Quarante pour cent des réservoirs du monde souffrent d'eutrophisation. Ce problème mondial augmente la biomasse de phytoplancton dans les réservoirs et perturbé leurs utilisations. Comprendre les mécanismes et les processus qui contrôlent la prolifération de cyanobactéries sont de grande préoccupation. Les modèles d'écosystèmes nous permettent de simuler, d'analyser et de comprendre les processus écologiques dans les lacs et les réservoirs. La communauté de phytoplancton et de l'application du modèle écologique sont mal documentées dans le Moyen-Orient. Karaoun réservoir, le plus grand plan d'eau au Liban, a été construit pour l'irrigation et la production hydroélectrique. Il ya un grand intérêt dans la qualité de ce réservoir d'eau car il sera utilisé pour alimenter la capitale Beyrouth avec de l'eau potable. Les objectifs de la thèse sont de concevoir et mettre en œuvre des campagnes de terrain pour suivre et comprendre la dynamique du phytoplancton et des cyanobactéries dans le lac de barrage de Karaoun, de modéliser le fonctionnement physique et biogéochimique de cette retenue. Des campagnes d'échantillonnage ont été effectuées deux fois par mois entre mai 2012 et Août 2013 pour évaluer l'état trophique et la diversité biologique et la dynamique de la communauté de phytoplancton en réponse aux changements des conditions environnementales. Ces mesures de campagne ont été ensuite utilisées pour calibrer et valider un modèle hydrodynamique-écologique unidimensionnel sur Karaoun réservoir. Nos résultats ont montré que : la retenue de Karaoun, fortement stratifiée thermiquement entre mai et août, est eutrophe, et présente une faible biodiversité. Seulement 30 espèces de phytoplancton ont été recensées en 2012-2013. La stratification thermique qui apparaît au printemps réduit la croissance des diatomées et entraîne leur remplacement par des chlorophycées. Les cyanobactéries dominent en été : Aphanizomenon ovalisporum lorsque la température de surface de l'eau est inférieure à 25 °C, Microcystis aeruginosa lorsqu'elle est supérieure à 25°C. Le dinoflagellé Ceratium hirundinella constitue l'espèce dominante en fin d'automne lorsque la colonne d'eau est mélangée, l'intensité lumineuse est faible et la température de l'eau d'environ 19 °C. Contrairement aux températures de surface élevées, supérieures à 26 °C, auxquelles prolifère A. ovalisporum dans les autres lacs, une prolifération d'A. ovalisporum survient en octobre 2012 dans la retenue de Karaoun, à une température de l'eau de 22 °C et alors que la stratification thermique est faible. La cylindrospermopsine (CYN), une cyanotoxines, a été détectée dans la retenue de Karaoun, même en l'absence d'A. ovalisporum, seule espèce qui la produit identifiée dans la retenue. La CYN atteint une concentration de 1,7 µg/L, supérieure à la valeur guide pour l'eau potable de 1 µg/L (Organisation Mondiale de la Santé). Une configuration simple de Dyresm-Caedym a permis de simuler avec succès la croissance et la succession des cyanobactéries A. ovalisporum et M. aeruginosa. Le modèle réalise de bonnes performances pour la simulation du niveau de l'eau du réservoir (RMSE <1 m pour une variation annuelle de 25 m), des profils de température de la colonne d'eau (RMSE <1 °C pour des variations annuelles comprises entre 13 et 28 °C) et de la biomasse des cyanobactéries (RMSE <48 µg/L équivalent chlorophylle-a, concentration entre 0 et 206 µg/L). A l'échelle locale, cette thèse est importante pour les autorités de gestion des eaux libanaises qui visent à utiliser ce réservoir pour production d'eau potable. Il a également permis de mieux comprendre les processus et les mécanismes qui contrôlent la prolifération de cyanobactéries. L'application de configurations de modèles simples avec procédés principaux pourrait être transposée sur d'autres réservoirs eutrophies / AbstractMany reservoirs throughout the world suffer from eutrophication. This worldwide problem increases phytoplankton biomass in reservoirs and impairs their uses. Understanding the mechanisms and processes that control cyanobacterial blooms are of great concern. Ecosystem models enable us to simulate, analyze and understand ecological processes in lakes and reservoirs. Except for Lake Kinneret, the phytoplankton community and ecological model application are poorly documented in the Middle East. Karaoun Reservoir, the largest water body in Lebanon, was built for irrigation and hydropower production. There is a great interest in the water quality of this reservoir as it will be used to supply the capital Beirut with drinking water. The objectives of this thesis are to: 1) design and implement a physico-chemical and reinforced biological monitoring in Karaoun reservoir, 2) understand the physico-chemical determinants of cyanobacterial blooms in Karaoun reservoir, and 3) calibrate a deterministic model that can be used to predict cyanobacteria biomass. Sampling campaigns were conducted semi-monthly between May 2012 and August 2013 to assess the trophic state