal gene expression pattern in toto for two antennal biotransformation enzymes belonging to other classes, Ugt35b (UGT) and Cyp308a1 (CYPs), which will be helpful for further investigations in order to clarify their potential role in olfaction. In case of three ODE candidate genes (ugt35b, cyp308a1 and jhedup) we discovered an interesting expression pattern in various gustatory organs posing new questions about additional functions of these antennal enzymes in taste processing. The antennal enzymes discussed in this thesis are only four of many candidate ODEs that we identified in the antennal transcriptome of the fruit fly. These candidates comprise also enzymes that belong to other classes such as GSTs, aldehyde oxidases, alcohol dehydrogenases or lipases. This work contributes to a deeper understanding of the insect olfactory system including its molecular actors. From an applied point of view ODEs are interesting targets to modify odorant-driven insect behaviours. The identification of specific ODE inhibitors that could interfere with insect ability to respond to environmental olfactory cues, emitted by mating partners or host plants, would contribute to a broader variety of “eco-friendly” olfactory-based insect pest control strategies. In the future the obtained knowledge in the insect model Drosophila will contribute to the characterization of ODEs in different hazardous insect pests which will be the next step to develop new inhibitor-based strategies.

Les éléments traces (ET) se trouvent naturellement dans l’environnement. Ces dernières années, des apports croissants en ET sont induits par des activités anthropiques, causant des problèmes environnementaux surtout dans le milieu marin. Certains ET sont toxiques et le besoin de méthodes fiables pour leur analyse dans des échantillons environnementaux est indéniable. À travers cette thèse, des méthodes analytiques ont été développées et validées pour l’analyse des ET dans les sédiments et les organismes marins par spectrométrie d’absorption atomique à source continu, haute résolution et introduction solide directe (SS-HR-CS-AAS). Des études environnementales basées sur l’utilisation de cette méthode et d’autres ont été réalisés. Une première étude a été réalisée sur des sédiments (de surface et carottes) collectés en Namibie. Cette thèse présente une série inédite de concentrations de base sur la côte namibienne. Une contamination importante en Pb, Cu, Zn et Cd a été démontrée autour des zones les plus peuplées. Les pollutions au Pb et leurs sources ont été étudiées grâce aux rapports isotopiques du Pb. Une deuxième étude a été réalisée sur différentes espèces d’éponges marines et des sédiments collectés en France et en Irlande. Il est montré que les éponges accumulent plus les ET que les sédiments et de façon différente selon les espèces. Des analyses de spéciation de l’arsenic ont été réalisées sur les éponges par chromatographie liquide haute performance couplée à un ICP-MS. Les résultats ont montré une bioaccumulation très importante de ce métalloïde dans les éponges et sa biotransformation des formes inorganiques en formes organiques beaucoup moins toxiques. / Trace elements (TE) naturally occur in the environment but their inputs have been increasing by anthropogenic activities in the last decades, causing environmental concerns, particularly in coastal ecosystems. TE are toxic and the need of reliable methods for their determination in environmental samples is undeniable. The first part of this PhD was focused on the development and full validation of methods for the analysis of TE in sediments and marine organisms by Solid Sampling High Resolution Continuum Source Atomic Absorption Spectrometry (SSHR-CS-AAS). Second, environmental studies based on these and others methodologies were then performed. A first monitoring survey was performed on sediments (surface and core samples) collected along the Namibian coast. This thesis provides the first baseline of TE contents and historical record of pollution in the area. Significant Pb, Cu, Cd and Zn enrichments were highlighted around the most populated areas, providing a needed baseline for present and future evaluation of the Namibian marine environment. Pb pollutions and their sources were also tracked through the use of Pb isotope ratios. A second monitoring survey was performed on different marine sponges and sediments collected in the French Mediterranean and in the Irish coasts. This work showed that sponges accumulate more TE than sediments in different extents according to species. Arsenic speciation analysis was performed in sponges by High Performance Liquid Chromatography (HPLC) coupled with ICP-MS. This special focus on arsenic highlighted the great bioaccumulation of this metalloid in sponges and its biotransformation from inorganic forms to less toxic organic forms.

