L'ancienne mine de plomb et de zinc de Carnoulès (Gard, France) a généré 1.5 Mt de déchets d'où émerge un drainage de mine aux eaux acides alimentant un ruisseau, le Reigous. Ce site fournit un exceptionnel exemple d'adaptation à un environnement extrême en raison des eaux acides (pH~3) et de très fortes concentrations en métaux et métalloïdes, particulièrement en As. Dans les 30 premiers mètres du ruisseau, l'activité bactérienne conduit à un phénomène de remédiation naturelle avec la co-précipitation de 20 à 60% de l'As dissous avec du fer. Les bactéries présentes dans les sédiments du ruisseau ont dans un premier temps été décrites par clonage/séquençage du gène de l'ARNr 16S, puis les membres actifs des communautés bactériennes ont été révélés par une approche de métaprotéomique. L'étude des Archaea au sein des sédiments a révélé la présence de groupes impliqués dans la méthanogénèse ou dans l'oxydation de l'ammoniac qui pourraient participer au cycle du carbone ou de l'azote. Les eucaryotes ont été caractérisés pour la première fois sur ce site par pyroséquençage, mettant en évidence une forte proportion de champignons (60%). Enfin, l'étude des variations spatiotemporelles des populations bactériennes dans les eaux a conduit à l'identification de 6801 OTUs dont des phyla encore jamais identifiés sur ce site. La concentration en arsenic, la température et le potentiel redox semblent jouer un rôle dans la structuration de ces communautés. Ce travail de thèse a ainsi contribué à une meilleure connaissance des microorganismes présents (Bactéries, Archaea, Eucaryotes) et de leurs dynamiques spatiotemporelles en relation avec les paramètres physicochimiques du milieu. / Acidic mining drainage generated at Carnoulès, a former Pb-Zn mine (Gard, France) coincides with the spring of the Reigous Creek. This site provides an exceptional example of adaptation to extreme environments due to its acidic water (pH~3) and very high concentrations of metals and metalloids, particularly arsenic. During the first 30 m of downflow in Reigous Creek, natural remediation occurred, with co-precipitation of 20 to 60% of the dissolved arsenic with iron, mediated by bacteria. Bacterial communities inhabiting the creek sediments were first described by cloning/sequencing of the 16S rRNA genes and the active members were identified by a metaproteomic approach. A survey of the archaeal community in the sediment highlighted the presence of sequences phylogenetically related to methanogenic Archaea and to ammonia oxidizers, which could be involved in carbon and nitrogen biochemical cycling. The Eukaryotic communities were studied for the first time at this site by pyrosequencing, revealing that around 60% of the sequences belonged to Fungi. Finally, the study of the spatiotemporal variations of the water bacterial communities allowed the identification of 6801 OTUs including sequences of taxa never detected before. The environmental variables significantly correlated with bacterial community dynamics appear to be arsenic concentration, temperature and Eh. This PhD work has contributed to a better understanding of the spatiotemporal dynamics of microorganisms (Bacteria, Archaea, Eukaryotes) in relation with the physicochemical parameters of their environment.

Un grand nombre d'espèces microbiennes, issues d'environnements divers et présentant une large gamme de métabolismes différents, peuvent produire de l'hydrogène par voie fermentaire. Jusqu'à présent, les études ont principalement porté sur l'utilisation de cultures microbiennes pures, voire génétiquement modifiées, en vue d'optimiser la production de biohydrogène à partir de sucres simples ou peu complexes. Les efforts de recherche portent désormais sur l'utilisation de cultures microbiennes mixtes pour produire du biohydrogène à partir de sources organiques plus complexes issus par exemple du traitement de la biomasse. Toutefois, la présence de voies métaboliques alternatives tout comme l'instabilité du processus biologique constitue des verrous scientifiques et techniques qu'il conviendra de lever pour une application potentielle. Ceci nécessite entre autre une meilleur connaissance des interactions bactériennes et donc métaboliques présentent au sein du consortium.Pour cela, nous avons développé une approche innovante et pluridisciplinaire d'ingénierie écologique qui consiste en la conception, la construction et l'étude d'un consortium microbien synthétique afin d'établir les paramètres régissant les réseaux d'interactions métaboliques avec pour objectif d'optimiser la production d'hydrogène. Dans un premier temps nous avons choisit d'étudier les réseaux d'interactions métaboliques entre deux souches modèles connues comme partie prenante d'un consortium bactérien naturel, une bactérie du genre Clostridie et une du genre Desulfovibrio, la première étant productrice d'hydrogène par fermentation / Numerous microorganisms can produce hydrogen by “dark fermentation”. Isolated from various environments, they present a broad range of different metabolisms. Until now, literature reports have mainly dealt with the use of pure microbial cultures producing biohydrogen from simple sugars, such as glucose and sucrose. More recently, studies on biohydrogen production by mixed cultures from complex organic sources have been developed. Even though biohydrogen productivities and conversion yields can be interesting for industrial purposes, several scientific and technical constraints remain to be addressed. In particular, the presence of alternative metabolic ways of hydrogen consumption generally results in chronic instability of the biological processes. To increase the stability and the efficiency of dark fermentative processes, it is now necessary to acquire a better understanding of the metabolic interaction networks existing between producing and consuming microorganisms.We have developed an innovative and multidisciplinary approach to ecological engineering, which consists of the construction and study of synthetic microbial consortia to establish the metabolic networks existing between microorganisms for further optimization of biohydrogen production. First we have studied the networks of metabolic interactions between two bacterial models known as involved in a natural bacterial consortium: a bacterium from Clostridium genus; Clostridium acetobutylicum and one from Desulfovibrio genus, Desulfovibrio vulgaris Hildenborough. The first one being producing of hydrogen by fermentation of complex sugars and the second

