Les lacs de thermokarst (lacs et étangs peu profonds causés par le dégel du pergélisol) ont été identifiés comme des écosystèmes d'eau douce d’une importance capitale étant donné leur grande abondance dans le Nord circumpolaire et leur production intense des gaz à effet de serre. L'objectif de cette étude de doctorat était de caractériser le plancton autotrophe de ce type du lac, en mettant l'accent sur deux groupes écologiques de cyanobactéries (les espèces responsables des floraisons et les espèces picoplanctoniques), et d’évaluer leur sensibilité potentielle aux changements climatiques. Des lacs de thermokarst ont été échantillonnés dans une multitude de paysages dans le Nord du Québec où les effets des changements climatiques sont présentement observés. La structure des communautés de phytoplancton ainsi que l’influence des variables environnementales sur celles-ci ont été évaluées par plusieurs méthodes dont le profilage vertical de lacs, l’analyse de pigments photosynthétiques par chromatographie liquide à haute performance, l'analyse de picoplancton par cytométrie en flux, l’analyse moléculaire de la structure des communautés de protistes et l'analyse des échantillons d'eau du lac par microscopie inversée. Aussi, un effet direct (réchauffement) ainsi qu’un effet indirect (enrichissement en phosphore) des changements climatiques sur les lacs de thermokarst ont été évalués par une expérience d’incubation. Enfin, l’effet de la température sur la relation trophique herbivores-cyanobactéries a été évalué à l’aide d’un système en laboratoire. Pour ce faire, des clones tempérés et subarctiques de l’espèce de zooplancton clé Daphnia pulex ainsi qu’une souche de picocyanobactéries de haute latitude ont été utilisés. Les résultats indiquent que les lacs de thermokarst, ainsi qu’un ensemble de lacs de référence, contenaient des pigments photosynthétiques diversifiés provenant du plancton autotrophe. Certains pigments indicateurs pour les cyanobactéries et les bactéries photosynthétiques sulfureuses vertes étaient présents. Les indicateurs de l’état trophique d’un lac (les concentrations de chlorophylle a et de phosphore total) ont révélé que les lacs de thermokarst étaient plus eutrophes que les lacs oligotrophes de référence. Les communautés phytoplanctoniques des deux groupes de lacs se composaient de faibles concentrations de cyanobactéries formant des floraisons et de picocyanobactéries, mais dans des proportions très variables de leur biovolume phototrophe total. Les résultats des expériences suggèrent que le réchauffement climatique pourrait, à la fois directement et indirectement, stimuler la croissance et la dominance des cyanobactéries ainsi que de détériorer la qualité du phytoplancton dont le zooplancton se nourrit. Les chrysophytes ont également été stimulés par des températures plus chaudes. Le taux de croissance et la performance des daphnies subarctiques ont diminué avec des températures plus élevées et de la nourriture de moins bonne qualité (les seuils d’alimentation ont augmentés), mais dans une moindre mesure que pour le clone tempéré. Les lacs de thermokarst sont un groupe d’écosystèmes d’eau douce de haute latitude qui sont abondants dans les paysages de fonte du pergélisol et ils se distinguent par quelques caractéristiques limnologiques. Les résultats de cette recherche doctorale démontrent qu’ils contiennent du phytoplancton diversifié en termes de groupes de pigments, de classes de taille et de taxons, et ce malgré la forte atténuation de la lumière par la matière organique dissoute colorée et les particules en suspension, ainsi que par leur caractère fortement hétérotrophe. Les cyanobactéries pourraient devenir plus prédominantes dans les lacs de thermokarst avec les changements climatiques. De plus, l’effet combiné du réchauffement et de l’augmentation des charges en phosphore causeraient des floraisons de cyanobactéries plus fréquentes, ce qui influencerait la diversité du phytoplancton et l’efficacité du réseau alimentaire. / Given their great abundance throughout the circumpolar North, and their intense production of greenhouse gases, thermokarst lakes (shallow lakes and ponds caused by thawing permafrost) have been identified as a globally important class of freshwater ecosystems. The objective of this doctoral study was to characterize the autotrophic plankton of this lake type, with emphasis on two ecological groups of cyanobacteria (bloom-formers and picoplankton) and their responsiveness to climate change. Thermokarst lakes were sampled across a range of landscapes in northern