La conversion thermochimique de la biomasse se traduit par un sous-produit solide appelé biochar. Cette substance écologique peu coûteuse a récemment fait l’objet d’une attention croissante pour son utilisation dans plusieurs applications, en raison de ses propriétés de surface uniques, de sa stabilité physique et de son inertie. Les applications les plus courantes du biochar sont dans l’adsorption, l’amendement du sol et comme support de catalyseur. L’efficacité du biochar dans une application ciblée dépend fortement de ses propriétés de surface physicochimiques, nécessitant ainsi une modification de la surface du biochar. Cette thèse de recherche se compose de deux parties générales. La première partie est la modification et la caractérisation de la surface du biochar. Le chapitre 1 destiné aux ingénieurs chimistes débutants, rappelle les bases de la physisorption de l’azote, présentant le principe général de la détermination de la surface spécifique (SSA) et l’estimation de la distribution de la taille des pores (PSD). Ces propriétés, c’est-à-dire SSA et PSD, représentant la morphologie des solides, jouent un rôle vital dans la performance des matériaux carbonés dans les applications susmentionnées. La SSA est généralement déterminée par la théorie de Brunauer-Emmett-Teller (BET) à partir de la branche d’adsorption des isothermes d’adsorption-désorption N2 , par un intervalle de pression relative de 0, 05 < P/P0 < 0, 3. La PSD est estimée en utilisant soit la méthode de Barrett-JoynerHalenda (BJH) de la branche de désorption, soit la théorie fonctionnelle de densité non locale (NLDFT) de la branche d’adsorption. Ce dernier permet une estimation plus raisonnable de la PSD. La modification de la surface d’un biochar obtenu par le procédé de pyrolyse de Pyrovac Inc. a été réalisée par activation à la vapeur et par oxydation ménagée à l’air. Le chapitre 2 résume ainsi les résultats, obtenus par des analyses de caractérisation de surface. Le but de ce chapitre était d’améliorer notre compréhension du contrôle des caractéristiques physicochimiques de la surface du biochar lors de l’activation et de l’oxydation. Les conditions d’activation optimales en termes de combustion du biochar le plus faible avec le SSA le plus élevé ont été trouvées à 900 °C sous une pression partielle de vapeur de 53 kPa sur 60 min. Ces conditions ont conduit à un rendement de 8% (en fraction à poids basé sur la biomasse humide initiale) avec un SSA égal à 1025 m2 g −1 . La concentration de Boehm en groupes iii fonctionnels contenant de l’oxygène du biochar a été réduite de 2.2 à 1.4 mmol g−1 Biochar lors de l’activation. Les conditions optimales d’oxydation en termes de la combustion la plus faible et de concentration carboxylique de Boehm la plus élevée ont été trouvées à 200 °C pour 60 min en utilisant 164 ml min−1 d’air extra sec qui en écoulement. L’oxydation du biochar a abouti à un rendement final de 18% (en fraction à poids basé sur la biomasse humide initiale), augmentant la concentration carboxylique du biochar de 0.4 à 4.2 mmol g−1 Biochar. Les conditions de l’oxydation n’ont cependant pas pu introduire de fonctions carboxyliques à la surface du charbon actif. Dans la deuxième partie, le biochar a été utilisé dans deux applications, reposant sur l’échange de cations. Ces applications sont l’utilisation du biochar dans l’adsorption de cations de métaux lourds des solutions aqueuses et le support de catalyseur. Des observations détaillées faites dans Chapitre 2, ont suggéré que le biochar oxydé est une sélection plus pratique pour des applications ciblées. Chapitre 3 rapporte des observations expérimentales du comportement du biochar envers l’adsorption des cations plomb (Pb2+). Le but de ce chapitre était d’examiner la capacité du biochar pour l’échange de cations avant et après d’oxydation ménagée à l’air. Les résultats ont montré que l’oxydation de l’air améliore la capacité d’adsorption à l’équilibre du biochar de 2.5 à 44 mg g−1 . En utilisant les conditions optimales d’adsorption suggérées par la méthodologie de surface de réponse (RSM), l’analyse SEM/EDX a montré que les bords défectueux du carbone avec la fraction d’oxygène la plus élevée sont les endroits favorables pour adsorber les cations de plomb. Le biochar a été utilisé pour la préparation du catalyseur Ru/C, par échange d’ions en utilisant le précurseur Ru(NH3 )6Cl2 . L’analyse SEM a montré que la surface du biochar oxydé était sur-échangée avec du ruthénium après imprégnation. Les analyses TEM et H2 -chemisorption ont tous les deux démontré que Ru a une dispersion plus élevée (c’est-à-dire double) sur le biochar oxydé que sur le non oxydé. D’après l’analyse XPS, il a été constaté qu’une oxydation ménagée empêche la ségrégation de Ru sur la surface du carbone. L’activité du catalyseur a été étudiée dans l’hydrogénation du furfural (FF) en alcool furfurylique (FA). Dans des conditions discontinu, Ru supporté sur le biochar oxydé a entraîné une sélectivité plus élevée en alcool furfurylique, ce qui a permis d’obtenir la valeur la plus élevée de la sélectivité 93% FA à 53% FF. L’étude de l’effet des conditions d’hydrogénation a suggéré que la dissolution ou la diffusion de H2 en phase liquide est très probablement l’étape limitante de vitesse. / Biomass thermochemical conversion results in a solid byproduct designated as biochar. This inexpensive eco-friendly substance has recently received increasing attention for use in several applications, owing to its unique surface properties, physical stability, and inertness. The most common biochar applications are in adsorption, soil amendment, and as catalyst support. The efficacy of biochar in a targeted application strongly depends on its physicochemical surface properties, thereby requiring biochar surface modification. This research-based thesis consists of two general parts. The first part is biochar surface modification and characterization. Chapter 1 provides inexperienced Chemical/Material Engineers with nitrogen physisorption tutorial, presenting general principle of specific surface area (SSA) determination, and