Le sol possède un capital naturel qui lui confère la capacité à produire des services écosystémiques aussi bien culturel que de régulation ou d’approvisionnement, il est indispensable à la Vie telle que nous la connaissons et au développement des activités humaines. Cependant les activités anthropiques et les pollutions, notamment par les éléments traces métalliques (ETMs) tel que le mercure (Hg), perturbent les sols et modifient en profondeur l’organisation des écosystèmes. Face à ces enjeux, des projets de remédiation et de gestion des sites et sols pollués se sont multipliés durant les dernières décennies en vue de futures ré-exploitations de ces sols. Cette thèse s’inscrit dans le cadre des projets ANR-BIOFILTREE et EC2CO FREIDI-Hg gérés par le laboratoire Chrono-Environnement. Mes travaux ont permis l’exploration de la diversité des communautés de microorganismes associées à une plantation de peuplier sur un site contaminé par le Hg et géré par phytomanagement, via les approches combinées de séquençage à très haut débit et par l’approche culture dépendante. Ces méthodes combinées ont permis de révéler i) la diversité des communautés bactériennes et fongiques de la peupleraie ; ii) les groupes de microorganismes particulièrement résistant au Hg (Trichoderma et Pseudomonas) ; et iii) des bactéries promotrices de croissance des plantes (PGPB). Par ailleurs, la compréhension des mécanismes cellulaires liés à l’accumulation de Hg par les microorganismes a été un de mes sujets d’étude en partenariat avec le LIEC (Université de Lorraine). Les modèles eucaryotes Saccharomyces cerevisiae et Podospora anserina ont été utilisés pour tester le rôle potentiel de certains transporteurs d’ions dans l’entrée du Hg dans les cellules fongiques. Les résultats ont montré que le transporteur de magnésium Alr1 situé sur la membrane plasmique pourrait participer au transport du Hg. En outre, une approche de transcriptomique chez Saccharomyces cerevisiae après une courte exposition au Hg des souches mutantes et sauvages a été mise en œuvre. Pour conclure, ce travail de thèse ambitionne d’être un travail de référence pour les futurs projets de phytomanagement en milieux contaminé par le Hg, qui met en avant les communautés de microorganismes et leurs rôles fondamentaux. / Soil has a natural capital that gives it the capacity to produce ecosystem services, cultural as well as regulation or supply, it is essential to the Life as we know it and the development of human activities. However, anthropogenic activities and pollution, in particular by trace elements (ETs) such as mercury (Hg), disrupt the soil and modify in depth the organization of ecosystems. Facing these challenges, remediation and management projects for polluted sites and soils have emerged during the last decades with a view to future re-exploitation of these soils. This thesis is part of the ANR-BIOFILTREE and EC2CO FREIDI-Hg projects managed by the Chrono-Environnement laboratory. My Ph-D work explored the diversity of microorganism communities associated with a poplar plantation at a Hg-contaminated site managed by phytomanagement, combining approaches such as very high-throughput sequencing and conventional culture-based techniques. These combined methods revealed i) the diversity of the bacterial and fungal communities of the poplar plantation; ii) the groups of microorganisms particularly resistant to Hg (Trichoderma and Pseudomonas); and iii) plant growth promoting bacteria (PGPB). In addition, understanding the cellular mechanisms related to the accumulation of Hg by microorganisms was one of my objectives carried out in collaboration with the LIEC (University of Lorraine). The eukaryotic models Saccharomyces cerevisiae and Podospora anserina were used to test the potential role of some ion transporters in the entry of Hg into fungal cells. The results showed that the magnesium transporter Alr1 located on the plasma membrane could participate in the transport of Hg. In addition, a transcriptomic approach in Saccharomyces cerevisiae after a short exposure to Hg of mutant and wild strains has been implemented. To conclude, this work aims to be a reference work for future phytomanagement projects in Hg-contaminated environments, which highlights micro-organism communities and their fundamental roles.

