Orientador: Laura Maria Mariscal Ottoboni / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-25T23:22:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_VivianeDrumond_D.pdf: 5631358 bytes, checksum: 6072655858120e417b92336ddd538828 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O conhecimento acerca da diversidade microbiana associada a ambientes de mina é limitado, apesar da importância que alguns micro-organismos podem ter no processo de biolixiviação e biorremediação ambiental. Adicionalmente, micro-organismos que vivem em condições inóspitas, como os diferentes ambientes de mina, vêm despertando interesse cada vez maior por possuírem enzimas de interesse industrial. Neste sendido, a análise da biodiversidade funcional e estrutural de micro-organismos presentes em ambientes de mina é de fundamental importância para entender a estrutura e a complexidade das comunidades microbianas em ambientes extremos. Neste trabalho a diversidade microbiana foi analisada em diversos ambientes da mina de cobre do Sossego, localizada em Canaã dos Carajás, sudeste do Pará por abordagens dependentes e independentes de cultivo. A composição taxonômica associada a ambientes da mina do Sossego: taludes (estruturas geotécnicas) e entorno da drenagem dos depósitos de Sossego (T-SO1, T-SO2, ED-SO1, ED-SO2) e Sequeirinho (T-SE1, T-SE2, ED-SE1, ED-SE2) foi avaliada por pirosequenciamento do gene de rRNA 16S. Os resultados indicaram que a comunidade de bactérias de talude é distinta do entorno da drenagem e o conteúdo de matéria orgânica e maior disponibilidade de água foram os principais fatores para as diferenças. Os principais táxons responsáveis pelas diferenças foram Acidobacteria, Chloroflexi, Gammaproteobacteria e Firmicutes. Por meio de técnicas dependentes de cultivo, 64 bactérias heterotróficas foram isoladas a partir das amostras SO5, SO6, SO7 e SO9. Estes isolados foram identificados e avaliados quanto à capacidade de produção de enzimas (hidrolases, monoxigenases, sulfoxidases e betalactamase) e compostos (sideróforos, biossurfactantes e antimicrobianos). Foram identificadas bactérias afiliadas aos seguintes gêneros: Acidovorax, Acinetobacter, Brevundimonas, Cupriavidus, Curtobacterium, Kocuria, Lysinibacillus, Pseudomonas, Roseomonas, Ralstonia, Stenotrophomonas e Bacillus, sendo o último respresentado por 43 isolados. Com relação à triagem funcional, 95% das bactérias foram capazes de produzir sideróforos, 58% biossurfactantes, 69% betalactamases, 50% antimicrobianos, 53% proteases, 75% esterases, 20% monoxigenases e três isolados (SO5.4, SO5.9 e SO6.2) apresentaram oxidação seletiva para sulfetos orgânicos. A partir de amostras de drenagem (SO5, SO6 e SO7) foram obtidos consórcios de micro-organismos oxidantes de ferro. Estes consórcios foram testados com relação à capacidade de biolixiviação da calcopirita e foram mais eficientes para a dissolução do cobre do que Acidithiobacillus ferrooxidans LR. A identificação dos micro-organismos presentes nos consórcios foi realizada por eletroforese em gel de gradiente desnaturante (DGGE) e as bandas mais evidentes foram classificadas em Bacillus sp., Delftia sp., Phenylobacterium sp. e Methylobacterium sp. A comunidade de bactérias na mina de cobre do Sossego foi diversa e complexa. Estes resultados mostram um inventário da microbiota em diferentes ambientes da mina do Sossego e as enzimas e compostos obtidos destas bactérias poderão ser utilizadas em processos e tecnologias que permitam a recuperação de metais, como a biolixiviação e biorremediação ou em outras aplicações industriais / Abstract: The knowledge concerning microbial diversity associated with mine environments is limited, despite the importance that some microorganisms can have on environmental bioremediation and bioleaching process. Additionally, microorganisms that live in inhospitable conditions, such as different mine environments, have attracted growing interest because they could have enzymes with industrial applications. In this way, structural and functional biodiversity analysis in mine environments is an important issue to understand the structure and complexity of the microbial communities in extreme environments. The present work shows a microbial diversity analyses in some cooper mine environments of Sossego Mine localized in Canaã dos Carajás mineral province, Pará state, Brazil. The bacterial taxonomic composition associated with Sossego cooper mine: slopes (geotechnical structures) and surrounding drainage of Sossego and Sequeirinho deposits was evaluated using pyrosequencing of 16S rRNA gene. The results indicated slope bacterial community differs from surrounding drainage and organic matter content and higher water availably were the main factors of these differences. The foremost taxons accountable by those differences were Acidobacteria, Chloroflexi, Gammaproteobacteria and Firmicutes. Sixty four bacteria were isolated using culture-dependent methods from SO5, SO6, SO7 and SO9 samples. These bacteria were identified and evaluated concerning the capability of enzyme production (hydrolase, betalactamase, monooxygenase and sulphoxidases) and compounds (siderophore, biosurfactants and antimicrobials). It was identified bacteria related with the followed genera: Acidovorax, Acinetobacter, Brevundimonas, Cupriavidus, Curtobacterium, Kocuria, Lysinibacillus, Pseudomonas, Roseomonas, Ralstonia, Stenotrophomonas and Bacillus, the last one showed 43 isolates. In relation with functional screening, 95% of bacteria were capable to produce siderophores, 58% to produce biosurfactants, 69% betalactamases, 50% antimicrobials, 53% proteases, 75% sterases, 20% monooxygenases and three strains (SO5.4, SO5.9 and SO6.2) exhibited selective oxidation for organic sulphides. Iron oxidizing microorganism consortia were obtained from drainage samples and were tested according with its ability for bioleaching of chalcopyrite. The consortia obtained from SO5, SO6, and SO7 samples were more efficient than Acidithiobacillus ferrooxidans LR regarding bioleaching of copper from chalcopyrite. The identification of microorganism presented in the consortia was performed using DGGE technique and the more evident bands were classified as Bacillus sp., Delftia sp., Phenylobacterium sp. and Methylobacterium sp. The bacterial community in Sossego cooper mine was diverse and complex. These results showed a microbiota inventory in distinct mine environments and enzymes and compounds obtained from those bacteria could be used in new processes and technologies that allow to recovery metals as bioleaching, bioremediation or others industrial applications / Doutorado / Genetica de Microorganismos / Doutora em Genética e Biologia Molecular

