| Summary: | The fate of soil organic carbon stocked in permafrost environments is a major concern in the context of global warming. In this thesis, the bacterial populations implicated in two important aerobic microbially-driven processes of the carbon cycle, aerobic methane oxidation and carbon dioxide production, were studied in different soils from the Canadian high Arctic. A protocol for the safe and sensitive detection of DNA in cesium chloride density gradients for stable isotope probing of DNA, a recent and widely used technique in microbial ecology allowing for the identification of microorganisms implicated in the degradation of a specific substrate, was developed. Using this protocol, active methanotrophic bacteria from the genera Methylobacter and Methylomonas were identified in active layer soils from Eureka, in the Canadian high Arctic. These soils had the capacity to oxidize methane at 4°C and at room temperature (RT), but the oxidation rates were greater at RT and were significantly enhanced by nutrient amendment. Bacterial populations implicated in aerobic methane oxidation and carbon dioxide production were studied in three different soils with highly distinctive physico-chemical characteristics from Axel Heiberg Island, in the Canadian high Arctic. Using microarray and clone library analyses of the particulate methane monooxygenase gene (pmoA), putative atmospheric methane oxidizers from the uncultured genotypes "upland soil cluster gamma" and "upland soil cluster alpha" were detected for the first time in Arctic soils and were associated with near neutral and acidic pH conditions, respectively. The overall methanotrophic bacterial diversity in these soils was higher than previously described for other Arctic soils and the community composition differed depending on the soil type. Potential methane oxidation rates of the soils at low and high methane concentrations were positively correlated to the relative abundance of genotype "upland soil cluster gamma". Differences in the bacterial community structure in the three soils from Axel Heiberg Island were detected at the genera/species levels using microarrays of the 16S rRNA gene and were related to soil pH and seasonal changes. Shifts in community structure were also detected at the phyla/classes levels by real-time PCR (qPCR) of the 16S rRNA gene, with the soil carbon dioxide production rate being positively correlated to the relative abundance of bacterial groups previously described as copiotrophs (Alphaproteobacteria, Bacteroidetes, and Betaproteobacteria). The results from this study indicated that bacterial communities in high Arctic soils play an important role in two aerobic processes of the carbon cycle, methane oxidation and carbon dioxide production. Methanotrophic bacteria and methane oxidation were detected in these soils and might be implicated in the reduction of methane emissions from the melting permafrost in the context of global warming. Beside, the relatively higher abundance of copiotrophic bacterial taxa in high Arctic soils with high organic matter content might lead, upon warming, to a rapid increase in soil carbon dioxide production. Further research is needed to assess the relevance of these findings under in situ conditions in a warming climate. Le sort du carbone contenu dans le pergélisol est une source de préoccupation majeure dans le contexte des changements climatiques. Dans cette thèse, les populations bactériennes impliquées dans deux processus du cycle du carbone, l'oxydation du méthane et la production du dioxyde de carbone, ont été étudiées dans différents sols du haut Arctique canadien. Un protocole pour la détection sensible et sécuritaire de l'ADN dans les gradients de chlorure de césium, étape cruciale d'une technique appelée « stable isotope probing of DNA » qui permet d'identifier les bactéries impliquées dans la dégradation d'un substrat, a d'abord été développé. Ce protocole a par la suite permis d'identifier des bactéries méthanotrophes actives appartenant aux genres Methylobacter et Methylosarcina dans des sols provenant d'Eureka, dans le haut Arctique canadien. La capacité de ces sols à dégrader le méthane a été observée à 4°C et à température ambiante, mais les taux de dégradation étaient nettement plus élevés à température ambiante tout en étant grandement stimulés par l'ajout de nutriments. Les bactéries impliquées dans l'oxydation du méthane et la production de dioxyde de carbone ont été étudiées dans trois sols présentant des caractéristiques physico-chimiques distinctes provenant de l'île d'Axel Heiberg, dans le haut Arctique canadien. Grâce à l'utilisation de biopuces à ADN et de librairies de clones ciblant le gène codant pour l'enzyme méthane monooxygénase particulaire (pmoA), des bactéries potentiellement impliquées dans l'oxydation du méthane atmosphérique appartenant aux génotypes « upland soil cluster gamma » et « upland soil cluster alpha » ont été identifiées pour la première fois dans des sols de l'Arctique. La présence de ces deux génotypes était respectivement associée à des sols de pH neutres et acides. De manière générale, la diversité des populations méthanotrophes détectées dans les sols de l'île d'Axel Heiberg était supérieure à ce qui est généralement observé dans d'autres sols de l'Arctique et variait selon le type de sol. La capacité des sols à dégrader le méthane à des concentrations faibles et élevées était positivement corrélée à la présence dans les sols du génotype « upland soil cluster gamma ».L'utilisation d'une biopuce à ADN ciblant le gène codant pour l'ARN ribosomal 16S a permis la détection de différences dans la structure des communautés bactériennes au niveau genre/espèce dans les trois sols de l'île d'Axel Heiberg. Ces différences étaient associées au pH du sol et aux changements de saisons. Des différences dans la structure des communautés bactériennes ont également été détectées au niveau phylum/classe par PCR en temps réel ciblant le gène codant pour l'ARN ribosomal 16S de différents taxons bactériens. La capacité de production du dioxyde de carbone des sols était positivement corrélée à l'abondance relative de taxons bactériens présentant des attributs copiotrophes (Alphaproteobacteria, Bacteroidetes, and Betaproteobacteria). Les résultats de cette étude indiquent que les communautés bactériennes jouent un rôle important dans deux processus du cycle du carbone, l'oxydation du méthane et la production de dioxyde de carbone, dans les sols du haut Arctique canadien. L'oxydation du méthane, de même que les bactéries méthanotrophes associées à ce processus, ont été détectées dans ces sols, et pourraient donc jouer un rôle important dans la réduction des émissions de méthane liées au dégel du pergélisol suite au réchauffement climatique. D'autre part, l'abondance relative plus élevée de bactéries copiotrophes dans des sols du haut Arctique canadien contenant de grandes quantités de carbone pourrait conduire, suite à un réchauffement du climat, à une augmentation de la production de dioxyde de carbone. Des recherches plus approfondies seront nécessaires afin de déterminer si les résultats observés dans cette étude auront une incidence en conditions in situ dans le contexte des changements climatiques.
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