Dynamiques des émissions et caractérisation des bioaérosols émis par les sols en paysages agricoles : des mécanismes d’aérosolisation aux enjeux pour la qualité de l’air

Contexte et problématique scientifique
La qualité de l’air est un enjeu majeur pour la santé et l’environnement (3ème objectif de développement durable défini par l’ONU). Toutefois, la dégradation de la qualité de l’air est de plus en plus constatée. Elle est due aux émissions de gaz et de particules générées par les activités anthropiques (domestiques, industrielles, agricoles) et les changements globaux en cours (intensification de l’usage des terres, changement climatique). Certaines particules dans l’air font ainsi l’objet d’une surveillance européenne du fait de leur impact délétère sur la santé humaine (maladies respiratoires et cardiovasculaires, cancer, Rapport OMS, Janvier 2013) et sur celle des écosystèmes (seuil de particules admissibles dans l’air ambiant ; Cf directives 1999/30/CE PM10 et 2008/50/CE PM 2.5).

Les sols constituent une interface majeure d’échanges de matières et de gaz avec l’atmosphère [1]. Ils sont aussi d’immenses réservoirs de biodiversité microbienne incluant des pathogènes pour l’homme [2, 3]. Alors se pose la question de savoir si les sols anthropisés sont des sources d’aérosols biologiques jusqu’alors sous-estimées et insuffisamment prises en compte dans les modèles de prédiction de la qualité de l’air extérieur [4]. Les sols dans les paysages agricoles ont la particularité d’être soumis à des pressions anthropiques fortes couplées aux changements climatiques qui impactent leur composante microbienne [5]. Ainsi les épandages d’effluents d’élevage, d’eaux usées, de boues d’épuration introduisent des pathogènes dans les sols agricoles dont le devenir est peu documenté. Or il a été montré récemment que l’activité humaine augmente les émissions d’aérosols par perturbation des sols [6]. Ainsi les zones agricoles font partie des environnements extérieurs les plus contaminés, 9 % des travailleurs agricoles sont atteints d’asthme, rhinites et bronchites chroniques.

La contribution des sols comme source de bioaérosols via des mécanismes d’aérosolisation des microorganismes du sol est supposée mais reste méconnue. L’aérosolisation est probablement à l’origine de maladies pulmonaires liées aux bactéries du phylum des Actinobacteria, tels que les Mycobacterium, dont certaines espèces sont des pathogènes de l’animal et des pathogènes opportunistes pour l’homme (Rowe et Grant, 2006). Quant aux champignons, si leur aérosolisation a été rapportée en milieu urbain insalubre (Gorny et al, 2001), celle des champignons du sol in natura reste à documenter.
La question posée est donc de savoir si les sols sont des sources d’aérosols biologiques importantes jusqu’alors sous-estimées et insuffisamment prises en compte dans la prédiction de la qualité de l’air et dans l’évaluation des risques sanitaires associés.

Objectifs – Hypothèses : Dans ce travail, nous testerons les hypothèses que i) différents types d’utilisation des sols en agriculture génèrent des bioaérosols distincts et que ii) la dynamique d’aérosolisation des microorganismes diffère avec leur taille, la fraction la plus fine (PM< 2,5 et PM<1) domine et constitue la fraction la plus dangereuse pour la santé humaine.
Programme et tâches de travail: Le stage s’inscrit dans un projet national cofinancé par le CNRS MITI et le CNRS INSU EC2CO dédié aux bioaérosols émis à l’interface sol-air dans les paysages agricoles. Trois actions majeures seront poursuivies pour étudier la composition des bioaérosols dans l’air ambiant extérieur à moins de 2 m de la surface et identifier les facteurs influençant la dynamique d’aérosolisation des bioaérosols depuis la surface du sol. De prime abord, un inventaire des émissions de bioaérosols émis en extérieur sera réalisé au sein d’agrosystèmes soumis à différentes pratiques culturales et d’amendements via un échantillonnage temporel des particules de l’air par fraction de taille granulométrique (de PM 10 à PM 0,1) et servira de référence (tâche1). Les bioaérosols collectés par fraction de taille seront ensuite caractérisés microbiologiquement grâce à des analyses moléculaires (métabarcoding, qPCR) en laboratoire. Pour comprendre les mécanismes d’aérosolisation, une expérimentation d’aérosolisation sera réalisée directement sur le terrain. Un nouveau banc d’essai de type tunnel d’aérosolisation sera construit à partir d’un prototype existant qui nécessitera une validation (tâche2). Une fois validé, le prototype sera déployé sur plusieurs parcelles agricoles et des essais d’aérosolisation de sol avec des vents contrôlés seront effectués. Les bioaérosols générés expérimentalement seront caractérisés microbiologiquement selon le même protocole que pour les bioaérosols collectés in situ en environnement extérieur. L’analyse à partir des acides nucléiques concernera les bactéries dont les mycobactéries (groupe bactérien d’intérêt pour leur implication en santé publique) et les champignons. La personne stagiaire participera à la construction validation du dispositif tunnel en lien avec un ingénieur électronicien, assurera le suivi de la collecte des bioaérosols in situ et participera à l’extraction de l’ADN environnemental. Elle participera enfin à l’identification des communautés aérosolisées dans l’air extérieur et celles aérosolisées expérimentalement, et à leur quantification par qPCR, qui mobilisera une étroite collaboration avec le laboratoire LEESU (Université Paris-Est, Créteil). Les résultats d’analyses seront organisés dans une base de données préalablement à leur exploitation statistique et bio-informatique.