Le secteur industriel du traitement des déchets génère des émissions gazeuses induisant des nuisances odorantes auprès des populations riveraines des installations. Ces effluents gazeux contiennent une grande diversité de composés volatils : oxygénés (acides gras volatils, cétones, aldéhydes, alcools), azotés et soufrés (hydrogène sulfuré (H2S), diméthylsulfure (DMS), diméthyldisulfure (DMDS) et méthanethiol (MT)). Ces effluents gazeux sont traités par un dispositif approprié que sont les bioprocédés. Néanmoins, les seuils de perception des composés odorants et plus particulièrement ceux des composés soufrés, très bas, obligent à atteindre des efficacités d’abattement particulièrement élevées, faute de quoi le résiduel de concentration peut être à l’origine d’un impact notable sur les populations riveraines. L’objectif de cette étude est donc d’améliorer les performances de ces procédés biologiques par la mise en oeuvre de filières de traitement. L’originalité de ce travail est d’évaluer les performances d’épuration d’un mélange de composés soufrés par la mise en oeuvre du couplage de deux procédés biologiques que sont le lit percolateur et le biofiltre.Le premier résultat de ce travail de thèse a consisté à évaluer l’impact du pH sur l’activité de dégradation de composés soufrés en mélange (H2S, DMS et DMDS) en mettant en oeuvre des microcosmes. La valeur du pH de la phase aqueuse a une influence sur l’efficacité d’élimination des DMS et DMDS. Une élimination complète de ces derniers est observée pour une gamme de pH comprise entre 5 et 7. Les performances de ce couplage ont été comparées avec celles observées dans le cas de biofiltres seuls (dupliquats). Après une phase d’acclimatation, un fonctionnement stable est maintenu en conditions opératoires stationnaires. Les potentialités du couplage ont été mises en évidence, les niveaux d’abattement des DMS et DMDS étant supérieurs (de l’ordre de 20%) pour le couplage de bioprocédés. La composante microbiologique a fait l’objet d’une attention particulière en évaluant les densités de deux populations connues pour dégrader ces composés soufrés (Hyphomicrobium et Thiobacillus thioparus) par q-PCR au sein du biofiltre couplé au filtre percolateur et des biofiltres de référence. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de ces deux populations à des taux élevés (104 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Thiobacillus thioparus et 104-106 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Hyphomicrobium). La répartition de ces deux populations est similaire dans les deux cas (couplage et biofiltres seuls).Face à des perturbations représentatives de celles observées sur site, la robustesse du couplage a pu être mise en évidence, les niveaux d’efficacité d’avant les chocs sont récupérés dans un délai inférieur ou égal à 72 heures après l’arrêt de la perturbation. Enfin, une application sur site (équarrissage) a été conduite sur une période de trois mois et a permis de valider les résultats de laboratoire et de montrer l’adaptabilité d’un tel système face à la variabilité d’un effluent réel. / Waste treatment industries generate gaseous emissions that may induce odor annoyance to the surrounding populations. These gaseous effluents contain a large variety of volatile compounds such as oxygenated (volatile fatty acids, ketones, aldehydes and alcohols), nitrogen and sulphur compounds (hydrogen sulphide (H2S), dimethylsulphide (DMS), dimethyldisulfide (DMDS) and methanethiol (MT). These gaseous emissions are controlled by using an adequate system such as biotechniques. Nevertheless, because of their very low odor thresholds, complete elimination of sulphur compounds has to be assessed, as the residual concentration can induce an odorous impact on neighbourhood populations. The aim of this study is to improve these bioprocesses performances by carrying out an adequate system strategy. The originality of this work is to evaluate the removal efficiency of a mixture of sulphur compounds by implementing a combination of two bioprocesses and more precisely a biotrickling filter and biofilter.The first step of this PhD. work consisted of evaluating the pH impact on the biodegradation activity of a mixture of sulphur compounds (H2S, DMS and DMDS) by using microcosms. The pH has an impact on the removal efficiency of DMS and DMDS. The total removal of these compounds is observed for a pH range between 5 and 7. The performances of the coupling have been compared with those reached by implementing control biofilters (duplicated). After an acclimatization period, stable performances are maintained under constant operating conditions. The efficiency of the coupling have been highlighted, the DMS and DMDS abatement levels are superior (around 20%) for the bioprocesses combination.The microbiological component has been investigated within all biofilters by estimating the densities of two populations involved in the biodegradation of sulphur compounds (Hyphomicrobium and Thiobacillus thioparus), by using qPCR. The obtained results highlighted the presence of both populations at high level (104 copies of DNAr-16S gene/ng extracted DNA for Thiobacillus thioparus and 104-106 copies of DNAr-16S gene/ng extracted DNA for Hyphomicrobium). The repartition of these two bacterial populations is similar in both cases (coupling system and reference biofilters). Under transient shock load conditions, the robustness of the coupling has been revealed. The efficiency levels before the shock load are recovered 48 hours after the perturbation off. Finally, the monitoring of an on- site pilot (rendering facility) has been carried out during three months. The laboratory results have been confirmed and the suitability of such a system has been showed under industrial gas variability.

