Soutenance de thèse de Sarah BEN MAAMAR



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Le jeudi 2 juin 2016 à 14h00, salle de conférences de l'OSUR, bâtiment 14b, Campus de Beaulieu, UR1

Le jeudi 2 juin 2016 à 14h00, salle de conférences de l'OSUR, bâtiment 14b, Campus de Beaulieu, UR1

Biodiversité des eaux souterraines dans un gradient de temps de résidence et d'influence anthropique : approches métagénomique et géochimique couplées

Résumé :

Les aquifères de socle fracturés recouvrent la majeure partie de la Bretagne. Ces formations géologiques dites hétérogènes  sont aquifères et compartimentées. La zone altérée, en surface,  est plus ou moins épaisse, elle est constituée de roches altérées et est variablement saturée par l’eau souterraine qui y circule rapidement des hauts topographiques du bassin versant vers l’exutoire. L’eau y présente des temps de résidence courts (<20 ans) et est souvent polluée par les nitrates. La zone fracturée située plus en profondeur est constituée de roches dures impactées par des réseaux de fractures. L’eau circule lentement et  exclusivement au travers de  ces fractures, le temps de résidence de l’eau y est long (>40 ans). En Bretagne, l’eau dans la zone fracturée est plus minéralisée et souvent riche en fer. Ces différentes circulations d’eau induisent des conditions chimiques contrastées entre les zones altérée et fracturée, mais leur effet sur l’écosystème microbien des eaux souterraines n’a jamais été exploré. Cette étude montre que les circulations hydrologiques influencent à l’échelle régionale et locale la structuration des communautés microbiennes au sein des eaux souterraines des aquifères de socle. La localisation au sein des « boucles hydrologiques » contrôle directement la structure des communautés microbiennes via le contrôle de la succession des donneurs et accepteurs d’électrons disponibles. Les communautés microbiennes analysées montrent une prédominance de Betaproteobacteria. Dans l’eau souterraine récente (<20 ans) donc principalement dans la zone altérée, les Betaproteobacteria sont surtout des Comamonadaceae et Oxalobacteraceae, microorganismes versatiles et capables de dénitrifier. Dans l’eau souterraine ancienne (>40 ans), ce sont en grande majorité des Gallionellaceae, microorganismes microaérophiles spécialisés dans l’oxydation du fer(II). La prédominance des Gallionellaceae dans la zone fracturée suggère un écosystème profond basé sur l’oxydation du fer(II). Cependant, ce processus suppose une arrivée minimale d’oxygène dans la partie profonde, via par exemple un mélange avec une masse d’eau récente oxygénée. La proportion de Gallionellaceae dans les différentes eaux analysées montre une corrélation positive avec le degré de mélange des eaux anciennes avec des eaux récentes, jusqu’à une limite de 20% d’eau récente. Le suivi temporel de la dynamique des communautés d’un aquifère avant et au début de la recharge a montré dans la zone altérée des conditions chimiques très fluctuantes et une communauté microbienne très changeante mais toujours constituée de nombreux potentiels dénitrifiants. Dans la zone fracturée, la communauté dominée par les Gallionellaceae est relativement stable, malgré des changements chimiques ponctuels substantiels et un degré de mélange transitoire important (jusqu’à 60% d’eau récente) au début de la recharge. Les Gallionellaceae semblent donc capables de résister à des changements ponctuels et importants des conditions chimiques. Les eaux souterraines de la partie profonde des aquifères, restent relativement connectées à la surface ce qui permet probablement le maintien de l’écosystème microbien profond.

Abstract:

Hard-rock aquifers cover the major part of Brittany. They are heterogeneous geological structures very  that have the property to store groundwater and that are compartmentalized. These aquifers are often made of a weathered zone and a fractured zone. The weathered zone, surficial, is a layer more or less thick, it is constituted of weathered rocks variably saturated in groundwater, which circulates rapidly from the upper parts of the watershed to the aquifer outlet. In this zone, groundwater shows short groundwater residence time (< 20y) and is often polluted by nitrates. The fractured zone is located deeper and is composed of fresh rocks crossed by fractures network. Groundwater flows exclusively through fractures with a very slow velocity, and groundwater residence time in this zone is long (>40 y). In the fractured zone, groundwater is much more mineralized and often rich in iron, in Brittany. The difference of flow velocities in the weathered and the fractured zones are responsible for contrasted chemical conditions between these two zones, but the influence of groundwater flow velocity on the microbial ecosystem in groundwater remains largely unexplored. This work shows hydrologic circulations influence the microbial community structuration in hard-rock aquifer groundwater at regional and local scales. Position of a groundwater within a hydrologic flowpath or “hydrological loop” directly controls microbial community structure through the control of the successively available electron donors and acceptors. The analyzed microbial communities show a predominance of Betaproteobacteria. In recent groundwater (< 20y) thus particularly in the weathered zone, Betaproteobacteria are mainly Comamonadaceae and Oxalobacteraceae, which are generalists able to denitrify. In old and isolated groundwater (> 40y) thus particularly in the fractured zone, Betaproteobacteria are mainly Gallionellaceae, which are microaerophilic iron-oxidizer. The predominance of Gallionellaceae in the fractured zone suggests a deep ecosystem based on iron oxidation. However, this process implies a minimal input of oxygen in the deeper part, for instance via mixing with recent oxygenated groundwater. Proportion ofGallionellaceae in the different analyzed groundwater shows a positive correlation with the degree of mixing between old and recent groundwater, up to a limit of 20% of recent groundwater. The temporal microbial community dynamics in a single aquifer, before and during the beginning of recharge, demonstrated in the weathered part very fluctuant chemical conditions and a shifting microbial community that remains always composed of numerous potential denitrifiers. In the fractured part, microbial community is dominated by Gallionellaceae and remains rather stable, despite the punctual but substantial changing of the chemical conditions and degree of mixing (up to 60% of recent groundwater) at the beginning of the recharge. Gallionellaceae seem thus able to resist to important and punctual chemical conditions changings. Groundwater in the deeper part of aquifers, even isolated, remains relatively connected to surface, likely allowing the deep microbial ecosystem to maintain.

Jury :

Emmanuelle PETELET-GIRAUD - Chef de projet au BRGM, Orléans / rapporteur
Isabelle MARY - Maitre de conférence à l’Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand / rapporteur
Françoise ELBAZ-POULICHET - Directrice de recherche au CNRS à l’Université Montpellier 2 / examinateur
Jean-Raynald DE DREUZY - Directeur de recherche au CNRS à l’Université de Rennes 1 / examinateur
Hélène PAUWELS - Directrice de recherche au BRGM / co-directrice de thèse
Luc AQUILINA - Professeur à l’Université de Rennes 1 / directeur de thèse
Alexis DUFRESNE - Chargé de Recherche 2 au CNRS / co-encadrant de thèse

Contact : Sarah BEN MAAMAR