Cette thèse participe à accroitre les connaissances sur les facteurs régissant la structures des communautés benthiques de la Grande Vasière (GV) du Golfe de Gascogne. Une attention particulière a été portée au rôle du chalutage de fond, dont l’intensité a été estimée à l’aide des données VMS. A l’échelle de la GV, nos résultats suggèrent que le chalutage de fond serait le principal moteur de structuration du mégabenthos (> 10 mm). Cependant, cette hypothèse n’a pu être formellement démontrée en raison de la co-variation entre l’activité de pêche et certaines caractéristiques environnementales. Par conséquent, les travaux ont été poursuivis sur une zone restreinte de la GV, choisie de manière à minimiser les variations dans l’habitat, tout en conservant un large gradient d’intensité de chalutageNous avons ainsi observé des modifications saisonnières et temporaires de la structure des communautés méga et macro-benthiques (>1 mm) en lien avec le chalutage. Ils proviendraient essentiellement d’une disponibilité alimentaire accrue pour les prédateurs-charognards de la mégafaune et de modifications des caractéristiques sédimentaires pour la macrofaune. En revanche, l’étude de la diversité fonctionnelle montre que ces changements n’ont que des répercussions mineures sur le fonctionnement de l’écosystème. Nos conclusions suggèrent que l’écosystème benthique de la GV a probablement été façonné par plusieurs décennies de pêche intensive et qu’il est actuellement adapté à des perturbations anthropiques chroniques / This PhD thesis aims at increasing the knowledge on factors influencing the benthic community structures of the « Grande Vasière » (GV) of the Bay of Biscay. Particular attention has been paid to the role of bottom trawling whose intensity has been estimated using VMS data. At the scale of the GV, our results suggest that bottom-trawling is the main driver of the megabenthic community structure (> 10mm). However, this hypothesis has not been formally demonstrated due to the co-variations between the trawling intensity and certain environmental characteristics. Hence, works continued on a restricted part of the GV that displayed minimal variations of environmental characteristics while exhibiting a wide gradient of trawling intensityResults suggest that bottom-trawling induces seasonnal and transient modifications on the mega and macrobenthic (> 1mm) communities. These changes could be due to an increase of food availability for the megabenthic predator-scavengers and to changes of sedimentary characteristics for macrofauna. However, investigation about functional diversity showed that these changes did not have major consequences on ecosystem functioning. We concluded that decades of bottom trawling may have shaped the benthic ecosystem of the GV and that it is currently adapted to frequent disruptions.

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Il est de plus en plus clair que nos écosystèmes sont liés les uns aux autres de façons multiples et parfois complexes. De plus en plus nous identifions de nouvelles façons dont deux systèmes échangent des ressources et de l’énergie. Le rôle de ces échanges et transferts est encore difficile à quantifier. Nous en savons relativement peu sur les interactions de ceux-ci avec des processus locaux et spatiaux, ainsi que sur leur importance relativement à ces processus locaux et régionaux plus connus. À travers ce projet, nous cherchons à éclaircir l’importance relative des subsides particulaires de feuilles (et particulièrement de leur stoechiométrie) sur les communautés littorales d’invertébrés benthiques. Nous avons récolté des invertébrés et des feuilles mortes sur 23 sites à travers 7 lacs relativement isolés de l’influence humaine et avons comparé l’influence de la stoechiométrie de ces subsides à l’influence de facteurs locaux de qualité de l’eau et de facteurs spatiaux. Les résultats suggèrent que l’importance de la qualité nutritive (i.e. stoechiométrie) est secondaire aux facteurs locaux de qualité de l’eau dans des milieux naturels. L’importance des subsides particulaires de feuilles semble être grandement dépendante du contexte et pourrait gagner en importance dans des contextes de fortes perturbations. Les résultats indiquent que la qualité nutritive des subsides de feuilles, leur contenu relatif en azote et phosphore, est associée avec de plus grande abondance de plusieurs taxons. La richesse spécifique n’étant pas affecté, c’est à travers l’équitabilité (i.e. une distribution des abondances plus stable) que la qualité nutritive des feuilles pourrait promouvoir une plus grande biodiversité d’invertébrés benthiques. / It is clear now, more than ever before, that our ecosystems are linked to one another in multiples and sometimes complex ways. The role of these exchanges and transfers is still hard to quantify. We know little of the interactions of these fluxes with local and spatial processes happening in ecosystems, as well as their relative importance compared to local and regional drivers of ecosystem functions and community structure. With this project, we aim to untangle the relative importance of particulate subsidies of leaves (and specifically their stoichiometry) on littoral communities of benthic invertebrates in lakes. We collected invertebrates and leaf litter on 23 sites across 7 lakes somewhat isolated from human influence and compared the influence of leaf litter stoichiometry to the influence of local water quality and spatial variables. Results suggest that nutritive quality of leaf litter (i.e. stoichiometry) is secondary to water quality. Importance of leaf subsidies appears to be context dependant and could gain in importance in systems with higher degrees of disturbances. Results that nitrogen and phosphorus content of leaf subsidies is associated with higher abundances of several taxonomic groups. Species richness being unaffected, it is through higher evenness (i.e. even distribution of abundances) that higher quality of leaves may promote higher biodiversity of benthic invertebrates.

