Exploration de la biodiversité bactérienne dans un sol pollué par les hydrocarbures : analyse par marquage isotopique du potentiel métabolique et de la dynamique des communautés impliquées dans la dégradation

par Florence Martin

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Yves Jouanneau.

Soutenue le 13-10-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (équipe de recherche) .

Le président du jury était Dominique Schneider.

Le jury était composé de Yves Jouanneau, Fabrice Martin-laurent, Gerard Blake, Sophie Ayrault, Bruno Chauffert.

Les rapporteurs étaient Robert Duran, Pascal Simonet, Bengt Jonsson.


  • Résumé

    Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des composés ubiquitaires issus de la combustion incomplète de matières organiques. Ils sont à l'origine de pollutions de l'environnement, surtout liées à l'exploitation des produits pétroliers, car ce sont des composés toxiques pour les êtres vivants et pour l'homme en particulier. De nombreuses bactéries capables de dégrader les HAP ont été isolées et étudiées, mais celles qui les dégradent in situ sont mal connues, car moins de 5% des bactéries du sol sont cultivables en laboratoire. Le premier objectif de cette étude était d'identifier les bactéries qui dégradent les HAP dans le sol par des méthodes moléculaires indépendantes de la culture. A cette fin, une stratégie de marquage isotopique in situ a été mise en œuvre qui repose sur l'utilisation du phénanthrène, un HAP à trois cycles, dans lequel l'isotope naturel du carbone a été remplacé par le 13C. Cette molécule a été introduite comme traceur dans des microcosmes contenant du sol provenant d'un bassin de rétention des eaux de ruissellement d'autoroute. Les bactéries ayant incorporé le 13C ont ensuite été identifiées par séquençage des gènes d'ARNr 16S amplifiés à partir de l'ADN marqué extrait du sol. Les résultats montrent que des Betaprotéobactéries peu étudiées à ce jour, appartenant aux genres Acidovorax, Rhodoferax, Hydrogenophaga et Thiobacillus, ainsi que des Rhodocyclaceae, étaient les principaux acteurs de la dégradation du phénanthrène. La prépondérance des Betaprotéobactéries a été établie par des mesures de PCR quantitative. Une analyse dynamique de la diversité bactérienne a montré que celle-ci changeait en fonction de la biodisponibilité du phénanthrène. En outre, la diversité d'arène-dioxygénases impliquées dans la dégradation des HAP a été explorée sur le plan phylogénétique et fonctionnel. Nous avons ainsi détecté des séquences nouvelles, pour la plupart apparentées à des dioxygénases de Sphingomonadales et de Burkholderiales. Grâce à la construction et l'expression d'enzymes hybrides, il a été possible, pour la première fois, d'associer une activité catalytique d'oxydation des HAP à des séquences partielles de gènes, amplifiées à partir de l'ADN du sol. Les résultats obtenus et les outils mis au point dans cette étude pourront servir à développer des méthodes de diagnostic et de suivi de biodégradation de polluants, par exemple dans le cadre d'opérations de bioremédiation de sites pollués par les HAP.

  • Titre traduit

    Bacterial diversity exploration in hydrocarbon polluted soil : metabolic potential and degrader community evolution revealed by isotope labeling


  • Résumé

    Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are ubiquitous compounds produced by incomplete combustion of organic matter. They are a source of environmental pollution, especially associated to oil product exploitation, and represent a threat for living organisms including human beings because of their toxicity. Many bacteria capable of degrading PAHs have been isolated and studied. However, since less than 5% of soil bacteria can be cultivated in the laboratory, bacterial species able to degrade PAHs in situ have been poorly studied. The first goal of this study was to identify bacteria that degrade PAHs in soil using culture-independent molecular methods. To this end, a strategy known a stable isotope probing has been implemented based on the use of phenanthrene, a three rings PAH, in which the natural isotope of carbon was replaced by 13C. This molecule has been introduced as a tracer in microcosms containing soil from a constructed wetlands collecting contaminated water from highway runoff. Bacteria having incorporated the 13C were then identified by 16S rRNA gene sequence analysis after PCR amplification from labeled genomic DNA extracted from soil. The results show that so far little studied Betaproteobacteria, belonging to the genera Acidovorax, Rhodoferax, Hydrogenophaga and Thiobacillus, as well as Rhodocyclaceae, were the key players in phenanthrene degradation. Predominance of Betaprotéobactéries was established thanks to quantitative PCR measurements. A dynamic analysis of bacterial diversity also showed that the community structure of degraders depended on phenanthrene bioavailability. In addition, the phylogenetic diversity of ring-hydroxylating dioxygenases, enzymes involved in the first step of PAH degradation, has been explored. We detected new sequences, mostly related to dioxygenases from Sphingomonadales and Burkholderiales. For the first time, we were able to associate a catalytic activity for oxidation of PAHs to partial gene sequences amplified from soil DNA, by constructing hybrid enzymes and assaying their activity The results obtained and the tools implemented in this study may be used to develop methods for the diagnostic and monitoring of pollutant biodegradation in processes such as bioremediation of PAHs contaminated sites.


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