The role of fungi in the precipitation of calcite : relationships between fungal filaments, nanofibres, and needle fibre calcite

RésuméLes champignons sont impliqués dans les cycles biogéochimiques de différentes manières. En particulier, ils sont reconnus en tant qu'acteurs clés dans la dégradation de la matière organique, comme fournisseurs d'éléments nutritifs via l'altération des minéraux mais aussi comme grands producteurs d'acide oxalique et de complexes oxalo-métalliques. Toutefois, peu de choses sont connues quant à leur contribution à la genèse d'autres types de minéraux, tel que le carbonate de calcium (CaCO3). Le CaCO3 est un minéral ubiquiste dans de nombreux écosystèmes et il joue un rôle essentiel dans les cycles biogéochimiques du carbone (C) et du calcium (Ca). Le CaCO3 peut être d'origine physico-chimique ou biogénique et de nombreux organismes sont connus pour contrôler ou induire sa biominéralisation. Les champignons ont souvent été soupçonnés d'être impliqué dans ce processus, cependant il existe très peu d'informations pour étayer cette hypothèse.Cette thèse a eu pour but l'étude de cet aspect négligé de l'impact des champignons dans les cycles biogéochimiques, par l'exploration de leur implication potentielle dans la formation d'un type particulier de CaCO3 secondaires observés dans les sols et dans les grottes des environnements calcaires. Dans les grottes, ces dépôts sont appelés moonmilk, alors que dans les sols on les appelle calcite en aiguilles. Cependant ces deux descriptions correspondent en fait au même assemblage microscopique de deux habitus particulier de la calcite: la calcite en aiguilles (au sens strict du terme cette fois-ci) et les nanofibres. Ces deux éléments sont des habitus aciculaires de la calcite, mais présentent des dimensions différentes. Leur origine, physico-chimique ou biologique, est l'objet de débats intenses depuis plusieurs années déjà.L'observation d'échantillons environnementaux avec des techniques de microscopie (microscopie électronique et micromorphologie), ainsi que de la microanalyse EDX, ont démontré plusieurs relations intéressantes entre la calcite en aiguilles, les nanofibres et des éléments organiques. Premièrement, il est montré que les nanofibres peuvent être organiques ou minérales. Deuxièmement, la calcite en aiguilles et les nanofibres présentent de fortes analogies avec des structures hyphales, ce qui permet de confirmer l'hypothèse de leur origine fongique. En outre, des expériences en laboratoire ont confirmé l'origine fongique des nanofibres, par des digestions enzymatiques d'hyphes fongiques. En effet, des structures à base de nanofibres, similaires à celles observées dans des échantillons naturels, ont pu être produites par cette approche. Finalement, des enrichissements en calcium ont été mesurés dans les parois des hyphes et dans des inclusions intrahyphales provenant d'échantillons naturels de rhizomorphes. Ces résultats suggèrent une implication de la séquestration de calcium dans la formation de la calcite en aiguilles et/ou des nanofibres.Plusieurs aspects restent à élucider, en particulier la compréhension des processus physiologiques impliqués dans la nucléation de calcite dans les hyphes fongiques. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse ont permis de confirmer l'implication des champignons dans la formation de la calcite en aiguilles et des nanofibres. Ces découvertes sont d'une grande importance dans les cycles biogéochimiques puisqu'ils apportent de nouveaux éléments dans le cycle couplé C-Ca. Classiquement, les champignons sont considérés comme étant impliqués principalement dans la minéralisation de la matière organique et dans l'altération minérale. Cette étude démontre que les champignons doivent aussi être pris en compte en tant qu'agents majeurs de la genèse de