Schimann, Heidy Maria (2005) Impacts de perturbations liées à l'orpaillage sur l'évolution des communautés et fonctionnalités microbiennes d'un sol. PhD thesis Sciences forestières, UMR Ecologie des Forets de Guyane, ENGREF.

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Abstract

Ce travail s'intègre dans des problématiques actuelles cherchant à caractériser l'impact des activités humaines sur les écosystèmes. Le sol, et en particulier, les communautés microbiennes fonctionnelles, abordées simultanément en tant qu'actrices des bio-transformations et en tant que biodescriptrices de l'état fonctionnel du système, ont été l'objet d'étude de ce travail qui s'est articulé autour de deux questions majeures :
- Il s'agissait de savoir si des communautés microbiennes du sol exerçant deux fonctions considérées comme représentatives du fonctionnement global (respiration et dénitrification) pouvaient, sur un sol minier revégétalisé, récupérer des performances similaires à celles d'un sol de forêt. Cette étude menée in situ en forêt guyanaise, sur une zone minière aurifère réhabilitée a montré une certaine réversibilité des activités microbiennes des sols observées lors d'une telle perturbation. En effet, malgré une texture extrêmement hétérogène, le sol, une fois replanté en légumineuses, retrouve un fonctionnement similaire à celui de la forêt. Les biodescripteurs utilisés (ratio respiration réelle/potentielle et dénitrification/ respiration) ont permis de caractérise les différences de fonctionnement le long de la séquence de reforestation. Ils se sont révélés pertinents pour décrire les sols en cours de reconstruction et de stabilisation. La valeur de ratio respiration réelle/potentielle dans un sol de forêt pourrait être considérée comme un indicateur de stabilité, spécifique du site et caractérisant l'état d'équilibre à atteindre. Enfin, en permettant de détecter des variations qualitatives de la matière organique des sols qui n'avaient pas été mises en évidence par le C/N, l'utilisation de l'analyse NIRS associée aux analyses d'activité enzymatiques microbiennes a permis de vérifier que la dynamique de reconstruction des sols avait été accélérée par la plantation.
La seconde question majeure de ce travail était: quel est l'impact d'une première perturbation sur (i) la structure et le fonctionnement microbien du sol et sur (ii) la capacité du sol à résister à une seconde perturbation ? Pour y répondre, une expérience in vitro menée sur des microcosmes de sol subissant deux types de perturbations (mercure et chaleur) a été élaborée. Les résultats ont montré que la respiration et la dénitrification répondaient d'une manière différente avec, parallèlement, des modifications durables de la structure des communautés. La diversité génétique des communautés microbiennes du sol a été évaluée à l'aide d'une ARISA après une extraction directe de l'ADN du sol. Au préalable, une étude méthodologique avait permis d'évaluer les biais engendrés par différentes méthodes d'extraction de l'ADN et donc de choisir l'extraction directe de l'ADN. Le maintien, dans certains cas, des fonctions après perturbation (respiration inchangée après l'application du mercure; dénitrification importante malgré le choc de température) suggère une redondance fonctionnelle importante parmi les communautés microbiennes du sol. Pourtant l'application de mercure, semble induire une vulnérabilité plus importante des sols face à une autre perturbation (chaleur). Cette vulnérabilité se traduit par une modification du fonctionnement de la communauté hétérotrophe du sol (respiration potentielle) mais aussi par la quasi disparition de la dénitrification dans ces sols. Cela peut révéler une diminution de la stabilité des sols qui pourrait être due à la modification de diversité mise en évidence dès le début de l'expérience.
L'ensemble des résultats posés au cours de ce travail doit être analysé au regard des concepts de maintien des cycles biogéochimiques et d'ingénierie écologique. Les expériences menées aussi bien sur la Mine Boulanger qu'en microcosmes ont permis de mettre en exergue la nécessité de définir des biodescripteurs pertinents, capables de décrire l'état du système mais aussi sa probable évolution. Les indicateurs microbiens fonctionnels utilisés semblent remplir cette fonction en étant capables de rendre compte de la "performance" du système, de sa possibilité à être réhabilité ou à résister aux perturbations

