Facteurs de structuration des communautés microbiennes de la couche limite atmosphérique

par Romie Tignat-Perrier

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Aurélien Dommergue.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Géosciences de l'Environnement (laboratoire) depuis le 26-10-2016 .


  • Résumé

    La couche limite planétaire est la couche atmosphérique la plus basse qui est en interaction directe et constante avec les surfaces terrestres et marines sur lesquelles se concentrent les activités humaines, les cultures et divers écosystèmes. Comprendre l'origine de sa composition à la fois chimique et microbiologique est fondamental dans notre étude approfondie de la biosphère. Alors que les microorganismes de la couche limite planétaire – retrouvés jusqu'à 106 cellules par mètre cube d'air – semblent varier significativement à l'échelle spatiale et temporelle en termes de concentration et de diversité, ils restent largement méconnus. L'objectif principal de cette thèse est de comprendre comment se structurent les communautés microbiennes dans la troposphère, et en particulier dans la couche limite planétaire, ainsi que d'identifier les facteurs de contrôle majeurs. En travaillant sur des échantillons collectés pendant plusieurs semaines sur neuf sites répartis sur la planète, et en utilisant les technologies de séquençage ADN haut-débit, nous avons étudié la composition taxonomique et fonctionnelle des communautés microbiennes de la phase gazeuse et solide de l'atmosphère (c'est-à-dire non associés aux nuages). Nos premiers résultats sur la taxonomie des communautés microbiennes révèlent que les surfaces proches des sites sont les contributeurs principaux de distribution des communautés microbiennes atmosphériques, malgré l'occurrence potentielle du transport longue-distance des microorganismes atmosphériques. Egalement, les conditions météorologiques combinées à la diversité des surfaces locales terrestres ou océaniques jouent un rôle important dans la variation temporelle de la structure des communautés microbiennes de la couche limite planétaire. Une deuxième étude nous a permis d'étudier davantage la variation temporelle des communautés microbiennes atmosphériques sur un site continental montagneux en France (1465 m d'altitude) sur une année complète. Cette étude révèle l'importance des conditions de surface des paysages aux alentours dans la composition taxonomique des communautés atmosphériques. L'évolution au cours de l'année des terres agricoles et de la végétation, qui composaient en majeure partie le paysage du site, était responsable du changement temporel observé dans la composition taxonomique des communautés microbiennes atmosphériques. Finalement, nous avons étudié la composition fonctionnelle des communautés microbiennes de la couche limite planétaire afin d'identifier si les conditions physiques et chimiques de l'atmosphère jouaient un rôle dans la sélection ou adaptation microbienne des microorganismes atmosphériques. L'analyse comparative de données métagénomiques ne révèle pas de signature atmosphérique spécifique du potentiel fonctionnel des communautés microbiennes atmosphériques. La composition fonctionnelle semble avant tout liée aux écosystèmes locaux. Toutefois, nous avons observé que les champignons étaient plus dominants relativement aux bactéries dans l'air comparativement aux autres écosystèmes. Ce résultat suggère un processus de sélection des champignons durant l'aérosolisation et/ou le transport aérien. Les champignons pourraient survivre davantage l'aérosolisation et le transport aérien comparativement aux bactéries du fait de leur résistance naturelle aux conditions physiques stressantes de l'atmosphère. Nos résultats ont apporté une meilleure compréhension des facteurs déterminants (c'est-à-dire les surfaces locales, les sources distantes, les conditions météorologiques locales, les conditions physiques stressantes de l'atmosphère) et de leur contribution dans la structuration des communautés microbiennes de la couche limite atmosphérique. Nos investigations constituent une base importante pour de nouvelles études sur la prévision et le contrôle des communautés microbiennes atmosphériques, afin de répondre à des questions majeures dans les domaines de la santé publique et de l'agronomie.

  • Titre traduit

    Structuring factors of microbial communities in the atmospheric boundary layer


  • Résumé

    Up to 106 microbial cells per cubic meter are found in suspension in the planetary boundary layer, the lowest part of the atmosphere. Direct influences of the planetary boundary layer on humans, crops and diverse ecosystems like soils and oceans make the full understanding of its composition, both chemical and microbiological, of utmost importance. While microbial communities of the planetary boundary layer vary significantly at different temporal and spatial scales, they remain largely unexplored. The main goal of this thesis was to understand how airborne microbial communities are structured in the troposphere with special emphasis on the planetary boundary layer and to identify their main controlling factors. We investigated both the taxonomic and functional composition of airborne microbial communities in the dry phase (i.e. not cloud-associated) over time at nine different geographical sites around the world using high throughput sequencing technologies. Our investigation that focused on microbial taxonomy showed that local landscapes were the main contributors to the global distribution of airborne microbial communities despite the potential occurrence of long-range transport of airborne microorganisms. We also observed that meteorology and the diversity of the surrounding landscapes played major roles in the temporal variation of the microbial community structure in the planetary boundary layer. We further explored the temporal variation of airborne microbial communities at a continental and mountainous site in France (1465 m above sea level) over a full-year. This study demonstrated the importance of the surface conditions (i.e. vegetation, snow cover etc.) of the surrounding landscapes on the taxonomic composition of airborne microorganisms. The seasonal changes in agricultural and vegetated areas, which represented a significant part of the site's surrounding landscape, were correlated to the shifts in the taxonomic composition of airborne microbial communities during the year. Finally, we investigated the functional composition of microbial communities of the planetary boundary layer to identify whether the physical and chemical conditions of the atmosphere played a role in selection or microbial adaptation of airborne microorganisms. The comparative metagenomic analysis did not show a specific atmospheric signature in the functional potential of airborne microbial communities. To the contrary, their functional composition was mainly correlated to the underlying ecosystems. However, we also showed that fungi were more dominant relatively to bacteria in air as compared to other (planetary bound) ecosystems. This result suggested a selective process for fungi during aerosolization and/or aerial transport and that fungi might likely survive aerosolization and/or aerial transport better than bacteria due to their innate resistance to stressful physical conditions (i.e. UV radiation, desiccation etc.). Our results provide a clearer understanding of the factors (i.e. surrounding landscapes, distant sources, local meteorology, and stressful physical atmospheric conditions) that control the distribution of microbial communities in the atmospheric boundary layer. Our investigations provide a basis for further studies on the prediction and even control of airborne microbial communities that would be of interest for public health and agriculture.