Depuis plusieurs décennies la production mondiale de plastiques ne cesse d’augmenter, menant à une contamination des écosystèmes aquatiques à l’échelle de la planète qui a été récemment estimée à plus de cinq mille milliards de débris de plastiques flottants à la surface des océans. Les microplastiques (particules de plastique < 5 mm), introduits dans l’environnement aquatique directement en tant que microparticules (granulés plastiques industriels, cosmétiques, fibres textiles) ou lors de la fragmentation de plus gros débris plastiques, représentent une préoccupation scientifique et sociétale grandissante. Ces travaux de thèse se sont focalisés sur la contamination par les microplastiques de la rade de Brest (Bretagne, France), un système côtier macrotidal où l’activité anthropique est importante. Les objectifs de ces travaux sont (1) d’évaluer la contamination des matrices environnementales (eau de surface, sédiment subtidal et biote) par les microplastiques, et (2) d’identifier leur rôle potentiel en tant que vecteurs de contaminants chimiques et de bactéries dans la rade de Brest.Pour cela, des développements analytiques ont été nécessaires afin d’améliorer leur extraction des matrices environnementales ainsi que leur caractérisation morphologique et chimique via la microspectrométrie Raman. Les observations in situ ont montré que l’ensemble de l’écosystème de la rade de Brest est contaminé par les microplastiques, avec des concentrations de 0,24 ± 0,35, et 0,97 ± 2,08 (moyenne ± écart-type). L’eau de surface et le sédiment sont contaminés par le polyéthylène, le polypropylène et le polystyrène. Leur distribution à la surface de l’eau semble être liée à l’urbanisation très présente au nord de la rade, mais également à l’hydrodynamisme de cette région marine. Les premiers résultats concernant les bivalves marins ont montré un niveau relativement faible de contamination par les microplastiques (0,01 ± 0,04 et 0,08 ± 0,34 pour les moules et les coques, respectivement), cependant cela est probablement dû aux choix méthodologiques appliqués ici (exclusion des fibres). Les observations in situ ont montré que certains polluants organiques (HAP, PCB et pesticides) étaient détectés sur les microplastiques flottants à des valeurs (non détecté – 49763 ng.g-1, moyenne ± écart-type) similaires de celles retrouvées dans les sédiments et les bivalves locaux, ce qui suggère un risque faible dans le transfert des contaminants chimiques vers les organismes marins en cas d’ingestion. Enfin, les résultats concernant la colonisation bactérienne des microplastiques flottants ont montré des communautés distinctes de celles retrouvées dans l’eau de mer environnante, et l’identification du genre Vibrio en tant que biomarqueur discriminant de cette matrice. Dans l’ensemble, ces travaux fournissent une première évaluation approfondie de l’état de contamination de la rade de Brest par les microplastiques ainsi que de solides recommandations méthodologiques pour des travaux futurs. / World production of plastics has increased steadily for the past decades leading to a major contamination of the worldwide aquatic ecosystems recently estimated at more than five trillion plastic pieces floating the surface of the oceans. Microplastics (plastic particles < 5 mm) are introduced into aquatic environments directly as industrial raw material (plastic pellets, cosmetics, clothing) or indirectly via the fragmentation of larger plastics. This emerging contaminant represents an increasing ecological concern for science and society. The present study focused on the microplastic contamination of the Bay of Brest (Brittany, France), a macrotidal coastal ecosystem characterized by intense anthropogenic activity. The main objectives were: (1) to evaluate the contamination of environmental matrices (surface water, subtidal sediment and biota) by microplastics, and (2) to identify their potential role as vector of chemicals and bacteria in the bay of Brest.Methodological developments were first conducted to improve microplastic extraction from environmental matrices as well as their rapid morphological and chemical identification by Raman micro-spectrometry. The field investigations showed that the ecosystem of the bay of Brest is contaminated by microplastics with mean concentrations of 0.24 ± 0.35, and 0.97 ± 2.08 (mean ± standard deviation) in surface water and sediment, respectively. Microplastic contamination in surface water and sediment was dominated by polyethylene, polypropylene and polystyrene microparticles.Spatial microplastic distribution appeared to be related to proximity to urbanized areas and to hydrodynamic in the bay. Preliminarily results of microplastic contamination in marine bivalves demonstrated relatively low contamination (0.01 ± 0.04, and 0.08 ± 0.34 for mussels and cockles, respectively) by microplastics (mainly polyethylene and polypropylene fragments), however this could be partly related to the methodological limitation identified here (e.g. exclusion of fibers). Organic pollutant (PAH, PCB and pesticides) were detected on floating microplastics at levels (not detected – 49,763 ng g-1, mean ± SD) similar to those measured in sediment and bivalves suggesting low risks in transferring hazardous chemicals in local marine organisms upon microplastic ingestion. Finally, distinct bacterial community assemblages were demonstrated on microplastics as compared with surrounding surface water; the Vibrio genus was identified as a discriminant biomarker of the plastic matrix. Overall, this work provides a first and thorough assessment of the microplastic contamination in the bay of Brest and solid methodological recommendations for further work.

Les circuits et réseaux d’eau subissent épisodiquement des problèmes de contamination par des microorganismes tels que Legionella pneumophila, conduisant à la dégradation de la qualité microbiologique de l’eau circulante. De nouveaux moyens de traitements doivent être mis en place de façon notamment à limiter l’usage de biocides chimiques. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette problématique et a pour objectif d’identifier de nouveaux composés actifs contre L. pneumophila en tenant compte de son comportement et de ses interactions au sein de son microenvironnement. De manière à obtenir des composés produits par des souches bactériennes appartenant à la même niche écologique que L. pneumophila, une campagne de prélèvement d’eau a été réalisée. Un total de 273 isolats environnementaux ont été isolés et testés contre L. pneumophila. Les résultats obtenus indiquent que 178 de ces isolats (65%) présentent une activité anti-Legionella. Quatre souches ont ensuite été sélectionnées (Aeromonas bestiarum SW257, Rahnella aquatilis SW265, Flavobacterium spp. PW52 et Pseudomonas spp PW329) et les composés actifs produits ont été caractérisés. A. bestiarum SW257 produit un peptide anti-Legionella. Flavobacterium sp. PW52 produit un mélange de composés anti-Legionella ayant des propriétés tensioactives, les flavolipides. Pseudomonas sp. PW329 produit des composés organiques volatiles, identifiés par SPME-GC-MS, actifs contre L. pneumophila. Enfin, R. aquatilis SW265 produit un sidérophore à activité anti-Legionella. / Water is essential to sustain life and water sources used for human consumption must be biologically safe, to avoid any risk for health. Indeed, the most common and widespread health risk associated with drinking water are infectious diseases caused by pathogenic microorganisms such as Legionella pneumophila. However, more efforts are needed to control disinfection by-products and minimize people exposure to potentially hazardous chemicals while maintaining adequate disinfection to ensure good water quality. Thus, this work aimed to find natural antibacterial compounds to control L. pneumophila growth using bacteria from freshwater environments. Environmental aquatic bacteria were sampled from five freshwater sources to get a large culturable bacterial collection. A total of 273 bacterial isolates were recovered and screened for their ability to produce anti-Legionella compounds. Among those, 178 (65%) were shown to be active against L. pneumophila. Four strains (Aeromonas bestiarum SW257, Rahnella aquatilis SW265, Flavobacterium spp. PW52, and Pseudomonas spp PW329) were next selected for the characterization of their active compounds. A. bestiarum SW257 produces an anti-Legionella peptide, and Flavobacterium spp PW52 produces a mixture of anti-Legionella compounds with surface active properties, named flavolipids. Finally Pseudomonas sp. PW329 delivers many volatile organic compounds, and R. aquatilis SW26 produces a anti-Legionella siderophore.