L'hydrogène, qui constitue une solution alternative et durable à l’usage d’énergies fossiles, est produit essentiellement par reformage de combustibles fossiles (95%). Des filières de production plus soucieuses de l'environnement sont envisagées. Deux familles de technologies sont explorées: 1) par décomposition thermochimique ou électrochimique de l'eau et 2) à partir de différentes sources de biomasse. Parmi celles-ci, les cellules d'électrolyse microbienne ou «Microbial electrolysis cell (MEC)» permettent de produire de l'hydrogène par électrolyse de la matière organique. Une MEC consiste en une cathode classique qui assure la production d'hydrogène par la réduction électrochimique de l'eau, associée à une bioanode qui oxyde des substrats organiques en dioxyde de carbone. Ce processus d'oxydation n'est possible que grâce au développement sur l'anode d'un biofilm microbien électroactif qui joue le rôle d'électro-catalyseur. Par rapport aux procédés courants d'électrolyse de l'eau, une MEC requière un apport énergétique 5 à 10 fois plus faibles. En outre, les procédés « classiques » de production de bio-hydrogène par voie fermentaire en cultures mixtes convertissent des sucres avec des rendements limités à 2-3 moles d'hydrogène par mole d'hexose tout en coproduisant des acides organiques. Alimenté par de l'acétate, une MEC produit au maximum 3 moles d'hydrogène/mole d'acétate. Le couplage de la fermentation à un procédé d'électrolyse microbienne pourrait donc produire de 8 à 9 moles d'hydrogène/mole d'hexose, soit un grand pas vers la limite théorique de 12 moles d'hydrogène/mole d'hexose. L'objectif de cette thèse est d'analyser les liens entre la structure des communautés microbiennes dans les biofilms électroactifs et en fermentation, les individus qui les composent et les fonctions macroscopiques (électroactivité du biofilm, production d'hydrogène) qui leur sont associées dans des conditions permettant de réaliser le couplage des deux procédés. L'originalité de cette étude a été de travailler en milieu salin (30-35 gNaCl/L), favorable au transport de charges dans l'électrolyte de la MEC. Dans un premier temps, la faisabilité de la fermentation en conditions salines (3-75 gNaCl/L) a été démontrée en lien avec l'inhibition de la consommation de l'hydrogène produit et une forte prédominance d'une nouvelle souche de Vibrionaceae à des concentrations en sel supérieures à 58 gNaCl/L. D'autre part, la mise en œuvre de biofilms électroactifs dans des conditions compatibles avec la fermentation sombre a permis la sélection d'espèces dominantes dans les biofilms anodiques et présentant des propriétés électroactives très prometteuses (Geoalkalibacter subterraneus et Desulfuromonas acetoxidans) jusqu'à 8,5 A/m². En parallèle, la sélection microbienne opérée lors d'une méthode d'enrichissement utilisée pour sélectionner ces espèces à partir d'une source d'inoculum naturelle sur leur capacité à transférer leurs électrons à des oxydes de Fer(III) a été étudiée. Une baisse des performances électroactives du biofilm liée à une divergence de sélection microbienne dans ces deux techniques de sélection mène à limiter le nombre de cycle d'enrichissement sur Fer(III). Cependant, l'enrichissement sur Fer(III) reste une alternative efficace de pré-selection d'espèces électroactives qui permet une augmentation de rendement faradique de 30±4% à 99±8% par rapport au biofilm obtenu avec un inoculum non pré-acclimaté. Enfin, l'ajout d'espèces exogènes issues de la fermentation sombre sur le biofilm électroactif a révélé une baisse de l'électroactivité du biofilm se traduisant par une diminution de la densité de courant maximale produite. Cette baisse pourrait s'expliquer par à une diminution de la vitesse de transfert du substrat due à un épaississement apparent du biofilm. Cependant, un maintien de sa composition microbienne et de la quantité de biomasse laisse supposer une production d'exopolymères (EPS) dans le biofilm en situation de couplage. / Nowadays, alternative and sustainable solutions are proposed to avoid the use of fossil fuel. Hydrogen, which constitutes a promising energy vector, is essentially produced by fossil fuel reforming (95%). Environmentally friendly production systems have to be studied. Two main families of technologies are explored to produce hydrogen: 1) by thermochemical and electrochemical decomposition of water and 2) from different biomass sources. Among those last ones, microbial electrolysis cells (MEC) allow to produce hydrogen by electrolysis of organic matter. A MEC consists in a classical cathode, which provides hydrogen production by electrochemical reduction of water, associated to a bio-anode that oxidizes organic substrates into carbon dioxide. This process is only possible because of the anodic development of an electroactive microbial biofilm which constitutes an electrocatalyst. In comparison to classical water electrolysis process, a MEC requires 5 to 10 times less electrical energy and therefore reduces the energetic cost of produced hydrogen. Furthermore, classical process of dark fermentation in mixed cultures converts sugars (saccharose, glucose) to hydrogen with a limited yield of 2-3 moles of hydrogen per mole of hexose because of the coproduction of organic acids (mainly acetic and butyric acids). Fed with acetate, a MEC can produce up-to 3 moles of hydrogen per mole of acetate. Therefore, the association of these two processes could permit to produce 8 to 9 moles of hydrogen per mole of hexose, which represents a major step toward the theoretical limit of 12 moles of hydrogen per mole of hexose.Therefore, this work aims at analyzing the relationship between microbial community structures and compositions and the associated macroscopic functions (biofilm electroactive properties, hydrogen production potential) in electroactive biofilms and in dark fermentation in conditions allowing the coupling of the two processes. The originality of this study is to work in saline conditions (30-35 gNaCl/L), which favors the charges transfer in the MEC electrolyte.First of all, feasibility of dark fermentation in saline conditions (3-75 gNaCl/L) has been shown. This was linked to an inhibition of produced hydrogen consumption and the predominance of a new Vibrionaceae species at salt concentrations higher than 58 gNaCl/L. Secondly, electroactive biofilm growth in conditions compatibles to dark fermentation (pH 5.5-7 and fed with different organic acids) allowed to select dominant microbial species in anodic biofilms that present promising electroactive properties (Geoalkalibacter subterraneus and Desulfuromonas acetoxidans) with maximum current densities up to 8.5 A/m². In parallel, the microbial selection occurring during iron-reducing enrichment method used to select species from a natural inoculum source and based on their capacity to transfer electrons to iron oxydes (Fe(III)) has been studied. A decrease of electroactive performances of the biofilm linked to the divergence of microbial selection led to a limitation of the number of iron-enrichment steps. However, enrichment on Fe(III) presents an efficient alternative to pre-select electroactive species with an increase of coulombic efficiency from 30±4% to 99±8% in comparison with a biofilm obtained with a non-acclimated inoculum. Finally, the addition of exogenous bacteria from a dark fermenter on the electroactive biofilm revealed a decrease of electroactivity with a decrease of maximum current density produced. This diminution could be explained by a lower substrate transfer due to an apparent thickening of the biofilm. Nevertheless, the stability of microbial composition and of bacterial quantity on the anode suggests that a production of exopolymers (EPS) occurred.

Dans un contexte mondial d’émergence de bactéries résistantes aux antibiotiques, il est nécessaire d’explorer de nouvelles voies de recherche pour trouver de nouveaux traitements. Cet état de fait est particulièrement marqué dans le cadre d’infections chroniques associées à une colonisation des tissus par des biofilms bactériens. L’endocrinologie microbienne est un champ de recherche axé sur l’étude des mécanismes de communication inter-règnes qui peut s’établir entre des bactéries et leurs hôtes. Les molécules humaines qui permettent ce dialogue constituent de potentiels outils capables de moduler la physiologie des bactéries pour empêcher leur développement. Dans cette optique, l’objectif de ma thèse était d’approfondir nosconnaissances sur l’effet des peptides natriurétiques, une famille d’hormones humaines, sur la physiologie du pathogène opportuniste P. aeruginosa. Les travaux que j’ai menés ont permis de préciser les mécanismes de l’action anti-biofilm du peptide natriurétique de type C ou CNP. J’ai également montré qu’un autre peptide, le peptide natriurétique atrial (ANP), est capable de disperser un biofilm établis de P. aeruginosa. Dans un second temps, j’ai pu identifier que l’opéron ami, dans son intégralité, est indispensable aux effets des peptides natriurétiques et qu’en plus les protéines codées par les gènes de l’opéron ami ont un rôle important dans la régulation de la virulence bactérienne et dans la formation des biofilms. Ainsi, j’ai pu mettre en évidence que les protéines AmiE et AmiR, en plus de leur rôle dans le métabolisme secondaire, sont impliquées dans la régulation de la virulence et de la formation de biofilm de P. aeruginosa. / In a global context of emergence of antibiotic-resistant bacteria, it is necessary to explore new paths of research to find new treatments. This state of affairs is particularly marked in the context of chronic infections associated with tissue colonization by bacterial biofilms. Microbial endocrinology is a field of research focused on the study of inter-kingdom communication that can be established between bacteria and their hosts. The human molecules that allow this dialogue are potential tools capable of modulating bacterial physiology to prevent their development. In this perspective, the aim of my thesis was to deepen our knowledge about the effect of natriuretic peptides, a family of human hormones, on the physiology of the opportunistic pathogen P. aeruginosa. The work that I carried out allowed us to characterize the mechanisms of the anti-biofilm action of the natriuretic peptide type C or CNP. I have also shown that another peptide, the atrial natriuretic peptide (ANP), is able to disperse an established biofilm of P. aeruginosa. In a second step, I was able to identify that the entire ami operon is essential for the effects of the natriuretic peptides and that the proteins encoded by the genes of the ami operon have an important role in bacterial virulence regulation and in the formation of biofilms. Thus, I was able to demonstrate that the AmiE and AmiR proteins, in addition to their role in secondary metabolism, are involved in the regulation of virulence and biofilm formation of P. aeruginosa.