and the biodiversity and dynamics of its phytoplankton community in response to changes in environmental conditions. These campaign measurements were then used to calibrate (summer and autumn 2012) and validate (spring and summer 2013) a one dimensional hydrodynamic-ecological model on Karaoun Reservoir. Our results show that : Karaoun Reservoir strongly stratifies between May and August was found eutrophic with low biodiversity, only 30 phytoplankton species in 2012-2013 study period. Thermal stratification established in spring reduced the growth of diatoms and resulted in their replacement by mobile green algae species during high nutrients availability and water temperatures lower than 22 °C. Water temperature higher than 25 °C favours cyanobacterium Microcystis aeruginosa that displaces Aphanizomenon ovalisporum in summer. Dinoflagellate Ceratium hirundinella dominated in mixed conditions, at low light intensity in late autumn at 19 °C. Unlike the high temperatures, above 26 °C, which is associated with blooms of Aphanizomenon ovalisporum in Lakes Kinneret (Israel), Lisimachia and Trichonis (Greece) and Arcos Reservoir (Spain), Aphanizomenon ovalisporum in Karaoun Reservoir bloomed in October 2012 when water temperature was 22°C and the reservoir was weakly stratified. The field growth conditions of Aphanizomenon ovalisporum in this study revealed that it can bloom at subsurface water temperature 22 °C increasing the risk of its development and expansion in European lakes. Cylindrospermopsin, a fatal toxin, was detected in almost all samples even when Aphanizomenon ovalisporum was not detected. It reached a concentration of 1.7 µg/L, higher than the drinking water guideline value of 1 µg/L of the World Health Organization. The toxin vertical profiles suggest its possible degradation or sedimentation resulting in its disappearance from water column. A simple configuration of the one-dimensional hydrodynamic-ecological model Dyresm-Caedym successfully simulated the growth and succession of the cyanobacteria Aphanizomenon ovalisporum and Microcystis aeruginosa. The model showed a good performance in simulating the water level (RMSE < 1 m, annual variation of 25 m), water temperature profiles (RMSE < 1.1 °C, range 13-28 °C) and cyanobacteria biomass (RMSE < 57 µg L-1 equivalent chlorophyll a, range 0-206 µg L-1).On the local scale, this thesis provides important background data for the Lebanese water management authorities who aim to use this reservoir for drinking water production. It also increases the understanding of processes and mechanisms that control cyanobacterial blooms. The application of simple model configurations with few major processes can be transposed on other eutrophic lakes and reservoirs

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. / The increasing eutrophication of aquatic ecosystems promotes the development of cyanobacteria, among which Microcystis is the most widespread in temperate regions. The ability of this cyanobacterium to produce a potent hepatotoxin, called the microcystin, represent a serious threat for both natural life and human health. Thus, understanding the factors determining the toxicity of Microcystis blooms is a major challenge of actual research. In this context, the main goal of this work was to study the temporal variability and the potential implication of Microcystis toxicity, at the scale of its annual life cycle. For that, it was necessary to consider more particularly, the least known parts of the cycle : the benthic survival phase, and the transition between the benthic and the planktonic phases, through the benthic recruitment and the sedimentation processes. Then, we studied the toxic potential of Microcystis populations through complementary approaches conducted at different spatio-temporal scales, by considering the genes controlling the synthesis of the microcystin, their transcription and the concentrations of microcystin. In parallel, the genetic structure of Microcystis populations was characterized in both benthic and planktonic compartments. By considering systematically the benthic life stage, we were first able to improve our knowledge on this phase of Microcystis development cycle. Thus, Microcystis is able to survive several years in deep sediments, without the population‟s toxic potential or genetic structure being degraded. On the other hand, at the sediment surface, the toxic potential and the genetic structure of the populations vary, in a similar range to what observed in the water column. Furthermore, this work also shed the light on the influence of benthic-pelagic transitions in the variability of the genetic structure and the toxic potential of the populations of Microcystis. Indeed, a genetic selection occurs during the benthic recruitment and the sedimentation processes. Although such a selection does not seem to rely on the toxic potential of the genotypes, it can greatly modify the toxic potential of both benthic and planktonic sub-populations of Microcystis.

