Cette thèse vise à avancer dans la compréhension de la formation récemment découverte de carbonates amorphes intracellulaires par des cyanobactéries. Des synthèses abiotiques ont permis de produire des carbonates similaires aux inclusions intracellulaires en termes de morphologie, structure et composition chimique. Ceci a permis notamment de discuter les conditions chimiques présentes dans le milieu intracellulaire de ces bactéries, qui semblent incompatibles avec les connaissances actuelles de l’intérieur des cyanobactéries. Plusieurs souches de cyanobactéries formant ou non des carbonates intracellulaires ont été cultivées en laboratoire. Des études de chimie des solutions sur le milieu extracellulaire ont montré que la précipitation intracellulaire est un processus actif pour la cellule, c’est-à-dire nécessitant de l’énergie. De plus, les cyanobactéries formant des carbonates de calcium intracellulaires imposent de faibles concentrations en calcium dans leur milieu de vie. Le suivi de la formation de carbonates intracellulaires dans des milieux contrôlés a aussi permis de démontrer qu’une espèce formait spécifiquement des carbonates de baryum et de strontium grâce à une affinité pour le baryum supérieure à celle pour le strontium, elle-même supérieure à celle pour le calcium. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour la dépollution et questionne l’utilisation des rapports Sr/Ca comme proxy des paléo-environnements. / In this thesis we study the recently discovered formation of intracellular amorphous carbonates by cyanobacteria. Abiotic syntheses produced carbonates with a morphology, structure and composition similar as intracellular inclusions. The intracellular chemical conditions in the cyanobacteria can be discussed; they seem inconsistent with our current knowledge about cyanobacteria. Several cyanobacterial strains, forming intracellular carbonates or not, were cultured in the laboratory. Analyses of the chemical composition of extracellular solutions showed that intracellular precipitation is an active process, i.e., it needs energy. Also, cyanobacteria forming intracellular calcium carbonates imposed low concentrations in calcium in their living environment. Monitoring the formation of intracellular carbonates in controlled environments also demonstrated that one species formed carbonates of barium and strontium owing to an affinity for barium higher than for strontium and higher for strontium than calcium. This feature opens interesting perspectives on bioremediation and questions the use of Sr/Ca ratios as a proxy for paleo-environments.

L'aménagement de bandes de protection riveraines par le biais de la revégétalisation est considéré comme un des moyens les plus efficaces pour la réduction de la pollution agricole diffuse. Par ailleurs, la restauration de la zone riveraine en milieu agricole a une importance particulière pour la biodiversité, car les habitats riverains abritent des espèces que l'on ne retrouve nulle part ailleurs dans les agroécosystèmes. Pour contrebalancer les coûts liés à l'implantation et à l'entretien de la bande riveraine, il est possible d'utiliser des végétaux qui créeront des biens alternatifs sur la ferme. La récolte des végétaux permet également de maintenir le potentiel d'accumulation des nutriments dans la végétation riveraine. Parmi les essences utilisées en restauration riveraine, le peuplier hybride (Populus spp.) est particulièrement intéressant en raison de sa forte productivité et de sa tolérance à l'inondation. Il permet donc de restaurer rapidement plusieurs attributs fonctionnels et structuraux dans l'agroécosystème (accumulation de nutriments, stabilisation du sol et des berges, couvert forestier, microclimat, etc.) tout en permettant la production de biomasse et de bois. Cette thèse a pour objet l'étude de bandes riveraines de peuplier hybride (4,5 m de largeur et 2222 tiges ha-1) âgées de six ans, comprenant cinq clones non apparentés de peuplier hybride, qui ont été plantées simultanément sur quatre sites agricole de l'Estrie (sud du Québec). Ces bandes riveraines sont toutes situées sur des petits cours d'eau de tête de faible largeur (1 à 2 m). Le premier chapitre a pour objectif d'évaluer la production de bois et de biomasse dans de tels systèmes riverains (4 sites et 5 clones). Cet aspect est un des éléments importants pour évaluer la faisabilité économique des projets de restauration riveraine. Il est donc nécessaire d'identifier les facteurs édaphiques qui influencent la productivité de ces systèmes. Le second chapitre aborde la séquestration du carbone et l'accumulation des nutriments dans la biomasse épigée des peupliers hybrides (4 sites et 5 clones). L'objectif est d'évaluer à quel point les peupliers hybrides sont des puits de carbone, d'azote et de phosphore efficaces dans la zone riveraine agricole et quels sont les facteurs (choix du site, choix des clones) qui influencent cette efficacité. Dans ce chapitre, une comparaison est également réalisée avec des bandes herbacées adjacentes aux plantations. Le troisième chapitre vise à évaluer l'effet des bandes riveraines de peuplier hybride et des différents clones sur la biomasse et la diversité