Les propriétés du sol et la pollution
multiple affectent la diversité
bactérienne taxonomique et
fonctionnelle dans une gamme de
sols présentant un gradient
d'anthropisation
CEBRON Aurélie, LIECAtelier 2
2Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Introduction
L’anthropisation des sols
• Au XXème siècle : Industrialisation et développement urbain
anthropisation et pollution
300-400 000 sites potentiellement pollués (env. 100 000 hectares; Basias)
4 100 sites faisant l’objet de mesures de gestion des sols (Basol)
• Activités sidérurgiques crise de la métallurgie friches industrielles
les sols : réceptacles majeurs de la pollution
Organique (ex: charbon, coke)
Métallique (ex: scories, laitier, boues)
Basol, 2
012
HAP
(hydrocarbures aromatiques polycycliques)
ETM
(éléments trace métalliques)
3Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Microorganismes (bactéries et champignons)
Acteurs essentiels de certaines étapes clés des cycles biogéochimiques, notamment cycle du carbone
Introduction
Les communautés microbiennes des sols
Communautés
microbiennes
plantes
Cycle du C(très simplifié!)
CO2
MO (litière, exsudats,
rhizodépots…
4Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Microorganismes (bactéries et champignons)
Acteurs essentiels de certaines étapes clés des cycles biogéochimiques, notamment cycle du carbone
Quel est l’impact des polluants (HAP/ETM) sur les microorganismes et leur fonctions?
Introduction
Les communautés microbiennes des sols
Communautés
microbiennes
plantes
Cycle du C(très simplifié!)
CO2
MO (litière, exsudats,
rhizodépots…HAP
ETM
?
?
5Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Evaluer l’abondance, la diversité taxonomique et la diversité métabolique fonctionnelle des
communautés microbiennes dans un contexte de multi-pollution.
Objectifs
Abondance
Diversité
taxonomiqu
e
Fonctions
Communautés
microbiennes
6Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Evaluer l’abondance, la diversité taxonomique et la diversité métabolique fonctionnelle des
communautés microbiennes dans un contexte de multi-pollution.
Déterminer les facteurs des sols (paramètres physico-chimiques, polluants) qui ont affecté ces
diversités.
Objectifs
Abondance
Diversité
taxonomiqu
e
Fonctions
Communautés
microbiennes
7Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
10 sols = gradient de pollution
Matériel et méthodes
Bassins à boues (ETM, HAP)
Contrôles (peu/pas contaminés)
Crassiers sidérurgiques (HAP, ETM)
8Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
10 sols = gradient de pollution
Matériel et méthodes
Bassins à boues (ETM, HAP)
Contrôles (peu/pas contaminés)
Crassiers sidérurgiques (HAP, ETM)
Physico-chimie
C, N, P, pH, texture, HAP, ETM
Microbiologie
1. Moléculaire (ADN) :
• Abondances (qPCR ADNr 16S et 18S)
• Diversité taxonomique (séquençage
Illumina MiSeq)
2. Fonctionnelle
• Diversité métabolique (Biolog®)
9Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Caractérisation physico-chimique
Résultats
Gradient de Zn
Gradient de HAP
Zinc total
Ʃ 16 HAP
10Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Caractérisation physico-chimique
Résultats
Gradient de Zn
Gradient de HAP
Zinc total
Ʃ 16 HAP
Ho Uc
Te
Mo
Di
He
RM
Po
MsM
NM
PC1 (35.39%)
PC
2 (
28.5
1%
)
ETM
HAP
C org
N
PK
pH
Sables
Argiles
Contrôles
Crassiers
Bassins à
boues
Limons
ACP
11Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Abondances bactérienne et fongique
Résultats
1,00E+09
1,00E+10
1,00E+11
1,00E+12
Mo He Di Uc Te NM Ho Po MsM RM
16S18S
Nom
bre
de c
opie
s d
e g
ène g
-1 d
e s
ol
109
1010
1012
1011
ADNr 16S (bactéries)
ADNr 18S (champignons)
• Abondances variables entre les sols
• Pas de différence significative entre les groupes
• Pas de corrélation entre abondance microbienne et teneur en polluants
qPCR
12Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Diversité taxonomique bactérienne
Résultats
• Influence mineure de la pollution HAP/ETM sur l’abondance de certains phyla
Abondances relatives des phyla bactériens : séquençage Illumina® ADNr 16S
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Mo He Di Uc Te NM Ho Po MsM RM
Unclassified OTUs
Others
Verrucomicrobia
Gamma-Proteobacteria
Delta-Proteobacteria
Beta-Proteobacteria
Alpha-Proteobacteria
