Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2002. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique.

Un grand intérêt est remarqué au sein de la communauté et les chercheurs scientifiques pour étudier le changement et le réchauffement climatique ainsi que pour évaluer les conditions environnementales actuelles et ses limites. Il est établi que la présence de micro-organismes sélectionnés dans un environnement spécifique peut prédire différents facteurs environnementaux dans un habitat donné. L'écologie microbienne étudie les relations existantes entre les micro-organismes et leur environnement. Comprendre les micro-organismes qui prospèrent dans ces régions nordiques peut grandement faire progresser nos connaissances sur ces habitats et les effets des changements climatiques. Ces microbes sont appelés bioindicateurs. Mais, à l'heure actuelle, les micro-organismes bioindicateurs qui se développent dans différents habitats qui sont les plus touchés par les changements climatiques, comme ceux des régions septentrionales du Canada, sont encore pour la plupart inconnus. Le programme transdisciplinaire Stratégie Sentinelle Nord de l'Université Laval vise à développer des technologies innovantes et à accroître la connaissance collective des habitats nordiques et de leurs impacts sur les êtres humains et leur santé. Sous l'égide de l'initiative Sentinel Nord, le projet EcoChip est un programme ambitieux qui vise à développer une technologie autonome de surveillance, de compréhension et de valorisation des microorganismes présents dans le Nord. La technologie EcoChip vise également à identifier des molécules uniques susceptibles d'être utilisées dans des processus biologiques et industriels. Ici, nous présentons la technologie EcoChip de nouvelle génération. C’est un système autonome qui permet de surveiller la croissance des micro-organismes dans les puits individuels sur le terrain. Il peut mesurer le taux de croissance des micro-organismes et leurs conditions environnementales in-situ grâce à une plate-forme de capteurs embarqués. Cette nouvelle version améliore de nombreux aspects du prototype précédent. Entre autres, il a un réseau d'électrodes EIS plaqué et intégré à la carte électronique, un nouveau boîtier hermétique personnalisé et a été fabriqué en utilisant une technologie de carte de circuit imprimé standard et peu coûteuse. / The community and scientific researchers have great interest in studying climate change and warming as well as to assess current environmental conditions and its limitations. Microbial ecology studies the existing relationships between microorganisms and their environment. The presence of selected microorganisms in a specific environment can predict different environmental factors in each habitat. These sentinel microbes are called bioindicators. Understanding the microorganisms that thrive in these northern regions can greatly advance our knowledge of these habitats and the effects of climate change. However, at present, the bioindicator microorganisms that thrive in different habitats that are most affected by climate change, such as those in northern regions of Canada, are still mostly unknown. The transdisciplinary Sentinel North Strategy program aims to develop innovative technologies and increase collective knowledge of northern habitats and their impacts on humans and their health. Under the aegis of the Sentinel North initiative, this project is an ambitious program, aims to develop an autonomous technology for monitoring, understanding and valuing the microorganisms present in the North. EcoChip technology also aims to identify unique molecules used in biological and industrial processes. Here we present the next generation EcoChip technology. It is a stand-alone system built to monitor the growth of microorganisms in individual wells in the field. It can measure the growth rate of microorganisms and their environmental conditions in-situ using an on-board sensor platform. The system can measure the impedance of microorganisms inside 96 wells using the Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) technique. Other parameters like temperature, humidity and luminosity are measured. The EcoChip has many improvements. Among other things, it has an EIS electrode array plated and integrated with the electronic board, a new customized hermetic package and was manufactured using standard and inexpensive printed circuit board technology.