Quebec. Phytoplankton community structure and relationships with environmental variables were assessed with a combination of methods including limnological profiling, pigment analysis by high performance liquid chromatography, picoplankton analysis by flow cytometry, molecular assays of protist community structure, and analysis of lake water samples by inverse microscopy. Additionally, an incubation experiment with thermokarst lake water was performed to evaluate the potential direct (warming) and indirect (phosphorus enrichment) effects of climate change. Finally, a laboratory system was designed and applied to test the effects of temperature on herbivore-cyanobacteria feeding relationships using subarctic and temperate clones of the keystone species Daphnia pulex, and a high latitude strain of picocyanobacteria. The results showed that thermokarst lakes as well as a set of reference rock-basin lakes contained diverse pigments originating from autotrophic plankton, including some pigments specific for cyanobacteria and green photosynthetic sulfur bacteria. Indicators of trophic status (chlorophyll a and total phosphorus concentrations) showed that the thermokarst lakes were more enriched than the oligotrophic reference lakes. The phytoplankton communities of both groups contained low concentrations of bloom-forming cyanobacteria and picocyanobacteria, but in highly variable proportions of their total phototrophic biovolume. The experimental results indicated that climate warming may both directly and indirectly stimulate cyanobacterial growth and dominance, and may cause a decrease in phytoplankton food quality for zooplankton. Chrysophytes were also stimulated by warmer temperatures. The growth rate and performance of the subarctic Daphnia clone was negatively affected by higher temperatures and lower food quality (increased feeding thresholds), but to a lesser extent than the temperate clone. Overall, thermokarst lakes are a class of high latitude freshwater ecosystems that occur in high abundance across thawing permafrost landscapes and that have a number of distinctive limnological properties. Despite the strong attenuation of light by their coloured dissolved organic matter and suspended particles, and their strongly heterotrophic character, the results of this research show that they contain diverse phytoplankton in terms of pigment groups, size classes and taxa. Cyanobacteria may become more prevalent in these waters as a consequence of ongoing climate change. Cyanobacterial blooms are likely to follow the combined effects of warming and increased phosphorus loading, and would in turn affect phytoplankton diversity and the efficiency of food web processes.

Proliferation of cyanobacteria is a growing problem in lacustrine environment that results in rapid degradation of water quality. Moreover, certain cyanobacteria species produce harmful toxins. Phycocyanin (PC) is a photosynthetic pigment typical of cyanobacteria and affects the water color: it is therefore possible to study them using remote sensing. At least three algorithms to estimate PC concentration ([PC]) have been published, but their relative errors are important, especially for lower concentration. In this study, we are presenting the results of a new algorithm that uses the second order variability (anomalies) of water's reflectance spectrum to estimate [PC]. This method has never been used in lacustrine environment. The dataset used to develop and validate the algorithm was obtained between 2001 and 2005 in 57 different lakes and reservoirs of the Netherlands and Spain. The performance of the second order algorithm is equivalent or better than the three previously published algorithms. For the subset were [PC] > 32 mg m[superscript -3], the contribution of the second order term (R[superscript 2] =0.68 and RMSE=0.25) seems to improve considerably the first order algorithm (R[superscript 2] =0.50 and RMSE=0.35). The accuracy of the second order algorithm for [PC] > 32 mg m[superscript -3] is superior to the one calculated for the whole dataset (R[superscript 2] =0.69 and RMSE=0.44). The algorithm can also be adapted to the bands of satellite sensor MERIS for the study of cyanobacteria. The application of this algorithm to a MERIS image acquired the 29 August 2010 taken over the Missisquoi Bay (Quebec, Canada) demonstrates the potential of this new algorithm for a future cyanobacteria' monitoring system. Note that all the statistical results presented above are for the logarithm of [PC] and the units of the RMSE are log(mg/m[superscript 3]).

