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Thèse Année : 2022

Quantitative and functional significance of novel organic nanoparticles in aquatic food webs

Importance quantitative et fonctionnelle de nanoparticules organiques inédites dans les réseaux trophiques aquatiques

Résumé

With global change and especially the increase of surface water temperature (Whitehead et al., 2009), it has become essential to understand and anticipate the evolution of aquatic ecosystems. The proper functioning and evolution of these ecosystems have always been linked to the functioning of the biological compartment, and especially the microbial compartment (Lalli and Parsons, 1997). Over the last few decades, technological advances have revealed a complex network of microbial interactions (Pomeroy et al., 2007), including a previously unsuspected diversity of sub-micrometric entities that may have major functional importance (Mostajir et al., 2012). To understand the global functioning of aquatic ecosystems, it therefore seems necessary to focus research on the smallest size fractions, especially on the previously under-considered nanoplanktonic particles belonging to femtoplankton (< 0.2 µm or 200 nm).The discovery of a new type of organic particles belonging to femtoplankton, named "Aster Like Nanoparticles" (ALNs) (Colombet et al., 2019), raises many questions, especially about their functional importance in aquatic ecosystems. The principal objective of this thesis is therefore to deepen our knowledge on the functionalities of ALNs, focusing especially on the ecological study of these entities to be able, in the future, to explain their presence and understand their interactions with their physico-chemical and microbial environment. To this, different scales of integration will be considered: from the ecosystemic to the experimental scale, under controlled conditions.Our results allowed us to demonstrate the presence of ALNs in a wide range of habitats with different characteristics (Fuster et al., 2020). These results proved the ubiquity of ALNs, which can develop in various physico-chemical environments. A complementary study has shown the temporal dynamics of ALNs in different aquatic ecosystems, suggesting that ALNs are a major player to be integrated in models of ecological succession (Fuster et al., 2022). This study, performed in three lakes of the Puy-de-Dôme, demonstrated the importance of biological parameters in the distribution of ALNs, and the potential importance of prokaryotes. Eventually, microcosm studies confirmed the importance of prokaryotes, with results showing a development of up to 20 times more ALNs in the presence of a high prokaryotes concentration. Altogether, our results showed the importance of ALNs as new actors in aquatic ecosystems by their strong ecosystemic dynamics and by their interactions with prokaryotes, the main regulators of matter and energy flows. ALNs are therefore new planktonic entities that should be considered in the study of aquatic ecosystems. All our results raise research perspectives on the nature and ecology of ALNs and their position in the evolutionary patterns of the organic world.
Face au changement global et notamment à l’augmentation de la température des eaux de surface (Whitehead et al., 2009), il est devenu indispensable de comprendre et d’anticiper l’évolution des écosystèmes aquatiques. Le bon fonctionnement et l’évolution de ces écosystèmes ont toujours été intimement liés au fonctionnement du compartiment biologique et notamment microbien (Lalli and Parsons, 1997). Les avancées technologiques des dernières décennies ont permis de mettre en évidence un véritable réseau d’interactions microbiennes (Pomeroy et al., 2007), intégrant une diversité jusqu’alors insoupçonnée d’entités sub-micrométriques pouvant avoir une importance fonctionnelle majeure (Mostajir et al., 2012). Pour comprendre le fonctionnement global des écosystèmes aquatiques, il semble donc nécessaire de concentrer des efforts de recherche sur les plus petites fractions de taille, notamment sur les particules nanoplanctoniques appartenant au femtoplancton jusqu’alors sous-considérées (< 0.2 µm ou 200 nm). Dans ce contexte, la découverte d’une nouvelle catégorie de particules organiques appartenant au femtoplancton, nommées « Aster Like Nanoparticles » (ALNs) (Colombet et al., 2019), soulève de nombreuses questions et notamment celle de leur importance fonctionnelle au sein des écosystèmes aquatiques. L’objectif principal de cette thèse est donc d’approfondir nos connaissances sur les fonctionnalités des ALNs, en se focalisant particulièrement sur l’étude écologique de ces entités afin de pouvoir, à terme, expliquer leur présence et appréhender leurs interactions avec leur environnement physico-chimique et microbien. Pour cela, différentes échelles d’intégration seront considérées : de l’échelle écosystémique à l’échelle expérimentale, en conditions contrôlées.Nos résultats ont, dans un premier temps, permis de mettre en évidence la présence des ALNs dans un large spectre d’habitats aux caractéristiques différentes (Fuster et al., 2020). Ces résultats ont permis de prouver l’ubiquité des ALNs, capables de se développer dans des environnements physico-chimiques variés. Une étude complémentaire a permis de dresser la dynamique temporelle des ALNs dans différents écosystèmes aquatiques, suggérant que les ALNs sont un acteur majeur à intégrer dans les modèles de successions écologiques (Fuster et al., 2022). Cette étude, menée dans trois lacs du Puy-de-Dôme, a permis de démontrer l’importance des paramètres biologiques dans la distribution des ALNs, et notamment l’importance potentielle des procaryotes. Finalement, des études en microcosmes ont permis de confirmer l’importance des procaryotes, avec des résultats montrant un développement jusqu’à 20 fois plus important des ALNs en présence d’une forte concentration de procaryotes. De façon générale, nos résultats ont démontré l’importance des ALNs en tant que nouveaux acteurs dans les écosystèmes aquatiques, d’une part par leur dynamique écosystémique marquée et, d’autre part, par leurs interactions avec les procaryotes, principaux régulateurs des flux de matière et d’énergie. Les ALNs sont donc de nouvelles entités planctoniques qu’il faudra désormais prendre en compte dans l’étude des écosystèmes aquatiques. Enfin, l’ensemble de nos résultats soulève des perspectives de recherche sur la nature et l’écologie des ALNs et leur place dans les schémas évolutifs du monde organique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03953897 , version 1 (24-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03953897 , version 1

Citer

Maxime Fuster. Quantitative and functional significance of novel organic nanoparticles in aquatic food webs. Microbiology and Parasitology. Université Clermont Auvergne, 2022. English. ⟨NNT : 2022UCFAC029⟩. ⟨tel-03953897⟩
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