Les interactions isopodes terrestres-Wolbachia féminisantes constituent un excellent modèle d'étude des interactions multipartites complexes. A ce jour, trois Wolbachia féminisantes, issues d'histoires évolutives différentes, ont été identifiées chez l'hôte Armadillidium vulgare. L'objectif de cette thèse est d'avoir une vue plus complète du microbiote d'A. vulgare et de l'impact des souches de Wolbachia sur cette communauté bactérienne. Dans ce but, des approches quantitative et métagénomique ont été combinées afin de caractériser le microbiote d'A.vulgare à plusieurs niveaux d'intégration: (i) dans des populations naturelles et des lignées contrôlées de laboratoire, (ii) au sein de différents tissus hôtes et (iii) en relation avec le statut d'infection par Wolbachia. Aucun microbiote coeur n'a été mis en évidence malgré une relative homogénéité des communautés symbiotiques dans les tissus de l'hôte. De plus, les bactéries environnementales avaient un impact important sur le microbiote symbiotique. Chez les animaux infectés, Wolbachia représente la bactérie dominante et le facteur majeur de la structuration de la communauté symbiotique. Nous avons également mis en évidence la présence d'un autre constituant majeur du microbiote dans tous les tissus de l'hôte: Candidatus Hepatoplasma crinochetorum, un symbiote facultatif réputé jusque-là pour être seulement associé aux glandes digestives de l'intestin. Afin d'éclairer les interactions potentielles entre hôte et ce symbiote relativement peu connu, la séquence du génome de Ca. H. crinochetorum a été obtenue. Une analyse préliminaire des interactions fonctionnelles des voies métaboliques impliquées dans la digestion de la cellulose nous a permis d'identifier des enzymes cellulolytiques spécifiques de l'hôte et du symbiote. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives dans l'étude de la symbiose chez les isopodes. / In recent years, there has been a shift of focus in symbiosis studies, away from the traditional 'one host-one symbiont' concept towards a more holistic, community-based approach. This concept takes into account that a host is not only associated with one bacterium, but harbours and interacts with a diverse bacterial community, the microbiome. Terrestrial isopods represent an excellent model system for the understanding of complex multipartite symbioses due to their well-characterised association with feminizing Wolbachia bacteria. To date, three different feminizing Wolbachia strains have been identified in Armadillidium vulgare, presumably representing different host-symbiont co-evolutionary histories. The aim of this PhD was to get a more complete picture of the terrestrial isopod microbiome and the role of Wolbachia within the bacterial community. In order to achieve this, quantitative and metagenomic techniques were combined to characterize the microbiome of A. vulgare on multiple levels: (i) Field vs. lab populations, (ii) in different host tissues, and (iii) in relation to Wolbachia infection status, i.e. presence/absence of Wolbachia as well as infection with different Wolbachia strains. Wolbachia represented the predominant member of the bacterial community in infected individuals and was identified as an important factor influencing bacterial community structure. Apart from Wolbachia, we detected a second highly abundant bacterium: Candidatus Hepatoplasma crinochetorum, a facultative symbiont previously reported from the midgut caeca, was for the first time observed in all tested host tissues. The potential interactions of Wolbachia and Ca. H. crinochetorum constitute an interesting example for symbiont-symbiont relationships between two highly abundant members of a diverse bacterial community.

La prise en compte du priming effect * (PE) dans les modèles biogéochimiques est essentielle afin de mieux prévoir les conséquences du changement global sur le cycle du C (C) dans les écosystèmes et les interactions avec le climat. Au cours de la dernière décennie, de nombreux travaux ont été réalisés afin de modéliser le PE. Cependant, quelques connaissances de base nécessaires à cette modélisation du PE manquent tels que la relation entre le taux de décomposition des matières organique du sol (MOS) et la biomasse des décomposeurs (MB). En outre, le PE n'a jamais été inséré dans un modèle sol-plante afin de déterminer son rôle dans les interactions plante-sol. Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse sont 1) d’intégrer l'activité, de la biomasse et de la diversité des microorganismes du sol dans les modèles de dynamique du C et de l’azote (N) des écosystèmes afin de simuler le PE, et 2) de déterminer les conséquences de cette intégration pour le fonctionnement des écosystèmes et la réponse au changement global. Ces objectifs ont été atteints grâce à la combinaison de la diverses approches telle que la modélisation, l’expérimentation et les analyses statistiques. Dans une expérience de laboratoire, je montre que le taux de décomposition des MOS augmente 1) linéairement avec la MB et 2) avec un effet de saturation avec la teneur en MOS. La réponse linéaire de décomposition des MOS à la MB s'explique par la colonisation très limitée du sol et des réserves des MOS par les microorganismes. Cependant, la limitation de la décomposition par la teneur en MOS montre que la disponibilité locale des MOS peut être un facteur limitatif pour la minéralisation microbienne. La co-limitation observée de la décomposition des MOS