La phytoremédiation est un concept pour la dépollution et de réhabilitation des sols et/ou de friches industrielles contaminés par des éléments traces métalliques (ETMs), utilisant les végétaux pour absorber ou immobiliser les contaminants en présence des organismes microbiens de la rhizosphère. Cette technique a pour conséquence une production de biomasse plus ou moins contaminée qu’il est nécessaire de traiter et également de valoriser. Cependant, la présence d’ETMs peut être problématique dans une approche de conversion en bioraffinerie. Pour répondre à cette question, deux espèces ont été étudiées : une plante herbacée hyperaccumulatrice (Noccaea caerulescens) et un ligneux (Salix viminalis). Deux prétraitements ont été sélectionnés pour cette étude : les prétraitements par explosion vapeur et organosolv, en appliquant différentes conditions opératoires, afin (1) de suivre la distribution des ETMs au cours du traitement, (2) de purifier la matière lignocellulosique et (3) d’évaluer l’effet des ETMs sur les étapes ultérieures d’hydrolyse enzymatique et de fermentation. Pour le prétraitement organosolv la majeure partie des ETMs est récupérée dans le résidu solide cellulosique alors que par explosion à la vapeur, les ETMs sont extraits en grande partie dans les effluents aqueux du traitement. La présence d’ETMs dans les pâtes cellulosiques et les hydrolysats ne montre pas d’effet significatif sur la cinétique d’hydrolyse enzymatique et de fermentation. Concernant spécifiquement Noccaea caerulescens des teneurs relativement importantes en pectines ont été observées, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour la valorisation de cette plante par la production d’un biopolymère d’intérêt industriel. Finalement, les résultats obtenus montrent qu’il serait possible de combiner réhabilitation des sols et valorisation en bioraffinerie de biomasses issues de phytotechnologies soit pour la production du bioéthanol ou la production de molécules plateforme / Phytoremediation is a concept for the depollution and rehabilitation of soils and/or industrial wastelands contaminated by metal trace elements (MTEs), using plants to absorb or immobilize contaminants in the presence of microbial organisms in the rhizosphere. This technique results in a more or less contaminated biomass production that must be treated and also recovered. However, the presence of MTEs can be an issue in a biorefinery conversion approach. To address this question, two species were studied: an hyperaccumulator herbaceous plant (Noccaea caerulescens) and a woody plant (Salix viminalis). Two pre-treatments were selected for this study: steam explosion and organosolv pre-treatments, applying different operating conditions, in order to (1) monitor the distribution of MTEs during the process, (2) purify lignocellulosic material and (3) evaluate the effect of MTEs on subsequent enzymatic hydrolysis and fermentation steps. For organosolv pretreatment, most of the MTEs are recovered in the solid cellulosic residue while by steam explosion, MTEs are mostly extracted in the aqueous effluents of the treatment. The presence of MTEs in cellulosic pastes and hydrolysates does not show a significant effect on the kinetics of enzymatic hydrolysis and fermentation. Concerning specifically Noccaea caerulescens, the plant contains relatively high levels of pectins, which opens up interesting prospects for the valorization of this plant through the production of a biopolymer of industrial interest. Finally, the results obtained show that it would be possible to combine soil rehabilitation and biorefinery valorization of biomasses from phytotechnologies for either bioethanol production or the production of platform molecules

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Depuis près de 55 ans, TIGF exploite, dans le sud-ouest de la France deux stockages de gaz naturel en aquifère. Le gaz stocké est essentiellement composé de méthane (CH4 à plus de 90 %), mais il contient également d’autres hydrocarbures légers (< C4H10), du diazote (N2), du dioxyde de carbone (CO2), de produits soufrés (H2S, mercaptans) et des composés métalliques présents sous formes de traces ou ultra-traces. L’objectif de la thèse est l’étude du transfert de ces composés vers l’aquifère avec comme cas d’étude : le mercure. Un dispositif expérimental a donc été conçu et développé pour (i) mesurer la solubilité dans l’eau du mercure gazeux présent dans le gaz stocké, ainsi que (ii) pour étudier les phénomènes d’adsorption sur la roche dans les conditions de pression (60 bar) et de température (45°C) du réservoir naturel. Les résultats expérimentaux obtenus en laboratoire ont été utilisés dans un modèle numérique afin de simuler le comportement du réservoir et évaluer notamment les quantités de mercure susceptibles de rester en son sein lors de l’exploitation du stockage. / For nearly 55 years, TIGF operates two gas storages in an aquifer in the southwest of France. The stored gas is mainly composed of methane (CH4 over 90%) but it also contains other light hydrocarbons (<C4H10), nitrogen (N2), carbon dioxide (CO2), sulfur compounds (H2S, mercaptans) and some metallic compounds at traces or ultra traces level. The objective of this thesis was to study the transfer of these compounds to the aquifer with special regard to mercury. An experimental device has been designed and developed to measure (i) the mercury solubility in water and (ii) to study the phenomena of adsorption on the rock in the natural reservoir’s conditions (60 bar and 45°C). The laboratory results were used in a numerical code to simulate the behavior of the reservoir and assess the mercury amount that may remain in it during the storage operation.

