Les procédés anaérobies de traitement de déchets apparaissent clairement pouvoir répondre à l'enjeu socio-économique actuel que représente la valorisation énergétique de la fraction organique contenue dans les déchets ménagers. En effet, les processus de dégradation anaérobies font intervenir en cascade, différentes réactions et populations de micro-organismes permettant de transformer la matière organique en biogaz riche en méthane. Une bonne connaissance des effets des paramètres opérationnels sur l'orientation des métabolismes s'avère ainsi nécessaire à l'émergence de solutions permettant d'optimiser ces procédés. Ceci est notamment le cas pour la dernière étape, appelée méthanogenèse. Dans ce contexte, l'approche isotopique reposant sur la mesure de la composition isotopique (13C/12C) du méthane et du dioxyde de carbone, devrait pouvoir répondre à cet objectif en permettant l'identification des métabolismes à l'origine de la production du méthane. La transposabilité à l'étude de la digestion anaérobie des déchets de cette approche isotopique déjà utilisée dans les écosystèmes naturels, a tout d'abord été vérifiée expérimentalement. Les effets de certains paramètres opérationnels connus pour avoir un impact fort sur le processus de digestion anaérobie, tels que la température et la concentration en azote ammoniacal, ont ensuite été étudiés. Il a été mis en évidence qu'en condition thermophile, la méthanogenèse acétoclaste observée en condition mésophile, était remplacée par une oxydation syntrophique de l'acétate lors de la digestion anaérobie des déchets ménagers. Des expériences sur acétate ont montré que cet effet sur les voies métaboliques n'était toutefois pas systématique et pourrait ne pas être dû à un effet direct d'une augmentation de la température, mais plutôt à l'accroissement de la concentration en ammoniaque qui en résulte. D'autres expériences ont clairement établi qu'une augmentation de la concentration en azote ammoniacal conduisait également à la mise en place de l'oxydation syntrophique de l'acétate. Le couplage de l'approche isotopique avec des analyses microbiologiques a révélé que cette réaction d'oxydation syntrophique de l'acétate, à haute concentration en azote ammoniacal, pouvait s'établir telle que déjà décrite, par la mise en place d'une relation symbiotique bactéries/archées hydrogénotrophes strictes, mais également de manière différente en impliquant des membres de la famille Methanosarcinaceae qui pourraient réaliser seuls les deux étapes de la réaction (oxydation et méthanogenèse hydrogénotrophe). L'application de l'approche isotopique a également permis de mettre en évidence, lors d'une expérience visant à simuler la recirculation de différents effluents au sein d'une installation de stockage de déchets bioactive, l'influence de la nature de l'effluent sur l'orientation des métabolismes méthanogènes. Enfin, l'influence de la proportion de déchets verts, lors de la co-digestion biodéchets / déchets verts, sur la concentration en ions ammonium libérés ainsi que sur l'orientation du métabolisme en résultant, a été étudiée. Les potentialités d'une utilisation de l'approche isotopique sur site ont également été investiguées au travers d'une campagne de mesures sur une installation de stockage de déchets non dangereux. / Anaerobic waste treatment processes are clearly part of the answer to a current important socio-economic issue in waste management: energy production from the organic fraction of municipal solid waste. The anaerobic digestion of municipal solid waste is a complex process involving numerous reactions and microorganism communities. At the end of the degradation process, some biogas with a particularly high methane content is produced. A detailed knowledge on how operational parameters affect metabolism orientations is required to optimize these treatment processes. This is in particular the case for the last degradation reaction called methanogenesis. In this context, an isotopic approach based on isotopic composition measurements (13C/12C) for methane and carbon dioxide can provide some clues with regard to this objective. Indeed, this methodology enables the determination of the methanogenic pathways by which methane is produced.Transferability of the isotopic approach used for natural ecosystems to the field of anaerobic digestion of municipal solid waste was first experimentally verified. In a second time, the effects of some operational parameters known to strongly impact the anaerobic digestion process, such as temperature and ammonia concentration, were studied. During anaerobic digestion of reconstituted municipal solid waste in thermophilic conditions, it was shown that aceticlastic methanogenesis (occurring in mesophilic conditions) was replaced by a syntrophic acetate oxidation reaction. Additional experiments using acetate as sole substrate were performed and showed that this effect on the metabolic pathways was not systematic. Consequently, it cannot be due to a direct effect of the temperature increase. It could rather be explained by the induced and indirect increase in ammonia concentration. Additional experiments clearly demonstrated that an increase in ammonia concentration led to the establishment of a syntrophic acetate oxidation reaction. The isotopic approach was combined with microbiological analyses and showed that the syntrophic acetate oxidation reaction occurring at high ammonia concentration during acetate incubations could have been performed through a syntrophic relationship between bacteria and strict hydrogenotrophic archaea, as previously described in the literature. Interestingly, the syntrophic acetate oxidation could also have occurred using a different pathway relying on members of the Methanosarcinaceae family putatively able to perform the two steps of the reaction (oxidation and hydrogenotrophic methanogenesis). In addition, the implementation of the isotopic approach during an experiment designed to simulate a landfill bioreactor evidenced the influence of the effluent's nature on the methanogenesis metabolism orientation. The influence of green waste proportion during the co-digestion of biowaste / green waste mixtures on resulting ammonia concentrations and methanogenesis pathways was also studied through dedicated experiments. Finally, the potential of the isotopic approach for landfill-scale application was investigated through a measurement campaign on a landfill site.