Cette thèse de doctorat présente quatre études portant sur la détection des agents bactériens aéroportés associés au bioterrorisme. Tout d’abord, un rappel historique des guerres biologiques et du bioterrorisme permettra de mieux comprendre cette menace. Pour cibler la problématique actuelle, les agents biologiques, les procédures d’intervention des organisations de sécurité et de santé publique ainsi que les méthodes de détection seront ensuite introduites. La capacité de détection rapide des agents biologiques est une des lacunes importantes des procédures d’intervention. La détection et l’identification de ces agents biologiques nécessitent plusieurs étapes critiques interreliées. Elles consistent en l’échantillonnage, la préparation des analytes contenues dans des matrices complexes et finalement l’identification du micro-organisme en décodant des macromolécules signatures, et ce, notamment par des méthodes génotypiques. Certaines particules peuvent potentiellement être employées pour la préparation d’armes biologiques aéroportées. De plus, des poudres inoffensives (p. ex., farine) peuvent être utilisées pour terroriser certains individus, des organisations ou la population. Ces composés peuvent toutefois interférer avec les méthodes de détection moléculaire. C’est pourquoi la première étude traite de l’interférence sur la détection par la PCR de 23 échantillons poudreux ou environnementaux autres. Cet article présente une méthode séparant des spores de Bacillus de matrices poudreuses afin d’enlever ces particules nuisibles à la détection. La procédure conceptualisée est simple d’exécution (10 étapes), rapide (≤ 10 minutes), peu coûteuse (~ 10 $) et permet de traiter une plus grande variété d’échantillons par rapport à l’art antérieur. En second lieu, une lyse de spores bactériennes basée sur la sonication rapide (45 secondes) a permis d’extraire l’ADN génomique avec des rendements comparables à une autre méthode de lyse commercialisée performante nécessitant cinq minutes. Le Module fluidique de lyse ultrasonique a été confectionné pour être décontaminé et transféré d’une zone contaminée à une zone sécurisée, ce qui est un avantage important dans le contexte du bioterrorisme. Le troisième projet concerne le développement d’un essai de détection basé sur l’amplification PCR de type large spectre du gène tuf et l’identification sur biopuce de séquences d’ADN signatures grâce à une hybridation en microfluidique. Cet essai a permis de détecter rapidement (75 minutes) 12 des 13 agents bactériens aéroportés associés au bioterrorisme listés par les CDC. Finalement, les analyses de séquences du gène cible, tuf, chez le genre Yersinia, ont montré un haut niveau de divergence entre les gènes dupliqués intragénomiques, tufA et tufB (8,3 à 16,2 %). Ce résultat inattendu pourrait montrer les circonstances particulières permettant à des gènes dupliqués d’acquérir de nouvelles fonctions. De plus, cette étude a permis de faire une analyse phylogénétique de 14 des 17 espèces décrites du genre Yersinia et d’apporter des informations sur leur classification taxonomique. Prochainement, il serait intéressant de juxtaposer les différentes étapes de détection des agents biologiques présentées ici dans un système intégré d’analyse totale. Par conséquent, l’automatisation pourrait faciliter leur utilisation sur le terrain pour détecter et identifier rapidement (~1 h) des agents biologiques associés au bioterrorisme permettant de prendre en charge les victimes plus efficacement et de contribuer à enrayer la propagation. / This doctoral thesis presents four studies regarding the detection of airborne bacterial biothreat agents. First of all, a historical review of biological warfare and bioterrorism will allow for better understanding of this threat. To focus on the current problematic, biological agents, intervention procedures of public security and health organisations, as well as detection methods will then be introduced. The lack of systems for the reliable and rapid detection of biological agents is an important limitation of intervention procedures. Many interrelated steps are required to detect and identify biological agents. They consist of sampling, sample matrix processing, and finally, microbial identification by decoding macromolecule signatures, notably using genotyping methods. Some particles potentially employed to produce airborne biological weapons could interfere with molecular detection methods. Moreover, inoffensive powders (e.g. flour) can be used as hoaxes to terrorise individuals, organisations, or the population. Therefore, the first article studied the interference on PCR detection of 23 powdery or other environmental samples. This study presents a method to separate Bacillus spores from powdery matrices to alleviate the impact of these interfering compounds. The developed procedure is fast (≤10 minutes), inexpensive (~ 10$), allows easy handling (10 steps) and treatment of a wider sample variety compared to prior art. Secondly, a bacterial spore