the estimation of pore size distribution (PSD). These properties, i.e., SSA and PSD, representing the morphology of solids, play a vital role in the performance of carbonaceous materials in the above-mentioned applications. SSA is usually determined by the Brunauer-EmmettTeller (BET) theory from the adsorption branch of N2 adsorption-desorption isotherms, over the relative pressure range of 0.05 < P/P0 < 0.3. PSD is estimated using either BarrettJoyner-Halenda (BJH) method from desorption branch, or non-local density functional theory (NLDFT) from adsorption branch. The latter allows more reasonable estimation of PSD. Surface modification of a biochar obtained by the pyrolysis process of Pyrovac Inc. was achieved by steam activation and by mild air oxidation. Chapter 2 thus summarizes the results, obtained by surface characterization analyses. The aim of this chapter was increasing our understanding of controlling biochar physicochemical surface characteristics upon activation and oxidation. The optimal activation conditions in terms of the lowest biochar burn-off with the highest SSA were found at 900 °C under a steam partial pressure of 53 kPa over 60 min. These conditions led to a yield of 8 wt.% (based on the initial wet biomass) with SSA equal to 1025 m2 g −1 . Boehm’s concentration of oxygen-containing functional groups of the biochar was decreased from 2.2 to 1.4 mmol g−1 Biochar upon the activation. The optimal conditions of oxidation in terms of the lowest burn-off and the highest Boehm’s carboxylic concentration were found at 200 °C for 60 min using 164 mL min−1 of flowing extra dry air. The oxidation of the biochar resulted in a final yield of 18 wt.% (based on the initial wet biomass), v increasing the carboxylic concentration of the biochar from 0.4 to 4.2 mmol g−1 Biochar. These oxidation conditions did not however allow introducing carboxylic functional groups on the surface of the activated carbon. In the second part, biochar was employed in two applications, relying on cation-exchange. These applications are biochar use in adsorption of heavy metal cations from aqueous solutions, and catalyst support. Detailed observations carried out in Chapter 2, suggested that mildly oxidized biochar is more convenient for the targeted applications. Chapter 3 reports experimental observations of the biochar behavior towards lead cations (Pb2+) adsorption. The purpose of this chapter was examining the capacity of biochar for cation-exchange before and after mild air oxidation. Results showed that the mild air oxidation improves capacity of adsorption of the biochar from 2.5 to 44 mg g−1 . Using the optimal conditions of adsorption suggested by response surface methodology (RSM), SEM/EDX analysis showed that defective edges of carbon with the highest oxygen fraction are the favorable places to adsorb lead cations. The biochar was used for preparation of Ru/C catalyst, via ion-exchange using Ru(NH3 )6Cl2 precursor. SEM analysis showed that surface of the oxidized biochar was over exchanged with ruthenium after impregnation. TEM and H2 -chemisorption analyses both demonstrated that Ru has higher dispersion (i.e., double) on the oxidized biochar than on the unoxidized one. From XPS analysis, it was found that mild oxidation prevents Ru segregation from carbon surface. Catalyst activity was investigated in hydrogenation of furfural (FF) to furfuryl alcohol (FA). Under batch conditions, Ru supported on the mildly oxidized biochar resulted in a higher selectivity to furfuryl alcohol, with the highest value of 93% FA selectivity at 53% FF conversion obtained. Investigating the effect of the hydrogenation conditions suggested that H2 dissolution or diffusion in liquid phase is very likely the rate limited step.

L’apport de biosolides mixtes de papetières (BP) aux sols agricoles permet d’assurer l'approvisionnement en nutriments et d’améliorer les propriétés chimiques et biologiques du sol. Toutefois, l’acidification du sol, la mobilité des métaux et le lessivage des nutriments peuvent représenter un défi lorsque les BP sont appliqués sur les sols agricoles. Pour sa part, le biochar influence positivement le pH du sol et la rétention des nutriments et des métaux lourds, ce qui permet de prévenir le lessivage de certains nutriments et ainsi améliorer l’efficacité d’utilisation des fertilisants. La co-application de ces deux amendements sur les sols agricoles du Quebec a fait l’objet de peu d’etudes et pourrait représenter une option très intéressante pour améliorer leur efficacité agronomique. L’objectif de cette thèse était de déterminer comment la co-application des BP et du biochar de pin (Pinus strobus L.) affecte les propriétés chimiques et biologiques de deux sols agricoles. Spécifiquement, cette thèse a évalué l’effet de l’amendement de deux sols acides agricoles (argile et loam sablonneux) avec deux types de BP, variant par le rapport carbone (C)/azote (N) (BP1, C/N=24 et BP2, C/N=13) et le pH (BP1, pH = 7,80 et BP2, pH = 4,51), combinés chacun avec trois taux d’application (0%, 2,5% et 5% poids/poids) de biochar de pin produit à 700 °C. Une incubation a été réalisée dans des conditions contrôlées pendant 224 jours à 25 ºC en utilisant un dispositif en blocs complets aléatoires avec trois répétitions. Les résultats ont démontré que la co-application des BP et du biochar de pin a augmenté le pH du sol, l’activité et la biomasse microbienne et les concentrations de C total et du potassium (K) disponible et a diminué les concentrations de N minéral, et de cuivre (Cu) et de fer (Fe) disponible comparativement à l’application de BP uniquement. L’effet de la co-application des BP et du biochar de pin a été influencé par le taux de biochar, le type de BP et le temps d’incubation. Cette thèse a démontré que la co-application des BP et du biochar de pin s’avère plus bénéfique pour les sols agricoles qu’une application des BP seuls. Elle permet notamment l’augmentation de la matière organique, l’apport plus important en éléments nutritifs, l’amélioration de la rétention des ions nitrate, la prévention