Dynamique structurelle des biofilms exposés à des métaux.

Structural dynamics of biofilms exposed to metals.

• Auteur / Autrice : Sarah Gourgues
• Direction : Severine Le faucheur, Maria soledad Goni urriza
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Aspects moléculaires
• Date : Soutenance en 2025
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Rémy Guyoneaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Séverine Le faucheur, Maria Soledad GOñI-URRIZA, Chloé Bonnineau, Jean-François Briand, Stéphane Pesce
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Briand, Stéphane Pesce

Mots clés

Mots clés libres

Microbiologie

Génomique environnementale

Écotoxicologie

Bioindication

Biologie moléculaire

Molecular Biology

Environmental genomics

Ecotoxicology

Bioindication

Microbiology

Résumé

Dans les écosystèmes lotiques, les biofilms, composés de bactéries, archées, microalgues, champignons et méiofaune, sont le lieu de nombreuses interactions façonnant leur structure et fonctions. Situés à la base de la chaîne trophique, les biofilms jouent un rôle clé dans les flux d'énergie et de nutriments. Ces bioindicateurs de la santé des rivières sont souvent étudiés par des approches cloisonnées, analysant séparément les compartiments microbiens, et négligeant les interactions microbiennes. Elles fournissent une image incomplète des effets des contaminants. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de proposer un outil intégratif pour la biosurveillance de l'eau prenant en compte tous les compartiments microbiens et leurs interactions au sein des biofilms de rivières. Ce travail s'est donc concentré sur les effets des métaux sur l'ensemble des compartiments microbiens des biofilms : les procaryotes et les microeucaryotes. Les métaux étudiés, le cobalt (Co), le nickel (Ni), le manganèse (Mn) et le lithium (Li) sont des éléments cruciaux dans la transition énergétique en raison de leur utilisation dans les batteries des véhicules électriques. Deux expériences d'exposition ont été menées avec la culture de biofilms pendant 28 jours dans des mésocosmes extérieurs mimant des cours d'eau. Ces rivières artificielles ont été contaminées par du Co seul lors de la 1ère expérience et en mélange avec du Li, Ni et Mn lors de la 2ème expérience. La résilience du biofilm a également été évaluée pendant 35 jours après la fin de l'exposition aux métaux. L’approche moléculaire du métabarcoding a été utilisée pour caractériser la structure des communautés microbiennes, la diversité et les interactions. Le potentiel fonctionnel des procaryotes a été également analysé. Les paramètres biologiques traditionnels utilisés en écotoxicologie microbienne (bioaccumulation, biomasse, teneur en chlorophylle ainsi que les effets sur les diatomées) ont également été étudiés. Les procaryotes se révèlent être de bons bioindicateurs de la contamination par le Co dans les rivières, au même niveau que les Bacillariophyceae (diatomées). Des changements importants ont également été observés dans les proportions des groupes de Cyanobacteria, Bacteroidetes et Planctomycetes accompagnés d’une réduction du potentiel photosynthétique et d’une augmentation des voies alternatives de fixation du carbone par les procaryotes. Les membres photosynthétiques des biofilms étaient globalement très sensibles au Co. Les réseaux de co-occurrence, incluant à la fois les procaryotes et les eucaryotes, ont révélé une réorganisation de la structure du réseau microbien (topologie) pour compenser le déséquilibre du couplage autotrophe-hétérotrophe causé par le Co. Sous cette pression, les procaryotes sont devenus les principaux taxons clés, alors qu'ils partageaient cette fonction avec les microalgues dans les biofilms control. La contamination avec un cocktail de métaux (Li(Co,Ni,Mn)1/3) lors de la deuxième expérience a confirmé l’intérêt des taxons clés comme bioindicateurs, puisqu’ils apparaissent très sensibles à la contamination. La topologie du réseau de co-occurrence a été moins impactée qu’avec le Co seul. En effet, des modifications n’ont été observées qu'au niveau du traitement le plus élevé. Les biofilms sont apparus plus résistants à la contamination. En tant qu’acteurs critiques dans la réponse microbienne aux changements environnementaux, les taxon clés présentent un potentiel intéressant en tant que bioindicateurs pour les diagnostics environnementaux. Ces études offrent de nouvelles perspectives quant à l'utilisation d'un outil intégratif pour l'écotoxicologie microbienne et l'évaluation des risques. Cette approche, basée sur les réseaux de cooccurrence et l'identification de taxons clés, fournit une vision holistique des réponses microbiennes aux perturbations environnementales.

In lotic ecosystems, biofilms are hotspots of microbial diversity (bacteria, archaea, microalgae, fungi and meiofauna), whose interactions support their structure and functioning. Located at the base of the trophic chain, biofilms play key roles in energy and nutrients fluxes in rivers. In recent years, biofilms have been widely described as a useful bioindicator of river health. However, most of the studies assess changes in water quality by examining microbial compartments separately. Such compartmentalized approaches, as the traditional analyses of diatoms used in biomonitoring frameworks, overlook the microbial interactions and provide an incomplete picture of contaminants effects at the ecosystem level. Based on these limitations, the overall aim of this PhD is to propose an integrative tool for water biomonitoring that considers all microbial compartments and their interactions within river biofilms. This work focused on metal effects on the overall microbial compartments of biofilms: prokaryotes and microeukaryotes. The metals of interest, namely cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn) and lithium (Li) are crucial elements involved in the energy transition due to their use in battery of electric vehicles. Two exposure experiments were performed in which biofilms were grown during 28 days using outdoor mesocosms mimicking stream ecosystems. These artificial streams were contaminated with Co alone in a first experiment or in mixture with Li, Ni and Mn in a second experiment. Biofilm recovery was also assessed for 35 days after the end of metal exposure. Molecular approaches using metabarcoding allowed the characterization of microbial communities’ structure, diversity, interactions, and prokaryotic functional potential. Traditional biological parameters commonly used in microbial ecotoxicology, such as bioaccumulation, biomass, chlorophyll content as well as effects on diatoms were also studied. In the first experiment prokaryotes appeared as relevant bioindicators of Co contamination in rivers, at the same extent as Bacillariophyceae (diatoms). Significant changes were observed in the proportions of major groups such as Cyanobacteria, Bacteroidetes, and Planctomycetes. A reduction in photosynthetic potential and an increase in alternative carbon fixation pathways by prokaryotes were also identified. Overall, photosynthetic members of the biofilms were highly sensitive to Co. The co-occurrence network including both prokaryotes and eukaryotes, revealed a complete reorganization of microbial network structure (topology) to counteract the disruption of autotrophic-heterotrophic coupling caused by Co contamination. Prokaryotes became the dominant keystone taxa under Co pressure, whereas they were equally shared between microalgae and prokaryotes in control biofilms. The contamination of river waters with a cocktail of metals (Li(Co,Ni,Mn)1/3) demonstrated that keystone taxa were the most sensitive endpoint within the co-occurrence network approach for biomonitoring of aquatic environments. Interestingly, in that case, the microbial network topology was not affected to the same extent than that of the first experiment, with modifications observed only at the highest contamination level. The biofilms appeared more resistant to metal contamination. However, the keystone taxa known as functionally relevant organisms were strongly affected by metals. These taxa are essential drivers of microbial responses to environmental changes and emerged significant potential as bioindicators for environmental diagnostics. These studies offer new insights into the use of an integrative tool for microbial ecotoxicology and environmental risk assessment. This approach, based on co-occurrence networks and the identification of keystone taxa, provides a holistic view of microbial responses to environmental disturbances.