Les pesticides de nouvelle génération sont le plus souvent épandus à de faibles doses et en mélange. Peu d’études se sont intéressées jusqu’à présent à l’effet de ces mélanges sur la biodégradation et la toxicité de chaque pesticide et/ou métabolite. Le but de ces travaux de thèse était d’étudier les voies de biotransformation de chacun des trois herbicides d’un mélange constitué de mésotrione (β-tricétone), nicosulfuron (sulfonylurée) et S-métolachlore (chloroacétanilide) utilisé sur les cultures de maïs, ainsi que la toxicité (test Microtox ® ) des herbicides et de leurs métabolites, seuls et en mélanges. L’identification des métabolites de la mésotrione chez la souche Bacillus megaterium Mes11 et une étude de protéomique différentielle ont suggéré l’implication de nitroréductases dans la première étape de la biotransformation de cet herbicide, rôle confirmé ensuite par la caractérisation structurelle et fonctionnelle de deux enzymes capables de transformer la mésotrione : les nitroréductases NfrA1 et NfrA2, appartenant à la sous-famille NfsA-FRP des Nitro-FMN réductases. La voie de biotransformation du nicosulfuron a, quant à elle, été étudiée chez la souche Pseudomonas fluorescens SG-1 isolée à partir de sol agricole, capable de transformer cet herbicide par co-métabolisme. Cette biotransformation conduit à la formation de deux métabolites majoritaires issus du clivage de la liaison sulfonylurée du nicosulfuron, l’un deux (l’ADMP, 2-amino-4,6-diméthoxypyrimidine) présentant une toxicité 20 fois supérieure à celle de la molécule mère. Nous avons également étudié qualitativement et quantitativement la biotransformation de la mésotrione et du nicosulfuron par la souche Mes11 séparément ou en mélange, et en présence ou non de S-métolachlore Les résultats ont montré un effet négatif de la mésotrione sur la biotransformation du nicosulfuron et un effet positif du S-métolachlore sur la biotransformation de la mésotrione. Tous les mélanges d’herbicides testés ont montré des effets synergiques pour la toxicité vis-à-vis de A. fischeri, tandis que les mélanges de métabolites (avec ou sans S-métolachlore) étaient majoritairement synergiques ou antagonistes. La dernière partie des travaux de thèse est focalisée sur le développement d’une technique préventive de traitement de la pollution par les pesticides d’origine agricole (bioprophylaxie). Nous avons fait la preuve de concept de cette technique par une étude en microcosmes de sol. L’épandage simultané de l’herbicide 2,4-D (acide 2,4-dichlorophénoxyacétique) et de la souche Cupriavidus necator JMP134 capable de le minéraliser a en effet permis de réduire le temps de demi-vie de ce composé d’un facteur 3, tout en conservant son activité herbicide. / The new-generation pesticides are often sprayed at low dosages and in mixtures. Up to now, a few studies focused on the effect of these mixtures on the biodegradation and the toxicity of each pesticide and/or metabolite. The aim of this Ph.D. work was to study the biotransformation of each herbicide of a mixture composed of mesotrione (β-triketone), nicosulfuron (sulfonylurea) and S-metolachlor (chloroacetanilide) applied on maize crops, as well as the toxicity (Microtox® test) of the herbicides/metabolites alone or in mixture. The identification of mesotrione metabolites by the strain Bacillus megaterium Mes11 and a differential proteomic approach suggested the role of nitroreductases in the first step of mesotrione biotransformation. This was confirmed by the structural and functional characterization of two enzymes able to biotransform mesotrione: the NfrA1 and NfrA2 nitroreductases, belonging to the NfsA-FRP sub-family of Nitro-FMN reductases. The biotransformation pathway of nicosulfuron has been elucidated for the strain Pseudomonas fluorescens SG-1 isolated from an agricultural soil and able to co-metabolically biotransform nicosulfuron. Two major metabolites resulting from the cleavage of the sulfonylurea bridge were identified, one of them (ADMP, 2-amino-4,6-dimethoxypyrimidine) presenting a 20-fold higher toxicity than the parent compound. The simultaneous biotransformation of mesotrione and nicosulfuron by the strain Mes11 was also qualitatively and quantitatively studied, showing a negative effect of mesotrione on nicosulfuron biotransformation, and a positive effect of S-metolachlor on mesotrione biotransformation. All parent compound mixtures tested resulted in synergistic effects towards A. fischeri, while metabolite mixtures (with or without S-metolachlor) were mostly synergistic or antagonistic. The last part of the PhD work was devoted to the development of a preventive technique for the treatment of pollutions caused by agricultural pesticides (bioprophylaxis). We made the proof of concept of this method by using a soil microcosm study. The simultaneous spreading of 2,4-D (2,4-dichlorophenoxyacetic acid) herbicide and the strain Cupriavidus necator JMP134 able to mineralize it allowed a 3-fold reduction of 2,4-D half-life in soil, while preserving its herbicide activity.