de la libération/désorption des métaux lourds en augmentant le pH du sol et l’amélioration du potentiel de recyclage des nutriments en favorisant l’activité et la biomasse microbienne du sol. / Paper mill biosolids (PB) supply plant nutrients and improve soil chemical and biological properties. However, soil acidification, metal mobility and nutrient leaching may present challenges in soil receiving PB. The application of biochar can increase soil pH and nutrient and metal retention, which helps prevent metal toxicity and nutrient leaching and improves the efficient fertilizer use. To our knowledge, the effect of co-applying PB and biochar on the properties of Quebec agricultural soils has not yet been evaluated and could be an interesting way to improve their agronomic efficiency. The objective of this thesis was to determine how co-applying PB and biochar affects soil chemical and biological properties. Specifically, this thesis evaluated the effect of amending two acidic soils, a clay and sandy loam, with two PB types varying in carbon (C)/nitrogen (N) ratio (PB1, C/N=24; and PB2, C/N=13) and pH (PB1, pH = 7.80; and PB2, pH = 4.51) co-applied with three rates (0%, 2.5%, and 5% w/w) of pine (Pinus strobus L.) biochar produced at 700 °C. A 224 days microcosm incubation study was conducted under controlled conditions at 25°C, using a randomized complete block design with three replicates. The results showed that the co-application of biochar and PB increased soil pH, microbial activity and biomass, and total C and available potassium (K) concentrations, and decreased mineral N, and available copper (Cu) and iron (Fe) concentrations compared to the application of PB only. The effect of the co-application of biochar and PB depended on biochar rate, PB type, and incubation time. This thesis showed that co-applying biochar and PB can be more beneficial to agricultural soils than application of PB alone by increasing organic matter, supplying nutrients, improving NO3-N retention, preventing metal toxicity by raising pH and improving the potential of nutrient cycling by promoting microbial activity and biomass.

L'utilisation du biochar en agriculture permet une meilleure durabilité et productivité des cultures en améliorant la qualité et la structure du sol propice au développement de la flore microbienne, à une réduction du lessivage des nutriments et à une diminution des émissions de gaz à effet de serre. L'objectif de ce projet était d'évaluer l'impact du biochar (10 % v/v) pour six types de substrats biologiques sur la rétention en nutriments, l'activité biologique du sol et les émissions de gaz à effet de serre pour une culture de tomates (Solanum lycopersicum) sous serre. Les résultats ont montré que l'amendement en biochar a généré une meilleure réserve minérale et activité microbienne du sol, une réduction de 30 % des pertes de NO3-, une diminution des flux de CO2 et aucun impact sur les émissions de N2O. Somme toute, l'amendement en biochar des substrats biologiques a amélioré la durabilité de la culture.

Les marais filtrants artificiels (MFA) forment un système biologique et passif de traitement des eaux usées constituant une alternative durable aux traitements conventionnels des effluents de cultures en serre. La performance des MFAs à réduire la charge polluante des effluents de culture et l’émission de gaz à effet de serre est étroitement liée aux communautés microbiennes. Afin d’optimiser l’activité biologique des MFAs et par conséquent leur performance, l’enrichissement en biochar des substrats filtrants pourrait constituer une avenue prometteuse. Le biochar, produit de la pyrolyse de la biomasse, est utilisé comme amendement pour les sols. Toutefois, les conséquences de son utilisation dans les systèmes d’épuration des eaux usées comme les MFAs sont peu connues jusqu’à nos jours. Les objectifs de cette thèse étaient donc de : (1) évaluer l’effet d’un biochar sur la diversité et l’activité des microorganismes dans les MFAs ; (2) évaluer l’effet du biochar sur l’efficacité des MFAs à réduire la charge en pesticides dans les effluents de cultures ; (3) évaluer l’effet du biochar sur les microorganismes des MFAs en présence de pesticides, et finalement (4) évaluer l’effet de l’utilisation de l’eau traitée par les MFAs comme eau d’irrigation sur la croissance des plantes et la diversité microbienne de la rhizosphère d’une culture de tomate. Les résultats obtenus ont démontré que le biochar n’a pas eu un effet majeur sur la composition des populations bactériennes dans les substrats et les effluents des marais. Toutefois, le biochar a affecté le taux d’expression de plusieurs gènes clés impliqués dans le fonctionnement des MFAs incluant ceux contrôlant le dégagement des gaz à effet de serre. Par ailleurs, l’utilisation des eaux traitées par les MFAs comme eau d’irrigation n’a pas affecté le développement des plantes de tomate. Au contraire, des bactéries connues pour leur stimulation de la croissance des plantes comme Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum et Pseudomonas ont été détectées en abondance. Finalement, en présence de pesticides, le biochar a exercé un effet protecteur sur les communautés microbiennes des MFAs permettant ainsi de maintenir leur performance à réduire les charges polluantes dans les effluents de serre. Toutefois, l’effet du biochar sur la capacité des marais à réduire la concentration des pesticides a été spécifique au type de pesticide. Ces travaux suggèrent que l’amendement des MFAs avec du biochar peut être une pratique utile pour améliorer et optimiser le fonctionnement des MFAs en atténuant certains de leurs inconvénients comme le dégagement des gaz à effet de serre. Ils ont démontré également la faisabilité et l’importance de la valorisation des eaux traitées par les MFAs. / Recently, the use of constructed wetlands (CWs), which form a biological and passive system of wastewater treatment, has been proposed as an alternative to conventional treatments of greenhouse effluents. The performance of CWs can be improved by the enrichment of their