Le fer constitue un élément essentiel pour la croissance du phytoplancton en milieu marin. Il est en effet l'élément limitant pour la production primaire dans de nombreuses régions océaniques et, de fait, est impliqué dans le cycle du carbone de la planète. Pourtant, son cycle biogéochimique est encore très mal connu. Les poussières atmosphériques et les sédiments des marges continentales sont considérés à l'heure actuelle comme les deux principales sources potentielles de fer à l'océan ouvert de surface. Ces deux sources ayant montré des compositions isotopiques très contrastées, les isotopes du fer dans la colonne d'eau ont été pressentis comme un traceur prometteur de ces sources. Outre ces apports à l'océan, le fer subit une multitude de processus de transferts entre les différentes formes physico-chimiques sous lesquelles il est présent dans la colonne d'eau. Certains de ces processus étudiés in vitro semblent être à l'origine d'un fractionnement des isotopes du fer. Par conséquent l'étude des isotopes du fer dans la colonne d'eau pourrait aussi nous permettre de clarifier ces échanges. Au commencement de ma thèse, aucune mesure des isotopes du fer dissous dans l'océan n'avait encore été réalisée. Une telle mesure impliquait un réel défi analytique dans la mesure où les quantités de fer disponibles dans un échantillon d'eau de mer sont très faibles alors que la matrice salée dans laquelle il réside est très concentrée. Nous avons donc développé une méthode de mesure des isotopes du fer dissous dans des eaux de mer appauvries en fer, satisfaisant aux exigences requises, à savoir un bon rendement, un blanc de quelques ng, une élimination de la matrice et un moyen précis de corriger des fractionnements isotopiques tout au long de la procédure. Le succès de l'intercalibration du programme GEOTRACES constitue une validation supplémentaire de notre méthode. Cette méthode a permis d'obtenir les premières données de compositions isotopiques (CI) de fer dissous dans l'océan. Nous avons également documenté les particules en suspension, pour lesquelles aucune mesure de compositions isotopiques n'avait encore été réalisée. L'analyse des résultats de ces deux fractions montre des variations systématiques et significatives de δ56Fe, dont les valeurs sont comprises entre -0.71 et +0.58‰ avec une précision de ±0.08‰ (2σ), les plus grandes variations étant observées dans la phase dissoute. A travers des régions étudiées très contrastées, des tendances cohérentes (énoncées ci-après) ont permis de dégager des premières interprétations sur le cycle des isotopes du fer dans l'océan. En dessous de la couche de surface, les variations de CI observées sont à la fois cohérentes i) avec la circulation océanique, i.e., on retrouve des CI semblables dans une même masse d'eau échantillonnée à des sites distants de plusieurs milliers de km, mais semble aussi en cohérence avec ii) les propriétés biogéochimiques de la colonne d'eau. Nous suggérons l'existence de fractionnements isotopiques associés à l'activité phytoplanctonique, à la reminéralisation ainsi qu'aux échanges de sorption, chacun de ces fractionnements présentant une amplitude relativement faible par rapport à certains rapportés dans la littérature. Alors que le mécanisme sédimentaire délivrant du fer dans la colonne d'eau était jusqu'à présent supposé être principalement la dissolution par réduction bactérienne (caractérisé par Δdiss-part≈-3 to -1‰), nos résultats soulignent l'importance d'un autre processus sédimentaire : une dissolution non-réductrice du sédiment dans l'eau de mer, caractérisée par un fractionnement isotopique moyen de Δdiss-part≈+0.2‰, générant des signatures isotopiques lourdes dans la phase dissoute. Par ailleurs, nos mesures de δ56Fe dans les aérosols suggèrent que leur signature isotopique est plus variable qu'auparavant admis, et serait comprise entre la valeur crustale et 0.5‰. Enfin l'étude couplée des CI dans la phase dissoute et particulaire met en évidence la forte interaction qui existe entre ces deux phases, à la fois en milieux abrités d'apports lithogéniques où s'expriment les processus du cycle interne du fer, mais aussi après injection de particules lithogénique qui impriment une signature spécifique dans les masses d'eau. Ainsi les isotopes du fer dans la colonne d'eau constituent un outil très prometteur pour l'étude du cycle du fer dans l'océan.

