La fonte et l’effondrement du pergélisol riche en glace dans la région subarctique du Québec ont donné lieu à la formation de petits lacs (mares de thermokarst) qui émettent des gaz à effet de serre dans l’atmosphère tels que du dioxyde de carbone et du méthane. Pourtant, la composition de la communauté microbienne qui est à la base des processus biogéochimiques dans les mares de fonte a été très peu étudiée, particulièrement en ce qui concerne la diversité et l’activité des micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la diversité phylogénétique et fonctionnelle des micro-organismes dans les mares de fonte subarctiques en lien avec les caractéristiques de l’environnement et les émissions de méthane. Pour ce faire, une dizaine de mares ont été échantillonnées dans quatre vallées situées à travers un gradient de fonte du pergélisol, et disposant de différentes propriétés physico-chimiques. Selon les vallées, les mares peuvent être issues de la fonte de palses (buttes de tourbe, à dominance organique) ou de lithalses (buttes de sol à dominance minérale) ce qui influence la nature du carbone organique disponible pour la reminéralisation microbienne. Durant l’été, les mares étaient fortement stratifiées; il y avait un fort gradient physico-chimique au sein de la colonne d’eau, avec une couche d’eau supérieure oxique et une couche d’eau profonde pauvre en oxygène ou anoxique. Pour identifier les facteurs qui influencent les communautés microbiennes, des techniques de séquençage à haut débit ont été utilisées ciblant les transcrits des gènes de l’ARNr 16S et des gènes impliqués dans le cycle du méthane : mcrA pour la méthanogenèse et pmoA pour la méthanotrophie. Pour évaluer l’activité des micro-organismes, la concentration des transcrits des gènes fonctionnels a aussi été mesurée avec des PCR quantitatives (qPCR). Les résultats montrent une forte dominance de micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane, c’est-à-dire des archées méthanogènes et des bactéries méthanotrophes. L’analyse du gène pmoA indique que les bactéries méthanotrophes n’étaient pas seulement actives à la surface, mais aussi dans le fond de la mare où les concentrations en oxygène étaient minimales; ce qui est inattendu compte tenu de leur besoin en oxygène pour consommer le méthane. En général, la composition des communautés microbiennes était principalement influencée par l’origine de la mare (palse ou lithalse), et moins par le gradient de dégradation du pergélisol. Des variables environnementales clefs comme le pH, le phosphore et le carbone organique dissous, contribuent à la distinction des communautés microbiennes entre les mares issues de palses ou de lithalses. Avec l’intensification des effets du réchauffement climatique, ces communautés microbiennes vont faire face à des changements de conditions qui risquent de modifier leur composition taxonomique, et leurs réponses aux changements seront probablement différentes selon le type de mares. De plus, dans le futur les conditions d’oxygénation au sein des mares seront soumises à des modifications majeures associées avec un changement dans la durée des périodes de fonte de glace et de stratification. Ce type de changement aura un impact sur l’équilibre entre la méthanogenèse et la méthanotrophie, et affectera ainsi les taux d’émissions de méthane. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse indiquent que les archées méthanogènes et les bactéries méthanotrophes peuvent développer des stratégies pour survivre et rester actives au-delà des limites de leurs conditions d’oxygène habituelles. / The thawing and collapse of ice-rich permafrost in the subarctic region of Quebec has given rise to thaw ponds (thermokarst ponds) that emit the greenhouse gases carbon dioxide and methane to the atmosphere. However, the microbial community composition that underlies biogeochemical processes in thaw ponds has been little investigated, particularly concerning the diversity and activity of micro-organisms involved in the methane cycle. The objective of this thesis study was to determine the phylogenetic and functional diversity of micro-organisms in subarctic thaw ponds, and the relationships with environmental properties and methane emission. To that aim, we sampled ten thaw ponds in four different valleys located across a permafrost degradation gradient with distinct physico-chemical properties. Depending on valley, the ponds were derived either from the thawing of a palsa (peat-mound) or lithalsa (mineral-mound), which influenced the nature of organic carbon available for microbial remineralization. During summer, the ponds were observed to be well-stratified; there were with strong physico-chemical