minéraux, en particulier de CaCO3. Ceci représente une toute nouvelle perspective en géomycologie quant à la participation des champignons au cycle biologique du C. En effet, la présence de ces précipitations de CaCO3 secondaires représente un court-circuit dans le cycle biologique du C puisque du C inorganique du sol se retrouve piégé dans de la calcite plutôt que d'être retourné dans l'atmosphère.AbstractFungi are known to be involved in biogeochemical cycles in numerous ways. In particular, they are recognized as key players in organic matter recycling, as nutrient suppliers via mineral weathering, as well as large producers of oxalic acid and metal-oxalate. However, little is known about their contribution to the genesis of other types of minerals such as calcium carbonate (CaCO3). Yet, CaC03 are ubiquitous minerals in many ecosystems and play an essential role in the biogeochemical cycles of both carbon (C) and calcium (Ca). CaC03 may be physicochemical or biogenic in origin and numerous organisms have been recognized to control or induce calcite biomineralization. While fungi have often been suspected to be involved in this process, only scarce information support this hypothesis.This Ph.D. thesis aims at investigating this disregarded aspect of fungal impact on biogeochemical cycles by exploring their possible implication in the formation of a particular type of secondary CaC03 deposit ubiquitously observed in soils and caves from calcareous environments. In caves, these deposits are known as moonmilk, whereas in soils, they are known as Needle Fibre Calcite (NFC - sensu lato). However, they both correspond to the same microscopic assemblage of two distinct and unusual habits of calcite: NFC {sensu stricto) and nanofibres. Both features are acicular habits of calcite displaying different dimensions. Whether these habits are physicochemical or biogenic in origin has been under discussion for a long time.Observations of natural samples using microscopic techniques (electron microscopy and micromorphology) and EDX microanalyses have demonstrated several interesting relationships between NFC, nanofibres, and organic features. First, it has shown that nanofibres can be either organic or minera! in nature. Second, both nanofibres and NFC display strong structural analogies with fungal hyphal features, supporting their fungal origin. Furthermore, laboratory experiments have confirmed the fungal origin of nanofibres through an enzymatic digestion of fungal hyphae. Indeed, structures made of nanofibres with similar features as those observed in natural samples have been produced. Finally, calcium enrichments have been measured in both cell walls and intrahyphal inclusions of hyphae from rhizomorphs sampled in the natural environment. These results point out an involvement of calcium sequestration in nanofibres and/or NFC genesis.Several aspects need further investigation, in particular the understanding of the physiological processes involved in hyphal calcite nucleation. However, the results obtained during this study have allowed the confirmation of the implication of fungi in the formation of both NFC and nanofibres. These findings are of great importance regarding global biogeochemical cycles as they bring new insights into the coupled C and Ca cycles. Conventionally, fungi are considered to be involved in organic matter mineralization and mineral weathering. In this study, we demonstrate that they must also be considered as major agents in mineral genesis, in particular CaC03. This is a completely new perspective in geomycology regarding the role of fungi in the short-term (or biological) C cycle. Indeed, the presence of these secondary CaC03 precipitations represents a bypass in the short- term carbon cycle, as soil inorganic C is not readily returned to the atmosphere.

