La qualité de présentation d'une pomme de terre de consommation, Solanum tuberosum L., commercialisée en produit frais est devenue une exigence et un enjeu économique significatif dans les relations commerciales. Compte tenu du mode de reproduction par voie végétative de cette espèce, ces exigences sont également imposées au tubercule de semence. Organe de réserve et de propagation, le tubercule est produit sous terre, ce qui l'expose aux microorganismes telluriques et le rend potentiellement porteur d'altérations superficielles dont l'origine n'est pas encore clairement identifiée pour certaines d'entre elles. L'objectif de ce travail est de recenser et de caractériser ces altérations superficielles du tubercule et d'en déterminer les causes. Après l'établissement d'une nomenclature et d'une classification consensuelles des défauts observables sur tubercule, deux hypothèses ont été formulées et testées: (1) les défauts sont d'origine pathogène et/ou (2) ils résultent d'une réponse de la plante à des stress environnementaux. L'évaluation de la première hypothèse a mené à l'identification d'une grande diversité de microorganismes vivant à la surface des tubercules altérés. Leur pouvoir pathogène a été testé par une série de tests biologiques. Ceux-ci ont permis de reproduire les défauts sur des tubercules néoformés et de vérifier les postulats de Koch pour le champignon Rhizoctonia solani responsable de la formation de sclérotes. Pour bon nombre d'autres défauts visuels, aucune relation claire entre un microorganisme et une altération n'a pu être établie. Une étude de la structure des communautés microbiennes de la géocaulosphère de tubercules, altérés ou non, a démontré que les communautés fongiques et bactériennes se comportaient selon des dynamiques différentes au cours de la culture et en fonction de l'état sanitaire du tubercule de semence mais aucune relation de causalité n'a pu être mise en évidence. Il a par contre été noté une augmentation de la population de R. solani autour des tubercules altérés. La diversité des isolats d’origine française et européenne associés aux altérations des tubercules a donc été caractérisée. Elle révèle l'existence de relations phylogénétiques indépendantes de l'origine géographique et du cultivar hôte et suggère l'existence de d'événements génétiques fréquents et d'un brassage génétique entre les populations de R. solani. Le test de la seconde hypothèse a consisté à rechercher une implication potentielle de différents facteurs abiotiques dans la formation des altérations superficielles. L'analyse d'une enquête menée auprès d'agriculteurs a mis en évidence l'implication du pH, de certaines pratiques culturales, de la sensibilité de cultivars et de conditions météorologiques particulières dans l'occurrence de certains défauts. Ce travail a permis de clarifier la nomenclature des altérations, de confirmer l'implication de R. solani dans l'apparition de certaines d'entre elles et d'envisager de nouvelles hypothèses quant à la formation de défauts suite à une réponse de la plante à un stress environnemental. Ainsi, une voie a été ouverte vers la résolution de la problématique posée par toute une filière professionnelle, responsable de la mise en marché d'un produit frais de grande consommation, et répondant aux exigences du marché en matière de présentation, qualité culinaire et, mode de production respectueux de l'environnement. / The visual quality of fresh potatoes, Solanum tuberosum, became a dominant criterion and a significative economical issue in potato market. According the vegetative reproduction of this species, requirements for visual quality are also needed for potato seed tubers. As an organ for reserve and propagation, the tuber grows underground and is in contact with soil-borne microorganisms, making it potentially exposed to blemishes, for the majority of which the origin is still unclear.The objective of this work is to make an inventory of those tuber blemishes, to characterize them and determine their causes. After the establishment of consensual nomenclature and classification of the blemishes, two hypotheses were formulated: (1) blemishes are due to pathogenic attacks and/or (2) they result from a response of the plants to environmental stresses. The assessment of the first hypothesis allowed identifying a wide diversity of microorganisms living on the blemished tuber surface. Their pathogenicity was tested by several biological assays that allowed producing blemishes on progeny tubers and fulfilling the Koch's postulates for the fungus Rhizoctonia solani causing sclerotia. For many other blemishes no clear relationship was established between a microorganism and a blemish. A study of the microbial structure of the geocaulosphere of tubers blemished or not, showed that bacterial and fungal communities adopted different dynamics during the growing season and according to the sanitary status of the seed tuber, but no causality link could have been drawn. On the other hand, an increase of R. solani population around blemished tubers was observed. The diversity of strains of R. solani originating from France and from Europe and associated to the blemished tubers was characterized. The phylogenetic relationships between the strains were independent of the geographical origin and of the host cultivar, thus the existence of frequent genetic events and genetic mixing between the populations of R. solani was suggested. Concerning the potential implication of different abiotic factors, a survey conducted with farmers showed the implication of soil pH, some cultural practices, including the choice of the susceptible cultivars and meteorological conditions on the occurrence of some blemishes. This work made clear the blemish nomenclature, confirmed the implication of R. solani in the occurrence of some blemishes and suggested new hypotheses concerning the occurrence of blemishes as a plant response to a stressful environment. Thus, a path was opened toward the resolution of the issue asked by all the potato community, responsible for the marketing of a mass consumption fresh product and answering to market requirements related to visual and culinary qualities and to environmental friendly modes of production.