gradients down the water column, with an upper oxic layer and a bottom low oxygen or anoxic layer. To identify the factors influencing microbial community composition, we used high throughput sequencing techniques targeting transcripts of 16S rRNA gene, and additionally targeted genes involved in the methane cycle: mcrA for methanogenesis and pmoA for methanotrophy. As a proxy of microbial activity, we also measured the concentration of functional gene transcripts using with quantitative PCR (qPCR). The results showed a striking dominance of micro-organisms involved in the methane cycle, namely methanogenic Archaea and methanotrophic Bacteria. The pmoA analyses implied that methanotrophic Bacteria were not only active in the surface, but also in the bottom waters where oxygen concentrations were minimal; this was unexpected given their need for oxygen in methane consumption. In general, the microbial community properties were largely determined by the origin of the ponds (palsa versus lithalsa), and much less so by the extent of permafrost degradation. The key environmental variables pH, phosphorus and dissolved organic carbon likely contributed to the differentiation of microbial community between the palsa and lithalsa valleys. With intensification of climate warming, these microbial communities will face changing conditions that are likely to modify their taxonomic composition, and these responses are likely to differ between ponds in the two landscape types. Oxygenation of the ponds will likely be subject to major shifts in the future associated with changes in the duration of the ice-free season and the extent of stratification. Such changes will impact the balance between methanogenesis and methanotrophy, and thereby affect the net rates of methane emission. However, the results obtained here indicate that methanogenic Archaea and methanotrophic Bacteria have strategies to survive and remain active beyond the limit of their usual oxygen preferences.

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation. / Phosphorus fertilization is a widespread practice in North American agriculture. Although it is generally efficient to increase yields, its use can also induce some environmental contaminations. Several management practices are considered in order to decrease this problem. Among these possibilities there is the challenging one of manipulating microbial flora, which is well known for its implication in many processes related to soil fertility. We have demonstrated in field trials that both the form of fertilizer added to soil and the applied P amounts impact microbial distribution in plots. A first experiment performed on alfalfa monocultures in semi-arid prairie conditions demonstrated that samples coming from plots that had received different doses of P fertilizer presented significant differences on their bacterial and fungal communities. AMF population remained stable between treatments. A second experiment was conducted over three growing season of an intensive maize/soybean rotation cropping system. It aimed to determine the effect of different organic and mineral fertilizers containing equal P amount on bacterial and fungal populations. It was demonstrated that these communities varied according to the fertilizer type applied. Changes are independent from the grown crop. However, microbial populations have undergone greater variation within each growing season. DGGE approach allowed to observe changes occurring in soil microbial diversity but have only permit to identify a small proportion of organisms. A second experiment in the latter study was performed on the same site and focused on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) as they are organisms living in a mutualistic symbiosis with most land plants and increasing host nutrition and resistance to stresses. It led to the identification and comparison of the different AMF found in maize and soybean soil and root samples. In opposition to what was observed with bacteria and fungi previously, AMF presented a very stable diversity between the different treatments. However, some ribotypes were significantly more present in soil or roots during each growing season. Finally, our whole project demonstrated that P fertilization affected microbial community structure on studied sites. Nevertheless, in each experiment, sampling time also played a substantial role in the organism distribution. Many soil parameters were also monitored and presented a seasonal variation. The sum of possible interactions between these parameters, which in some cases varied according to treatment, would thus have more impact on microbial diversity that the sole fertilization.