Les cyanobactéries ont développé des mécanismes de photo-protection pour se prémunir des dommages causés par un excès de lumière. L’un d’eux repose sur l’activité de l’Orange Caroténoïde Protéine (OCP), protéine soluble qui attache un kéto-caroténoïde, l’hydroxy-echinenone. Sous illumination, l’OCP se photo-convertit en forme active et interagit avec les phycobilisomes pour dissiper l’énergie collectée sous forme de chaleur. En conséquence, l’énergie d’excitation reçue par les centres réactionnels et la fluorescence du complexe photosynthétique diminuent. L’OCP a aussi la faculté de neutraliser l’oxygène singulet pour lutter contre la photo-oxydation. J’ai développé un système d’expression hétérologue pour reconstituer la voie de biosynthèse de cette protéine dans E.coli. Ce système permet l’obtention d’une grande quantité d’OCP liant son caroténoïde in vivo. Grâce à ce système robuste et rapide, les OCPs de trois cyanobactéries : Synechocystis, Arthrospira et Anabaena ont été produites, liant différents caroténoïdes. Toutes les OCPs recombinantes sont photo-actives et capables de quencher la fluorescence des phycobilisomes in vitro. Elles possèdent toutes la faculté de neutraliser l'oxygène singulet quel que soit le caroténoïde lié. Ce système d'expression hétérologue nous a permis d’élucider les déterminants structurels impliqués dans la photo-activation et la structure de la forme active de l’OCP. Il constitue une avancée fondamentale dans l'étude des protéines à caroténoïde et dans la production d'antioxydants solubles qui présentent un grand intérêt pour l’industrie de la santé. / Cyanobacteria have developed some photo-protective mechanisms to protect themselves from stress caused by excess light. One of them relies on the activity of the soluble Orange Carotenoid Protein (OCP) that binds a keto-carotenoid, the hydroxyechinenone. Under illumination, the OCP gets photo-converted to an active form and can interact with phycobilisomes to dissipate the collected energy as heat. Consequently, the excitation energy arriving at the photosynthetic reaction centers and the phycobilisome fluorescence emission decrease. The OCP can also quench the singlet oxygen to fight against photo-oxidation. I developed a heterologous expression system in which the biosynthetic pathway of the OCP is built in E.coli. The expression system allows the production of a large amount of OCP binding its carotenoid in vivo. Thanks to this robust and fast expression system, OCPs from three different cyanobacteria: Synechocystis, Anabaena and Arthrospira were produced, binding different carotenoids. All recombinant OCPs are photoactive and able to induce a large phycobilisome fluorescence quenching. Moreover, they all have the ability to quench the singlet oxygen, whatever the bound carotenoid. This heterologous expression system allowed us to elucidate the structural determinants involved in the photo-activation and structure of the active form of the OCP. This work represents a fundamental advance in the study of caroteno-proteins and in the production of others soluble antioxidants that are of great interest to the health industry.