L’utilisation du chlordécone (CLD) pour éradiquer les populations de charançon noir dans les bananeraies des Antilles françaises (Guadeloupe et Martinique) entre 1972 et 1993 a conduit à la contamination des sols et de l’environnement. Cet insecticide organochloré très hydrophobe persiste dans les sols d’où il transfère lentement vers les ressources en eau et vers les biotes terrestre et aquatique (plantes, animaux, poissons, crustacées). Réputé « indégradable », le CLD résiste à la photolyse, à l’hydrolyse et à la biodégradation. A ce jour, il n’existe pas de méthode pour remédier les 20 000 hectares de sols pollués avec cet insecticide. Compte-tenu de l’étendue de la pollution avec le CLD, les procédés biologiques de décontamination paraissent appropriés au contexte antillais. Les objectifs de mon travail de thèse étaient d’explorer les possibilités de transformation microbienne du CLD et l’impact écotoxicologique du CLD sur la communauté microbienne des sols. Mes travaux reposent sur l’hypothèse selon laquelle des populations microbiennes exposées de manière chronique au CLD se seraient adaptées à sa dégradation pour détoxifier leur environnement ou éventuellement pour l’utiliser comme source d’énergie pour leur croissance. Pour cela, j’ai développé une méthode d’analyse du CLD dans les sols et les cultures microbiennes basée sur l’isotopie stable. J’ai conduit des expériences d’enrichissement à partir de sols de Guadeloupe pollués avec le CLD. Une centaine de souches fongiques et près de 200 souches bactériennes ont été isolées. Aucunes souches bactériennes dégradantes n’ont pu être mises en évidence bien que certaines formaient un halo de dissolution du CLD sur milieu gélosé. Parmi les isolats fongiques, seul F. oxysporum sp. MIAE01197 se développait sur un milieu minéral contenant le CLD comme seul source de carbone et dissipait 40% du CLD. Cet isolat était deux fois plus tolérant au CLD qu’un isolat de référence jamais exposé au CLD. Cet isolat minéralisait très peu le 14C-CLD, formait très peu de 14C-métabolites, mais le 14C-CLD s’adsorbait sur les parois fongiques, suggérant que l’adsorption était le principal mécanisme impliqué dans la dissipation du CLD. L’analyse de trois autres isolats appartenant au genre Aspergillus a confirmé que l’exposition au CLD était un des paramètres améliorant la tolérance des souches fongiques au CLD et que la biomasse fongique était capable d’adsorber le CLD dans des proportions proches de celles obtenues avec du charbon actif utilisé pour traiter l’eau potable aux Antilles. L’évaluation de l’impact écotoxicologique du CLD sur la communauté microbienne et les fonctions qu’elle supporte a été menée sur deux sols aux propriétés physicochimiques contrastées n’ayant jamais été exposés au CLD. L’analyse de la structure globale (évaluée par RISA), de l’abondance et de l’activité de la communauté microbienne du sol argilo-limoneux n’étaient pas affectées par le CLD. En revanche, la composition taxonomique (qPCR) et l’activité respiratoire de la communauté microbienne étaient affectées par le CLD dans le sol sableux. Ces résultats montrent que la toxicité du CLD pour la communauté microbienne dépend des propriétés physicochimiques du sol qui conditionne sa biodisponibilité. Des études complémentaires devront être menées pour évaluer la toxicité possible du CLD sur des fonctions écosystémiques des sols des Antilles. / The use of chlordecone (CLD) to eradicate the weevil populations in the banana plantations in the French West Indies (Guadeloupe and Martinique) between 1972 and 1993 led to the contamination of the soil and the environment. This very hydrophobic organochlorine insecticide persists in the soil where it slowly transfers not only to the water resources but also to terrestrial and aquatic biota (plants, animals, fishes, shellfishes). Deemed “non-degradable”, CLD is resistant to photolysis, hydrolysis and biodegradation. To date, there is no method to remediate the 20,000 hectares of polluted soil with this insecticide. Given the extent of CLD pollution, biological decontamination processes appear appropriate to the Caribbean context. The objectives of my thesis were to explore the possibilities of microbial transformation of CLD and to assess the ecotoxicological impact of CLD on the soil microbial community. My work is based on the hypothesis that microbial populations chronically exposed to CLD would be adapted to its degradation to detoxify their environment or possibly for use as an energy source for growth.To do so, I developed an analysis method in soils and microbial cultures based on the use of stable isotope to trace CLD. I conducted enrichment experiments with CLD polluted soils from Guadeloupe yielding in the isolation of one hundred fungal strains and nearly two hundred bacterial strains. No degrading bacterial strains have been identified although few of them formed dissolution halo of CLD on solid media. Among the fungal isolates, only F. oxysporum sp. MIAE01197 grew on a mineral medium containing CLD as sole carbon source and dissipated 40% of the CLD. This isolate was twice more tolerant than the reference isolate which had never been exposed to CLD. This isolate mineralizes 14C-CLD very lowly, formed very few 14C-metabolites, but the 14C-CLD was adsorbed on the fungal cell walls, suggesting that the adsorption was the main mechanism involved in the dissipation of the CLD. Analysis of three other isolates belonging to the genus Aspergillus confirmed that exposure to CLD was one of the parameters improving the tolerance of fungal strains to CLD and fungal biomass was capable of adsorbing the CLD in proportions close to those obtained with activated carbon used to treat drinking water in the French West Indies.The assessment of the CLD ecotoxicological impact on the microbial community and functions it supports was carried out on two soils never exposed to CLD showing contrasting physicochemical properties. The analysis of the overall structure (evaluated by RISA), the abundance and the activity of the microbial community of the silty-clay soil were not affected by the CLD. However, the taxonomic composition (evaluated by group specific qPCR) and respiratory activity of the microbial community were affected by the CLD in the sandy soil. These results showed that the toxicity of CLD for microbial community depends on the physicochemical properties of the soil which may determine its bioavailability. Further studies are needed to evaluate the possible toxicity of the CLD on Caribbean soil ecosystemic functions.

Les biofilms électroactifs (EA) sont des consortia de bactéries mono- ou multi-espèces qui ont la capacité de catalyser des réactions électrochimiques en échangeant des électrons avec les électrodes sur lesquelles ils se développent. Les biofilms EA ont ouvert la voie à de nombreux procédés électrochimiques innovants, l’exemple le plus connu étant la pile à combustible microbienne. Dans ce cadre, des électrodes tridimensionnelles poreuses sont couramment mises en oeuvre afin d’offrir aux biofilms EA une surface maximale pour se développer. Toutefois, à ce jour les études théoriques qui permettraient de guider l’élaboration de ces électrodes restent très peu nombreuses. Une synthèse bibliographique a mis en évidence l’importance cruciale de la taille des pores et a montré que des pores de l’ordre du millimètre conduisent aux densités de courant les plus élevées. La première partie de la thèse a donc été consacrée à caractérise l’impact de la taille des pores, entre 1 à 5 mm, sur le développement et les performances électrochimiques d’un biofilm EA multiespèces. Ces