Effet des facteurs environnementaux sur la nature des EPS, la capacité de sorption du cuivre et le potentiel de résilience de biofilms phototrophes simplifiés

par Emilie Loustau

Thèse de doctorat en Écologie fonctionnelle

Sous la direction de Elisabeth Girbal et de Jean-Luc Rols.

Soutenue le 08-04-2019

à Toulouse 3 , dans le cadre de École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (Toulouse ; 2007-....) (laboratoire) .

mots clés

• Biofilm phototrophe
• EPS
• Extraction
• ETM
• Facteurs environnementaux
• Cours d'eau intermittent
• Tolérance
• Résilience
• Bactéries phototrophes
• Cours d'eau -- Auto-épuration

Résumé

Les biofilms phototrophes, principale signature trophique benthique des rivières à écoulement rapide, offrent un panel de services écologiques en lien avec les processus d'autoépuration (nitrates, pesticides, pollutions métalliques, etc.). Cependant, leur fonctionnement est fortement perturbé par les pressions anthropiques croissantes qu'ils subissent, notamment celles associées à la présence d'éléments traces métalliques (ETM) ou encore l'interruption séquentielle de l'écoulement de surface. Dans un contexte de changement global avéré, la réponse des communautés phototrophes est au centre des préoccupations pour la gestion de ces milieux, tant pour leur qualité chimique qu'écologique. L'objectif de ce travail de thèse est de comprendre les réponses physiologiques des microorganismes phototrophes benthiques à des facteurs d'environnement révélateurs de changements globaux (lumière, température, phosphore) ainsi qu'à l'application d'un multi- stress combinant l'exposition à des ETM (Cu et Zn, appliqués seuls ou en cocktail) suivie d'un assèchement prolongé du biofilm. Les réponses physiologiques sont centrées sur la biomasse, l'activité photosynthétique et la production d'EPS (substances polymériques extracellulaires), en abordant ces processus par l'aptitude de tolérance et de résilience des communautés. Le choix s'est porté sur trois espèces phototrophes benthiques, une cyanobactérie (Phormidium autumnale), une diatomée (Nitzschia palea) et une algue verte (Uronema confervicolum). Un système expérimental adapté à la culture en biofilm au sein de microcosmes à écoulement de surface libre (mini-canaux hydrauliques) a permis de contrôler l'ensemble des paramètres des expérimentations. La première étape a consisté à mettre au point une méthode d'extraction des EPS de la matrice de biofilm tout en préservant l'intégrité cellulaire des microorganismes phototrophes. L'analyse de la réponse physiologique de biofilms phototrophes mono-espèce face à une exposition au Cu et/ou au Zn a permis de montrer les différences de sensibilité des espèces phototrophes testées. Puis, la capacité de sorption du Cu par ces mêmes biofilms phototrophes s'est révélée être dépendante des facteurs environnementaux, via la modulation des EPS produites et de leur nature. Enfin, l'application d'un double-stress, conjuguant l'exposition au Cu suivie d'un assèchement du biofilm, permet également de mesurer des réponses de résilience lors de la remise en eau, elles-mêmes modulées par les facteurs environnementaux testés. Globalement, les biofilms phototrophes mono-espèce testés présentent des capacités de tolérance et de résilience différentes avec des réponses de modulation de la quantité et de la nature des EPS produites.

mots clés

• Phototrophic biofilm
• EPS
• Extraction
• TM
• Environmental factors
• Non-permanent streams
• Tolerance
• Resilience

Titre traduit

Effect of environmental factors on the nature of EPS, sorption capacity of copper and resilience of simplifly phototrophic biofilms

Résumé

Phototrophic biofilm, the main benthic signature of fast-flowing rivers, provide an important number of ecosystem services related to self-purification mechanisms (nitrates, pesticides, metal contaminations, etc.). However, their functioning is strongly disturbed by the increasing anthropogenic pressures, particularly by the presence of traces metals (TM) or the sequential interruption of surface flow. In the context of global change, the response of phototrophic communities should be considered for river management, in term of chemical and ecological properties. The aim of this thesis was to understand the physiological responses of benthic phototrophic microorganisms to environmental parameters involved in global change (light, temperature, phosphorus) as well as their response to a multi-stress combining the exposure of biofilms to TM (Cu and Zn, alone or in cocktail) by the prolonged drying of biofilm. Physiological responses of biofilm (biomass, photosynthetic activity and EPS production (extracellular polymeric substances)) were studied to analyze the tolerance and resilience capacities of communities. Three benthic phototrophic species were chosen: the cyanobacteria Phormidium autumnale, the diatom Nitzschia palea and the green algae Uronema confervicolum. Cultures of biofilm in free surface flow microcosms (hydraulic mini-channels) allowed to control all the experimental parameters. The first step was to develop a method for EPS extraction from the biofilm matrix while preserving the cell integrity of phototrophic microorganisms. Subsequently, the study of physiological responses of monospecific phototrophic biofilm exposed to Cu or/and Zn showed different sensitivities of phototrophic species. Then the sorption capacity of Cu by these species depended on environmental parameters, via the modulation of EPS production and composition. Finally, the double-stress characterised by Cu exposition followed by drying biofilm induced also resilience responses when rewetting, modulated by the environmental parameters. Overall, the monospecific phototrophic biofilms studied present different tolerance and resilience capacities by modifying the abundance and composition of EPS produced.