La datation de l’âge de génération des hydrocarbures et de la déposition de la roche mère fournit des informations importantes dans la prospection pétrolière. Dans ce travail, différentes stratégies ont été étudiées pour la détermination des métaux traces, et des rapports isotopiques du plomb dans des produits pétroliers par des techniques de spectrométrie de masse. Les stratégies d’analyses développées dans ce travail ont été utilisées pour estimer l’âge de génération du pétrole, ainsi que l’âge de déposition de la roche mère âge du « New Albany shales » dans le basin d’Illinois, en utilisant les géochronomètres U-Th-Pb. Les ages déterminés par la méthode U-Th-Pb sont en très bon accord avec ceux prédits par les modèles numériques géologiques, ce qui démontre le potentiel de cette approche pour étudier l’histoire de la formation des hydrocarbures et dans la recherche de nouvelles sources d'hydrocarbures. / Timing crude oil generation and source rock deposition provides important clues in petroleum prospection. In this work, different analytical procedures were developed for trace metals and Pb isotope ratio were determination crude oils and related products. These analytical strategies were then used, for the first time, to assess the applicability of the U-Th-Pb geochronometers for timing source rock deposition age and crude oil generation in the Illinois Basin. Ages determined are in good agreement with those predicted by geological numerical models, demonstrating the potential of these geochronometers to study the history of hydrocarbons formation and to find new hydrocarbon sources.

Acacia spirorbis est une légumineuse endémique de Nouvelle-Calédonie se développant sur des sols calcaires, métallifères et volcano-sédimentaires, établissant des symbioses avec des bactéries fixatrices d’azote. Pour comprendre la contribution de la symbiose dans l’adaptation de la plante à des milieux contrastés et parfois extrêmes, nous avons évalué la fixation d’azote en conditions naturelles, caractérisé les rhizobia associés à cette plante et analysé la réponse adaptative de la plante aux éléments traces métalliques dans ses tissus racinaires, notamment au niveau des nodules.Nous avons mis en évidence que la symbiose rhizobienne fournissait plus de 80% de l’azote total chez des populations naturelles d’A. spirorbis se développant sur des sites d’études présentant des sols calcaires, métallifères et volcano-sédimentaires. Cette valeur est remarquable puisque chez A. mangium, A. melanoxylon et A. mucronata, les valeurs moyennes sont respectivement de 50%, 43% et 58%. Les rhizobia symbiotiques associés à A. spirorbis appartiennent aux alpha- et bêta-protéobactéries, genres Bradyrhizobium et Paraburkholderia, révélant ainsi une très large gamme de symbiontes et une faible sélectivité de partenaire. De manière remarquable, la taxonomie et la phénotypie de ces souches sont structurées et adaptées aux conditions édaphiques. Enfin, les signatures chimiques des tissus internes des nodules reflètent les propriétés chimiques des sols dans lesquels ils se sont développés, indiquant une potentielle gestion des éléments traces métalliques dans ces tissus.Tous ces éléments suggèrent que la symbiose fixatrice d’azote contribue de manière significative dans l’adaptation d’Acacia spirorbis à des sols contrastés et pouvant présenter une toxicité polymétallique extrême. / Acacia spirorbis is a leguminous tree from New Caledonia naturally found on a wide range of soils (calcareous, ultramafic and volcano-sedimentary) and able to establish symbioses with soil microorganisms, including nitrogen-fixing bacteria. The contribution of this symbiosis in the plant adaptation to contrasted edaphic environments, sometimes extremes, has been investigated according to i) the nitrogen-fixing potential of A. spirorbis in its natural ecosystems, ii) the characterization of its rhizobia and iii) the plant adaptive response to heavy metals inside its roots tissues, especially in nodules.Therefore, we revealed that the nitrogen-fixing symbiosis provided more than 80% of the plant total nitrogen in natural