végétale en sous-couvert (3 sites et 2 clones). L'objectif est d'évaluer dans quelle mesure les conditions lumineuses en sous-couvert dans les bandes ont un effet sur la biomasse végétale et sur la richesse et le recouvrement de différents groupes d'espèces. Une comparaison avec des bandes herbacées naturelles adjacentes est également réalisée. Le quatrième chapitre aborde les différences clonales qui peuvent exister au chapitre de l'assimilation de l'azote, un aspect fondamental pour l'adaptabilité des clones de peupliers hybrides à différents milieux de croissance (sol riche vs sol pauvre). Les résultats montrent le fort potentiel des bandes riveraines de peuplier hybride pour produire du bois et de la biomasse et pour séquestrer du carbone et des nutriments (N et P) dans les parties épigées (tronc, branches et feuilles). Ce potentiel est très variable d'un site à l'autre puisque des écarts de croissance d'environ un ordre de grandeur ont été observés entre les sites, essentiellement en raison de la fertilité du sol. Un rendement en volume de 40 m3 ha-1 an-1 a été atteint au site fertile de Bromptonville, un rendement qui n'avait jamais été obtenu auparavant au Québec. Sur ce site la séquestration du carbone, l'accumulation de l'azote et du phosphore s'élevait après 6 ans à 52 t ha-1 de C, 770 kg ha-1 de N et 82 kg ha-1 de P. Au site pauvre de Magog, le rendement en volume était aussi faible que 4 m3 ha-1 an-l, alors que la séquestration du carbone et l'accumulation de l'azote et du phosphore n'était que de 6,4 t ha-1I de C, 90 kg ha-1 de N et 10 kg ha-1 de P. Le principal facteur qui a influencé la croissance des peupliers et, par conséquent, leur capacité à séquestrer du carbone et des nutriments a été la disponibilité en nitrates (NO3) dans le sol riverain. Des relations hautement significatives (p<0,001) ont été obtenues entre la disponibilité du nitrate dans le sol et le volume moyen par arbre (R2=0,58), la biomasse moyenne (tronc + branches + feuilles) par arbre (R2=0,54), la séquestration moyenne du carbone par arbre (R2=0,54), l'accumulation moyenne de l'azote par arbre (R2=0,59) et l'accumulation moyenne du phosphore par arbre (R2=0,56). La forte disponibilité en nitrates a été observée sur les sites (Bromptonville et St-Isidore-de-Clifton) où l'on pratique un élevage plus intensif du bétail (fertilisation annuelle du pâturage, densité élevée d'animaux). Ainsi, le peuplier hybride semble être un arbre idéal pour intercepter la pollution azotée qui provient de la fertilisation agricole. Non seulement le peuplier hybride croît plus vite lorsque l'azote est plus abondant dans le sol, mais on retrouve également l'azote en plus forte concentration dans ses tissus, ce qui produit un effet synergétique sur l'accumulation totale de l'azote dans l'arbre. Cette synergie positive a également été observée pour l'accumulation du phosphore. D'ailleurs, des relations hautement significatives (p<0,001) ont été observées entre la disponibilité du nitrate dans le sol et la concentration d'azote dans les feuilles de peuplier (R2=0,47), de même qu'entre la disponibilité du phosphore et sa concentration foliaire (R2=0,22). Au site de Magog, la forte teneure en magnésium dans le sol, la plus faible survie, la fertilité moindre et le drainage imparfait sont tous des facteurs pouvant expliquer les faibles valeurs obtenues en termes de production de bois, de séquestration du carbone et des nutriments. Les concentrations de Mg dans les feuilles, les branches et le tronc étaient d'ailleurs environ deux fois supérieures à Magog comparativement aux autres sites. Au sujet des clones, le clone 3729 (P. nigra x P. maximowiczii) et le clone 9153ll (P. maximowiczii x P. balsamifera) se sont particulièrement démarqués avec une forte croissance en biomasse et en volume, de même que pour leur aptitude à séquestrer du carbone et à accumuler de l'azote et du phosphore. D'importantes différences clonales ont aussi été observées en ce qui concerne la répartition de la biomasse dans les parties épigées. Par ailleurs, lorsque l'on compare les bandes riveraines de peuplier hybrides avec des bandes herbacées qui se développent naturellement, on constate que les bénéfices des bandes riveraines de peuplier hybride en terme de séquestration de carbone et de nutriments (N et P) augmentent davantage en fonction de la fertilité du site que dans le cas des bandes herbacées. Les bandes riveraines de peuplier hybride créent, à mesure qu'elles croissent, une ambiance forestière en termes de conditions lumineuses. Ce phénomène ne semble pas affecter négativement l'abondance et la richesse des espèces végétales indigènes et de milieux humides en sous-couvert. D'ailleurs aucune relation significative n'a été observée entre l'ouverture de la canopée et la richesse et le recouvrement de ces deux groupes d'espèces. De plus, aucun effet Site n'a été observé pour la richesse moyenne en espèces indigènes et de milieux humides. Toutefois, à mesure que la canopée se referme, on observe une exclusion des espèces végétales introduites et de milieux mésiques. Ainsi, des relations hautement significatives (p<0,001) et positives ont été observées entre l'ouverture de la canopée