Rôle des Procaryotes dans la dynamique du nitrite dans la Seine

par Thibaut Cazier

Thèse de doctorat en Microbiologie environnementale

Soutenue le 16-10-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris) , en partenariat avec Milieux Environnementaux, Transferts et Interactions dans les hydrosystèmes et les Sols (laboratoire) .

Le jury était composé de Pierre Servais, Frédéric Garabetian, Hélène Agogué, Éric Viollier, Jean-Marie Mouchel.


  • Résumé

    Le nitrite est un intermédiaire de nombreuses voies du cycle de l’azote, mais est toxique pour la plupart des formes de vies aquatiques. Sa toxicité agit au niveau cellulaire pour les microorganismes, et au niveau de la respiration pour les organismes plus complexes. Il est généralement supposé que ce composé est éliminé rapidement dans l’environnement, et que les microorganismes responsables de son élimination sont efficaces. Cependant les concentrations de nitrite dépassent la norme européenne (1 µM) dans la Seine entre Paris et l’estuaire. Le nitrite est apporté dans la Seine en aval de Paris par les stations d’épuration (STEP), malgré l’ajout de traitements d’élimination de l’azote (nitrification et dénitrification). En plus de leur contenu chimique et organique, les eaux de sorties de STEP contiennent des microorganismes qui peuvent coloniser l’environnement en aval. Dans la colonne d’eau, les mesures de cinétique de nitrification ont montré que les oxydant du nitrite avaient une activité potentielle plus élevée que les oxydant de l’ammonium. De plus, la quantification des microorganismes nitrifiants par qPCR a montré que les oxydants du nitrite (Nitrobacter dans la Seine et Nitrospira dans les rejets de STEP) étaient plus abondants que les oxydants de l’ammonium. Malgré cela, les taux in situ d’oxydation du nitrite étaient similaires aux taux in situ d’oxydation de l’ammonium dans la Seine, bien qu’ils augmentent e tous deux en aval de la STEP. Cet équilibre entre production du nitrite (oxydation de l’ammonium) et élimination du nitrite (oxydation du nitrite) résulte en une très lente élimination du nitrite dans la colonne d’eau. Les hypothèses pouvant expliquer la faible efficacité de l’oxydation du nitrite seraient une inhibition des microorganismes oxydants le nitrite par des polluants présents en Seine, ou le basculement de leur métabolisme vers un comportement mixotrophe de ces oxydants du nitrite. En plus de l’impact significatif sur la concentration du nitrite dans la colonne d’eau, il a été observé un fort impact des STEP sur la composition et la distribution des microorganismes présents dans le sédiment. Les communautés microbiennes du sédiment étaient fortement modifiées par les rejets de STEP, et étaient fortement colonisés par les bactéries du genre Nitrospira. L’étude du sédiment a montré que ce compartiment de la Seine était une source de nitrite pour la colonne d’eau, bien que les taux étaient très faibles par rapport aux concentrations dans la Seine. Le nitrite était produit en conditions anoxiques en amont de la STEP (3-4 cm), mais en surface en aval de la STEP (0-1 cm). En conséquence, le sédiment parait plus sensible à l’influence de la STEP que la colonne d’eau. Dans son ensemble, le cycle de l’azote semble avoir un impact limité sur la dynamique du nitrite dans la Seine, dans la mesure où ses différentes étapes sont équilibrées. Il pourrait donc être supposé que la pollution en nitrite de la Seine est suffisamment peut importante pour ne pas déstabiliser le cycle de l’azote dans la Seine d’une façon mesurable.

  • Titre traduit

    Role of Procaryotes in the dynamics of the nitrite in the Seine River


  • Résumé

    Nitrite is an intermediate in many microbial pathways of the nitrogen cycle, but is also toxic for most form of aquatic life. It is toxic at a cellular level for microorganisms, and for the respiration of complex organisms. In general the elimination of this compound is assumed to be fast in the environment, and the microorganisms responsible efficient. In the Seine River however, nitrite concentrations exceed the European norm of 1 µM between Paris and the estuary. The nitrite is released in the Seine River downstream of Paris by the waste water treatment plants (WWTP) despite the addition of nitrogen removal treatments (nitrification and denitrification). In addition to its content chemical compounds and organic matter, the WWTP outlets also contain microorganisms which can colonize the environment downstream. In the water column, measurements of nitrification kinetics showed that nitrite oxidizers had a higher potential activity than ammonia oxidizers. Quantification of nitrifiers by qPCR showed that nitrite oxidizers, Nitrobacter in the environment and Nitrospira in the WWTP outlets were more abundant than ammonia oxidizers. Despite these facts, in situ nitrite oxidation rates were similar to ammonia oxidation rates in the Seine River, even if both were higher downstream of the WWTP. This balance between nitrite production (ammonia oxidation) and elimination (nitrite oxidation) results in a very slow elimination of nitrite in the water column. This led to hypothesize that low nitrite oxidizing’s efficiency was caused by either inhibition by pollutants in the Seine River, or use a mixotrophic metabolism by nitrite oxidizers. In addition to the significant impact on nitrite concentration in the water column, the WWTP were shown to have a significant impact on the composition and distribution of the microorganisms present in the sediment. The microbial communities of the sediment were shown to be highly modified by the WWTP outlets, and were heavily colonized by the Nitrospira genera. The study of the sediment showed that this compartment of the Seine River was a source of nitrite for the water column, even though the rates of production were not significant in relation to the concentrations of nitrite. The nitrite was produced in the anoxic zone upstream of the WWTP (3-4 cm) when it was produced near the surface downstream of the WWTP (0-1 cm). As a consequence, the sediment appears to be more sensitive to the impact of the WWTP than the water column. As a whole the nitrogen cycle in the Seine River was observed to have a very limited impact on the nitrite concentration in the Seine River as its different steps are balanced. This could be viewed as the fact that this nitrite pollution is low enough to not unbalance the nitrogen cycle of the Seine River in a measurable way.

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