substrates with various products affecting their microbial communities, thus reducing the impact of some related problems such as the release of greenhouse gases. Biochar, which is the product of biomass pyrolysis, is used as an amendment in the soil. However, the consequences of its use with substrates in wastewater treatment systems such as CWs are little known until today. The objectives of this thesis were (1) to evaluate the effect of a biochar on the diversity and activity of microorganisms in CWs, (2) to evaluate the effect of biochar on the efficiency of CWs to reduce pesticides in greenhouse effluents, (3) to evaluate the effect of biochar on microorganisms in CWs in the presence of pesticides, and finally (4) to assess the effect of using water treated in CWs as irrigation water on tomato growth and rhizosphere microbial diversity. The obtained results demonstrated that biochar did not have a major effect on the composition of bacterial populations in CWs substrates and effluents. However, biochar affected the expression rate of several key genes in CWs functioning, including those involved in the release of greenhouse gases. Also, the use of CWs s treated waters to grow tomato plants in hydroponic crops did not present any physiological or microbiological risk to tomato plants. In fact, plant growth-promoting bacteria such as Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum and Pseudomonas were detected in abundance in the rhizosphere of tomato plants. Finally, in the presence of pesticides, biochar showed a protective effect on the microbial communities of CWs and thus makes it possible to maintain CWs performance in reducing pollutant loads in greenhouse effluents. However, the effect of biochar on CWs performance in reducing pesticides is specific to the type of pesticide. This work highlights the utility of biochar in improving the functioning of CWs and in circumventing some of their disadvantages such as the release of greenhouse gases. The feasibility and the importance of the valorization of water treated by CWs was also demonstrated.

Dans le cadre de cette recherche, la production de biocharbon par pyrolyse est étudiée à des conditions visant sa valorisation comme biochar (amendement pour le sol), tout en considérant son potentiel comme charbon vert (pour bioénergie ou transformations subséquentes). La production du charbon de biomasse s'est effectuée à l'aide de deux réacteurs à lits fixes de types batch, d'une capacité de 1 et 25 gb.hlbatch, respectivement. Le panic érigé (Panicum virgatum) est la biomasse lignocellulosique qui a été utilisée dans le cadre des tests. Les facteurs de production étudiés sont principalement la température (300, 400 et 500 °C) pour un court temps de résidence en réacteur (2,5 et 5 min) et l'effet de l'usage du CO2 plutôt qu'un environnement plus conventionnel d'azote. L'effet de ces facteurs est étudié par rapport aux caractéristiques physico-chimiques des biocharbons obtenus. Un suivi des produits pyrolytiques complémentaires (bio-huile et gaz) a aussi été effectué. Des extractions de biocharbon par Soxhlet (à l'aide de dichlorométhane) ont été analysées par GC-MS et ont permis l'identification d'une multitude de produits présents dans les biocharbons. Les conditions spécifiques utilisées pour la pyrolyse, entre autres la convection forcée avec taux de chauffe rapide à 300 °C — N2 à l'aide du réacteur 1 glbatch, ont présenté des rendements et propriétés de biocharbon avantageux pour l'amélioration de la productivité du procédé de torréfaction (en comparaison avec des travaux rapportés, notamment ceux de Gilbert et al. [2009]). Les analyses des extractions de charbons de biomasse ainsi que des bio-huiles (par GC-MS), produites à l'aide du réacteur 25g/batch, ont permis d'observer des différences significatives dans les composés obtenus lors de l'usage de CO2 vs N2. Plusieurs composés observés dans les extraits de biocharbons, produits en atmosphère de N2, se retrouvent en quantités moindres dans les extraits de biocharbons produits en atmosphère de CO2 pour des températures communes. À titre d'exemple, le furfural, un composé aromatique commun provenant de la dégradation des glucides, s'est retrouvé uniquement dans les extraits de biocharbons en présence de N2 vs CO2, à 400 °C. Parmi l'ensemble des conditions étudiées (pour les 2 réacteurs), uniquement le naphtalène et des dérivés du naphtalène sont observés comme hydrocarbures aromatiques polycycliques, et ce, uniquement suivant les traitements à 500 °C. L'étude de l'usage du CO2 comme gaz d'entrée en réacteur mena à des différences significatives pour l'ensemble des températures étudiées, et ce, tant pour les biocharbons que pour les produits liquides et gazeux. À 300 °C, en environnement de CO2 comparé à N2, il est possible d'observer une production de bio-huile significativement plus faible (18,0 vs 24,6 %; CO2 vs N2 pour P<0,002), ce qui représente un résultat cohérent avec l'obtention de biocharbon au contenu en composés volatils significativement plus élevé obtenu aux mêmes conditions (0,29 vs 0,35 g composés volatils - biocharbotig biomasse originale; CO2 vs N2 pour P=0, I ). De plus, à 500 °C, un contenu en cendres de biocharbon significativement plus faible a été observé en environnement de CO2 vs N2 (P<0,06). [symboles non conformes]

