Ce travail se proposait de développer, à l’échelle du laboratoire, un procédé de production microbienne d’acide hyaluronique (AH), biopolymère d’intérêt pour la cosmétique et la santé, chez une bactérie lactique naturellement productrice, Streptococcus zooepidemicus. Une étude bibliographique a permis d’identifier les points potentiellement critiques pour ce travail qui sont la composition du milieu de culture (identification de nutriments essentiels à la synthèse d’acide hyaluronique), les conditions opératoires et plus particulièrement d’oxygénation (transfert d’oxygène mais aussi maintien du potentiel d’oxydo-réduction), en relation avec les performances de production et le métabolisme des souches considérées. Une étape préliminaire a consisté en un développement et une amélioration de techniques analytiques pour disposer d’outils pertinents de suivi du métabolisme de Streptococcus zooepidemicus. La quantification de la biomasse hors acide hyaluronique ainsi que la détection de l’activité hyaluronidasique ont ainsi été développées tandis que d’autres méthodes chromatographiques et enzymatiques ont été simplement appliquées et validées aux substrats et métabolites considérés. La mise en œuvre de souches « environnementales » prélevées sur des sites infectieux chez le cheval, ainsi que de souches de collection, a permis dans un premier temps de formuler un milieu de culture et de définir des conditions de mise en œuvre exploitables à plus grande échelle pour la production d’AH. Des résultats très encourageants ont pu être obtenus avec des productions d’AH supérieures aux essais de la littérature, tout en mettant en avant des facteurs influents cruciaux tels que la concentration initiale en glucose ou encore l’oxygénation des cultures. L’influence de ces facteurs a été étudiée par la suite par le biais de cultures en bioréacteur de laboratoire en modes discontinu et discontinu-alimenté avec pour résultat l’obtention d’un mode de mise en œuvre et de conditions physico-chimiques de production améliorées. En parallèle, une étape importante de ce travail a consisté en une approche d’amélioration de souches « environnementales » par mutagénèse aléatoire, les performances de ces souches s’avérant initialement décevantes. Des mutants surproducteurs ont ainsi été générés, caractérisés au niveau de leurs performances métaboliques et conservés. En dernier lieu, un des mutants les plus performant a été mis en œuvre dans les conditions et le mode de culture sélectionnés précédemment. Tant le niveau de production d’AH, la productivité associée, que les tailles obtenues ont permis de valider ce travail de développement d’un procédé microbien de production d’AH, tout en identifiant de nouvelles voies d’amélioration / This work intended to develop a laboratory scaleproduction process ofhyaluronic acid (HA), a biopolymer of health and cosmetic interest, using a naturally AH producing lactic acid bacterium, Streptococcus zooepidemicus. A literature review allowed to identify the following critical points: firstly, the composition of the culture medium (identification of essential nutrients for microbial growth and synthesis of HA), secondly, the oxygenation level (oxygen transfer and associated redox modifications), and finally, in relation with, the production and metabolism abilities of the considered strains. A preliminary step was dedicated to the developmentorthe improvementof analytical techniques in order todispose of appropriate tools for the monitoring of Streptococcus zooepidemicus metabolism. The quantification of the biomass without considering capsular HA fraction as well as detection of hyaluronidase activity have been developed while other chromatographic and enzymatic methods have been more basically applied to and validated with the substrates and metabolites considered. The laboratory scale cultures of collection (ATCC) as well as “environmental” strains were initially used to formulate a workable cultivation broth and to define suitable culture conditionsfor a use at a larger scale to produce HA. Very positive results were obtained with higher production of HA in comparison with literature assays, while critical influencing factors such as the initial glucose concentration or the oxygenation levelin cultures were highlighted. The influence of these factors was thoroughly studied with bioreactor cultures in both batch and fed-batch modes leading to improved cultivation conditions and culture mode. In parallel, another important step consisted in the highly performance improvement of initially low HA producing "environmental" strains via random mutagenesis. Very promising overproducing mutants have therefore been generated, characterized in their kinetic and metabolic capabilities and long-term stored. At last, one of the best and most reliable mutant has been cultivated with the best previously selected medium composition and operating conditions. Both the HA production level, productivity and size observed validated the findings of this process development work, while helping to identify new improvement domains and strategies