Plant species distributions along environmental gradients: do belowground interactions with fungi matter?

The distribution of plants along environmental gradients is constrained by abiotic and biotic factors. Cumulative evidence attests of the impact of biotic factors on plant distributions, but only few studies discuss the role of belowground communities. Soil fungi, in particular, are thought to play an important role in how plant species assemble locally into communities. We first review existing evidence, and then test the effect of the number of soil fungal operational taxonomic units (OTUs) on plant species distributions using a recently collected dataset of plant and metagenomic information on soil fungi in the Western Swiss Alps. Using species distribution models (SDMs), we investigated whether the distribution of individual plant species is correlated to the number of OTUs of two important soil fungal classes known to interact with plants: the Glomeromycetes, that are obligatory symbionts of plants, and the Agaricomycetes, that may be facultative plant symbionts, pathogens, or wood decayers. We show that including the fungal richness information in the models of plant species distributions improves predictive accuracy. Number of fungal OTUs is especially correlated to the distribution of high elevation plant species. We suggest that high elevation soil show greater variation in fungal assemblages that may in turn impact plant turnover among communities. We finally discuss how to move beyond correlative analyses, through the design of field experiments manipulating plant and fungal communities along environmental gradients.

Simultaneous determination of Pu and Am radioisotopes in environmental samples: a tool for determining origin and release date

A radiochemical procedure was developed for the sequential determination of Pu and Am radioisotopes in environmental samples. The radioisotope activities were then used to assess the origin and release date of the environmental plutonium. The radioanalytical procedure is based on the separation of Pu and Am on selective extraction chromatographic resins (Eichrom TEVA and DGA). Alpha sources were prepared by electrodeposition on stainless steel discs, and the alpha emitting radionuclides (238Pu, 239,240Pu and 241Am) were measured by alpha spectrometry. For the determination of the beta emitting 241Pu, the Pu alpha source was leached in hot concentrated nitric acid and the Pu fraction further purified by extraction chromatography on a small column of TEVA resin (100 μg of resin in a pipette tip). 241Pu is then measured by ultra low level liquid scintillation counting. Due to the lack of reference material for 241Pu, the proposed radiochemical method was nevertheless validated using four IAEA reference sediments with information values of 241Pu. The proposed method was then used to determine the 238Pu, 239,240Pu, 241Pu and 241Am activity concentrations in alpine soils of France and Switzerland. The soil is the primary receptor of the atmospheric radioactive fallout and, because of the strong binding interaction with soils particles, the isotopes are little fractionated. Therefore, the activity ratios 241Pu/239+240Pu and 238Pu/239,240Pu in soil samples were used to determine the origin (source) and date of the Pu contamination in the investigated alpine sites. The 241Pu/239,240Pu and 238Pu/239,240Pu activity ratios confirmed that the main origin of Pu in the alpine soils was the global fallout from the nuclear bomb tests (NBT) in the fifties and sixties. Furthermore, the 241Pu/241Am activity ratios were used to determine the age of the Pu contamination, which is also an important data for distinguishing the Pu sources. The estimation of the date of the contamination, by the 241Pu/241Am age-dating method, further confirmed the NBT as the Pu source. However, the 241Pu/241Am dating method was limited to samples where Pu-Am fractionation was insignificant. If any, the contribution of the Chernobyl accident in the studied sites is negligible.

Evolution of uni- and bifactorial sexual compatibility systems in fungi.

Mating systems, that is, whether organisms give rise to progeny by selfing, inbreeding or outcrossing, strongly affect important ecological and evolutionary processes. Large variations in mating systems exist in fungi, allowing the study of their origin and consequences. In fungi, sexual incompatibility is determined by molecular recognition mechanisms, controlled by a single mating-type locus in most unifactorial fungi. In Basidiomycete fungi, however, which include rusts, smuts and mushrooms, a system has evolved in which incompatibility is controlled by two unlinked loci. This bifactorial system probably evolved from a unifactorial system. Multiple independent transitions back to a unifactorial system occurred. It is still unclear what force drove evolution and maintenance of these contrasting inheritance patterns that determine mating compatibility. Here, we give an overview of the evolutionary factors that might have driven the evolution of bifactoriality from a unifactorial system and the transitions back to unifactoriality. Bifactoriality most likely evolved for selfing avoidance. Subsequently, multiallelism at mating-type loci evolved through negative frequency-dependent selection by increasing the chance to find a compatible mate. Unifactoriality then evolved back in some species, possibly because either selfing was favoured or for increasing the chance to find a compatible mate in species with few alleles. Owing to the existence of closely related unifactorial and bifactorial species and the increasing knowledge of the genetic systems of the different mechanisms, Basidiomycetes provide an excellent model for studying the different forces that shape breeding systems.

