Le vent joue un rôle clé dans la structure et le fonctionnement des lacs. Le brassage de la colonne d’eau est notamment impliqué dans la compétition entre les différentes espèces de phytoplancton dont les stratégies de positionnement vertical varient largement entre groupes. Par exemple, les cyanobactéries sont globalement favorisées par des conditions de brassage faible grâce à des mécanismes physiologiques de flottaison leur permettant de se maintenir à une profondeur désirée, alors que les diatomées et les algues vertes qui n’ont pas de système de flottaison dépendent d’un brassage important pour être suspendues dans la zone euphotique. Dans les lacs peu profonds, le brassage généré par le vent est généralement suffisant pour entrainer la resuspension des sédiments. Ceci a pour conséquence directe une augmentation de la turbidité qui peut directement impacter la croissance et la productivité algale. La seconde conséquence est la libération de phosphore précédemment stocké dans les sédiments. La pollution et l’usage d’engrais ont provoqué un important import de phosphore dans les lacs qui sont pour la plupart dans un état d’eutrophisation. Dans un premier temps, cette thèse a eu pour objectif de modéliser la compétition entre une cyanobactérie et une algue verte dans une colonne d’eau de lac peu profond prenant en compte la possibilité de resuspension des sédiments et de phosphore. Différents niveaux de brassage ont été testés : de quasi-stagnant à tempête. Des centaines de simulation ont été réalisées dans différentes conditions de brassage, d’eutrophisation (de oligo- à hypereutrophe) et de réchauffement climatique (actuel et +2°C) permettant d’établir des domaines de conditions de dominance d’une espèce ou de l’autre. Dans une seconde partie, la thèse a eu pour objectif d’explorer les impacts potentiels du brassage sur l’ensemble du réseau trophique pélagique. En effet, la grande majorité des études portant sur le brassage sont des études in situ focalisées sur le phytoplancton. Dans le cas présent, nous avons utilisé des mésocosmes de 15m3 équipés de batteurs à vagues dont les amplitudes, fréquences et longueurs d’ondes sont modifiables. Une première expérience en 2012 a eu pour objet de suivre durant 9 semaines la dynamique des variables physico-chimiques standards et des communautés de phytoplancton, zooplancton, bactéries et virus dans deux modalités de brassage : brassage superficiel et brassage de l’ensemble de la colonne d’eau avec resuspension des sédiments. L’année suivante, la même expérience a été conduite mais cette fois-ci couplée à un traitement de réchauffement appliqué grâce à des bâches de polyéthylène transparentes posées sur les mésocosmes. Ces deux expériences montrent un effet important du brassage sur le phytoplancton avec une augmentation du contenu en chlorophyll a et une augmentation de la productivité. Au niveau du zooplancton, la réponse dépend du sous-groupe. Dans nos expériences, uniquement les copépodes ont répondu négativement au régime de brassage avec un potentiel effet cascade sur la population de rotifers. L’expérience de 2012 suggère également un renforcement de l’activité de lyse bactérienne par les virus dans des conditions de brassage important. En 2013, aucun effet du réchauffement de l’eau de 1°C n’a été observé sur les variables mesurées. Des analyses supplémentaires en cours devraient permettre de compléter les informations obtenues et de vérifier l’absence d’effet du réchauffement. / The wind plays a key role in the structure and functioning of lakes. Water column mixing is involved in the competition between different species of phytoplankton with different vertical positioning strategies. For example, buoyant cyanobacteria are generally favored by low mixing conditions, while sinking diatoms and green algae depend on mixing to be suspended in the photic zone. In addition, in shallow lakes, wind-induced mixing is usually sufficient to cause