Les bactéries sont une composante indissociable des réseaux de distribution d’eau potable qui, en les colonisant, forment des communautés complexes. Il est émis l’hypothèse que des variations de structure et de composition de ce microbiome pourraient refléter des changements de la qualité de l’eau liés à différents phénomènes (stagnation, biocorrosion, changement de pression, ...). Une importante campagne de prélèvements menée sur le réseau d’eau potable de Paris a permis d’apprécier la dynamique de ces communautés bactériennes selon trois méthodes différentes : la description de la communauté par metabarcoding, la culture de la flore hétérotrophe totale et la quantification par PCR de trois pathogènes opportunistes, Mycobacterium spp. L. pneumophila, et P. aeruginosa. Cette étude a mis en évidence une certaine diversité au sein des communautés bactériennes de l’eau potable malgré une prédominance des genres Hyphomicrobium et Phreatobacter. Les méthodes de culture et de PCR quantitative mettent également à jour l’importance écologique du genre Mycobacterium. L’intégration aux analyses des paramètres spatio-temporels et physico-chimiques de l’eau potable a permis de constater une relative stabilité des communautés bactériennes. Cependant, suite à d’importants évènements climatiques, des variations dans la structure des communautés sont visibles sans conséquence sur la qualité sanitaire de l’eau. Ces travaux suggèrent que l’utilisation en parallèle de différentes méthodologies, et notamment l’apport du metabarcoding, permet d’améliorer la connaissance sur le réseau de distribution d’eau potable et de mieux observer des changements fins, invisibles aux méthodes classiques. / Bacteria are an indivisible component of drinking water distribution systems which, by colonizing them, form complex communities. It is assumed that variations in the structure and composition of this microbiome could reflect a change in water quality related to different events (stagnation, biocorrosion, pressure change, etc.). A major sampling campaign was conducted within the Paris drinking water distribution systems allowing to assess the diversity and the dynamic of these bacterial communities using three different methods: description of the community by metabarcoding, heterotrophic plate count and quantification by PCR of three opportunistic pathogens, Mycobacterium spp. L. pneumophila, and P. aeruginosa. This study revealed some diversity within the drinking water bacterial communities. Culture and quantitative PCR methods also reveal the ecological importance of the Mycobacterium genus. The integration of spatio-temporal and physico-chemical parameters of drinking water into analyses has highlighted a relative stability of bacterial communities. However, variations in the structure of the communities are visible following important climatic events, without consequences on the sanitary quality of the water. Altogether, our work suggests that the use in parallel of different methodologies, particularly metabarcoding, has improved our knowledge of the bacterial communities within the Paris drinking water distribution systems and better observe subtle changes, invisible to conventional methods.

Les picoeucaryotes (les eucaryotes dont la taille < 3um) arctiques sont reconnus depuis quelques années pour être importants pour la production primaire et le maintien de l'intégrité globale des écosystèmes marins. Par contre, leur petite taille les rend difficiles à distinguer par des techniques de microbiologie traditionnelles comme la microscopie. Afin de pallier à ces limitations et d'étudier ces microorganismes directement dans leur environnement, on a maintenant recours à des méthodes moléculaires, qui sont par contre reconnues pour introduire un biais dans l'obtention des résultats. Afin d'améliorer ces t e c h n i q u e s , l ' i m p o r t a n c e de ce biais a été étudiée à l'aide d'espèces cultivées et d'échantillons environnementaux pélagiques arctiques. A la lumière de ces résultats, les communautés de picoeucaryotes arctiques présentes à la côte et au large de la mer de Beaufort ont été comparées afin de mieux comprendre leur dispersion et leur rôle dans l'environnement.

La salinisation des eaux douces est un problème global qui, dans les régions tempérées nordiques, est lié à l'urbanisation. Les principaux ions responsables de cette salinisation sont les chlorures, le sodium et le calcium et leurs sources majeures sont les sels de déglaçage et l'usure de la chaussée. Durant l'hiver, ces ions s'accumulent dans la neige en bordure des routes et peuvent être transportés dans les eaux souterraines et de surface via l'eau de fonte et de ruissellement. Dans les dernières décennies, la salinité des lacs, et plus particulièrement leur concentration en chlorures, a augmenté de façon conséquente par rapport aux valeurs de référence. Par contre, pour la plupart des lacs, les niveaux atteints se situent en-deçà de la valeur seuil définie par le conseil canadien des ministres de l'environnement pour la protection de la vie aquatique qui est de 120 mg Cl L⁻¹ pour une exposition chronique. Les impacts de la salinisation des écosystèmes d'eau douce sur les organismes aquatiques sont peu connus et le manque d'information est particulièrement marqué pour les communautés microbiennes. Les objectifs principaux de cette thèse étaient 1) d'identifier les voies qu'empruntent les ions pour se rendre dans les lacs, ainsi que les moments auxquels ces mouvements ont lieu et 2) de caractériser les changements que peuvent causer ces ions, particulièrement les chlorures, dans la composition taxonomique des communautés microbiennes. Un suivi saisonnier dans le bassin versant du lac Saint-Charles (Québec, Canada) a permis de comparer la concentration de différents ions dans la neige en bordure des routes, dans les rivières et dans le lac. Ce suivi s'est échelonné de l'hiver (saison d'accumulation des ions dans la neige) au printemps (principale période de fonte) et combinait des mesures ioniques aux deux semaines dans la neige et les rivières et des mesures de conductivité prises aux 10 minutes par un mouillage dans le lac. Les résultats de ce suivi indiquent que les ions chlorures et sodium se déplacent de la neige vers le lac à tous les épisodes de fonte et que ces derniers surviennent aussi durant l'hiver. Dans les rivières, on observait une relation positive entre la concentration des ions et l'urbanisation du bassin versant, et ce dès qu'elle dépassait ≈1%. Un suivi annuel de lacs présentant des variables limnologiques différentes a permis de mettre ces dernières en relation avec la composition des communautés microbiennes planctoniques. Les lacs Clair, Saint-Charles, Clément et Saint-Augustin, situés aux alentours de la Ville de Québec, diffèrent entre autres en fonction de leur salinité, de leur morphométrie, de leur état trophique, et du