L'ancienne mine de plomb et de zinc de Carnoulès (Gard, France) a généré 1.5 Mt de déchets d'où émerge un drainage de mine aux eaux acides alimentant un ruisseau, le Reigous. Ce site fournit un exceptionnel exemple d'adaptation à un environnement extrême en raison des eaux acides (pH~3) et de très fortes concentrations en métaux et métalloïdes, particulièrement en As. Dans les 30 premiers mètres du ruisseau, l'activité bactérienne conduit à un phénomène de remédiation naturelle avec la co-précipitation de 20 à 60% de l'As dissous avec du fer. Les bactéries présentes dans les sédiments du ruisseau ont dans un premier temps été décrites par clonage/séquençage du gène de l'ARNr 16S, puis les membres actifs des communautés bactériennes ont été révélés par une approche de métaprotéomique. L'étude des Archaea au sein des sédiments a révélé la présence de groupes impliqués dans la méthanogénèse ou dans l'oxydation de l'ammoniac qui pourraient participer au cycle du carbone ou de l'azote. Les eucaryotes ont été caractérisés pour la première fois sur ce site par pyroséquençage, mettant en évidence une forte proportion de champignons (60%). Enfin, l'étude des variations spatiotemporelles des populations bactériennes dans les eaux a conduit à l'identification de 6801 OTUs dont des phyla encore jamais identifiés sur ce site. La concentration en arsenic, la température et le potentiel redox semblent jouer un rôle dans la structuration de ces communautés. Ce travail de thèse a ainsi contribué à une meilleure connaissance des microorganismes présents (Bactéries, Archaea, Eucaryotes) et de leurs dynamiques spatiotemporelles en relation avec les paramètres physicochimiques du milieu. / Acidic mining drainage generated at Carnoulès, a former Pb-Zn mine (Gard, France) coincides with the spring of the Reigous Creek. This site provides an exceptional example of adaptation to extreme environments due to its acidic water (pH~3) and very high concentrations of metals and metalloids, particularly arsenic. During the first 30 m of downflow in Reigous Creek, natural remediation occurred, with co-precipitation of 20 to 60% of the dissolved arsenic with iron, mediated by bacteria. Bacterial communities inhabiting the creek sediments were first described by cloning/sequencing of the 16S rRNA genes and the active members were identified by a metaproteomic approach. A survey of the archaeal community in the sediment highlighted the presence of sequences phylogenetically related to methanogenic Archaea and to ammonia oxidizers, which could be involved in carbon and nitrogen biochemical cycling. The Eukaryotic communities were studied for the first time at this site by pyrosequencing, revealing that around 60% of the sequences belonged to Fungi. Finally, the study of the spatiotemporal variations of the water bacterial communities allowed the identification of 6801 OTUs including sequences of taxa never detected before. The environmental variables significantly correlated with bacterial community dynamics appear to be arsenic concentration, temperature and Eh. This PhD work has contributed to a better understanding of the spatiotemporal dynamics of microorganisms (Bacteria, Archaea, Eukaryotes) in relation with the physicochemical parameters of their environment.

Le système hydrothermal de la baie de Prony en Nouvelle-Calédonie est composée de plusieurs sources émettant à faible profondeur des fluides hyperalcalins, mesothermiques, et anoxiques riches en hydrogène (H2) et méthane, produits par la réaction de serpentinisation. Dans le cadre de ces travaux de thèse, la capacité potentielle des microorganismes à produire de l’H2 dans ces écosystèmes a été évaluée par des analyses moléculaires et culturales. Nos premières analyses moléculaires ont mis en évidence une grande diversité de bactéries et une faible diversité d’archées. La diversité et la distribution des populations productrices d’H2 a ensuite été spécifiquement évaluée par des analyses métagénomiques et basées sur la PCR. Les séquences de gènes hydA, utilisés comme marqueur moléculaire des bactéries productrices d’H2, étaient principalement associées à celles du phylum des Firmicutes. Deux groupes de séquences hydA se sont distinguées en fonction de l’origine des échantillons. De plus, plusieurs nouvelles bactéries alcalophiles ont été isolées de différents sites. Parmi elles, la souche alcalophile et anaérobie, PROH2 est capable de produire efficacement de l’H2 par voie fermentaire en condition alcaline (pH 9,5), de façon comparable aux espèces de Clostridium neutrophiles. Ces travaux présentent également la caractérisation d’une nouvelle espèce bactérienne anaérobie, mésophile et alcalophile (pH optimum de 9,5) d’un nouveau genre, nommée Serpentinicella alkaliphila, isolée d’un site intertidal de la baie de Prony. L’ensemble des données démontre la capacité des Firmicutes des environnements associés à la serpentinisation à produire de l’H2 par voie fermentaire. / The Prony hydrothermal field (PHF, New Caledonia) is composed of several shallow-submarine springs discharging into the lagoon seawater high pH, moderate temperature, low-salinity fluids, enriched in hydrogen (H2) and methane produced by serpentinization. In this work, we evaluated the potential ability of microorganisms to produce H2 in this alkaline ecosystem by using both molecular and cultural approaches. Our first molecular analyses provided evidence of high bacterial abundance and diversity contrasting with low archaeal diversity in the PHF chimneys. The diversity and distribution of potential H2-producing bacteria were specifically investigated by using metagenomic analyses and different PCR-sequencing methods. The sequences of hydA genes encoding the catalytic subunit of [FeFe]-hydrogenases, used as molecular marker of H2-producing bacteria, were mainly related to those of Firmicutes. Two groups of hydA sequences were distinguished according to the origin of the samples. Moreover, novel alkaliphilic H2-producing Firmicutes were successfully cultivated from PHF chimneys. Among them, an alkaliphilic and anaerobic strain, Clostridium sp. PROH2, belonging to the genus Clostridium, demonstrated efficient H2 production at a high pH, comparable to neutrophilic clostridial species. This manuscript also present the characterization of a novel anaerobic, mesophilic and alkaliphilic species belonging to a new genus, named Serpentiniticella alkaliphila 3bT, isolated from an intertidal PHF site. Both molecular and cultivation-based data demonstrated the ability of Firmicutes originating from serpentinite-hosted environments to produce H2 by fermentation.