sediment resuspension. This leads to an increase in turbidity which can directly impact the algal growth and productivity. Resuspension can also induce the release of phosphorus previously stored in sediments. This internal loading via resuspension can boost algal production and growth. The first goal of this thesis was to model the competition between the buoyant cyanobacterium Microcystis aeruginosa and a sinking green algae under different mixing conditions: from quasi-stagnant to storm-like events. Hundreds of simulations were carried out in different conditions of mixing, phosphorus concentration and water temperatures in order to establish the conditions necessary for the dominance of one species on the other. In the second part of this thesis, we explored the potential impacts of mixing on the pelagic food web. The vast majority of previous studies on mixing in shallow lakes are in situ studies focused on phytoplankton. In the summer 2012, we used 15m3 mesocosms equipped with wave-makers and followed during nine weeks the dynamics of physical and chemical variables and the dynamic of phytoplankton, zooplankton, bacteria and viruses under two mixing conditions: whole column mixing with sediment resuspension and superficial mixing without resuspension. The following year, the same experiment was conducted but this time crossed with a warming treatment. Both experiments gave similar results in regards to mixing. We observed a significant effect of mixing on phytoplankton with an increase in chlorophyll content and an increase in productivity. The response of zooplankton to mixing depended on the subgroup. In our experiments, only copepods responded negatively to mixing with a potential cascade effect on the rotifer population while bosminas remained unaffected throughout the experiments. The 2012 experience also suggests an increase in bacterial lysis activity by virus in mixed enclosures. In 2013, no effect of water warming (+1°C) was observed on the measured variables, however, additional analysis are still underway to confirm or infirm these results.

La dispersion par croissance clonale serait un processus majeur de la structuration des communautés végétales, particulièrement en prairies où une majorité d'espèces sont clonales. Celles-ci produisent des modules génétiquement identiques organisés en réseau, dont l'agrégation dépend de la stratégie de croissance de l'espèce. Cette thèse vise à analyser et à comprendre la dynamique des communautés végétales de prairie en se basant sur les règles d'assemblage spatial des espèces clonales et d'en déterminer les conséquences pour leur fonctionnement. Pour cela, des approches complémentaires expérimentales et de modélisation ont été utilisées. Nos résultats montrent que les stratégies de croissance des clones déterminent la structure spatiale des communautés à échelle fine, générant un large panel de patrons. Le patron spatial d'une espèce varie selon les stratégies de croissance clonale présentes dans la communauté. Ces variations résulteraient d'une modification des traits clonaux en réponse à l'environnement biotique. Le clone est capable d'ajuster sa croissance horizontale selon l'identité de son compétiteur grâce aux informations collectées par les modules. La valeur adaptative de cette réponse plastique dans la résistance à la compétition dépend du structural blue-print de la plante mais peu de l'ontogénie. Nous montrons également que les traits clonaux ont un rôle majeur dans le fonctionnement des communautés en influençant leur productivité, probablement via les patrons spatiaux qu'ils génèrent. Ces résultats ont été utilisés dans le cadre de la mise en place des bandes enherbées, afin de définir un semis optimal par rapport à leur fonction de préservation de la qualité de l'eau. Ce travail souligne l'importance des processus spatiaux observés à l'échelle du clone pour ceux opérant à l'échelle de la communauté ou de l'écosystème.

