Face à la dégradation des écosystèmes, associée à une modification de la structure des communautés, voir à une disparition accrues de certaines espèces, les enjeux majeurs de ce siècle sont d'étudier la biodiversité et les facteurs pouvant interagir sur celle-ci, et d'étudier le<br />rôle fonctionnel de cette biodiversité. Dans ce contexte, il s'est agit pour moi d'étudier la composition et la diversité de communautés eubactériennes et de cyanophages dans des écosystèmes pélagiques des grands lacs Alpins français, ayant subi des pressions anthropiques plus ou moins intenses. Ainsi, nous avons mené trois études dans trois lacs de statuts trophiques différents : le lac d'Annecy est oligotrophe et peut être considéré comme système de référence, alors que les deux autres lacs, le Bourget et le Léman sont ésotrophes. Le lac du Bourget se distingue des deux autres par la présence régulière et massive d'une cyanobactérie filamenteuse toxique, Planktothrix rubescens, qui prolifère dans ses eaux depuis 1998. Sur un plan méthodologique, l'étude de la composition de la communauté eubactérienne et cyanophage a été réalisée au moyen de la technique de DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis), alors que la technique de lonage-séquençage a été utilisée afin de pouvoir identifier les groupes taxonomiques et d'inférer des relations phylogénétiques. De la première étude il apparaît que l'essentiel de la variabilité de la composition eubactérienne du lac du Bourget se situe sur une échelle verticale plutôt qu'horizontale lorsque le lac est thermiquement stratifié. Cette variabilité verticale reflète la présence de couches thermiques différentes et des micro-couches chimiques (notamment liées aux<br />phosphates), favorisant l'établissement de communautés différentiellement adaptées aux conditions qu'elles rencontrent. Pendant la période de brassage des eaux (hiver), la composition de la communauté est homogène sur l'ensemble de la masse d'eau. L'influence<br />des tributaires sur la composition eubactérienne se restreint à la zone d'embouchure. D'un point de vue méthodologique, ces résultats suggèrent qu'à condition d'éviter le littoral et d'autres zones isolées, un nombre restreint d'échantillons pourrait être suffisant pour décrire de façon représentative la composition de la communauté eubactérienne dans un grand lac. La deuxième étude montre tout d'abord que les trois lacs possédaient des communautés eubactériennes caractéristiques des écosystèmes lacustres, avec une diversité relativement faible. Les Actinobactéries constituent le groupe dominant au sein de ces communautés. Nous avons également montré l'absence de changements majeurs dans la composition selon les saisons, l'origine géographique ou la profondeur. Des changements dus à des pressions locales peuvent intervenir sur une faible proportion de la masse d'eau et<br />sporadiquement : au niveau de l'épilimnion au printemps et en été lorsque les biomasses phytoplanctoniques sont importantes. Il est probable que la forte ressemblance entre les communautés eubactériennes de ces trois lacs, en dépit d'états trophiques différents, soit due à<br />leur grand volume : l'hypolimnion présente une part très importante de ces lacs ; ici des nombreux processus et facteurs environnementaux sont communs aux trois lacs. Ce sont donc des pressions régionales qui ont une influence sur la composition des communautés<br />eubactériennes des trois grands lacs Alpins français.<br />La troisième étude, a mis en évidence une diversité de cyanophages du lac du Bourget relativement grande. La composition de cette communauté subit des changements saisonniers qui sont liés indirectement ou directement à la température et à la chlorophylle a. L'analyse de la dynamique des différents composants microbiens montre également que les séquences<br />de cyanophages obtenues semblent plus probablement provenir de cyanophages parasites de Picocyanobactéries que de « microcyanobactéries » comme P. rubescens.