Long-term and long range migration of radioisotopes in terrestrial systems : mechanisms of radioisotopes (Cs, Sr, Pu, Am) mobilization in soils

Summary Artificial radionuclides were released in the environment during the atmospheric nuclear weapon tests and after accidental events involving nuclear industries. As a primary receptor of the deposition, the soil is a very sensitive compartment and understanding the interaction and migration of radionuclides within soils allows the development of scenario for the contamination risk of the population and of the environment. Most available field studies on radionuclides in soils only concern one or two isotopes, mostly 137Cs, and few physico-chemical soil parameters. The purpose of this study was a broader understanding of the radioecology of an Alpine valley. In a first part, we aimed to describe the depth distribution of 137Cs, 90Sr, 239+240Pu, and 241Am within different alpine soils and to identify some stable elements as indicators for accumulating layers. In the central part of the study, the goal was to investigate the repartition of ^Sr and 239Pu between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the soil solutions and to identify the nature of colloids involved in the adsorption of ^Sr and 239Pu. These results were integrated in an "advection- sorption" transport model seeking to explain the migration of 239Pu and 90Sr within the soils and to assess the importance of colloidal transport for these two isotopes. A further aspect studied was the role of the competition between the radioisotopes (137Cs and 90Sr) and their stable chemical analogues (K and Ca) with respect to plant uptake by different plant species. The results on the depth distribution within the soils showed that 137Cs was mostly retained in the topsoil, to the exception of an organic-rich soil (Histosol 2) receiving important surface runoff, where migration down to a depth of 30 cm was observed. 137Cs depth distribution within the soils was similar to unsupported 210Pb depth distribution. The plant uptake of 137Cs clearly depended on the concentration of exchangeable potassium in the soils. Moreover, we showed that the 137Cs uptake by certain species of the taxonomic orders Poales and Rosales was more sensitive to the increase in exchangeable Κ compared to other orders. Strontium-90 was much more mobile in the soils than 137Cs and depth migration and accumulation in specific AI- and Fe-rich layers were found down to 30 cm. Copper and Ni showed accumulations in these same layers, indicating their potential to be used as indicators for the migration of ^Sr within the soils. In addition, we observed a 90Sr activity peak in the topsoil that can be attributable to recycling of 90Sr by plant uptake. We demonstrated for the first time that a part of 90Sr (at least 40%) was associated with the colloids in organic-rich soil solutions. Therefore, we predict a significant effect of the colloidal migration of ^Sr in organic-rich soil solutions. The plant uptake results for 90Sr indicated a phylogenetic effect between Non-Eudicot and Eudicots: the order Poales concentrating much less 90Sr than Eudicots do. Moreover, we were able to demonstrate that the sensitivity of the 90Sr uptake by 5 different Alpine plant species to the amount of exchangeable Ca was species-independent. Plutonium and 241Am accumulated in the second layer of all soils and only a slight migration deeper than 20 cm was observed. Plutonium and 241Am showed a similar depth distribution in the soils. The model results suggested that the present day migration of 239Pu was very slow and that the uptake by plants was negligible. 239Pu activities between 0.01 to 0.08 mBq/L were measured in the bulk soil solutions. Migration of 239Pu with the soil solution is dominated by colloidal transport. We reported strong evidences that humic substances were responsible of the sorption of 239Pu to the colloidal fraction of the soil solutions. This was reflected by the strong correlation between 239Pu concentrations and the content of (colloidal) organic matter in the soil solution. Résumé Certains radioéléments artificiels ont été disséminés dans l'environnement suite aux essais atmosphériques de bombes nucléaires et suite à des accidents impliquant les industries nucléaires. En tant