Characterization of microbial communities in Technosols constructed for industrial wastelands restoration

par Farhan Hafeez

Thèse de doctorat en Sciences de la vie

Sous la direction de Laurent Philippot et de Fabrice Martin-Laurent.

Soutenue le 06-09-2012

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Environnements, Santé (Dijon) , en partenariat avec Agroécologie (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean Guzzo.

Le jury était composé de Christophe Schwartz.

Les rapporteurs étaient Emile Benizri, Francis Douay.

  • Titre traduit

    Caractérisation des communautés microbiennes dans les technosols construits pour la restauration des friches industrielles


  • Résumé

    L'augmentation de la dégradation des sols et ses conséquences sur les services écosystémiques nécessite le développement de stratégies de restauration de ces sols. La constitution de Technosols, résultant de l’assemblage de sols pollués et de déchet industriels, est une approche innovatrice pouvant à la fois permettre de restaurer les sols et de recycler des sous-produits industriels. Des études récentes ont mis en évidence que les Technosols pouvaient assurer des services écosystémiques tels que la production primaire. Toutefois, notre connaissances des autres services écosystémiques rendus par les Technosols tels que les cycles biogéochimiques est limitée. En raison de la contribution significative des communautés microbiennes aux cycles biogéochimiques dans les sols, l’objectif de ce travail de thèse était l’effet du type de Technosol sur les communautés microbiennes et plus particulièrement les communautés fonctionnelles impliquées dans le cycle de l’azote. Dans ce contexte, (i) la densité et la diversité de la communauté bactérienne totale, (ii) la densité de la communauté crenarchéenne ainsi que (iii) la densité et les activités des communautés nitrifiante et dénitrifiante ont été étudiées dans deux types de Technosols différents. Les résultats obtenus montrent que la diversité et la composition de la communauté bactérienne des deux Technosols n'étaient pas significativement différentes entre elles, et similaires à celles de ‘sols naturels’, les Proteobacteria étant le phylum dominant (50-80%). La densité de la communauté bactérienne oxydant l’ammonium était non seulement plus importante que celle des crenarcheae qui oxyde l’ammonium, mais est également corrélée avec l'activité potentielle de nitrification suggérant ainsi que les bactéries sont responsables de l’oxydation de l’ammonium dans les Technosols. La densité des dénitrifiants et de la communauté oxydant l’ammonium sont du même ordre de grandeur que celles observées dans les sols agricoles. L’analyse de la distribution de l'activité et de la densité des communautés nitrifiante et dénitrifiante dans les différents horizons des Technosols montre un effet négatif de la profondeur, cet effet étant plus marqué que l’effet du type de Technosol étudié. Les propriétés physico-chimiques des Technosols et la densité de la communauté bactérienne oxydant l’ammonium sont corrélés à l'activité de nitrification alors que l'activité de dénitrification était contrôlée principalement par les propriétés physico-chimiques des Technosols, et dans une moindre mesure par la densité de la communauté dénitrifiant possédant le gène nirS. L'estimation de la stabilité fonctionnelle du processus de dénitrification vis-à-vis de périodes stress hydrique et thermique a montré que les Technosols présentaient une plus haute résistance et une meilleure résilience que des sols remédiés par traitement thermique uniquement. Ce travail souligne le potentiel des Technosols à assurer les services écosystémiques tels que le cycle de l’azote, ainsi que leur forte capacité à résister et à se remettre de stress environnementaux. Tout ceci semble donc indiquer que la construction de Technosols est une technologie prometteuse qui pourrait permettre la restauration de friches industrielles et le recyclage des déchets industriels


  • Résumé

    Increasing soil degradation and its consequences on overall ecosystem services urge for restoration strategies. Construction of Technosols through assemblage of treated soil and industrial wastes is an innovative technology for the restoration of polluted land and re-use of industrial by-products. Recent studies have evidenced that Technosols could support ecosystemic services such as primary production but the knowledge about other soil functions, such as biogeochemical cycling, is limited. Due to the significant contribution of microbial communities to soil functioning, this PhD work was carried out to study the effect of the type of Technosol on microbial communities with a focus on functional guilds involved in N cycling. For this purpose, the abundance and diversity of the total bacterial community and the abundance of crenarchaeal community together with the abundance and activities of the nitrifying and denitrifying communities were investigated in two types of Technosols. Results demonstrated that diversity and composition of the bacterial community were similar to ‘natural soils’ and were not significantly different between the two Technosols with Proteobacteria being the dominant phylum (50-80%). The bacterial ammonia oxidizers were greater in number than crenarchaeal ammonia oxidizers but also correlated to the potential nitrification activity suggesting that bacteria are the dominant ammonia oxidizers in Technosols. The abundance of both the ammonia oxidizers and the denitrifiers were in the same range than that observed in other soil systems. Analyses of the vertical distribution of the activity and abundance of N-cycling communities in the Technosols showed a significant depth-effect, which was more important than the Technosol type-effect. Technosols physicochemical properties and the abundance of the bacterial ammonia oxidizers were the main drivers of the nitrification activity whereas the denitrification activity was controlled mainly by the Technosols physicochemical properties and, to a minor extent, by the abundances of the nirS denitrifiers. The estimation of the functional stability of the denitrification process against the heat-drought stresses revealed that Technosol exhibited the high resistance and resilience in comparison to the thermally treated soil. This work highlighted the potential of constructed Technosols to ensure the N cycling ecosystem services, along with a high capacity to resist and recover from environmental stresses, suggesting that construction of Technosols is a promising technology and a solution for the restoration of industrial wastelands and waste recycling


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