Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des composés organiques présents dans l’ensemble des compartiments environnementaux. Dans l’atmosphère, leurs sources sont à la fois naturelles (feux de biomasse, éruptions volcaniques) et anthropiques (industrie, transport, chauffage résidentiel). Une fois émis, sous forme gazeuse ou adsorbés à la surface de particules atmosphériques, les HAP sont susceptibles d’être impliqués dans des processus physico-chimiques tels que la photodégradation et/ou des réactions d’oxydation avec différentes espèces radicalaires. Du fait de leur toxicité avérée, ces composés font l’objet de différentes réglementations, législations françaises et européennes. Concernant le compartiment atmosphérique, seul le benzo(a)pyrène présente aujourd’hui des seuils d’émission à respecter. Afin de faire évoluer ces textes et de mettre en place des mesures de réduction d’émissions, diverses approches ont été développées dans le but de différencier leurs sources dans l’atmosphère. L’approche moléculaire, basée sur les profils moléculaires et les rapports de concentrations, permet d’apporter des informations quant à leurs origines. En revanche, elle souffre de biais induits par les conditions de formation des HAP (température, conditions environnementales…) et par les processus physico-chimiques dans lesquels ils sont impliqués. L’objectif principal de ce travail est de mettre en place une méthodologie de traçage de sources des HAP particulaires par une approche isotopique. Le développement du protocole analytique a été réalisé pour déterminer la composition isotopique moléculaire des HAP particulaires par GC/C/IRMS. Il a été montré que la réactivité des HAP sous l’action d’oxydants (O3, NO2, OH) et/ou de la lumière solaire n’induisait pas de variation significative de la composition isotopique moléculaire des HAP. Cette méthodologie a ainsi pu être appliquée sur des échantillons naturels, prélevés sur des sites caractérisés par des sources spécifiques. Il a été montré que les 13C/12C des HAP, en complément de données moléculaires, permettent de différencier les origines de ces composés. Par exemple, les caractéristiques moléculaires et isotopiques de HAP issus de la combustion de plusieurs espèces de bois d’origine méditerranéenne ont été déterminées en appliquant cette méthodologie à des échantillons collectés directement à l’émission. Enfin, dans le cadre de l’étude de la pollution et de ses impacts dans le Bassin d’Arcachon, les apports atmosphériques en HAP ont été mesurés par l’approche moléculaire couplée à d’autres outils (rétrotrajectoires, oxydants, roses des vents…) afin de compléter le diagnostic environnemental. / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are carcinogenic compounds, present in all the compartments of the Environment. In the atmosphere, their sources are both from natural (biomass burning, volcanic emissions...) and anthropogenic (transport, industry, residential heating...) origins. Once emitted in the atmosphere, PAH are distributed between the gaseous or particulate phases and may be involved in different physico-chemical processes such as photodegradation, radical-initiated oxidations... Due to their carcinogenicity, PAH emissions are nowadays subjected to various regulations from France and more largely, European Union. In the atmosphere, benzo(a)pyrene has been selected as representative of the PAHs because of its high toxicity. In order to improve regulations involving emission reductions, several methodologies have been developed to perform source apportionment. The most commonly used in the literature is the molecular approach, based on molecular profiles and particular ratios. Nevertheless, conditions of PAH formation and physico-chemical processes affect these characteristic values. The main objective of this work was to develop a new methodology of particulate-PAH source tracking based on the molecular isotopic composition. The development of analytical procedure was performed to determine 13C/12C of PAHs by GC/C/IRMS. The study of the impact of PAH reactivity in the presence of O3, NO2, OH and/or solar radiations shows that no significant isotopic fractionation is induced on their isotopic compositions. Molecular isotopic approach was applied on natural particles, collected at different specific sites: 13C/12C of PAHs and molecular data allow differentiating particulate-PAH sources. Therefore, determinations of molecular and isotopic characteristics have been undertaken by applying this methodology on particulate-PAHs emitted during the combustion of fifteen Mediterranean woods. Finally, molecular approach coupled with different parameters (back-trajectories, oxidant concentrations, wind roses...) enables to measure the levels of PAH concentrations in the atmosphere in order to evaluate their impacts as a source of pollution in the Arcachon Bay.