est correctement modélisée avec l'équation de Michaelis-Menten. L'intégration de cette équation dans un modèle simple de dynamique des MOS permet d’expliquer comment les MOS s'accumulent souvent continuellement dans les sols non perturbés alors qu'elles stagnent dans les sols cultivés. Cette présente également le premier modèle d’écosystème paramétré incorporant le PE (SYMPHONY). Ce modèle génère des prévisions réalistes sur la production de fourrage, stockage de C dans le sol et lessivage de l'azote pour des prairies permanentes. SYMPHONY montre également que la persistance des plantes dans les écosystèmes dépend d'un réglage fin de la minéralisation microbienne de MOS au besoin en nutriments des plantes. Ce réglage est modélisé par SYMPHONY en considérant la destruction de MOS par le PE et les interactions entre deux groupes fonctionnels microbiens: les décomposeurs des MOS et les stockeurs de MOS. Enfin, conformément aux récentes observations, SYMPHONY explique comment l’augmentation du CO2 atmosphérique induit une modification des communautés microbiennes du sol conduisant à une intensification de la minéralisation microbienne et à une diminution du stock des MOS dans le sol. / Integration of the priming effect* (PE) in ecosystem models is crucial to better predict the consequences of global change on ecosystem carbon (C) dynamics and its feedbacks on climate. Over the last decade, many attempts have been made to model PE in soil. However, some basic knowledge to model the PE is lacking such as the relationship between decomposition rate of soil organic matter (SOM) and microbial biomass (MB). Moreover, the PE has never been inserted in a plant-soil model to analyze its role on plant-soil interactions. The main objectives of this thesis were to 1) integrate the activity, biomass and diversity of soil microorganisms in models of ecosystem C and nitrogen (N) dynamics in order to simulate the PE, and 2) determine the consequence of this integration for ecosystem functioning and response to global change. These objectives were achieved thanks to the combination of diverse approaches such as modeling, experimentation and statistical. In a lab experiment, I show that the rate of SOM decomposition increases 1) linearly with MB, and 2) with a saturating effect with SOM content. The linear response of SOM decomposition to MB is explained by the very limited microbial colonization of SOM reserves. However, the positive effect of SOM content on decomposition rate indicates that the local availability of SOM may be limiting for microbial mineralization. The observed co-limitation of SOM decomposition was accurately modeled with the Michaelis-Menten equation. Finally, incorporating this equation in a simple model of soil C dynamics explained how carbon often continuously accumulates in undisturbed soils whereas it reaches steady state in cultivated soils. Moreover, I present the first parameterized PE embedding plant-soil model (SYMPHONY) which provides realistic predictions on forage production, soil C storage and N leaching for a permanent grassland. SYMPHONY also shows that plant persistence depends on a fine adjustment of microbial mineralization of SOM to plant nutrient uptake. This fine adjustment was modeled by considering the destruction of SOM through PE and the interactions between two microbial functional groups: SOM-decomposers and SOM-builders. Moreover, consistent with recent observations, SYMPHONY explains how elevated CO2 induce modification of soil microbial communities leading to an intensification of SOM mineralization and a decrease in the soil C stock.

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.

Les compartiments géologiques profonds suscitent un intérêt grandissant dans la communauté scientifique depuis les 50 dernières années. Néanmoins, ces écosystèmes demeurent largement méconnus du fait de leur difficulté d’accès. Le forage profond réalisé par l’ANDRA dans le Bassin parisien en 2008 a offert une opportunité unique de les étudier. Dans ce cadre, cette thèse avait deux objectifs majeurs ; i) caractériser, d’un point de vue microbiologique, quatre formations sédimentaires terrestres triasiques situées entre 1700 et 2000 m de profondeur et ii) étudier les effets combinés des paramètres de température, pression et salinité ainsi que de leur interaction sur l’activité métabolique de procaryotes anaérobies afin de mieux appréhender leur comportement au cours d’un enfouissement géologique.Malgré la recherche de microorganisme par la réalisation d’une gamme de milieux de culture diversifiée, ciblant préférentiellement les types trophiques fréquemment rencontrés en subsurface (méthanogènes, fermentaires, réducteurs de composés soufrés), aucun microorganisme viable et cultivable n’ait été isolé. En parallèle, une approche moléculaire complémentaire, composée (i) de l’étude comparative de l’efficacité de différentes méthodes d’extraction directe d’ADN et (ii) de l’analyse de la diversité bactérienne par la réalisation d’inventaires moléculaires, par DGGE (Denaturing Gel Gradient Electrophoresis) et clonage, a été réalisée sur le coeur des carottes de roches, conservées à pression atmosphérique ou sous pression, dans leurs états initiaux et post-incubation. L’exploration de ces formations sédimentaires profondes a indiqué la présence d’une très faible biomasse et d’une biodiversité microbienne pauvre principalement composée de membres aérobies et mésophiles appartenant au domaine