lysis based on rapid sonication (45 seconds) allowed extraction of genomic DNA in yields comparable to a robust commercialised lysis procedure requiring 5 minutes. The Fluidic Ultrasonic Lysis Module can be decontaminated and transferred from a contaminated to a secured area, which is advantageous in the context of bioterrorism. The third project shows the development of a detection assay based on a bacterial broad-spectrum PCR amplification of the target gene tuf and the identification of signature DNA sequences using a microfluidic microarray system. This assay allowed the rapid (75 minutes) detection of 12 of the 13 airborne bacterial biothreat agents listed by the CDC. Finally, analyses of tuf gene sequences from the Yersinia genus showed a high level of divergence between intra-genomic tufA and tufB sequences (8.3 to 16.2 %). This unexpected result could reveal particular circumstances allowing duplicated genes to acquire new functions. Moreover, this study allowed a phylogenetic analysis of 14 of the 17 described Yersinia species and added information about their taxonomical classification. In the near future, it would be interesting to combine the different biothreat detection steps presented here into a total analysis system. Hence, automation could facilitate its utilisation in the field to detect and identify (~1 h) biothreat agents resulting in more efficient medical management of victims and contribute to stop propagation.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'obtention d'un aperçu microscopique de la structure interne et de la biologie de la glace de mer a traditionnellement été limitée à des méthodes d'échantillonnage destructives et intrusives par carottes de glace. Dans cette étude, nous présenterons un système révolutionnaire d'imagerie microscopique in situ conçu pour étudier les microstructures internes et les micro-organismes présents dans la glace de mer, sans avoir recours aux techniques d'échantillonnage conventionnelles. Ce nouveau système offre une vue inédite en temps réel de la vie dans cet environnement unique. La nature complexe et hétérogène de la glace de mer, avec sa matrice de glace, ses canaux de saumure, ses bulles d'air et ses diverses impuretés, a posé de nombreux défis d'ingénierie pour la mise au point de ce système d'imagerie. Le système développé est un microscope de terrain à multi-illumination et à géométrie d'imagerie réflective. Nous avons effectué des tests de validation dans la glace de mer de première année entre le 20 avril et le 3 mai 2023 dans la baie de Baffin. Malgré la fragilité inhérente à la matrice de la glace de mer, notre système d'imagerie nous a permis de capturer des images de microstructures et de micro-organismes avec des détails satisfaisants. La conception matérielle et logicielle de l'endoscope est présentée ainsi que les résultats de l'acquisition des images de la microstructure et de micro-organismes. Ces résultats démontrent collectivement le potentiel de ce nouveau système d'imagerie microscopique in situ à révolutionner la façon dont nous étudions la glace de mer et à fournir une compréhension plus approfondie de ses microstructures complexes et de ses micro-organismes vivants. Cette innovation recèle un immense potentiel pour faire progresser notre compréhension de la dynamique écologique, des processus biogéochimiques et des adaptations des micro-organismes dans la glace de mer. / Gaining microscopic insight into the internal structure and biology of sea ice has traditionally been limited to destructive and intrusive ice core sampling methods. In this study, we introduce a groundbreaking in situ microscopic imaging system designed to study the internal micro-structures and microorganisms within sea ice, all without the need for conventional sampling techniques. This novel system offers a never-before-seen real-time view of life within this unique environment. The complex and heterogeneous nature of sea ice, including its water crystal lattice, brine channels, air bubbles, and various impurities, presented numerous engineering challenges for developing this imaging system. The developed system is a field microscope with multi-illumination and *en-face* geometry. We conducted validations tests in first-year Arctic interior sea ice between April 20th and May 3rd 2023 in Baffin Bay. Despite the inherent fragility of the sea-ice matrix, our imaging system allowed us to capture images of microstructures and biota in satisfying detail. The hardware and software design of the endoscope are presented along with acquisition results of the microstructure and biota images. These findings collectively demonstrate the potential for this new in situ microscopy imaging system to revolutionize the way we study sea ice and provide a deeper understanding of its complex microstructures and living microorganisms. This innovation holds immense potential for advancing our understanding of ecological dynamics, biogeochemical processes, and microorganism adaptations in sea ice environments.