Les procédés anaérobies de traitement de déchets apparaissent clairement pouvoir répondre à l'enjeu socio-économique actuel que représente la valorisation énergétique de la fraction organique contenue dans les déchets ménagers. En effet, les processus de dégradation anaérobies font intervenir en cascade, différentes réactions et populations de micro-organismes permettant de transformer la matière organique en biogaz riche en méthane. Une bonne connaissance des effets des paramètres opérationnels sur l'orientation des métabolismes s'avère ainsi nécessaire à l'émergence de solutions permettant d'optimiser ces procédés. Ceci est notamment le cas pour la dernière étape, appelée méthanogenèse. Dans ce contexte, l'approche isotopique reposant sur la mesure de la composition isotopique (13C/12C) du méthane et du dioxyde de carbone, devrait pouvoir répondre à cet objectif en permettant l'identification des métabolismes à l'origine de la production du méthane. La transposabilité à l'étude de la digestion anaérobie des déchets de cette approche isotopique déjà utilisée dans les écosystèmes naturels, a tout d'abord été vérifiée expérimentalement. Les effets de certains paramètres opérationnels connus pour avoir un impact fort sur le processus de digestion anaérobie, tels que la température et la concentration en azote ammoniacal, ont ensuite été étudiés. Il a été mis en évidence qu'en condition thermophile, la méthanogenèse acétoclaste observée en condition mésophile, était remplacée par une oxydation syntrophique de l'acétate lors de la digestion anaérobie des déchets ménagers. Des expériences sur acétate ont montré que cet effet sur les voies métaboliques n'était toutefois pas systématique et pourrait ne pas être dû à un effet direct d'une augmentation de la température, mais plutôt à l'accroissement de la concentration en ammoniaque qui en résulte. D'autres expériences ont clairement établi qu'une augmentation de la concentration en azote ammoniacal conduisait également à la mise en place de l'oxydation syntrophique de l'acétate. Le couplage de l'approche isotopique avec des analyses microbiologiques a révélé que cette réaction d'oxydation syntrophique de l'acétate, à haute concentration en azote ammoniacal, pouvait s'établir telle que déjà décrite, par la mise en place d'une relation symbiotique bactéries/archées hydrogénotrophes strictes, mais également de manière différente en impliquant des membres de la famille Methanosarcinaceae qui pourraient réaliser seuls les deux étapes de la réaction (oxydation et méthanogenèse hydrogénotrophe). L'application de l'approche isotopique a également permis de mettre en évidence, lors d'une expérience visant à simuler la recirculation de différents effluents au sein d'une installation de stockage de déchets bioactive, l'influence de la nature de l'effluent sur l'orientation des métabolismes méthanogènes. Enfin, l'influence de la proportion de déchets verts, lors de la co-digestion biodéchets / déchets verts, sur la concentration en ions ammonium libérés ainsi que sur l'orientation du métabolisme en résultant, a été étudiée. Les potentialités d'une utilisation de l'approche isotopique sur site ont également été investiguées au travers d'une campagne de mesures sur une installation de stockage de déchets non dangereux. / Anaerobic waste treatment processes are clearly part of the answer to a current important socio-economic issue in waste management: energy production from the organic fraction of municipal solid waste. The anaerobic digestion of municipal solid waste is a complex process involving numerous reactions and microorganism communities. At the end of the degradation process, some biogas with a particularly high methane content is produced. A detailed knowledge on how operational parameters affect metabolism orientations is required to optimize these treatment processes. This is in particular the case for the last degradation reaction called methanogenesis. In this context, an isotopic approach based on isotopic composition measurements (13C/12C) for methane and carbon dioxide can provide some clues with regard to this objective. Indeed, this methodology enables the determination of the methanogenic pathways by which methane is produced.Transferability of the isotopic approach used for natural ecosystems to the field of anaerobic digestion of municipal solid waste was first experimentally verified. In a second time, the effects of some operational parameters known to strongly impact the anaerobic digestion process, such as temperature and ammonia concentration, were studied. During anaerobic digestion of reconstituted municipal solid waste in thermophilic conditions, it was shown that aceticlastic methanogenesis (occurring in mesophilic conditions) was replaced by a syntrophic acetate oxidation reaction. Additional experiments using acetate as sole substrate were performed and showed that this effect on the metabolic pathways was not systematic. Consequently, it cannot be due to a direct effect of the temperature increase. It could rather be explained by the induced and indirect increase in ammonia concentration. Additional experiments clearly demonstrated that an increase in ammonia concentration led to the establishment of a syntrophic acetate oxidation reaction. The isotopic approach was combined with microbiological analyses and showed that the syntrophic acetate oxidation reaction occurring at high ammonia concentration during acetate incubations could have been performed through a syntrophic relationship between bacteria and strict hydrogenotrophic archaea, as previously described in the literature. Interestingly, the syntrophic acetate oxidation could also have occurred using a different pathway relying on members of the Methanosarcinaceae family putatively able to perform the two steps of the reaction (oxidation and hydrogenotrophic methanogenesis). In addition, the implementation of the isotopic approach during an experiment designed to simulate a landfill bioreactor evidenced the influence of the effluent's nature on the methanogenesis metabolism orientation. The influence of green waste proportion during the co-digestion of biowaste / green waste mixtures on resulting ammonia concentrations and methanogenesis pathways was also studied through dedicated experiments. Finally, the potential of the isotopic approach for landfill-scale application was investigated through a measurement campaign on a landfill site.