Bacteria. Cette communauté bactérienne inattendue car a priori peu adaptée aux conditions régnant in-situ, également retrouvée dans divers écosystèmes de subsurface ainsi que dans des biotopes extrêmes, pourrait provenir en partie d’une paléo-recharge de l’aquifère du Trias par des eaux froides dérivées de la fonte des glaces formées lors de la dernière glaciation du Pléistocène.Le second objectif a été abordé à travers l’élaboration d’un plan factoriel complet dans le but d’identifier les effets des paramètres sur les activités microbiennes. Ainsi, les activités métaboliques de huit souches microbiennes halophiles et thermo-tolérantes ont été mesurées sous trente conditions distinctes de température (40, 55 et 70°C), pression (1, 90 et 180 bars) et salinité (13, 50, 110, 180 et 260 g.l-1). Toutes les souches originaires d’environnements profonds se sont révélées être au minimum piézo-tolérantes et capables de maintenir leur activité métabolique sous pressions hydrostatiques. Les métabolismes fermentaires (Thermovirga lienii et Halothermothrix orenii) et thiosulfato-réducteurs (Petrotoga mexicana et Thermosipho japonicus) se sont avérés particulièrement bien adaptées, d’un point de vue métabolique, aux hautes pressions, les plus hautes activités ayant été détectées sous pression. Certaines souches ont montré une résistance accrue aux hautes températures sous pression (Petrotoga mexicana). Toutefois une résistance variable à la salinité dans les différentes conditions de température et de pression a été observée pour chacune des souches, suggérant que certains mécanismes de résistance contre la pression osmotique seraient également efficaces pour lutter contre les températures et les pressions hydrostatiques élevées.Ce travail souligne que l’étude des écosystèmes terrestres profonds d’un point de vue microbiologique ne doit pas se restreindre à la recherche et à l’analyse de la diversité présente. L’étude des activités métaboliques de souches de subsurface en conditions profondes ouvre la voie à une meilleure compréhension des rôles joués par les communautés microbiennes en milieu extrême. / Over the past 50 years, the scientific community has shown a growing interest for deep geological compartments. However, these ecosystems remain largely unknown due to their inaccessibility. The aim of the present thesis was double; the first aim was to characterize, from a microbiological perspective, four terrestrial Triassic sedimentary formations located between 1700 and 2000 m depth in the Parisian Basin and collected by the ANDRA during a deep drilling campaign in 2008, and the second aim was to study the combined effects of temperature, pressure and salinity on the metabolic activity of anaerobic prokaryotes in order to predict their reaction to geological burial.Incubations in a large variety of media were carried out in order to stimulate the growth of the main trophic types found in such environments such as methanogens, fermenters and bacteria reducing sulphur compounds, however, no viable and cultivable microorganisms could be isolated. In parallel, a molecular approach was used to i) compare the efficacy of several DNA extractions methods and ii) analyse the bacterial diversity, using DGGE (Denaturing Gel Gradient Electrophoresis) and cloning, present in rock inner cores conserved either at atmospheric pressure or under pressure, in their initial states and following incubations in various media. The genetic exploration of these samples revealed a very low biomass and a poor diversity composed mainly of aerobic and mesophilic members of the Bacteria domain, a priori unadapted to such a deep, hot, saline and anoxic environment. This unexpected microbial community also found in many subsurface ecosystems as well as in extreme ecosystems could have partially originated from a paleorecharge of the Trias aquifer with cold waters coming from the melting of ice formed during the last Pleistocene glaciation.The second objective was to study the combined effects of temperature (40, 55 and 70°C), pressure (1, 90 and 180 bars) and salinity (13, 50, 110, 180 and 260 g.l-1) on the metabolic activity of anaerobic prokaryotes. In order to identify effects of parameters on microbial activities, a complete factorial plan was constructed from the metabolic activities measured for eight halophile and thermo-tolerant bacterial strains exposed to 30 distinct temperature, pressure and salinity conditions. All the strains issued from deep environments were at the least piezo-tolerant and capable of maintaining their activity under hydrostatic pressures. The fermenting (Thermovirga lienii and Halothermothrix orenii) and thiosulfate reducing strains (Petrotoga mexicana and Thermiosipho japonicus) were particularly well adapted, from a metabolic point of view, to high pressures; indeed the highest activities were measured under pressure. Also, several strains (such as Petrotoga mexicana) showed an increased resistance to high temperatures under pressure. However, resistance to an increase in salinity was variable for each strain under the different temperature and pressure conditions. This suggests that the resistance mechanisms for osmotic pressure also enable resistance to high temperatures and hydrostatic pressures.This work underlines that the microbiological characterization of deep terrestrial ecosystems must not be limited to the search and analyses of the existing diversity. Moreover, such upstream studies of the metabolic activities of subsurface bacterial strains in deep terrestrial conditions are a necessary beginning towards understanding the role of microbial communities in extreme environments.