Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La Directive Cadre Européenne sur l'eau impose d'évaluer la qualité des cours d'eau au moyen d'indicateurs chimiques et biologiques dont les diatomées font partie. Les indices basés sur la composition taxonomique et l'abondance relative des taxa de diatomées sont robustes. Cependant, de nombreux échantillons doivent être analysés chaque année alors que l'identification de ces micro-algues en microscopie optique est difficile à cause des incertitudes taxonomiques, et nécessite temps et expertise. Ainsi, des améliorations peuvent encore être apportées pour faciliter le suivi en routine de la qualité de l'eau. Les techniques de biologie moléculaire sont des outils efficaces pour identifier les microorganismes et pourraient donc être utilisées pour améliorer l'identification des diatomées. Les objectifs de cette thèse étaient donc de compléter les connaissances sur la taxonomie des diatomées d'eau douce par des méthodes moléculaires et de progresser dans le développement d'un outil moléculaire permettant l'identification des diatomées dans des échantillons naturels, en vue de son utilisation en bioindication. L'étude de la taxonomie de plusieurs groupes de diatomées a été réalisée en combinant des approches morphologiques et des approches moléculaires. Nos travaux ont montré les capacités des séquences ADN pour discriminer les taxa de diatomées et révéler leurs relations phylogénétiques. L'utilisation de séquences ADN a montré que les critères morphologiques utilisés pour identifier les diatomées ne correspondaient pas systématiquement à leurs relations phylogénétiques. L'utilisation de différents marqueurs a permis des discriminations à différents niveaux taxonomiques. Nos résultats ont également révélé l'importance de combiner des approches complémentaires, morphologiques et moléculaires, pour améliorer notre compréhension des relations entre les différents taxa de diatomées et ainsi stabiliser leur taxonomie. Les séquences ADN permettant une discrimination des taxa de diatomées, nous avons testé un outil moléculaire de séquençage haut-débit, le pyroséquençage 454, dans le but d'identifier les taxa composant les communautés de diatomées. Nous avons ainsi assemblé des bases de séquences de référence bénéficiant d'une identification taxonomique. Nous avons également participé au développement d'outils bioinformatiques nécessaires à l'analyse des données de pyroséquençage. Enfin, nous avons pu tester ces outils pour établir des inventaires taxonomiques de diatomées dans des communautés artificielles (mélanges de souches) et dans des communautés environnementales (biofilms d'eau douce). Ces études ont prouvé le potentiel du pyroséquençage 454 pour étudier les communautés de diatomées à des niveaux taxonomiques précis. La comparaison de différents marqueurs nucléiques a révélé que le marqueur rbcL était le marqueur le plus adapté à l'identification des diatomées par pyroséquençage. En effet, en prenant en compte les bases de séquences de référence, la reproductibilité et les biais de la méthode ainsi que le pouvoir résolutif du marqueur, l'utilisation du rbcL a permis la meilleure estimation de la composition en diatomées d'échantillons complexes. Des progrès devront encore être faits avant de pouvoir utiliser les outils moléculaires pour évaluer la qualité de l'eau par les diatomées. Cependant nos différentes études permettront de guider les prochaines analyses de manière à aboutir à un suivi de la qualité de l'eau basé sur des inventaires moléculaires des taxa de diatomées. / The European Water Framework Directive requires assessing the river quality using chemical and biological indicators among which are diatoms. Indices based on taxonomic composition and relative abundance of diatom taxa are robust. However, thousands of diatom samples are analyzed every year while microscopic identification is difficult due to