Les traits stoechiométriques microbiens : des outils pour comprendre et prédire les réponses des décomposeurs microbiens aux changements globaux

Microbial Stoichiometric Traits : A Toolbox for Understanding and Predicting Responses of Microbial Decomposers to Global Changes

• Auteur / Autrice : Ziming Wang
• Direction : Michaël Danger, Aurélie Cébron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écotoxicologie, biodiversité, écosystèmes
• Date : Soutenance le 13/07/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Bauda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Danger, Aurélie Cébron, Andreas Bruder, Julie Leloup, Isabel Fernandes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Bruder, Julie Leloup

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changement global de l'environnement

Stoechiométrie

Traits fonctionnels

Microorganismes -- Analyse

Biodégradation

Litière forestière

Écologie microbienne

Mots clés libres

Stœchiométrie écologique

Changements globaux

Décomposeurs microbiens

Ratios N:P

Litière végétale

Écologie microbienne

Ecological stoichiometry

Global changes

Microbial decomposers

N:P ratios

Plant litter

Microbial ecology

Résumé

La décomposition de la litière végétale est un processus fondamental de l'écosystème et la principale source d'énergie et de nutriments dans les cours d'eau. Toute altération de ce processus peut entraîner des conséquences importantes sur le cycle des nutriments. Les décomposeurs, y compris les hyphomycètes aquatiques (HA) et les bactéries hétérotrophes, jouent un rôle central dans la décomposition, mais leurs exigences stœchiométriques et leur plasticité élémentaire restent peu étudiées. Alors que les décomposeurs ont besoin de nutriments inorganiques pour équilibrer leurs besoins élémentaires lors de la décomposition de la litière végétale appauvrie en nutriments, les ratios élémentaires optimaux spécifiques pour les espèces et les communautés de décomposeurs restent largement inconnus. Les résultats d'études expérimentales menées en conditions contrôlées ont permis de confirmer la large plasticité élémentaire de la biomasse fongique, tant à l'échelle individuelle qu'à l'échelle de la communauté. Cette plasticité est apparue plus importante pour le phosphore (P) que pour l'azote (N), et l'immobilisation des nutriments s'est produite rapidement (observée pour le P inorganique après 18 h d'ajout de nutriments). En évaluant la décomposition de la litière de feuilles le long des gradients N:P, les communautés de décomposeurs comprenant les HA — mais pas les bactéries seules — ont pu maintenir des intensités élevées de décomposition même à des teneurs en P extrêmement faibles et lorsque N était suffisant, suggérant des capacités élevées des HA à remobiliser leur P interne. De plus, la quantification de l'abondance relative des espèces dans les assemblages de HA a suggéré que les traits stœchiométriques individuels participaient à la distribution des espèces le long du gradient N:P, mais qui n'étaient pas suffisants pour expliquer entièrement les structures des assemblages. Contrairement aux assomptions générales et bien qu'elle soit liée au gradient N:P disponible, la minéralisation des nutriments (c'est-à-dire la libération nette de nutriments inorganiques de la litière) est restée limitée, mais le processus d'immobilisation des nutriments était dominant, du moins pendant la durée de nos expériences. Enfin, les contaminants et la variation de température ont pu modifier de manière significative les ratios N:P optimaux pour la décomposition par les décomposeurs. Ces résultats suggèrent des impacts importants — et potentiellement prédictible — de ces stresseurs sur l'intensité et la dynamique de la décomposition microbienne de la litière végétale. Les résultats de ces travaux confirment que la combinaison de traits stœchiométriques avec d'autres traits écologiques et biologiques permettrait certainement de comprendre plus en profondeur le processus de décomposition et sa réponse aux changements globaux.

Decomposition of plant litter is one of the most important processes driving ecosystem functioning, it is the main energy and nutrient source in forested headwater streams. Any impairment of this process can have significant consequences for nutrient cycling. Decomposers, including aquatic hyphomycetes (AH) and heterotrophic bacteria, play a central role in decomposition, but their stoichiometric requirements and elemental plasticity remain understudied. While decomposers require inorganic nutrients to balance their stoichiometric requirements when breaking down nutrient-depleted plant litter, the specific optimal elemental ratios for species and communities of decomposers remain largely unknown. Results of different experimental studies carried out in controlled conditions first allowed to confirm the wide elemental plasticity of fungal biomass, both at the individual and at the assemblage/community scales. This plasticity appeared greater for phosphorus (P) than for nitrogen (N), and nutrient immobilisation occurred very quickly (observed for inorganic P after an 18h of nutrients addition). When evaluating leaf litter decomposition along N:P gradients, decomposer communities containing AH - but not bacteria alone - were able to maintain the decomposition process at high levels even at extremely low P contents and when N was sufficient, suggesting high capacities of AH to remobilise their internal P. Also, quantification of species relative abundances in AH assemblages suggested that individual stoichiometric traits participated to species distribution along the N:P gradient but were not sufficient to entirely explain assemblage structures. Contrary to common assumptions, while related to available N:P gradient, nutrient mineralisation (i.e. net release of inorganic nutrients from plant litter) remained limited, and nutrient immobilisation was the dominant process, at least for the duration of our experiments. Finally, both contaminants and temperature variations were able to significantly change the optimal N:P ratios for litter decomposition by decomposer communities, suggesting large - and potentially predictable - impacts of these stressors on the intensity and the dynamic of microbial decomposition of plant litter in ecosystems. All the results from these studies confirm that combining stoichiometric traits with other ecological and biological traits would certainly allow our understanding in depth, the decomposition process, and its response to global changes.