population naturally occurring on calcareous, ultramafic and volcano-sedimentary soils. This value is top notch among other Acacia species, where A. mangium, A. melanoxylon and A. mucronata presented mean values of 50%, 43% and 58%, respectively. Acacia spirorbis established nitrogen-fixing symbioses with alpha- and bêta-proteobacteria, genus Bradyrhizobium and Paraburkholderia, respectively, thus revealing a wide range of symbiotic partner and a low selectivity. Noteworthy, the taxonomy and phenotypes of these symbionts are structured and adapted to edaphic parameters. Finally, chemical signatures of internal nodules tissues presented similarities with soils chemical properties, thus indicating a potential management of heavy metals inside these tissues.Altogether, these data suggest that the nitrogen-fixing symbiosis might significantly contributes to Acacia spirorbis adaptation towards contrasted soils with strong edaphic conditions as an extreme polymetallic toxicity.

L’objectif principal de ce travail de thèse est d’évaluer l'impact des activités anthropiques sur le fonctionnement des systèmes aquatiques. L’impact des rejets urbains de Fès sur le Sebou, l'une des plus grandes rivières du Maroc, a été choisi pour cette étude. Les eaux usées domestiques et industrielles de la ville de Fès (~1M hab), véhiculées par son affluent l’oued Fès, sont rejetées dans le Sebou quasiment sans traitement. Deux sites du Sebou, en amont et en aval des rejets de la ville de Fès, et un site situé sur l’oued Fès ont été étudiés. Une campagne de prélèvement de carottes de sédiments et onze campagnes mensuelles de prélèvement d’eau et de matières en suspension (MES) ont été effectuées dans le but de quantifier les apports en nutriments, éléments traces métalliques (ETM) et carbone organique afin d’étudier la dynamique de ces polluants. Les résultats obtenus ont mis en évidence une augmentation des concentrations de presque tous les éléments étudiés en aval de la ville de Fès aussi bien dans la colonne d’eau que dans les sédiments. L’étude des carottes sédimentaires a révélé une contamination modérée par les butylétains totaux (ΣBT) avec la prédominance du monobutyétain dans les trois sites d’étude et sur toutes les profondeurs. Les sédiments du Sebou, en amont de la ville de Fès se caractérisent par les teneurs les plus faibles en métaux alors que ceux de l’oued Fès présentent une forte pollution polymétallique, accentuée dans les sédiments de surface, ce qui reflète clairement la signature d'apports anthropiques récents résultant des rejets non traités de la ville de Fès. L’augmentation consécutive des teneurs des métaux dans les sédiments du Sebou en aval de la confluence Fès-Sebou traduit l'influence significative des particules polluées de l’oued Fès. Dans la colonne d’eau, les concentrations mesurées dans le Sebou en amont de la confluence Fès-Sebou sont proches des rivières naturelles, à l’exception de Cl-, Cr, Na+ et NO3- dont les concentrations traduisent des pollutions agricoles et/ou domestiques. En revanche, la signature anthropique des rejets de la ville de Fès apparait évidente dans les eaux de l’oued Fès qui montrent des concentrations très élevées en ETM dissous et particulaires. La majorité des ETM provenant des apports anthropiques subissent des changements importants de leur coefficient de distribution Kd et présentent un comportement non conservatif dans le mélange entre les eaux du Sebou et celles de l’oued Fès. Ces résultats ont été confirmés par le modèle WHAM qui permet de prédire correctement le fractionnement dissous/particulaire, du Cu, Pb et Zn. La spéciation chimique de ces éléments ainsi que leur répartition dissous/particulaire apparaissent significativement influencées par les conditions particulières (anoxie, forte contamination, teneurs importantes en matière organique) des eaux de l’oued Fès. Ces conditions sont aussi à l’origine du comportement non conservatif de la majorité des éléments lors d'un mélange Sebou/Fès, observé aussi bien dans la colonne d’eau que dans les sédiments. / The main goal of this PhD was to evaluate the impact of the