L’aulacode (Thryonomys swinderianus) est un rongeur herbivore récemment domestiqué en Afrique pour la production de viande. Quelques études antérieures ont portés sur l’alimentation de cet animal, dans le but d’améliorer la productivité des élevages. A ce jour, nos connaissances sur la digestion et les besoins nutritionnels de cet animal sont encore très parcellaires. Le premier objectif de notre étude était d’améliorer nos connaissances sur la physiologie digestive de l’aulacode en croissance, en particulier en relation avec les apports de fibres alimentaires, avec pour finalité de proposer des recommandations nutritionnelles en fibres pour optimiser la croissance et la santé digestive de cet animal. Notre second objectif était d’analyser les effets d’une diminution du ratio protéines digestibles / énergie digestible parallèlement à une hausse des apports d’amidon, sur la digestion et les performances. La finalité était d’analyser les possibilités de formuler un aliment complet moins onéreux pour les éleveurs et qui respecte les besoins de l’aulacode en croissance. Notre étude a permis de savoir que le caecum est le compartiment digestif le plus important du jeune aulacode entre 1 et 3 mois d’âge, avec plus de 40% du contenu digestif total. L’activité microbienne caecale (100 mM d’acides gras volatils totaux (AGVt) par gramme de contenu frais) est élevée, et similaire à celle des ruminants ou d’autres herbivores monogastriques. Le profil fermentaire est caractérisé par une prédominance de l’acétate (75 % des AGVt) et un ratio propionate / butyrate supérieur à 1. Le pyroséquençage 454 de l’ADN16S bactérien a permis de caractériser le microbiote caecal. Au sevrage, nous observons une prédominance du phylum des Bacteroidetes, avec 51 % d’abondance relative, alors que le phylum des Firmicutes devient majoritaire (50%) à 3 mois d’âge. Le microbiote caecal est caractérisé par la présence de genres souvent identifiés dans d’autres écosystèmes digestifs d’herbivores, tels que : RC9 (2 à 8%), Parabacteroides (1 à 8%), Prevotella (3 à 6%) et Xylanibacter (1%), Erysipelotrichaceae Turicibacter (1 à 7%), Lachnospiraceae Incertae_Sedis (4 à 5%), Ruminococcaceae Incertae_Sedis (1 à 2%) et Ruminococcus (1 à 3%). D’autres genres, absents chez des espèces voisines comme le lapin et le cobaye, semblent plus spécifiques de l’aulacode, tels que Termite_Treponema_cluster (1.7 à 2.2%) et Treponema (7 à 13%), du phylum des Spirochaetes. L’analyse des performances zootechniques indique qu’un taux de fibres compris entre 17 et 21 % d’ADF représenterait un bon compromis entre santé digestive et croissance de l’aulacode après son sevrage. Descendre au dessous de 6 g de protéines digestibles par MJ d’énergie digestible, via une hausse importante des apports d’amidon et une baisse importante du taux de protéines brutes (en dessous de 11 %) et de fibres, est préjudiciable à la croissance des animaux. / The cane rat or grasscutter (Thryonomys swinderianus) is a rodent herbivore recently domesticated in Africa for meat production. Some previous studies focused on the feeding of this animal, in order to improve the productivity of farms. To date, our knowledge of digestion and nutritional requirements of this animal are still very scarce. Our first objective was to improve our knowledge of digestive physiology of the young grasscutter, particularly in relation to dietary fibre supply, in order to improve the recommendations for dietary fibre content of diets to optimize growth and digestive health. Our second objective was to analyze the effects of a decreased digestible protein / digestible energy ratio, along with an increased intake of starch, on digestion and performances. The final aim was to analyze the possibilities to formulate a complete feed, cheaper for farmers and that meets the requirements of the young grasscutter. Our study found that the caecum is the most important digestive compartment of the young grasscutter between 1 and 3 months of age, with more than 40% of the total gut contents. The caecal microbial activity (100 mM of total volatile fatty acids (VFA) per gram of fresh content) is high and similar to that of ruminants or other herbivorous monogastric animals. The fermentation profile is characterized by a predominance of acetate (75% of total VFA) and a propionate / butyrate ratio greater than 1. A pyrosequencing of bacterial 16S-DNA was used to characterize the caecal microbiota. At weaning (one month), we observe a predominance of the Bacteroidetes phylum, with 51% of relative abundance, whereas the Firmicutes phylum becomes predominant (50%) at 3 months of age. Caecal microbiota is characterized by the presence of genera often identified in other digestive ecosystems of herbivores, such as: RC9 (2-8%), Parabacteroides (1-8%), Prevotella (3.6%) and Xylanibacter (1%), Erysipelotrichaceae Turicibacter (1-7%), Lachnospiraceae Incertae_Sedis (4-5%), Ruminococcaceae Incertae_Sedis (1-2%) and Ruminococcus (1-3%). Other genera, absent in related species such as rabbits and guinea pigs, seemed more specific of the grasscutter, such as Termite_Treponema_cluster (1.7-2.2%) and Treponema (7-13%) of the Spirochaetes phylum. The analysis of growth performances indicated that a dietary fibre content between 17% and 21% of ADF represents a good compromise between digestive health and growth of the grasscutter after weaning. Decreasing below 6g of digestible protein / MJ of digestible energy, via a high increase in starch intake and a significant decline in crude protein content (below 11%) and fibre, is detrimental to the growth of animals.