La phase aqueuse de l’atmosphère et plus précisément les gouttelettes de nuage est un des milieux les plus concentrés et réactifs de l’atmosphère au sein duquel les composés présents peuvent subir de nombreuses transformations, principalement par voie photochimique. De plus, elle a la propriété d’être oxydante due à la présence d’espèces radicalaires telles qu’OH ou HO2 et de composés tels que le peroxyde d’hydrogène et le fer.La présence avérée de microorganismes métaboliquement actifs dans l’atmosphère a soulevé de nombreuses questions et plus récemment sur leur rôle dans les processus atmosphériques. Ces organismes pourraient modifier la composition des nuages en utilisant comme substrat les composés carbonés représentant une part importante des composés présents dans les nuages. De plus, ils sont suspectés de jouer un rôle dans la capacité oxydante des nuages en impactant des composés clés de la réactivité chimique tels que le fer ou le peroxyde d’hydrogène. L’objectif de ces travaux de thèse était de se focaliser sur les interactions des microorganismes avec deux espèces oxydantes de la phase aqueuse des nuages, le fer et le peroxyde d’hydrogène.Tout d’abord, un intérêt particulier a été porté au cycle du fer et à sa complexation dans les nuages, de nature encore très incertaine à ce jour. Dans l’idée d’apporter des premiers éléments de réponse quant à cette complexation, un large screening réalisé sur des microorganismes des nuages a été effectué afin d’évaluer leur capacité à produire des sidérophores. Les résultats obtenus suggèrent l’éventuelle présence de sidérophores dans les eaux de nuage comme molécules chélatantes du fer(III) ce qui pourrait impacter la chimie du fer dans la phase aqueuse des nuages.Il a ensuite été question de s’intéresser au peroxyde d’hydrogène. Dans une première approche, les paramètres et mécanismes responsables de la transformation biotique et abiotique de H2O2 dans les eaux de nuage ont été étudiés, ainsi que ses effets sur le métabolisme énergétique des microorganismes. Dans une deuxième approche, les modifications du métabolisme microbien face à H2O2 ont été approfondies à travers une approche métabolomique. Les résultats ont ainsi suggéré que le peroxyde d’hydrogène module fortement le métabolisme énergétique des microorganismes des nuages. Les microorganismes sont capables de gérer une condition de stress oxydant mais qu’en même temps ce stress induit une réorganisation de leur métabolisme. Il a également été montré que diverses voies métaboliques telles que le métabolisme des sucres, acides carboxyliques, lipides, acides aminés, peptide et glutathion sont impactées.Intégrer ces données biologiques dans des modèles de chimie atmosphérique pour améliorer la quantification de cette modulation sur la chimie atmosphérique apparait comme une des perspectives les plus importantes à envisager. Pour cela, des constantes cinétiques de biodégradation de quatre composés majeurs des nuages ont été déterminées. Les sorties du modèle nous permettront de mieux évaluer l’impact du métabolisme microbien sur la chimie des nuages. / The aqueous phase of the atmosphere and, more precisely, cloud droplets is one of the most reactive environments of the atmosphere within which the compounds present can be transformed especially by photochemical reactions. In addition, it contains many radical species such as HO, HO2, hydrogen peroxide or iron which explains its oxidizing power.The presence of metabolically active microorganisms in the atmosphere raised many questions and, currently, on their role in atmospheric processes. These organisms could modify the composition of clouds using carbon compounds as substrate that represented an important part of compounds present in clouds. They are also suspected to play a role in the oxidative capacity of clouds by impacting key compounds of chemical reactivity such as iron or hydrogen peroxide.The objective of this work was to focus on the interactions between cloud microorganisms and two oxidant species of clouds aqueous phase, iron and hydrogen peroxide.First, the cycling of iron and its complexation still very uncertain was studied. In order to provide responses we achieved a screening to evaluate the capacity of cloud microorganisms to produce siderophores. The results obtained suggest the possible presence of siderophores in cloud water as chelating molecules of iron (III) which could have a strong impact on iron chemistry in cloud aqueous phase.Then, we focused on hydrogen peroxide. The parameters and mechanisms responsible for the biotic and abiotic transformation of H2O2 in cloud water were studied, as well as its effects on energetic metabolism of microorganisms. The modifications of the microbial metabolism in the presence of H2O2 were pursued using metabolomics. The results suggest that H2O2 strongly modulate the energetic metabolism of cloud microorganisms. They are able to handle oxidative stress conditions but at the same time this stress induces a reorganization of their metabolism. Various metabolic pathways such as sugar, carboxylic acids, lipids, amino acids, peptide and glutathione metabolism are impacted.One of the important perspectives to consider is the integration of these biological data into atmospheric chemistry models in order to improve the quantification of this modulation on atmospheric chemistry. For this, biodegradation rate constants of four major compounds present in clouds were determined. The output will allow us to assess better the impact of microbial metabolism on clouds chemistry.

