Microbial Community Adaptation in a biobed System Exposed to Long-Term Agrochemical Contamination

Diplôme Master Microbial Community Adaptation in a biobed System Exposed to Long-Term Agrochemical Contamination eng 2025-09-09 2025-08-31 author Ramos Vivien 924026 director Perron Karl 45679 Département des sciences végétales (BIVEG) director Gindro Katia 58 Biobeds are biological systems designed to mitigate point-source pesticide contamination, yet their long-term performance under high agrochemical loads remains poorly understood. This thesis examines microbial community adaptation in the Denens biobed (Vaud, Switzerland), which has been exposed for nearly two decades to diverse pesticide inputs and heavy metal accumulation, particularly copper. Soil samples from the biobed and nearby control fields were subjected to metagenomic sequencing, metal and pesticide enrichment assays, antibiotic resistance profiling, and functional characterization of isolated strains. Metagenomic analyses revealed distinct microbial community structures in the biobed compared to controls, with enrichment of taxa such as Lysobacter luteus and Pseudoxanthomonas mexicana, alongside higher abundances of heavy metal resistance genes (HMRGs) and antibiotic resistance genes (ARGs), including those conferring resistance to carbapenems, aminoglycosides, cephalosporins, and penams. Enrichment experiments isolated strains capable of tolerating elevated zinc and copper concentrations, notably Sphingobacterium detergens, which exhibited enhanced metal tolerance. Functional assays further demonstrated partial degradation of pesticides such as penconazole and fluopyram by selected isolates, though overall biodegradation capacity remained limited. These findings indicate that prolonged agrochemical exposure drives microbial selection with metal tolerance and potential pesticide-degrading traits, but at the cost of fostering environmental reservoirs of antibiotic resistance. The work highlights both the bioremediation potential and ecological risks of biobed systems, emphasizing the need for careful management and microbial monitoring. Ultimately, the study proposes that targeted exploitation of adapted microbial communities could improve biobed remediation efficiency while informing strategies to mitigate the spread of resistance genes. Les biobacs sont des systèmes biologiques conçus pour atténuer la contamination ponctuelle par les pesticides. Cependant, leur performance à long terme sous des charges élevées en agrochimiques reste mal comprise. Cette thèse examine l’adaptation des communautés microbiennes dans le biobac de Denens (Vaud, Suisse), exposé depuis près de deux décennies à des apports variés en pesticides et à une accumulation de métaux lourds, notamment le cuivre. Des échantillons de sol provenant du biobac et de champs contrôles avoisinants ont été soumis à un séquençage métagénomique, à des essais d’enrichissement en métaux et pesticides, à une analyse du profil de résistance aux antibiotiques, ainsi qu’à une caractérisation fonctionnelle des souches isolées. Les analyses métagénomiques ont révélé des structures communautaires microbiennes distinctes dans le biobac par rapport aux contrôles, avec un enrichissement en taxons tels que Lysobacter luteus et Pseudoxanthomonas mexicana, ainsi qu'une abondance plus élevée de gènes de résistance aux métaux lourds (HMRGs) et aux antibiotiques (ARGs), notamment ceux conférant une résistance aux carbapénèmes, aminoglycosides, céphalosporines et pénams. Les expériences d’enrichissement ont permis d’isoler des souches tolérantes à des concentrations élevées de zinc et de cuivre, en particulier Sphingobacterium detergens, qui a montré une tolérance accrue aux métaux et plus particulièrement au zinc. Des essais fonctionnels ont également mis en évidence une dégradation partielle de pesticides tels que le penconazole et le fluopyram par certaines souches, bien que la capacité globale de biodégradation reste limitée. Ces résultats indiquent qu’une exposition prolongée aux agrochimiques favorise la sélection microbienne de traits de tolérance aux métaux et de potentiel de dégradation des pesticides, mais au prix de la formation de réservoirs environnementaux de résistance aux antibiotiques. Ce travail met en lumière à la fois le potentiel de biorémédiation et les risques écologiques associés aux biobacs, soulignant la nécessité d’une gestion prudente et d’un suivi microbiologique. En définitive, l’étude propose que l’exploitation ciblée des communautés microbiennes adaptées pourrait améliorer l'efficacité de la remédiation des biobacs tout en soulevant la question du danger potentiel que ces biobacs représentent en matière de sélection de gènes de résistance aux antibiotiques. Dewey 580 MBGDE 45 Département des sciences végétales 163 false 1239 Unité de microbiologie 2029ea45-5e1b-443a-a4df-74592258d107 Master thesis Restricted Thesis_Vivien_Ramos.pdf 2194205 application/pdf 45df2f0193b56a00f1ce7dff9d2853272961d408011aa94951b90f3050a07a0e restrictedAccess Faculté des sciences / Section de biologie / Département des sciences végétales

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Microbial Community Adaptation in a biobed System Exposed to Long-Term Agrochemical Contamination				2025	35	4

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