taxonomic uncertainties, and requires time and expertise. Thus, it is still possible to improve the routine monitoring of water quality. The molecular biology techniques are accurate tools to identify microorganisms and could be used to enhance diatom identification. The objectives of this thesis were therefore to improve our knowledge on the freshwater diatom taxonomy by molecular methods and to progress in the development of a molecular tool in order to identify diatoms in natural samples, thus improving bioindication tools. The taxonomic study of several groups of diatoms was achieved by combining morphological and molecular approaches. Our results showed the capacity of DNA sequences to discriminate diatom taxa and revealed their phylogenetic relationships. The use of DNA sequences showed that the morphological criteria used to identify diatoms do not correspond systematically to their phylogenetic relationships. The use of different markers allowed discrimination at different taxonomic levels. Our results also revealed the importance of combining complementary approaches, morphological and molecular, to improve our understanding of the relationships between different diatom taxa and thus stabilize their taxonomy. As DNA sequences allowed discrimination of diatom taxa, we tested a molecular tool of high throughput sequencing, 454 pyrosequencing, in order to identify the diatom composition of communities. We assembled reference libraries of sequences linked to taxonomic identification and we contributed to the development of bioinformatic tools required to analyze data from pyrosequencing. Finally, we tested these tools to establish taxonomic inventories of diatoms in artificial communities (mixtures of strains) and environmental communities (freshwater biofilm samples). The studies showed the potential of 454 pyrosequencing to accurately analyze diatom communities. The comparison of different nucleic markers revealed that the rbcL marker was the most suitable to identify diatoms using pyrosequencing. Indeed, taking into account reference libraries, reproducibility and bias of the method, and the resolving power of marker, the use of rbcL allowed the best estimation of the diatom composition in complex samples. Improvements will be necessary to use molecular tools in order to assess water quality using diatoms. However our studies lead the way for future experiments in order to achieve a monitoring of water quality based on molecular inventories of diatom taxa.

Activités de recherche L'ensemble de mes recherches à l'Université de Corse porte sur l'utilisation des organismes comme descripteurs de la qualité du milieu. En effet, certains organismes sont très sensibles aux variations des conditions environnementales, qu'elles soient d'origine biotique ou abiotique et y répondent proportionnellement par des changements mesurables à différents niveaux d'intégration (spatial, morphologique, physiologique ou bien encore cellulaire). Tous ces changements, peuvent, s'ils sont bien utilisés, constituer des bioindicateurs, outils précoces et fiables pour fournir une aide à la gestion des milieux. Dans un premier temps, et ce, jusqu'en juillet 2005, mes travaux se sont portés, au sein de l'Equipe Ecosystèmes Littoraux, sur l'étude des peuplements de macrophytes marines et lagunaires, afin d'appréhender leur réactions face à des stress de diverses origines, tels que les pollutions chimiques, les activités aquacoles, l'eutrophisation du milieu, ou encore la compétition interspécifique, et d'identifier des indicateurs de vitalité chez ces espèces. En Septembre 2005, mon intégration à l'Equipe Feux de l'UMR CNRS 6134, m'a permis d'appliquer l'ensemble de mes connaissances aux peuplements forestiers. Les recherches cette fois ci sont menées principalement sur les réponses de Pinus laricio soumis, d'une part aux brûlages dirigés, et d'autre part aux changements climatiques.