Le devenir des hydrocarbures (HC) dans les environnements hypersalins constitue une problématique environnementale majeure. Ce travail pour objectifs (1) d’évaluer l’impact d’une pollution pétrolière sur les communautés microbiennes d’un milieu hypersalin, (2) de déterminer comment les archées hydrocarbonoclastes accèdent aux HC et, (3) de déterminer si la biodégradation est possible en conditions anaérobies dans ces environnements hypersalés. Nous avons démontré qu’une biodégradation modérée du pétrole est possible en milieu hypersalin environ 10 % de la fraction aliphatique du pétrole sont biodégradé. Une disparition progressive des composés aromatiques les plus légers est également observée, liée aux processus abiotiques. La dynamique des communautés procaryotiques montre un changement dans la structure de la communauté bactérienne autochtone des saumures. Une résistance à la contamination pétrolière a en revanche été observée pour les communautés archéennes des saumures. Dans une deuxième partie du travail, nous avons pu montrer, à l’aide d’une souche d’archée hyperhalophile modèle (Haloferax volcanii MSCN14), que les archées hydrocarbonoclastes de ces environnements mettent en oeuvre plusieurs mécanismes leur permettant d’augmenter la biodisponibilité des HC. Dans une dernière partie des travaux, nous avons testé les capacités d’une souche modèle (Hfx. volcanii MSNC 16) à dégrader les HC en anaérobiose. Si Hfx. volcanii MSNC16 est bien capable d’utiliser le fumarate comme accepteur terminal d’électrons, elle n’est en revanche pas capable de dégrader l’alcane testé (heptadécane) en absence d’oxygène. / The fate of hydrocarbons (HC) in hypersaline environments is an important environmental issue. This work aimed to (1) assess the impact of oil pollution on microbial communities of a hypersaline environment, (2) determine how hydrocarbonoclastic archaea can access to HC and (3) whether biodegradation is possible in these hypersaline environments in the absence of oxygen. We have shown that moderate oil biodegradation is possible under hypersaline conditions. In these conditions close to natural ones, about 10% of the aliphatic hydrocarbons were biodegrade. A gradual disappearance of the lighter aromatic compounds was also observed, but these losses were mainly due to abiotic processes. The monitoring of prokaryotic communities based on molecular fingerprints showed a change in the structure of the indigenous bacterial community. On the contrary, resistance to oil contamination was observed among the indigenous archaeal communities of brines. In the second part of this work, laboratory cultures of a hyperhalophilic archaeal strain (Haloferax volcanii MSCN14), allowed to demonstrate that, in hypersaline environments, hydrocarbonoclastic archaea use several strategies to increase the bioavailability of HC. Indeed, strain MSCN14 was capable of producing one or several biosurfactants during growth on different HC, and was adhering to the surface of the HC. In the last part of this work, we tested the capacities of a model archaeal strain (Hfx. volcanii MSNC 16) to degrade HC anaerobically. If Hfx. volcanii MSNC16 was able to use fumarate as a terminal electron acceptor, it was, however, not capable of degrading heptadecane in the absence of oxygen.

Mon travail de thèse s'est attaché à étudier les effets de la diversité des litières et de la macrofaune du sol sur les communautés microbienne, sous contrainte hydrique. Dans une première partie, le suivi des communautés microbiennes associées aux feuilles de la litière (feuilles mortes) et de la phyllosphère (feuilles vivantes), pendant un an en conditions naturelles, a montré des différences marquées selon l'état physiologique de la feuille, l'importance de l'espèce végétale hôte sur les communautés microbiennes ainsi que l'évolution des communautés au cours de l'année. Une deuxième partie présente les résultats d'une expérience de décomposition en microcosmes selon deux modalités d'humidité, un gradient de dissimilarité fonctionnelle des espèces de litière, et la présence/absence d'une macrofaune détritivore. Nos résultats confortent l'importance de l'espèce végétale sur les communautés microbiennes et montrent que la présence de détritivores favorise la diversité microbienne. Enfin, une dernière partie évalue l'impact d'une diminution des précipitations et de la diversité des litières sur les communautés microbiennes lors d'une expérience de décomposition d'un an in situ, à l'aide de dispositifs d'exclusion de pluie. La composition des mélanges de litières a une influence plus marquée sur les communautés microbiennes que la baisse des précipitations. En conclusion, les résultats de mes travaux ont tendance à minorer l'effet d'une diminution des précipitations sur les communautés microbiennes, mais soulignent la sensibilité des interactions entre communauté végétale, macrofaune et microorganismes face au changement climatique. / My PhD work focused on studying the effects of litter diversity and soil macrofauna on microbial communities under water stress. In the first part, the monitoring of microbial communities associated with leaf litter (dead leaves) and phyllosphere (living leaves) for one year under natural conditions, showed marked differences depending on the physiological state of leaves, the importance of the host plant species on microbial communities and the changes of communities during the year. A second part presents the results of a microcosms decomposition experience under two humidity conditions, a functional dissimilarity gradient of litter species and the presence / absence of a detritivorous macrofauna. Our results reinforce the importance of the plant species on microbial communities and show that the presence of scavengers encourages microbial diversity. A final section assesses the impact of a decrease in precipitation and litter diversity on microbial communities in an in situ decomposition experiment during one year, using rain excluder devices . The composition of litter mixtures has a stronger influence on the microbial communities than lower rainfall. In conclusion, the results of my work tend to underestimate the effect of a decrease in precipitation on microbial communities, but emphasize the sensitivity of the interactions between plant community, macro- and micro-organisms to climate change.