et le nombre d'espèce introduites (R2=0,46) et de milieux mésiques (R2=0,43), de même qu'entre l'ouverture de la canopée et le recouvrement des espèces introduites (R2=0,51) et de milieux mésiques (R2=0,65). Parallèlement, un effet Site significatif a été observé pour la richesse totale moyenne, la richesse moyenne en espèces introduites et en espèces de milieux mésiques. Ces richesses en espèces étaient plus élevées à Magog où l'ouverture de la canopée est plus importante. À l'échelle de chaque site, la fermeture de la canopée est également significativement (p<0,00l) et fortement reliée à une diminution de la biomasse végétale en sous-couvert (Bromptonville, R2=0,81; St-Isidore-de-Clifton, R2=0,64; Magog, R2=0,51). Un important effet Clone a également été observé en matière d'ouverture de la canopée et de biomasse végétale en sous-couvert, avec le clone 915311 qui présentait les valeurs les plus faibles comparativement au clone 3570 (P. deltoides x P. nigra). Sur la plupart des sites, le clone 915311 a réduit également le recouvrement de tous des groupes d'espèces par rapport au clone 3570. Par ailleurs, d'importantes différences en termes de biomasse végétale en sous-couvert sont observées entre les bandes riveraines de peuplier hybride et les bandes herbacées. Ces dernières ont davantage de biomasse végétale au sol, principalement en raison de leur fort ensoleillement. La richesse moyenne totale en espèces n'était toutefois pas différente entre les deux types de bandes riveraines. Il existe enfin d'importantes différences d'activité de la nitrate réductase dans les feuilles des cinq clones de peuplier hybrides non apparentés. Le clone 3570, dont les deux espèces parentales appartiennent à la section des Aigeiros, se démarque des autres clones, car son activité nitrate réductase était beaucoup plus élevée sur le site riche en nitrate (Bromptonville) que sur le site pauvre en nitrate (Magog). Peu de différences d'activité de la nitrate réductase ont été observées d'un site à l'autre pour les autres clones, tous apparentés à la section Tacamahaca. Ces différences sont probablement liées à l'assemblage génétique des différents clones et suggèrent que les clones ont probablement des préférences différentes pour les formes d'azote dans le sol. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : bandes riveraines, peuplier hybride, séquestration du carbone, accumulation de phosphore et d'azote, biomasse, diversité végétale

La contamination des ensilages par les fusariotoxines intervient au champ, indépendamment de tout problème de conservation. L'ingestion par les animaux d'élevage de teneurs trop élevées de ces mycotoxines peut entraîner une altération des performances zootechniques et des effets sur la santé des animaux. Face au succès partiel des méthodes de prévention et à l'inadaptibilité des méthodes physiques et chimiques de détoxification, l'utilisation des propriétés de certains microorganismes apparaît comme une alternative à considérer. L'objectif de ce travail est d'explorer la capacité des bactéries fermentaires à éliminer les fusariotoxines en vue de leur utilisation comme agent de détoxification des ensilages. Le criblage de 202 souches de bactéries fermentaires pour leur capacité à biotransformer et / ou séquestrer le déoxynivalénol (DON), la zéaralénone (ZEN) et les fumonisines B1 et B2 (FB1 et FB2) a montré que la séquestration de ces ces fusariotoxines majeures est une activité répandue chez ces microorganismes, les genres Streptococcus et Enterococcus apparaissant comme les plus efficaces en éliminant jusqu'à 33%, 49%, 24% et 62% de DON, ZEN, FB1 et FB2, respectivement. Cette propriété pourrait diminuer la biodisponibilité des fusariotoxines chez l'animal et, par conséquent, réduire leur effet toxique. D'autre part, environ 5% (11/202) des souches testées ont biotransformé la ZEN en sa forme activée, l'alpha zéaralénol. Nous avons ensuite montré que la séquestration des fumonisines B1 et B2 fait intervenir le peptidoglycane de la paroi bactérienne et les bras d'acide tricarballylique (TCA) des fumonisines. La différence de séquestration de ces deux analogues (FB2>FB1) a été élucidé par une méthode de modélisation moléculaire qui a montré que le groupe hydroxyle additionnel de la FB1 forme une liaison hydrogène avec un des TCA, limitant ainsi la possibilité de séquestration. Des essais ont montré qu'une fraction importante de ZEN était aussi instantanément séquestrée par la flore du contenu ruminal, formant un complexe aussi stable dans des conditions simulant les compartiments post-ruminaux du tube digestif que celui formé entre des Streptococci et la ZEN. Ce niveau de séquestration pourrait contribuer à la plus forte résistance des ruminants aux effets des fusariotoxines. En conséquence, l'ajout de bactéries fermentaires pourrait être davantage utile à des animaux monogastriques plus sensibles comme le porc. Des essais in vivo sont cependant nécessaires pour en évaluer l'impact réel. Optimisée, la capacité des bactéries fermentaires à séquestrer les fusariotoxines pourrait compléter avantageusement les propriétés acidifiantes ou probiotiques des inoculants bactériens utilisés en nutrition animale