Les picocyanobactéries marines Prochlorococcus et Synechococcus sont les organismes photosynthétiques les plus abondants sur la planète et sont présentes dans presque tous les océans. Au cours de cette thèse, j'ai cherché à mieux comprendre les liens entre diversité génétique et adaptation à la niche écologique chez ces deux genres. Tout d'abord, l'étude de la répartition des populations de picocyanobactéries à l'échelle mondiale à l'aide d'un marqueur taxonomique très résolutif m'a permis de définir des unités taxonomiques écologiquement significatives, et d'identifier les principaux facteurs abiotiques influençant leur répartition. La deuxième partie de ce travail a visé à identifier les bases génétiques de l'adaptation des picocyanobactéries marines à des niches écologiques distinctes. L'étude comparative de 81 génomes non-redondants de ces organismes a révélé le rôle combiné des gains et pertes de gènes et des substitutions d'acides aminés dans la diversification des deux genres, et l'analyse de la répartition des gènes de picocyanobactéries marines dans l'océan mondial m'a permis de montrer que chaque communauté, adaptée à un environnement donné, possède un répertoire de gènes distinct. Enfin, le dernier volet de cette thèse a consisté en la caractérisation physiologique et transcriptomique de cinq souches de Synechococcus soumises à des stress lumineux et thermique afin d'analyser la variabilité écotypique de la réponse au stress. Les résultats obtenus au cours de cette thèse ont donc permis d'améliorer notre connaissance des niches écologiques occupées par les picocyanobactéries marines, et de mieux comprendre les mécanismes leur ayant permis de s'y adapter. / The marine picocyanobacteria Synechococcus and Prochlorococcus are the two most abundant photosynthetic organisms on earth and are present in almost all oceans. During this PhD thesis, I explored the links between genetic diversity and niche adaptation in these two genera. First, the analysis of the distribution of picocyanobacterial populations at the global scale using a high-resolution taxonomic marker allowed me to define ecologically significant taxonomic units, to improve the delineation of their ecological niches and to identify the main abiotic factors influencing their in situ distribution. The second part of this work aimed at identifying the genetic bases of adaptation of marine picocyanobacteria to distinct niches. The comparative analysis of 81 non-redundant genomes of these organisms revealed the combined role of gene gains and losses and of substitutions in protein sequences in the diversification of both genera, and the analysis of the distribution of all known picocyanobacterial genes in the global ocean allowed me to show that each community, adapted to specific environmental conditions, possesses a distinct gene repertoire. Finally, the last part of this work has consisted in the physiological and transcriptomic characterization of five Synechococcus strains, which were submitted to light and thermal stresses in order to better understand the ecotypic variability of the stress response in this genus. Altogether, results obtained during this PhD provided many new insights into the ecological niches occupied by marine picocyanobacteria and the mechanisms allowing them to adapt to these various niches.

Les cyanobactéries sont des organismes photosynthétiques capables de convertir le CO₂ en composés organiques et de produire de l’oxygène en utilisant l’énergie lumineuse. Néanmoins, de fortes intensités lumineuses saturent l'appareil photosynthétique, ce qui conduit à la production d'espèces réactives de l'oxygène, dangereuses pour la cellule. Pour y faire face, la photoactive orange carotenoid protein (OCP) induit une dissipation thermique de l’énergie excédentaire récoltée par le complexe d’antennes, le phycobilisome (PBS), afin de diminuer l’énergie arrivant aux centres photochimiques. L'OCP est composé de deux domaines), le domaine C-terminal (CTD) et le domaine N-terminal (NTD), reliés par un domaine de liason flexible (linker). Pendant la photoactivation, le caroténoïde est transféré vers le NTD, les domaines se séparent et le NTD peut interagir avec le PBS. Trois familles d'OCP coexistent (OCPX, OCP1 et OCP2) dans les cyanobactéries modernes. Outre l'OCP, de nombreuses cyanobactéries contiennent également des homologues des domaines OCP, le CTDH et HCP. Les HCP sont une famille de protéines caroténoïdes présentant différents traits photoprotecteurs. La plupart d'entre eux sont de très bons quenchers d'oxygène singulet, et un subclade est capable d'interagir avec le PBS et d'induire une dissipation de l'énergie thermique comme l'OCP. Le rôle de CTDH était inconnu. La présence de ces homologues parallèlement à l'OCP a conforté l'idée