Depuis le début de la période industrielle, les activités humaines ont généré une augmentation importante de la concentration atmosphérique en CO2. Une partie de ce CO2 s’accumule dans l’atmosphère, entraînant une augmentation de l’effet de serre naturel et de la température à la surface du globe. Ce processus est plus connu sous le terme réchauffement climatique ou global. De plus, environ 25 % du CO2 produit sont absorbés par les océans. La dissolution du CO2 dans l’eau de mer, entraîne une augmentation de la concentration en protons et en ions bicarbonates (HCO3-) et une diminution de la concentration en ions carbonates (CO32-). Il en résulte une diminution du pH et du taux de saturation de l’eau de mer vis-à-vis du carbonate de calcium. L’ensemble de ces processus est appelé acidification des océans (AO). Le pH des eaux de surface océaniques a déjà diminué de 0,1 unité depuis le début de l’ère industrielle. Ce phénomène devrait s’intensifier au cours du siècle. Selon les prévisions moyennes d’émissions futures de gaz à effet de serre de l’IPCC, la température moyenne des eaux de surface devrait augmenter de 2 à 4 °C et son pH devrait diminuer de 0,3 à 0,4 unité d’ici 2100.<p>Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses études ont mis en évidence l’impact négatif de l’AO sur les organismes marins. Les premières études ont été menées principalement en milieu artificiel et ont mis en évidence des conséquences majeures sur la physiologie des organismes, principalement au niveau individuel. Cependant, les dernières études menées dans le domaine ont souligné l'importance de mettre en place des expériences à long terme, à l'échelle de l'écosystème, et dans des conditions plus proches du milieu naturel. Ce type d’étude permet de prendre en compte les interactions écosystémiques et les processus d’acclimatation afin de mieux prévoir les effets directs mais aussi indirects de la diminution du pH dans les océans. <p>L’existence des récifs coralliens tropicaux dépend de la vitesse de formation du socle récifal qui les façonnent (principalement via la calcification des coraux hermatypiques) qui doit rester supérieure à sa (bio)érosion. D’une part, plusieurs études ont montré que le taux de calcification des coraux hermatypiques diminue lorsque la pCO2 augmente. D’autre part, les oursins sont d’importants bioérodeurs des récifs et contribuent donc à la perte de masse calcaire récifale. Cependant, les oursins empêchent également, par leur broutage, le recouvrement des coraux par les algues favorisées par l’AO. Dès lors l’effet de l’élévation de la pCO2 sur les oursins et leur capacité bioérosive peut être déterminant pour l'avenir des récifs coralliens tropicaux au cours du siècle, particulièrement ceux où la densité de ces bioérodeurs est importante. Une telle prédiction est d’autant plus complexe si l’on prend en compte la possible acclimatation des différents acteurs à long terme.<p>Dès lors, le but du présent travail fut d'évaluer l'effet à long terme de l’élévation de la pCO2 prévue en 2100 sur la physiologie et l’activité érosive d’un oursin clé de certains récifs coralliens, Echinometra mathaei, dans un dispositif artificiel reproduisant l’écosystème corallien.<p>La première étape a été la mise en place un outil expérimental permettant de maintenir à long terme un écosystème de récifs coralliens simplifié en condition contrôle et au pH prévu en 2100 tout en maintenant les autres paramètres physico-chimiques identiques et proches du milieu naturel (y compris dans leurs variations journalières). Le système mis en place est composé de scléractiniaires hermatypiques comme constructeurs de récif, d’oursins (E. mathaei) comme bioérodeurs et brouteurs et un substrat calcaire de récif avec ses communautés d’algues, bactéries, archae, champignons et méiofaune. Les variations journalières de pH et de température reproduisent celles mesurées in situ dans le site de La Saline, Ile de La Réunion, d’où proviennent une partie des organismes. Le pH moyen des aquariums contrôles