L'utilisation des microorganismes marins ou terrestres pour la séquestration à long terme du CO2 est une des solutions envisagées pour diminuer la teneur en CO2 dans l'atmosphère. Le travail de cette thèse se concentre sur les microorganismes calcifiants, et notamment les cyanobactéries, qui peuvent fixer du CO2 sous forme de biomasse et carbonate de calcium. Ce dernier, insoluble dans l'eau, précipite et peut donc constituer un puits à long terme. La compréhension des mécanismes de calcification induits par les cyanobactéries et la possibilité de contrôler ces processus sont nécessaires pour développer une technologie de séquestration du CO2. Cette biotechnologie pourrait constituer une alternative à la technologie de capture et stockage géologique du CO2. Synechococcus PCC8806 une souche marine de cyanobactérie purifiée à l'Institut Pasteur de Paris est utilisée comme organisme au cours du travail expérimental réalisé dans le cadre de cette thèse. Le premier résultat important de cette thèse est le développement d'une stratégie analytique ayant permis d'accéder à un bilan de masse carbone et calcium au cours d'une culture de cyanobactérie sur hydrogénocarbonate. La mise en œuvre de cette stratégie au cours de différents essais réalisés dans le cadre de ce travail a permis par ailleurs de quantifier avec précision la production de carbone organique (biomasse) et de carbone inorganique (CaCO3) en fonction du calcium et du carbone inorganique présent dans les milieux de culture. Nous avons ensuite étudié la précipitation de la calcite au cours de la croissance de Synechococcus PCC8806 en présence de calcium. Pour cela les conditions de culture ont été variées de telle sorte que la survenue des évènements de précipitations a pu être comprise ainsi que l'influence de sites de nucléation mis en évidence. Le grossissement des cristaux a également été étudié attentivement par microscopie électronique à balayage. Une autre partie de ce travail a permis d'identifier la source de carbone inorganique utilisée par Synechococcus PCC8806 pour la photosynthèse. Cela a été l'occasion de réécrire les équations liées aux transferts entre le CO2 atmosphérique et le système carbonaté, ainsi que les équations de photosynthèse en fonction des conditions de disponibilité des deux sources de carbone inorganique (CO2 et hydrogénocarbonate). De plus ont pu être mis en évidence, les effets des phases diurne et nocturne de la croissance de cyanobactéries sur les équilibres du système carbonaté et le pH. Ce travail a également permis de déterminer les vitesses de croissance des cyanobactéries et donc de calculer des rendements de croissance par unité de surface. Cela permettra à terme d'optimiser la production de biomasse et de calcite dans un procédé industriel

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La réaction de serpentinisation résulte de l’interaction de l’eau de mer, ou de fluides hydrothermaux avec les roches mantelliques. Elle engendre des changements des propriétés chimiques de la lithosphère océanique, avec notamment un enrichissement en éléments mobiles (ex. As, Sb, Li, Cs, Pb, et B). Ces éléments sont importants en sciences de la terre car ce sont des traceurs géochimiques des interactions fluides-roches depuis la ride océanique jusqu’aux zones de subduction. Ce travail de thèse a pour but de caractériser le partitionnement de certains éléments mobiles entre un fluide et la serpentine de manière expérimentale. Pour cela, j’ai développé deux protocoles expérimentaux en condition alcaline. Le premier, consiste en la synthèse de chrysotile à partir d’un gel à la stoechiométrie de la serpentine, à 300 °C et Psat. Pour le second protocole, la serpentine est obtenue par altération de grains d’olivine San Carlos (granulométrie : <30 µm, 30-56 µm, >56 µm) à 200 °C (Psat) pour 1M de NaOH et en présence de carbonate (HCO3-). La minéralogie des produits expérimentaux ainsi que leurs abondances ont été déterminées par diffraction des rayons-X, spectroscopie infrarouge et analyse thermogravimétrique. Les propriétés texturales ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage et à transmission haute résolution. La composition du produit solide a été mesurée par spectrométrie de masse et analyse par microsonde-électronique et l’état d’oxydo-réduction du fer a été déterminé par analyses Mössbauer. Des analyses d’absorption des rayons-X (XAS) ont été effectuées afin d’analyser la structure locale de l’antimoine et de l’arsenic. La combinaison de ces techniques analytiques a permis de montrer que la synthèse de chrysotile est effective après seulement 8 heures de réaction. A 200°C, l’olivine est remplacée (pseudomorphose) par le chrysotile et la brucite. Le remplacement est total après 1 mois (<30 µm) et 3 mois (30 et 56 µm). En présence de carbonate, l’altération de l’olivine est caractérisée par une cinétique plus lente et est contrôlée par la précipitation de la magnésite et de la lizardite.En reprenant les 2 protocoles expérimentaux de synthèse de chrysotile (1M NaOH), et en dopant le fluide en un élément trace (Li, As, Cs, Sb et B) le partitionnement des éléments mobiles a pu être étudié. Le coefficient de partage solide-fluide (KD) a