Impacts des plastiques sur les communautés microbiennes d'eau douce et leurs consommateurs primaires

Impacts of plastics on freshwater microbial communities and their primary consumers

• Auteur / Autrice : Camille Touchet
• Direction : Laurent Simon, Florian Mermillod-Blondin, Stefan Krause
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie
• Date : Soutenance le 09/01/2025
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Écologie, des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Nicole Gilon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Simon, Rupert Perkins, Joan Artigas, Jean-François Ghiglione, Christelle Lopes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rupert Perkins, Joan Artigas, Jean-François Ghiglione
• DOI : 10.70675/94ed7d83z085bz4e41z9ad1z900579c11970

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Pollution par les composés inorganiques

Biofilms

Matières plastiques -- Biodégradation

Écotoxicologie

Plastisphère

Mots clés libres

Plastique

Biofilms

Eau douce

Écologie fonctionnelle

Écotoxicologie

Plastisphère

Plastic

Biofilms

Freshwater

Functionnal ecology

Ecotoxicology

Plastisphere

Résumé

Les plastiques sont des témoins matériels de l'Anthropocène en raison de leur utilisation intensive et de leur propagation à l’échelle mondiale. La mauvaise gestion des déchets plastiques, leur accumulation dans l'environnement et leur fragmentation en particules sont aujourd'hui des préoccupations majeures. La pollution plastique est très complexe en raison de la diversité de ces matériaux : ils résultent du mélange des résines polymères avec une variété d’additifs chimiques pour adapter les propriétés techniques des matériaux à leurs usages. Ces compositions chimiques spécifiques compliquent l'évaluation de leurs caractéristiques écotoxicologiques et de leurs impacts sur les fonctions de l'écosystème, notamment sur les communautés microbiennes qui colonisent les surfaces plastiques en formant un biofilm : la plastisphère. La plupart des études précédentes sur la plastisphère ont été réalisées dans des environnements marins et sur des microplastiques, sans tenir compte des caractéristiques des matériaux, qui peuvent exercer une forte influence sur les interactions plastique-biofilm. Par conséquent, la littérature sur la plastisphère d'eau douce est encore rare et les études difficilement comparables. La composition et le fonctionnement de la plastisphère d'eau douce ainsi que sa relation avec ses consommateurs primaires restent mal connus. Il est pourtant important d'étudier la plastisphère car les biofilms remplissent des fonctions cruciales en eau douce (production primaire, décomposition de la matière organique), qui soutiennent les flux biogéochimiques et les réseaux trophiques et protègent la qualité de l'eau. Les objectifs de ce travail sont de combler ces manques de connaissances afin de fournir une vue d'ensemble des effets des macroplastiques sur les biofilms d'eau douce et leurs consommateurs, ainsi que de caractériser les plastiques pour distinguer les effets inhérents au matériau (type de polymère, rugosité de surface) de ceux de sa composition chimique (composition en additifs liée à l’usage du matériau). Cette thèse s'articule autour de trois questions : comment les plastiques affectent-ils (1) la composition des biofilms d'eau douce ? (2) leurs activités métaboliques et le fonctionnement de l'écosystème ? et (3) la relation entre ces biofilms et leurs consommateurs primaires ? Trois expériences ont été menées pour y répondre, chacune d'entre elles couplant l’incubation sur le terrain de biofilms sur des matériaux plastiques et contrôle suivie d'analyses en laboratoire. Une caractérisation des matériaux plastiques menée en parallèle est mentionnée dans chaque expérience. L'expérience 1 étudie comment les plastiques et la composition chimique spécifique à leur usage affectent la composition du biofilm d'eau douce et ses activités métaboliques globales. Neuf matériaux aux usages contrastés (médical ou alimentaire, non médical ou alimentaire et contrôle) sont incubés pour comparer les caractéristiques des biofilms (biomasses, composition élémentaire et pigmentaire) et le métabolisme (flux d'oxygène et activité enzymatique) entre les matériaux et les usages. L'expérience 2 évalue les effets de la composition élémentaire du plastique sur la tolérance du biofilm à quatre contaminants environnementaux et sur son métabolisme hétérotrophe. Les compositions des biofilms (les biomasses et le métabarcoding de l'ARNr 16), l'activité hétérotrophe (bêta-glucosidase) et les niveaux de tolérance (EC50) à la toxicité aiguë sont mesurés. L'expérience 3 cible les effets des biofilms associés au plastique sur les transferts d'énergie vers les niveaux supérieurs du réseau trophique. Elle expose un organisme brouteur, modèle de consommateur primaire, aux biofilms incubés et cible la qualité nutritionnelle du biofilm (composition en nutriments), sa consommation par les brouteurs, et les effets écotoxicologiques sur le consommateur (la croissance, la production de fèces, la reproduction et l'exposition aux microplastiques).