Les écosystèmes côtiers sont des milieux complexes au sein desquels les communautés microbiennes, jouant un rôle majeur dans leur fonctionnement et leur maintien, s’adaptent et sont tolérantes à des conditions environnementales fluctuantes. En effet, au rythme des marées et de l'activité de la macrofaune, des oscillations oxie/anoxie influencent la composition et la dynamique des communautés microbiennes et par conséquent leur implication métabolique. Afin d’appréhender le devenir du pétrole dans ces écosystèmes, il est donc indispensable d’apporter des connaissances sur l’écologie des microorganismes intervenant dans son élimination, notamment dans des conditions oscillantes anoxie/oxie. Ainsi, ce travail de thèse a eu pour objectif de décrypter l’assemblage de communautés microbiennes hydrocarbonoclastesde sédiments intertidaux soumises à des oscillations anoxie/oxie en présence de pétrole lors d’une expérience en bioréacteurs. Les réponses écologiques des communautés bactériennes globales et de micro-organismes sulfato-réducteurs en conditions oscillantes ont pu être décrites en comparaison avec celles obtenues en conditions d’oxie ou d’anoxie permanentes, par l’analyse des données obtenues par séquençage haut-débit des gènes de l’ARN 16S et dsrB au niveau transcriptionnel. Ces études comparatives ont mis en évidence des profils écologiques en réponseaux conditions oscillantes, pouvant être répandus dans différents environnements marins côtiers. En réponse à ces conditions particulières, de nombreux microorganismes semblent avoir le potentiel à tolérer et/ou s’adapter aux différentes conditions d'oxygénation. Cette capacité d’acclimatation rapide des communautés bactériennes aux conditions oscillantes se sont accompagnées de capacités de dégradation équivalentes ou supérieures dans ces conditions par rapport à la condition d’oxie permanente montrant l’influence des oscillations anoxie/oxie sur le devenir du polluant dans les environnements pollués soumis à ces conditions. / Coastal ecosystems are complex environments in which microbial communities, playing a major role in their functioning and maintain, are tolerant and adapt to changing environmental conditions. Indeed, the tides and the macrofauna’s activity generate oxic/anoxic oscillations which influence the composition and dynamics of microbial communities and consequently their metabolic in volvement. To understand the fate of oil in these ecosystems, it is essential to provide knowledge on the ecology of microorganisms involved in these systems, taking into account anoxic/oxicoscillating conditions. Thus, this thesis aimed to decipher the organization of hydrocarbonoclastic microbial communities inhabiting intertidal sediments, when they are subjected to anoxic/oxic oscillations in an experiment in bioreactors with oil addition. Ecological responses of bacterial communities and sulfate-reducing microorganisms in oscillating conditions have been described comparing with those obtained with permanent oxic or anoxic conditions, using high-throughputsequencing analyses of the 16S rRNA and dsrB genes at the transcriptional level. These comparatives studies have highlighted ecological profiles in response to the oscillating conditions, which can be prevalent in different coastal marine environments. In response to these particular conditions, many organisms seem to have the potential to tolerate and / or adapt to the different conditions of oxygenation. This rapid acclimation capacity of bacterial communities tothese changing conditions have been accompanied by equivalent or greater degradation capacity under these conditions compared to the permanent oxic condition, showing the influence of the anoxic/oxic oscillations on the fate of pollutant in environments subjected tothese conditions.

C'est essentiellement sur les bactéries libres que portent les études récentes en écologie microbienne d'eau douce, et seulement quelques études ont concerné les communautés bactériennes attachées. Dans cette étude basée sur l'analyse des séquences du gène 16SARNr, la diversité des communautés bactériennes attachées ainsi que de la fraction libre a été étudiée sur deux systèmes d'eau douce ; un lac mésotrophe (le lac du Bourget) et un lac hypereutrophe (le lac Villerest). La diversité des Actinobacteria, Betaproteobacteria et Verrucomicrobia libres et attachées a été étudié en relation avec les variables environnementales, dans le lac du Bourget pendant deux périodes à dominances contrastées de phytoplancton. L'analyse des résultats a montré une différence au niveau phylogénétique entre les communautés bactériennes attachées et libres des trois groupes de bactéries étudiées. Le clade betaI, dominait les Betaproteobacteria des fractions libres et attachées, avec 57,8% de la totalité des unités taxinomiques opérationnelles (OTUs). Pour les Actinobacteria, le groupe d'acIV a été détecté comme le plus abondant, suivi par acI avec respectivement 45% et 25% du total des OTUs. De même, les groupes Verrucomicrobia d'eau douce, à savoir CREPA29, FukuN18, CL120-10 sont apparus comme les plus importants, avec 22,3%, 16,15% et 14,61% des OTUs respectivement. Cette étude a permis de définir 15 nouveaux clades putatifs représentant la diversité bactérienne d'eau douce des Betaproteobacteria (lbI-lbVIII), Actinobacteria (acLBI) et Verrucomicrobia (CRE-PA29, FukuS27, BourFI-BourFIV). Par ailleurs, 12 groupes représentant la diversité de phylogénétique des Betaproteobacteria, Actinobacteria et Verrucomicrobia contiennent exclusivement des OTUs de la fraction attachée. La dynamique saisonnière souligne les changements des phylotypes bactériens distincts pour les deux communautés attaché et libre. Les Actinobacteria dans la fraction attachée était associée avec la biomasse des Chrysophyceae et N-NO3, et les Betaproteobacteria avec la biomasse de Chlorophyceae et de la richesse du phytoplancton tandis que les Verrucomicrobia de cette même fraction ont semblé être principalement influencés par la richesse du phytoplancton, l′abondance des rotifères et les nutriments inorganiques (N-NO3, SiO2). D'autre part, dans les communautés libres, peu de clades d'actinobacterie dépendent des nutriments ou du phytoplancton, alors que les Betaproteobacteria et Verrucomicrobia ont été principalement associés avec les paramètres biologiques (i.e. phytoplancton et copépodes). Pendant le bloom des cyanobacteries (Microcystis sp.) dans le lac Villerest, les Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Bacteroidetes et Actinobacteria ont été détectés comme taxa dominants dans les banques de clones du gène 16S ARNr. Toutefois Verrucomicrobia et Deinococcus-Thermus sont apparus relativement moins abondants dans les deux fractions, tandis que,Gemmatimonadetes, Acidobacteria, Chloroflexi, Planctomycetes, Deltaproteobacteria, Firmicutes