Pseudomonas aeruginosa est un agent pathogène opportuniste ubiquitaire. Les souches LES (Liverpool Epidemic Strain), associées à des infections pulmonaires chroniques, ont initialement été isolées en 1988 des expectorations de patients souffrant de fibrose kystique. Leurs nombreux facteurs de virulence, comme l'importante production de biofilm, rendent ces bactéries particulièrement difficiles à éradiquer. Des mutants de la souche LESB58, une souche LES, ont été obtenus grâce à la mutagenèse par étiquette. Trois mutants sélectionnés suite à leur avirulence chez le rat, l'amibe et la drosophile ont été obtenus: L70T18G, L138T21T et L155T7T. L'objectif de cette maîtrise est d'établir un lien entre la perte de virulence et les gènes mutés via l'analyse phénotypique des mutants. Une caractérisation des mutants a été réalisée par analyse du biofilm en microfluidique, des tests de détection des lipases, de pigmentation et de prédation en utilisant l'amibe. L'effet de l'ion magnésium (Mg²⁺) sur certains facteurs de virulence a également été mesuré. En microfluidique, la morphologie générale du biofilm attaché varie peu d'une souche à l'autre. L155T7T ne semble pas être capable de produire du biofilm en condition de microfluidique tandis que L138T21T s'établit plus rapidement que la souche sauvage. Un défaut de pigmentation chez la souche L138T21T est observable sur les différents milieux utilisés. Les mutants ne semblent pas présenter de défaut au niveau de leur sécrétion de lipases. De plus, suite à l'ajout de l'ion Mg²⁺, L70T18G, voit sa résistance à la prédation amibienne augmenter tandis que la souche sauvage perd de sa résistance. Chaque mutant présente un profil phénotypique distinct qui suggère que la virulence de la souche LESB58 est une combinaison de différents facteurs. Pour compléter la caractérisation et mieux jauger l'importance relative des différents facteurs de virulence, il serait intéressant d'effectuer d'autres tests comme l'ajout d'ions en microfluidique. / Pseudomonas aeruginosa is a ubiquitous opportunistic pathogen. The LES (Liverpool Epidemic Strain) strains, associated with chronic pulmonary infections, were initially isolated in 1988 from the sputum of patients suffering from cystic fibrosis. Their many virulence factors, such as the high production of biofilm, make these bacteria particularly difficult to eradicate. Mutants of the LESB58 strain, a LES strain, were obtained by signature-tagged mutagenesis. Three mutants selected for their avirulence in rats, amoeba and drosophila were obtained: L70T18G, L138T21T and L155T7T. In order to establish a link between these genes and the loss of virulence of the corresponding mutants, a phenotypic analysis of the mutants constitutes the objective of this project. Characterization of the mutants was performed by microfluidic biofilm analysis as well as lipase detection, pigmentation and amoeba-based predation tests. The effect of the magnesium ion (Mg²⁺) on some virulence factors was also measured. In microfluidics, the general morphology of the attached biofilm slightly varies from one strain to another. L155T7T does not appear to be able to produce biofilm under microfluidic conditions while L138T21T establishes a biofilm faster than the wild strain inside the channels. A pigmentation defect in the L138T21T strain is observable on the various media used. The mutants do not seem to present any defect in their secretion of lipases. Moreover, following the addition of the Mg²⁺ ion, L70T18G sees its resistance to predation by amoebae increased while the wild strain loses resistance. Each mutant exhibits a distinct phenotypic profile which suggests that the virulence of strain LESB58 is a combination of different factors. To complete the characterization and better gauge the relative importance of the different virulence factors, it would be interesting to perform othertests such as the addition of ions in microfluidics.