Depuis quelques années, la curiosité de la communauté scientifique s’oriente de plus en plus vers la production et l’usage du biochar en agriculture comme amendement. En plus d’être un moyen efficace de valorisation des déchets agricoles et forestiers, il pourrait contribuer à la restauration de la fertilité des oxisols tropicaux et donc au maintien de la productivité des écosystèmes agricoles tropicaux. En retour, cette restauration pourrait contribuer à réduire la pression sur la forêt tropicale, c’est-à-dire la déforestation pour la production agricole. La présente étude a été conduite en plein champ dans la région de l’Ouest Cameroun en Afrique centrale. Elle avait pour objectif de produire, caractériser et tester l'effet de deux biochars, d'origine agricole et forestier, sur les propriétés physico-chimiques d’un oxisol et sur la production et l’équilibre nutritionnel du maïs. Dans un premier temps, il a fallu construire localement un four pyrolytique amélioré par rapport à ce qui se fait actuellement, recyclant les gaz de combustion. Les deux biochars fabriqués à base de résidus locaux (écorce d’eucalyptus et rafles de maïs), avec ce nouveau pyrolyseur amélioré de type « retort » à 300°C, ont été caractérisés (méthodes ASTM, IBI, EBC) et respectaient les normes internationales de biochar. L’expérience au champ avec trois répétitions couvrait 30 parcelles irriguées de 4 m x 4 m chacune, disposées suivant un plan expérimental en split plot. Deux modes de travail du sol, le labour à plat et les sillons-billons, en parcelle principale et en sous parcelle une combinaison aléatoire des cinq traitements contenant l’un ou l’autre des biochars (T2-T3) ou sans biochar (T1), appliqués au début de la première campagne de production uniquement. Le traitement de base dans toutes les parcelles était la dose d’engrais minéral recommandée pour la culture du maïs dans la région à savoir 200 kg NPK ha⁻¹ +100 kg N ha⁻¹. Le biochar était appliqué à la dose de 15 t ha⁻¹. Les propriétés physico-chimiques du sol et des feuilles de maïs ainsi que son rendement sous ces parcelles ont été mesurées, six et douze mois après l’application du biochar. Les résultats ont été analysés par la procédure GLIMIX de SAS suivis du test de comparaison multiple Tukey HSD lorsque nécessaire. Les résultats suggèrent les conclusions suivantes : les biochars d’écorce d’eucalyptus et de rafles de maïs remplissent bien l’essentiel des critères de définition proposés par le IBI et le EBC pour les biochars. Selon IBI, ce sont des biochars de classe 3 (10 ≤ Corg ≤ 30). Le nouveau pyrolyseur pourra servir à produire un biochar de qualité à partir des résidus communs au Cameroun en réduisant les émissions de gaz. L’application du biochar dans nos conditions a eu peu d’effets sur les propriétés physico-chimiques du sol ; cependant, l’augmentation significative du pH (0,3 et 0,5 unités) et du carbone organique du sol (0,4 %) rendent cette technologie acceptable pour le programme global « 4 pour 1000 » initié par la France après la Cop 21. L’analyse nutritionnelle foliaire a révélé une augmentation significative de la teneur en Mg et Ca des plants de maïs dans les parcelles amendées au biochar que non ; le rendement à l’ha du maïs a augmenté de 54 % durant la première période de production et de 51 % durant la seconde dans les parcelles ammendées au biochar par rapport à celles non amendées. Cette augmentation de rendement se traduit autrement en une déforestation due à l’agriculture évitée de 25 %. Tous ces résultats indiquent que le biochar pourrait être un outil précieux pour faire face aux enjeux liés à la déforestation et aux changements climatiques dans les régions tropicales humides, ce par une production agricole durable. / In recent years, the interest of the scientific community has shifted increasingly towards the production and use of biochar in agriculture as an amendment. In addition to being an efficient means of recovering agricultural and forestry waste, it could contribute to restoring the fertility of tropical oxisols and thus maintaining the productivity of tropical agricultural ecosystems. As a result, this restoration could help in decreasing the pressure on rainforests, that is, deforestation for agricultural production. This field study was carried out in the West region of Cameroon in Central Africa. Its aim was to produce, characterize and test the effect of two biochars from agricultural and forestry origin on the physico-chemical properties of an oxisol and on maize production and maize nutritional equilibrium. Firstly, we constructed locally a retort kiln that improves on the currently-used technology (gas recycling, smoke and pollution reduction, higher biochar yield). The two biochars made from local residues (eucalyptus bark and corn cobs) using this improved kiln at 300 ° C, were characterized using ASTM, IBI and EBC methods. The field experiment included 30 irrigated plots of 4 m × 4 m each, in a split plot design. Two soil tillage modes: flat plowing and furrow-ridges, with three replicates were compared with four biochar treatments, incorporated to soil at the beginning of the first production period. The basic treatment in all plots was the recommended mineral fertilizer rate for maize production in the area: 200 kg NPK +100 kg N. Biochar was applied at 15 t ha⁻¹. Maize yield, soil physico-chemical properties and leaf nutritional equilibrium were assessed, six and twelve months after application of the biochar. The results were analyzed using SAS GLIMIX procedure followed by the Tukey HSD multiple comparison test when necessary. Results suggest the following conclusions: Eucalyptus bark and corncob biochars fulfill most of the criteria definition proposed by IBI and EBC for biochars. According to IBI, these are class 3 biochars (10 ≤ Corg ≤ 30). The new pyrolyser can thus be used to produce good quality biochar from common residues in Cameroon with reduced gas emissions. The application of biochar under our conditions has had little effect on the physicochemical properties of the soil; however, the significant increase in pH (0.3 and 0.5 units) and soil organic carbon (0.4 %) makes this technology acceptable for the global program "4 per 1000" initiated by France after Cop 21. Foliar nutritional analysis revealed a significant increase in the Mg and Ca content of maize plants in biochar amended plots; the yield per hectare of maize increased by 54 % during the first production period and by 51 % during the second in the biochar amended plots compared to the control. This increase in yield is otherwise translated into 25 % avoided deforestation due to agriculture. All these results indicate that biochar could be a valuable tool to face the challenges of deforestation and climate change in the humid tropical zones, through sustainable agricultural production.