Un excès d’énergie lumineuse peut être délétère pour les organismesphotosynthétiques ; en effet, il en résulte la formation d’espèces réactives de l’oxygène ausein des centres réactionnels. Les cyanobactéries ont adopté divers mécanismes dephotoprotection afin de contrer ce phénomène. L’un d’eux repose sur l’activité de l’OrangeCarotenoid Protein (OCP), protéine soluble qui attache un kéto-caroténoïde (hydroxyechinenone).Subissant de fortes intensités de lumière bleu-verte, l’OCP se convertit d’uneforme inactive/orange vers sa forme active/rouge. L’OCP ainsi photoactivée possède la facultéd’interagir avec les phycobilisomes - principales antennes collectrices de lumière - induisantla dissipation de l’énergie collectée par ces gigantesques complexes sous forme de chaleur. Lapression d’excitation au niveau des centres réactionnels ainsi que la fluorescence du systèmedécroissent alors.L’OCP photoactivée se fixe au coeur des phycobilisomes qui sont majoritairementconstitués de protéines chromophorylées de la famille des allophycocyanines (APC). J’aiconstruit différentes souches mutantes de Synechocystis PCC 6803 en modifiant ousupprimant les sous-unités mineures d’APC (ApcD, ApcF et ApcE). Ces sous-unités jouent lerôle essentiel d’émetteurs terminaux des phycobilisomes, véhiculant l’énergie qu’ellesreçoivent à la Chlorophylle a. J’ai aussi démontré que le mécanisme photoprotectif associé àl’OCP chez ces mutants restait inchangé, aussi bien in vivo que in vitro. Ces résultatssuggèrent qu’aucun émetteur terminal n’est nécessairement requis pour l’attachement del’OCP aux phycobilisomes et sous-entendent que l’OCP interagit probablement avec unesous-unité majeure d’APC.Divers phycobilisomes, contenant 2, 3 ou 5 cylindres d’APC dans leur coeur, ont étéisolés à partir de cyanobactéries variées. Les OCPs de Synechocytis et d’Arthrospira ont étépurifiées à partir de souches mutantes de Synechocystis. J’ai alors mené une étude in vitro desinteractions entre ces OCPs et les phycobilisomes. Le nombre de cylindres d’APC présents ausein des phycobilisomes n’affecte en rien la diminution de fluorescence. De plus, j’ai constatéque l’OCP de Synechocystis est spécifique pour ses propres phycobilisomes alors que l’OCPd’Arthrospira interagit avec tous les phycobilisomes employés ici. Des hypothèses, fondéessur les structures disponibles, ont été formulées pour élucider ces différences.Les domaines N- et C-terminaux de l’OCP d’Arthrospira ont été dissociés parprotéolyse. Le domaine N-terminal isolé conserve le caroténoïde attaché, ayant uneconformation similaire à celle observée lorsque l’OCP est photoactivée. Ce domaine Nterminalest aussi capable d’induire une importante diminution de la fluorescence desphycobilisomes. A l’inverse, le domaine C-terminal isolé est incolore et n’a aucun effet sur lafluorescence des phycobilisomes. Ces résultats suggèrent que seul le domaine N-terminal del’OCP est impliqué dans l’interaction avec les phycobilisomes. Le domaine C-terminal quantà lui module son activité. / Too much light can be lethal for photosynthetic organisms. Under such conditionsharmful reactive oxygen species are generated at the reaction center level. Cyanobacteria havedeveloped photoprotective mechanisms to avoid this. One of them relies on the solubleOrange Carotenoid Protein (OCP) that binds a ketocarotenoid (hydroxyechinenone, hECN).Under strong blue-green illumination, OCP gets photoconverted from an orange inactive form(OCPo) to a red active one (OCPr). OCPr interacts with phycobilisomes, the majorcyanobacterial light harvesting antennae, and triggers heat dissipation of the excess lightenergy collected by these gigantic pigment-protein complexes. Consequently, excitationpressure on reaction centers and fluorescence emission decrease.OCPr binds to phycobilisome cores, containing mainly chromophorylated proteins ofthe allophycocyanin (APC) family. I constructed Synechocystis PCC 6803 mutants affected insome minor APC forms (ApcD, ApcF and ApcE). These special APCs play the role ofterminal emitters, i.e. funnel light energy to Chlorophyll a. Strong-blue green illuminationtriggered normal OCP-related fluorescence quenching in all mutant cells. The fluorescencedecrease induced by Synechocystis OCP in vitro was similar when using phycobilisomesisolated from wild-type or mutant cells. These results demonstrated that the terminal emittersare not needed for interaction with the OCP and they strongly suggested that OCPr interactswith one of the major APC forms of the phycobilisome core.Phycobilisomes containing 2, 3 or 5 APC cylinders per core were isolated fromdifferent cyanobacterial strains. Synechocystis and Arthrospira OCPs were purified from overexpressingSynechocystis mutant strains. I then performed in vitro OCP/phycobilisomeinteraction studies. The number of APC cylinders per core had no clear influence on theamount of fluorescence quenching. Both OCPs behaved very differently, one appearing muchmore species-specific than the other. Structure-based hypotheses were emitted to explain suchdissimilarity.Arthrospira OCP N-terminal and C-terminal domains were separated throughproteolysis. The isolated N-terminal domain retained a bound carotenoid, which displayedsimilar conformation than in OCPr. This isolated N-terminal domain triggered importantphycobilisome fluorescence quenching even under dark conditions. In contrast, the isolated Cterminaldomain attached no pigment and had no visible effect on phycobilisome emission. Itwas then proposed that only the N-terminal domain of OCP is implied in interactions withphycobilisomes. The C-terminal domain modulates its activity.