que récepteur primaire de la déposition, le sol est un compartiment sensible et des connaissances sur les interactions et la migration des radioéléments dans le sol permettent de développer des modèles pour estimer la contamination de la population et de l'environnement. Actuellement, la plupart des études de terrain sur ce sujet concernent uniquement un ou deux radioéléments, surtout le 137Cs et peu d'études intègrent les paramètres du sol pour expliquer la migration des radioéléments. Le but général de cette étude était une compréhension étendue de la radio-écologie d'une vallée alpine. Notre premier objectif était de décrire la distribution en profondeur de 137Cs, ^Sr, 239+240pu et 241Am dans différents sols alpins en relation avec des éléments stables du sol, dans le but d'identifier des éléments stables qui pourraient servir d'indicateurs pour des horizons accumulateurs. L'objectif de la deuxième partie, qui était la partie centrale de l'étude, était d'estimer le pourcentage d'activité sous forme colloïdale du 239Pu et du 90Sr dans les solutions des sols. De plus nous avons déterminé la nature des colloïdes impliqués dans la fixation du ^Sr et 239Pu. Nous avons ensuite intégré ces résultats dans un modèle de transport développé dans le but de décrire la migration du 239Pu et 90Sr dans le sol. Finalement, nous avons étudié l'absorption de 137Cs et 90Sr par les plantes en fonction de l'espèce et de la compétition avec leur élément analogue stable (K et Ca). Les résultats sur la migration en profondeur du 137Cs ont montré que ce radioélément était généralement retenu en surface, à l'exception d'un sol riche en matière organique dans lequel nous avons observé une nette migration en profondeur. Dans tous les sols, la distribution en profondeur du 137Cs était corrélée avec la distribution du 210Pb. L'absorption du 137Cs par les plantes, était dépendante de la concentration en Κ échangeable dans le sol, le potassium étant un compétiteur. De plus, nous avons observé que les espèces ne réagissaient pas de la même manière aux variations de la concentration de Κ échangeable. En effet, les espèces appartenant aux ordres des Poales et des Rosales étaient plus sensibles aux variations de potassium échangeable dans le sol. Dans tous les sols Le 90Sr était beaucoup plus mobile que le 137Cs. En effet, nous avons observé des accumulations de 90Sr dans des horizons riches en Fe et Al jusqu'à 30 cm de profondeur. De plus, le Cu et le Ni montraient des accumulations dans les mêmes horizons que le 90Sr, indiquant qu'il pourrait être possible d'utiliser ces deux éléments comme analogues pour la migration du 90Sr. D'après le modèle développé, le pic de 90Sr dans les premiers centimètres du sol peut être attribué à du recyclage par les plantes. Le 90Sr en solution était principalement sous forme dissoute dans des solutions de sols peu organique (entre 60 et 100% de 90Sr dissous). Par contre, dans des solutions organiques, un important pourcentage de 90Sr (plus de 40%) était associé aux colloïdes. La migration colloïdale du 90Sr peut donc être significative dans des solutions organiques. Comme pour le 137Cs, l'absorption du 90Sr par les plantes dépendait de la concentration de son analogue chimique dans la fraction échangeable du sol. Par contre, les espèces de plantes étudiées avaient la même sensibilité aux variations de la concentration du calcium échangeable. Le plutonium et l'américium étaient accumulés dans le deuxième horizon du sol et nous avons observé seulement une faible migration plus profondément que 20 cm. Selon le modèle, la migration actuelle du plutonium est très lente et l'absorption par les plantes semble négligeable. Nous avons mesuré entre 0.01 et 0.08 mBq/L de 239Pu dans les solutions de sol brutes. La migration du plutonium par la solution du sol est due principalement aux colloïdes, probablement de nature humique. Résumé grand public Dans les années 1950 à 1960, l'environnement a été contaminé par des éléments radioactifs (radioéléments) artificiels provenant des essais des armes atomiques et de l'industrie nucléaire. En effet, durant ces années, les premiers essais de bombes atomiques se faisaient dans l'atmosphère, libérant de grandes quantités d'éléments radioactifs. De plus certains accidents impliquant l'industrie nucléaire civile ont contribué