Les études présentées dans ce manuscrit traitent de la diversité et de l'écologie des communautés procaryotiques des zones anoxiques pélagiques de deux écosystèmes lacustres : le lac d'Aydat, typiquement eutrophe, qui présente en période de stratification thermique un hypolimnion anoxique ; et le lac Pavin, unique lac méromictique de France, exhibant une zone anoxique permanente. Les analyses de la structure, de la diversité, et de la dynamique spatiale et- /ou temporelle du bacterioplancton des strates anoxiques de ces deux lacs par des approches moléculaires ont révélé une forte diversité microbienne accentuée par une stratification spatiale du bacterioplancton. Les investigations complémentaires sur les relations phylogénétiques et sur l'étude de métabolismes microbiens ont été focalisées sur les communautés de la zone anoxique du Lac Pavin en raison de son caractère original. Les banques de clones construites à partir d'échantillons d'eau anoxique prélevés à différentes strates dans le monimolimnion ont révélé que les communautés bactériennes sont dominées par des espèces affiliées aux δ-Proteobacteria, aux Verrucomicrobia, aux Bacteroidetes et à la division candidate OP11. Les séquences ARNr16S des Archaea sont principalement affiliées au groupe des Méthanosarcinales, observation confirmée par hybridation in situ. Les études in vitro de la réduction dissimilatrice du Fe (III), dans des cultures d'enrichissements, ont confirmé que les concentrations élevées en fer ferreux observées dans la sub-chémocline du Lac Pavin résultaient pour partie de l'activité de microorganismes. Dans ces enrichissements, les microorganismes couplent la réduction du Fe (III) avec l'oxydation préférentielle du fumarate, de l'H2, du CH4 et du lactate. Aucune accumulation de Fe (II) n'a été notée dans les enrichissements supplémentés en acétate comme donneur d'électrons. Cette observation suggère que ce métabolite pourrait être principalement utilisé dans le processus de méthanogénèse, et pourrait être produit pour partie par l'activité de bactéries Gram-positives homoacétogènes. L'hétérogénéité des profils TTGE réalisés à partir des différentes conditions d'enrichissements de BFR suggère que ces dernières peuvent occuper des niches écologiques très diverses dans le monimolimnion du Lac Pavin. Aucune séquence n'a été affiliée à des BFR* obligatoires identifiées dans d'autres écosystèmes. L'affiliation de séquences à des espèces appartenant au genre Desulfovibrio suggère que certaines BSR† utilisent cet accepteur d'électron. Des activités significatives de réduction du Fe (III) ont également été mises en évidence chez des souches fermentatives isolées de la zone anoxique de ce lac. L'étude plus particulière de la souche BS2 a révélé que cette voie métabolique pouvait lui conférer un avantage énergétique et donc écologique. L'ensemble du travail qui se situe dans les domaine de l'écologie microbienne et de l'environnement ouvre un large champ d'investigations tant au niveau cognitif qu'appliqué. Les perspectives prévoient d'affiner la compréhension du rôle des microorganismes anaérobies des systèmes lacustres dans les cycles biogéochimiques et plus généralement dans la compréhension du rôle de la biodiversité microbienne afin de répondre de façon raisonnée à une demande sociétale forte dans ces domaines.

La photohétérotrophie est la capacité d'utiliser des substrats organiques et de capturer l'énergie lumineuse. Elle est pratiquée par les bactéries phototrophes anoxygéniques aérobies (BPAA), les bactéries contenant de la protéorhodopsine (BPR) et les picocyanobactéries (Synechococcus). Les augmentations de l'export fluvial de carbone organique et de l'exposition de l'océan aux radiations solaires s'intensifient en Arctique, rendant cette région intéressante pour étudier la place des photohétérotrophes dans l'utilisation du carbone et de la lumière. Par l'utilisation de multiples approches de quantification absolue, de diversité culturale et moléculaire, notre étude est la première à caractériser à haute résolution les photohétérotrophes dans l'Océan Arctique. Les picocyanobactéries n'ont été détectées que dans l'estuaire du Mackenzie alors que BPAA et B-PR étaient présentes en mer de Beaufort. La communauté PAA était liée aux apports fluviaux contrairement à celle des B-PR principalement oligotrophe. Les distributions de ces communautés présentaient des patrons différents de celles du bactérioplancton suggérant un avantage écologique de la photohétérotrophie dans ces eaux. La communauté PAA était dominée par un clade nouveau de Betaproteobacteria et par les Rhodobacterales. Les Alphaproteobacteria, notamment des SAR11 et des clades endémiques de SAR116, dominaient la communauté de BPR. La majorité des BPR exprimait activement la PR suggérant de potentiels bénéfices. L'ensemble de nos résultats montre que la photohétérotrophie est répandue dans l'Océan Arctique et suggère que son rôle pourrait être différent en fonction des conditions environnementales rencontrées.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre.