Les cyanobactéries des genres Microcystis et Planktothrix sont des micro-organismes capables de proliférer dans de nombreux plans d'eau douce. Ces proliférations sont associées à des risques pour la santé humaine et animale en raison de la production de produits naturels, parmi lesquels des toxines. Ces molécules présentent une diversité de structure chimique de d'activités biologiques d'intérêt pour l'industrie pharmaceutique et biotechnologique. Nous avons revisité le potentiel en produits naturels de Microcystis et Planktothrix. Par des approches complémentaires de biologie moléculaire, génomique et transcriptomique, nous avons caractérisé des gènes impliqués dans la synthèse de ces produits naturels ainsi qu'exploré leur évolution et la régulation de leur expression. Ces travaux ont permis de mettre à jour une distribution, des évènements évolutifs et des profils d'expression surprenants et permettent d'envisager de nouvelles applications pour les produits naturels. / Microcystis and Planktothrix are cyanobacterial genus commonly proliferating in freshwater ecosystems. These blooms are associated with human and animal health threat because of synthesis of natural products and cyanotoxins. These compounds are of great chemical diversity and of interest for biotechnological and pharmaceutical applications. We revisited the natural products potential of Microcystis and Planktothrix. Combining molecular biology, genomics and transcriptomics investigations, we characterized natural products gene clusters. We studied their distribution, evolution and transcription as well. This work uncovered new distribution pattern, evolutionary events and unexpected expression patterns. These insights will allow new investigations and applications for cyanobacterial natural products.

En raison de l'eutrophisation croissante des eaux douces, les proliférations de cyanobactéries sont de plus en plus fréquentes à l'échelle mondiale. Dans 40 à 75% des cas, les cyanobactéries produisent des hépatotoxines [e.g. microcystines (MCs)], endotoxines qui sont libérées dans le milieu lors de la lyse cellulaire et qui constituent un réel danger pour les organismes cibles, dont font partie les mollusques gastéropodes (intoxication par ingestion de cyanobactéries toxiques ou par exposition aux toxines dissoutes dans l'eau). Les MCs s'accumulent principalement dans le foie des vertébrés où elles interagissent de manière réversible (MCs libres) ou irréversible (MCs liées) avec des protéines phosphatases et conduisent à la destruction des tissus. Au travers d'expositions chroniques à faibles doses en laboratoire, nous avons démontré la consommation de cyanobactéries toxiques (Planktothrix agardhii) par 2 espèces de gastéropodes, le pulmoné Lymnaea stagnalis et le prosobranche Potamopyrgus antipodarum. Cette consommation entraîne une baisse de croissance et de fécondité, et l'accumulation de MCs dans les tissus des gastéropodes. D'autre part, les effets histopathologiques sont beaucoup plus marqués chez le pulmoné intoxiqué par ingestion de cyanobactéries toxiques que par exposition à la MC dissoute dans le milieu, suggérant une moindre pénétration de la toxine dissoute (voie orale ou tégumentaire) dans le mollusque. Les deux voies d'intoxication engendrent un impact négatif sur la descendance de L. stagnalis, en termes de taux d'éclosion des œufs, de développement embryonnaire et de survie des néonates. Ces résultats prédisent un impact sur la structure des communautés de gastéropodes (e.g., baisse d'abondance et de diversité, disparition d'espèces sensibles) et un risque de contamination du réseau trophique à travers l'accumulation de MCs par les gastéropodes. Ces prédictions ont toutes deux été démontrées lors d'un suivi mensuel d'un an des communautés de gastéropodes du Lac de Grand Lieu (Loire Atlantique). De plus, le risque de transfert des MCs des gastéropodes à leurs consommateurs a été vérifié au laboratoire à travers : 1) la persistance des MCs liées dans les tissus du pulmoné même après 3 semaines de dépuration, et 2) l'accumulation de MCs dans les organes de l'épinoche Gasterosteus aculeatus (principalement dans le foie et les muscles) après consommation de glandes digestives de L. stagnalis intoxiquées par des MCs.