Le Québec compte environ 3,9 millions de porcs dans environ 1890 entreprises porcines. Un porc génère en moyenne 7,6 litres de lisier par jour. Selon une évaluation réalisée par le Ministère de l'Agriculture, des Pêcheries et de l'Alimentation du Québec (MAPAQ) en 2004, un peu plus de 20% des entreprises porcines seraient en surplus de phosphore dans les régions de Chaudière-Appalaches et de la Montérégie. Ces dernières années, plusieurs solutions ont été développées comme la séparation du lisier, soit par des méthodes physicochimiques directement dans le bâtiment (ex. sous les lattes), soit à l'aide de procédés de traitement. Les traitements du lisier génèrent à leur tour un résidu solide. Dans cette étude, le lisier étudié a été séparé par centrifugation avec addition de biocharbon pour obtenir une fraction solide avec des pourcentages plus élevés de matière sèche. Les conditions optimales obtenues par la méthode de réponse de surface pour la séparation de la matière sèche du lisier de porc étaient 33,84% de matière sèche avec l'addition de 6% de biocharbon, un pH de 13 et 90 minutes de temps de centrifugation.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 septembre 2023) / Les industries minières génèrent vraiment des quantités importantes de déchets et de sous-produits qui peuvent contenir des éléments traces et des métaux lourds. Ces sous-produits et déchets sont des sources importantes de pollution de l'air, de l'eau et du sol, qui peuvent finalement affecter les ressources en eau. Diverses techniques physiques et chimiques sont employées pour éliminer les polluants du sol et de l'eau ; cependant, ces méthodes s'avèrent souvent coûteuses, laborieuses et peuvent altérer la composition des micro-organismes du sol. La phytoremédiation, une technologie verte, est une méthode rentable pour éliminer les métaux lourds des sols et des eaux contaminés. Les objectifs de cette thèse étaient : (i) d'examiner le rôle des macrophytes des zones humides dans la bio accumulation des métaux lourds comme moyen de décontamination des écosystèmes aquatiques ; (ii) d'évaluer le biochar produit par pyrolyse de la biomasse de macrophytes des zones humides et de inoculant microbiens comme bio-amendements de rejets miniers aurifères alcalins, et (iii) d'évaluer l'opinion et les perceptions des experts quant à l'acceptabilité sociale de la technologie d'hydrophytoremédiation par l'utilisation des plantes des zones humides au Canada, ainsi que la gestion de la gestion de la biomasse après récolte. Dans le chapitre 1, nous avons cherché à évaluer le potentiel de trois types de macrophytes émergents pour effectuer la phytofiltration du Cu à partir de sédiments contaminés par le Cu et de l'eau avec des concentrations variables de Cu (0, 50, 100, 150 et 200 μM). Pour simuler un écosystème naturel de zone humide, nous avons mené une étude en mésocosme en serre en utilisant des conditions expérimentales semi-hydroponiques et hydroponiques. Nous avons sélectionné trois types de plantes indigènes au Québec, Canada : Typha latifolia, ainsi que Phragmites australis, sous-espèce americanus (Phragmite indigène au Canada) et Phragmites australis, sous-espèce australis (phragmite exotique). Nous avons obtenu dans ces plantes un facteur de translocation (FT) de Cu <1 et un facteur de bioconcentration (FBC) >1. De plus, nous avons observé une relation inverse entre des doses croissantes de Cu et la biomasse moyenne aérienne et souterraine, ainsi que la hauteur et la longueur des racines des plantes sélectionnées dans des conditions hydroponiques. Nos résultats suggèrent que ces macrophytes des zones humides pourraient potentiellement éliminer les métaux lourds des sédiments contaminés par le Cu et des eaux enrichies en Cu. Pour le chapitre 2, nous avons mené des recherches pour explorer l'efficacité de l'utilisation d'une approche globale pour phytocapter les résidus de la mine d'or de Desmaraisville. Plus précisément, cette approche consistait à amender les résidus fins (RF) et les résidus grossiers ou stériles (RG) avec du biochar, ainsi que des inoculants microbiens. La biomasse aérienne de P. australis récoltée lors d'une expérience semi-hydroponique a été convertie en biochar par pyrolyse. L'étude a été menée dans un environnement de serre contrôlé, où des conteneurs mésosomes ont été utilisés pour cultiver des semis d'arbres (Populus tremuloides ; Picea glauca) et des graines herbacées (Lotus corniculatus ; Festuca rubra). Pour étudier l'efficacité des amendements de biochar, trois types d'amendements de biochar ont été appliqués : Le biochar préparé à partir de P. australis (PB), le biochar commercial d'écorce d'érable Award-Maple-700 (CB) et un traitement contrôlé sans biochar (WB). Ces amendements ont été appliqués avec (IN) et sans (WI) inoculation microbienne et testés sur deux substrats distincts, à savoir les stériles (WR) et les résidus fins (FT). Sur la base de notre étude, l'utilisation d'amendements de biochar, en combinaison avec l'inoculation microbienne, pour la plantation d'espèces végétales spécifiques pourrait offrir une solution pratique pour la revégétalisation des résidus alcalins de mines d'or. Enfin, le chapitre 3 présente la perception des experts sur l'acceptabilité sociale de la technologie d'hydrophytoremédiation, à travers une enquête par questionnaire auprès des experts. Cette étude a utilisé la méthode Delphi pour recueillir les opinions des experts sur la faisabilité de l'utilisation des plantes des zones humides pour l'hydrophytoremédiation dans l'élimination de la contamination des métaux lourds des plans d'eau causée par les activités minières. Bien