anthropogenic activities (urban, industrial or agricultural activities) on aquatic systems. The Fez metropolitan area and its impacts on the Sebou River, the main Moroccan river, were chosen as a case study. The Fez agglomeration (~1M hab), is surrounded by the Fez River, receiving the wastewaters of this developing city and then flowing into the Sebou. This work was performed on two sites along the Sebou River (upstream and downstream from the confluence with Fez River), and one site in the Fez River, downstream from the Fez city. One sampling campaigns of sediment cores and eleven sampling campaigns were performed during low flow conditions to quantify nutrients, organic carbon and trace metals and to study the dynamic and the transport of trace elements in the Sebou and Fez rivers. The obtained results revealed a global increase of studied elements in the Sebou River from upstream to downstream sampling site, in both sediments and water column. A moderate level of contamination by butyltins was observed, with monobutyltin being the dominant species across all sites and depths. The lowest level of metal pollution was identified in the Sebou's sediments upstream Fez city. Whilst the Fez' sediments were heavily polluted and exhibited bottom-up accumulation trends, which clearly evidence recent inputs from the untreated wastewaters of Fez city. The increase of metal levels in Sebou downstream sediments reflects a significant contribution of polluted particles from the Fez River. Dissolved and particulate concentrations of most of the analyzed elements in the Sebou, upstream from Fez city, are close to the natural rivers, except Cl-, Cr, Na+ et NO3- probably due to untreated urban inputs from several small/medium-size towns located upstream Fez. In the opposite On the contrary, high dissolved and particulate trace metals concentrations in the Fez River clearly indicated strong anthropogenic inputs from Fez city. Most of the studied trace metals originated from anthropogenic sources, underwent significant changes of Kd and behaved non-conservatively in the Sebou/Fez waters mixing due to drastic changes of the waters quality (anoxic condition, high concentration, high organic matter content). Dissolved/particulate partitioning were correctly assessed by WHAM-VII modeling for Cu, Pb and Zn, depicting significant differences in chemical speciation in Fez River when compared to Sebou one.

L’étude du comportement des éléments métalliques est primordiale compte tenu leur effet souvent toxique dansde nombreux écosystèmes. Ces derniers lorsqu’ils interagissent avec la Matiere Organique (MO), peuvent formerdes complexes plus ou moins stables. Ainsi, la MO joue un rôle important dans leur spéciation chimique et leurtransport. Dans ce travail, l’analyse de cette complexation est réalisée par Quenching de Fluorescence (QF).Cette technique permet de modéliser la fixation des sites de complexation à l’aide d’une constante thermodynamiquedéterminée à partir d’un modèle 1 : 1. Le quenching de fluorescence a été mesuré par spectroscopie defluorescence en mode stationnaire et en mode résolue en temps. Les mesures de fluorescence en mode stationnairefournissent des Matrices d’Excitation et d’Émission de Fluorescence (MEEFs). L’extraction des différents composantsde ces MEEFs est effectué par séparation de sources : la décomposition multilinéaire CP/PARAFAC,qui permet de caractériser spectralement les composants. Les mesures par Spectroscopie Laser Résolue en Temps(SLRT) permettent une caractérisation spectrale et temporelle des composants fluorescents. L’étude des lois dedécroissance de la fluorescence induite par impulsion laser nanoseconde en l’occurrence a permis de déterminerle type d’interaction entre la MO et les quencheurs. Pour se faire, un algorithme de déconvolution temporellea été appliqué à chaque décroissance de fluorescence mesurée. L’interprétation des données temporelles a étéaccomplie en utilisant le graphique de Stern–Volmer. Les résultats des interactions du cuivre, de l’europiumet de l’uranium avec les Acides Humiques (AH) et les Acides Fulviques (AF) montrent des