et Op11 sont apparus comme des phyla mineurs dans la banque de clones des communautés bactériennes attaché et libre. Les Betaproteobacteria (n=118) attachées sont apparus comme le groupe dominant, suivi par Gammaproteobacteria (n=74) et Bacteroidetes (n=52). L'analyse phylogénétique des séquences obtenues pour la banque de clone de la fraction libre a montré que la plupart des OTUs appartiennent à Betaproteobacteria (n=192), suivi par Bacteroidetes (n=132) et Actinobacteria (n=61). Tandis que les Gammaproteobacteria (n=42) et Alphaproteobacteria (n=42) sont présents dans des proportions égales dans la banque de clones du 16S ARNr libre. (...) / The free-living bacteria point of view dominates in recent research of freshwater microbial ecology, only a few studies have focused on attached bacterial communities. In present study, based on 16S rRNA gene sequences, diversity of attached and free-living bacterial community was investigated from two freshwater aquatic systems ; a mesotrophic lake Bourget and a hypereutrophic lake Villerest. The diversity of attached and free-living Actinobacteria, Betaproteobacteria and Verrucomicrobia, in relation to environmental variables was investigated from lake Bourget during two contrasting periods of phytoplankton dominance. Comparison analyses showed a phylogenetic difference between attached and free-living bacterial communities of all three studied bacterial groups. The betaI, appeared as most dominant among all clades representing phylogenetic diversity of freshwater Betaproteobacteria, for both attached and free-living fractions, contributing to 57.8% of of the total retrieved opertational taxonomic units (OTUs). For Actinobacteria, the acIV cluster was detected as dominant, followed by acI accounting for 45% and 25% of the total retrieved OTUs respectively. Similarly, freshwater Verrucomicrobia cluster namely, CRE-PA29, FukuN18, CL120-10 appeared as dominant, comprising 22.3%, 16.15% and 14.61% of the total retrieved OTUs respectively. This study allowed defining 15 new putative clades representing the freshwater bacterial divesity of Betaproteobacteria (lbI-lbVIII), Actinobacteria (acLBI) and Verrucomicrobia (CRE-PA29, FukuS27, BourFI-BourFIV). In addition, 12 clusters representing the phylogenetic diversity of Betaproteobacteria, Actinobacteria and Verrucomicrobia were exclusively comprised of OTUs from the attached fraction. The seasonal dynamics of environmental variables have been reflected as changes in distinct bacterial phylotypes for both attached and free-living communities. The attached bacterial communities of Actinobacteria showed affiliation with Chrysophyceae biomass and N-NO3, while attached Betaproteobacteria were affiliated with biomass of Chlorophyceae and phytoplankton richness. Similarly attached verrucomicrobial communities appeared to be mainly influenced by phytoplankton richness, rotifers abundances and inorganic nutrients (NNO3,SiO2). On the other hand, within free-living communities, few actinobacterial clades were found to be dependent on either nutrients or phytoplankton communities, whereas Betaproteobacteria and Verrucomicrobia were mainly associated with biological parameters (i.e. phytoplankton and copepods communities). In another study during a cyanobacterial (Microcystis sp.) bloom from lake Villerest, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Bacteroidetes and Actinobacteria were detected as prevalent taxa among the 16S rRNA gene clone libraries, however, Verrucomicrobia and Deinococcus-Thermus appeared as comparatively less abundant bacterial groups in both fractions. Whereas, Gemmatimonadetes, Acidobacteria, Chloroflexi, Planctomycetes, Deltaproteobacteria, Firmicutes and Op11 were appeared as minor phyla in clone libraries of attached and free-living bacterial communities. For attached bacterial communities Betaproteobacteria (n=118) appeared as most dominant group, followed by Gammaproteobacteria (n=74) and Bacteroidetes (n=52). The phylogenetic analysis of the sequences obtained for the clone library from free-living fraction showed that most of the OTUs belonged to Betaproteobacteria (n=192) followed in decreasing order by Bacteroidetes (n=132) and Actinobacteria (n=61) whereas Gammaproteobacteria (n=42) and Alphaproteobacteria (n=42) appeared in equal proportion in free-living 16S rRNA clone libraries. (...)

Les écosystèmes aquatiques soumis à des pressions anthropiques sont des lieux d'évolution rapide des communautés microbiennes. Cet environnement participe certainement à l'émergence d'agents infectieux résistants aux antibiotiques. La ville de Montpellier est située dans un petit bassin versant qui subit d’une part des épisodes de pluies brutales et d’autre part de fortes pressions démographiques. Le principal hôpital est situé dans une zone de ruissellement comprenant deux petites rivières urbaines provenant d'eaux souterraines karstiques à quelques kilomètres en amont. L’objectif de cette étude est d'explorer les communautés bactériennes dans les rivières urbaines qui coulent près du centre hospitalier afin d'évaluer l'influence des ruissellements sur la résistance aux antibiotiques dans les communautés bactériennes. Les communautés bactériennes sont également décrites dans les aquifères karstiques en amont. Une section introductive présente les méthodes disponibles pour l'étude de la résistance aux antimicrobiens dans l'environnement et une revue de la littérature expose les données actuelles sur la résistance aux antibiotiques dans l’eau de ruissellement urbain. Cette partie justifie les stratégies expérimentales. La méthode développée ici, appelée détermination de la concentration inhibitrice à l’échelle de la communauté bactérienne (c-IC, pour community inhibitory concentration), est combinée à une description de la richesse taxonomique pour donner une description instantanée des communautés bactériennes résistantes dans les environnements aquatiques. Une stratégie dérivée de l'approche c-IC permet d'explorer la résistance bactérienne dans le système hydrologique urbain près de l'hôpital et dans les aquifères karstiques. Les données microbiologiques recueillies sont complétées par des données hydrologiques, hydrogéologiques, climatiques et physico-chimiques.L'impact de très faibles concentrations d'antibiotiques sur la structure de la communauté bactérienne dans divers environnements hydriques a été démontré et apparaît comme un indicateur de la vulnérabilité des écosystèmes face aux pressions antimicrobiennes. Le répertoire taxonomique des communautés fluviales urbaines a été décrit et sa dynamique a été confrontée aux conditions environnementales. Le voisinage des hôpitaux augmente significativement la prévalence des bactéries résistantes par rapport à une zone urbaine similaire éloignée de l'hôpital. Des bactéries d’intérêt médical