niveau d'urbanisation de leur bassin versant. Les résultats ont souligné l'importance de la saison pour la composition taxonomique des communautés microbiennes, plus particulièrement celle de l'hiver, ou du couvert de glace. Ils ont aussi suggéré l'importance de la salinité comme facteur structurant, et ce à une conductivité d'environ 1000 μS cm⁻¹ et une concentration en chlorures de l'ordre de 100 mg L⁻¹. La salinité était, entre autres, positivement corrélée avec l'abondance de cryptophytes et d'haptophytes. Une expérience de microcosme en laboratoire où une communauté microbienne du lac Saint-Charles a été exposée à des concentrations de chlorures de 50 mg L⁻¹ (correspondant environ à une augmentation de la salinité par un facteur 2) a aussi été mise en place pour évaluer l'importance de ce facteur. Après deux semaines d'exposition aux chlorures, l'abondance de plusieurs taxons a augmenté, dont les cyanobactéries Synechococcus et Pseudanabaena et un cryptophyte du clade SA1-3C06. L'exposition aux chlorures, toujours à 50 mg Cl L⁻¹, mais combinée à la neige urbaine n'a pas causé de changements aussi marqués dans la composition taxonomique. Ces résultats suggèrent qu'une composante de la neige urbaine a atténué les effets des chlorures et que l'exposition aux chlorures seuls ne représente pas correctement les effets attendus dans le milieu naturel. Cette thèse a permis de montrer que la salinité des lacs pouvait changer rapidement en réponse à des épisodes de fonte de neige, même en période hivernale et que l'augmentation de la salinité, tant en milieu naturel qu'en contexte expérimental, était corrélée avec des changements dans la composition taxonomique des communautés microbiennes. Ces résultats impliquent que l'augmentation de la salinité, même faible par rapport aux valeurs de référence, influence les écosystèmes d'eau douce, et que dans les régions froides, il devrait y avoir une gestion de l'eau de ruissellement des autoroutes afin de limiter la contamination des eaux par les sels de déglaçage. / Freshwater salinization is an ongoing global concern that in north temperate regions is linked to urbanization. Chloride, sodium, and calcium are the primary ions responsible for this salinization, and their major sources are road salts and pavement weathering. In winter, these solutes accumulate in roadside snow, and may then be transported to ground and surface waters via melting and runoff. In the last decades, the salinity of lakes and their chloride concentrations have significantly increased compared to background values. However, in most lakes, the levels reached are still below the guidelines of the Canadian Council of Ministers of the Environment for the protection of aquatic life, which is 120 mg Cl L⁻¹ for chronic exposure. The impacts of salinization on freshwater biota are largely unknown, particularly for microbial communities. The main objectives of this thesis study were to 1) identify the flow pathways and timing of ion transport from roads to receiving waters; and 2) characterize the changes that major ions, particularly chloride, may have on the taxonomic composition of freshwater microbial communities. Seasonal monitoring of the Lake Saint-Charles (Quebec, Canada) watershed allowed comparison of major ion concentrations in roadside snow, rivers within the lake basin, and the lake itself. These observations took place from winter (the season of ion accumulation in snow) to spring (the main melting period), and combined ion measurements in rivers and roadside snow at two-week intervals with conductivity measurements in the lake at 10-minute intervals. The results indicated that chloride and sodium moved from roadside snow to the lake during all melting events, which were also recorded during winter. There was a positive relationship between the major ion concentrations in the river and the watershed urbanization level, beyond a threshold of 1% pavement coverage of the catchment. To asssess the effects of chemical as well as other limnological variables on microbial community structure, plankton and associated samples were taken throughout an entire year from four lakes in the Quebec City region: lakes Clair, Saint-Charles, Clément, and Saint-Augustin. These lakes varied in terms of salinity, morphometry, trophic state, and watershed urbanization level. The results showed a strong seasonal effect on prokaryotic as well as eukaryotic taxonomic composition, and underscored the importance of winter ice cover. Salinity was also identified as a structuring factor, even at conductivities around 1000 μS cm⁻¹ and chloride concentrations around 100 mg L⁻¹. Among other taxa, cryptophyte and haptophyte abundance were positively correlated with salinity. In a laboratory microcosm experiment, the Lake Saint-Charles microbial community was exposed for two weeks to chloride at 50 mg L⁻¹ , corresponding to a two-fold increase of salinity, to test hypotheses concerning the importance of this factor. After two weeks of exposure, the abundance of many taxa increased, notably the cyanobacteria Synechococcus and Pseudanabaena and a cryptophyte of the SA1-3C06 clade. The exposure to chlorides, still at 50 mg Cl L⁻¹ but combined with urban snow, did not cause such marked changes in the taxonomic composition. These results suggest that a component of the snow mitigated the impacts of chloride, and that the exposure to chloride alone may not accurately represent the effects in natural ecosystems. This thesis study has shown that lake salinity can change rapidly in response to roadside snowmelt events, even in winter. Increases in salinity, both in natural ecosystems and in the laboratory, were correlated with changes in taxonomic composition of the microbial communities. These results imply that increased salinities, even over a low range of values, can influence freshwater ecosystems, and that the environmental management of roads in cold regions should take measures to limit the contamination of waterways by road salts.