pu être défini pour chaque élément durant la synthèse du chrysotile à 300 °C en modélisant nos résultats suivant l’équation de Langmuir (concentrations en solution de 5 à 1000 µg g-1). La séquence obtenue pour les coefficients de partage est la suivante : 0.5<B < As < Li < Cs < Sb<9. En présence de lithium, d’arsenic et d’antimoine, la morphologie du chrysotile atteste d’une croissance radiale. En revanche, le bore favorise une croissance en longueur du chrysotile perpendiculaire à l’axe c. Un mécanisme d’adsorption contrôle principalement la séquestration des éléments mobiles par le chrysotile comme l’indiquent les résultats d’absorption des rayons-X sur l’arsenic et l’antimoine. Lors de l’altération des olivines, la séquestration des éléments trace est hétérogène et le changement des conditions d’oxydo-réduction du système durant la réaction de serpentinisation explique les changements dans la séquestration de l’antimoine d’abord adsorbé sous sa forme pentavalente puis incorporé sous sa forme trivalente par des phases secondaires. Même en faible concentration en solution (200 µg g-1), le lithium a un fort pouvoir catalytique sur la réaction de serpentinisation de l’olivine à 200 °C.En perspective plusieurs expériences haute pression et température (450 °C et 1-4 kbar) ont été réalisées afin de mieux comprendre le comportement des éléments traces durant les transitions de phase et la déstabilisation de la serpentine en contexte de subduction. Les résultats préliminaires indiquent que la présence de ces éléments traces a un rôle très important sur la stabilité du chrysotile. / Serpentinization reaction is the result of the interaction of seawater with mantle rocks especially at slow-spreading ridges. The formation of serpentinite during this alteration reaction changes the physico-chemical properties of the oceanic lithosphere and induces an enrichment in Fluid-mobile elements (FME: e.g. As, Sb, Li, Cs, Pb and B) compared to primary minerals. These elements are efficient geochemical tracers reflecting mantle hydration from the oceanic ridge to subduction environments. In this context, there is a lack of data concerning the partitioning and sequestration processes of FME between serpentine and fluids. The aim of this thesis is to determine fluid/serpentine partition coefficients of these elements as well as their effects on serpentine formation (reaction mechanism and kinetics, textural properties etc.). To achieve this goal, serpentine has been synthesized under highly alkaline hydrothermal conditions using two distinct protocols. Experimental-products were characterized using X-ray powder diffraction (XRPD), Fourier Transform Infra-Red spectroscopy (FTIR), N2 sorption isotherms, ThermoGravimetric Analyses (TGA), Field Emission gun Scanning Electron Microscopy (FESEM), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) and Mössbauer Spectroscopy. The first protocol consists in chrysotile synthesis from H2SiO3 and MgCl2 at 300 °C using batch and semi-continuous experiments. With this approach, we were able to chrarcterized chrysotile nanotubes nucleation and growth processes. In the second protocol, we investigated olivine serpentinization reaction under high hydroxyl-alkalinity or high carbonate-alkalinity at 200 °C. We note the efficiency of serpentine formation under high alkaline conditions in the both protocols and the significant effect of the carbonate component on the serpentinization processes and crystal growth rates. The serpentinization of olivine under alkaline conditions induces the oxidation of a large part of iron trapped by brucite.Replacement is total after 1 month (<30 µm) and 3 month (30-56 µm). The presence of a carbonate component induces a lower reaction kinetic and is characterized by the co-precipitation of magnesite and lizardite.Based on these results, we chose favorable conditions in order to study FME (Li, As, Cs, Sb and B) sequestration. Solid-liquid partitioning for each FME was investigated during chrysotile synthesis at 300°C. Experimental results were modeled using the Langmuir equation and the role of each element on chrysotile textural properties was investigated. In addition, we report new results concerning the sequestration and the distribution of the trace elements during olivine replacement by serpentine and brucite. We highlight that Li act as a catalyst during olivine serpentinisation. Moreover, from XAS measurements, we indicate that Sb and As sequestration is dominated by adsorption mechanism. The precipitation of secondary As- and Sb-bearing phases was also revealed by Electron Microprobe X-ray mapping. Finally, Sb-trapping within chrysotile tubes was also suspected by HRTEM measurements. The changes of redox conditions during serpentinisation induce a change of Sb sequestration mechanism and the precipitation of Sb-bearing phases. In addition, we investigate the partitioning of FME at higher pressure (1-4 kbar) and temperature (450 °C). This pilot study brings promising results regarding the behavior of trace elements during serpentine destabilization (deep lithosphere or subduction contexts) and on the non-negligible role of trace elements on the stability of chrysotile.