La méthanisation est un procédé biologique au cours duquel la matière organique est convertie en un gaz riche en méthane (biogaz). Parmi les technologies industrielles, les procédés de digestion par voie sèche (taux de matière sèche supérieur à 15 %) sont de plus en plus utilisés car ils présentent des avantages concurrentiels important par rapport aux procédés classiques par voie humide. Cependant, la nature très pâteuse du milieu de digestion lui confère des propriétés mal connues et non étudiées (comportement rhéologique, équilibres, transferts, cinétiques biologiques). Cette thèse comporte deux axes de recherche : i) la nature des équilibres chimiques (sorption, diffusion) intervenant dans les milieux de digestion, ii) la mise en place et l'application d'un modèle cinétique adapté à l'étude des milieux secs. Sur le premier volet, nous avons mis en évidence que le transfert diffusionnel est fortement réduit avec l'augmentation de la teneur en matière sèche des milieux en absence d'agitation. Une des conséquences est l'importance du transfert liquide-gaz pour la production de biogaz. Sur le deuxième volet, nous avons développé un modèle cinétique dédié qui nous a permis, par comparaison avec l'expérience, de mieux cerner la variabilité de la cinétique en fonction de la teneur en matière sèche des milieux. Les répercussions de ce travail se situent aussi bien à l'échelle du laboratoire, en particulier pour l'exploitation des essais d'activité méthanogène, qu'à l'échelle industrielle, avec la nécessité de contrôler le taux de matière sèche des procédés pour une efficacité optimale, et d'adapter l'agitation à ce taux pour améliorer les rendements de dégradation. Le modèle développé pourra constituer une base pour le dimensionnement et la conduite des installations.

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation. / Phosphorus fertilization is a widespread practice in North American agriculture. Although it is generally efficient to increase yields, its use can also induce some environmental contaminations. Several management practices are considered in order to decrease this problem. Among these possibilities there is the challenging one of manipulating microbial flora, which is well known for its implication in many processes related to soil fertility. We have demonstrated in field trials that both the form of fertilizer added to soil and the applied P amounts impact microbial distribution in plots. A first experiment performed on alfalfa monocultures in semi-arid prairie conditions demonstrated that samples coming from plots that had received different doses of P fertilizer presented significant differences on their bacterial and fungal communities. AMF population remained stable between treatments. A second experiment was conducted over three growing season of an intensive maize/soybean rotation cropping system. It aimed to determine the effect of different organic and mineral fertilizers containing equal P amount on bacterial and fungal populations. It was demonstrated that these communities varied according to the fertilizer type applied. Changes are independent from the grown crop. However, microbial populations have undergone greater variation within each growing season. DGGE approach allowed to observe changes occurring in soil microbial diversity but have only permit to identify a small proportion of organisms. A second experiment in the latter study was performed on the same site and focused on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) as they are organisms living in a mutualistic symbiosis with most land plants and increasing host nutrition and resistance to stresses. It led to the identification and comparison of the different AMF found in maize and soybean soil and root samples. In opposition to what was observed with bacteria and fungi previously, AMF presented a very stable diversity between the different treatments. However, some ribotypes were significantly more present in soil or roots during each growing season. Finally, our whole project demonstrated that P fertilization affected microbial community structure on studied sites. Nevertheless, in each experiment, sampling time also played a substantial role in the organism distribution. Many soil parameters were also monitored and presented a seasonal variation. The sum of possible interactions between these parameters, which in some cases varied according to treatment, would thus have more impact on microbial diversity that the sole fertilization.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dans le cadre de ce projet initiant la nouvelle thématique de recherche sur les piles à combustible microbiennes (PCM) au LOCIE, nous tentons de répondre aux problématiques suivantes : Quelles stratégies d'intensification des transferts peuvent être mises en œuvre pour optimiser les efficacités de conversion chimiques et énergétiques des PCM ? Quels sont les moyens de caractérisation et de contrôle des phénomènes mécanistiques inhérents aux réactions bio-électro-chimiques à chaque électrodes ? Dans un premier temps, nous abordons le sujet à travers deux stratégies concrètes d'optimisation en terme d'architecture : l'utilisation d'électrodes poreuses en carbone vitreux réticulé (CVR) pour maximiser l'aire d'électrode active au sein d'un volume donné d'une part, et d'autre part, l'intégration multi-échelle via l'approche constructale, dont l'objectif est de minimiser la résistance à l'écoulement au sein du réacteur. Dans un second temps, nous conduisons une démarche fondamentale qui s'est attaché à identifier et caractériser les mécanismes électrochimiques, via l'évaluation de l'effet de facteurs d'ordre physico-chimiques (température, conductivité, pouvoir tampon et charge organique) et matériels (oxydation du CVR, catalyseur en platine sur la cathode, épaisseur de membrane, aire de cathode) sur le fonctionnement d'une PCM. Cette approche multifactorielle utilise la méthodologie des plans d'expérience via les tables de Tagushi. Des analyses par spectroscopie d'impédance électrochimique visent à apporter une vision complémentaire de notre système. L'analyse des spectres d'impédance des électrodes et du réacteur nous a permis de modéliser les mécanismes électrochimiques en jeu à travers des analogies électriques.