résistantes aux céphalosporines et aux carbapénèmes ont été isolées. De façon surprenante, un Escherichia coli producteur de NDM-5, pathogène émergeant hautement résistant, a été signalé pour la première fois dans une rivière française. Le clone a été détecté dans deux échantillons indépendants montrant sa persistance. Le gène blaNDM-5 et son environnement génétique ont été décrits sur un plasmide IncX3 transférable, indiquant un transfert génétique horizontal possible. La résistance aux antimicrobiens dans l'eau souterraine karstique a varié dans le temps et dans l'espace et est difficilement comparable à celle décrite dans les rivières associées. En milieu urbain, la qualité de l'eau et le risque infectieux sont généralement évalués sur les eaux usées et les effluents des stations d'épuration. Cette étude montre que les eaux de ruissellement dans des zones urbanisées contribuent à l'émergence et à la dissémination de la résistance aux antimicrobiens. Compte tenu de l'épidémiologie inquiétante des maladies infectieuses, cette étude invite à explorer les potentiels réservoirs environnementaux de bactéries résistantes afin de compléter les connaissances sur le cycle épidémiologique de la résistance aux antimicrobiens et essayer de l’interrompre ou de le ralentir. / Aquatic ecosystems subjected to anthropic pressures are places of rapid evolution of microbial communities. They are likely hotspots for emergence of infectious disease agents resistant to antibiotics. The city of Montpellier is located in a small watershed that undergoes brutal rainfall episodes and strong demographic pressures. A hospital is located in a runoff area including two small urban rivers originating from karstic groundwater few kilometers upstream. The aim of the study is to explore bacterial communities in urban rivers flowing near hospital settings in order to evaluate the influence of runoffs on antibiotics resistance in the bacterial communities. Bacterial communities are also described in upstream karstic aquifers.An introductive section presents the methods available for studying antimicrobial resistance in environment and then reviews comprehensively bibliography on antibiotics resistance in urban runoffs. This part supports the experimental strategies. The method developed herein, called community Inhibitory Concentration (c-IC) determination is combined to taxonomic richness description to provide a tool that gives a rapid snapshot of resistant bacterial communities in aquatic environments. A strategy derived from c-IC approach allows the exploration of bacterial resistance in the urban hydrologic system near the hospital and in karstic aquifers. The collected microbiological data has been completed by hydrological, hydrogeological, climatic and physico-chemical data.The impact of very low concentration of antibiotics on the bacterial community structure in various water bodies was demonstrated and appeared as an indicator of the vulnerability of ecosystems to antimicrobial pressures. The taxonomic repertory of the urban river communities was described and its dynamics was compared to environmental conditions. Hospital vicinity significantly increase the prevalence of resistant bacteria compared to a similar urban area remote from hospital. Diverse clinically relevant cephalosporins and carbapenems resistant bacteria have been isolated. Surprisingly, a NDM-producing Escherichia coli, which is a highly resistant and emerging pathogen was reported for the first time in a French River. The clone was detected in two independent sampling showing its persistence. The blaNDM-5 gene and its surrounding sequences were described on a transferable IncX3 plasmid, indicating possible genetic transfer to other bacteria. The antimicrobial resistance in karst groundwater varied in time and space and was hardly compared with that described in related rivers.In urban settings, water quality and infectious risk is generally assessed on sewers and wastewater treatment plants effluents. This study shows that runoff waters in urbanized area contribute to the emergence and dissemination of antimicrobial resistance. Considering the worrisome epidemiology of infectious diseases, it urges to decipher all environmental reservoirs for resistant bacteria in order to complete knowledges about the epidemiological cycle of antimicrobial resistance and try to break or slow down it.

Le chlorométhane (CH3Cl) est un composé organique volatile responsable de plus de 15 % de la dégradation de l’ozone stratosphérique due aux composés chlorés. Il est produit majoritairement par les plantes vivantes ou en décomposition. Les bactéries capables d’utiliser le CH3Cl comme source de carbone pour leur croissance peuvent jouer un rôle de filtre dans les émissions de CH3Cl vers l'atmosphère. Ce processus biologique reste à quantifier dans l'environnement, notamment pour les sols forestiers considérés comme un puits majeur de ce composé.Dans les études environnementales, le gène cmu A est utilisé comme biomarqueur de la dégradation bactérienne du CH3Cl. Il code une chlorométhane méthyltransférase essentielle à la croissance bactérienne avec le CH3Cl parla voie cmu (pour chloromethane utilisation), la seule caractérisée à ce jour. Mon projet de thèse avait un double objectif : i) l’approfondissement des connaissances de l’adaptation au CH3Cl chez une bactérie méthylotrophe modèle, Methylobacterium extorquens CM4; ii) l’exploration de la diversité des bactéries CH3Cl-dégradantes de sols forestiers. L’étude RNAseq chez la souche CM4 a montré que la croissance avec le CH3Cl s'accompagne de différences dans la transcription de 137 gènes de son génome (6.2 Mb) par rapport à sa croissance sur le méthanol (CH3OH). Les gènes de la voie cmu, ainsi que d’autres gènes impliqués dans le métabolisme de cofacteurs essentiels à l’utilisation du CH3Cl par cette voie et eux aussi portés par le plasmide pCMU01 de la souche, en font partie. Les paralogues de ces gènes localisés sur le chromosome ne sont quant à eux pas différentiellement exprimés. En revanche, d’autres gènes du chromosome, potentiellement impliqués dans l’excrétion de protons produits lors de la déshalogénation (hppA), la régénération du NADP+ (pnt), ou le métabolisme du cofacteur tétrahydrofolate(gènes gcvPHT), le sont. L’étude de la diversité des bactéries CH3Cl-dégradantes de sol forestier de la réserve naturelle de Steigerwald (Allemagne) a été réalisée sur des microcosmes par une approche de « Stable Isotope Probing ». Les microorganismes capables d’assimiler le CH3Cl marqué au [13C] incorporent cet isotope lourd du carbone dans leur ADN. L'analyse des séquences amplifiées par PCR des gènes codant l’ARN 16S des fractions d'ADN enrichies en [13C] a permis de mettre en évidence de nouveaux phylotypes, du genre Methylovirgula et de l’ordre des Actinomycetales, distincts