La sécrétion de lipase, la lipolyse extracellulaire et l’absorption des acides gras (AGL) ont été étudiés chez Yarrowia lipolytica (YL) en présence d’huile d’olive et/ou de sucrose. Des mesures d’activité lipase et d’immuno-révélation ont montré que l’activité lipase présente dans le milieu de culture provenait principalement de la lipase YLLIP2. L’huile d’olive induit la production de lipase qui est principalement associée aux cellules pendant les premières heures de cultures. YLLIP2 est ensuite libérée dans le milieu de culture avant d’être totalement dégradée par les protéases. Les triglycérides (TG) sont dégradés alors que la lipase est encore attachée aux cellules. Les produits de lipolyse présents dans le milieu de culture et à l’intérieur des cellules ont été quantifiés par chromatographie TLC-FID et GC. Les niveaux intracellulaires d’AGL et de TG augmentent transitoirement et dépendent de la source de carbone utilisée. Une accumulation maximum de 37,8 % w/w de lipides est observée avec l’huile d’olive seule. Cette étude montre que la levure YL est un modèle intéressant pour étudier la lipolyse extracellulaire et l’absorption des acides gras par les cellules / Lipase secretion, extracellular lipolysis and fatty acid (FFA) uptake were quantified in Yarrowia lipolytica (YL) grown in the presence of olive oil and/or sucrose. Lipase assays and western blot analysis indicated that the lipase activity measured in YL cultures mainly resulted from YLLIP2 lipase. Lipase production was triggered by olive oil and YLLIP2 remained associated with the yeast cells during the first hours of culture. It was then released in the culture medium before it was totally degraded by the alkaline protease. Olive oil triglycerides (TG) were degraded when the lipase was still attached to the cell wall. The fate of lipolysis products in the culture medium and inside the yeast cell were investigated by quantitative TLC-FID and GC analysis. Intracellular levels of FFA and TG increased transiently and were dependent on the carbon sources. A maximum fat storage of 37.8% w/w was observed with olive oil alone. The present study shows that yeasts are interesting models for studying extracellular lipolysis and fat uptake by the cell

Dans le cadre de ce travail de thèse, la physiologie apparente de Streptomyces pristinaespiralis et plus spécifiquement la production de pristinamycines (déclenchement et concentration) a été reliée à son environnement hydrodynamique. Des cultures de S. pristinaespiralis ont été réalisées sous diverses conditions d'agitation et d'aération, en fioles lisses d’Erlenmeyer. Ces conditions engendrent des dissipations volumiques comprises entre 0,55 et 14 kW.m-3 et des kLa compris entre 30 et 490 h-1. Partant du constat de la complexité combinée de l’hydrodynamique rencontrée dans les bioréacteurs et de la réponse cellulaire, nous avons développé une approche pluridisciplinaire et multiéchelle à l’interface entre génie des procédés et physiologie quantitative. La réponse physiologique apparente a été quantifiée en termes de croissance, consommation des substrats, morphologie et production. L’hydrodynamique des fioles agitées a été notamment décrite par utilisation de la simulation numérique des écoulements. Par l’utilisation originale d’un modèle de rupture, les diamètres des pelotes ont été corrélés à l’échelle de dissipation de Kolmogorov. De plus, il a été montré que la dissipation défavorisait la croissance des pelotes. Ainsi, par le découplage de l’agitation et de l’aération, il a été montré que la taille des pelotes, contrôlée par la turbulence, impactait directement la consommation d’oxygène et la quantité de pristinamycines produites. Par ailleurs, le déclenchement de la production, résultante d’une limitation en substrats azotés et d’un apport en oxygène suffisant, est déterminé conjointement par la quantité du transfert d’oxygène et par la dissipation volumique / During this study, the physiology of Streptomyces pristinaespiralis and more specifically the production of pristinamycins (induction and concentration) were related to its hydrodynamic environment. Cultures of S. pristinaespiralis were performed under various conditions of agitation and aeration in non baffled Erlenmeyer flasks. According to the operating conditions, the volume power dissipation was from 0.55 to 14 kW.m-3 while kLa was from 30 to 490 h-1. Based on the observation of the complexity of both hydrodynamics encountered in bioreactors and of the cellular response, a multiscale and multidisciplinary approach between process engineering and quantitative physiology was developed. The apparent physiological response was quantified in terms of growth, substrates consumption, morphology and production. The hydrodynamics of the shake flasks was described using Computational Fluid Dynamics. Using an original break up model, the pellet diameters were correlated to the Kolmogorov dissipation scale. Moreover, it was shown that pellet growth was slowed down by the dissipation scale increase. Then, by decoupling the agitation and the aeration, it was shown that the pellets size, controlled by turbulence, impacted directly the consumption of oxygen and the concentration of pristinamycins. Furthermore, onset of pristinamycin production resulted in a limitation in nitrogen substrates as well as a sufficient oxygen supply which are determined by the oxygen transfer and the volume power dissipation