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 avril 2024) / Recouvrant la glace surélevée de Ward Hunt (traduction libre de *Ward Hunt Ice Rise, WHIR*) (Nunavut, Canada), des trous reconnus comme étant des points chauds de diversité microbienne avec des taux d'infection virale très élevés y sont retrouvés. La WHIR est actuellement stable, mais elle fait face aux conséquences des changements climatiques drastiques. Ce milieu naturel est éloigné des activités anthropiques et peut servir de référence avant d'être irréversiblement impacté. De plus, les communautés microbiennes des cryoconites ont su développer des gènes de résistance aux antibiotiques (GRA) loin de l'influence anthropique. Ainsi, les objectifs seront de caractériser la diversité et l'abondance virale et bactérienne dans l'eau de fonte et les sédiments des cryoconites. De plus, la présence de GRA, associés ou non aux virus sera identifiée. Les hypothèses sont les suivantes ; i) que les sédiments présentent une richesse relativement élevée de taxons viraux et bactériens par rapport à l'eau de fonte ; ii) que l'eau de fonte et les sédiments hébergeront des taxons spécifiques, entraînant un indice de dissimilarité élevé ; et iii) que les sédiments agiront comme un réservoir naturel de multiples GRA et que les virus joueront un rôle dans la dissémination de ces gènes. Une analyse par métagénomique a permis de conclure que l'eau de fonte présente une diversité microbienne plus élevée en comparaison avec les sédiments et que huit familles de GRA ont été retrouvées dans les sédiments de cryoconites, mais aucun GRA n'a été associé aux virus. Cette étude apporte donc de nouvelles données sur la diversité microbienne et recense la présence de GRA des cryoconites de l'Arctique canadien situés sur la WHIR. / Covering the Ward Hunt Ice Rise (Nunavut, Canada), meltwater-filled holes recognized as hotspots of microbial and viral diversity are present. While the Ward Hunt Ice Rise (WHIR) is currently stable, it is experiencing drastic climatic changes. Consequently, this pristine and remote environment can serve as a reference point for the future impacts of climate change. Moreover, cryoconite communities may support antimicrobial resistance gene (ARG) profiles, which have developed in isolation from anthropogenic antimicrobial pollution. Identifying environmentally intrinsic ARGs could serve as a comparative baseline to future community change. The objectives of this work were to characterize viral and bacterial diversity and abundance in meltwater and sediments. Additionally, the presence of ARGs within cryoconites was assessed, as was their association or lack thereof, with viral genomes. The hypotheses are: i) that sediments exhibit a relatively high richness of viral and bacterial taxa compared to meltwater; ii) that meltwater and sediments potentially harbor specific taxa, leading to a high dissimilarity index; and iii) it is hypothesized that sediments will act as a natural reservoir for multiple ARGs, with viruses playing a role in the dissemination of these genes. Metagenomic analyses revealed that meltwater represents the highest microbial diversity compared to sediments. Eight families of ARGs were identified in cryoconite sediments, but none were associated with viruses. This study provides new insights into microbial diversity and documents the presence of ARGs from Canadian Arctic cryoconites in the LIA.

Les compartiments géologiques profonds suscitent un intérêt grandissant dans la communauté scientifique depuis les 50 dernières années. Néanmoins, ces écosystèmes demeurent largement méconnus du fait de leur difficulté d'accès. Le forage profond réalisé par l'ANDRA dans le Bassin parisien en 2008 a offert une opportunité unique de les étudier. Dans ce cadre, cette thèse avait deux objectifs majeurs ; i) caractériser, d'un point de vue microbiologique, quatre formations sédimentaires terrestres triasiques situées entre 1700 et 2000 m de profondeur et ii) étudier les effets combinés des paramètres de température, pression et salinité ainsi que de leur interaction sur l'activité métabolique de procaryotes anaérobies afin de mieux appréhender leur comportement au cours d'un enfouissement géologique.Malgré la recherche de microorganisme par la réalisation d'une gamme de milieux de culture diversifiée, ciblant préférentiellement les types trophiques fréquemment rencontrés en subsurface (méthanogènes, fermentaires, réducteurs de composés soufrés), aucun microorganisme viable et cultivable n'ait été isolé. En parallèle, une approche moléculaire complémentaire, composée (i) de l'étude comparative de l'efficacité de différentes méthodes d'extraction directe d'ADN et (ii) de l'analyse de la diversité bactérienne par la réalisation d'inventaires moléculaires, par DGGE (Denaturing Gel Gradient Electrophoresis) et clonage, a été réalisée sur le coeur des carottes de roches, conservées à pression atmosphérique ou sous pression, dans leurs états initiaux et post-incubation. L'exploration de ces formations sédimentaires profondes a indiqué la présence d'une très faible biomasse et d'une biodiversité microbienne pauvre principalement composée de membres aérobies et mésophiles appartenant au domaine Bacteria. Cette communauté bactérienne inattendue car a priori