La Ferrédoxine:NADP oxydoréductase (FNR), codée par le gène petH, est une enzyme qui catalyse la production du NADPH dans les cellules photoautotrophes, ainsi que sa consommation dans les cellules hétérotrophes. Alors que le gène petH est unique chez la cyanobactérie Synechocystis sp. PCC6803, deux isoformes de FNR sont synthétisées FNRL et FNRS. Il a été montré que FNRS était le produit d'une initiation de traduction interne dans le même cadre de lecture que FNRL. Durant ma thèse, j'ai découvert un mécanisme grâce auquel un gène peut coder deux isoformes. Tout d'abord, j'ai montré que chaque isoforme pouvait être codée par un transcrit spécifique. En effet, en conditions standards (où FNRL s'accumule) deux ARNm avec des séquences "leader" similaires (32 et 53 bases) sont transcrits alors qu'en conditions de carence en azote (où FNRS s'accumule) un ARNm portant une séquence "leader" plus longue (126 bases) est transcrit. Des fusions transcriptionnelles du promoteur lac de Escherichia coli avec les différentes régions transcrites de petH, nous ont montré que cette régulation pourrait être accomplie par des structures secondaires adoptées par la région leader des ARNm. De telles structures pouvant activer l'initiation de traduction de FNRS et inhiber celle de FNRL. La cartographie des complexes d'initiation de traduction montre que dans l'ARNm le plus long le complexe se trouve dans la région initiatrice de FNRL, alors que dans les ARNm plus courts celui-ci est localisé dans la région initiatrice de FNRS. Ainsi, nous avons mis en évidence un nouveau mécanisme de régulation génétique chez Synechocystis permettant la synthèse de deux isoformes à partir d'un seul gène.

Certaines façades présentent des développements verts, rouges ou noirâtres, d'origine biologique. Ces salissures nuisent à l'aspect esthétique du bâtiment et peuvent entraîner à long terme une dégradation structurale du revêtement colonisé. Ce développement biologique peut ainsi engendrer des frais liés au ravalement ou, à plus long terme, à la rénovation de la façade. Des biocides incorporés dans les revêtements permettent actuellement de retarder l'implantation des organismes incriminés. Cependant, les dernières réglementations européennes tendent à restreindre l'utilisation de ces produits, ce qui nécessite la mise au point de matériaux efficaces et durables, de surcroît compatibles avec l'environnement.<br />Paradoxalement, les algues microscopiques et les cyanobactéries constituant ces biofilms sont peu connues en France. La première approche de ce projet a donc consisté à prélever des fractions de revêtements de façade colonisés afin d'identifier les micro-organismes s'y développant. 22 espèces d'algues et 25 espèces de cyanobactéries ont ainsi été observées dans les 71 prélèvements analysés, les algues étant dominantes sur tous types de matériaux.<br />Les facteurs favorisant l'implantation et le développement de ces micro-organismes ont ensuite été étudiés. Un traitement statistique des données environnementales recueillies lors de la campagne d'échantillonnage a ainsi mis en évidence l'importance des facteurs climatiques liés à l'humidité, des facteurs permettant la dissémination des spores, tels que le vent ou la proximité de végétation, ainsi que l'importance de la nature du support colonisé. Cette dernière observation a pu être approfondie grâce à l'utilisation d'un banc d'essai permettant l'évaluation simultanée de différents matériaux quant à leur colonisation par des algues et des cyanobactéries isolées en façade au cours de cette étude. Ces essais ont montré que des facteurs tels que la porosité, la rugosité et le pH de surface des matériaux influent sur la colonisation par ces micro-organismes. <br />En parallèle, afin d'envisager le développement de matériaux défavorisant l'accroche des micro-organismes, les mécanismes d'adhésion d'une sélection d'algues sur des surfaces modèles ont été étudiés à l'aide d'une cellule à flux laminaire. Les surfaces hydrophiles ont provoqué le plus faible taux d'adhésion. L'exploitation de ces résultats a également mis en évidence l'initiation d'interactions hydrophobes et électrostatiques lors du processus d'adhésion.