Réponses de la communauté périphytique aux métaux-traces : impacts génétiques et fonctionnels

• Auteur / Autrice : Armelle Autret
• Direction : Thierry Berthe, Lise Fechner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie environnementale
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Rouen
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Morphodynamique continentale et côtière (Caen1996-....) - Hydrosystèmes et bioprocédés (2005-2019)
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Soizic Morin, Maria Elena Gomez Hernandez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microorganismes -- Métabolisme

Interaction gène-environnement

Expression génique

Résistance à la pollution de l'eau

Diversité bactérienne

Effets des métaux

Périphyton

Résumé

Les cours d’eau sont caractérisés par une contamination diffuse et chronique, exerçant une pression sur les organismes vivants des milieux aquatiques. La nécessité d’évaluer la vulnérabilité de ces écosystèmes à cette pression anthropique a permis le développement de bio-indicateurs pour déterminer l’impact sur différents organismes. Les biofilms de rivières (ou périphyton) représentent un outil pertinent à l’échelle d’une communauté, en tant que base de la chaîne trophique pour évaluer la contamination chimique diffuse des milieux aquatiques. Ce travail de thèse vise à explorer l’adaptation physiologique et/ou génétique des biofilms face à une contamination métallique. Dans cette optique, une approche multidisciplinaire a été utilisée pour étudier les modifications génétiques et fonctionnelles expliquant cette adaptation aux métaux-traces de la composante bactérienne. L’impact des métaux-traces sur les communautés périphytiques a été évaluée au niveau de la diversité bactérienne spécifique (par séquençage haut-débit) et fonctionnelle (approche MicroResp™), en corrélation avec les niveaux de tolérances (évalués par l’approche Pollution Induced Community Tolerance). Parallèlement, cet impact a été recherché sur la bioaccumulation des métaux-traces au sein du biofilm et sur l’abondance de gènes de résistance bactériens aux métaux-traces. Cette étude a été effectuée sur des biofilms exposés, en conditions contrôlées, à une contamination d’une part au cadmium et/ou au zinc et d’autre part celui au cuivre et/ou à l’argent. Ces travaux de thèse ont permis de caractériser par différentes approches l’influence des métauxtraces sur les biofilms qui diffère selon le métal et/ou le type d’exposition (mono- ou bi-exposition). L’impact des métaux-traces se traduit par une modification de la composition et de la structure des communautés périphytiques en sélectionnant des genres bactériens spécifiques sans que ces modifications induisent une acquisition de tolérance. Toutefois, le biofilm bi-exposé au cadmium et au zinc a montré une multi-tolérance, qui peut être expliqué par l’expression d’un gène de résistance et la bioaccumulation des deux métaux-traces. Ce résultat n’a pas pu être associé directement à la cotolérance au cuivre du biofilm exposé à l’argent. L’impact fonctionnel de l’exposition métallique a été observé pour la majorité des biofilms étudiés, excepté celui exposé à une faible concentration d’argent. L’exposition métallique a engendré une adaptation génétique et fonctionnelle de la composante bactérienne, qui est dépendante du métal et de la pression de sélection qu’il a exercé sur le périphyton. Ces résultats permettent d’établir une empreinte génétique de la contamination métallique, qui pourra être utilisée comme marqueur dans la caractérisation du futur bio-marqueur périphytique.

Human activities have increased the contamination in aquatic ecosystems, especially in urban areas, with diffuse and chronic mixtures of micro-pollutants at low concentrations. Linking urban pollution to biological effects depends on the knowledge of biological-mechanisms of different aquatic indicators of stream ecological health. In contrast to single-species endpoints, the microbial community provides a good level of biological organization to evaluate the toxic impacts on living organisms with different levels of sensitivity. As the basis of aquatic systems, river biofilms allow assessing the possibility of toxic effects on the food-web of micro-pollutants currently affecting aquatic systems, such as early-warning indicators. A multidisciplinary approach has been applied to study at different level of response to bacterial periphytic communities to trace-metal exposure. The metallic adaptation of bacterial communities relies on the assumption: tolerant components of the community, such as species, genotypes or phenotypes, will replace sensitive components during metallic exposure. This adaptive response was appraised in one hand by the metallic-tolerance level and on the other hand by the research of the functional and genetic modification of the bacterial community. Then, the bacterial diversity was characterized by high-throughput sequencing and the occurrence and expression of specific genes involved in trace-metal tolerance were research within these communities. The functional diversity has been observed by the MicroResp™ approach, in order to study the community level physiological profile. A measure of the metallic bioaccumulation has been carried out, to distinguish the mechanism of resistance of the biofilm. The study was assessed on metallic-exposed periphytic communities in a microcosm approach, as mono- or bi-metallic exposure to cadmium and/or zinc and to silver and/or copper. For both exposures, the bacterial response was reform according to the metal and the type of exposure (mono- or bimetallic). The composition and/or the structure of the bacterial periphytic community were influenced, without altered the metallic-tolerance level measured for the most exposed-communities. Metallic exposure generated a genetic and functional adaptation of the bacterial component, which is dependent on the metal and its pressure of selection on the periphyton. These results allow establishing a genetic fingerprint of the metallic contamination, which can be used for characterization of the future periphytic biomarker.