Plastics are considered material witnesses of the Anthropocene due to their intensive use and their spreading worldwide. Their poor management, accumulation in the environment and fragmentation in particles are now major concerns. Plastic pollution is extremely complex due to the diversity of materials it refers to: plastics are versatile materials resulting from the mixing of polymer resins with a variety of chemical additives to adapt their technical properties to their intended applications. These application specific chemical compositions of plastics complicate the establishment of their ecotoxicological characteristics and impacts on ecosystem functions notably on microbial communities able to colonize plastic surfaces and form the ‘plastisphere’, a plastic-associated biofilm. Most previous studies of the plastisphere have been carried out in marine environments and on microplastics, without considering the characterization of plastic materials, which can have a strong influence on plastic-biofilm interactions. Consequently, the literature on freshwater plastisphere is still scarce and studies are difficult to compare. Several knowledge gaps were identified on freshwater plastisphere’s composition, functioning and on its relationship with primary consumers. The plastisphere is even more important to study as freshwater biofilms perform crucial functions (e.g. primary production, organic matter decomposition), supporting biogeochemical fluxes and food webs, and protecting water quality. The purposes of this thesis work are to fill the previously identified knowledge gaps to provide an overview of macroplastics effects on freshwater biofilms and their consumers as well as to characterize the plastics to distinguish the effects of the inherent characteristics of the material (i.e. polymer type and micro-scale parameters like surface roughness) from those of its chemical composition (i.e. additives composition linked to the intended application). It is structured around three key research questions: how plastics affects (1) freshwater biofilm composition? (2) the metabolic activities of biofilms and the ecosystem functioning? and (3) the relationship between biofilms and their primary consumers? Three main experiments were conducted to reach these objectives, each of which coupling a field incubation of biofilms on plastics and glass materials followed by laboratory analyses. Plastics characterization has been conducted in parallel and is referred to in every experiment. Experiment 1 studies how plastic materials and their application-specific chemical composition affect freshwater biofilm composition and global metabolic activities. Nine materials with contrasted applications (medical or food grade, non-medical or food grade and control) are incubated to compare biofilms characteristics (i.e. biomasses, elemental and algal pigment composition) and metabolism (i.e. oxygen fluxes and enzymatic activity) among materials and applications. Experiment 2 aims to evaluate the effects of plastic elemental composition on the microbial community tolerance to four other environmental contaminants and on general heterotrophic metabolism. Biofilms compositions (i.e. microbial biomasses and 16 rRNA metabarcoding) and heterotrophic activity (beta-glucosidase activity) are characterized and the tolerance levels (EC50) of biofilms to acute toxicity are measured. Experiment 3 evaluates the effects of plastic-associated biofilms on the energy transfers to higher levels of the trophic network, through a feeding experiment with a grazer organism as a model of biofilm primary consumer. It targets biofilm nutritional quality (i.e. nutrient content) and consumption by grazers as well as ecotoxicological effects on the consumer (i.e. growth, feces production, reproduction, microplastics exposure).