<br />Finalement, les polymères extracellulaires produits par une sélection de micro-organismes isolés en façade ont été analysés. Ils ont ainsi montré être de nature polysaccharidique, anionique et plus ou moins hydrophobe selon les souches les sécrétant. L'adsorption d'un polymère d'une souche de Klebsormidium flaccidum, algue verte dominante en façades en France, a été plus importante et plus forte sur des surfaces hydrophobes que sur des surfaces hydrophiles. En outre, la dégradation enzymatique des polymères de cette même souche tend à diminuer l'adhésion sur surface hydrophobe. Ces observations confirment donc l'hypothèse d'une intervention des polymères extracellulaires dans l'étape de contact du micro-organisme avec une surface, puis lors de l'étape de consolidation de cette adhésion, par le biais d'interactions hydrophobes et sans doute électrostatiques.

L‟eutrophisation croissante des écosystèmes aquatiques favorise le développement des cyanobactéries, parmi lesquelles Microcystis est la plus représentée dans les régions tempérées. La capacité de Microcystis à produire une puissante hépatotoxine, la microcystine, est à l‟origine de diverses perturbations écologiques, et de nombreuses nuisances sanitaires. La compréhension des facteurs déterminant la toxicité des efflorescences de Microcystis constitue, de fait, un enjeu majeur des recherches actuelles. Dans ce contexte, l‟objectif premier de ce travail de thèse était d‟étudier la variabilité temporelle et l‟implication potentielle de la toxicité de Microcystis à l‟échelle de son cycle de développement annuel. Pour cela, il était nécessaire de considérer, en particulier, les parties les moins connues du cycle de développement : la phase de survie benthique, et les transitions entre les phases benthique et planctonique, via les processus de recrutement et de sédimentation. Nous avons alors étudié le potentiel toxique des populations de Microcystis grâce à des approches complémentaires menées à différentes échelles spatio-temporelles, en considérant à la fois les gènes impliqués dans la synthèse de microcystines, leur transcription et les concentrations en microcystines. Cette étude s‟est appuyée, en parallèle, sur la caractérisation de la structure génétique des populations de Microcystis dans les compartiments benthique et planctonique. La prise en compte systématique de la phase de vie benthique a tout d‟abord permis d‟améliorer nos connaissances sur cette phase du cycle de développement de Microcystis. Ainsi, Microcystis peut survivre plusieurs années en profondeur dans les sédiments, sans que les populations ne perdent leur potentiel toxique, ou que leur structure génétique soit altérée. En revanche, en surface des sédiments, le potentiel toxique et la structure génétique des populations sont variables, de manière similaire à ce qui peut être observé dans la colonne d‟eau. Enfin, ces travaux ont également mis en évidence l‟influence des phases de transition entre l‟eau et les sédiments dans la variabilité du potentiel toxique et de la structure génétique des populations de Microcystis. Les processus de recrutement benthique et de sédimentation occasionnent, en effet, une sélection génétique, qui, bien que paraissant indépendante du potentiel toxique des génotypes, peut grandement affecter le potentiel toxique des sous-populations benthiques et planctoniques de Microcystis.

