Structural and functional microbial responses to combined stressors in the hyporheic zone
Réponses structurelles et fonctionnelles des communautés microbiennes à des stress combinés dans la zone hyporhéique
Résumé
The hyporheic zone at the interface between surface water and groundwater plays an important ecological role for river ecosystem. The microbial communities in this zone mineralize organic matter contributing to nutrients recycling in the rivers. However, in a global change context, anthropic activities disturb the microbial communities and the hyporheic zone functioning. These physical (e.g. clogging, drying, warming) or chemical (e.g. pesticides, metals, pharmaceuticals) stressors are often multiple in rivers and their combined effects need to be studied to highlight possible interactions and prioritize management actions. In this context, the main objective of this thesis was to evaluate the effects of two frequent physical stressors in rivers (drying and clogging) on copper toxicity for microbial functions and structure in hyporheic sediment. To this end, two mesocosm experiments consisting of columns filled with sediments reproducing a hyporheic zone have been set up. The first experiment combined clogging and copper-contaminated-water in order to evaluate the clogging effect on the copper distribution in the hyporheic zone and to understand the combined effects of these two stressors for the microbial communities. In the second experiment, copper-contaminated sediments were exposed to 4 weeks of drying and 4 weeks of rewetting. The aim of this experiment was to determine the copper effects on the resistance and resilience of microbial communities to drying. These experiments highlighted the significance of the hyporheic vertical dimension to understand the combined stressors effects. The exposure and effects of physical stressors (clogging and drying) on microbial communities were significant in the surface compared to deeper layers. In contrary, copper had variable effects throughout the column depending on the contaminated compartment (surface water or sediment). In combination, one dominant stressor influenced microbial responses even though antagonistic interactions were found between stressors. For example, surface bacterial diversity was lower when microbial communities were exposed to copper alone compared to copper combined with drying. These interactions can be explained by a decrease of the copper bioavailability and toxicity caused by physical stressors. Overall, the microbial communities in depth were preserved from the stressors effects, representing a potential "reservoir" of sensitive species. These results provide insight on the hyporheic functioning and help understand how the effects of physical and chemical stressors on sediment microbial communities interact with the vertical dimension. To go further, these results could be combined with modeling or complemented with field studies to better predict the effects of multiple stressors on rivers and help restoration actions.
La zone hyporhéique située à l’interface entre eau de surface et eau souterraine joue un rôle important pour l’écosystème de la rivière. Les communautés microbiennes qui colonisent cette zone réalisent notamment la minéralisation de la matière organique participant ainsi au recyclage des nutriments dans les cours d’eau. Cependant, dans un contexte de changement global, les activités anthropiques sont susceptibles de perturber les communautés microbiennes et le fonctionnement de la zone hyporhéique. Ces stress de nature physique (e.g colmatage, assèchement, réchauffement) ou chimique (e.g. pesticides, métaux, pharmaceutiques) sont souvent multiples dans les rivières et leurs effets combinés nécessitent d’être étudiés afin de mettre en évidence d’éventuelles interactions et prioriser les actions de gestion. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était d’évaluer les effets de deux stress physiques fréquents dans les cours d’eau (assèchement et colmatage) sur la toxicité d’un contaminant métallique modèle (le cuivre) pour les activités et la structure microbienne dans le sédiment hyporhéique. Pour cela, deux expériences en mésocosmes constitués de colonnes remplies de sédiments reproduisant une zone hyporhéique ont été réalisées. La première expérience combinant colmatage et eau contaminée par du cuivre avait pour but d’évaluer l’effet du colmatage sur la distribution du cuivre dans la zone hyporhéique et d’appréhender les effets combinés de ces deux stress pour les communautés microbiennes du sédiment. Au cours de la deuxième expérience, des sédiments contaminés par du cuivre ont été exposés à 4 semaines d’assèchement et 4 semaines de remise en eau. L’objectif de cette expérience était de déterminer les effets du cuivre sur la résistance et la résilience des communautés microbiennes à l’assèchement. Ces expériences ont mis en évidence l’importance de la dimension verticale de la zone hyporhéique dans l’évaluation des stress combinés. L’exposition et les effets des stress physiques (colmatage et assèchement) sur les communautés microbiennes étaient importants en surface par rapport aux couches plus profondes. Au contraire, le cuivre a eu des effets variables tout au long de la colonne selon le compartiment contaminé (eau de surface ou sédiment). Lors de l’exposition à une combinaison de stress, un stress majoritaire influençait globalement les réponses microbiennes même si des interactions antagonistes ont été mise en évidence entre les stress à certaines profondeurs. La diversité bactérienne en surface était par exemple plus faible lorsque les communautés microbiennes étaient exposées au cuivre seul comparée au cuivre combiné à l’assèchement. Ces interactions s’expliquent notamment par une diminution de la biodisponibilité et donc de la toxicité du cuivre par les stress physiques. Globalement les communautés microbiennes en profondeur étaient préservées des effets des stress constituant un potentiel « réservoir » d’espèces sensibles. Ces résultats permettent d’apporter des connaissances sur le fonctionnement de la zone hyporhéique et sur la manière dont les effets des stress physiques et chimiques sur les communautés microbiennes du sédiment interagissent avec la dimension verticale de cette zone. Pour aller plus loin, ces résultats pourront être combinés à de la modélisation ou complétés avec des études de terrain afin de mieux prédire les effets des stress multiples sur les cours d’eau et aider les gestionnaires dans leurs actions de restauration.
Origine : Version validée par le jury (STAR)