De nombreux écosystèmes forestiers français sont développés sur des sols acides et pauvres en éléments nutritifs. Dans de nombreux contextes, la fertilité minérale de ces sols forestiers se dégrade lentement, en lien notamment avec des pressions extérieures passées ou actuelles (e.g. diminution des apports atmosphériques de nutriments, augmentation des exportations de biomasse). Ce constat préoccupe la communauté forestière et des solutions de restauration/remédiation sont souvent envisagées. L’amendement avec un produit carbonaté est une pratique connue pour réduire l'acidité du sol, améliorer le fonctionnement global de l'écosystème et compenser les pertes de nutriments causées par la récolte de biomasse. Cependant, les effets de l’amendement sur les processus et le cycle biogéochimique du calcium et magnésium dans les écosystèmes forestiers sont peu connus à ce jour. Cette étude se focalise sur le devenir du magnésium et du calcium provenant de la dissolution des produits d’amendement dans cinq hêtraies situées dans le nord de la France sur une période allant jusqu’à 45 ans après l’apport. Pour cela, les approches élémentaires « conventionnelles » ont été combinées avec une approche multi-isotopique (26/24Mg, 44/40Ca et 87/86Sr). Les données provenant des parcelles témoins mesurées tout au long de la période d'étude suggèrent, quel que soit le site considéré, que les pools échangeables de cations nutritifs dans le sol ont diminué sur les dernières décennies et que cette tendance, associée à la faible richesse chimique du sol, se reflète dans la nutrition foliaire (Ca, Mg, K, P). En comparaison des placettes témoins, les pools échangeables de Mg et de Ca dans l’horizon 0-40 cm du sol ont augmenté dans les placettes amendées durant la première décennie après l’amendement, mais les différences s’estompent après 20 à 30 ans. Cependant, l'effet de l’amendement sur la nutrition des arbres est encore observé 40 ans après l’apport, très probablement parce que le cycle biologique de ces éléments a été dynamisé par l’amendement. La réponse des écosystèmes à l’amendement varie d'un site à l'autre, en fonction de la nature du produit (CaCO3 ou Ca-MgCO3) et du niveau de richesse chimique initial du sol, les sites les plus pauvres chimiquement enregistrant les réponses les plus marquées. Les variations naturelles des rapports isotopiques du Mg, Ca et Sr, en complément des approches conventionnelles, mettent en évidence l’importance de la composante Bio des cycles biogéochimiques du Ca et Mg dans ces hêtraies à faible fertilité minérale. Ces outils isotopiques ont également permis de démontrer l'incorporation durable de Ca et Mg issus des produits d’amendement dans leur cycle biologique respectif et de mettre en évidence des modifications de fonctionnement biogéochimique des écosystèmes suite à l’amendement / In France, many forest ecosystems grow on acidic and nutrient poor soils. In numerous cases, the chemical fertility of forest soils is slowly degrading due to increasing external pressures (e.g. decreasing atmospheric inputs, increasing biomass exportations) and is a growing concern in the international forest community. Forest management often must resort to restauration/remediation practices to ensure the sustainability of the ecosystem. Forest liming with a carbonate product is a known practice to reduce soil acidity, globally improve the ecosystem functioning and compensate nutrient losses caused by biomass harvest and exportation. However, our understanding of the effects of liming on magnesium and calcium biogeochemical processes and cycling in forest ecosystems is still incomplete. This study focuses on the fate of magnesium and calcium originating from the dissolution of liming products in the soils and trees of five beech forests located in Northern France over a period