Le développement des activités industrielles et agricoles du siècle dernier a eu pour conséquence le rejet de substances chimiques dans l’environnement, qui contaminent les écosystèmes, et peuvent s’accumuler dans les plantes, les sédiments, et le long des chaînes alimentaires. Il apparait primordial d’effectuer une évaluation du risque écologique associé à la présence de ces composés dans les milieux naturels et les espèces sentinelles sont des outils judicieux pour déterminer l’exposition des individus et évaluer les conséquences sur les organismes. Les amphibiens et les reptiles possèdent des caractéristiques écologiques et biologiques qui les rendent potentiellement intéressants en tant qu’espèces sentinelles. L’objectif des études présentées dans cette thèse est de déterminer la disponibilité de certaines substances dans l’environnement, et d’évaluer les effets de la contamination environnementale sur les organismes en utilisant plusieurs espèces de reptiles et d’amphibiens, (i) en mesurant les niveaux de polluants accumulés dans les tissus d’espèces de reptiles ; (ii) en évaluant l’influence d’un habitat contaminé sur la morphologie d’adultes de crapaud commun (Bufo bufo) ; (iii) en mesurant de manière expérimentale l’impact d’une molécule fréquemment retrouvée dans l’environnement sur le développement de têtards de crapaud commun. Nos résultats montrent d’une part que les reptiles accumulent efficacement les polluants organiques et les éléments traces métalliques dans leurs tissus, et permettent d’évaluer efficacement la contamination globale d’une zone, mais aussi de mettre en évidence des pollutions ponctuelles localisées. D’autre part, nos travaux montrent une influence de l’habitat agricole sur la morphologie du crapaud commun, potentiellement causé par la présence de contaminants dans ces milieux. Enfin, nous avons pu mettre en évidence un effet de concentrations faibles d’AMPA, métabolite principal du glyphosate, sur le développement de têtards de crapaud commun. Les amphibiens constituent donc des organismes efficaces pour étudier l’impact de la contamination de l’environnement sur les caractéristiques individuelles. Nos travaux montrent ainsi l’utilité de certaines espèces de reptiles et d’amphibiens comme espèces sentinelles de la présence de contaminants dans l’environnement et de leur impact potentiel sur les organismes. Les travaux en écotoxicologie qui portent sur ces organismes restent trop rares, et il est impératif de développer la recherche dans ce domaine, pour participer de manière efficace à l’évaluation du risque environnemental. / The development of industrial and agricultural activities over the last century has resulted in the release of chemicals into the environment, which contaminate ecosystems and can accumulate in plants, sediments and across food webs. As such, it is essential to conduct an assessment of the ecological risk associated with the presence of these compounds in natural environments. Achieving this can be aided through the study of sentinel species, which can be used to determine exposure rates of individuals and assess how these subsequently impact wildlife. Amphibians and reptiles display ecological and biological characteristics that may make them particularly attractive as sentinel species. The collection of studies presented in this thesis aims to determine the availability of contaminants in the environment and estimate the effects of this on individual traits of living organisms. Across several species of reptiles and amphibians we, (i) measured levels of pollutants accumulated in the tissues of several reptile species ; (ii) assessed how contaminated habitats impact the morphology of adult common toads (Bufo bufo) ; and (iii) experimentally measured the influence of a molecule frequently detected in the environment on common toad tadpoles’ growth. Results show that reptiles efficiently accumulate organic pollutants and metal trace elements in their tissues, and thereby allow efficient evaluation of the global contamination of an area, as well as the occurrence of localized pollution events. In addition, our work shows an influence of the agricultural habitat on the morphology of adult common toads, which is potentially a consequence of the presence of chemicals in these environments. Finally, we were able to demonstrate an effect of low concentrations of AMPA, the main metabolite of glyphosate, on the development of common toad tadpoles. Amphibians are therefore efficient organisms to study the impact of environmental contamination on individual characteristics. Our work shows the usefulness of certain species of reptiles and amphibians as sentinel species for the presence of contaminants in the environment, and their potential impact on organisms. Ecotoxicological studies on these organisms remain too scarce, and it is imperative to develop research in this field, to participate effectively in the assessment of environmental risk.