peu adaptée aux conditions régnant in-situ, également retrouvée dans divers écosystèmes de subsurface ainsi que dans des biotopes extrêmes, pourrait provenir en partie d'une paléo-recharge de l'aquifère du Trias par des eaux froides dérivées de la fonte des glaces formées lors de la dernière glaciation du Pléistocène.Le second objectif a été abordé à travers l'élaboration d'un plan factoriel complet dans le but d'identifier les effets des paramètres sur les activités microbiennes. Ainsi, les activités métaboliques de huit souches microbiennes halophiles et thermo-tolérantes ont été mesurées sous trente conditions distinctes de température (40, 55 et 70°C), pression (1, 90 et 180 bars) et salinité (13, 50, 110, 180 et 260 g.l-1). Toutes les souches originaires d'environnements profonds se sont révélées être au minimum piézo-tolérantes et capables de maintenir leur activité métabolique sous pressions hydrostatiques. Les métabolismes fermentaires (Thermovirga lienii et Halothermothrix orenii) et thiosulfato-réducteurs (Petrotoga mexicana et Thermosipho japonicus) se sont avérés particulièrement bien adaptées, d'un point de vue métabolique, aux hautes pressions, les plus hautes activités ayant été détectées sous pression. Certaines souches ont montré une résistance accrue aux hautes températures sous pression (Petrotoga mexicana). Toutefois une résistance variable à la salinité dans les différentes conditions de température et de pression a été observée pour chacune des souches, suggérant que certains mécanismes de résistance contre la pression osmotique seraient également efficaces pour lutter contre les températures et les pressions hydrostatiques élevées.Ce travail souligne que l'étude des écosystèmes terrestres profonds d'un point de vue microbiologique ne doit pas se restreindre à la recherche et à l'analyse de la diversité présente. L'étude des activités métaboliques de souches de subsurface en conditions profondes ouvre la voie à une meilleure compréhension des rôles joués par les communautés microbiennes en milieu extrême.

Dans les océans, les procaryotes sont des acteurs clés dans le cycle du carbone puisqu’ils consomment une fraction importante de la matière organique dissoute (MOD) relâchée par les producteurs primaires. Puisque cette matière organique est très complexe et de biodisponibilité variable, les communautés de procaryotes qui la consomme sont très diversifiées et spécialisées pour certains types de composés organiques. En utilisant cette matière organique, les procaryotes contribuent à réintroduire ce carbone dans le réseau trophique, une source d’énergie essentielle dans les gyres oligotrophes de l’océan. Toutefois, puisque cette consommation n’est pas parfaite, une quantité importante de carbone est relâchée sous forme de CO2 lors de la respiration, mais aussi sous forme de MOD récalcitrante, contribuant à séquestrer du carbone dans les océans. Le but de cette thèse est d’une part, de dresser un portrait global de la biodisponibilité de la MOD et d’autre part, de déterminer l’influence de la biodisponibilité de cette dernière sur la composition et le métabolisme des procaryotes dans la mer du Labrador, une mer dont le rôle est critique dans la régulation du climat. Plus spécifiquement, nous identifions pour la première fois comment la distribution spatiale des procaryotes influencent leur métabolisme et est influencée par leur préférence alimentaire dans les eaux de surface de la mer du Labrador. Finalement, nous regardons comment la matière organique produite en surface est transformée et séquestrée en profondeur suite à la convection hivernale dans la mer du Labrador. Le budget de carbone dans les océans n’est toujours pas balancé. Afin de mieux connaître les sources et la biodisponibilité du carbone dans les différents milieux aquatiques, nous avons évalué la biodisponibilité de la MOD à travers le continuum aquatique, des lacs jusqu’à l’océan. En menant une méta-analyse sur le sujet, nos résultats montrent que la proportion de matière organique labile, c’est-à-dire facilement utilisable par les procaryotes, est d’environ 6% dans tous les environnements aquatiques. Toutefois, la proportion de matière organique semi-labile, celle qui nécessite plus de transformation par les procaryotes, est grandement liée à la proximité au milieu terrestre. Les seuls écosystèmes aquatiques déviant de ces deux constats sont ceux en période d’efflorescence algale: ils contiennent beaucoup plus de carbone labile et semi-labile que ceux à l’équilibre. Nous avons estimé que le carbone semi-labile peut soutenir 62% de la biomasse de procaryotes dans les lacs et les milieux côtiers. Dans un deuxième temps, nous évaluons l’influence de la MOD sur le métabolisme et les communautés de procaryotes. Nous avons fait trois missions océanographiques sur la mer du Labrador à bord du navire Hudson pour déterminer la composition de la MOD et la communauté des procaryotes ainsi que leur métabolisme. En utilisant une approche novatrice, la modélisation de la distribution spatiale de l’abondance des procaryotes, nous avons montré à quel point celle-ci est importante pour déterminer leur préférence alimentaire ainsi que leur métabolisme. Nous avons également proposé un nouveau cadre conceptuel qui vise à faciliter la recherche à l’interface de la biogéochimie, de l’écologie microbienne et du métabolisme microbien. Dans un dernier temps, nous avons comparé la capacité des procaryotes venant de différentes profondeurs