up to 45 years. In order to do so, “conventional” total-element approaches were combined with a multi-isotopic approach (26/24Mg, 44/40Ca et 87/86Sr). At all five sites, the data measured in control plots throughout the study period suggest that the exchangeable pools of nutrient cations in the soil has decreased over the last several decades and that this trend, together with the low chemical fertility level of the soil, was reflected in foliar nutrition (Ca, Mg, K, P). Compared to the control plots, soil exchangeable pools of Mg and Ca in the 0-40cm layer in the limed plots increased during the first decade after liming but differences were no longer observable in soil pools after 20 to 30 years. However, the effect of liming on tree nutrition was still observed after 40 years, most probably because the biological cycling of these elements was enhanced by the lime input. The ecosystem response to the lime input varied between sites depending on the nature of the liming product (CaCO3 or Ca-MgCO3) and the initial chemical fertility level of the soil, the poorest sites showing the strongest responses. The natural variations of Mg, Ca and Sr isotopic ratios combined with conventional approaches highlight the importance of the BIO component of the biogeochemical cycling of Mg and Ca in the studied low chemical fertility beech forests. These isotopic tools also enabled to show the long-lasting incorporation of the Mg and Ca released from the liming product in the biological cycle and highlight the changes in the biogeochemical functioning of these forest ecosystems after the liming operation

Nombre de sciences utilisent la simulation comme outil de modélisation. Le but de notre travail est d'améliorer la prise en compte d'échelles multiples dans une simulation informatique. Il nous faut donc comprendre comment les sciences se construisent, et le rapport qu'entretiennent cette épistémologie et la simulation.<br />Cette thèse commence donc par un chapitre résumant différentes tendances épistémologiques et s'efforce de les rattacher à la tâche qu'on s'est fixé. Le deuxième chapitre présente de manière plus spécifique ce qu'on peut vouloir dire par « échelles multiples » ou « niveau de description » dans différents travaux scientifiques, en insistant plus particulièrement sur ce qui sera notre application principale, l'hydrodynamique et les écosystèmes.<br />Le chapitre 3 présente alors l'application qui a donné naissance au travail actuel, qui est un système destiné à améliorer l'intelligibilité dans un système de communications écrites entre gestionnaires d'une situation de crise, en utilisant la forme et la dynamique du discours pour aider à résumer sa sémantique.<br />Vient ensuite un résumé de ce dont traite l'écologie, de l'importance des flux dans les modèles actuels d'écosystèmes, et des tendances les plus répandues actuellement dans la modélisation d'écoulement fluide. Ceci nous amène dans le chapitre 5 à la description d'une application qui s'efforce de gérer différentes échelles dans une simulation d'écoulement fluide, en gardant à l'esprit une intégration ultérieure dans une simulation d'écosystème plus générale. Nous utilisons comme base un modèle dit particulaire sur lequel nous appliquons deux méthodes pour détecter des structures ou des organisations au cours de la simulation. Une de celle-ci permet le remplacement des particules de bases qui se sont auto-organisées par une nouvelle entité qui représente la structure en question. La vie sociale subséquente de cette nouvelle entité de simulation peut ensuite mener à la création d'encore nouvelles échelles, et ce d'une manière itérative sans limité supérieure théorique.<br />Nous terminons avec un article en anglais qui commence à expliciter comment ce travail mènera à une simulation d'écosystème plus générale.