de ceux auxquelles les souches dégradant le CH3Cl isolées jusqu'ici sont affiliées. En revanche, les séquences du gène cmuA et d’autres gènes du métabolisme méthylotrophe obtenues par PCR à partir de l'ADN enrichi en [13C] sont très proches de celles des souches CH3Cl-dégradantes connues. Les résultats obtenus suggèrent ainsi que des bactéries ayant acquis par transfert horizontal les gènes de dégradation de la voie cmu ou ne possédant pas de gène cmuA contribuent au filtrage biologique du CH3Cl des sols forestiers. A l'avenir, le couplage de différentes méthodes moléculaires et des approches culturales visera à découvrir de nouvelles voies microbiennes de l’utilisation du CH3Cl, et à caractériser l’abondance et la diversité des métabolismes impliqués dans la dégradation du CH3Cl dans les sols et d'autres compartiments environnementaux. / Chloromethane (CH3Cl) is a volatile organic compound responsible for over 15% of stratospheric ozone degradation due to chlorinated compounds. It is mainly produced by living and decaying plants. Bacteria utilizing CH3Cl as sole carbon and energy source for growth were shown to be involved in the filtering of CH3Cl emissions to the atmosphere. This biological process remains to be quantified in the environment, especially for forest soil, a major CH3Cl sink. The cmuA gene is used as a biomarker of bacterial CH3Cl degradation in environmental studies. It encodes a CH3Cl methyltransferase essential for bacterial growth by the cmu (chloromethane utilization) pathway for growth with CH3Cl and the only one characterized so far. My thesis project had a double aim: i) In depth studies of CH3Cl adaptation of a model methylotrophic bacterium, Methylobacterium extorquens strain CM4; ii) Exploration of bacterial CH3Cl-utilizers in forest. An RNAseq study of strain CM4 has shown that growth with CH3Cl leads to a difference of transcription of 137 genes in its 6.2 Mb genome compared to growth with methanol (CH3OH). Among those, genes of the cmu pathway and other genes involved in the metabolism of essential cofactors for CH3Cl utilization by this pathway, are all plasmid pCMU01-encoded. Paralogous genes located on the chromosome were not differentially expressed. On the other hand, other chromosomal genes potentially involved in extruding protons generated during CH3Cl deshalogenation (hppA), NADP+ regeneration (pnt), or in the cofactor tetrahydrofolate metabolism (gcvPHT) were differentially expressed. The diversity of CH3Cl-degrading bacteria in forest soil of the German natural park of Steigerwald was studied in microcosms using stable isotope probing. Microorganisms able to assimilate labeled [13C]- CH3Cl incorporate this heavy carbon isotope in their DNA. Sequence analysis of the PCR-amplified 16S RNA encoding gene from [13C]-DNA fractions uncovered phylotypes of the genus Methylovirgula and of the order of the Actinomycetales, which were not associated with bacterial CH3Cl degradation so far. In contrast, PCR-amplified sequences of cmuA and other genes of methylotrophic metabolism were closely related to known CH3Cl-degrading isolates. These results suggest that bacteria containing genes of the cmu pathway acquired by horizontal gene transfer as well as bacteria lacking the cmu pathway contribute to biological filtering of CH3Cl in forest soil. Future experiments coupling molecular and culture methods will aim to discover new CH3Cl-degrading pathways and to characterize the abundance and diversity of CH3Cl-degradation metabolism in soil and other environmental compartments.

Lors de cette thèse, je me suis intéressée à la modélisation du métabolisme des micro-organismes. Nous nous sommes focalisé sur le métabolisme des petites molécules qui ne prend pas en compte les réactions associées aux macromolécules, telle que la synthèse des protéines.Nous avons ainsi utilisé différents formalismes de modélisation.Tout d'abord, nous avons développé TOTORO où les réseaux métaboliques sont représentés par des hypergraphes dirigés et qui permet d'identifier les réactions ayant participé à une transition métabolique. TOTORO a été utilisé sur un jeu de données sur la levure en présence de cadmium. Nous avons pu montrer que nous retrouvons les mécanismes connus de désintoxication.Ensuite, en utilisant une méthode de modélisation par contraintes, nous discutons d'un développement en cours, KOTOURA, qui propose d'utiliser les connaissances actuelles de concentrations de métabolites entre différentes conditions pour inférer de manière quantitative les possibles asynchronies des réactions lors du passage d'un état stable à un autre. Nous avons testé son implémentation sur des données simulées.Enfin, nous proposons MULTIPUS, une méthode d'extraction d'(hyper)-arbres de Steiner dirigés qui permet de sélectionner les voies métaboliques pour la production de composés au sein d'une communauté bactérienne. Les réseaux métaboliques sont modélisés en utilisant des hypergraphes dirigés et pondérés. Nous proposons un algorithme de programmation dynamique paramétré ainsi qu'une formulation utilisant la programmation par ensemble réponse. Ces deux propositions sont ensuite comparées dans deux cas d'applications / In this PhD work, we proposed to model metabolism. Our focus was to develop generic models, that are not specific to one organism or condition, but are instead based on general assumptions that we tried to validate using data from the literature.We first present TOTORO that uses a qualitative measurement of concentrations in two steady-states to infer the reaction changes that lead to differences in metabolite pools in both conditions.TOTORO enumerates all sub-(hyper)graphs that represent a sufficient explanation for the observed differences in concentrations. We exploit a dataset of Yeast (Saccharomyces cerevisiae) exposed to cadmium and show that we manage to retrieve the known pathways used by the organisms. We then address the same issue, but using a constraint-based programming framework, called KOTOURA, that allows to infer more quantitatively the reaction changes during the perturbed state. We use in this case exact concentration measurements and the stoichiometric matrix, and show on simulated datasets that the overall variations of reaction fluxes can be captured by our formulation.Finally, we propose MULTIPUS, a method to infer microbial communities and metabolic roads to produce specific target compounds from a set of defined substrates. We use in this case a weighted directed hypergraph. We apply MULTIPUS to the production of antibiotics using a consortium composed of an archae and an actinobacteria and show hat their metabolic capacities are complementary. We then infer for another community the excretion of an inhibitory product (acetate) by a 1,3-propanediol (PDO) producer and its consumption by a methanogene archae