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Bien que l’on attribue généralement un effet néfaste à l’instabilité génomique, pour le parasite Leishmania, elle s’avère pourtant bénéfique. De façon étonnante, ce protozoaire possède la capacité de remanier le nombre de copies de ses gènes pour s’adapter à son environnement et résister aux drogues utilisées contre lui. La présence de séquences répétées identiques près des gènes essentiels à sa survie permet une recombinaison homologue (RH) efficace et entraîne subséquemment la formation d’une copie extrachromosomique supplémentaire du gène ciblé. Ce phénomène de réarrangement génique induit la formation d’amplicons circulaires ou linéaires et est, entre autres, responsable de la résistance aux agents thérapeutiques. À l’heure actuelle, les enzymes impliquées dans ce processus sont peu connues et l’émergence d’un nombre croissant de cas d’infections réfractaires aux traitements favorise l’étude des protéines médiant la RH dans des conditions de résistance. Il a été récemment montré que la formation d’amplicons circulaires est compromise en l’absence du gène LiRad51, mais n’est toutefois pas abolie. Cette observation suggère l’implication d’autres acteurs dans ce processus, alors que le mécanisme par lequel les amplicons linéaires sont formés demeure inconnu. Cette thèse présente la caractérisation biochimique et cellulaire des protéines clés de la RH impliquées dans l’amplification génique chez le parasite Leishmania infantum. Plus précisément, le rôle de LiBrca2, en tant que médiateur de LiRad51, est tout d'abord démontré en raison de son implication essentielle dans la localisation nucléaire de LiRad51 et dans la stimulation d’invasion de brins effectuée par la recombinase. De façon similaire, les paralogues de LiRad51 peuvent, possiblement grâce à leur capacité de lier et d’apparier de l’ADN, eux aussi, stimuler LiRad51 pour l’invasion d’un ADN simple-brin dans un duplex homologue. L’inactivation génique pour l’un d’entre eux (LiRad51-4) a montré un rôle considérable sur l'amplification circulaire, malgré le fait qu’aucune activité d’invasion n’a pu être observée en l’absence de LiRad51. Enfin, en accord avec son rôle bien établi chez l’humain, cette étude confirme que la protéine LiMre11 possède une activité exonucléase et qu’elle serait impliquée dans la production d’amplicons linéaires. Ces résultats mettent en évidence le potentiel thérapeutique des protéines de la réparation de l’ADN, domaine de recherche prometteur pour mieux lutter contre la leishmaniose. / Genomic instability is usually known as a harmful hallmark, although in the parasite Leishmania this represents a beneficial feature. Surprisingly, this protozoan takes advantage of its ability to reorganize its genome for adapting itself to different environments as well as for drug resistance. In fact, the presence of identical repeats near essential genes allows homologous recombination (HR) between them, and subsequently causes the formation of an additional extrachromosomally copy of the targeted gene. This phenomenon of gene rearrangement induces circular or linear amplicons which leads to drug resistance. However, little is known about the enzymes involved in this process. In addition, the increasing number of infection cases refractory to treatment promotes the study of proteins mediating HR in these circumstances. It has been shown recently by gene inactivation that LiRad51 recombinase plays an important role in circular amplicon formation but was not essential. This observation suggested the presence of other players involved in this process while the mechanism by which linear amplicons are formed is still unknown. This thesis presents biochemical and cellular characterization of key HR proteins involved in extrachromosomal DNA amplification. We first determine the role of LiBrca2 as a mediator of LiRad51. In particular, LiBrca2 is involved in LiRad51 nuclear localisation and stimulates the homology search performed by the recombinase. Secondly, we show evidence that the LiRad51 paralogs help LiRad51 to promote HR through their capacity to bind and anneal DNA. Similary to LiBrca2, they can stimulate LiRad51 to invade a resected DNA double-strand break in an undamaged template to form a D-loop structure. However, they cannot perform this key step on their own. We succeed to inactivate one paralog (LiRad51-4) and provide insights on circular gene amplification. Finally, we show that LiMre11 harbors both DNA binding and exonuclease activities while inactivation of this gene led to a reduction of linear amplicon formation after drug selection. These results highlight a novel LiMre11-dependent pathway used by Leishmania to amplify stochastically portions of its genome. The relevance of DNA repair for drug resistance and its potential as a drug target represent a promising area of research for future treatments of leishmaniasis.