L’objectif général de cette thèse est de caractériser la dynamique des transferts des bactéries fécales à l’aide d’une modélisation spatio-temporelle, à l’échelle du bassin versant (BV) dans une région agricole et à l’échelle événementielle. Ce projet vise à mieux comprendre l'influence des processus hydrologiques, les facteurs environnementaux et temporels impliqués dans l’explication des épisodes de contamination microbienne des eaux récréatives. Premièrement, un modèle bayésien hiérarchique a été développé pour quantifier et cartographier les niveaux de probabilité des eaux à être contaminées par des effluents agricoles, sur la base des données spectrales et des variables géomorphologiques. Par cette méthode, nous avons pu calculer les relations pondérées entre les concentrations d’Escherichia coli et la distribution de l’ensemble des paramètres agro-pédo-climatiques qui régissent sa propagation. Les résultats ont montré que le modèle bayésien développé peut être utilisé en mode prédictif de la contamination microbienne des eaux récréatives. Ce modèle avec un taux de succès de 71 % a mis en évidence le rôle significatif joué par la pluie qui est la cause principale du transport des polluants. Deuxièmement, le modèle bayésien a fait l’objet d'une analyse de sensibilité liée aux paramètres spatiaux, en utilisant les indices de Sobol. Cette démarche a permis (i) la quantification des incertitudes sur les variables pédologiques, d’occupation du sol et de la distance et (2) la propagation de ces incertitudes dans le modèle probabiliste c'est-à-dire le calcul de l’erreur induite dans la sortie par les incertitudes des entrées spatiales. Enfin, une analyse de sensibilité des simulations aux différentes sources d’incertitude a été effectuée pour évaluer la contribution de chaque facteur sur l’incertitude globale en prenant en compte leurs interactions. Il apparaît que sur l’ensemble des scénarios, l’incertitude de la contamination microbienne dépend directement de la variabilité des sols argileux. Les indices de premier ordre de l’analyse de Sobol ont montré que parmi les facteurs les plus susceptibles d’influer la contamination microbienne, la superficie des zones agricoles est le premier facteur important dans l'évaluation du taux de coliformes. C’est donc sur ce paramètre que l’attention devra se porter dans le contexte de prévision d'une contamination microbienne. Ensuite, la deuxième variable la plus importante est la zone urbaine avec des parts de sensibilité d’environ 30 %. Par ailleurs, les estimations des indices totaux sont meilleures que celles des indices de premier ordre, ce qui signifie que l’impact des interactions paramétriques est nettement significatif pour la modélisation de la contamination microbienne Enfin, troisièmement, nous proposons de mettre en œuvre une modélisation de la variabilité temporelle de la contamination microbiologique du bassin versant du lac Massawippi, à partir du modèle AVSWAT. Il s'agit d'une modélisation couplant les composantes temporelles et spatiales qui caractérisent la dynamique des coliformes. La synthèse des principaux résultats démontrent que les concentrations de coliformes dans différents sous-bassins versants se révèlent influencées par l’intensité de pluie. La recherche a également permis de conclure que les meilleures performances en calage sont obtenues au niveau de l'optimisation multi-objective. Les résultats de ces travaux ouvrent des perspectives encourageantes sur le plan opérationnel en fournissant une compréhension globale de la dynamique de la contamination microbienne des eaux de surface. / Abstract : The aim of this study was to predict water faecal contamination from a bayesian probabilistic model, on a watershed scale in a farming area and on a factual scale. This project aims to better understand the influence of hydrological, environmental and temporal factors involved in the explanation of microbial contamination episodes of recreational waters. First, a bayesian probabilistic model: Weight of Evidence was developed to identify and map the probability of water levels to be contaminated by agricultural effluents, on the basis of spectrals data and geomorphologic variables. By this method, we were able to calculate weighted relationships between concentrations of Escherichia coli and distribution of key agronomic, pedologic and climatic parameters that influence the spread of these microorganisms. The results showed that the Bayesian model that was developed can be used as a prediction of microbial contamination of recreational waters. This model, with a success rate of 71%, highlighted the significant role played by the rain, which is the main cause of pollution transport. Secondly, the Bayesian probabilistic model has been the subject of a sensitivity analysis related to spatial parameters, using Sobol indications. This allowed (1) quantification of uncertainties on soil variables, land use and distance and (2) the spread of these uncertainties in the probabilistic model that is to say, the calculation of induced error in the output by the uncertainties of spatial inputs. Lastly, simulation sensitivity analysis to the various sources of uncertainty was performed to assess the contribution of each factor on the overall uncertainty taking into account their interactions. It appears that of all the scenarios, the uncertainty of the microbial contamination is directly dependent on the variability of clay soils. Sobol prime indications analysis showed that among the most likely to influence the microbial factors, the area of farmland is the first important factor in assessing the coliforms. Importance must be given on this parameter in the context of preparation for microbial contamination. Then, the second most important variable is the urban area with sensitivity shares of approximately 30%. Furthermore, estimates of the total indications are better than those of the first order, which means that the impact of parametric interaction is clearly significant for the modeling of microbial contamination. Thirdly, we propose to implement a temporal variability model of microbiological contamination on the watershed of Lake Massawippi, based on the AVSWAT model. This is a model that couples the temporal and spatial components that characterize the dynamics of coliforms. The synthesis of the main results shows that concentrations of Escherichia coli in different sub-watersheds are influenced by rain intensity. Research also concluded that best performance is obtained by multi-objective optimization. The results of these studies show the prospective of operationally providing a comprehensive understanding of the dynamics of microbial contamination of surface water.

