Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent.  La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué.  Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués.  Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes.  Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus  irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA.  Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn. Trace metals (TM) are continually world-wide added to soils through the intensive use of mineral fertilizers and agriculture chemicals, together with industrial and other activities generating toxic wastes. Problems associated with metal-contaminated soil exists because TM are not biodegradable. TM that accumulate in soils affect the biodiversity of soil microorganisms. Nitrogen (N) fertilization is a widespread practice to increase soil fertility and crop production. However, the long-term use of N fertilization causes many detrimental effects in the environment. The intensive use of N fertilization increase TM input in soils, and in extreme cases, N fertilization result in TM pollution of the surrounding soil and water and increase TM concentration in plant tissues. In addition, the long-term use of N fertilizers changes and declines the biodiversity of above and underground ecosystems. The community structure of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) was investigated in TM contaminated and long-term N fertilized soils. In addition, the role of different AMF species in TM uptake or sequestration was investigated. In the first experiment, AMF community structure was analyzed from non-contaminated and TM contaminated sites. We found the diversity of native AMF was lower in soils and plant roots harvested from TM polluted soils than from unpolluted soils. We also found that the community structure of AMF was modified by TM contamination. Some AMF ribotypes were more often associated with TM contaminated sites, other ribotypes with uncontaminated sites, while still other ribotypes were found both in polluted and unpolluted soils. In the second experiment, the effect of different organic and mineral N fertilization on AMF community structure was investigated. Variation in root-colonizing AMF community structure was observed in both organic and mineral fertilization. Some AMF ribotypes were more affiliated to organic fertilization and other to mineral fertilization. In addition, mineral fertilization reduced AMF ribotypes number while organic fertilization increased AMF ribotypes number. In this experiment, it was demonstrated that change in root-colonizing AMF community structure had a significant effect on plant productivity. In the third experiment, the role of different AMF species (G. irregulare and G. mosseae) in TM uptake by sunflower plants grown in soil amended with three different Cd levels was evaluated. It was demonstrated that AMF species differentially affected TM uptake or sequestration by sunflower plants. This experiment supported a different effect of AMF in TM uptake based on Cd concentration in soil and the AMF species involved. Our research demonstrated that TM and N fertilization affected and shifted AMF community structure within roots and soils. It was shown that change in root-colonizing AMF community structure significantly affected plant productivity. In this study, it was showed that the AMF species G. irregulare was recorded in all uncontaminated sites while G. mosseae was the most abundant AMF species in TM contaminated sites. Therefore, the role of G. irregulare and G. mosseae in Cd uptake by sunflower plants grown in soils amended with three different Cd levels was investigated. The results indicated that AMF species mediate different mechanisms to alleviate TM toxicity in host plants, depending on AMF species and soil Cd level involved. We hypothesize that G. irregulare is a potentially important species for Cd phytoextration processes, while G. mosseae might be a suitable candidate for Cd and Zn phytostabilization processes.

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