générale que l'OCP a une origine évolutive modulaire et que la CTDH et HCP pourraient interagir pour former un complexe OCP-like ayant des caractéristiques et une fonction similaires à celles de l'OCP. Dans cette thèse, je présente la première caractérisation des protéines CTDH. Les CTDH sont des dimères se liant à une molécule de caroténoïde. Le rôle principal de la CTDH est de transférer son caroténoïde au HCP. De plus, les CTDH sont capables de récupérer les caroténoïdes des membranes contrairement aux HCP. Ces résultats suggèrent fortement que les CTDH sont des transporteurs de caroténoïde qui assurent le chargement en caroténoïde sur les HCP. Ce nouveau mécanisme de translocation des caroténoïdes pourrait être multidirectionnel. La résolution de deux structures tridimensionnelles de l'ApoCTDH d'Anabaena a montré que la queue C-terminale du CTDH (CTT) peut adopter différentes conformations. De plus, l'analyse de mutation a démontré que le CTT joue un rôle essentiel dans la translocation des caroténoïdes. Enfin, je rapporte une caractérisation moléculaire du linker reliant les domaines de différents OCP modernes et son rôle au cours de l'évolution de l'OCP. Tout d’abord, j’ai caractérisé les OCP des trois subclades, y compris l’OCPX non caractérisé. OCPX et OCP2 présentent une désactivation rapide par rapport à OCP1. Alors que OCP1 et OCPX peuvent dimériser, OCP2 est stable en tant que monomère. Enfin, j'ai constaté que le linker est essentiel pour la désactivation de l'OCP et qu'il régule la photoactivation. Dans OCP1 et OCPX, le linker ralentit la photoactivation, tandis que dans OCP2, il augmente le taux de photoactivation. L'analyse bioinformatique complète cette caractérisation et fournit une image claire de l'évolution de l'OCP pour répondre efficacement aux conditions de stress. / Cyanobacteria are photosynthetic organisms capable of CO₂ conversion into organic compounds and production of O2 by using light energy. Nevertheless, high light intensities saturate the photosynthetic apparatus leading to production of reactive oxygen species, which are dangerous for the cell. To cope with this, the photoactive Orange Carotenoid Protein (OCP) induces thermal dissipation of the excess energy harvested by the antenna complex, the phycobilisome (PBS) to decrease the energy arriving at the photochemical centers. The OCP is composed of two domains connected by a flexible linker, the C-terminal domain (CTD) and the N-terminal domain (NTD). During photoactivation, the carotenoid is translocated to the NTD, the domains separate and the NTD is able to interact with the PBS. Three OCP families co-exist (OCPX, OCP1 and OCP2) in modern cyanobacteria. In addition to the OCP, many cyanobacteria also contain homologs of OCP domains, the CTDH and HCP. The HCPs are a family of carotenoid proteins with different photoprotective traits. Most of them are very good singlet oxygen quenchers, and one sub-clade is able to interact with the PBS and to induce thermal energy dissipation like OCP. The role of CTDH was unknown. The presence of these homologs in parallel to the OCP supported the general idea that the OCP has a modular evolutionary origin and that the CTDH and HCP can interact forming an OCP-like complex with similar characteristics and function than the OCP.In this thesis, I present the first characterization of the CTDH proteins. CTDHs are dimers binding a carotenoid molecule. The main role of the CTDH is to transfer its carotenoid to the HCP. In addition, CTDHs are able to uptake carotenoids from membranes but not HCPs. These results strongly suggested that the CTDHs are carotenoid carriers that ensure the proper carotenoid loading into HCPs. This novel carotenoid translocation mechanism could be multidirectional. The resolution of two tridimensional structures of the ApoCTDH from Anabaena showed that the C-terminal tail of the CTDH (CTT) can populate different conformations. Moreover, mutational analysis demonstrated that the CTT has an essential role in carotenoid translocation. Finally, I report a molecular characterization of the flexible linker connecting the domains of different modern OCPs and its role during the evolution of the OCP. First, I characterized OCPs from the three subclades, including the uncharacterized OCPX. OCPX and OCP2 present a fast deactivation compared with OCP1. While OCP1 and OCPX can dimerize, OCP2 is stable as monomer. Finally, I found that the linker is essential for the OCP deactivation and it regulates the photoactivation. In OCP1 and OCPX the linker slows down the photoactivation, while in OCP2 it increases the photoactivation rate. Bioinformatic analysis complements this characterization and provides a clear picture of the evolution of the OCP to respond efficiently to stress conditions.