que la phytoremédiation soit une technique rentable et respectueuse de l'environnement, peu de recherches ont été menées sur son acceptabilité sociale. Selon les experts, l'utilisation de plantes de zones humides dans l'hydrophytoremédiation pour l'élimination des métaux lourds de l'eau affectée par l'exploitation minière est perçue comme une stratégie viable et efficace. En outre, tous les experts s'accordent à dire que les organismes de réglementation devraient être responsables de la protection des zones humides et de la gestion raisonnée de la biomasse contaminée après la récolte. Dans l'ensemble, la phytoremédiation pourrait être une approche prometteuse pour l'élimination des contaminants, qui nécessite des recherches supplémentaires pour assurer sa mise en œuvre sûre et socialement acceptable. En utilisant des techniques post-récolte appropriées, la phytoremédiation peut être une stratégie efficace pour remédier à la contamination par les métaux lourds dans les masses d'eau résultant des activités minières. / Mining industries generate significant amounts of waste and by-products that may contain trace elements and heavy metals. These by-products and wastes are significant sources of air, water and soil pollution, which can ultimately affect water resources. Various physical and chemical techniques are used to remove pollutants from soil and water; however, these methods are often costly, time-consuming and can alter the composition of soil microorganisms. Phytoremediation, a green technology, is a cost-effective method for removing heavy metals from contaminated soil and water. The objectives of this thesis were: (i) to examine the role of wetland macrophytes in the bioaccumulation of heavy metals as a means of decontamination of aquatic ecosystems; (ii) to evaluate biochar produced by pyrolysis of wetland macrophyte biomass and microbial inoculants as bio-amendments of alkaline gold mine tailings, and (iii) to assess expert opinion and perceptions of the social acceptability of hydrophytoremediation technology using wetland plants in Canada, as well as the management of post-harvest biomass. In Chapter 1, we sought to evaluate the potential of three types of emergent macrophytes to perform Cu phytofiltration from Cu-contaminated sediments and water with varying Cu concentrations (0, 50, 100, 150 and 200 μM). To simulate a natural wetland ecosystem, we conducted a greenhouse mesocosm study using semi-hydroponic and hydroponic experimental conditions. We selected three plants varieties occurring in Quebec, Canada: Typha latifolia, as well as Phragmites australis, subspecies americanus (native to Canada) and Phragmites australis, subspecies australis (exotic). We obtained in these plants a translocation factor (TF) of Cu <1 and a bioconcentration factor (BCF) >1. In addition, we observed an inverse relationship between increasing concentrations of Cu and the average above-ground and below-ground biomass, as well as root height and length of selected plants under hydroponic conditions. Our results suggest that these wetland macrophytes could potentially remove heavy metals from Cu-contaminated sediments and Cu-enriched waters. For Chapter 2, we conducted research to explore the effectiveness of using a comprehensive approach to phytocaping the Desmaraisville gold mine tailings. Specifically, this approach consisted of amending fine tailings (FT) and coarse tailings or waste rock (WR) with biochar, as well as microbial inoculants. Aboveground biomass of P. australis harvested in a semi-hydroponic experiment was converted to biochar by pyrolysis. The study was conducted in a controlled greenhouse environment, where mesocosm containers were used to grow tree seedlings (Populus tremuloides, Picea glauca) and herbaceous seeds (Lotus corniculatus; Festuca rubra). To study the effectiveness of biochar amendments, three types of biochar amendments were applied: Biochar prepared from P. australis (PB), commercial maple bark biochar Award-Maple-700 (CB), and a control treatment without biochar (WB). These amendments were applied with (IN) and without (WI) microbial inoculation and tested on two separate substrates, WR and fine tailings FT. Based on our study, the use of biochar amendments, in combination with microbial inoculation, for the planting of specific plant species could offer a practical solution for the revegetation of alkaline gold mine tailings. Finally, Chapter 3 presents the experts' perception of the social acceptability of the hydrophytoremediation technology, through a questionnaire survey of the experts. This study used the Delphi method to collect the experts' opinions on the feasibility of using wetland plants for hydrophytoremediation in removing heavy metal contamination from water bodies caused by mining activities. Although phytoremediation is a cost-effective and environmentally friendly technique, little research has been conducted on its social acceptability. According to experts, the use of wetland plants in hydrophytoremediation for the removal of heavy metals from water affected by mining is seen as a viable and effective strategy. In addition, all experts agree that regulatory agencies should be responsible for wetland protection and the sound management of contaminated biomass after harvesting. Overall, phytoremediation may be a promising approach for contaminant removal, which requires further research to ensure its safe and socially acceptable implementation. Using appropriate post-harvest techniques, phytoremediation can be an effective strategy to address heavy metal contamination in water bodies resulting from mining activities.