a été maintenu avec succès à une moyenne de 8,09 ± 0,04, celui des aquariums à pCO2 élevée à 7,63 ± 0,02. L’alcalinité totale du système a pu être maintenue entre 2350 et 2450 µmol.kg-1. <p>L’impact de l’AO prévue en 2100 (pH 7,7) sur la physiologie d’E. mathaei été étudié à court terme (sept semaines). La principale source de nourriture des oursins fut la communauté algale se développant sur le substrat, comme en conditions naturelles. Cette étude a permis de mettre en évidence, à court terme, la capacité de résistance de cet oursin à une AO modérée. En effet, la croissance et le métabolisme ne furent pas affectés significativement. Ces observations ont été associées au maintien de la balance acide-base du fluide extracellulaire, le liquide cœlomique, par accumulation de bicarbonates dans celui-ci.<p>Une même expérience a ensuite été réalisée à long terme. La diminution du pH a été induite progressivement durant six mois jusqu'à atteindre un pH moyen de 7,65 qui fut ensuite maintenu à cette valeur pendant sept mois supplémentaires. La capacité de régulation de la balance acide-base du liquide cœlomique et la résistance d’E. mathaei à l’AO a été confirmée à long terme. Tant la croissance que le métabolisme et les propriétés mécaniques du squelette ne furent pas affectés. Cette résistance apparaît liée aux capacités de régulation acide-base d’E. mathaei, un trait apparemment d’origine génétique. Cette résistance pourrait également dépendre de la quantité et de la qualité de la nourriture disponible (calcaire ou non). Il est suggéré que les ions bicarbonates impliqués dans la régulation acide-base proviendraient en partie de la nourriture. <p>Parallèlement à ces mesures physiologiques, l’activité érosive d’E. mathaei a été mesurée. Les résultats indiquent que le taux de bioérosion triple en conditions acidifiées (pH 7,65). Cette augmentation serait liée à l’augmentation de l'activité de broutage des oursins et à la dissolution biologique du substrat, les propriétés mécaniques des dents des oursins et du squelette des coraux ne semblant pas affectés significativement. Nous suggérons que cette activité érosive accrue pourrait avoir un impact sur l'équilibre dynamique entre bioerosion et bioaccrétion des coraux et pourrait déterminer l'avenir des récifs coralliens où E. mathaei est le principal bioérodeur. Il faut toutefois noter que l’activité érosive de cet oursin est liée à une consommation accrue des macro-algues en compétition avec les coraux et algues corallines, favorisant ainsi ces derniers.<p>Les résultats obtenus, associés à ceux provenant de la littérature, indiquent que les changements globaux pourraient provoquer un changement profond des écosystèmes coralliens tropicaux. En effet, l’ensemble des bioérodeurs principaux étudiés jusqu’à présent semblent résistants aux changements climatiques globaux et montrent une augmentation de leur activité érosive. Dans le cas des récifs ayant déjà à l’heure actuelle une faible calcification nette, l’augmentation de la bioérosion pourrait mener à l’érosion nette et à la réduction puis à la disparition du récif. La prédiction du devenir des récifs coralliens tropicaux à l’échelle planétaire doit toutefois prendre en compte de nombreux paramètres :acclimatation, résistance/sensibilité et interactions des différents acteurs des récifs. D’autres études comparables à celles menées dans le présent travail devraient être mises en place afin de tester ces différents facteurs. Les données obtenues pourraient dès lors être utilisées dans la construction d’un modèle mécanistique permettant de mettre en place localement des mesures de conservation du récif, en complément de l’indispensable réduction massive de l’émission de CO2 atmosphérique à l’échelle mondiale.