Analyse multi-échelle de l'impact du lithium sur les microorganismes

Multiscale analysis of the impact of lithium on microorganisms

• Auteur / Autrice : Nicolas Fierling
• Direction : Pascale Bauda, Damien Blaudez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ecotoxicologie, Biodiversité, Ecosystèmes
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIEC - Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : EMMA - Ecologie Microbienne des Milieux Anthropisés
• Jury : Président / Présidente : Marc Hanikenne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Bauda, Damien Blaudez, Patrick Billard, Virginie Chapon, Sylvie Friant, Agnes Rodrigue
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Virginie Chapon, Marc Hanikenne

Mots clés

Mots clés libres

Délétomique

Escherichia coli

Ingénierie évolutive

Métabarcoding

Protéomique

Saccharomyces cerevisiae

Deletomic

Escherichia coli

Evolutionary engineering

Metabarcoding

Proteomic

Saccharomyces cerevisiae

Résumé

Le lithium (Li) est un métal stratégique dont les propriétés sont convoitées dans de nombreux domaines (fabrication d'alliage, médecine, nouvelles technologies). Par son rôle prédominant dans la fabrication des batteries, le Li est devenu indispensable pour la production d'énergie décarbonisée. Cependant, son rejet dans l'environnement associé à un faible taux de recyclage le placent comme un contaminant émergent dont la toxicité potentielle reste largement méconnue. Afin d'établir une base générale de l'impact du Li, nous avons, dans une première approche, exploré les effets du Li sur les communautés microbiennes telluriques. La mise en place de microcosmes de sol a permis d'étudier l'impact d'un gradient de LiCl sur la diversité et l'activité bactérienne et fongique. L'analyse par métabarcoding de la diversité fongique a révélé que Leptodontidium, Solicoccozyma et Trichoderma étaient négativement corrélés au gradient de Li, alors que Oidiodendron et Saitozyma étaient positivement corrélés. Concernant les bactéries, la majorité des genres était négativement impactée comme Conexibacter, Bradyrhizobium et Edaphobacter. A l'inverse, Alicyclobacillus, qui était minoritaire aux faibles concentrations, et devenu le taxa le plus abondant aux fortes concentrations. Corrélée à ces variations d'abondances, une baisse de l'activité de nombreuses enzymes comme la phytase, chitinase, glucuronidase et β-galactosidase a été mise en évidence. En parallèle, une campagne de prélèvement de sols, champignons et plantes dans des zones naturellement enrichies en Li a également permis de constater l'impact du Li sur les communautés microbiennes, ainsi qu'un faible transfert du Li d'origine naturelle dans les tissus fongiques et végétaux. Dans une deuxième approche, les réponses cellulaires et moléculaires à un stress Li ont été étudiées chez deux modèles : eucaryote Saccharomyces cerevisiae et procaryote Escherichia coli. Trois stratégies complémentaires et sans a priori de délétomique, protéomique et d'ingénierie évolutive ont ainsi été appliquées. La majorité des réponses au Li mises en évidence s'avèrent communes à d'autres métaux alcalins et alcalino-terreux. Le système de transport vacuolaire, endosomal et cytosolique, et la signalisation cellulaire sont des fonctions cruciales pour la réponse de la levure à un stress Li. La synthèse de la capsule et du peptidoglycane, impliquant la glycosyltransférase RodA, sont quant à elles centrales dans la réponse d'E. coli. Toutefois, des fonctions spécifiques au Li ont également pu être identifiées, tels que le système NMD (nonsense-mediated decay) chez S. cerevisiae, la sous-unité AcrA d'une pompe à efflux chez E. coli ou la synthèse d'acides aminés chez les deux organismes. En conclusion, ces travaux de thèse constituent une base solide et multi-échelle des réponses des microorganismes exposés à ce contaminant émergent. Les résultats obtenus fournissent de nouvelles données sur les mécanismes de toxicité et de résistance spécifiques au Li de ces deux organismes modèles, et soulignent l'importance d'une stratégie multi-approches dans la caractérisation des mécanismes moléculaires mis ne place en réponse au stress Li.

Lithium (Li) is a strategic metal whose properties are highly used in many fields (alloy manufacturing, medicine, new technologies). Due to its predominant role in battery production, Li has become essential for decarbonized energy generation. However, its release into the environment, combined with low recycling rates, positions this metal as an emerging contaminant with largely unknown potential toxicity. To improve our knowledge, in a first approach, the effects of Li on terrestrial microbial communities were explored. The establishment of soil microcosms allowed for studying the impact of a LiCl gradient on fungal and bacterial diversity and activity. Metabarcoding analysis on fungi revealed that Leptodontidium, Solicoccozyma, and Trichoderma were negatively correlated with the Li gradient, whereas Oidiodendron and Saitozyma were positively correlated. Regarding bacteria, most genera were negatively affected, such as Conexibacter, Bradyrhizobium, and Edaphobacter. In contrast, Alicyclobacillus, which was a minor taxon at low concentrations, became the most abundant taxon at higher concentrations. In accordance with these variations, a decrease in the activity of several enzymes, such as phytase, chitinase, glucuronidase, and β-galactosidase, was measured. Additionally, soil, mushrooms, and plants sampling campaigns in naturally Li-enriched areas also demonstrated the impact of Li on microbial communities, and a very low transfer of naturally occurring Li in mushroom or plant tissues. In a second approach, cellular and molecular responses to Li stress were studied in the eukaryotic model Saccharomyces cerevisiae and the prokaryotic model Escherichia coli. Three complementary and unbiased strategies—deletomics, proteomics, and evolutionary engineering—were applied. The majority of the Li responses identified were common with those triggered by other alkali and alkaline earth metals. Vacuolar, endosomal, and cytosolic transport systems, as well as cellular signaling, are crucial functions in response to Li stress in yeast. In E. coli, capsule and peptidoglycan synthesis, involving the glycosyltransferase RodA, are central for its response to Li. However, Li-specific functions were also identified, such as the NMD (nonsense-mediated decay) system in S. cerevisiae, the AcrA subunit of an efflux pump in E. coli, and amino acid synthesis in both organisms. In conclusion, this thesis provides a solid, multi-scale foundation for understanding the responses of microorganisms exposed to this emerging contaminant. The results provide new toxicity and resistance data specific to Li for these two model organisms and emphasize the importance of a multi-approach strategy in characterizing the molecular mechanisms involved in response to Li stress.