océaniques à séquestrer le carbone. Lors de la consommation de la MOD, les procaryotes en relâche une petite fraction sous forme plus récalcitrante. En répétant ce processus, le carbone résiduel devient très récalcitrant et peut résister à la consommation par les procaryotes durant des centaines d’années. Nous avons montré que les procaryotes de l’océan profond sont plus efficaces pour séquestrer le carbone de cette façon. Nos résultats montrent que ce sont les taxons rares des procaryotes qui sont les éléments clés dans cette suite de transformation qui mène à la séquestration du carbone appelée pompe microbienne. Cette thèse contribue à la compréhension du cycle du carbone dans la mer du Labrador et dans les écosystèmes aquatiques en général. Nous avons proposé une approche novatrice permettant de lier la qualité de la MOD à la composition des communautés de procaryotes qui la dégrade, un défi qui perdure depuis des dizaines d’années. De plus, nous montrons pour la première fois la que la pompe microbienne de carbone est un processus itératif fortement relié à la succession de la communauté de procaryotes. Nous montrons également que la pompe microbienne est active dans chaque strate océanique, mais que les procaryotes rares issus de l’océan profond sont plus efficaces à séquestrer le carbone. Mieux comprendre comment la composition de la MOD influence les procaryotes est primordial puisqu’ils sont centraux au cycle du carbone océanique. / Oceanic prokaryotes are key players in the carbon cycle by consuming dissolved organic mat-ter (DOM) produced by primary producers. As this organic matter is highly complex with varying degree of bioavailability, prokaryotic communities are highly diverse and different taxa target certain types of organic compounds. By consuming this organic matter, prokary-otes reintroduce this carbon into the food web, a critical energy flow in oligotrophic gyres. However, this consumption is not perfect and they release a lot of carbon as CO2 through respiration, but also as recalcitrant DOM. Thus, they contribute to carbon sequestration in aquatic ecosystems. The objective of this thesis is to characterize DOM bioavailability and its influence on the composition and metabolism of prokaryotic communities in the Labrador Sea, described as one of the Earth’s climate system tipping elements. More precisely, we quantify for the first time how the spatial abundance distribution of prokaryotes influences ecosystem metabolism and organic matter association in the surface waters of the Labrador Sea. Lastly, we look at how DOM produced at the surface is transformed and sequestered following the Labrador Sea winter convective mixing. The oceanic carbon budget is still unbalanced. In order to better understand its carbon sources and bioavailability, we characterize DOM bioavailability across the aquatic contin-uum, from lakes to the open ocean. Using a meta-analysis, our results show that the propor-tion of labile organic matter, i.e. readily available for prokaryotes, is similar at around 6% in all aquatic ecosystems. However, the proportion of semi-labile organic matter, i.e requiring transformations to be consumed by prokaryotes, is highly related to terrestrial connectivity. The only ecosystems that did not follow these patterns were in a phytoplankton bloom pe-riod and had a high proportion of labile and semi-labile organic matter as their counterparts at equilibrium. Finally, we estimated that semi-labile organic matter could sustain 62% of prokaryotic biomass in lakes and coastal zones. Second, we evaluated the influence of DOM on prokaryotic metabolism and community composition. In order to determine organic matter composition, prokaryotic community composition and metabolic rates, we did three oceanic cruises in the Labrador Sea onboard the Hudson ship. By using spatial abundance distribution modelling of prokaryotes, we identified strong associations between groups of this novel approach and organic matter composition. We also proposed a framework to bridge the gap between prokaryotic diversity, microbial ecology, and biogeochemistry among methods and across scales. Lastly, we compared how prokaryotic communities from different oceanic strata could se-quester carbon. When they consume organic matter, prokaryotes release a small amount in recalcitrant forms. Through this iterative process, called the microbial carbon pump, prokaryotes contribute to carbon sequestration by creating highly recalcitrant compounds that resist further degradation for hundreds of years. We have shown that all prokaryotes enable the microbial carbon pump, but that prokaryotes from deeper strata are more effi-cient. Our results also conclusively show that the rare prokaryotic taxa are key players in the microbial carbon pump. This thesis contributes to better understand the carbon cycle in the Labrador Sea and in all aquatic ecosystems. We proposed a novel framework to relate biogeochemistry, prokaryotic diversity and microbial ecology which has been a challenge for decades. Moreover, we con-clusively showed for the first time that the iterative process of the microbial carbon pump is related to prokaryotic succession. We also show that it happens in all oceanic strata, but that rare prokaryotes from the deep ocean are more efficient to sequester carbon. Better understanding how DOM composition influences prokaryotes is of prime importance as they are the main drivers of the oceanic carbon cycle.