La production de biopolymères de type polyhydroxyalkanoates (PHA) est une alternative attractive pour remplacer, en partie, les plastiques produits à partir de ressources fossiles. Les contraintes techniques imposées par les cultures pures (substrat purifié, stérilité…) impliquent un coût de production qui rend la production de ces bioplastiques difficilement compétitive par rapport à celle des plastiques conventionnels. L’utilisation de cultures non axéniques permettrait de palier les contraintes des cultures pures mais nécessite une étape de sélection des microorganismes producteurs naturels de PHA. A partir d’un inoculum issu de boues d’épuration et de substrats de types AGV (acide butyrique et acétique), une stratégie de limitation de la croissance par le phosphore pour accumuler du PHB a été mise en place. Nous avons étudié, avec les modes de culture fed-batch et continu, le potentiel de sélection de souches productrices et de production de PHA en fonction des paramètres opératoires (taux de dilution) et environnementaux (degré de limitation en phosphore). L’objectif scientifique a consisté à améliorer les connaissances sur le rôle d’une limitation en phosphore selon les conditions opératoires du procédé, tout d’abord sur la nature des souches sélectionnées, et ensuite sur la croissance et l’accumulation de PHB. Pour cela, une démarche associant l’identification des micro-organismes en dynamique par une technique de pyroséquençage, une caractérisation cinétique des micro-organismes sélectionnés, une analyse procédé et le développement d’une modélisation cinétique a été effectué. L’objectif final du travail visait l’optimisation des procédés de production de PHB en culture non axénique : productivité, rendement, titre final en PHB mais aussi fiabilité et robustesse, en vue de définir une stratégie de production optimale de PHA. Les performances atteintes lors des cultures en fed-batch se situent parmi les meilleures de la littérature (70% de PHA) en cultures mixtes sans étape d’enrichissement préalable en microorganismes producteurs. Les résultats ont montré le rôle de la limitation phosphore sur le déclenchement de la production de PHB. En chémostat, l’analyse des paramètres macro-cinétiques, à partir des sélections microbiennes, a révélé des cinétiques de conversion du substrat carboné en PHB, biomasse catalytique et CO2 dépendantes du degré de limitation en phosphore et du taux de croissance. Le taux de phosphore intracellulaire (dépendant du taux de croissance et du degré de limitation phosphore), est le paramètre gouvernant la conversion du carbone. De plus, ce rôle a été observé pour toutes les populations sélectionnées sous limitation phosphore, démontrant un comportement universel de ces populations face à une limitation phosphore. En parallèle, des études dynamiques en batch à partir de ces populations ont permis de caractériser les paramètres cinétiques des souches, montrant une vitesse maximale de production de PHB de 0,6 et 1,2 Cmol/Cmol.h avec acide acétique et butyrique respectivement. Ces hypothèses réalisées à partir des observations expérimentales ont permis l’établissement d’un nouveau modèle cinétique basé sur le rôle du phosphore intracellulaire sur la conversion du carbone. La confrontation de ce modèle aux résultats expérimentaux a conforté et amélioré la compréhension des processus de dilution intracellulaire du phosphore et de stockage de PHB. Ce modèle a également permis d’explorer une large gamme de conditions environnementales et de prédire les comportements microbiens d’organismes producteurs et non producteurs. A partir des résultats observés et du modèle cinétique établi, les performances de différentes configurations de procédés de production de PHA ont pu être discutées : chémostat simple ou double étage, fed-batch, chémostat et batch... Les performances en termes de productivités, taux de PHB intracellulaires, degré de sélection de producteurs et robustesse du procédé sont comparées. / The production of polyhydroxyalkanoates (PHA) is an attractive alternative for plastics produced from fossil resources. The technical constraints imposed by pure cultures (purified substrate, sterilization ...) involve a high production cost of PHA production, and the production of these bioplastics is hardly competitive. The use of non-axenic cultures would avoid the constraints of pure cultures but requires a selection step of PHA producers. From a microbial inoculum (activated sludge) and AGV (butyric and acetic acid), a strategy for limiting the growth by phosphorus to accumulate PHB was established. From fed-batch and continuous culture, we studied the selection of PHA producers and the production of PHA based on operating parameters (dilution rate) and environmental (degree of phosphorus limitation). The scientific objective was to improve knowledge on the role of phosphorus limitation according to the operating conditions of the process, first about the nature of selected strains, and then about the cellular growth and PHB accumulation. For this, an approach involving identification of microorganisms by pyrosequencing method, a kinetic characterization of selected microorganisms, a process analysis and development of a kinetic modeling were performed. The ultimate goal of the work was the optimization of PHB production processes in non-axenic culture: productivity, yield, final PHB concentration but also reliability and robustness, to define an optimal production strategy of PHA. The performance achieved during the fed-batch cultures are among the best in the literature (70% PHA) in mixed