Table of content

INTRODUCTION GENERALE - 3
CHAPITRE BIBLIOGRAPHIQUE - 7
1. La Guyane et l'exploitation aurifère - 7
2. Services aux sociétés - 10
2.1. Un service environnemental: le maintien des cycles biogéochimiques - 12
2.1.1. Le cycle du carbone - 12
2.1.2. Le cycle de l'azote - 14
2.1.3. La dénitrification: actrice et bioindicatrice du fonctionnement du sol - 15
3. Ingénierie écologique - 18
4. Bioindicateurs - 20
4.1. Qualité du sol et restauration - 20
4.2. Adéquation microorganismes-bioindication - 22
CHAPITRE 2 :IMPACT DE LA REVEGETALISATION SUR LA RECUPERATION DES
FONCTIONS BIOLOGIQUES DU SOL: CAS DE LA REHABILITATION D'UN SITE MINIER - 24
1. Abstract - 25
2. Introduction - 25
3. Methods - 27
3.1. Experimental site and sampling strategy - 27
3.2. Soil characteristics - 28
3.2.1. Physical-chemical characteristics - 28
3.2.2. NIRS (Near Infrared Reflectance Spectroscopy) measurements - 28
3.3. Microbial activities - 29
3.3.1. Potential denitrifying activity of soil (Tiedje, 1984a; Lensi, 1985) - 29
3.3.2. Potential respiratory activity of soil - 29
3.3.3. Activity of denitrification and respiration in "actual" conditions - 29
3.3.4. Ratio - 29
3.4. Statistical analysis - 29
4. Results - 30
4.1. Microbial activities in the different treatments (table 2) - 30
4.1.1. Respiratory activity - 30
4.1.2. Denitrifying activity - 30
4.1.3. Microbial activities ratios (Figure 1) - 30
4.1.3.1. Ratios between "actual" and potential activity - 30
4.1.3.2. Ratios between potential denitrification and potential respiration - 30
4.2. Analysis of soil samples by NIRS (figure 2) - 31
5. Discussion - 31
6. Conclusions - 33
7. Literature Cited - 35
CHAPITRE 3: IMPACTS DE PERTURBATIONS SUR LE FONCTIONNEMENT DU SOL 39
1. Evaluation of quantitative and qualitative recovery of bacterial communities from different soil types by density gradient centrifugation - 40
1.1. Abstract - 40
1.2. Introduction - 41
1.3. Materials and methods - 42
1.3.1. Soils - 42
1.3.2. Extraction of bacteria from the soil matrix - 42
1.3.3. Bacterial counts - 43
1.3.4. DNA extraction - 43
1.3.5. A-RISA fingerprinting of bacterial communities - 44
1.3.6. Statistical analysis - 44
1.4. Results and discussion - 45
1.4.1. Influence of soil type on the quantitative recovery of bacterial cells - 45
1.4.2. Influence of soil characteristics on the quantitative recovery of soil DNA - 46
1.4.3. Influence of soil characteristics on the qualitative recovery of soil bacterial community - 46
1.5. References - 49
2. Impacts du mercure sur le fonctionnement microbien du sol et sa capacité à résister à une seconde perturbation - 52
2.1. Introduction - 52
2.2. Matériel et méthodes - 53
2.2.1. Caractéristiques du sol utilisé, préparation des microcosmes et plan expérimental - 53
2.2.2. Application des perturbations - 54
2.2.3. Dénombrement des microorganismes du sol par Acridine Orange (A.O.) - 55
2.2.4. Mesure de la respiration potentielle - 55
2.2.5. Mesure de la dénitrification potentielle - 56
2.2.6. Extraction d'ADN des sols et ARISA - 56
2.2.7. Teneur en mercure des sols - 57
2.2.8. Analyses statistiques - 58
2.3. Résultats - 58
2.3.1. Evolution de la densité des microorganismes (AODC) - 58
2.3.2. Effet de la perturbation mercure sur la respiration et la dénitrification - 59
2.3.3. Effets du mercure sur la réponse de la respiration et de la dénitrification à la chaleur - 59
2.3.4. Evolution de la structure de la communauté microbienne du sol (ARISA) - 59
2.4. Discussion - 60
2.4.1. Evolution de la densité des microorganismes - 60
2.4.2. Effet du mercure - 61
2.4.3. Effet du mercure sur la vulnérabilité des sols - 62
2.5. Conclusion - 63
2.6. Bibliographie - 64
CHAPITRE 4 :CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES - 79
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES - 85

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