Le processus de dégradation anaérobie de la matière organique est un phénomène naturel largement répandu sur terre (ex. marais, lacs, rizières, systèmes digestifs d'animaux et humains). Une très grande diversité microbienne est entretenue durant ce processus, traduisant une diversité de voies métaboliques impliquées. Lorsqu'elle est complète, la digestion anaérobie aboutie à la formation de biogaz (mélange de méthane et de dioxyde de carbone). En termes de biotechnologie, le traitement par voie anaérobie de pollutions organiques permet de réduire le volume de déchets en générant du méthane valorisable sous plusieurs formes (électricité, chaleur, gaz naturel, biocarburant). Cependant, les digesteurs industriels sont optimisés pour un fonctionnement à 35°C ou à 55°C, ce qui nécessite un apport exogène d'énergie de maintenance. Ainsi, les travaux de thèse se sont intéressés à l'étude de la capacité d'adaptation de divers écosystèmes anaérobies industriels couvrant une variété de procédés et de conditions opératoires à convertir l'éthanol en biogaz à différentes températures. La première phase de l'étude avait pour but le conditionnement, en réacteurs de laboratoire d'écosystèmes à leur température d'origine avec un substrat facilement biodégradable (éthanol). Ensuite, les performances des communautés microbiennes (le potentiel méthanogène maximal et la cinétique de dégradation) ont été estimées sur un gradient de température de 5°C à 55°C en fioles. La phase de conditionnement des écosystèmes en réacteur batch a montré que la production de biogaz avoisinait la production théorique et que cette production s'accompagnait d'une diminution de la durée de réaction avec ajout successif du substrat. De plus, les cinétiques de production de biogaz obtenues les variaient fortement d'un écosystème à l'autre. Des profils d'empreintes moléculaires (CE-SSCP) des communautés bactériennes et archées ont été réalisés au début et à la fin du conditionnement. Ces profils de communauté ont été comparés entre eux par analyse en composante principale (ACP). Les populations bactériennes qui assuraient une performance efficiente étaient différentes de celles qui garantissaient une bonne capacité d'adaptation. Par ailleurs, le potentiel d'adaptation dépendait de la présence de populations d'Archaea méthanogènes bien spécifiques. En plaçant ensuite les écosystèmes conditionnés dans des conditions de température éloignées de la température d'origine, seuls les écosystèmes mésophiles se sont acclimatés aux températures psychrophiles. Comme attendu, l'activé spécifique maximale des méthanogènes était toujours obtenue à la température d'origine de l'écosystème. L'analyse des communautés bactériennes et archées à la fin de la période d'acclimatation a révélé que l'acclimatation des écosystèmes thermophiles et mésophiles à des températures plus faibles ne modifiait que légèrement la structure des communautés microbiennes. En revanche, des changements plus importants étaient obtenus lorsque la température d'incubation était augmentée par rapport à la température d'origine de l'écosystème. En résumé, l'étude de l'effet de la température d'incubation (de 5°C à 55°C) sur l'activité fermentaire et sur la structure des populations microbiennes est un bon modèle d'étude au laboratoire pour appréhender l'impact d'un facteur abiotique sur la dynamique structurelle et fonctionnelle d'une communauté microbienne complexe. / The process of anaerobic degradation of organic matter is a natural phenomenon widespread on Earth (eg, marshes, lakes, rice fields, digestive systems of animals and humans). A high microbial diversity is maintained during this process, reflecting a diversity of metabolic pathways involved. When complete, the anaerobic digestion accomplished in the formation of biogas (methane mixture and carbon dioxide). In terms of biotechnology, anaerobic treatment of organic pollution reduces the volume of waste and generates methane recoverable in several forms (electricity, heat, natural gas, biofuels). However, industrial digesters are optimized for operation at 35 ° C or 55 ° C, which requires exogenous energy maintenance. Thus, the thesis is interested in the study of the adaptability of various anaerobic ecosystems covering a variety of industrial processes and operating conditions to convert ethanol into biogas at different temperatures. The first phase of the study was to the conditioning, in laboratory reactors ecosystems to their original temperature with a readily biodegradable substrate (ethanol). Then, the performances of microbial communities (the maximum methanogenic potential and degradation kinetics) were estimated on a temperature gradient of 5 ° C to 55 ° C in glass bottles. The conditioning phase of the ecosystems in batch reactor showed that the biogas averaged theoretical production and this production was followed by a decrease in reaction time with successive addition of the substrate. In addition, the kinetics of the biogas obtained varied greatly from one ecosystem to another. Molecular fingerprinting profiles (CE-SSCP) of bacterial and archaeal communities were performed at the beginning and at the end of conditioning. These community profiles were compared with each other by principal component analysis (PCA). Bacterial populations that ensured efficient performance were different from those that ensured a good adaptability. In addition, the potential for adaptation depended on the presence of very specific methanogenic Archaea populations. When placing ecosystems conditioned in temperature away from the original temperature, only mesophilic ecosystems adapted to psychrophilic temperatures. As expected, specific methanogenic activity was always obtained at the original temperature of the ecosystem. Analysis of bacterial and archaeal communities at the end of the acclimation period revealed that acclimation thermophilic and mesophilic ecosystems to lower temperatures only modified slightly the structure of microbial communities. On the other hand, more significant changes were obtained when the incubation temperature was increased in comparison to the original temperature of the ecosystem. In summary, the study of the effect of incubation temperature (5 ° C to 55 ° C) on the fermentation activity and microbial population structure is a good model for laboratory study to understand the impact of abiotic factor on the structural and functional dynamics of a complex microbial community.