Les études présentées dans ce manuscrit traitent de la diversité et de l'écologie des communautés procaryotiques des zones anoxiques pélagiques de deux écosystèmes lacustres : le lac d'Aydat, typiquement eutrophe, qui présente en période de stratification thermique un hypolimnion anoxique ; et le lac Pavin, unique lac méromictique de France, exhibant une zone anoxique permanente. Les analyses de la structure, de la diversité, et de la dynamique spatiale et- /ou temporelle du bacterioplancton des strates anoxiques de ces deux lacs par des approches moléculaires ont révélé une forte diversité microbienne accentuée par une stratification spatiale du bacterioplancton. Les investigations complémentaires sur les relations phylogénétiques et sur l'étude de métabolismes microbiens ont été focalisées sur les communautés de la zone anoxique du Lac Pavin en raison de son caractère original. Les banques de clones construites à partir d'échantillons d'eau anoxique prélevés à différentes strates dans le monimolimnion ont révélé que les communautés bactériennes sont dominées par des espèces affiliées aux δ-Proteobacteria, aux Verrucomicrobia, aux Bacteroidetes et à la division candidate OP11. Les séquences ARNr16S des Archaea sont principalement affiliées au groupe des Méthanosarcinales, observation confirmée par hybridation in situ. Les études in vitro de la réduction dissimilatrice du Fe (III), dans des cultures d'enrichissements, ont confirmé que les concentrations élevées en fer ferreux observées dans la sub-chémocline du Lac Pavin résultaient pour partie de l'activité de microorganismes. Dans ces enrichissements, les microorganismes couplent la réduction du Fe (III) avec l'oxydation préférentielle du fumarate, de l'H2, du CH4 et du lactate. Aucune accumulation de Fe (II) n'a été notée dans les enrichissements supplémentés en acétate comme donneur d'électrons. Cette observation suggère que ce métabolite pourrait être principalement utilisé dans le processus de méthanogénèse, et pourrait être produit pour partie par l'activité de bactéries Gram-positives homoacétogènes. L'hétérogénéité des profils TTGE réalisés à partir des différentes conditions d'enrichissements de BFR suggère que ces dernières peuvent occuper des niches écologiques très diverses dans le monimolimnion du Lac Pavin. Aucune séquence n'a été affiliée à des BFR* obligatoires identifiées dans d'autres écosystèmes. L'affiliation de séquences à des espèces appartenant au genre Desulfovibrio suggère que certaines BSR† utilisent cet accepteur d'électron. Des activités significatives de réduction du Fe (III) ont également été mises en évidence chez des souches fermentatives isolées de la zone anoxique de ce lac. L'étude plus particulière de la souche BS2 a révélé que cette voie métabolique pouvait lui conférer un avantage énergétique et donc écologique. L'ensemble du travail qui se situe dans les domaine de l'écologie microbienne et de l'environnement ouvre un large champ d'investigations tant au niveau cognitif qu'appliqué. Les perspectives prévoient d'affiner la compréhension du rôle des microorganismes anaérobies des systèmes lacustres dans les cycles biogéochimiques et plus généralement dans la compréhension du rôle de la biodiversité microbienne afin de répondre de façon raisonnée à une demande sociétale forte dans ces domaines.

La candidate a transmis un dossier présentant les grandes étapes de sa carrière incluant ses principales réalisations scientifiques, collaborations et activités de formation d'étudiants à divers niveaux universitaires dont les études doctorales. Ce dossier présente également les perspectives de recherche de F. LUCAS pour les prochaines années dont la description d'activités de recherche menées en partenariat avec diverses équipes de recherche via le projet ANR PULSE, et, de plus, des partenaires industrielles dans les contextes du PIREN-Seine et de la structure fédérative de l'Observatoire des Polluants Urbains (OPUR). Ces grands programmes et partenariats représentent un socle solide permettant d'entreprendre des travaux interdisciplinaires sur des questionnements majeurs en écologie microbienne dont la prédiction de l'évolution des communautés bactériennes en fonction des contraintes du milieu. Les travaux de F. LUCAS vont de l'acquisition de données fondamentales en écologie microbienne (diversité des peuplements) aux problématiques plus finalisées d'évaluation des dangers sanitaires microbiens associés à certaines pratiques de gestion des eaux en milieu urbain.