L’utilisation des microorganismes marins ou terrestres pour la séquestration à long terme du CO2 est une des solutions envisagées pour diminuer la teneur en CO2 dans l'atmosphère. Le travail de cette thèse se concentre sur les microorganismes calcifiants, et notamment les cyanobactéries, qui peuvent fixer du CO2 sous forme de biomasse et carbonate de calcium. Ce dernier, insoluble dans l’eau, précipite et peut donc constituer un puits à long terme. La compréhension des mécanismes de calcification induits par les cyanobactéries et la possibilité de contrôler ces processus sont nécessaires pour développer une technologie de séquestration du CO2. Cette biotechnologie pourrait constituer une alternative à la technologie de capture et stockage géologique du CO2. Synechococcus PCC8806 une souche marine de cyanobactérie purifiée à l'Institut Pasteur de Paris est utilisée comme organisme au cours du travail expérimental réalisé dans le cadre de cette thèse. Le premier résultat important de cette thèse est le développement d'une stratégie analytique ayant permis d'accéder à un bilan de masse carbone et calcium au cours d'une culture de cyanobactérie sur hydrogénocarbonate. La mise en œuvre de cette stratégie au cours de différents essais réalisés dans le cadre de ce travail a permis par ailleurs de quantifier avec précision la production de carbone organique (biomasse) et de carbone inorganique (CaCO3) en fonction du calcium et du carbone inorganique présent dans les milieux de culture. Nous avons ensuite étudié la précipitation de la calcite au cours de la croissance de Synechococcus PCC8806 en présence de calcium. Pour cela les conditions de culture ont été variées de telle sorte que la survenue des évènements de précipitations a pu être comprise ainsi que l'influence de sites de nucléation mis en évidence. Le grossissement des cristaux a également été étudié attentivement par microscopie électronique à balayage. Une autre partie de ce travail a permis d'identifier la source de carbone inorganique utilisée par Synechococcus PCC8806 pour la photosynthèse. Cela a été l'occasion de réécrire les équations liées aux transferts entre le CO2 atmosphérique et le système carbonaté, ainsi que les équations de photosynthèse en fonction des conditions de disponibilité des deux sources de carbone inorganique (CO2 et hydrogénocarbonate). De plus ont pu être mis en évidence, les effets des phases diurne et nocturne de la croissance de cyanobactéries sur les équilibres du système carbonaté et le pH. Ce travail a également permis de déterminer les vitesses de croissance des cyanobactéries et donc de calculer des rendements de croissance par unité de surface. Cela permettra à terme d'optimiser la production de biomasse et de calcite dans un procédé industriel / The use of marine or terrestrial microorganisms for long-term sequestration of CO2 is a possible solution to reduce the CO2 content in atmosphere. This thesis work focuses on calcifying organisms, in particular the cyanobacteria, which can fix CO2 as biomass and calcium carbonate. The latter is insoluble in water; precipitates may therefore constitute a long term sink. Understanding of the calcification mechanisms induced by cyanobacteria and the possibility of controlling these processes are necessary to develop a technology for CO2 sequestration. This biotechnology could be an alternative technology to CO2 capture and geological storage. Synechococcus strain PCC8806, marine cyanobacteria purified by the Institute Pasteur de Paris is used during the experimental work in this thesis. The first important result of this work is to develop an analytical strategy that allowed access to a mass balance of carbon and calcium in a cyanobacteria culture on hydrogencarbonate. The implementation of this strategy in various tests of this work has also allowed to accurately quantify the production of organic carbon (biomass) and inorganic carbon (CaCO3) according to the calcium and Ci introduced (hydrogencarbonate) in the medium. We then studied the calcite precipitation during growth of Synechococcus PCC8806 in the presence of calcium. For that, culture conditions were varied in order to understand the occurrence of precipitation events and the influence of nucleation sites. The development of crystals has also been carefully studied by scanning electron microscopy. Another part of this work has identified the inorganic carbon source used by Synechococcus PCC8806 for photosynthesis. This was an opportunity to rewrite the equations related to transfers between atmospheric CO2 and the carbonate medium, as well as the equations of photosynthesis depending on the conditions of availability of two sources of inorganic carbon (CO2 and hydrogencarbonate). In addition, we have revealed the effects of diurnal and nocturnal phases of the growth of cyanobacteria on the carbonate system balance and pH. This work also allowed estimating the cyanobacteria growth rates and thus calculating growth yields per unit area. This will ultimately optimize biomass and calcite production in an industrial process