L'Ecrevisse à pattes blanches ou Austropotamobius pallipes est un des organismes sentinelles des rivières françaises dont le déclin accompagne la dégradation progressive des masses d'eau superficielle. Les programmes de repeuplement pour la conservation de l'espèce s'inscrivent dans le cadre de la restauration écologique et de la surveillance de la bonne qualité des milieux. Pour leur réussite, il est nécessaire de pouvoir évaluer le potentiel d'un site à être repeupler. En ce sens, le présent travail a proposé l'emploi des éphéméroptères et de la matière organique comme indicateurs. L'étude a été menée sur des ruisseaux de têtes de bassin des Deux-Sèvres qui constituent encore des sites à A. pallipes. La présence de certaines familles d'éphéméroptères (Leptophlebiidae) est corrélée avec la présence de cette écrevisse. Ces indicateurs biologiques ont prouvé leur efficacité dans le cadre de campagne de repeuplements réussis. Les propriétés de fluorescence de la matière organique expriment le fonctionnement des milieux et par extension leur qualité. Un modèle statistique bâti sur ces propriétés permet également de prédire la probabilité de présence ou d’absence d’A. pallipes pour un site donné. Les deux indicateurs proposés dans ce travail ont montré leur potentiel pour servir d'outil à la réintroduction de cette espèce. / White-clawed crayfish (Austopotamobius pallipes) is a sentinel organism in French rivers. Its decline follows the progressive degradation of the masses of water surfaces. Restocking programs for the conservation of this species take place in the frame of ecological restoring and monitoring of good environment quality. For their success, it is necessary to evaluate the potential of a site to be repopulated. In this sense, the present work proposes the use of Ephemeroptera (Leptophlebiidae) and Organic Matter as indicators. This study was conducted in headwater streams of the Deux-Sèvres region (France), which are suitable sites for A. pallipes. The presence of certain species of mayflies is correlated with the presence of this white-clawed crayfish. This biological indicator had proven its efficiency under a succeeded restocking campaign. The fluorescence properties of the Organic Matter express the functionning of the sites and by expansion their quality. A statistical model built on these properties also allows to predict the probability of a site for the presence or absence of A. pallipes. Two indicators proposed in this work have shown their potential toserve as a tool for the reintroduction of this species.

Les milieux aquatiques en zone urbaine sont reconnus comme des îlots de biodiversité qui offrent de nombreux services écologiques. Dans cette étude, nous avons utilisé les macroinvertébrés comme bioindicateurs de la qualité écologique des étangs, petits lacs et marais de l’Île de Montréal. Les macroinvertébrés ont été récoltés durant l’été 2011 dans la zone littorale de 20 sites variant par leur urbanisation et leurs caractéristiques limnologiques. Nous avons évalué la variation dans la richesse en taxa, les indices de diversité et plusieurs métriques basées sur la composition taxonomique ou les traits fonctionnels. Nous avons déterminé la réponse des métriques aux changements dans l’urbanisation, l’aménagement et les conditions des plans d’eau. Notre étude montre que les étangs, marécages et petits lacs constituent des réserves importantes de biodiversité en zone urbaine. Les marécages naturels et les étangs et lacs permaments avaient une meilleure qualité écologique et supportaient des communautés de macroinvertébrés plus diverses et abondantes que les petits étangs temporaires aménagés. Le couvert de végétation aquatique, l’enrichissement en nutriments et en matière organique ainsi que la biomasse des algues expliquaient le plus de variation dans les macroinvertébrés. Les aménagements, la densité urbaine et la permanence de l’eau avaient aussi une bonne influence. Les métriques univariées avaient moins de potentiel que les métriques multivariées. Nous avons discuté les implications de notre étude pour le suivi environnemental de la biodiversité et la qualité écologique des milieux aquatiques en zone urbaine. / Aquatic ecosystems in urban landscapes are now recognized as good islets of biodiversity and valuable environments providing ecological services. However, more knowledge is needed to assess their ecological quality. Benthic macroinvertebrates are widely used as bioindicators, but rarely for urban ecosystems. In this study, we used macroinvertebrates to evaluate the ecological quality of urban ponds and lakes in the island of Montreal. We collected macroinvertebrates during summer 2011 in the littoral zone of 20 waterbodies varying in urban and limnological characteristics. We evaluated spatio-temporal variation in several diversity and biotic indices and multiple metrics based on taxonomic composition and functional traits. We investigated if macroinvertebrate metrics responded to variation in urban land-use, pond management and limnological conditions. Our study showed that small waterbodies, as ponds, lakes and marshes are important resources for sustaining aquatic biodiversity in urban landscapes. Natural wetlands and artifical permanent ponds had higher ecological quality and supported more diverse and abundant macroinvertebrates than artificial managed temporary ponds in municipal parks. Vegetation cover, nutrient and organic contents, and algal biomass were the most important factors explaining spatial variation in macroinvertebrate metrics. Pond management, urban density, and water permanence were also influencial factors. Univariate metrics had less potential than multivariable metrics to assess the responses of macroinvertebrates to environmental features. We discussed the implications of our study for management and quality assessment of urban ponds.