cultures without enrichment step of PHA producers. The results showed the role of phosphorus limitation on the PHB production. Thus, it has been demonstrated the importance of degree of phosphorus limitation to maintain cell growth allowing enrichment in PHA producers explaining the high content of PHA obtained. From microbial selections in chemostat culture, the analysis of macro-kinetic parameters revealed conversion kinetics of the carbon substrate in PHB, catalytic biomass and CO2, dependent on the degree of phosphorus limitation and growth rate. The limits on the degree of plasticity of the intracellular phosphorus (ranging from 3.8% to 0.045%) were identified as a function of the specific growth rate. This intracellular phosphorus content (depending on the growth rate and degree of phosphorus limitation), is the parameter governing carbon conversion. Furthermore, this role of the intracellular phosphorus was observed for all populations selected under phosphorus limitation in this study, demonstrating a universal behavior of these populations face to phosphorus limitation. In parallel, dynamic studies in batch reactor from these selected populations were used to characterize the kinetic parameters of the strains, showing a maximum PHB production rate of 0.6 and 1.2 Cmol/Cmol.h with acetic acid and butyric respectively. These hypotheses made from experimental observations allowed the establishment of a new kinetic model based on the role of intracellular phosphorus on carbon conversion. The comparison of this model with experimental results has strengthened and improved the understanding of the mechanisms of intracellular phosphorus dilution and storage PHB. This model was also used to explore a wide range of environmental conditions and predict microbial behavior of PHA producers and non-producing organisms according to the operating conditions in continuous or batch reactor. From the results observed and the established kinetic model, the performance of PHA production processes of different configurations was discussed: chemostat single or two-stage, fed-batch, chemostat plus batch... The productivities, intracellular PHB content, performances of selection and the reliability of the process are compared.

Le système hydrothermal de la baie de Prony en Nouvelle-Calédonie est composée de plusieurs sources émettant à faible profondeur des fluides hyperalcalins, mesothermiques, et anoxiques riches en hydrogène (H2) et méthane, produits par la réaction de serpentinisation. Dans le cadre de ces travaux de thèse, la capacité potentielle des microorganismes à produire de l’H2 dans ces écosystèmes a été évaluée par des analyses moléculaires et culturales. Nos premières analyses moléculaires ont mis en évidence une grande diversité de bactéries et une faible diversité d’archées. La diversité et la distribution des populations productrices d’H2 a ensuite été spécifiquement évaluée par des analyses métagénomiques et basées sur la PCR. Les séquences de gènes hydA, utilisés comme marqueur moléculaire des bactéries productrices d’H2, étaient principalement associées à celles du phylum des Firmicutes. Deux groupes de séquences hydA se sont distinguées en fonction de l’origine des échantillons. De plus, plusieurs nouvelles bactéries alcalophiles ont été isolées de différents sites. Parmi elles, la souche alcalophile et anaérobie, PROH2 est capable de produire efficacement de l’H2 par voie fermentaire en condition alcaline (pH 9,5), de façon comparable aux espèces de Clostridium neutrophiles. Ces travaux présentent également la caractérisation d’une nouvelle espèce bactérienne anaérobie, mésophile et alcalophile (pH optimum de 9,5) d’un nouveau genre, nommée Serpentinicella alkaliphila, isolée d’un site intertidal de la baie de Prony. L’ensemble des données démontre la capacité des Firmicutes des environnements associés à la serpentinisation à produire de l’H2 par voie fermentaire. / The Prony hydrothermal field (PHF, New Caledonia) is composed of several shallow-submarine springs discharging into the lagoon seawater high pH, moderate temperature, low-salinity fluids, enriched in hydrogen (H2) and methane produced by serpentinization. In this work, we evaluated the potential ability of microorganisms to produce H2 in this alkaline ecosystem by using both molecular and cultural approaches. Our first molecular analyses provided evidence of high bacterial abundance and diversity contrasting with low archaeal diversity in the PHF chimneys. The diversity and distribution of potential H2-producing bacteria were specifically investigated by using metagenomic analyses and different PCR-sequencing methods. The sequences of hydA genes encoding the catalytic subunit of [FeFe]-hydrogenases, used as molecular marker of H2-producing bacteria, were mainly related to those of Firmicutes. Two groups of hydA sequences were distinguished according to the origin of the samples. Moreover, novel alkaliphilic H2-producing Firmicutes were successfully cultivated from PHF chimneys. Among them, an alkaliphilic and anaerobic strain, Clostridium sp. PROH2, belonging to the genus Clostridium, demonstrated efficient H2 production at a high pH, comparable to neutrophilic clostridial species. This manuscript also present the characterization of a novel anaerobic, mesophilic and alkaliphilic species belonging to a new genus, named Serpentiniticella alkaliphila 3bT, isolated from an intertidal PHF site. Both molecular and cultivation-based data demonstrated the ability of Firmicutes originating from serpentinite-hosted environments to produce H2 by fermentation.