Pendant longtemps, les microorganismes présents dans l’atmosphère n’ont été considérés qu’en tant que particules inertes subissant les conditions hostiles de cet environnement. Cependant, de récentes études mettant en évidence la présence de microorganismes métaboliquement actifs dans la phase aqueuse des nuages incitent à s’interroger sur le rôle que ces organismes pourraient avoir sur les processus physiques et chimiques des nuages. En effet, la formation de gouttelettes de nuage ou de cristaux de glace à des températures supérieures à -36°C nécessite la présence de particules dites « noyaux de condensation » ou « noyaux glaçogènes », dont les bactéries pourraient être des représentantes. De plus, plusieurs travaux ont révélé une importance potentielle des microorganismes dans la transformation de la matière organique dans les nuages. L’objectif de ces travaux de thèse a donc été d’étudier les interactions réciproques entre les microorganismes et les conditions physico-chimiques des nuages. Dans un premier temps, les composantes physico-chimiques et microbiologiques ont été caractérisées au moyen de prélèvements nuageux au sommet du puy de Dôme (1465 m, France) et des études statistiques ont permis de mettre en avant des corrélations entre les différents paramètres physico-chimiques et/ou biologiques. Puis, cinq souches microbiennes appartenant à des genres microbiens cultivables majeurs dans les nuages ont été soumises à quatre stress rencontrés dans les nuages : la lumière solaire, la présence de peroxyde d’hydrogène, les variations de chocs osmotiques intervenant lors de la formation et de la dissipation des gouttelettes d’eau et les cycles de gel et de dégel. Il a ainsi été mis en évidence que la lumière solaire et le peroxyde d’hydrogène dans des conditions nuageuses n’ont que peu ou pas d’impact sur la viabilité des cellules. A l’inverse, les chocs osmotiques et le gel-dégel peuvent être hautement délétères selon les souches considérées. La troisième partie de ce travail s’est focalisé à mettre en évidence la présence de souches bactériennes glaçogènes dans l’eau de nuage. Sept souches ont ainsi ont été identifiées et décrites, et l’une d’entre elles a été choisie comme modèle pour étudier le comportement de bactéries (survie et activité glaçogène) dans une chambre de simulaion de nuage (AIDA, Allemagne). En parallèle, l’activité glaçogène biologique de l’eau de nuage a été mesurée à partir de prélèvements au puy de Dôme et l’activité glaçogène bactérienne a été estimée. L’ensemble de ces travaux met en avant une sous-estimation jusqu’alors des proportions de bactéries glaçogènes dans les modèles numériques simulant les processus microphysiques d’initiation de la glace et des précipitations dans les nuages. Ces données vont désormais pouvoir être considérées dans de tels modèles. Enfin, afin d’estimer l’étendue de l’importance des microorganismes dans la chimie atmosphérique, il est nécessaire d’avoir recours à des modèles numériques. La dernière étude de cette thèse s’est consacrée à déterminer des constantes cinétiques de biodégradation de trois composés organiques majeurs des nuages par trois souches bactériennes isolées de cet environnement qui pourront servir à paramétrer des modèles numériques. Une première approche simple a permis de confirmer les résultats précédents de l’équipe en mettant en avant une contribution non négligeable des microorganismes dans leur dégradation. / Airborne microorganisms have long been considered as inert, passive particles dealing with hostile conditions. Recent studies highlighting metabolic activity in cloud water raised questions about the role these organisms may play on physical and chemical processes in clouds. Indeed, cloud droplets and ice crystals formation at temperature warmer than -36°C need the presence of particles called “cloud condensation nuclei” or “ice nuclei”. Bacteria could be one of them. In addition, several works revealed a potential importance of microorganisms in organic matter transformation in clouds. The objective of this thesis was to study the reciprocal interactions between microorganisms and physico-chemical conditions in clouds. First, cloud physico-chemical and microbiological compositions were described by cloud sampling at the puy de Dôme station (1465 m, France) and statistical analyses were performed to highlight correlations between physico-chemical and/or biological parameters. Secondly, five microbial strains belonging to genera frequently isolated from cloud water were subjected to four atmospheric stresses: sunlight, hydrogen peroxide, osmotic shocks occurring when water droplets condensate or evaporate and freeze-thaw cycles. Thus, it was pointed that sunlight and hydrogen peroxide at cloud concentration have no or little impact on cell viability. On the opposite, osmotic shocks and freeze-thaw can be highly deleterious depending on the considered strain. The third part of this thesis focused on the detection of ice nucleating bacterial strains in cloud water. Seven strains were thus identified and described, and one of them was selected as a model to study its behavior (survival and ice nucleation activity, INA) in a cloud simulation chamber (AIDA, Germany). In parallel, biological ice nucleation activity was measured directly on cloud samples and bacterial INA was estimated. All these experiments highlighted underestimations of ice nucleation active bacteria in models simulating microphysical processes in clouds. This new dataset may be used as new parameterization in this kind of models. Finally, in order to estimate the bacterial contribution in cloud chemistry, numerical means are needed. Therefore, the last study of this thesis focused on the determination of biological kinetic constants that may be implemented in atmospheric chemistry models. The biodegradation of three major organic compounds encountered in cloud water by three bacterial strains isolated from clouds was measured. A first approach confirmed precedent team results highlighting a considerable contribution of microorganisms on the transformation of these compounds.