Les Taillis à Très Courte Rotation sont une culture destinée à produire des plaquettes de bois énergie. L'objectif de la thèse était d'étudier l'impact des TTCR sur le fonctionnement des sols et de proposer des indicateurs de qualité. Cinq prélèvements ont été effectués chaque printemps et automne entre 2010 et 2012 sur les sols de quatre couples de TTCR et bandes enherbées, d'une forêt alluviale et d'un agrosystème, localisés dans la vallée de l'Aisne. Les paramètres suivants ont été mesurés: matières organiques, carbone total, capacité d'échange cationique et éléments échangeables, phosphore disponible, minéralisation du carbone et de l'azote, biomasse, abondance et diversité des communautés lombriciennes, abondance relative et diversité des communautés fongiques et bactériennes, activités enzymatiques, caractérisations physiques et chimiques des matières organiques. 6 années après la mise en place des TTCR, les densités fongiques et lombriciennes, la respiration basale, l'activité laccase étaient plus élevées dans les TTCR par rapport à l'agrosystème. Ces modifications peuvent être reliées aux changements quantitatifs et qualitatifs des matières organiques (augmentation du C/N, diminution de l'indice hydrogène). L'azote et le phosphore semblent être limitant mais les retours importants et le turn over rapide de la MO viennent tamponner les fortes exportations. Ces mesures ont conduit à la définition d'indicateurs et aboutissent à la proposition de trois indices : fertilité, activité biologique, abondance et diversité des communautés biologiques. L'utilisation des courbes de réponses principales confirme l'effet positif des TTCR sur la qualité du sol, observée avec le calcul d'indices synthétiques / Short Rotation Coppices (SRC) are a crop system intended to produce energy wood chips. This thesis aimed at assessing the impact of SRC on soil functioning and proposing quality indicators. Five samplings were performed in spring and autumn between 2010 and 2012 on plots including four couples of SRC and grassland, an alluvial forest and an agrosystem, in the Aisne valley. The following parameters were monitored: organic matter, total carbon, cation capacity exchange, available phosphorus, carbon and nitrogen basal respiration, earthworm biomass, density and diversity, fungal and bacterial density and diversity, enzymatic activity, physical and chemical organic matter characterisations. 6 years after conversion to SRC, earthworm and fungal density, basal respiration and laccase activity were higher in SRC soil compared to conventional agrosystem. These changes can be linked to qualitative and quantitative organic matter evolutions (increase of the C/N ratio and decrease of hydrogen index). Nitrogen and phosphorus seemed to be limiting factors for SRC crop yields. However, soil nutrient return and the good turnover of organic matter can buffer strong exportations. The measured parameters led to indicator definition and proposition of three indices: fertility, biological activity, density and diversity of biological communities. Principal response curves confirmed the positive effect of SRC on soil quality as observed with synthetic indices calculation

Le sol représente le support de la production agricole. A l’interface avec les autres compartiments de la biosphère, il remplit de nombreuses fonctions essentielles à la fourniture de services écosystémiques nécessaires au bien-être de nos sociétés. C’est aussi une ressource non renouvelable dont les propriétés physicochimiques et biologiques ont été altérées par le développement de l’agriculture intensive. La prise de conscience actuelle de cet état de fait a révélé la nécessité de définir de nouveaux modes de gestion adaptés à la préservation et à l’utilisation durable des sols. Elle a ainsi marqué l’entrée dans l’ère de l’agroécologie qui prône un modèle de production optimisant notamment les services rendus par la biodiversité afin de réduire le recours aux intrants et à l’utilisation d’énergie. Pour atteindre cet objectif, le développement d’une gamme d’indicateurs permettant d’évaluer les pratiques/systèmes agricoles en rendant compte de la qualité biologique du sol est donc indispensable. Cette thèse, dont l’objectif est de contribuer au développement de bioindicateurs microbiens de la qualité du sol, s’inscrit dans ce contexte agroécologique. Le choix de travailler sur les communautés microbiennes se justifie pleinement dans cette problématique car elles sont (i) présentes avec une forte densité et diversité dans tous les environnements, (ii) fortement impliquées dans le fonctionnement biologique et les services rendus par le sol, et (iii) elles