Les cheminées et sédiments hydrothermaux actifs du Bassin de Guaymas (Mexique) hébergent diverses communautés microbiennes présentant différents métabolismes, y compris ceux impliqués dans les cycles biogéochimiques du soufre et du fer. Il est établi, que, dans ces écosystèmes dynamiques, les micro-organismes qui dépendent pour leur croissance des substrats présents dans leur environnement pourraient à leur tour, affecter localement la composition du fluide hydrothermal et la minéralogie des cheminées, la composition des sédiments, en favorisant la dissolution et/ou la précipitation de certaines phases minérales. Pour étudier ces interactions procaryotes-biotopes, et établir des liens entre la structure, l’activité et les signatures isotopiques des communautés microbiennes et les caractéristiques physico-chimiques des systèmes hydrothermaux du Bassin de Guaymas, une approche pluridisciplinaire mettant en oeuvre des techniques de microbiologie, de géochimie et d’isotopie, lors des cultures d’enrichissements en bioréacteur et des études de colonisation de substrats basaltiques a été réalisée. Ces travaux ont permis : 1) de caractériser la diversité des micro-organismes de différents compartiments de l’écosystème hydrothermal (cheminée et sédiments) du Bassin de Guaymas par des approches culturales et moléculaires ; 2) de décrypter le fonctionnement des cycles biogéochimiques du soufre et du fer en mettant en évidence la présence simultanée, à haute température et en anaérobiose, de micro-organismes sulfo-réducteurs, sulfato-réducteurs, sulfo-oxydants mais également ferri-réducteurs et ferro-oxydants ; et 3) de mieux comprendre les interactions procaryotes-minéraux-fluide en soulignant le rôle des microorganismes dans la modification des conditions environnementales, la formation de minéraux ainsi que leur rôle direct ou indirect dans les fractionnements des isotopes du Fer et Soufre. Ces études ont donc permis de montrer l’importance des interactions croisées entre les différents composantes : communautés microbiennes, le fluide (fluide hydrothermal, eaux interstitielles des sédiments, eau de mer) et les structures minérales des écosystèmes hydrothermaux. / Active hydrothermal chimney and sediments of the Guaymas Basin (Mexico) host various microbial communities with different metabolisms, including those involved in biogeochemical cycles of sulfur and iron. It is established that, in these dynamic ecosystems, microbial activity depends on the availability of substrates in their environment and that prokaryotes could, in return locally affect the composition of the hydrothermal fluid and mineralogical composition of the chimney or sediment, by mediating the dissolution and / or precipitation of some mineral phases. In order to study these prokaryotes-biotope interactions, and establish links between the structure, the activity and the isotopic signatures of microbial communities with the physico-chemical characteristics of hydrothermal systems of Guaymas Basin, a multidisciplinary approach based on the implementation of microbiology, geochemistry and isotope technics was performed using enrichment cultures in bioreactors and the study of the colonization of basaltic substrates. This work led to: 1) characterize the diversity of microorganisms in different hydrothermal compartments (chimney and sediments) of the Guaymas Basin using both cultural and molecular approaches; 2) to decrypt the functioning of sulfur and iron biogeochemical cycles, by highlighting the occurrence, at high temperature and anaerobic condition, of sulfur-reducing, sulfate-reducing, sulfur-oxidizing and also iron-reducing and iron-oxidizing prokaryotes ; and 3) to better understand the prokaryote-mineral-fluid interactions by pointing out the role of microorganisms in environmental condition changes, mineral precipitation and their direct or indirect role in iron and sulfur isotope fractionation. Thus these studies have demonstrated the importance of the cross-interactions between the different hydrothermal components: microbial communities, fluids (hydrothermal fluid, sediment pore water, sea water) and mineral structures.