TM7
Nitrospirae
Gemmatimonadetes
Firmicutes
Chloroflexi
Bacteroidetes
Actinobacteria
Acidobacteria
13Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Diversité taxonomique bactérienne
Résultats
• Influence mineure de la pollution HAP/ETM sur l’abondance de certains phyla
• Structure, richesse, diversité des communautés différentes selon les sols : pas d’influence
majeur de la pollution
Abondances relatives des phyla bactériens : séquençage Illumina® ADNr 16S
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Mo He Di Uc Te NM Ho Po MsM RM
Unclassified OTUs
Others
Verrucomicrobia
Gamma-Proteobacteria
Delta-Proteobacteria
Beta-Proteobacteria
Alpha-Proteobacteria
TM7
Nitrospirae
Gemmatimonadetes
Firmicutes
Chloroflexi
Bacteroidetes
Actinobacteria
Acidobacteria
0
2 000
4 000
6 000
Indic
e C
hao1
Richesse spécifique
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
Indic
e d
e P
iélo
u(J
)
Indic
e d
e S
hannon (
H’)
Diversité et équitabilité
14Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Paramètres expliquant la variabilité de la
diversité taxonomique
Résultats
d = 0.5
Mo
He
DiUc
Te
NM
HoPo
MsM
RM
RDA1 (94%)
RD
A2 (
6%)
métaux
HAP
pH sable
Diversité (H’)
Equitabilité (J’)
Richesse (chao1)
Analyse des redondances (RDA)
Contrôles
Crassiers
Bassins à boues
Corrélation
significative
• Diversité taxonomique bactérienne
majoritairement expliquée par la texture du sol
: plus la texture est sableuse plus la diversité
est importante
• HAP et ETM n’ont que peu d’influence
15Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Impact des HAP et ETM sur la certains
taxons bactériens
Résultats
• Les HAP non pas d’impact négatif sur la
diversité bactérienne
• Les HAP ont un effet positif (sélection)
• Les ETM ont un effet positif et négatif
(inhibition)
−0.93 −0.46 0 0.46 0.93
Color key
pH
San
d
PA
H
P_O
lse
n
Me
tal_
ind
ex N
C_o
rg k_
t
Cla
y
Otu00046_Actinobacter ia__Aeromicrobium
Otu00026_Verrucomicrobia__DA101
Otu00074_Actinobacter ia__Aeromicrobium
Otu00041_Actinobacter ia__Acidimicrobineae
Otu00091_Alphaproteobacter ia__MNH4
Otu00062_Alphaproteobacter ia__Brevundimonas
Otu00003_unclassified
Otu00031_Alphaproteobacter ia__Nordella
Otu00036_Actinobacter ia__AKIW543
Otu00018_unclassified
Otu00027_Actinobacter ia__AKIW543
Otu00011_Firmicutes__Bacillus
Otu00017_unclassified
Otu00039_Firmicutes__Bacillus
Otu00061_Firmicutes__Bacillus
Otu00121_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00087_Actinobacter ia__AKIW543
Otu00033_Alphaproteobacter ia__Sphingomonas
Otu00044_Bacteroidetes__Chitinophagaceae
Otu00097_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00008_Acidobacteria__Candidatus_Chloroacidobacter ium
Otu00022_unclassified
Otu00057_Betaproteobacter ia__Oxalobacteraceae
Otu00060_Chloroflexi__Anaerolineaceae
Otu00090_Chloroflexi__Roseiflexus
Otu00052_Gemmatimonadetes__Gemmatimonadaceae
Otu00005_Chloroflexi__Anaerolineaceae
Otu00043_Betaproteobacter ia__Alcaligenaceae
Otu00029_Chloroflexi__unclassified
Otu00068_Candidate_division_TM7__unclassified
Otu00115_Actinobacter ia__Acidimicrobineae
Otu00065_unclassified
Otu00059_unclassified
Otu00032_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00093_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00023_Acidobacteria__Candidatus_Chloroacidobacter ium
Otu00014_Acidobacteria__Candidatus_Chloroacidobacter ium
Otu00035_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00030_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00053_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00079_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00015_Gemmatimonadetes__Gemmatimonadaceae
Otu00004_Chloroflexi__unclassified
Otu00054_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00020_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00051_Bacteroidetes__Flexibacter
Otu00077_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00117_Deltaproteobacter ia__GR−WP33−30
Otu00002_Verrucomicrobia__Spartobacteria
Otu00019_Actinobacter ia__Streptomyces
Otu00058_Chloroflexi__KD4−96
Otu00040_Chloroflexi__unclassified
Otu00007_Actinobacter ia__Arthrobacter
Otu00013_Alphaproteobacter ia__Sphingomonadaceae
Otu00084_Bacteroidetes__Flavobacterium
Otu00089_Bacteroidetes__Flavobacterium