à la dissémination d'éléments radioactifs dans l'environnement. Ce fut par exemple le cas de l'accident de la centrale atomique de Tchernobyl en 1986 qui a causé une importante contamination d'une grande partie de l'Europe par le 137Cs. Lorsqu'ils sont libérés dans l'atmosphère, les radioéléments sont dispersés et transportés par les courants atmosphériques, puis peuvent être déposés dans l'environnement, principalement par les précipitations. Une fois déposés sur le sol, les radioéléments vont interagir avec les composants du sol et migrer plus ou moins vite. La connaissance des interactions des éléments radioactifs avec le sol est donc importante pour prédire les risques de contamination de l'environnement et de l'homme. Le but général de ce travail était d'évaluer la migration de différents éléments radioactifs (césium-137, strontium-90, plutonium et américium-241) à travers le sol. Nous avons choisi un site d'étude en milieu alpin (Val Piora, Tessin, Suisse), contaminé en radioéléments principalement par les retombées de l'accident de Tchernobyl et des essais atmosphériques de bombes atomiques. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la distribution en profondeur des éléments radioactifs dans le sol et l'avons comparée à divers éléments stables. Cette comparaison nous a permit de remarquer que le cuivre et le nickel s'accumulaient dans les mêmes horizons du sol que le strontium-90 et pourraient donc être utilisés comme analogue pour la migration du strontium-90 dans les sols. Dans la plupart des sols étudiés, la migration du césium-137, du plutonium et de l'américium-241 était lente et ces radioéléments étaient donc accumulés dans les premiers centimètres du sol. Par contre, le strontium-90 a migré beaucoup plus rapidement que les autres radioéléments si bien qu'on observe des accumulations de strontium-90 à plus de 30 cm de profondeur. Les radioéléments migrent dans la solution du sol soit sous forme dissoute, soit sous forme colloïdale, c'est-à-dire associés à des particules de diamètre < Ιμηι. Cette association avec des colloïdes permet à des radioéléments peu solubles, comme le plutonium, de migrer plus rapidement qu'attendu. Nous avons voulu savoir quelle était la part de strontium-90 et plutonium associés à des colloïdes dans la solution du sol. Les résultats ont montré que le plutonium en solution était principalement associé à des colloïdes de type organique. Quant au strontium-90, ce dernier était en partie associé à des colloïdes dans des solutions de sol riches en matière organique, par contre, il était principalement sous forme dissoute dans les solutions de sol peu organiques. L'absorption de radioéléments par les plantes représente une voie importante pour le transfert vers la chaîne alimentaire, par conséquent pour la contamination de l'homme. Nous avons donc étudié le transfert du césium-137 et du strontium-90 de plusieurs sols vers différentes espèces de plantes. Les résultats ont montré que l'absorption des radioéléments par les plantes était liée à la concentration de leur analogue chimique (calcium pour le strontium-90 et potassium pour le césium- 137) dans la fraction échangeable du sol. De plus certaines espèces de plantes accumulent significativement moins de strontium-90.

Characterization of the surface hydrophobicity of filamentous fungi.

A method for the quantitative analysis of the hydrophobicity of the mycelial mat of filamentous fungi based on contact angle measurements is presented. It was tested for a range of fungi belonging to the classes of basidiomycetes, ascomycetes and deuteromycetes. The measured contact angles of the mycelial mats ranged between hydrophilic (<30 degrees) for the deuteromycetes Fusarium oxysporum Fo47 GUS1 and Trichoderma harzianum P1[pZEGA1] and hydrophobic (>60 degrees) for the ascomycete Cladosporium sp. DSE48.1b and the basidiomycetes Paxillus involutus WSL 37.7, Hebeloma crustiliniforme WSL 6.2, Suillus bovinus WSL 48.1 and Laccaria bicolor WSL 73.1. For some fungi, variations in the hydrophobicity of the mycelium depending on the growth medium, the physiological state and the exposure to water were distinguished.

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Am I shrinking? On clothing size and body size.

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