décroissances defluorescences importantes et des constantes de stabilité entre 2,04 et 4,52. Le cuivre a permis de valider notremodèle d’étude et l’interaction de l’europium et l’uranium avec les AH et AF étudiés a révélé des constantesde stabilité en général en bonne corrélation avec la littérature. Les résultats de la SLRT ont souvent révélé desdécroissances bi–exponentielles et des temps de vie entre 0,40 et 14 ns et montrent que les interactions étudiéesont principalement engendrer un quenching statique et donc la formation d’un complexe moléculaire à l’étatfondamental. Cette étude a donc permis par caractérisation spectrale et temporelle, de déterminer l’interactionde la matière organique avec les métaux plus ou moins toxiques. / The study of metal elements behavior, considering their impact in various ecosystems, is of paramount importance.The latter, upon contact with Organic Matter (OM) can form weak or strong stable complexes. Therefore,OM plays an important role in their chemical speciation and transport. The analysis of these properties is carriedout by Fluorescence Quenching (QF). This technique allows introspecting ligands–metal interactions andthe 1 : 1 modeling (one ligand site, one metal) gives information about the conditional thermodynamic constant.Fluorescence quenching was measured using steady–state and time–resolved fluorescence spectroscopy.The steady–state measurements provides Excitation and Emission Matrices of fluorescence (EEMs). The extractionof the different components from these matrices is carried out by a multi–mode factor analysis such asCP/PARAFAC, which allows a spectral composition of the samples. Time-Resolved Laser Spectroscopy (TRLS)measurements allow temporal and spectral characterization of the fluorescent components. Indeed, the study ofthe fluorescence decays induced by a nanosecond pulsed laser in this case allowed to measure the interaction betweenthe OM and the quencher. For those purposes, a fluorescence lifetime deconvolution algorithm was appliedto each fluorescence decay. Analysis of the fluorescence lifetime data was accomplished using the Stern–Volmerplot which gave reliable information on the quenching process that takes place. Copper, europium and uraniuminteractions with Humic Acids (HA) and Fulvic Acids (FA) shows significant fluorescence decays and stabilityconstants between 2.04 and 4.52. Copper allowed to calibrate our model study and the interactions of europiumand uranium with the HA and FA studied reported stability constants in agreement with the literature. TRLSresults have often revealed a bi–exponential decays and fluorescence lifetimes between 0.40 and 14 ns and showsthat the studied interactions mainly lead to static quenching and thus the formation of a molecular complex inthe ground state. This study has allowed spectral and temporal characterization to determine organic matterinteraction with toxic metals.

Cette étude vise à déterminer le transfert et la mobilité d'éléments traces métalliques (ETM), dans des sols de la Réunion destinés à l'épandage de déchets urbains. En plus des fortes teneurs naturelles en ETM, ces sols ont la particularité d'avoir une minéralogie très spécifique avec la présence en abondance de nanoparticules naturelles, communément appelés "imogolites" (nanotubes) et "allophanes" (nanosphères, ovoïdes, amorphe ?). Ces aluminosilicates structurés à courte distance sont susceptibles de piéger les ETM pouvant ainsi limiter leur mobilité et leur biodisponibilité. <br /><br />Dans un premier temps, une étude sur des composés synthétiques analogues aux aluminosilicates a permis d'approfondir nos connaissances sur la structure et les mécanismes de formation des imogolites et allophanes. La synthèse de nanotubes de type imogolite (Si-imogolite et Ge-imogolite) a pu être optimisée ouvrant ainsi les portes à de potentielles applications industrielles. Enfin, notre étude a permis de mettre en avant le rôle important des nanoparticules naturelles sur la dynamique du Ni dans un andosol de la Réunion. Ainsi, près de 80% du Ni est lié aux aluminosilicates structurés à courte distance.