Face à la dégradation des écosystèmes, associée à une modification de la structure des communautés, voir à une disparition accrues de certaines espèces, les enjeux majeurs de ce siècle sont d'étudier la biodiversité et les facteurs pouvant interagir sur celle-ci, et d'étudier le<br />rôle fonctionnel de cette biodiversité. Dans ce contexte, il s'est agit pour moi d'étudier la composition et la diversité de communautés eubactériennes et de cyanophages dans des écosystèmes pélagiques des grands lacs Alpins français, ayant subi des pressions anthropiques plus ou moins intenses. Ainsi, nous avons mené trois études dans trois lacs de statuts trophiques différents : le lac d'Annecy est oligotrophe et peut être considéré comme système de référence, alors que les deux autres lacs, le Bourget et le Léman sont ésotrophes. Le lac du Bourget se distingue des deux autres par la présence régulière et massive d'une cyanobactérie filamenteuse toxique, Planktothrix rubescens, qui prolifère dans ses eaux depuis 1998. Sur un plan méthodologique, l'étude de la composition de la communauté eubactérienne et cyanophage a été réalisée au moyen de la technique de DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis), alors que la technique de lonage-séquençage a été utilisée afin de pouvoir identifier les groupes taxonomiques et d'inférer des relations phylogénétiques. De la première étude il apparaît que l'essentiel de la variabilité de la composition eubactérienne du lac du Bourget se situe sur une échelle verticale plutôt qu'horizontale lorsque le lac est thermiquement stratifié. Cette variabilité verticale reflète la présence de couches thermiques différentes et des micro-couches chimiques (notamment liées aux<br />phosphates), favorisant l'établissement de communautés différentiellement adaptées aux conditions qu'elles rencontrent. Pendant la période de brassage des eaux (hiver), la composition de la communauté est homogène sur l'ensemble de la masse d'eau. L'influence<br />des tributaires sur la composition eubactérienne se restreint à la zone d'embouchure. D'un point de vue méthodologique, ces résultats suggèrent qu'à condition d'éviter le littoral et d'autres zones isolées, un nombre restreint d'échantillons pourrait être suffisant pour décrire de façon représentative la composition de la communauté eubactérienne dans un grand lac. La deuxième étude montre tout d'abord que les trois lacs possédaient des communautés eubactériennes caractéristiques des écosystèmes lacustres, avec une diversité relativement faible. Les Actinobactéries constituent le groupe dominant au sein de ces communautés. Nous avons également montré l'absence de changements majeurs dans la composition selon les saisons, l'origine géographique ou la profondeur. Des changements dus à des pressions locales peuvent intervenir sur une faible proportion de la masse d'eau et<br />sporadiquement : au niveau de l'épilimnion au printemps et en été lorsque les biomasses phytoplanctoniques sont importantes. Il est probable que la forte ressemblance entre les communautés eubactériennes de ces trois lacs, en dépit d'états trophiques différents, soit due à<br />leur grand volume : l'hypolimnion présente une part très importante de ces lacs ; ici des nombreux processus et facteurs environnementaux sont communs aux trois lacs. Ce sont donc des pressions régionales qui ont une influence sur la composition des communautés<br />eubactériennes des trois grands lacs Alpins français.<br />La troisième étude, a mis en évidence une diversité de cyanophages du lac du Bourget relativement grande. La composition de cette communauté subit des changements saisonniers qui sont liés indirectement ou directement à la température et à la chlorophylle a. L'analyse de la dynamique des différents composants microbiens montre également que les séquences<br />de cyanophages obtenues semblent plus probablement provenir de cyanophages parasites de Picocyanobactéries que de « microcyanobactéries » comme P. rubescens.