Le lactosérum, co-produit de la transformation fromagère, peut être valorisé en concentrant ses protéines par ultrafiltration (UF). Le principal inconvénient de l’UF est le colmatage des membranes, notamment par les protéines et le phosphate de calcium, qui entraîne une réduction des performances du procédé. Depuis quelques années, il est reconnu que les membranes peuvent être colmatées par des cellules bactériennes et des biofilms lors de l’UF du lactosérum. De nombreux auteurs ont souligné la présence de biofilms sur les membranes et investigué différents paramètres régissant la diversité bactérienne de ces biofilms. Toutefois, aucune étude n’a encore démontré l’impact concret du colmatage bactérien sur les performances de l’UF du lactosérum. L’objectif général de cette étude était donc de quantifier les baisses de performance causées par le dépôt de cellules bactériennes et la formation de biofilms lors du l’UF du lactosérum. Le premier objectif a démontré que le dépôt de cellules bactériennes pouvait exacerber les baisses de flux causées par le colmatage des protéines sériques en UF frontale, alors qu’il avait peu d’effet sur le colmatage minéral. Une neutralisation partielle des charges électrostatiques entre les bactéries et les protéines réduirait les répulsions et entraînerait la formation d’un gâteau de particules plus compact sur la membrane. Les résultats du deuxième objectif ont permis de confirmer, en UF tangentielle de lactosérum doux, que le colmatage bactérien provenant de la microflore intrinsèque du système de filtration pouvait diminuer les flux de perméation après 18 h de filtration. Le colmatage bactérien a augmenté la résistance hydraulique des membranes, permettant le calcul de résistances spécifiques au colmatage bactérien (Rbio) qui représentaient de 31 à 44% de la résistance totale de la couche de colmatage. Ces résultats démontrent que le colmatage bactérien peut influencer négativement les performances de l’UF du lactosérum et soulignent l’importance de développer des solutions pour mitiger ce colmatage. / Whey, the main co-product of cheese manufacturing, can be valorized through protein concentration by ultrafiltration (UF). The main drawback of UF is fouling, mainly by protein and calcium phosphate, which lowers the process performance. It has recently been acknowledged that membranes can also be fouled by bacterial cells and biofilms during whey UF. Numerous authors have demonstrated the presence of biofilms on membranes and investigated many parameters that can modulate the bacterial diversity of these biofilms. However, the impact of biofouling on the performance of whey UF is still unknown. The general objective of this study was therefore to quantify the loss of performance caused by bacterial cell deposition and biofilm formation during whey UF. The first objective demonstrated that bacterial cell deposition could increase the flux drop caused by whey protein fouling during dead-end UF, while it had minor effects on mineral fouling. Partial neutralization of bacterial cells and protein electrostatic charges may have reduced repulsions led to the formation of a more compact cake. The results of the second objective confirmed, during crossflow UF of sweet whey, that biofouling from the intrinsic microflora of the filtration system could lower permeation fluxes after 18 h of filtration. Biofouling also increased membrane hydraulic resistances, allowing the calculation of biofouling-specific resistances (Rbio), which accounted for 31 to 44% of the total fouling layer resistances. These results demonstrate that biofouling can negatively affect the performance of whey processing by UF and highlight the need for solutions to mitigate biofouling.

Les Campylobacter spp. représentent la plus grande cause de diarrhée bactérienne à travers le monde avec un coût économique élevé. Les méthodes phénotypiques utilisées au laboratoire de microbiologie médicale sont longues, ne différencient que Campylobacter jejuni des autres Campylobacter spp. et ne distinguent pas entre elles les deux sous-espèces de Campylobacter jejuni. Le développement de tests moléculaires capables de pallier à ces déficiences est donc important dans une perspective épidémiologique. Ce travail de recherche avait pour but de développer un essai PCR multiplex tuf-napA pour l’identification de Campylobacter jejuni au niveau de ses deux sous-espèces et de Campylobacter coli. Ce multiplex a ensuite été appliqué aux isolats de Campylobacter spp. du CHUL au CHUQ pour la période d’étude de janvier 2007 à janvier 2010 afin de définir l’épidémiologie moléculaire à l’hôpital. La capacité du gène tuf à servir comme gène cible pour discriminer les Campylobacter spp. a été établie ici pour la première fois. / Campylobacter spp. are the leading cause of bacterial diarrhea worldwide with a high economic cost. The phenotypic methods used in medical microbiology laboratories are time-consuming, differentiate only Campylobacter jejuni from other Campylobacter spp. and do not distinguish between the two subspecies of Campylobacter jejuni. The development of molecular tests able to overcome these deficiencies is important from an epidemiological perspective. This research concentrates on the development of a PCR assay tuf-napA multiplex for the identification of Campylobacter jejuni at the level of its two sub-species as well as Campylobacter coli. This multiplex was then applied to Campylobacter spp. isolates at the CHUL of CHUQ for the study period from January 2007 to January 2010 to define the molecular epidemiology in the hospital. The ability of tuf gene to serve as target gene for discriminating Campylobacter spp. was established here for the first time.