Dans un contexte général de dégradation de nombreux écosystèmes aquatiques, les travaux de ma thèse se sont intéressés à la problématique des proliférations de cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques qui peuvent former des biofilms épais sur le fond de certaines rivières. Alors que les proliférations de cyanobactéries planctoniques ont fait l’objet de nombreuses études, notamment en raison de leurs effets néfastes sur les écosystèmes et des limitations de leurs usages qu’elles provoquent, seul un nombre très restreint de travaux s’est intéressé aux proliférations de cyanobactéries benthiques. Partant de ce constat, les données acquises au cours de cette thèse se sont inscrits à la fois dans une démarche fondamentale d’acquisition de connaissances sur la composition microbienne et l’écologie des biofilms périphytiques, avec un regard particulier sur les proliférations de cyanobactéries benthiques en rivières, et dans une démarche plus appliquée sur les stratégies et outils pour la surveillance des biofilms à cyanobactéries dans les rivières afin de répondre à une demande des Agences de l’Eau et des gestionnaires de milieux aquatiques. Ces travaux ont reposé sur des prélèvements de biofilms dans deux rivières françaises, le Tarn et la Loue, et dans neuf rivières néo-zélandaises. Les communautés microbiennes au sein des biofilms ont été caractérisées par des approches de séquençage à haut débit ciblant un fragment du gène de la petite sous-unité de l’ARN ribosomal 16S et 18S. Des données environnementales permettant de décrire le contexte dans lequel les biofilms se sont développés ont été également acquises. Les résultats principaux permettant une amélioration des connaissances sur les communautés microbiennes et l’écologie des biofilms de rivières se rapportent à la mise en évidence (i) de l’importance fondamentale de certains facteurs comme la température de l’eau sur les variations temporelles de l’ensemble des communautés périphytiques et de la nécessité de prendre en compte les contextes hydrologique et géologique des stations de prélèvements pour comprendre ces variations, (ii) par l’analyse des corrélations entre les OTU dominantes des communautés phototrophes et hétérotrophes, d’interactions positives entre certaines de ces OTU, par exemple dans le cadre du recyclage de la matière organique ou d’interactions négatives, par exemple dans le cas des compétitions pour l’accès à la lumière entre bactéries et micro-algues phototrophes et (iii) d’une structuration géographique des communautés bactériennes associées aux biofilms à cyanobactéries qui semble plus s’expliquer par le contexte environnemental local des biofilms que par leur éloignement par la distance. Concernant les données acquises lors de cette thèse pour améliorer la surveillance et la gestion des risques liés aux proliférations de cyanobactéries benthiques, nos travaux ont permis de montrer les limites d’un nouvel outil (sonde spectrofluorimétrique) pour la détection et la quantification des cyanobactéries benthiques et de proposer des stratégies d’échantillonnage pour évaluer l’importance des biofilms à cyanobactéries en rivières. Finalement, nos résultats suggèrent que la prévention des risques liés aux cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques devrait essentiellement reposer sur l’information des usagers. / In a general context of aquatic ecosystems degradation, my thesis focuses on the issue of potentially toxic benthic cyanobacterial proliferations that can form thick biofilms fixed on the riverbed of certain rivers. While planktonic cyanobacterial blooms have been the subject of numerous studies, mainly due to their detrimental effects on the ecosystems, only a limited number of works have focused on benthic cyanobacteria. Therefore, the thesis involves a fundamental approach for knowledge acquisition on biofilms biodiversity and ecology, with an interest on benthic cyanobacterial proliferations, and an applied approach concerning strategies and tools for their monitoring on rivers in order to meet a request from water agencies and aquatic environmental managers.The main results of the thesis highlight (i) the importance of the hydrogeological context of sampling stations and water temperature on the temporal variations of periphytic communities, (ii) by OTU correlation analysis, positive interactions on the framework of organic matter recycling, and negative interactions in the case of light access competition, and (iii) a geographical structure of cyanobacterial-associated bacterial communities that seems to be mostly explained by local environmental context rather than distance. Concerning surveillance, we showed the limitations of a new spectrofluorometric tool for the quantification of benthic cyanobacteria and we propose sampling strategies to evaluate the importance of cyanobacterial biofilms in rivers.

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.