The concept of accumulating xenobiotics within the human body as a health risk is well known. However, these compounds can also be endogenous, as in the case of inborn errors of metabolism. Biotransformation of both exogenous and endogenous toxic compounds is an important function of the liver, and the critical balance between these systems is of fundamental importance for cellular health. Fatty acid ?-oxidation deficiencies are associated with characteristic clinical symptoms as a consequence of the accumulation of specific metabolites. For these accumulated metabolites various nutrients are indispensable for optimal biotransformation and continuous accumulation of metabolites can ultimately result in the depletion of biotransformation substrates and cofactors. In this study, a novel model (the unbalanced biotransformation metabolism model) is proposed that describes the critical balance between Phase I and Phase II biotransformation and how a disturbance in this balance will increase the oxidative stress status. The significance of this model lies within the treatment possibilities, as the assessment of biotransformation metabolism and oxidative stress status can lead to the development of nutritional treatment strategies to correct imbalances. The value of this model is illustrated by its application to a clinical case investigated. In addition to the use of nutritional supplementation in treatment, biotransformation substrates and cofactors were also used to develop a ?substrate loading cocktail?. This cocktail ensured sufficient availability of biotransformation substrates and precursors to stimulate coenzyme A biosynthesis. The application of this ?substrate loading cocktail? in subjects with both induced and inborn errors in fatty acid oxidation demonstrated that such a novel approach is a useful tool to give new insight into these kinds of deficiencies and open the possibility for the identification of new deficiencies. Interesting observations made in subjects originally referred for biotransformation and oxidative stress status profiles led to the first in vivo evidence of an inhibitory effect of acetylsalicylic acid on short-chain fatty acid metabolism possibly at the level of isobutyryl-CoA dehydrogenase. Since not all individuals were affected to the same degree, this observation can potentially be used to detect individuals with rate-limiting polymorphisms or mutations in the isobutyryl-CoA dehydrogenase enzyme. / Thesis (Ph.D. (Biochemistry))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

The concept of accumulating xenobiotics within the human body as a health risk is well known. However, these compounds can also be endogenous, as in the case of inborn errors of metabolism. Biotransformation of both exogenous and endogenous toxic compounds is an important function of the liver, and the critical balance between these systems is of fundamental importance for cellular health. Fatty acid ?-oxidation deficiencies are associated with characteristic clinical symptoms as a consequence of the accumulation of specific metabolites. For these accumulated metabolites various nutrients are indispensable for optimal biotransformation and continuous accumulation of metabolites can ultimately result in the depletion of biotransformation substrates and cofactors. In this study, a novel model (the unbalanced biotransformation metabolism model) is proposed that describes the critical balance between Phase I and Phase II biotransformation and how a disturbance in this balance will increase the oxidative stress status. The significance of this model lies within the treatment possibilities, as the assessment of biotransformation metabolism and oxidative stress status can lead to the development of nutritional treatment strategies to correct imbalances. The value of this model is illustrated by its application to a clinical case investigated. In addition to the use of nutritional supplementation in treatment, biotransformation substrates and cofactors were also used to develop a ?substrate loading cocktail?. This cocktail ensured sufficient availability of biotransformation substrates and precursors to stimulate coenzyme A biosynthesis. The application of this ?substrate loading cocktail? in subjects with both induced and inborn errors in fatty acid oxidation demonstrated that such a novel approach is a useful tool to give new insight into these kinds of deficiencies and open the possibility for the identification of new deficiencies. Interesting observations made in subjects originally referred for biotransformation and oxidative stress status profiles led to the first in vivo evidence of an inhibitory effect of acetylsalicylic acid on short-chain fatty acid metabolism possibly at the level of isobutyryl-CoA dehydrogenase. Since not all individuals were affected to the same degree, this observation can potentially be used to detect individuals with rate-limiting polymorphisms or mutations in the isobutyryl-CoA dehydrogenase enzyme. / Thesis (Ph.D. (Biochemistry))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.