L’agriculture durable repose sur l’utilisation de moins d’intrants chimiques et favorise l’utilisation des produits biologiques comme le biochar. Ce dernier, à certaines doses, peut stimuler la fixation biologique d’azote chez les légumineuses. Notre projet vise à étudier l’effet d’un biochar de copeaux de pin pyrolysés à 700 ºC sur la symbiose tripartite Ensifer meliloti-Rhizophagus irregularis-Medicago sativa L., sur la production d’inocula bactériens et envers la lutte contre les agents pathogènes. Une culture de luzerne inoculée avec deux E. meliloti A2 et S14, en présence du Rhizophagus irregularis et dans un sol amendé avec 0, 15 ou 30 % de biochar (v:v) a été réalisée. Une stimulation significative de la mycorhization a été observée en présence de 15 % de biochar, et des souches A2 et S14. Par contre, l’inoculation de la luzerne avec A2 ou S14 n’a pas eu d’effet significatif sur les rendements, indiquant la présence dans le sol de souches efficaces d’E. meliloti. Une étude portant sur la survie des rhizobiums et du Bacillus subtilis MBI 600 menée pendant 120 jours à 4 et 25 °C. Elle a montré que 15 % de biochar favorise significativement la survie des cellules de rhizobiums. Par contre, pour Bacillus subtilis c’est le Pro-mix à 100 % qui supporte mieux la survie des cellules. Ainsi, l’effet de biochar sur la survie des microorganismes dépend de la nature de ces derniers et de la dose utilisée. L’étude de l’effet des trois doses du biochar sur les agents pathogènes a montré qu’à forte dose il pourrait favoriser le développement des pathogènes. Les résultats apportent des pistes pour les modalités d’application de biochar en agriculture. Par contre, notre étude est réalisée avec un seul type de biochar à trois doses. Il sera donc très important de tester d’autres types ainsi que d’autres doses de biochar. / Sustainable agriculture is based on the use of less chemical inputs and promotes the use of biological products such as biochar. Many studies clearly indicate that some biochars can stimulate biological nitrogen fixation in legumes. Our project aims to study the effect of a biochar (Pines, 700ºC) on the tripartite symbiosis Ensifer meliloti-Rhizophagus irregularis-Medicago sativa L., on the production of bacterial inocula and on the fight against pathogens. A culture of alfalfa inoculated with two strains of E. meliloti A2 or S14, in the presence of Rhizophagus irregularis and in a soil amended with 0, 15 or 30% of biochar (vol:vol) was conducted. A significant stimulation of mycorrhization was observed in the presence of 15% biochar and A2 or S14. However, inoculation of alfalfa with A2 or S14 had no significant effect on yields, indicating the presence in soil of effective strains of E. meliloti. A study on survival of rhizobia and Bacillus subtilis MBI 600 at 4°C and 25°C was conducted for 120 days. It showed that biochar (15%, vol:vol) promotes significantly the survival of rhizobial cells but for Bacillus subtilis it is the Pro-mix without biochar which supports better cell survival. Thus, the biochar effect on survival of microorganisms depends on the dose of biochar used. The effect of biochar amendments on P. ultimum and FORL colonization and infection was also evaluated. The study of the effect of three doses of biochar (0, 15, 30%; vol:vol) on pathogens showed that high doses may offer a good environment for pathogens development. Our study was performed using a single type of biochar with three doses. Therefore, it is very important to test other types and doses of biochar to be able to make recommendations.

Le biochar, charbon produit par pyrolyse et utilisé comme amendement, présente plusieurs avantages et s’avère une avenue prometteuse pour une agriculture durable. Cependant, les méthodes de fabrication actuelles, les conditions de pyrolyse et les biomasses utilisées produisent des biochars de qualités très variables qui peuvent affecter différemment la productivité du sol et les rendements de la plante. Actuellement, aucune étude ne permet d’élucider l’influence des propriétés physicochimiques des biochars sur la structure et la diversité des communautés microbienne du sol. Le but de ce projet de doctorat visait à bien comprendre comment les propriétés physicochimiques d’un biochar affectent sa capacité à : (i) réduire les émissions des gaz à effet de serre; (ii) améliorer la croissance de la tomate et du poivron de serre; (iii) améliorer l’efficacité de l’utilisation des engrais et de l’eau; et (iv) modifier la structure et la diversité des communautés bactériennes dans un substrat horticole et dans un sol minéral. Cinq biochars ont été produits et évalués: écorces d’érable pyrolysés à 400°C, 550°C et 700°C, copeaux de pin pyrolysés à 700°C et copeaux de saule pyrolysés à 400°C. Les résultats obtenus ont permis d’identifier les propriétés physicochimiques du biochar responsables de la réduction des émissions en N2O et des apports d’engrais et celles permettant l’amélioration de l’efficacité d’utilisation de l’eau tout en favorisant la croissance de la plante. De plus, les résultats démontrent que l’ajout de biochar peut stimuler certains groupes de bactéries impliqués dans les cycles du carbone et de l’azote et possiblement ceux impliqués dans le développement de la plante. Ces travaux identifient les propriétés physicochimiques importantes des biochars qui pourront mieux guider le producteur agricole et les industries fabriquant des substrats à base de tourbe dans le choix d’un biochar favorable à la croissance de la tomate et du poivron et à une agriculture plus durable. / The biochar, charcoal produced by pyrolysis and used as an amendment, has several advantages and is a promising avenue for sustainable agriculture. However, the production methods, the pyrolysis conditions and the biomass types produce biochars with variable properties which have different effects on soil productivity and crop yields. Presently, there are no studies to elucidate the influence of the physicochemical properties of biochars on the structure and the diversity of soil microbial communities. The purpose of this PhD project was to understand how the physicochemical properties of biochar affect its ability to : (i) mitigate greenhouse gas emissions; (ii) improve growth of greenhouse tomato and pepper; (iii) improve fertilizer and water use efficiency; and (iv) modify the structure and the diversity of bacterial communities in a growing medium and a mineral soil. Five biochars were produced and evaluated: maple bark pyrolyzed at 400˚C, 550˚C and 700˚C, pine chips pyrolyzed at 700˚C, and willow chips pyrolyzed at 400˚C. The results demonstrated that some physicochemical properties are key drivers of the ability of biochars to efficiently mitigate N2O emissions, to reduce fertilizer inputs and to improve water use efficiency while promoting plant growth. Moreover, the results show that biochar amendment can stimulate specific bacterial groups involved in carbon and nitrogen cycles and possibly those involved in plant development. This work identifies key physicochemical properties of biochars that could better guide agricultural producers and industries producing peat-based growing media, in the choice of biochar promoting tomato and pepper growth and contributing to a sustainable agriculture.