Chez Bacillus subtilis l’expression de l’opéron mtl pour l’utilisation du mannitol est contrôlé par MtlR. MtlR est un activateur transcriptionnel qui appartient à la famille des régulateurs DeoR composé d’un domaine HTH suivi de deux PRDs, un domaine EIIBGat et un domaine EIIAMtl-like.Le mécanisme général de la régulation de l’activité de MtlR est basé sur sa phosphorylation par des composants du PTS. La phosphorylation sur la Cystéine 419 du domaine EIIBGat par P~EIIAMtl a un effet négatif majeur sur l’activité de MtlR. Par conséquent, dans un mutant mtlF où EIIAMtl est délétée MtlR est constitutivement actif.Dans cette étude nous avons mis en évidence un nouveau phénomène de régulation de MtlR impliquant la protéine du PTS, EIIBMtl.Nous avons observé que lorsque on déléte l’opéron mtl ou EIIBMtl et EIIAMtl, l’activité constitutive de MtlR dans un mutant mtlF déjà observée est abolie d’où notre hypothèse que EIIBMtl aura un effet sur l’activité de MtlR. Par des expériences de double hybride nous avons montré une interaction directe, spécifique et bidirectionnelle entre les deux protéines EIIBMtl et EIIBGatEIIAMtl-like de MtlR. D’une manière comparable à la cellule où EIIBMtl est fusionnée à la protéine EIICMtl nous avons démontré que seulement la forme EIIBMtl fusionné à la perméase EIICMtl est capable d’activer MtlR mais nous avons également démontré que ce n’est pas EIICMtl qui est essentielle à l’interaction entre EIIBMtl et MtlR mais c’est le voisinage de la membrane qui est essentielle pour l’établissement de cette interaction et l’activation de MtlRUn modèle de régulation de l’activité du régulateur MtlR est proposé. Dans ce modèle l’induction de l’opéron mtl via l’activation de MtlR requiert la phosphorylation de PRDII de MtlR par P~His-HPr, la déphosphorylation de EIIBGat de MtlR par EIIAMtl et la présence de la forme non-phosphorylée de l’EIIBMtl qui est dominante en présence du substrat inducteur, le mannitol. Ainsi, l’EIIBMtl non-phosphorylée séquestre MtlR déphosphorylé sur sa cystéine 419 à la membrane, l’active et induit l’expression de l’opéron mtl. / The Bacillus subtilis mtl operon encodes the enzymes necessary for mannitol utilization. Its expression is controlled by MtlR, a transcriptional activator belonging to the DeoR family. MtlR contains a HTH domain followed by two PTS regulation domains (PRDs), an EIIBGat domain and an EIIAMtl-like domain.The general mechanism of the regulation of MtlR activity is based on its phosphorylation by components of the phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system (PTS). The phosphorylation of EIIBGat on cysteine 419 by P~EIIAMtl has a major negative effect on the activity of MtlR. The absence of EIIAMtl in a mtlF mutant therefore leads to constitutively active MtlR.In this study a new mechanism of MtlR regulation based on the interaction of the PTS component EIIBMtl with MtlR is presented.We observed that the deletion of the entire mtlAFD operon or of mtlF and only the 3’-part of mtlA (encoding the EIIBMtl domain) abolishes the constitutive MtlR activity of the mtlF mutant, suggesting that MtlR activity depends on functional EIIBMtl. By carrying out yeast two-hybrid experiments we could establish a direct, specific and bidirectional interaction between EIIBMtl and the EIIBGatEIIAMtl-like part of MtlR.Complementation of the above mutants was possible with entire MtlA, but not with the EIIBMtl domain. EIIBMtl is normally fused to the membrane protein EIICMtl; we therefore fused EIIBMtl to another membrane, which indeed restored MtlR function in the absence of EIICMtl. The EIICMtl domain is therefore not essential for the interaction between EIIBMtl and MtlR; it is rather the vicinity of the membrane which is required for the activation of MtlR.A regulation model of MtlR activity is proposed. In this model, the MtlR-mediated induction of the mtlAFD operon requires the phosphorylation of PRDII by P~His-HPr and the dephosphorylation of EIIBGat by EIIAMtl. The presence of unphosphorylated EIIBMtl, which prevails when the inducer mannitol is present, is also required. Under these conditions unphosphorylated EIIBMtl sequesters MtlR dephosphoryled on cysteine 419, but phosphorylated at His-342, to the membrane thereby activating the transcription activator, which leads to increased expression of the mtlAFD operon.