Les rapports isotopiques en Sr et Pb dans la fraction terrigène de sédiments marins nous permettent d'identifier les variations spatiales actuelles des apports sédimentaires autour de Taiwan : nous mettons en évidence l'augmentation progressive des apports de Taiwan (de 60% au Sud à 100% à la hauteur de Taiwan). Ces apports sont ensuite, au Nord-Est de l'île, dilués (50-60%) par du matériel de type Loess et particulaire du Fleuve Yangtze. De plus, les analyses des isotopes du Zn effectuées sur des échantillons représentatifs de Taiwan indiquent un enrichissement en isotopes lourds, qui est également observé dans la fraction silicatée de sédiments marins identifiés par les signatures isotopiques Sr-Pb comme provenant essentiellement de l'érosion de cette Chaîne.<br />A l'échelle des derniers 35ka, d'importantes variations isotopiques en Sr-Pb (terrigène) et en Cu-Zn (carbonate) sont enregistrées dans les échantillons du forage ODP 1202D (Bassin d'Okinawa). Les isotopes du Sr et du Pb mettent en évidence une augmentation des apports lœssiques durant la période du Younger Dryas : cette augmentation est reliée à une intensification de la mousson d'hiver, engendrant des vents plus forts provenant du continent asiatique. Parallèlement, les fractionnements isotopiques importants du Cu et du Zn enregistrés depuis 6.9ka seraient liés à l'incorporation préférentielle des isotopes légers par l'activité biologique dans la zone euphotique. Ainsi, les faibles fractionnements isotopiques mesurés dans les échantillons du Younger Dryas seraient dus à un mélange entre les eaux de surfaces et les eaux plus profondes du fait de l'intensification des vents, provoquant ainsi une homogénéisation isotopique.

Cette thèse vise à étudier la spéciation des éléments et leur migration dans le milieu boréal (Karélie et Russie Centrale). Les objectifs principaux de ce travail sont : i) de caractériser la distribution de taille moléculaire des éléments traces et de la matière organique, ii) révéler la régularité de distribution des formes colloïdales des éléments traces dans les eaux naturelles le long du continuum sols - marécages- cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux des bassins versants boréaux, et iii) révéler la dépendance de la composition isotopique en fonction de la taille moléculaire, de la spéciation des éléments et des conditions physico-chimiques des eaux. L'originalité de cette thèse est d'appliquer la méthode de la filtration en cascade pour étudier la distribution de taille moléculaire des éléments traces dans les eaux naturelles et de combiner les techniques géochimiques et isotopiques pour la première fois sur les mêmes objets naturels afin de mieux comprendre les facteurs qui contrôlent les cycles biogéochimiques des éléments dans les régions boréales. La première partie de la thèse consiste en une introduction générale de la problématique. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de la distribution de la matière organique naturelle dans les différentes fractions granulométriques des eaux naturelles présentant des conditions redox et hydrodynamiques variables au sein des micro-systèmes (solution de sols - marécage - cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux) de petits bassins versants à substratum homogène. En particulier, nous avons étudié les concentrations du carbone organique dissous, son poids moléculaire, ses caractéristiques optiques et ses rapports carbone/nitrogène pour obtenir des informations précieuses sur l'origine (allochtone versus autochtones), l'aromaticité, l'hydrophilie / l'hydrophobie de la matière organique. La troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude de la distribution de taille moléculaire des éléments traces et à la caractérisation quantitative des formes colloïdales des éléments dans les rivières et les eaux de surface de ces milieux qui sont très riches en matière organique et pas soumis à l'impact humain. Dans cette partie il est notamment montré l'existence de corrélations des éléments traces avec le fer et la matière organique dans les filtrâts ; également un intérêt particulier est porté à la distribution des colloïdes et aux coefficients de partition des éléments dans les différents micro-systèmes (solution des sols - marais de source - cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux). Le quatrième chapitre rapporte les résultats des compositions isotopiques en strontium (Sr), néodyme (Nd), cuivre (Cu) et magnésium (Mg) au sein des différentes fractions colloïdales des eaux naturelles du sud et du nord de la zone boréale de la Russie Européenne. Ces derniers travaux conduits sur des isotopes stables (Cu, Mg) et radiogéniques (Sr, Nd) nous permettent de définir les facteurs qui influencent le changement de la composition isotopique. Le cinquième chapitre est consacré à l'étude du fractionnement isotopique du fer dans les types différents d'eaux naturelles sur les fractions granulométriques. En particulier, nous avons étudié la composition isotopique dans les filtrats et ultrafiltrats en fonction des concentrations en fer et en matière organique, du pH et des autres paramètres physico-chimiques. Dans le sixième chapitre il est formulé les conclusions principales et les perspectives de la thèse. L'étude menée dans cette thèse vise à contribuer à la prévision de l'évolution de la spéciation et des flux des éléments traces et de la matière organique dans les régions Arctiques en réponse au réchauffement climatique global.