Impact de la pollution plastique sur les communautés microbiennes de rivière

Impact of plastic pollution on river microbial communities

• Auteur / Autrice : Lucie Laffet
• Direction : Joan Artigas, Anna M. Romani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de la Vie, Santé, Agronomie, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Microorganismes : Génome et environnement
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Pesce
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eugènia Marti, Boris Eyheraguibel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Pesce, Helena Guasch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie microbienne

Écologie des cours d'eau

Pollution de l'eau

Microplastiques

Mots clés libres

Pollution macroplastique

Polyéthylène

Plastique biosourcé

Communautés microbiennes

Rivière

Impact

Macroplastic pollution

Polyethylene

Bio-Sourced plastic

Microbial communities

River

Impact

Résumé

La pollution plastique, résultant de la production massive et de l'utilisation de plastiques depuis le 20e siècle, est omniprésente dans la biosphère. Les plastiques, conçus pour leur durabilité, perdurent des décennies, voire des siècles, et se fragmentent en microplastiques, répandus partout, des fonds marins aux montagnes. Dans le milieu aquatique, les plastiques favorisent la formation de communautés microbiennes, appelées "plastisphère", similaires aux biofilms aquatiques naturels. Les écosystèmes marins ont été largement étudiés pour quantifier la présence de plastiques, en particulier de microplastiques, et leur impact sur les communautés microbiennes. Cependant, les écosystèmes d'eau douce ont été moins explorés que les écosystèmes marins, tant sur la présence de plastiques que sur l'impact de ces derniers sur les communautés microbiennes naturelles du benthos de la rivière. De plus, la fraction de taille la plus étudié correspond aux microplastiques par rapport aux macroplastiques.La première partie de cette thèse a comparé la colonisation microbienne entre deux types de plastiques (non biodégradable et biodégradable) et des substrats naturels (sédiments, rochers et feuilles) sur deux sites de rivières, avec des niveaux de pollution plastique distincts. Cette comparaison a été faite avec l'analyse des descripteurs structuraux et fonctionnels des communautés microbiennes. De façon globale, les densités microbiennes et les activités de décomposition du carbone, azote et phosphore organique étaient plus élevées au niveau des substrats naturels (sédiments, rochers et feuilles) qu'au niveau des substrats plastiques. Ceci peut être dû à une plus grande disponibilité en carbone organique et en nutriments dans les substrats naturels. Les microorganismes de rivière ont montré des différences de colonisation, avec une densité bactérienne et des activités enzymatiques plus élevées sur le plastique biodégradable dans le site en aval. En conséquence, la présence de macroplastiques biodégradables augmenterait davantage l'hétérotrophie de l'écosystème fluvial que la présence de macroplastiques non biodégradables.La deuxième partie a évalué l'impact structurel et fonctionnel des deux types de plastiques sur les communautés microbiennes des sédiments et rochers en microcosmes de rivière. Les résultats ont montré des effets contrastés en fonction de l'échelle d'étude. Au niveau du substrat, l'ajout de plastique non biodégradable a augmenté l'activité enzymatique β-glucosidase et l'ajout de plastique biodégradable a réduit la densité fongique sur les communautés microbiennes des rochers. Cependant, à l'échelle du microcosme, la présence des deux plastiques a réduit les activités N-acetyl-glucosaminidase et phosphatase ainsi que les biomasses fongique et algale présents dans l'ensemble du microcosme. Tant à l'échelle du substrat qu'à l'échelle du microcosme, l'ajout de litières de feuilles tend à réduire l'impact des plastiques sur les communautés microbiennes naturelles.L'impact des plastiques sur les communautés microbiennes benthiques dépend de divers facteurs, notamment le type de plastique, les conditions physico-chimiques de la rivière, la présence de substrats organiques (ex. feuilles) et de l'échelle de l'étude. Cette recherche met en évidence l'impact des macroplastiques sur la structure et la fonction des communautés microbiennes des rochers et appel à un équilibre dans la recherche sur la pollution plastique, au-delà des microplastiques.

Plastic pollution, resulting from massive production and use of plastic polymers since the 20th century, is now ubiquitous in the biosphere. Plastics durability makes them able to persist for decades to centuries, fragmenting into microplastics, that can accumulate everywhere from the deep ocean to the top of the mountains. In aquatic environments, plastics promote the formation of microbial communities similar to natural aquatic biofilms known as the 'plastisphere'. While the presence and impact of plastics on microbial communities has been extensively characterized for the marine ecosystems, freshwater ecosystems have been less explored. Furthermore, most of the studies focus on the effect of the microplastics size fraction rather than on macroplastics.The first part of this thesis compared the microbial colonization between two plastic types (non-biodegradable and biodegradable) and natural substrata (sediments, rocks, and leaves) in two sites of the same watershed with contrasting plastic-pollution levels. This comparison included an analysis of the structural and functional descriptors of microbial communities during substrata colonization. Overall, microbial densities and enzymatic activities involved in organic carbon, nitrogen, and phosphorous decomposition were higher on natural substrata (sediments, rocks, and leaves) than on plastics substrata. This could be due to the greater availability of organic carbon and nutrients in natural substrata. River microorganisms exhibited colonization differences between plastic types at the downstream site, with higher bacterial density and enzymatic activities values measured on the biodegradable compared to the non-biodegradable plastic. Consequently, the presence of biodegradable macroplastics would increase heterotrophy to the river ecosystem more than the presence of non-biodegradable macroplastics.The second part assessed the structural and functional impact of the same plastic types on sediment and rock microbial communities in a river microcosm experiment. Main findings revealed contrasting plastic effects depending on the approach used. At the substratum scale, the addition of non-biodegradable plastic increased β-glucosidase activity and the addition of biodegradable plastic reduced the fungal density in microbial communities from rocks. However, at the microcosm scale, the presence of both plastics reduced N-acetyl-glucosaminidase and phosphatase activities, as well as fungal and algal biomasses in the entire microcosm. At both substratum and microcosm scales, the addition of leaf litter tended to mitigate the plastic impact on microbial communities, especially those from rocks.The impact of plastics on benthic microbial communities depends on several factors, including the plastic type, water physicochemical characteristics, the presence of organic substrata (e.g. leaves), and the scale of the study. This research highlights the impact of macroplastics on the structure and function of rock microbial communities, and calls for a more balanced research between the study of microplastics and plastics form other size fractions.