Cette recherche s’intéresse aux représentations sociales du risque et de la nature, ainsi qu’aux discours et aux pratiques des acteurs sociaux en lien avec la prolifération des cyanobactéries au Québec. Réalisée dans une perspective liée à l’écologie politique poststructurelle, elle vise à comprendre comment les discours et les représentations sociales associés aux cyanobactéries contribuent à faire de ce phénomène naturel un problème environnemental, justifiant par le fait même la mise en place de diverses mesures de gestion et de prévention, et à identifier quels sont les facteurs qui influencent l’observance de ces mesures. Pour ce faire, des entretiens semi-dirigés ont été réalisés en 2009 et 2010 au lac William, à la baie Missisquoi et au lac Roxton, auprès de différents groupes d’acteurs sociaux concernés par le phénomène des cyanobactéries au niveau local, afin de recueillir leurs points de vue au sujet de ses causes et de ses impacts, ainsi que des mesures mises en place ou recommandées pour y remédier et pour protéger la santé publique.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les lacs urbains, souvent artificiels, sont complètement intégrés dans le tissu urbain et exercent des fonctions variées, très importantes pour le fonctionnement durable des villes. Ces écosystèmes sont fortement affectés par les activités anthropiques, par l'urbanisation accompagnée du changement de l'occupation du sol et de l'imperméabilisation du bassin versant, à l'origine d'un ruissellement plus important et plus chargé en polluants. En raison de ces pressions anthropiques, de nombreux plans d'eau dans le monde souffrent d'eutrophisation et sont fréquemment touchés par des proliférations de cyanobactéries, dont certaines espèces sont potentiellement toxiques. L'objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des facteurs impliqués dans la dynamique des cyanobactéries dans les lacs urbains. Notre recherche a été menée sur deux sites d'études : le lac d'Enghien en France et le lac de Pampulha au Brésil. Dans le site d'étude français, nous avons bénéficié de nouvelles technologies de suivi du phytoplancton pour modéliser la dynamique des cyanobactéries à courte échelle de temps. Dans le lac brésilien, notre site d'étude principal, la modélisation de la dynamique des cyanobactéries a été réalisée, en prenant en considération l'insertion du lac dans son bassin versant grâce à une modélisation intégrée : le modèle du lac destiné à la simulation des cyanobactéries est couplé à un modèle hydrologique qui simule les débits et la qualité de l'eau des affluents entrant dans le lac. La modélisation s'est basée sur des mesures de terrain recueillies durant un suivi de 21 mois. La performance d'une sonde spectrofluorométrique dans l'estimation de la biomasse phytoplanctonique dans ce lac hypereutrophe a été évaluée. Sur ce site d'étude, nos résultats ont montré que :• La sonde spectrofluorométrique sous-estime la biomasse cyanobactérienne quand (i) des cyanobactéries de l'ordre Oscillatoriales sont présentes car elles ont une fluorescence moindre par unité de chl-a, (ii) des cyanobactéries coloniales représentent plus de 20% de la biomasse cyanobactérienne et (iii) la chlorophylle total spectrofluorométrique est au-dessus de 100 μg chl-a.L-1.• Le modèle hydrologique a montré une bonne performance pour la simulation du débit (coefficient de Nash entre 0.70 et 0.88 en calage et 0.72 et 0.78 en validation) et des résultats moyennement satisfaisants pour la simulation des polluants. Le modèle du lac, développé par étapes, a présenté une bonne capacité prédictive de la dynamique des cyanobactéries, dans sa version plus complète, NMAE = 0.26 en calage et 0.55 en validation.• Les apports par temps de pluie sont une source importante de matières en suspension, phosphate et nitrates pour le lac de Pampulha. L'ammonium provient surtout des eaux usées rejetées dans les cours d'eau. Les épisodes pluvieux sont responsables des brassages de la colonne d'eau qui perturbent la croissance algale durant la saison humide.• Les cyanobactéries dans le lac de Pampulha étaient limitées par le phosphore pendant la majeure partie de notre suivi. Les épisodes de mélange du lac ont un effet important sur la disponibilité des nutriments dans les couches superficielles. Le travail mené dans le lac de Pampulha a permis d'avancer sur le couplage entre les aspects quantitatifs et qualitatifs du cycle de l'eau en milieu urbain et a fourni un outil qui peut être utilisé dans la simulation des scénarios de changement du bassin versant et leur impact sur le lac. La méthodologie développée dans cette thèse peut être appliquée ailleurs, en profitant des connaissances déjà acquises sur le lac de Pampulha / Urban lakes, often artificial, are fully integrated into the urban environment and perform several roles that are important for the sustainable functioning of cities. These ecosystems are strongly affected by human activities such as urbanization, land use changes and surface imperviousness which raise runoff in volume and speed, causing greater carrying capacity and greater pollutant load to aquatic receptors. Because of these anthropogenic activities, many lakes in the world are eutrophic and frequently affected by cyanobacterial blooms, some species of which are potentially toxic. The objective of this thesis is to contribute to a better understanding of the factors involved in the dynamics of cyanobacteria in urban lakes. Our research was conducted on two study sites: Lake Enghien in France and Lake Pampulha in Brazil. In the French study