Les marais filtrants artificiels (MFA) forment un système biologique et passif de traitement des eaux usées constituant une alternative durable aux traitements conventionnels des effluents de cultures en serre. La performance des MFAs à réduire la charge polluante des effluents de culture et l’émission de gaz à effet de serre est étroitement liée aux communautés microbiennes. Afin d’optimiser l’activité biologique des MFAs et par conséquent leur performance, l’enrichissement en biochar des substrats filtrants pourrait constituer une avenue prometteuse. Le biochar, produit de la pyrolyse de la biomasse, est utilisé comme amendement pour les sols. Toutefois, les conséquences de son utilisation dans les systèmes d’épuration des eaux usées comme les MFAs sont peu connues jusqu’à nos jours. Les objectifs de cette thèse étaient donc de : (1) évaluer l’effet d’un biochar sur la diversité et l’activité des microorganismes dans les MFAs ; (2) évaluer l’effet du biochar sur l’efficacité des MFAs à réduire la charge en pesticides dans les effluents de cultures ; (3) évaluer l’effet du biochar sur les microorganismes des MFAs en présence de pesticides, et finalement (4) évaluer l’effet de l’utilisation de l’eau traitée par les MFAs comme eau d’irrigation sur la croissance des plantes et la diversité microbienne de la rhizosphère d’une culture de tomate. Les résultats obtenus ont démontré que le biochar n’a pas eu un effet majeur sur la composition des populations bactériennes dans les substrats et les effluents des marais. Toutefois, le biochar a affecté le taux d’expression de plusieurs gènes clés impliqués dans le fonctionnement des MFAs incluant ceux contrôlant le dégagement des gaz à effet de serre. Par ailleurs, l’utilisation des eaux traitées par les MFAs comme eau d’irrigation n’a pas affecté le développement des plantes de tomate. Au contraire, des bactéries connues pour leur stimulation de la croissance des plantes comme Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum et Pseudomonas ont été détectées en abondance. Finalement, en présence de pesticides, le biochar a exercé un effet protecteur sur les communautés microbiennes des MFAs permettant ainsi de maintenir leur performance à réduire les charges polluantes dans les effluents de serre. Toutefois, l’effet du biochar sur la capacité des marais à réduire la concentration des pesticides a été spécifique au type de pesticide. Ces travaux suggèrent que l’amendement des MFAs avec du biochar peut être une pratique utile pour améliorer et optimiser le fonctionnement des MFAs en atténuant certains de leurs inconvénients comme le dégagement des gaz à effet de serre. Ils ont démontré également la faisabilité et l’importance de la valorisation des eaux traitées par les MFAs. / Recently, the use of constructed wetlands (CWs), which form a biological and passive system of wastewater treatment, has been proposed as an alternative to conventional treatments of greenhouse effluents. The performance of CWs can be improved by the enrichment of their substrates with various products affecting their microbial communities, thus reducing the impact of some related problems such as the release of greenhouse gases. Biochar, which is the product of biomass pyrolysis, is used as an amendment in the soil. However, the consequences of its use with substrates in wastewater treatment systems such as CWs are little known until today. The objectives of this thesis were (1) to evaluate the effect of a biochar on the diversity and activity of microorganisms in CWs, (2) to evaluate the effect of biochar on the efficiency of CWs to reduce pesticides in greenhouse effluents, (3) to evaluate the effect of biochar on microorganisms in CWs in the presence of pesticides, and finally (4) to assess the effect of using water treated in CWs as irrigation water on tomato growth and rhizosphere microbial diversity. The obtained results demonstrated that biochar did not have a major effect on the composition of bacterial populations in CWs substrates and effluents. However, biochar affected the expression rate of several key genes in CWs functioning, including those involved in the release of greenhouse gases. Also, the use of CWs s treated waters to grow tomato plants in hydroponic crops did not present any physiological or microbiological risk to tomato plants. In fact, plant growth-promoting bacteria such as Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum and Pseudomonas were detected in abundance in the rhizosphere of tomato plants. Finally, in the presence of pesticides, biochar showed a protective effect on the microbial communities of CWs and thus makes it possible to maintain CWs performance in reducing pollutant loads in greenhouse effluents. However, the effect of biochar on CWs performance in reducing pesticides is specific to the type of pesticide. This work highlights the utility of biochar in improving the functioning of CWs and in circumventing some of their disadvantages such as the release of greenhouse gases. The feasibility and the importance of the valorization of water treated by CWs was also demonstrated.