Les apports importants d'eau douce en provenance d'un grand bassin versant constituent l'une des caractéristiques principales de la baie d'Hudson, une mer subarctique située au Canada. Dans la baie d'Hudson, le couplage entre l'eau salée et l'eau douce exerce une grande influence sur l'ensemble des paramètres physiques, biogéochimiques et biologiques. Au cours des dernières décennies, la baie d'Hudson a subi d'importantes modifications associées aux changements climatiques mais aussi à l'installation de grandes infrastructures hydroélectriques qui régulent les apports d'eau douce par les rivières. Alors que ces changements sont susceptibles d'avoir un impact sur les écosystèmes dans la baie, peu d'attention a été portée sur la composition et la distribution des communautés planctoniques qui sont pourtant un maillon essentiel des réseaux trophiques marins. Au sein du projet BaySys qui vise à fournir une base scientifique afin de séparer les impacts liés aux changements climatiques de ceux de la régulation des cours d'eau dans la baie d'Hudson, cette thèse de doctorat a pour objectif d'établir un état des lieux de la diversité et de la distribution spatiale des communautés microbiennes présentes dans la baie d'Hudson. Pour répondre à cet objectif, nous avons utilisé une approche de séquençage haut débit des gènes de l'ARNr et de l'ARNr 18S et 16S afin de déterminer l'influence des paramètres environnementaux mesurés sur le terrain sur les communautés de protistes et de procaryotes. Les résultats ont montré que le débit des rivières modifie la composition des communautés de protistes au niveau des estuaires dans la rivière Nelson, Churchill et Grande Rivière de la Baleine. Dans la rivière Nelson, la forte circulation estuarienne permet la remontée d'eau riches en nutriments qui favorise la présence de diatomées du genre Rhizosolenia. Cependant, à l'échelle de la baie, les apports d'eau douce au printemps et a l'été au niveau des cotes entraine une forte stratification qui limite la croissance du phytoplancton et favorise les taxa hétérotrophes, notamment les Dinoflagellés. Dans ces eaux de surface fortement stratifiées, nous avons pu mettre en évidence la présence de 7 espèces phytoplanctoniques potentiellement toxiques. Le changement de régime de la glace de mer au printemps entraine une succession d'organismes eucaryotes et procaryotes associés à la dégradation des efflorescences de phytoplancton. Ces changements de communautés en surface modifient l'origine des apports de matière organique dans les écosystèmes profonds de la baie. En générant un nouvel état des lieux de la composition des communautés de protistes et de procaryotes à différentes échelles spatiales, les résultats de cette étude permettent de mieux comprendre l'influence des apports d'eau douce sur les communautés microbiennes dans la baie d'Hudson. Cette thèse constitue ainsi un nouvel outil pour mieux appréhender l'influence des perturbations d'origine anthropique sur les réseaux microbiens marins dans la baie d'Hudson. / The Hudson Bay is a sub-Arctic sea in Canada that receives massive freshwater inflows from a large watershed. In Hudson Bay, the freshwater-marine coupling has a strong influence on physical, biogeochemical and biological processes. In recent decades, Hudson Bay has undergone significant changes associated with climate change and the installation of large hydroelectric infrastructures that regulate freshwater inflows from rivers. While these changes are likely to have an impact on ecosystems in the bay, little attention has been paid to the composition and distribution of planktonic communities, which are an essential link in marine food webs. As part of the BaySys project, which aims to provide a scientific basis to separate climate change effects from those of regulation of freshwater on physical, biological and biogeochemical conditions in Hudson Bay, this PhD thesis aims to establish a baseline of the diversity and spatial distribution of microbial communities in Hudson Bay. To address this objective, we used a high-throughput sequencing approach for 18S rRNA and 16S rRNA genes to determine the potential influence of environmental parameters measured in the field on protist and prokaryote communities. The results showed that river flow altered the composition of protist communities in the estuaries of the Nelson, Churchill and Great Whale rivers. In the Nelson River estuary, strong estuarine circulation allows the upwelling of nutrient-rich water which favours the presence of diatoms of the genus Rhizosolenia. At the bay scale in spring and summer, the freshwater inflow leads to a strong stratification which limits the growth of phytoplankton species and favours heterotrophic taxa, particularly dinoflagellates. In these highly stratified surface waters, we were able to identify the presence of 7 potentially toxic phytoplankton species. The changing of the sea ice regime in spring resulted in a succession of eukaryotic and prokaryotic organisms associated with the degradation of phytoplankton blooms. These changes modified the diatom sinking particles reaching the bottom of the Hudson Bay. By generating a new picture of the composition of protists and prokaryotes at different spatial scales, the results of this study provide a better understanding of the influence of freshwater inputs on microbial communities in Hudson Bay. This study thus constitutes a new tool to better understand the influence of anthropogenic disturbances on marine microbial networks in Hudson Bay.