L’altération du métabolisme postprandial des lipides et l’inflammation chronique associée apparaissent comme des éléments majeurs de la physiopathologie de l’obésité. L’implication de l’absorption intestinale d’endotoxines bactériennes du microbiote au cours de la digestion des lipides a été mise en évidence. Cependant la modulation de ces phénomènes par différentes quantités de lipides différemment structurés reste mal caractérisée, notamment chez les obèses. Nous avons mis en place un protocole clinique, en cross-over randomisé, visant à étudier chez des sujets normo-pondérés et obèses les conséquences de la digestion de matière grasse consommée, soit sous forme tartinée en différentes quantités (10 g ou 40 g), soit sous forme finement émulsionnée (40 g) sur le métabolisme postprandial des lipides et des endotoxines. Nous avons ainsi mis en évidence que l’augmentation plasmatique des chylomicrons, suite à une augmentation de la quantité de matière grasse ingérée, était plus précoce et plus importante chez les normo-pondérés que chez les sujets obèses, avec la sécrétion de plus gros chylomicrons suite à 40 g. Lorsque 40 g de matière grasse est émulsionnée, nous montrons qu’elle aboutit à un pic de triglycérides des chylomicrons plus précoce et plus élevé, reflétant une absorption facilitée des lipides, et de manière plus marquée chez l’obèse. Nous montrons aussi que cet état émulsionné aboutit à une β-oxydation plus élevée des lipides exogènes sur la journée, sans différence de perte fécale. Une endotoxémie postprandiale est également observée suite aux différents repas. L’accumulation postprandiale d’endotoxines, notamment présentes dans les chylomicrons, augmente avec la quantité de matière grasse tartinée en corrélation avec l’aire sous courbe des chylomicrons chez les obèses. En complément, l’absorption lipidique in vitro par des cellules Caco-2 était plus importante suite à l’incubation de milieux de lipolyse d’émulsions stabilisées par du caséinate que de la lécithine. Enfin, un test de digestion a été réalisé avant et après une chirurgie de by-pass gastrique pour identifier si une diminution drastique de l’absorption lipidique modifiait l’endotoxémie. Suite à l’opération, les patients sont davantage exposés aux endotoxines après la prise d’une émulsion au petit-déjeuner. En revanche, la LBP, protéine de transport des endotoxines proinflammatoire, diminue significativement à jeun et en postprandial suite à l’opération. L’ensemble de ces travaux démontrent qu’en plus des effets de la quantité de lipides ingérée sur la lipémie et l’absorption d’endotoxines associée, la structure de la matière grasse joue un rôle important dans la modulation du devenir métabolique des acides gras. La structuration des lipides alimentaires pourrait donc être spécifiquement adaptée afin d’optimiser le métabolisme lipidique postprandial, notamment chez des personnes obèses. / The alteration of postprandial lipid metabolism and associated chronic inflammation emerge as major elements in the obesity pathophysiology. The involvement of the intestinal absorption of endotoxin from microbiota during lipid digestion was recently highlighted. However, the modulation of these phenomena by different amounts of differently structured lipids remains poorly characterized, especially in obese people. We developed a cross-over randomized clinical study to explore in normal weight and obese subjects the consequences of fat digestion, consumed either spread on bread in different amounts (10 g or 40 g) or finely emulsified (40 g), on postprandial metabolism of lipids and endotoxins. We have demonstrated that the increase in plasma chylomicrons, after increase in the amount of fat ingested, was earlier and greater in normal-weight than in obese subjects, with the secretion of larger chylomicrons after consumption of 40 g of spread fat. When 40 g of fat is emulsified, we show that it leads to an earlier and higher peak of chylomicron triglycerides, reflecting facilitated absorption of fat, and more significantly in obese subjects. We also show that emulsified fat results in higher β-oxidation of exogenous lipids over the day, with no difference in fecal excretion. Postprandial endotoxemia was also observed in response to different meals. The postprandial accumulation of endotoxins, present in chylomicrons, increases with the amount of spread fat ingested and it is correlated with the area under the curve of chylomicrons in obese subjects. In addition, the