tailles permettent la colonisation microbienne sur plusieurs centimètres de profondeur et favorisent la stabilité du courant à long terme. Par contre, l’effet limitant des transferts de matière est significatif, particulièrement pour ce qui concerne les espèces tampon. Enfin, un découplage est mis en évidence entre la colonisation qui se déploie sur plusieurs semaines et l’établissement du courant qui se réalise en quelques jours seulement. Un second dispositif expérimental a mis en évidence une sélection des populations microbiennes en fonction des longueurs de pore de 5 à 24 mm. La deuxième partie de la thèse se focalise sur l’étude des premiers instants de formation du biofilm électroactif à la surface d’une électrode. Une tentative d’identification des mécanismes impliqués dans le mouvement des bactéries électroactives vers l’électrode est proposée. / Electroactive (EA) biofilms refer to single- or multi-species bacterial consortia, which have theability to catalyse electrochemical reactions by exchanging electrons with the electrodes on whichthey develop. EA biofilms have paved the way for many innovative electrochemical processes, themost well-known example is microbial fuel cell. In this context, 3-dimensional porous electrodesare commonly used to offer EA biofilms a maximum surface area for development. However, todate, very few theoretical studies have been carried out to guide the development of theseelectrodes. A bibliographic synthesis highlighted the importance of the pore size and indicated thatpore sizes of the order of a few millimetres lead to the highest current densities. The first part ofthe thesis was therefore devoted to characterizing the impact of size, between 1 and 5 mm, on thedevelopment and electrochemical performance of a multi-species EA biofilm. These sizes allowmicrobial colonization several centimetres deep and promote long-term current stability. However,limiting effect of the mass transfer is significant, particularly for the buffer species. Finally, adecoupling is highlighted between the colonisation, which takes place over several weeks, and theestablishment of the current which takes a few days only. A second experimental set up showsthat a selection occurs on the microbial populations in function of pore lengths from 5 to 24 mm.The second part of the thesis focuses on the study of the early stages of the EA biofilm formation at the electrode surface. In particular, an attempt to identify the mechanisms involved in the electroactive bacteria movement towards the electrode is proposed.

Beim Bergbau werden bestehende Ökosysteme in großem Maße beeinflusst. Im ehemaligen Uranbergwerk Königstein (Sachsen) wurde die Umwelt durch den Einsatz von chemischen Säuren zur Lösung des Urans aus dem Erz (Laugung) in Folge der Verschiebung des pH-Wertes zusätzlich belastet. Durch diesen Prozess entstand eine Umgebung, die einen niedrigen pH-Wert und hohe Konzentrationen an gelösten Schwermetall-Ionen aufweist. Die komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaft verschob sich daraufhin, indem sich bevorzugt säuretolerante und Schwermetall-tolerante Mikroorganismen durchsetzten. Diese Mikroorganismen wurden durch die Flutung der unter Tage Schächte im Jahr 2010 in ihrer Zusammensetzung erneut beeinflusst. In dieser Arbeit wurde die mikrobielle Biozönose nach Flutung der unter Tage Schächte des ehemaligen Uranbergwerkes Königstein charakterisiert und mit den Ergebnissen der mikrobiellen Diversität vor dem Flutungsprozess verglichen. Hierfür kam ein breites Spektrum an Methoden zum Einsatz, das klassische mikrobiologische Methoden und molekularbiologische Techniken umfasste. Die Analysen erfolgten dabei über mehrere Jahre hinweg, um die Variabilität der mikrobiellen Population im Grubenwasser planktonisch und im Biofilm zu erfassen.

