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Human disruption of climate, habitat, and ignition has altered the behavior of wildland fire at local to continental scales. In many regions, novel fire regimes are emerging that threaten to exceed the capacity for local management to protect human wellbeing and ecosystem function. Simultaneous changes in climate, species composition, and fire management have resulted in extreme fire behavior in many regions. For the Western United States, the emerging novel fire regime consists of more frequent, severe, and intense wildfires, with annual area burned by wildfire having doubled and high-severity wildfire area having increased 8-fold since the 1980s. The impacts of these increasing stresses in the Great Basin is especially pressing when combined with the many years of historically poor resource management. Here we complete a literature review of changing wildfire regimes globally (chapter 1) and a study of how the abiotic and biotic aspects of aquatic ecosystems stabilize after a megafire in the western United States (chapter 2).

Trichoderma atroviride SC1 (SC1) was isolated from hazelnut wood and it is effective in the biocontrol of soil-borne pathogens. However, its effectiveness decreases as its population declines in the soil over time. To improve its persistency in the soil, lignocellulosic materials (wood pellets) were tested to be used as carriers to sustain the population of SC1 and facilitate its incorporation into the soil. A method was developed to coat wood pellets of fir, beech, and chestnut with a conidial suspension to reach a preset concentration (i.e. 10^4, 10^5, and 10^6 cfu/ g of wood). The growth of SC1 on each type of wood was compared. Chestnut pellets were excluded from further experiments because they had low counts of colony-forming units (cfu) of SC1. Beech pellets were preferred over fir pellets for showing more suitable physicochemical characteristics for soil application. In addition, for the same wood type, increased initial coating concentrations did not impact the final colony counts of SC1 and no significant difference was observed between the counts of 10^4, 10^5, and 10^6 cfu/g of wood at the end of the experiment. The addition of small quantities of nitrogen increased the final cfu on all types of wood pellets. The growth of SC1 on beech pellets was then tested by adding cheap nitrogen sources namely, soy flour, soy protein isolates, and proteins that originated from animal wastes. The best results were obtained with soy protein isolates (1 g/L) and the population of SC1 reached 10^9 cfu/ g of beech wood. Finally, this carrier of coated beech pellets with soy protein isolates was tested in the soil under controlled conditions, in an experimental greenhouse at 25°C and 60% of soil humidity. The pellets were coated to reach a final concentration of 5×10^5 cfu/ g of beech and 10 g of beech coated pellets were mixed with 1 kg of soil in plastic pots to reach the final concentration of 5×10^3 cfu/ g of soil. The carrier increased the bacterial richness and diversity of the soil and decreased the fungal ones. The total Trichoderma population persisted in the first month and then declined after three months with competition from other bacteria such as Massilia spp. and fungi such as Stachybotrys spp. and Mortierella spp.

The field of microbial ecology has just entered a new era of rapid technological development and generation of big data. The high-throughput sequencing techniques presently available provide an opportunity to extensively inventorize the blueprints of life. Now, millions of microbes of natural microbial communities can be studied simultaneously without prior cultivation. New species and new functions (genes) can be discovered just by mining sequencing data. However, there is still a tremendous number of microorganisms not yet examined, nor are the ecosystem functions these carry out. The modern genomic technologies can contribute to solve environmental problems and help us understand ecosystems, but to most efficiently do so, methods need to be continuously optimised.   During my Ph. D. studies, I developed a method to survey eukaryotic microbial diversity with a higher accuracy, and applied various sequencing-based approaches in an attempt to answer questions of importance in environmental research and ecology. In PAPER-I, we developed a set of 18S rRNA gene PCR primers with high taxonomic coverage, meeting the requirements of currently popular sequencing technologies and matching the richness of 18S rRNA reference sequences accumulated so far. In PAPER-II, we conducted the first sequencing-based spatial survey on the combined eukaryotic and bacterial planktonic community in the Baltic Sea to uncover the relationship of microbial diversity and environmental conditions. Here, the 18S primers designed in PAPER-I and a pair of broad-coverage 16S primers were employed to target the rRNA genes of protists and bacterioplankton for amplicon sequencing. In PAPER-III, we integrated metagenomic, metabarcoding, and metatranscriptomic data in an effort to scrutinise the protein synthesis potential (i.e., activity) of microbes in the sediment at a depth of 460 m in the Baltic Sea and, thus, disclosing microbial diversity and their possible ecological functions within such an extreme environment. Lastly, in PAPER-IV, we compared the performance of E. coli culturing, high-throughput sequencing, and portable real-time sequencing in tracking wastewater contamination in an urban stormwater system. From the aspects of cost, mobility and accuracy, we evaluated the usage of sequencing-based approaches in civil engineering, and for the first time, validated the real-time sequencing device in use within water quality monitoring.   In summary, these studies demonstrate how DNA sequencing of microbial communities can be applied in environmental monitoring and ecological research. / <p>Yue Hu was supported by a scholarship from the China Scholarship Council (CSC #201206950024)</p><p>Yue Hu has been publishing papers under the name "Yue O. O. Hu".</p><p>QC 20170403</p>