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation. / Phosphorus fertilization is a widespread practice in North American agriculture. Although it is generally efficient to increase yields, its use can also induce some environmental contaminations. Several management practices are considered in order to decrease this problem. Among these possibilities there is the challenging one of manipulating microbial flora, which is well known for its implication in many processes related to soil fertility. We have demonstrated in field trials that both the form of fertilizer added to soil and the applied P amounts impact microbial distribution in plots. A first experiment performed on alfalfa monocultures in semi-arid prairie conditions demonstrated that samples coming from plots that had received different doses of P fertilizer presented significant differences on their bacterial and fungal communities. AMF population remained stable between treatments. A second experiment was conducted over three growing season of an intensive maize/soybean rotation cropping system. It aimed to determine the effect of different organic and mineral fertilizers containing equal P amount on bacterial and fungal populations. It was demonstrated that these communities varied according to the fertilizer type applied. Changes are independent from the grown crop. However, microbial populations have undergone greater variation within each growing season. DGGE approach allowed to observe changes occurring in soil microbial diversity but have only permit to identify a small proportion of organisms. A second experiment in the latter study was performed on the same site and focused on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) as they are organisms living in a mutualistic symbiosis with most land plants and increasing host nutrition and resistance to stresses. It led to the identification and comparison of the different AMF found in maize and soybean soil and root samples. In opposition to what was observed with bacteria and fungi previously, AMF presented a very stable diversity between the different treatments. However, some ribotypes were significantly more present in soil or roots during each growing season. Finally, our whole project demonstrated that P fertilization affected microbial community structure on studied sites. Nevertheless, in each experiment, sampling time also played a substantial role in the organism distribution. Many soil parameters were also monitored and presented a seasonal variation. The sum of possible interactions between these parameters, which in some cases varied according to treatment, would thus have more impact on microbial diversity that the sole fertilization.

La thèse propose et évalue une méthode de prise en compte de la diversité microbienne dans un modèle mécaniste opérationnel de dynamique du carbone (C). Partant d'un modèle classique dont les flux de minéralisation sont décrits par des cinétiques d'ordre 1, nous proposons des fonctions de modulation des paramètres des équations prenant en compte des indices de diversité microbienne. Elle s’appuie sur 2 jeux de données contenant des mesures de diversité microbienne et des cinétiques de minéralisation du C sur 80 jours, en conditions contrôlées, avec et sans apport de blé marqué au 13C, issus d'échantillons de sols agricoles diversifiés.L'utilisation de modèles statistiques additifs généralisés (GAM) a permis d'identifier les indices de diversité pouvant expliquer la dynamique du C. Des fonctions de modulation ont été proposées selon les relations mises en évidence.L'ensemble a été calibré à l'aide de méthodes bayésiennes. L'ajout d'une fonction de modulation dépendante de la diversité bactérienne a permis d'améliorer la prédiction des flux issus de la minéralisation de la MOS. En revanche, l'intégration d'une fonction dépendante de la diversité fongique n'a pas permis l'amélioration des flux issus de la minéralisation du résidu ou de la MOS.La méthode proposée d'intégration de la diversité microbienne dans les modèles génériques de dynamique du C constitue une approche prometteuse pour une représentation parcimonieuse de son influence. Il s'agit d'un cadre méthodologique complémentaire à la prise en compte détaillée de cette diversité dans les modèles de dynamique du C / This thesis suggests and assesses a way to integrate microbial diversity in an operational mechanistic model of C dynamic. From a classical model where mineralisation fluxes are described by 1st order kinetics, we propose functions depending on microbial diversity indices to modulate the parameters of these kinetics. We used 2 datasets containing measures of microbial diversity and C mineralisation kinetics from controlled conditions incubations during 80 days, with and without 13C labelled wheat straw, from grassland and cropland soil samples.In a first step, based on statistical generalizes additive models (GAM), we identified the microbial diversity indices relevant to explain C dynamic. Observed relations allowed us to submit modulation functions depending on microbial diversity to adjust model parameters. The whole has been calibrated through bayesian inference.Overall, the modulation function depending on bacterial diversity led to an improvement of SOM mineralisation fluxes predictions, while fungal based modulation functions led to no improvement.To conclude, the proposed method to integrate microbial diversity was a relevant approach towards a parsimonious representation of microbial diversity influence on C dynamic in generic model. It forms a complementary methodological framework to the dominant explicit and detailed way of microbial diversity representation in C dynamic models.