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Occurrence of organic micropollutants (OMPs) in aquatic environment is a worldwide concern. A long list of anthropogenic substances, including pharmaceuticals, hormones, etc., are frequently detected in natural water sources. Wastewater treatment plants are one main source of OMPs pollution, but also a key step to control OMPs dissemination into the environment. This dissertation focuses on the evaluation of Membrane Aerated Biofilm Reactor (MABR) as a sustainable process to treat wastewater polluted by OMPs. Furthermore, application of high intensity pulsed light is proposed as an innovative tertiary treatment to produce reclaimed water of high quality. In Chapter 1, a literature review was performed to investigate the occurrence and toxicity of 12 selected organic micropollutants (OMPs) in surface and ground water and the limitations of current available biological processes. Among these technologies, systems with enriched nitrifying activity were able to enhance the removal of specific OMPs through cometabolic activities. Thus, I proposed the use of a MABR with enriched nitrifying biomass to treat OMP polluted water. In Chapter 2, I studied the influence of biofilm thickness on the removal of 13 OMPs via MABR. Results demonstrated OMP removal was dependent on biofilm thickness and bacterial cell density. MABR demonstrated important efficiencies in the removal of ammonium, COD, acetaminophen and triclosan at early stages of biofilm thickness. However, the removal of nonpolar, hydrophobic 4 OMPs and anionic, acidic OMPs required thicker biofilms, achieving maximum removal at biofilm with 1.02 mm thickness and 2.2 × 106 cell mL-1. In Chapter 3, the contribution of sorption and biodegradation in the removal of OMPs via MABR was evaluated. At three stages of biofilm thickness studied, biodegradation dominated the removal for most OMPs. Heterotrophs played an important role in OMP biodegradation at all biofilm thickness, while autotrophic nitrifiers enhanced their contribution at thickness beyond 0.58 mm. Increased removal of pollutants like estrone and ethinyl estradiol were linked to the MABR enrichment with nitrifying bacteria. Sorption was essential for the removal of lipophilic and recalcitrant pollutants like triclosan. Finally, to provide high quality treated water for reuse, Chapter 4 explores the use of high-intensity pulsed light (HIPL) as post-treatment. The number of pulses and optical energy dose have a significant impact on the OMPs removal. HIPL demonstrated fast kinetics and efficient photodegradation – with significant OMPs removal within milliseconds. The findings from my Ph.D. dissertation indicate that MABR combined with high-intensity pulse light may be an effective treatment train for the efficient removal OMPs present in municipal wastewaters. This combined treatment process could potentially pave the way to produce high quality reclaimed water for various reuse purposes.

Patterns of trees’ endogenous rhythmic growth (ERG) and paralleled C allocation shift between root and shoot systems have been studied, but there is still a need to understand their impact in shaping soil microbiomes. Moreover, the impact of plants on soil microbial communities can be modulated or overweighed by time-induced plant and/or seasonal changes. Thus, we intended to analyze the structure of soil microbiomes as response to simultaneous alternated host tree root and shoot flushes and time-induced changes within one vegetation period at two sites in Central Germany. In this study, we utilized oak phytometers (Quercus robur L., clone DF159) as host trees, and made use of their ERG, whereby consecutive root and shoot flushes make a complete growth cycle. We studied two complete growth cycles during the same vegetation period, performed a non-destructive soil sampling and applied high-throughput amplicon sequencing of the bacterial 16S gene and the fungal ITS2 region. As C allocation shifts between the tree root and shoot, released root exudates and consequently the nutrient availability alternate for soil microorganisms. We therefore anticipated different microbial communities in the host tree root zone along the growth cycles until autumnal leaf senescence. In our results, the bacterial community exhibited a directional change over time along the vegetation period. In contrast, the fungal community appeared sample specific. Our findings enlarge the current understanding of the temporal microbial assembly in the host tree root zone.

Many functions in host–microbiota interactions are potentially influenced by intestinal transit times, but little is known about the effects of altered transition times on the composition and functionality of gut microbiota. To analyze these effects, we cultivated the model community SIHUMIx in bioreactors in order to determine the effects of varying transit times (TT) on the community structure and function. After five days of continuous cultivation, we investigated the influence of different medium TT of 12 h, 24 h, and 48 h. For profiling the microbial community, we applied flow cytometric fingerprinting and revealed changes in the community structure of SIHUMIx during the change of TT, which were not associated with changes in species abundances. For pinpointing metabolic alterations, we applied metaproteomics and metabolomics and found, along with shortening the TT, a slight decrease in glycan biosynthesis, carbohydrate, and amino acid metabolism and, furthermore, a reduction in butyrate, methyl butyrate, isobutyrate, valerate, and isovalerate concentrations. Specifically, B. thetaiotaomicron was identified to be affected in terms of butyrate metabolism. However, communities could recover to the original state afterward. This study shows that SIHUMIx showed high structural stability when TT changed—even four-fold. Resistance values remained high, which suggests that TTs did not interfere with the structure of the community to a certain degree.

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