Les essences de forêts tropicales sont caractérisées par une importante variabilité de la qualité et de la stœchiométrie des feuilles qui tombent au sol. Les microorganismes hétérotrophes à la base des réseaux trophiques de décomposeurs dépendent principalement de ces ressources organiques qui varient de façon substantielle à petite échelle quant à la quantité et la contribution relative de certains éléments clés tels que le carbone (C), l'azote (N) et le phosphore (P). J'ai évalué au cours de cette thèse comment les variations de qualité et de stœchiométrie C:N:P de la ressource influençaient l'activité, la biomasse, la stœchiométrie et la structure des communautés des décomposeurs microbiens. J'ai réalisé ce travail en forêt Amazonienne de Guyane française sur des sols extrêmement appauvris en nutriments où les microorganismes hétérotrophes sont supposés être particulièrement dépendants du C et des nutriments provenant des litières. J'ai d'abord démontré que la qualité du C et le contenu en P des feuilles de litières expliquaient plus de 50% de la variabilité observée du processus de respiration microbien (SIR) du sol sous-jacent. Lors d'une expérience de fertilisation factorielle avec du C (sous forme de cellulose), de l'N (sous forme d'urée) et du P (sous forme de phosphate) sur le terrain, j'ai ensuite confirmé que la SIR de la communauté du sol était co-limitée par C et P, alors la SIR dans la litière était co-limitée par N et P. Ces limitations différentielles dans les litières et le sol sous-jacent étaient reliées à des modifications de la structure des communautés microbiennes, et en particulier des changements du ratio champignon:bactérie et de la proportion de bactéries copiotrophes et oligotrophes. Finalement au cours d'une expérience d'incubation au laboratoire, j'ai montré que la biomasse, la stœchiométrie et la structure des communautés microbiennes de la litière différaient fortement entre six litières chimiquement contrastées variant dans leur stœchiométrie initiale C:N:P. Cependant, les variations des paramètres microbiens étaient mieux expliqués par les caractéristiques de la fraction soluble des litières (y compris sa stœchiométrie) que par la qualité de la litière dans son ensemble, entrainant des variations de la stœchiométrie de la biomasse microbienne et un shift vers une dominance fongique en réponse à une augmentation de la stœchiométrie C:N:P des lessivâts. Collectivement, ces résultats montrent que des qualités de litière distinctes produites par une importante diversité d'essences forestières contrôlent la structure, la stœchiométrie, l'abondance et l'activité des communautés microbiennes des litières à petites échelles spatiales en forêt tropicale d'Amazonie. Par ailleurs, les litières en décomposition stimulent également les communautés microbiennes du sol sous-jacent, qui apparaissent être limitées par l'accès combiné à une source de C (énergie) et de P. L'importance de la contrainte stœchiométrique pour les microorganismes hétérotrophes à la base des réseaux trophiques de décomposeurs suggère que des modifications de la composition des communautés végétales ou des dépositions atmosphériques de N et/ou P peuvent avoir des conséquences plus lointaines sur les cycles du C et des nutriments au sein des biomes tropicaux. / Tree species-rich tropical rainforests are characterized by a high variability in quality and stoichiometry of leaf litter input to the soil. Microbial heterotrophs in the decomposer food web depend primarily on these organic resources that can vary dramatically in quantity, quality and relative contribution in key elements such as carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P). I evaluated during this thesis how differences in leaf litter resource quality and C:N:P stoichiometry influence the activity, biomass, stoichiometry and community structure of microbial decomposers. I did this work in the Amazonian rainforest of French Guiana, where the soils are highly nutrient-impoverished and microbial heterotrophs are assumed to be particularly dependent on litter-derived nutrients. I first showed that leaf litter C quality and P content explained more than 50% of the observed variability of the microbial respiration process in the underlying soil. Using a fertilization experiment with C (as cellulose), N (as urea), and P (as phosphate) in the field, I further showed that microbial respiration process in the litter layer was co-limited by N and P, while that in the soil was co-limited by C and P. Additionally, distinct nutritional limitations in litter and underlying soil were related to shifts in the microbial community structure, especially regarding the fungi:bacteria ratio and the proportion of copiotrophic versus oligotrophic bacteria. Finally, during a laboratory incubation experiment, I showed that litter microbial biomass, stoichiometry and community structure differed strongly among leaf litter from six different tree species varying in C:N:P stoichiometry. The variations in microbial parameters among substrate litters, however, were not related to bulk leaf litter quality, but rather driven by the stoichiometry of the soluble fraction, with larger microbial C:nutrients ratios and a shift towards fungal dominance with increasing litter leachate C:N:P stoichiometry. Collectively, these results showed that the distinct leaf litter quality produced by a diverse tree canopy controls the structure, stoichiometry, abundance and activity of microbial communities in the studied Amazonian rainforest at small spatial scales. Moreover, the decomposing leaf litter stimulates microbial communities in the underlying soil that appear to be under the combined control of energy (C) and P availability. The strong stoichiometric constraint on microbial heterotrophs in the decomposer food web suggests far-ranging consequences on ecosystem C and nutrient cycling with ongoing alteration of nutrient deposition and tree species diversity in tropical rainforests..