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.

Les mucilages pélagiques marins (MPM) sont des phénomènes mondiaux sporadiques et, dans certaines régions, chroniques dans les zones côtières. Ces agrégats gélatineux, enrichis en matière organique et en microorganismes, forment des écosystèmes marins autonomes transitoires allant de 0,5 cm à plusieurs kilomètres de long. Ils correspondent à des étapes évolutives de la neige marine non-sédimentée maintenue dans la zone photique. Durant les dernières décennies une intensification des apparitions des MPM ont été recensées. Ainsi, les MPM sont devenus un sujet de préoccupation pour les populations qui exploitent les ressources côtières et dans le contexte du fonctionnement global de l'écosystème. Malgré l’intérêt scientifique grandissant au cours des dernières décennies au sujet de ces phénomènes, notamment en mer Adriatique, les causes de formation, la dynamique et le rôle respectif des microorganismes dans de tels systèmes restent énigmatiques. La plupart des études réalisées sur les MPM étaient axées uniquement sur les communautés microbiennes eucaryotes par l’utilisation de techniques microscopiques. Or de nos jours, les méthodes moléculaires permettent de se concentrer également sur l'ensemble de la communauté, y compris les procaryotes. Afin d'approfondir notre compréhension de ces phénomènes nous avons étudié un type MPM qui est apparu de manière récurrente et abondante au cours de la dernière décennie dans le sud du Golfe de Gascogne (France), le «Liga». Dans un premier temps, nous avons étudié la formation de ce MPM au travers d’une année complète en suivant la dynamique des communautés archées, bactériennes et eucaryotes par la technique de T-RFLP, technique d’empreinte moléculaire ciblant la petite sous-unité du gène codant pour ARNr. Cette approche a révélé que les communautés microbiennes du Liga étaient différentes des communautés microbiennes marines pour les trois domaines du vivant, et que ces deux communautés étaient gouvernées par des paramètres environnementaux dont la variation était saisonnière. Les archées n’ayant pas pu être détectés dans le Liga, nous nous sommes focalisés sur la structure des communautés bactériennes et eucaryotes au moyen de technologies de séquençage à haut débit. Cette méthode a révélé que le Liga était principalement composé d'espèces marines, même si ces communautés étaient significativement différentes des espèces marines. Dans le Liga, les communautés eucaryotes étaient principalement composées de dinoflagellés, de zooplancton et de cnidaires. Les communautés bactériennes étaient principalement composées d’Alphaproteobacteria et de Gammaproteobacteria. La diversité fonctionnelle du Liga fraîchement formé a été également étudiée pendant les saisons d'apparition de ce phénomène, au printemps et à l'automne. Nous avons ainsi mis en évidence que les communautés microbiennes du Liga avaient potentiellement moins de capacités de résistance au stress et que ces communautés étaient potentiellement plus virulentes que les communautés microbiennes marines. / Marine pelagic mucilage (MPM) is worldwide phenomena occurring sporadically and, in certain regions, episodically in coastal areas. These gelatinous aggregates, enriched in organic matter and microorganisms, form autonomous transitory marine ecosystems ranging from 0.5 cm to several kilometers. They correspond to evolving stages originating from the non-settling early marine snow maintained in the photic zone. During the last decades intensification of MPM events have been noticed. They became a matter of concern both for populations exploiting coastal resources and in the context of global ecosystem functioning. Although increased scientific attention has been paid during last decades to these phenomena in specific areas such the Adriatic Sea, the causes of appearance, the dynamics, and the respective role of microorganisms in such systems remain enigmatic. Most of the studies performed on MPM focused on eukaryotic microbial communities using microscopic techniques. However molecular methods allow nowadays focusing also on the whole community including the prokaryotic part. In order to deeper our understanding of these phenomena we studied a MPM that occurred recurrently and more frequently during the last decade in the south of the Bay of Biscay (France), the “Liga”. In a first step we investigated the formation of this MPM through a complete year by following the dynamics of archaeal, bacterial and eukaryotic communities using T-RFLP fingerprinting targeting the small subunit of rRNA genes. This approach revealed that Liga’s microbial communities where different from marine microbial communities for the three domains of life and that both marine mucilage and marine communities were linked with seasonal patterns. As archaea were not found in the Liga, we focused on bacterial and eukaryotic communities’ structures through high throughput sequencing. The molecular composition revealed that the Liga was mainly composed of marine species although these communities were significantly different from marine species. In the Liga, eukaryotic communities were mainly composed of dinoflagellates, zooplankton and cnidarians species and bacterial communities were mainly composed of Alphaproteobacteria and Gammaproteobacteria. Functional diversity of freshly-formed Liga was targeted during its seasons of apparition, in spring and in autumn. We highlighted that Liga’s microbial communities had less potential capabilities to resist to stress conditions and that these communities were potentially more virulent than marine microbial communities.