Les sols représentent environ 63% des émissions de N2O et à eux seuls les sols tropicaux représentent 23% de ce budget soit une contribution bien plus élevé que les sols tempérés. Ces sols sont connus pour abriter une grande biodiversité d'invertébrés dominés par quatre types i.e. termites, vers de terre, fourmis et larves de scarabaeid. Ces groupes macrofaunal sont considérés comme des ingénieurs des sols via notamment leurs actions de régulation de la disponibilité des ressources chimiques, tels que l'azote minéral pour les micro-organismes. Cette régulation est due à leurs capacités de digestion spécifiques de la matière organique ainsi que la création et/ou la modification des habitats des sols. Cette étude est basée sur l'hypothèse suivante (i) l'environnement digestif et les structures biogéniques de ces ingénieurs du sol sont considérées comme des « hot spot » d' émissions de N2O (ii) les taux d'émission de N2O varient en fonction de leurs régimes alimentaires, cette macrofaune ingérant des substrats avec différents C:N (iii) le taux d'émission de N2O de chaque invertébré est corrélé à la densité des communautés bactériennes digestives impliquées dans l'émission de N2O (bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes) et à leur teneur en azote minéral dans leur tube digestif. Pour évaluer ces différentes hypothèses, des mesures des taux d'émission de N2O ont été effectuées in vitro en aérobiose pour la macrofaune (30 espèces différentes en provenance d'Afrique, d'Amérique du Sud et d'Europe) et leurs matériels biogéniques associées (nids, turricules). L'abondance des gènes fonctionnelles des bactéries nitrifiantes (AOA et AOB) et dénitrifiantes (nirK, nirS, nosZ) ont été quantifiés par PCR quantitative. Les termites humivores et champignonnistes ainsi que les larves de scarabaeid émettent des quantités significatives de N2O alors que les fourmis n'en émettent pas. Quand aux termites xylophages et litièrivore, ils absorbent le N2O. Les structures biogéniques des vers de terre (turricules) et des fourmis (nid) émettent des quantités importantes de N2O ce qui n'est pas le cas des nids de termites. La faune du sol et leurs structures biogéniques associées, sont donc, dans la majorité des cas étudiés, un lieu d'émission de N2O, confirmant ainsi notre première hypothèse. Ce travail a également démontré qu'il y a avait une étroite corrélation entre régime alimentaire et intensité de l'émission de N2O au sein de chaque type de macrofaune étudié. En revanche, l'abondance des gènes des communautés digestive nitrifiantes et dénitrifiantes et le contenu en N minéral au sein du tube digestif ne semblent pas être des proxies pertinents des émissions de N2O. A partir de ces mesures, des calculs ont été effectuées pour déterminer l'importance de ces émissions à l'échelle des écosystèmes tropicaux étudiés (forêt et savane). Ces calculs suggèrent que la macrofaune du sol dans ces écosystèmes pourrait contribuer entre 0,1 à 11,7% et 0,1 à 8,8% du budget total des émissions de N2O, respectivement. Les résultats de ces travaux devraient contribuer à une meilleure prise en compte de la composante biotique dans la modélisation des émissions de gaz à effet de serre provenant des sols en milieu tropical. / Soils account for about 63% of N2O emissions. Tropical soils are estimated to emit 23% of global N2O emission budget which is much higher than temperate soil N2O emissions. These soils also harbor a huge biodiversity of invertebrates dominated by four types of macrofauna i.e. termites, earthworms, ants and scarabaeid grubs. These macrofaunal groups are considered as soil engineers because they regulate the availability of chemical resources, like mineral nitrogen, for the microorganisms via their specific digestion capabilities and/or by creating and modifying soil habitats. This study is based on the following hypothesis (i) the gut environment or biogenic structures of these soil engineers are considered as hotspots of N2O emission (ii) the N2O emission rates will vary according to their feeding behavior as these macrofauna thrive on diverse substrates with different C:N ratio (iii) the rate of N2O emission in each soil fauna will also depend on the gut density of the bacterial communities involved in the N2O emission (nitrifiers and denitrifiers) and on the mineral nitrogen content within the gut. To assess these different hypotheses in-vitro short-term N2O emission rates were assessed for either live macrofauna (30 species collected from Africa, South America and Europe) or their biogenic materials or both under aerobic incubations. Genes abundance of nitrifiers (AOA and AOB) and denitrifiers (nirK, nirS, nosZ) were quantified by real time quantitative PCR. Soil-feeders and fungus-growing termites and scarabaeid grubs emitted in-vivo N2O while ants did not. Surprisingly, wood- and grass-feeding termites revealed an uptake of N2O. Biogenic structures of earthworms and ants emitted substantial amount of N2O while those of termites did not. The emission difference between macrofauna or their biogenic materials and their control materials was significant for most of the macrofaunal groups studied confirming our first hypothesis. We also confirmed that the feeding behavior (total N content and C:N ratio of food material) is the main factor explaining the observed N2O emission pattern of each macrofaunal group investigated whereas genes abundances, particularly of denitrifiers and gut N mineral content did not appear to be relevant proxies of the N2O emissions rates. A back-on-the-envelope data upscaling suggests that soil macrofauna could contribute from 0.1–11.7% and 0.1–8.8% of the total soil N2O emissions, respectively, for the tropical rainforest and dry savanna ecosystems. This work should contribute to a better estimation of the soil biotic compartment in the different models of greenhouse gas emissions from tropical soils.