<p><p><p><p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Au cours des dernières décennies, une grande variété de pesticides émergents, tels que le chlorantraniliprole (CAP), ont été introduits malgré le manque de connaissance approfondie de leur risque écotoxicologique. Les marais filtrants (TW) sont des technologies écologiques et durables qui ont montré un grand potentiel d’atténuation des polluants agricoles communs, tels que les pesticides dans le ruissellement. L’objectif de cette étude était d’optimiser l’utilisation du marais filtrant sous-surfacique à écoulement horizontal (HSSF) en déterminant: a) l'effet d’un amendement de biochar au substrat et b) la performance de trois espèces de macrophytes (Phragmites australis subsp. americanus, Scirpus cyperinus et Sporobolus michauxianus) dans l'abattement du CAP du ruissellement agricole. L'efficacité d'abattement a été calculée en utilisant la méthode du bilan de masse dans des mésocosmes HSSF matures alimentés avec un ruissellement agricole synthétique contenant du CAP pendant une période d'un mois. Les mésocosmes avec l’ajout de biochar se sont avérés très efficaces dans l’abattement du CAP (90 à 99%) et ils le sont restés tout au long de la période expérimentale. Cette efficacité est probablement due à la grande capacité d’adsorption du biochar, bien que ce mécanisme n’ait pas été directement mesuré. En revanche, l'abattement du CAP dans les mésocosmes plantés sans biochar était faible et limité et il n’y avait pas de différence entre les espèces, bien qu’elles aient eu des différences dans leur biomasse aérienne et leur taux d'évapotranspiration (ET). Cependant, les traitements plantés ont agi comme zone tampon, en atténuant la masse du CAP de l'influent et en la libérant lentement dans l'effluent. Le taux d'ET de Scirpus et Phragmites était plus élevé que celui de Sporobolus, ce qui s’est traduit par un meilleur effet tampon. Cette étude suggère que l'ajout de biochar au substrat HSSF TW est prometteur pour l'atténuation du CAP dans le ruissellement agricole, mais leur efficacité à long terme reste à être étudiée. Malgré tout, les TW devraient être utilisés comme un outil complémentaire, dans le cadre d'actions plus larges visant à réduire la pression des polluants sur les écosystèmes aquatiques. / Over the past decades, a wide variety of emergent pesticides, such as chlorantraniliprole (CAP), have been introduced despite the lack of in-depth knowledge of their ecotoxicological risk. Treatment wetlands (TWs) are environmentally friendly and sustainable technologies that have shown great potential to mitigate common agricultural pollutants, such as pesticides in runoff. The objective of this study was to optimize the use of the horizontal subsurface flow treatment wetlands (HSSF TWs) by determining a) the effect of biochar amendment to the substrate and b) the performance of three species of macrophytes (Phragmites australis subsp. americanus, Scirpus cyperinus and Sporobolus michauxianus) in CAP removal from agricultural runoff. The removal efficiency was calculated using the mass balance method in mature HSSF mesocosms fed with synthetic agricultural runoff containing CAP for a period of one month. Mesocosms with the addition of biochar were very effective in removing CAP (90-99%) and remained so throughout the experimental period. This efficiency is likely due to the high adsorption capacity of biochar, although this mechanism has not been directly measured. In contrast, CAP removal in mesocosms planted without biochar was low and limited and there was no difference between species, although there were differences in their above-ground biomass and their evapotranspiration (ET) rate. However, the planted mesocosms acted as buffer zones, reducing the CAP mass of the influent and slowly releasing it into the discharge. The ET rate of S. cyperinus and P. australis was higher than that of S. michauxianus, resulting in a better buffering effect. This study suggests that adding biochar to the HSSF TW substrate is promising for CAP attenuation in agricultural runoff, but their long-term effectiveness remains to be investigated. Nevertheless, TWs should be used as a complementary tool, as part of wider actions aimed at reducing the pressure of pollutants on aquatic ecosystems.