répondent de façon très sensible aux changements des conditions environnementales en termes de modification de biomasse, de structure/diversité et d’activité. Elles offrent donc un potentiel important en termes de développement de bioindicateurs. Ce travail a porté plus précisément sur l’évaluation de deux indicateurs complémentaires : (i) la biomasse moléculaire microbienne et (ii) la diversité taxonomique microbienne. Dans une première partie nous avons éprouvé la robustesse de ces deux indicateurs en évaluant les biais associés à chacune des étapes techniques des procédures mises en œuvre pour leur mesure. Nous avons ensuite utilisé ces deux indicateurs dans différents contextes agronomiques pour évaluer leur pertinence. Un premier travail a ainsi consisté à suivre la réhabilitation du patrimoine microbien, par l’implantation d’une culture à vocation énergétique, d’un sol pollué irrigué pendant une centaine d’années par des eaux usées. Une seconde application a porté sur l’étude de l’impact de différentes pratiques agricoles sur les communautés microbiennes selon l’intensité du travail du sol (labour vs. travail réduit), la gestion des résidus de culture (export vs. restitution), et le type de culture (annuelle vs. pérenne).Les résultats montrent que la biomasse moléculaire microbienne et la diversité taxonomique obtenue par séquençage massif sont deux bioindicateurs robustes et sensibles pour décrire la qualité microbiologique des sols agricoles dans des contextes très variés. Ces deux indicateurs permettent de mettre en évidence aussi bien des perturbations des sols que l’impact positif de pratiques innovantes. Ils peuvent donc représenter des outils performants pour l’évaluation des systèmes agricoles, aidant à une amélioration de leur mode de gestion et, à long terme, permettant une utilisation durable des ressources fournies par ces sols. / Soil is the support of agricultural production. It performs many functions essential to the provision of ecosystem services necessary for the well-being of our societies. Soil physicochemical and biological properties have been altered by the development of intensive agriculture while it is a non-renewable resource, revealing the need to develop new management practices suitable for the sustainability of soil quality. This also marked the entry into the “Agroecology” era, which promotes the development of new agricultural systems optimizing services provided by biodiversity to reduce the use of inputs and energy use. To achieve this aim, the development of a range of indicators to assess the impact of agricultural practices on the biological quality of the soil is essential. This thesis, which aims to contribute to the development of microbial bio-indicators of soil quality, is a part of this agroecological context. The choice to work on microbial communities is fully justified because they are (i) present with a high abundance and diversity in all environments, (ii) heavily involved in biological functioning and the soil ecosystem services, (iii) they respond very sensitive to changes in environmental conditions in terms of biomass, diversity and activity. They therefore have significant potential in terms of bio-indicators of development. This work has focused specifically on the evaluation of two complementary bioindicators: (i) the microbial molecular biomass and (ii) the microbial taxonomic diversity. In a first part we tested the robustness of these two bioindicators by assessing the biases associated with each of the procedure technical steps used for their measurement. We then used these bioindicators in different agricultural contexts to assess their sensitivity. A first work has followed the rehabilitation of microbial patrimony of a polluted soil irrigated for a hundred years by sewage, by implanting a bioenergy crop. A second application has focused on the impact of different agricultural practices on microbial communities depending on the intensity of tillage (tillage vs. reduced tillage), management of crop residues (export vs. restitution), and the crop type (annual vs. perennial). Results highlighted that microbial molecular biomass and microbial taxonomic diversity achieved by high throughput sequencing are both robust and sensitive bioindicators to describe the microbiological quality of agricultural soils in very different contexts. Both bioindicators allow evidencing soil disturbances but also the positive impact of innovative practices. They may therefore represent powerful tools for the assessment of agricultural systems, helping to improve their long term management, allowing a sustainable use of resources provided by soils.