Les plantations d'Eucalyptus, au Congo (région de Pointe-Noire) comme au Maroc (forêt de la Maâmora), soulèvent des controverses quant à leurs effets sur des sols sableux pauvres en matière organique. Dans un enjeu de développement durable de tels écosystèmes anthropiques, les recherches sur le sujet se sont multipliées. Toutefois, les connaissances relatives au fonctionnement biologique des sols sous ces plantations méritent encore d'être approfondies. Principaux acteurs de ce fonctionnement biologique, les organismes vivant dans ces sols et leurs activités ne sont que trop peu décrites, et nécessitent en ce sens de se trouver au cœur des études sur le sujet. Notre travail de thèse s'inscrit dans ces problématiques. Ainsi, nous évaluons les conséquences du reboisement sur les communautés de la macrofaune et des microorganismes de ces sols, et également l'activité des enzymes clés liées aux principaux cycles biogéochimiques (C, N et P).Cette recherche présente la particularité de la prise en compte simultanée de deux facteurs peu souvent évoqués, que sont, l'« âge des plantations » et la « profondeur du sol ». Nous avons abordé ces questions par une étude multi-échelle.Ainsi, nous avons étudié les macroinvertébrés quant à leur diversité taxonomique et à leur composition verticale, selon une approche combinée (TSPF + carré anglais). Par la suite, les premières caractérisations de structure et de diversité des communautés microbiennes ont été réalisées. Ceci, par mesure de densité et par déterminations morphotypiques (cultures in vitro) et génétiques (DGGE), au niveau des communautés totales. Par mesure du potentiel métabolique pour ce qui est des communautés fonctionnelles (plaques Biolog). Enfin, l'activité biologique des sols a été évaluée en mesurant l'activité de huit enzymes et l'activité microbienne globale (hydrolyse FDA).Ainsi, par comparaison à la forêt naturelle adjacente, cette étude nous a permis de mettre en évidence que l'introduction d'eucalyptus sur savane (Congo) ou sur chêne-liège dégradé (Maroc), modifie la structure et la diversité des communautés de la macrofaune et des microorganismes du sol ainsi que le profil des activités enzymatiques. Aussi bien en fonction de l'âge des plantations que de la profondeur du sol, ceci est valable. C'est le fonctionnement biologique qui se trouve donc impacté.Les proportions et les conséquences de cet impact restent toutefois particulières à chaque cas. Il faut cependant noter exception pour les activités enzymatiques liées au cycle de l'azote, qui apparaissent influencées de façon comparable dans les deux cas à l'étude. Ces activités diminuent significativement avec l'âge du peuplement, confirmant le statut déficitaire en azote de ce type de plantation. / Eucalyptus plantations in Congo (Pointe-Noire region) and in Morocco (Mamora forest) raised certain controversies regarding their effects on the sandy poor soils. In such anthropogenic ecosystems, researches on the subject have multiplied in order to ensure their sustainable management. However, knowledge on the biological functioning of soils in these plantations still needs to be explored. Main actors of this biological functioning are soil organisms and their activities which have been described very little, and need to be more studied. Our thesis encompasses this problematic. Therefore, we evaluated the impact of reforestation on the communities of macrofauna and microorganisms of soil, and the activity of different key enzymes, as well, related to main biogeochemical cycles (C, N and P). This research presents, particularly, a simultaneous consideration of two factors rarely mentioned before: the "age of the plantations" and "soil depth". We addressed these issues by a multi-scale study. We studied macroinvertebrates by their taxonomic diversity and vertically composition by a combined approach (TSPF + English square). Subsequently, the characterization of structure and diversity of microbial communities was done by density measurements, morphotype-specific (in-vitro culture) and the genetic determinations (DGGE) and by measuring the metabolic potential in terms of functional communities (Biolog plates). Finally, soil biological activity was evaluated by determining the activity of eight different enzymes and the total microbial activity (FDA hydrolysis).Therefore, as compared to the adjacent natural forest soils, this study allowed us to demonstrate that the introduction of eucalyptus plantations, in savanna (Congo) or in degraded cork oak ecosystem (Morocco), alters the structure and diversity of macrofauna communities, soil microorganisms and the enzymatic activity profiles. Consequently, the biological functioning of the soils is impacted both in terms of the age of plantations and soil depth. However, the proportions and the consequences of this impact were very specific in each case, with the exception of enzymatic activities related to the nitrogen cycle, which influenced comparatively in both studies. These activities decreased significantly along with the stand age of eucalyptus plantations, confirming the deficient status of nitrogen in such plantations.