La préservation de la qualité de l’eau est un enjeu majeur du 21ème siècle notamment avec l’augmentation de la population humaine. Or les rejets de stations d’épuration représentent un risque de pollution du milieu récepteur, notamment en azote et phosphore, aux effets néfastes pour la santé et l’environnement. C’est pour limiter cette pollution que les zones tampon végétalisées (ZTV), systèmes d’infiltration ou d’écoulement des effluents, plantés d’espèces végétales, ont été développées. Cette étude a pour objectif principal de mieux comprendre les transferts de nutriments dans ce type de système. L’impact des différents compartiments –Sol, végétation, microflore- a été étudié dans deux ZTVs de type « noues » situées en aval de stations d’épuration végétalisées en activité et dans une zone expérimentale aux modalités contrôlées. Cette étude a démontré l’importance de l’hydraulique du site, de la texture du sol et de la surface de la zone dans l’efficacité de rétention des flux d’eau et nutriments. L’impact du compartiment microbien dépend en grande partie du temps de rétention hydraulique lié à la surface de la ZTV, et du taux d’oxygénation de l’effluent. La végétation permet une amélioration de l’activité microbienne mais son rôle dans la rétention et l’élimination des nutriments s’avère mineur au regard des quantités en nutriments apportés. Le sol est le compartiment majeur de rétention du phosphore, même si une saturation rapide du sol en phosphore pourrait limiter cette potentialité. Ces observations ont permis de mettre en évidence une variabilité de l’efficacité des ZTVs dans la rétention de l’eau et des nutriments. Cette variabilité peut d’ores et déjà être minimisée par des mesures d’aménagement et de gestion. L’étude des transferts de nutriments mérite d’être approfondie et étendue à tous les types de ZTV. / The conservation of water quality is a major issue in the 21th century in particular with the increase in the human population. Water-treatment plants rejections represent a risk of pollution of the receiving environment, in particular in nitrogen and phosphorus, with fatal effects for the health and the environment. It is to limit this pollution that the vegetated buffer zones (VBZs), systems of infiltration, where water and nutrients retention are expected, were developed. This study has for main objective to better understand the transfers of nutrients in this type of system. The impact of the various compartments - soil, vegetation, microflora- was studied in two VBZs ditches type, situated downstream to vegetated water-treatment plants in service and in an experimental zone with controlled modalities. This study demonstrated the importance of site hydraulic, soil texture and VBZ surface in effectiveness of water and nutrients retention. The impact of microbial compartment depends largely on the hydraulic retention time bonds to VBZ surface and oxygenation rate of the effluent. Vegetation allows microbial activity improvement but its role in nutrients retention and removal is minor because of high quantities brought by effluents. The soil is the major compartment in phosphorus retention, although a rapid saturation of soil phosphorus could limit this potential. These observations demonstrate variability in the effectiveness of VBZ in water and nutrients retention. This variability could be minimized by planning and management measures. The study of nutrients transfers deserve to be further study and extended to all types of VBZ.