Ce travail de recherche, réalisé dans le cadre du programme IDAF, est une contribution à l'étude des dépôts des constituants majeurs atmosphériques à la surface de la terre, en Afrique tropicale. Il concerne l'étude des concentrations atmosphériques des gaz azotés (ammoniac, dioxyde d'azote, acide nitrique), du dioxyde de soufre (SO2) et de l'ozone (O3) et leur dépôt sec en Afrique de l'Ouest et Centrale. Les gaz ont été mesurés sur une base mensuelle par la technique des capteurs passifs sur une période de dix ans (1998-2007) dans sept sites IDAF représentatifs d'un transect d'écosystèmes : savanes sèches - savanes humides - forêts. La validation et l'analyse de la base de données décennales des " gaz IDAF " a permis d'établir les niveaux de concentrations caractéristiques de chaque écosystème et d'étudier leurs évolutions moyennes mensuelles, saisonnières, annuelles et interannuelles sur le transect d'écosystèmes. Les flux de dépôt sec ont été estimés par la méthode inférentielle à partir des vitesses de dépôt sec calculées en utilisant le modèle " big-leaf " de Zhang et al. (2003b). Dans le modèle de dépôt, les conditions de surface et météorologiques spécifiques aux sites IDAF ont été adaptées puis validées pour être représentatives de ces sites et ont ainsi permis de simuler les vitesses de dépôt sec représentatives des grands écosystèmes. Les variations moyennes mensuelles, saisonnières et annuelles des flux de dépôt sec des gaz (NO2, HNO3, NH3, O3, et SO2) sont analysées dans l'objectif de réaliser un bilan de dépôt atmosphérique total (sec + humide) d'azote à l'échelle des écosystèmes africains. Le dépôt total d'azote est estimé respectivement à 6-9 kgN.ha-1.an-1, 7-10 kgN.ha-1.an-1 et 13 kgN.ha-1.an-1 en savanes sèches, en savane humides et en forêts, avec une contribution relative du dépôt sec sous forme gazeuse au dépôt total d'azote comprise entre 46 et 71% sur l'ensemble des écosystèmes. Un bilan émission-dépôt des composés azotés oxydés et réduits à l'échelle de chaque écosystème a été réalisé et a montré un flux d'émission totale de même ordre de grandeur que le dépôt moyen annuel d'azote pour les écosystèmes de savanes mais plus faible dans l'écosystème forestier. Enfin une analyse comparative entre les mesures IDAF de dépôt d'azote et, d'une part, le dépôt d'azote simulé par une analyse multi-modèle à l'échelle globale et d'autre part, avec les charges critiques d'eutrophisation existantes dans la littérature a permis une première évaluation de l'impact potentiel du dépôt total d'azote sur les écosystèmes tropicaux africains.

Les effets des introductions d'espèces non natives sur le milieu restent mal connus et les poissons top-prédateurs, au sommet du réseau trophique (intégrateurs), sont des modèles d'étude intéressants pour observer ces impacts. Des changements de fonctionnement de communautés animales, en liaison avec ces introductions, ont été mis en évidence par les analyses des isotopes stables au sein des réseaux trophiques lentiques et lotiques, grâce à l'évaluation des positions trophiques et des régimes alimentaires des top-prédateurs. De plus, la chimie des otolithes a permis de reconstituer l'histoire de vie de poissons introduits (translocation). Ainsi, de nouvelles informations sur l'écologie trophique des poissons top-prédateurs ont été acquises et permettront la mise en place de plans de gestion.

L'objet de cette thèse est de proposer des algorithmes permettant de synthétiser des scènes naturelles complexes, par le nombre des objets qui les composent, par leur forme et par les phénomènes optiques qui peuvent caractériser certains objets ou phénomènes naturels, dans l'eau ou l'atmosphère. Notre objectif est de synthètiser, avec une certaine interactivitl'e, des images simulant leur apparence.<br /><br />Pour atteindre cet objectif, nous proposons des algorithmes permettant de résoudre divers problèmes. Nous proposons tout d'abord un algorithme qui permet de combiner, pour une image de donnée, des systèmes de visualisation conventionnels et une représentation spectrale. Cette technique permet de simuler visuellement une scène où se produisent partiellement des effets optiques complexes (diffraction, interférence, etc.), en quelques secondes. Nous introduisons ensuite un algorithme permettant de modéliser et visualiser des motifs de couleur, des motifs de fleurs, par exemple. Une application de cet algorithme aux variations saisonnières des feuilles est également présente.<br /><br />Pour les scènes d'une complexité qui n'est pas à la portée des techniques de simulation et de visualisation, nous présentons un algorithme qui permet de synthétiser des scènes naturelles à l'aide d'échantillons d'images. ous présentons ainsi d'abord une approche dite "Tile-based texture synthesis", fondée sur l'optimisation de la qualité de l'échantillon sélectionné à l'aide de techniques d'intelligence artificielle. Ensuite, nous présentons une technique de génération de textures guidée par des cartes présentant les caractéristiques perceptuelles globales de l'échantillon retenu. Mots-clés: Coulrtus structurelles, motifs de couleur, texture synthétisée, synthétiser des écosystèmes.