in vitro lipid absorption by Caco-2 cells was greater following incubation with lipolysis media of emulsions stabilized by caseinate than lecithin. Finally, a digestion test was conducted before and after gastric bypass surgery to identify whether a drastic reduction in lipid absorption altered metabolic endotoxemia. After surgery, patients are more exposed to endotoxins in the morning after emulsion consumption at breakfast. However, LBP, a proinflammatory protein transporting endotoxins, significantly decreases after surgery. Altogether, these studies demonstrate that in addition to the metabolic effects of dietary fat intake on lipemia and associated endotoxemia, the fat structure also plays an important role in the modulation of further fatty acid handling. Structuring of dietary lipids could thus be specifically adapted to optimize postprandial lipid metabolism, especially in obese people.

Il est probable que les changements climatiques futurs diminuent la croissance forestière en région tempérée. Cette vulnérabilité des espèces face aux contraintes du climat peut être étudiée via les cernes des arbres. Ces derniers sont en effet des archives du carbone utilisé par les arbres pour leur croissance, en lien avec les caractéristiques spécifiques de gestion du carbone et de réponse au climat. L’objectif principal de cette thèse est de déterminer, à partir des cernes, les réponses fonctionnelles de trois essences forestières tempérées (Fagus sylvatica, Quercus petraea et Pinus sylvestris) aux variations climatiques. Pour cela, nous avons réalisé une approche expérimentale en étudiant deux proxys (ou indices climatiques) : la croissance et la composition isotopique en 13C (δ13C) des cernes, à deux échelles temporelles : interannuelle et saisonnière. A l’échelle interannuelle, sur la période 1960-2007, une étude dendrochronologique a été réalisée sur les trois essences et a été complétée par l’analyse du δ13C des cernes (en relation avec le climat). A l’échelle saisonnière, nous avons déterminé précisément, sur une année (2009), les dynamiques de croissance du cerne et les variations de δ13C intra-cerne. Nos résultats mettent en évidence une sensibilité de la croissance et du δ13C des cernes des trois essences aux sécheresses estivales. Grâce à la complémentarité des proxys et des échelles temporelles, nous avons également trouvé des réponses climatiques contrastées entre espèces. La croissance du Hêtre est la plus réactive au climat d’une année à l’autre. Cette croissance ainsi que le δ13C des cernes sont fortement sensibles aux températures de juillet, en plus des précipitations printanières et estivales. Cette réponse immédiate au climat peut être expliquée par une forte dépendance de la croissance au fonctionnement foliaire et une faible utilisation des réserves carbonées pour assurer le début de la croissance. Le Chêne présente lui des arrières-effets climatiques sur sa croissance, via une forte sensibilité aux sécheresses de l’automne précédent, contrairement aux deux autres espèces. Ce résultat est à mettre en relation avec l’utilisation importante de réserves carbonées par rapport aux assimilats pour la croissance du bois initial, cette dernière étant très rapide, comme nous l’avons observé grâce à l’analyse saisonnière de la croissance. Concernant le Pin, la croissance, parce qu’elle dure plus longtemps que celle des décidues, est influencée par les températures et les précipitations de juin jusqu'à août. Le δ13C des cernes de pins est celui qui enregistre le plus la réponse au VPD, aussi bien à l’échelle saisonnière qu'interannuelle, probablement du fait d’une forte sensibilité de la conductance stomatique à ce paramètre. Les informations fournies par les cernes permettent d’appréhender la survie des espèces face aux changements climatiques futurs et peuvent être utilisées pour comprendre le dépérissement lié à ces changements. / Climate change will probably alter the tree growth in temperate forests. The species vulnerability to climatic constraints can be studied using tree rings. The latter's are natural archives of carbon used for tree growth and are linked to species carbon transfer and response to climate. The main thesis objective was to determine the functional response of three temperate species (Fagus sylvatica, Quercus petraea et Pinus sylvestris) under climatic variations using tree rings. For this, an experimental approach was conducted using two proxies (or climatic indices): the radial