site, we benefited from new technologies for monitoring phytoplankton to model the dynamics of cyanobacteria in short-term scale. In the Brazilian lake, our main study site, the modelling of the cyanobacteria dynamics was carried out taking into account the inclusion of the lake in its catchment through and integrated modelling: the model used to simule lake cyanobacteria is coupled to a hydrological model for simulating the runoff quantity and the quality, which is inputted into the lake. Both models were calibrated and validated using measurements collected during a 21-month monitoring program. The performance of a spectrofluorometric probe in estimating phytoplankton biomass in this hypertrophic lake was evaluated. On this study site, our results showed that:• The spectrofluorometric probe underestimates the cyanobacterial biomass when (i) Oscillatoria cyanobacteria are present because they have a lower fluorescence per unit of chl-a, (ii) colonial cyanobacteria represent more than 20% of the cyanobacterial biomass and (iii) spectrofluorometric total chlorophyll is above 100 μg chl-a.L-1.• The hydrological model showed a good performance for runoff simulation (Nash coefficient is between 0.70 and 0.88 in calibration and 0.72 and 0.78 in validation) and moderately satisfactory results for pollutants simulation. The lake model, developed in steps, showed good predictive ability of the cyanobacteria dynamics in its most complete version, NMAE = 0.26 (calibration) and 0.55(validation).• Runoff is a major source for suspended solids, phosphate and nitrate influxes into Lake Pampulha. Ammonium comes mainly from wastewater discharged into tributaries. Rainfall events are responsible for the mixing of the water column and disrupting algal growth during the wet season.• Cyanobacteria in Lake Pampulha were limited by phosphorus during most of our monitoring. Mixing episodes of the lake water column have different effects on the availability of nutrients in the surface layers. The research carried out in Lake Pampulha allows us to progress on the coupling between the quantitative and qualitative aspects of the water cycle in urban areas and provides a tool that can be used in the simulation of scenarios of the catchment changements and their impact on the lake. The methodology developed in this thesis can be applied elsewhere, taking advantage of existing knowledge on Lake Pampulha

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les écosystèmes aquatiques eutrophes sont souvent perturbés par des proliférations de cyanobactéries potentiellement toxiques. Si de nombreux travaux ont été publiés sur leur écologie et leur toxicité, peu d'entre eux concernent leurs interactions avec les bactéries chimiotrophes qui leur sont associées au sein de la phycosphère, ce qui a motivé cette thèse. Par des travaux réalisés sur des écosystèmes naturels et des approches en laboratoire, nous montrons que les communautés bactériennes (CB) associées aux cyanobactéries ont une structure et une composition différentes de celles qui ne subissent pas leur influence directe. Ces communautés associées sont dominées par des bactéries ayant une forte affinité pour la matière organique (MO) et réunissant des espèces spécialistes toujours retrouvées en association avec des cyanobactéries et des espèces généralistes capables de se développer dans tous les environnements riches en MO. Nos travaux ont aussi révélé que les CB présentent des différences structurelles et fonctionnelles selon le genre de cyanobactéries auquel elles sont associées, et notamment selon leur capacité à fixer ou non l'azote atmosphérique. Enfin, un focus particulier a été porté sur les bactéries impliquées dans le cycle de l'azote sachant que cet élément est avec le phosphore, souvent limitant pour la croissance des cyanobactéries. Nos résultats montrent que plusieurs étapes essentielles de ce cycle semblent être plutôt effectuées par la CB qui n'est pas sous l'influence directe des cyanobactéries ce qui suggère l'existence d'un découplage dans l'exploitation de la MO et dans le cycle de l'azote entre CB associées et non associées aux cyanobactéries. / Potentially toxic cyanobacteria blooms often occur in eutrophic aquatic ecosystems. While many studies have been published on their ecology and toxicity, few have investigated the interactions between cyanobacteria and their associated chimiotrophic bacteria within the phycosphere. This latter is the subject of this thesis. Using both natural ecosystems and laboratory approaches, we show that the structure and composition of bacterial communities (BC) associated with cyanobacteria are different from those that are not under the direct influence of the cyanobacteria. These associated communities are dominated by bacteria that have a high affinity for organic matter (OM) and are composed of specialist species that are always found in association with cyanobacteria and generalist species that can grow in any OM rich environments. Our results also revealed that the associated BC differs structurally and functionally between diazotrophic and non- diazotrophic cyanobacteria. We also specifically investigated the bacteria involved in the nitrogen cycle knowing that this element, with phosphorus, is often limiting for the growth of cyanobacteria. Our results show that several essential steps in this cycle appear to be rather done by the BC that is not under the direct influence of cyanobacteria, which suggests the existence of a decoupling between the MO and nitrogen cycles between associated and non-associated BC.