Cette thèse avait pour objectif de caractériser les interactions entre atmosphère, communautés microbiennes et matrice et apporter des éléments pour la conception d’emballages adaptés à la conservation de fromages à pâte persillée Bleu d’Auvergne et Fourme d’Ambert. Dans cette optique, l’effet d’emballages commerciaux et de différentes atmosphères gazeuses sur d’une part l’activité respiratoire de l’écosystème fromage, d’autre part sur l’évolution biochimique, microbiologique et sensorielle de fromages à pâte persillée AOP d’Auvergne a été évalué. Les portions de fromages emballés sous vide avec des films de différentes perméabilités à l’O2, CO2 , à la vapeur d’eau se distinguaient de ceux emballés en pain entier sous aluminium par des niveaux plus faibles de bactéries d’affinage (Staphylococcus, Arthrobacter, Brevibacterium), par des pH plus bas en lien avec une plus faible production d’ammoniaque. Ils étaient aussi caractérisés par de plus fortes teneurs en méthyl cétones dues à leur moindre dégradation, en alcools secondaires et en esters et des teneurs plus faibles en acides gras et en composés issus de la dégradation des acides aminés ramifiés. Ils étaient perçus comme plus piquants, crémeux avec une odeur de lait, visuellement plus humides mais moins amers que les fromages emballés sous aluminium. Des incubations de fromages bleus d’auvergne en conditions d’O2 et CO2 contrôlées ont montré que l’oxygène jouait un rôle plus important que le CO2 dans la structure de l’écosystème notamment en favorisant la croissance des bactéries d’affinage et sur l’orientation des voies métaboliques. 2,5% d’oxygène et 10% de CO2 dans l’environnement des fromages seraient nécessaires pour obtenir des fromages aux caractéristiques microbiennes, biochimiques proches de celles des fromages en pain entier sous aluminium. Par contre, ces fromages différaient du point de vue sensoriel par l’aspect visuel et une texture en bouche plus pâteuse. Cette étude apporte des connaissances sur l’effet de l’environnement gazeux sur l’écosystème fromage pour la définition d’un cahier des charges pour la conception d’emballages adaptés aux fromages à pâte persillée. / This thesis aims to characterize the interactions between atmospheres, microbial communities and matrix to help to develop packagings adapted to the storage of blue veined cheese; Bleu d’Auvergne and Fourme d’Ambert. In this purpose the effect of commercial packaging and different atmospheres on respiratory activities and on the evolution of microbial, biochemical sensorial characteristics of these two cheeses was evaluated. Cheese pieces stored under vacuum with films more or less permeable to O2, CO2, water vapour distinguished from the whole cheese under aluminium foil by lower level of ripening bacteria (Staphylococcus, Arthrobacter, Brevibacterium) and pH associated with low ammonia production. They were also characterised by higher level of ketones due to their lower degradation, secondary alcohols, esters and lower content in free fatty acids and compounds from branched chain amino acids. They were perceived more pungent, less bitter and moister than those in aluminium foil. Experiments with Bleu d’Auvergne cheeses incubated in controlled atmosphere of O2, CO2, have shown that O2 play a more important role than CO2 to govern the structure and the activities of cheese ecosystem. 2.5 % of O2 and 10% of CO2 in the cheese environment should be necessary to obtain microbial and biochemical characteristics close to those of whole cheese under foil. Nevertheless, their visual aspect and their texture (smooth in mouth) were quite different than those of whole cheeses. This study provides new knowledge about the effect of gaseous atmospheres on the cheese ecosystem that will be useful to define new packagings.

Depuis quelques décennies, le labour, comme mode de travail du sol, tend à diminuer au profit de différents modes de préparation du sol, allant du travail du sol réduit sans retournement jusqu'au semis direct. De tels modes alternatifs de travail du sol méritent une étude approfondie avant leur diffusion en agriculture biologique (AB) car ils peuvent occasionner des problèmes de nutrition des cultures et une dégradation de la structure du sol au cours des premières années de leur application. L'objectif de ce travail a donc été d'étudier à court terme (< 5 ans) les modifications que génèrent l'adoption de différentes techniques de travail du sol en AB sur la structure du sol, la répartition des résidus de culture et des microorganismes au sein du profil cultural, puis d'en évaluer les conséquences sur la minéralisation potentielle du carbone et de l'azote. Pour cela, le travail s'est appuyé sur deux dispositifs agronomiques mis en place l'un sur sol alluvial sableux (Lyon), l'autre sur sol limoneux de Bretagne (Kerguéhennec) pour comparer les effets de quatre modes de travail du sol : labour traditionnel, labour "agronomique", travail réduit et superficiel. Dans chacun de ces sites, des prélèvements ont été réalisés à partir de l'observation des profils culturaux au sein de zones compactées (mottes delta) et non compactées (mottes gamma) à différentes profondeurs correspondant aux limites de travail des outils étudiés. Cette stratégie d'échantillonnage a permis de relier la structure du sol au fonctionnement microbien et de mieux comprendre les facteurs qui gouvernent l'organisation spatiale des microorganismes à une échelle macroscopique et ce, aussi bien d'un point de vue quantitatif (biomasse microbienne, activités de minéralisation) que qualitatif (structure des communautés microbiennes). Ainsi, dès les premières années de différenciation des traitements, la quantité, l'activité mais aussi la structure des communautés microbiennes sont influencées par la profondeur et le mode d'enfouissement des résidus puis, dans les horizons où la quantité de substrat disponible n'est pas limitante, par le tassement du sol généré par chaque technique. La prise en compte de l'hétérogénéité spatiale de la structure du sol permet de préciser l'effet de chaque technique étudiée sur le potentiel de minéralisation du carbone et d'azote des microorganismes. Ainsi, dans les conditions expérimentales de ce travail, il apparaît que l'adoption de techniques de travail du sol réduit ou superficiel ne limite pas le potentiel d'azote minéralisable total (sur l'ensemble de la couche de sol) par rapport au labour au cours des premières années de leur application.