Equipes d’accueil : UMR CNRS ECOBIO Rennes et Laboratoire LEESU, Paris-Est Créteil
*UMR 6553 CNRS Ecosystèmes, Biodiversité, Evolution ; Équipe RITME (Réseaux d’interactions et Transferts de matière dans l’Environnement). Localisation : Université de Rennes, Campus scientifique de Beaulieu, Avenue du Général Leclerc, Rennes
*LEESU (Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains), Université Paris-Est Créteil et Ecole des Ponts ParisTech. Localisation : Université Paris-Est Créteil (UPEC), Faculté des Sciences et Technologie, 61 avenue du Général de Gaulle, Créteil
Encadrants: Françoise Binet (DR CNRS) francoise.binet@univ-rennes1.fr, Félix Aubourg felix.aubourg@univ-rennes1.fr (IR UR1), Virginie Daburon (AI CNRS),virginie.daburon@univ-rennes1.fr ; Françoise Lucas (PU UPEC) lucas@u-pec.fr, Claire Therial (IGE UPEC) claire.therial@u-pec.fr.

Conditions de travail : La personne intégrera l’équipe de chercheurs, ingénieurs et techniciens du laboratoire ECOBIO à Rennes et collaborera étroitement avec ceux du laboratoire LEESU à Créteil, qui sont conjointement mobilisés sur le projet. La personne stagiaire disposera du soutien technique des plateformes d’écologie expérimentale ECOLEX et d’écologie moléculaire PEM (ecobio.univ-rennes1.fr/ ) ainsi que de la plateforme de biologie moléculaire du du LEESU.et la plateforme PRAMMICs de l’OSU Efluve (https://osu-efluve.u-pec.fr/recherche /plateformes /prammics)

Durée et gratification : Le stage est prévu pour une durée de six mois, de Janvier 2022 à Juillet 2022 (à titre indicatif) et ouvre au versement de gratifications réglementaires (590 € mensuels environ). Des déplacements vers le laboratoire LEESU/Paris pendant la durée du stage pourront être envisagés.

Profil du candidat : Ce stage est ouvert à des étudiants en formation de parcours master ou ingénieur, éventuellement de licence 3 en année de césure avant le master. Seuls les étudiants inscrits dans une formation auprès d’un établissement d’enseignement peuvent postuler. La personne devra avoir un intérêt pour les sciences de l’environnement et/ou l‘écologie microbienne et une motivation pour le travail en équipe et l’interdisciplinarité. Une très bonne expérience en microbiologie ou dans le domaine de la qualité de l’environnement et une bonne connaissance des techniques de biologie moléculaire sont souhaitées. La personne devra faire preuve de rigueur à la paillasse, d’autonomie et d’organisation. Le permis de conduire est souhaitable et la personne pourra bénéficier des véhicules de terrain mis à disposition.

Publications significatives dans le domaine :
Després VR, Alex Huffman J, Burrows SM, et al (2012) Primary biological aerosol particles in the atmosphere: A review. Tellus, Ser B Chem Phys Meteorol 64:. doi: 10.3402/tellusb.v64i0.15598
– Monard C, L Jeanneau, JL Le Garrec, N Lebris, F Binet, 2020, Short-term effect of pig slurry and its digestate
application on biochemical properties of soils and emissions of volatile organic compounds. Appl Soil Ecol 147:103376,
https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2019.103376
– Potard K, Monard C, JL Le Garrec JP Caudal, N Le Bris, F Binet, 2017;, Organic amendment practices as possible
drivers of biogenic VOC emissions from soil to the atmosphere in agricultural landscapes. Agric, Ecosysty
Environ250 :25-36. https://doi.org/10.1016/j.agee.2017.09.007
Radomski N, Roguet A, Lucas FS, et al. (2013). atpE gene as a new useful specific molecular target to quantify Mycobacterium in environmental samples. BMC Microbiology 13 :277-289
Yoo K, Lee TK, Choi EJ, et al (2017) Molecular approaches for the detection and monitoring of microbial communities in bioaerosols: A review. J Environ Sci (China) 51:234–247. doi: 10.1016/j.jes.2016.07.002
Tzou CL, Dirac MA, Becker AL, Beck NK, Weigel KM, Meschke JS, Cangelosi GA (2020). Association between Mycobacterium avium Complex Pulmonary Disease and Mycobacteria in Home Water and Soil. Annals of the American Thoracic Society 17(1):57-62. DOI: 10.1513/annalsats.201812-915oc

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