L'implication des tours aéro-réfrigérantes dites " ouvertes ", dans les cas de légionellose, demeure à l'heure actuel un problème de santé public malgré la multitude de composés biocides disponibles qui, parfois, sont écotoxiques et appliqués à de forte concentrations. L'efficacité de la majorité de ces biocides est étudiée vis-à-vis des formes planctoniques des microorganismes. Cette étude s'intéresse à la mise au point de deux procédés de traitement du risque Legionella pneumophila : H2O2/UV et ClO2, avec la prise en compte particulière des communautés microbiennes fixées et notamment des protozoaires qui constituent l'hôte naturel de cette bactérie. La démarche expérimentale adoptée pour l'étude de l'efficacité de ces traitements, s'est appuyée sur des biofilms environnementaux naturellement contaminés par des légionelles et issus d'une source thermale. La caractérisation des légionelles isolées des biofilms de cette source montre le maintien du sérogroupe 1 de L. pneumophila et l'apparition de deux autres sérogroupes non reportés dans des études précédentes (sg10 et sg12), avec toutefois une prédominance du sérogroupe 12. Quel que soit le sérogroupe, ces souches environnementales se sont avérées plus virulentes vis-à-vis de l'amibe Acantamoeba castellanii, que les souches cliniques de Lp1 répertoriées. A l'état planctonique elles se sont également avérées très sensibles aux traitements H2O2/UV et UV seul. A l'échelle expérimentale, les deux traitements, H2O2/UV et ClO2, montrent une performance élevée vis-à-vis des biofilms. L'étude a particulièrement mis en évidence le rôle du facteur trophique et de l'adaptation des bactéries au stress oxydatif dans la performance des traitements mais aussi dans l'apparition de la reviviscence. L'application des traitements à des installations en vraie grandeur a permis de conforter les résultats expérimentaux et de mettre l'accent, dans le contexte des sites étudiés, sur les limites de leur efficacité et sur la nécessité d'ajustements des doses appliquées (concentrations des biocides, flux d'irradiation UV, mode d'application) aux particularités des contextes industriels.

L'objectif de la thèse est d'évaluer la faisabilité de la technologie de pile à combustible microbienne pour la production d'électricité couplée au traitement d'effluents de l'industrie papetière. La première partie du travail montre que de nombreux effluents papetiers permettent de former des biofilms anodiques efficaces. Lorsque les effluents sont complémentés en acétate et l'anode polarisée à -0,3V/ECS des densités de courant de 12 A/m² et des rendements faradiques de 90% ont été obtenus. Lorsque les effluents sont utilisés comme seuls substrats, les densités de courant atteignent 6 A/m² et les rendements faradiques 30%, avec des abattements de DCO jusqu'à 50%. Les biofilms anodiques optimaux ont été associées à des cathodes à air abiotiques pour concevoir des piles complètes. Des puissances surfaciques de 294 mW/m² à 596 mW/m² ont été obtenues avec deux effluents différents.