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L'hydrogène moléculaire en tant que modulateur des communautés microbiennes de sol.

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Piche-Choquette, Sarah (2019). L'hydrogène moléculaire en tant que modulateur des communautés microbiennes de sol. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 217 p.

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Résumé

L’hydrogène moléculaire (H2) est une source d’énergie ubiquitaire, retrouvée à l’état de trace dans l’atmosphère global, mais en plus fortes concentrations dans de nombreux écosystèmes tels que les terres humides et la rhizosphère des légumineuses fixatrices d’azote. Une grande majorité des bactéries fixatrices d’azote recrutées par les légumineuses utilisées en agriculture sont dépourvues d’hydrogénase, ce qui implique que l’H2 produit par l’enzyme nitrogénase diffuse dans le sol. Compte tenu du fort potentiel énergique de l’H2, celui-ci est rapidement oxydé par les microorganismes oxydant l’H2 (HOM) et ce, dans un rayon de 3 à 4,5 cm de la source. Ces microorganismes ont des capacités physiologiques variées, se retrouvent dans des niches écologiques oxiques et anoxiques et sont distribués parmi plus de 40 embranchements taxonomiques. Bien que des études ont montré que certaines HOM promeuvent la croissance des plantes in vitro, l’impact de l’H2 sur les communautés microbiennes du sol est inconnu. Le but de cette thèse est donc d’élucider ce mystère en explorant le potentiel de l’H2 à structurer les processus biogéochimiques du sol. Les hypothèses de recherche sont ainsi que de fortes concentrations d’H2, représentatives d’écosystèmes riches en H2, altéreront directement et indirectement la structure et la fonction des communautés microbiennes du sol et ce, en fonction de la dose d’exposition à l’H2. Un effet direct implique un changement associé à la distribution et l’activité métabolique des HOM, alors que les effets indirects incluent des processus autres que l’oxydation de l’H2. Afin de pouvoir valider ces hypothèses, un système de microcosmes à flux dynamique a été conçu au laboratoire et a permis d’incuber des microcosmes de sols à des rapports stoechiométriques d’H2 précis, s’échelonnant de 0,5 à 10 000 ppmv d’H2. Trois sols prélevés dans une plantation de peupliers, une plantation de mélèzes et une terre agricole ont été utilisés en raison de leurs propriétés biotiques et abiotiques contrastantes. À la suite des incubations, les profils de diversité des communautés microbiennes—bactériennes, fongiques et bactériennes à haute affinité pour l’H2 (HAHOB)— ainsi que divers processus qui leur sont propres, ont été analysés. D’abord, de nombreux effets directs ont été recensés. Les mesures de potentiel d’oxydation de l’H2 en cours d’incubation ont montré qu’une exposition des HOM à de fortes concentrations d’H2 menait à une activation rapide du métabolisme des HOM à faible affinité, tout en inhibant celui des HA-HOB. Globalement, le Km et le Vmax du métabolisme d’oxydation de l’H2 ont augmentés significativement post-incubation. En ce qui a trait à la structure des communautés de HA-HOB, l’abondance relative de centaines de génotypes a été altérée. De manière surprenante, aucun de ces génotypes ne correspondait à ceux actuellement répertoriés dans les bases de données génomiques publiques. Ensuite, plusieurs effets indirects ont aussi été documentés post-incubation. Trois fonctions autres que l’oxydation d’H2 ont été altérées, dont une réduction de l’oxydation du méthane (CH4) et du monoxyde de carbone (CO) et une stimulation de l’utilisation de nombreux substrats carbonés. La réponse globale de ces fonctions fut universelle, bien que l’intensité de l’altération se soit avérée dépendante des conditions biotiques et abiotiques des trois sols étudiés. De plus, l’abondance relative de microorganismes n’oxydant pas l’H2—des Champignons et des assemblages de génomes partiels bactériens exempts de gènes codant pour des hydrogénases—a aussi été affectée et ce, de manière idiosyncratique entre les trois sols analysés. Les relations de dose-réponse entre la dose d’exposition à l’H2 et la réponse observée furent mineures au niveau de la structure des communautés, mais majeures au niveau de ses fonctions. En effet, bien que l’abondance relative de nombreux phylotypes soit proportionnelle à la concentration d’H2, la contribution de ceux-ci sur l’ensemble de la diversité β fut négligeable. En revanche, les fonctions mesurées, soient la vitesse d’oxydation d’H2 à faible affinité ainsi que celle d’oxydation de l’H2, du CH4 et du CO à haute affinité, étaient proportionnelles à la dose d’exposition. L’altération de processus d’oxydation de gaz traces en fonction de la distance d’une source ponctuelle productrice d’H2 a donc pu être modélisée, permettant ainsi de représenter spatialement ce continuum métabolique. Cette thèse a apporté de nombreuses nouvelles connaissances aux domaines de la biogéochimie et de l’écologie microbienne en démontrant l’interaction de l’H2 avec des processus biogéochimiques variés, en plus de soulever de nombreuses questions. Les diverses interactions entre les cycles biogéochimiques de l’H2 et du carbone impliqueraient entre autres que les HOM, dont l’activité est généralement considérée comme une fonction spécialiste, pourraient en fait être davantage des groupes fonctionnels inhéremment mixotrophes ou même généralistes.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Constant, Philippe
Mots-clés libres: hydrogène, communautés microbiennes, biogéochimie, sol, gaz traces
Centre: Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt: 11 déc. 2019 16:35
Dernière modification: 11 déc. 2019 16:35
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/8503

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