Les sols constituent le principal réservoir de carbone, avec près de deux fois plus de carbone que le pool atmosphérique. Afin de pouvoir prédire et anticiper le devenir du carbone dans le contexte actuel de changement climatique et de changement d'usage des terres, il apparaît nécessaire de mieux comprendre les processus qui régulent la décomposition des matières organiques dans les sols. Cette thèse se propose donc d'étudier deux types de régulateurs de la dynamique du carbone du sol : les propriétés de l'habitat microbien et celles des communautés microbiennes. En effet, puisque directement affectées par les changements climatiques d'une part, et les changements d'usage des terres et de pratiques culturales d'autre part, l'habitat microbien et les communautés microbiennes apparaissent comme des régulateurs clés de la dynamique du carbone du sol. Des dispositifs expérimentaux permettant de faire varier les propriétés de l'habitat microbien et celles des communautés microbiennes de façon indépendante ou simultanée ont été mis en place. Dans un premier temps, des microcosmes dont la structure du sol a été manipulée afin d'obtenir des gradients de déstructuration, ont été incubés. Dans un second temps ce sont des microcosmes mettant en jeu des gradients de diversité microbienne qui ont été incubés. Enfin, une incubation utilisant les différences naturelles de propriétés de l'habitat microbien et de communautés microbiennes a été mise en place pour tenter de hiérarchiser ces régulateurs de la décomposition des matières organiques du sol. Les résultats obtenus ont mis en évidence que l'activité microbienne de décomposition du carbone organique du sol semble plus contrôlée par les conditions environnementales (comme le pH, la texture et l'approvisionnement en substrat) que par la structure des communautés microbiennes ou leurs capacités métaboliques. En plus de cela, la fonction de minéralisation ne semble être affectée que dans le cas d'une très grande érosion de la biodiversité suggérant la présence d'un effet seuil, et que l'importance de la redondance fonctionnelle n'est pas toujours aussi grande que ce que le suggère de nombreuses études. D'autre part, dans des conditions d'aération suffisante, les mécanismes qui réguleraient la dynamique du carbone organique des sols se passeraient à des échelles très fines. / Soils represent the principal reservoir of carbon with two times as much carbon as is found in the atmospheric pool. In an effort to better predict and anticipate how soil carbon dynamics will be affected by environmental changes and by the evolution of cropping systems, it is necessary to better understand the processes that regulate soil organic matter decomposition. This study aims to investigate two regulatory mechanisms of the soil carbon dynamic: the properties of the microbial habitat and the ones of the microbial communities. Because they are directly affected by the climatic changes and by the rapid evolution of cropping systems these two mechanisms appear to have a key role in the regulation of soil carbon decomposition. Experimental designs were setup allowing the variations, independent or simultaneous, of the properties of microbial habitat and the ones of the microbial communities. First, to assess the relative importance of soil structure, microcosms with different gradient of disaggregation were incubated. Then, to assess the relative importance of diversity erosion, microcosms with microbial diversity gradient were incubated. Finally, using contrasted soils varying in their habitats and their microbial communities properties, we aimed to hierarchize these two carbon decomposition regulatory mechanisms.The obtained results indicate that microbial activity of soil organic carbon decomposition seems to be more controlled by environmental conditions (such as pH, texture and also substrate supply) than by the microbial community structure or metabolic profiles. Then we observed that organic carbon mineralisation was impacted only when the levels of diversity were very low suggesting the existence of a threshold, and that the functional redundancy is maybe not as great as numerous studies suggest. Moreover, our work showed that when conditions of aeration in the pore system are sufficient, mechanisms regulating the dynamic of soil organic carbon take place at fine spatial scales.