Dans le contexte énergétique actuel, les pouvoirs publics s’engagent à réduire la consommation des énergies fossiles et à développer le marché des énergies renouvelables afin de diminuer les émissions de CO2 et de faire face à la raréfaction des sources d’énergie fossile. La demande en bois-énergie, notamment de plaquettes forestières, est appelée à s’accroître dans les années à venir. Afin d’augmenter la production forestière une exploitation des résidus de coupe de diamètre inférieur à 7 cm, appelés rémanents forestiers, est envisagée. De plus, pour compenser la perte de matière organique exportée avec les rémanents, une compensation minérale sous forme de cendres provenant des chaufferies est envisagée. Cependant, l’impact de telles pratiques de gestion sur les écosystèmes forestiers tempérés ne sont que très peu étudiés. Les objectifs de cette thèse étaient donc d’étudier l’impact d’un export des rémanents forestiers et d’une compensation par les cendres sur la biocénose du sol à différentes échelles et de tenter d’identifier des indicateurs biologiques pouvant mettre en lumière les perturbations de l’écosystème créées par ces gestions. Dans un premier temps, l’étude de la macrofaune et de la mésofaune du sol à une échelle régionale puis nationale a permis de mettre en avant l’importance de l’essence dominante (hêtre ou chêne) dans la réponse du macrofaune à l’export de rémanents. Cette partie a aussi montré que l’export de la totalité des rémanents et de la litière a un impact négatif sur toute la communauté de la faune du sol et que l’apport de cendres ne compensait pas, voire aggravait, l’effet de l’export de rémanents. Dans un second temps, une étude en mésocosme d’un double gradient de quantité de rémanents et de cendres a mis en avant l’importance de la fertilité minérale du sol dans la réponse de l’interface sol-végétation. Dans un sol neutre, l’export des rémanents ou l’apport de cendres ne présentait pas d’impact sur l’interface sol-plante au contraire du sol acide. De plus, dans le sol acide, une importante modification structurelle de la communauté microbienne a été mise en avant lors du mélange entre les rémanents et les cendres. Pour finir cette étude a permis de mettre en lumière les ordres des Lithobiomopha et des Geophilomorpha comme potentielles sources de bioindicateurs des perturbations des réseaux trophiques dans le cadre d’une gestion des rémanents ou d’un apport de cendres / In the current contextof energetic transition, public policies commit to reduce fossil fuel consumption and develop renewable energies in order to reduce CO2 emission. Woody biomass can be one of the solutions in order to increase the share of renewable energu ressources in energetic mix. In order to increase woody biomass production, an export of logging residues (under 7 cm of diameter) is investigated. Furthermore, in order to offset th export of organic matter with logging residue, mineral compensation by wood ash application is investigated. Nevertheless, the effect of such management practices on temperate forest ecosystem were understudied. The aims of this thesis were to study the impact of logging residues management intensity and wood ash offset on soil biota and to investigate potential bioindicators of disturbance led by these practices. First, the study on macrofauna and mesofauna at various scales (regional then northen French) highlited the importance of tree species (oak or beech) the response of soil biota to logging residue export. Furthermore, this first part showed a strong negative impact on the whole soil community when logging residues and litter were exported and wood ash application did not compensate the impacts of logging residues export on macro and mesofauna. Second, a mesocosm study with a cross-gradient of logging residue and wood ash input highlighted the importance of mineral fertility in the response of soil-plant interface. In neutral soil, logging residue export or wood ash application did not impact soil-plant interface, conversely to acidic soil. Furthermore, in acidic soil, a strong structural disturbance of microfloral assemblage was showed when logging residue and wood ash were added together. Third, this thesis highlighted Litobiomorpha and Geophilomorpha orders as potential sources of bioindicators of disturbance of trophic networks in logging residue export and wood ash offset context of forest management practices