growth and the carbon isotope composition in 13C (δ13C) of rings at two time scales: interannual and intra-annual (or seasonal). At interannual scale, over the period 1960-2007, a dendrological study was done for three species and was completed by analysis of ring δ13C (in relation to climate). Over one year (2009) at seasonal scale, we precisely determined the radial growth dynamics and the variations in intra-ring δ13C. Our results highlighted growth and ring δ13C sensitivities to summer droughts. Because of proxy and time-scale complementarities, we have also found contrasted climatic responses among species. The beech growth is the most year-to-year responsive to climate. This growth and ring δ13C were highly sensitive to temperature in July in addition to spring and summer precipitation. This quick response of beech growth to climate could be explained by strong growth dependence to leaf functioning and low carbon reserve use to ensure the growth beginning. Contrary to the two others species, long-term consequences of climate on oak growth were found, via a high sensitivity to previous autumnal droughts. This result could be related to the high use of carbon reserves compared to assimilates for earlywood growth, which was very quick as observed by seasonal growth analysis. Concerning pine, the growth was influenced by temperatures and precipitation from June to August because the growth lasted longer for pine than that of the deciduous species. At both seasonal and interannual scales, the ring δ13C of pine trees was the best recorder of the VPD response, probably because of strong sensitivity of stomatal conductance to VPD. The information provided by tree rings allow to anticipate the species survival under future climate change and could be used to understand the declining due to these changes.

Le mercure (Hg) est un métal lourd ubiquiste et très toxique. Présent à l’état de traces dans la colonne d’eau des milieux aquatiques, il peut cependant atteindre des concentrations très élevées en fin de chaine alimentaire car il a la particularité d’être bioaccumulé et bioamplifié dans les organismes sous forme de méthylmercure (MeHg). L’identification et la caractérisation des transformations amenant à la formation de MeHg (méthylation) ou à sa dégradation (déméthylation) sont donc de première importance pour évaluer son devenir dans les milieux aquatiques. L’utilisation du comportement des isotopes stables du Hg, à la fois en laboratoire mais aussi dans des échantillons environnementaux, a permis d’évaluer l’influence des processus biotiques et abiotiques mis en jeu dans les système aquatiques sur les transformations et donc la spéciation du Hg dans de tels environnements. Le fractionnement isotopique du Hg, pouvant être dépendant et/ou indépendant de la masse, s’est également avéré être un outil performant pour étudier sa bioaccumulation dans plusieurs membres de la chaîne alimentaire endémique du Lac Baikal (Russie). Les signatures isotopiques mesurées dans ces échantillons ont permi d’améliorer la connaissance sur la distribution, les sources et les transformations affectant les espèces du Hg dans l’écosystème de ce grand lac faisant partie du patrimoine mondial de l’UNESCO depuis 1996 et étant la plus grande réserve d’eau douce liquide de surface mondiale. / Mercury (Hg) is a toxic and ubiquitous heavy metal. Only present at trace levels in the water column of aquatic systems, it can reach high amounts in food web end-members because of its ability to bioaccumulate and biomagnify in organisms as methylmercury (MeHg). Hence, the characterization of the transformations leading to the formation (methylation) and the degradation (demethylation) of MeHg is of great concern to evaluate its fate in aquatic environments. The use of the Hg stable isotopes, during laboratory experiments or in environmental samples, allowed to identify and characterize several biotic and biotic pathways involved in Hg transformations and speciation in aquatic systems. The study of Hg mass-dependent and/or mass-independent fractionation was also a competitive tool to assess its bioaccumulation process in several members of the Lake Baikal endemic food chain (Russia). Measured Hg isotopic signatures in such samples provided insight about Hg species fate and sources within the ecosystem of this lake, which has been nominated as a world heritage site by UNESCO in 1996 and constitutes the world’s largest freshwater lake in terms of volume.