Otu00145_Bacteroidetes__Flavobacterium
Otu00111_Bacteroidetes__Flexibacter
Otu00138_Alphaproteobacter ia__Sphingomonas
Otu00037_Chloroflexi__unclassified
Otu00028_Nitrospirae__Nitrospira
Otu00343_Betaproteobacter ia__Oxalobacteraceae
Otu00223_Bacteroidetes__Flavobacterium
Otu00009_Acidobacteria__Acidobacteriaceae
Otu00070_Deltaproteobacter ia__GR−WP33−30
Otu00100_Betaproteobacter ia__Massilia
Otu00050_Firmicutes__Bacillus
Otu00081_Bacteroidetes__Sphingobacter iales
Otu00114_Firmicutes__unclassified
Otu00064_Firmicutes__Bacillales
Otu00240_Firmicutes__Bacillus
Otu00096_Firmicutes__Bacillales
Otu00048_Firmicutes__Bacillales
Otu00063_Betaproteobacter ia__Delftia
Otu00010_Actinobacter ia__Streptomyces
Otu00001_Firmicutes__Bacillaceae
Otu00016_Firmicutes__Sporosarcina
Otu00099_Betaproteobacter ia__Oxalobacteraceae
Otu00082_Betaproteobacter ia__Massilia
Otu00148_Firmicutes__Bacillus
Otu00104_Actinobacter ia__Micromonospora
Otu00109_Betaproteobacter ia__Massilia
Otu00006_Alphaproteobacter ia__Bradyrhizobium
Otu00284_Candidate_division_TM7__unclassified
Otu00021_Verrucomicrobia__DA101
Otu00012_Verrucomicrobia__DA101
Otu00075_Acidobacteria__Edaphobacter
Otu00047_Bacteroidetes__Chitinophagaceae
Otu00038_Verrucomicrobia__Spartobacteria
Otu00034_Verrucomicrobia__DA101
Otu00163_Verrucomicrobia__DA101
Otu00146_Verrucomicrobia__Spartobacteria
Otu00123_Verrucomicrobia__DA101
Otu00112_Actinobacter ia__Acidothermus
Otu00108_Verrucomicrobia__DA101
Otu00107_Actinobacter ia__Catenulispora
HA
P
OTU bactériennes
majoritairesETMp
H
sable P N
Corg K
arg
iles
16Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Diversité fonctionnelle, biolog®
Résultats
• Diversité fonctionnelle négativement impactée
par ETM mais pas par HAP
Richesse fonctionnelle
ETM
58 substrats carbonés
testés
(6)
(9)
(7)
(14)
(17)
(5)
*
*
*
* Impact significatif des ETM
17Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Paramètres expliquant la variabilité de la
diversité fonctionnelle
Résultats
d = 0.5
Mo
He
DiUc
Te NM
Ho
Po
MsM
RM
RDA1 (70,3%)
RD
A2 (
29,0
%) métaux
HAP C_org
N
K
Diversité (H’)
Equitabilité (J’)
Richesse
Contrôles
Crassiers
Bassins à boues
Analyse des Redondances (RDA)
Corrélation
significative
• Relation négative entre diversité/richesse
fonctionnelle et teneur en C et en métaux
• Plus les sols sont riches en C et ETM, plus la diversité
fonctionnelle est faible : diminution des fonctions
altération du fonctionnement des sols?
cycle du carbone ralenti?
18Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Conclusions
• Les HAP et les ETM permettent en plus des autres facteurs édaphiques de différencier nos 3 groupes de sol
• Les HAP et les ETM n’influencent pas l’abondance microbienne
• Les HAP ont un effet positif sur la diversité taxonomique en augmentant l’abondance de certains taxons (bactéries
dégradantes?), mais pas d’effet négatif (pas de toxicité à long terme : biodisponibilité faible)
• Les HAP n’ont pas d’effet sur la diversité métabolique fonctionnelle
Les sols contaminés en HAP semblent avoir des communautés microbiennes aux fonctions non altérées, le fonctionnement
des sols est probablement faiblement affecté au niveau du cycle du C
• Les ETM ont un effet positif ou négatif sur la diversité taxonomique en augmentant ou diminuant l’abondance de certains
taxons (toxicité à long terme)
• Les ETM ont un effet négatif sur la diversité métabolique fonctionnelle (diminution des fonctions)
Les sols contaminés en ETM semblent avoir des communautés microbiennes aux fonctions altérées, le fonctionnement des
sols est probablement affecté au niveau du cycle du C
19Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Financé par :
Remerciements :
Florian Lemmel
Florence
Maunoury-Danger Corinne Leyval
20Titre et/ou intitulé Datewww.ademe.fr
Résultat / point clé des travaux :Les contaminations historiques en ETM et HAP agissent de manières différentes sur la
structuration des communautés microbiennes et induiraient ou non un
dysfonctionnement des cycles biogéochimiques et du fonctionnement global des sols.
Pistes de recherche prioritaire :Evaluer l’impact des ETM et HAP sur d’autres fonctions microbiennes (cycle N, P…)
Evaluer l’impact réel in situ (stock, flux de C…)
Atelier n° - Nom intervenant
Ce qu’il faut retenir