Dans les agroécosystèmes, les réseaux trophiques sont souvent structurés à partir de la plante d'intérêt agronomique, qui permet aux herbivores qui lui sont associés de se développer, notamment les bioagresseurs. La monoculture de bananiers a permis au charançon du bananier (Cosmopolites sordidus) de prospérer. Les larves de C. sordidus se nourrissent exclusivement de bananiers et provoquent leur chute, réduisant fortement le rendement dans la plupart des régions de production. Cette thèse a cherché à élucider la structure et le fonctionnement du réseau trophique de la bananeraie et particulièrement les interactions trophiques qui lient le C. sordidus aux autres espèces. L'objectif appliqué en ligne de mire était de favoriser les prédateurs généralistes pour augmenter la régulation naturelle de C. sordidus.1. Quel est l'effet de l'ajout d'une plante de couverture sur la prédation de C. sordidus ? En utilisant une variété de méthodes - isotopes stables, piégeage, infestation artificielle de bananiers, nous avons testé avec succès l'hypothèse selon laquelle l'enherbement induit, via le développement de proies alternatives, un changement de régime alimentaire des prédateurs généralistes, une augmentation de leurs abondances et une plus forte prédation des oeufs de C. sordidus.2. Quel est la structure du réseau trophique ? Nous avons combiné le séquençage haut-débit (technologie 454) avec le concept de codes-barres à ADN pour identifier les proies présentes dans le contenu stomacal des consommateurs. Nous avons utilisé un marqueur chloroplastique (boucle P6 trnL) pour identifier le bol alimentaire des herbivores, et un marqueur mitochondrial (mini-CO1) pour les prédateurs. Cette approche a permis de détecter des espèces qui n'avaient pas été échantillonnées, d'identifier les prédateurs naturels de C. sordidus au champ, et de quantifier les interactions à l'échelle des populations.3. Comment la structure du réseau trophique peut-elle influencer la régulation de C. sordidus ? Nous avons cherché les différents éléments structuraux (motifs) présents dans le réseau trophique de deux agroécosystèmes bananiers (sur sol nu et sur sol enherbé), et analysé leurs fonctions. Nous avons notamment décelé un motif composé de 4 espèces (2 ressources et 2 consommateurs) qui est représenté en grand nombre par rapport à un modèle neutre de réseau trophique. Ce motif s'est révélé systématiquement déséquilibré en faveur d'une proie, ce qui démontre qu'une distribution asymétrique des forces d'interactions permet de structurer le réseau. L'analyse de la position de C. sordidus dans les motifs décelés a permis de révéler ses interactions préférentielles avec les autres espèces de la communauté.Cette thèse montre comment le couplage de méthodes innovantes et complémentaires permet d'avoir une approche globale du fonctionnement trophique de l'agroécosystème. Les résultats montrent l'importance des ressources primaires (autres que la plante cultivée) sur la structuration du réseau trophique des arthropodes et sur le potentiel de régulation des bioagresseurs. Ce travail illustre également le lien entre la structure globale d'une communauté et l'évaluation des fonctions qui y sont associées

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.

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