Les dangers potentiels liés à l'augmentation de la teneur en CO2 de l'atmosphère, tels que les changements climatiques ou l'élévation du niveau des mers, ont provoqué un grand intérêt pour la séquestration du gaz carbonique dans les formations géologiques. Le moyen thermodynamiquement le plus sûr pour stocker le carbone est sous la forme de minéraux carbonatés, mais il exige une source de cations divalents qui ne soit pas carbonatée. Les roches basaltiques qui présentent de fortes teneurs en calcium, magnésium et fer peuvent être une de ces sources et la possibilité de former des minéraux carbonatés par injection de CO2 dans les roches basaltiques est en cours d'investigation en Islande et dans d'autres endroits du monde. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse est de contribuer à l'optimisation de la précipitation des carbonates dans les basaltes lors de l'injection de CO2 grâce à une série d'études de terrain et de laboratoire complémentaires.<br>Une étude détaillée de la composition chimique des eaux souterraines au pied du volcan Mont Hekla, dans le sud de l'Islande, a d'abord été menée afin d'évaluer l'évolution chimique des fluides et la mobilité des métaux toxiques lors des interactions entre basalte et fluides riches en CO2. Ces fluides fournissent un analogue naturel pour estimer les conséquences de la séquestration du CO2 dans les basaltes. La teneur de ces fluides en carbone inorganique dissous diminue de 3,88 à 0,746 mmole/kg avec l'augmentation de la mise en solution du basalte tandis que le pH passe de 6,9 à 9,2. Ces observations fournissent une preuve directe du potentiel qu'offre la dissolution du basalte pour séquestrer le CO2. Les concentrations des métaux toxiques dans ces eaux sont faibles et la modélisation des chemins réactionnels suggère que la calcite et les (oxy)hydroxydes de fer piègent ces métaux, suite à l'alcalinisation des fluides induite par la dissolution continue du basalte.<br>On sait que ce sont les cations divalents libérés par la dissolution du verre basaltique qui contrôlent la minéralisation du gaz carbonique dans les basaltes. La vitesse de dissolution du verre basaltique peut être accrue par l'addition de ligands qui se complexent avec Al3+. L'ion SO42- fait partie de ces ligands et l'étude de son impact sur la vitesse de dissolution du verre basaltique a été conduite dans des réacteurs de type ‘mixed flow' à 50°C et 3 < pH < 10. Le soufre est souvent présent dans les gaz émis par les centrales électriques et son stockage constitue un challenge environnemental. La co-injection avec CO2, si elle est réalisable, peut donc constituer une nouvelle méthode peu couteuse de stockage du soufre généré par l'industrie. En accord avec les modèles actuels décrivant la cinétique de dissolution du verre basaltique en fonction de la composition de la solution aqueuse, les résultats de ce travail montrent que SO42-augmente la vitesse de dissolution du verre aux conditions acide mais qu'il n'a aucun effet aux pH alcalins. Ces résultats suggèrent à la fois que 1) la co-injection de sulfate peut accélérer la minéralisation du CO2 dans les basaltes et 2) les modèles cinétiques existant permettent une description précise de la dissolution du verre basaltique.<br>Afin d'évaluer plus précisément l'impact des ions sulfates sur la vitesse de précipitation des carbonates, la vitesse de précipitation de la calcite en régime stationnaire a été mesurée dans des réacteurs à circulation ‘mixed flow' à 25°C et pH ~9.1. Les résultats montrent qu'en présence de 0.005 M de Na2SO4 la vitesse de précipitation de la calcite est diminuée d'environ 40% et qu'ainsi la co-injection de sulfate peut ralentir la précipitation de la calcite aux pH typiques de la précipitation de ce minéral en subsurface. Des expériences supplémentaires sont prévues pour caractériser définitivement l'effet du sulfate aux conditions attendues aux sites d'injection du CO2 en subsurface.

Afin de minimiser la concentration en CO2 dans l'atmosphère une solution consiste à le séquestrer dans les réservoirs géologiques. Pour évaluer les risques à long terme, il est nécessaire de quantifier les couplages entre les processus réactionnels et les modifications structurales et hydrodynamiques. Dans cette optique, nous avons construit deux dispositifs expérimentaux permettant d'injecter des saumures chargées en CO2 dans les conditions de stockage (T < 200 °C et P < 200 bar) et mis en oeuvre un protocole expérimental utilisant la microtomographie RX et l'analyse des roches et des fuides pour quantifier les variations des paramètres physiques et chimiques. Dans le cas des réservoirs carbonatés, on observe, près du puits d'injection, une forte variabilité des relations k-phi en fonction du régime de dissolution contrôlé par la chimie locale du fluide, ainsi que par les conditions initiales. A plus grande distance, on observe des processus de précipitation diminuant fortement la perméabilité. L'étude des roches de couverture fracturées (argilite) a montré qu'une percolation alternée d'une saumure chargée en CO2 et de CO2 gaz augmentait la perméabilité de fracture. Dans le cas des roches silicatées, la précipitation de carbonates est mise en évidence aussi bien dans les grès à zéolites que dans les frittés de dunite de San Carlos. Cependant, dans les grès à zéolites, la précipitation d'une phase argileuse est observée dans les chemins d'écoulement et engendre une forte diminution de la perméabilité.