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Malgré la pasteurisation obligatoire du lait de consommation et la mise en place de bonnes pratiques de fabrication et d'hygiène dans les usines de transformation laitière, certains microorganismes résistants à la chaleur ou issus de phénomènes de post-contamination peuvent se retrouver dans les produits laitiers transformés et s'y développer. En plus d'entraîner des pertes alimentaires et économiques en raison du non-respect des normes microbiologiques ou des diverses altérations occasionnées, les microorganismes associés aux produits laitiers non-conformes et/ou atypiques (PL-NC/AT) constituent une préoccupation majeure pour les industries laitières en raison de leur capacité potentielle à former des biofilms sur les surfaces et à résister à certains désinfectants et antibiotiques. Ce projet de recherche visait à isoler, identifier et caractériser les microorganismes provenant de PL-NC/AT afin de bâtir une collection microbienne documentée de référence. En collaboration avec plusieurs industries laitières et fromagères, 105 souches de bactéries, levures et moisissures problématiques, issues de différents PL-NC/AT (lait, crème, crème glacée et fromages), ont été isolées par culture et identifiées par MALDI-TOF ou séquençage. La caractérisation de cette diversité d'isolats a permis de mettre en évidence que la majorité de ces souches étaient sensibles à un traitement de chaleur équivalent à une pasteurisation, suggérant que ces microorganismes auraient été réintroduits dans les produits laitiers par post-contamination. Près de 25 souches bactériennes se sont d'ailleurs révélées être d'importantes productrices de biofilms en microplaques de 96 puits et 13 de ces souches ont démontré une résistance élevée à un traitement de 5 minutes à l'acide peracétique (100 ppm) et à l'hypochlorite de sodium (70 ppm) en microplaques MBEC. De plus, 56 isolats bactériens ont présenté une résistance contre l'ampicilline, la fosfomycine et/ou la ceftriaxone. Ces nouvelles connaissances pourront guider et mener à l'élaboration de mesures innovantes dans le contrôle et la prévention des contaminations microbiologiques dans l'industrie laitière. / Despite the mandatory pasteurization of fluid milk and the implementation of good manufacturing and hygiene practices in dairy processing plants, some heat-resistant microorganisms or other microorganisms resulting from post-pasteurization contamination can be found in processed dairy products. In addition to causing food and economic losses due to spoilage or non-compliance with microbiological standards, microorganisms associated with non-compliant and/or atypical dairy products (NC/AT-DP) are a major concern for dairy industries due to their potential ability to form biofilms and to resist to some disinfectants and antimicrobial agents. The objective of this project was to isolate, identify and characterize microorganisms from NC/AT-DP to create a documented microbial collection. In collaboration with several dairy and cheese industries, 105 strains of problematic bacteria, yeasts, and molds from various NC/AT-DP (milk, cream, ice cream and cheese) were isolated by culture and identified by MALDI-TOF or sequencing. The characterization of these isolates demonstrated that most of the strains were sensitive to a heat treatment equivalent to pasteurization, suggesting that these microorganisms would have been reintroduced into dairy products by post- pasteurization contamination. Nearly 25 bacterial strains have also shown to be moderate or strong biofilm-producers in 96-well microplates and 13 of these strains have demonstrated a high resistance to a 5-minute treatment with peracetic acid (100 ppm) and sodium hypochlorite (70 ppm) in MBEC microplates. In addition, 56 bacterial isolates showed resistance against ampicillin, fosfomycin and/or ceftriaxone. These results will guide and may lead to the development of new strategies to control and prevent microbiological contamination in the dairy sector.