Les interactions entre les végétaux et les organismes telluriques sont déterminantes pour la décomposition des matières organiques et la nutrition minérale des plantes. L’objectif général de la thèse était de comprendre comment les interactions multi-trophiques dans la rhizosphere agissent sur la disponibilité en azote minéral et l’allocation en carbone dans la plante. Nous avons mis au point des dispositifs de culture de plante, permettant de contrôler l’environnement biotique des racines (inoculation par des espèces symbiotiques modèles : un protozoaire bactériophage et/ou une espèce mycorhizienne à arbuscules). Nous avons utilisé l’azote 15N et le carbone 13C pour tracer le cheminement de l’azote du sol vers la plante et le carbone assimilé par photosynthèse, de la plante vers le sol et les microorganismes du sol. L’allocation de C vers les racines et la rhizosphère est dépendante de la qualité de la litière foliaire enfouie. La structure de la communauté microbienne déterminée par l’analyse des profils d’acides gras (PLFA) est modifiée par la présence de protozoaires pour la litière à C/N élevé. Les mycorhizes à arbuscules et les protozoaires présentent une complémentarité pour l’acquisition du C et de N par la plante. Les protozoaires remobilisent l’azote de la biomasse microbienne par leur activité de prédation. Les hyphes fongiques transportent du C récent issu de la plante vers des sites riches en matière organique non accessibles aux racines. Ainsi, l’activité de la communauté microbienne est stimulée et la disponibilité en N augmentée lorsque des protozoaires sont présents. Les perspectives de ce travail sont de déterminer si (i) les interactions étudiées dans ce dispositif modèle peuvent être généralisées à d’autres interactions impliquant d’autres espèces de champignons mycorhiziens et de protozoaires (ii) la phénologie de la plante et la composition des communautés végétales influence la nature et l’intensité des réponses obtenues / Plants interact with multiple root symbionts for fostering uptake of growth-limiting nutrients. In turn, plants allocate a variety of organic resources in form of energy-rich rhizodeposits into the rhizosphere, stimulating activity, growth and modifying diversity of microorganisms. The aim of my study was to understand how multitrophic rhizosphere interactions feed back to plant N nutrition, assimilate partitioning and growth. Multitrophic interactions were assessed in a single-plant microcosm approach, with arbuscular mycorrhizal fungi (Glomus intraradices) and bacterial feeding protozoa (Acanthamoeba castellanii) as model root symbionts. Stable isotopes enabled tracing C (13C) and N (15N) allocation in the plant and into the rhizosphere. Plant species identity is a major factor affecting plant-protozoa interactions in terms of N uptake and roots and shoot morphology. Plants adjusted C allocation to roots and into the rhizosphere depending on litter quality and the presence of bacterial grazers for increasing plant growth. The effect of protozoa on the structure of microbial community supplied with both, plant C and litter N, varied with litter quality added to soil. AM-fungi and protozoa interact to complement each other for plant benefit in C and N acquisition. Protozoa re-mobilized N from fast growing rhizobacteria and by enhancing microbial activity. Hyphae of AM fungi acted as pipe system, translocating plant derived C and protozoan remobilized N from source to sink regions. Major perspectives of this work will be to investigate whether (i) multitrophic interactions in our model system can be generalized to other protozoa-mycorrhiza-plant interactions (ii) these interactions are depending on plant phenology and plant community composition

Le colza est une oléagineuse très exigeante en soufre (S). L'étude des impacts de limitations en S sur la physiologie du colza et sa qualité grainière revêt un intérêt majeur dans un contexte de baisse des dépôts atmosphériques entrainant un appauvrissement des sols en S. Les objectifs étaient donc d'étudier l'incidence d'une limitation en S sur la physiologie de jeunes feuilles, et sur la qualité, le métabolisme soufré et la vigueur germinative des graines. L'analyse physiologique (photosynthèse, flux de S par utilisation de traceur ³⁴S-sulfate), protéomique et biochimique (métabolites S, espèces réactives de l'O₂) a démontré qu'une limitation en S provoque des perturbations du métabolisme carboné et soufré de la feuille et de la graine, pouvant affecter la qualité grainière. Ainsi, une restriction en S au stade rosette se traduit par la chute de l'activité photosynthétique des jeunes feuilles et conduit à un stress oxydatif. Des restrictions en S à différents stades reproducteurs altèrent la qualité protéique et lipidique de la graine aboutissant à une accumulation amoindrie des acides oléique, linoléique, linolénique et des protéines de stockage (SSPs) riches en S. Une accumulation accrue de SSPs pauvres en S permet un maintien de la teneur en protéines de la graine en cas de restriction survenant en fin de cycle. L'accumulation de S dans les protéines de la graine apparaît principalement contrôlée par la synthèse protéique. La vigueur germinative des graines produites est réduite en cas de restriction précoce en S. Ces travaux ont également permis de démontrer que le péricarpe et la graine en développement sont capables d'assimiler le sulfate par la voie réductrice.