La zone côtière marseillaise présente de forts contrastes. Elle est soumise à de nombreux apports en nutriments et matière organique par le Rhône, les rejets urbains (Marseille) et l'atmosphère. L'objectif de ce travail était de développer, valider et utiliser un modèle tridimensionnel couplé physique-biogéochimique afin d'étudier la réponse de l'écosystème aux différents forçages hydrodynamiques (upwelling, tourbillon anticyclonique marseillais, intrusion du Courant Nord...) et notamment la modulation des apports naturels et anthropiques associés. Le développement du modèle a permis de mettre en évidence la nécessité de bien représenter l'hydrodynamique et les rejets terrestres plutôt que d'augmenter la complexité du modèle biogéochimique dans cette zone côtière. L'étude des simulations réalistes, d'images satellites et de mesures issues de campagnes en mer a fourni des informations sur les caractéristiques spatiales et temporelles de la zone côtière. Cette zone présente des variations saisonnières très marquées, ainsi qu'une forte variabilité journalière due à une succession de forçages hydrodynamiques et terrestres très intenses et de courte durée. Les informations acquises au cours de cette thèse, notamment grâce au calcul de bilans de matière, ont permis de proposer une hiérarchisation de l'impact des évènements étudiés sur la biogéochimie à l'échelle de la baie de Marseille et de la zone côtière. Finalement, les forçages hydrodynamiques ont comme principal effet d'exporter les perturbations anthropiques et terrigènes au large ce qui permet de maintenir l'état oligotrophique dans une majeure partie de la zone côtière, hormis à proximité de l'embouchure du Rhône. / Marseille coastal zone is a contrasted area which is submitted to many inputs of nutrients and organic matter by the Rhone, by discharges from the Marseille city and the atmosphere. The objective of this study was to develop, validate and use a 3D coupled physical/biogeochemical model to study the impact of different hydrodynamic forcings (upwelling, anticyclonic eddy (ME), intrusion of the Northern Current ...) on the ecosystem, in particular the modulation of natural and anthropogenic inputs by these forcings. In this coastal zone, model development highlighted that improving the accuracy of hydrodynamics and terrestrial input was more benefit rather than complicating the biogeochemical model. Comparison with field measurements showed that even if the model have some defaults, it reproduces well enough chlorophyll-a and nutrients. The study of realistic simulations, satellite images and sea campaigns measurements provided information on the spatial and temporal characteristics of this coastal zone. This area is characterized by seasonal variations, but also by a strong daily variability due to very intense and short-lived hydrodynamic and terrestrial forcings. The information acquired during this thesis, including through the use of mass budgets, allowed to propose a hierarchy of the impacts on the biogeochemistry of the studied events occurring across the Bay of Marseilles and the coastal zone. Finally, hydrodynamic forcings appeared to mainly export the anthropogenic and terrigenous inputs offshore which maintained the oligotrophic state in most of the coastal zone, except near the mouth of the Rhone River.

L’Orge est une petite rivière de plaine fortement segmentée, du bassin parisien. En 2010, elle comptait en moyenne un clapet tous les kilomètres sur sa partie aval. Pour rétablir la continuité écologique du cours d’eau, le Syndicat de l’Orge efface progressivement ces ouvrages. L'objet de cette thèse est le suivi biogéochimique, hydro-sédimentaire et écologique d'un bief de l’Orge de 6 km où 3 clapets consécutifs ont été effacés.Les hauteurs d’eau dans la rivière ayant baissé, des bancs de vase ont été mis à l'air. Ces banquettes de sédiments subissent des séquences d’inondation/exondation au rythme des crues. Les transformations de l’azote et du soufre y sont particulièrement actives et dynamiques. Cependant, les faibles flux d’eau échangés (modélisation) limitent l’impact des banquettes sur la rivière. Des processus intenses de précipitation/solubilisation des sulfates, liés aux variations des niveaux d’eau, ont une importance non négligeable sur la dégradation de la matière organique et la production d’ammonium dans la banquette.La capacité de transport de sédiments de la rivière a fortement évolué suite aux effacements, ce qui se traduit par l’apparition d'une granulométrie plus grossière en fond de lit. Ont été évalué la nouvelle vitesse de transit des particules charriées et le temps nécessaire pour atteindre un nouvel équilibre du lit et des espèces biologiques qui y vivent. Les indicateurs biologiques montrent que les effacements améliorent l’habitabilité de la rivière.Ces suivis montrent l’impact positif des effacements de barrage sur une rivière de plaine, même si un suivi dans la durée reste nécessaire pour confirmer les évolutions mises en évidence. / Orge is a lowland river from Seine’s watershed, France. In 2010, Orge River was highly segmented with on average one dam (< 2m) every kilometer in downstream part. To restore the ecological continuity of the river, the “Syndicat de l’Orge” gradually removes these little dams. The purpose of this thesis is the monitoring of hydro-morphology, biogeochemistry and ecological of a section of 6 km of Orge where 3 consecutive dams have been removed in spring 2010.After the water level decrease, some previously drowned sediment deposits appear along the river bank. These sediment banks are frequently inundated by high flows. Nitrogen and sulfate processes are very intense onto these banks. However, a model shows that water fluxes limited biochemical impact of sediment banks on the river. Intense precipitation/solubilization sulfate processes, link with water level variations, have a significant importance on organic matter degradation and ammonium production in sediment banks.The sediment transport capacity of the river has changed significantly after dam removal. It results in an increase of the maximum transportable diameter of the river, leading to the appearance of a coarser bed in-situ. It was possible to evaluate the new transit speed of particles carried along and highlight the time required to reach a new equilibrium of the bed and the biological species that live there. Biological indicators show that removals enhanced the livability of the river.All these studies show the positives impacts of dam removal on a lowland river, even if a monitoring in time is still needed to confirm the first developments highlighted here.

La mer Méditerranée est considérée comme un point chaud du changement climatique. Cette région très peuplée au climat aride devrait voir son climat devenir plus chaud et plus aride encore, tout en subissant une pression anthropique toujours plus forte. Dans ce contexte, de nombreuses données physiques et biogéochimiques sont actuellement relevées en mer Méditerranée, dans le cadre du projet MERMEX, afin de mieux étudier et comprendre les cycles biogéochimiques en mer Méditerranée. Complémentaire aux mesures, la modélisation est un outil unique pour aider à comprendre et quantifier les processus contrôlant la biogéochimie marine de la Méditerranée, ses spécificités et son évolution future. Dans cette étude, nous proposons la mise en place, et l’évaluation d’un modèle régional couplé dynamique - biogéochimie marine (NEMO-PISCES), à haute résolution, qui sera le premier modèle couvrant l’intégralité de la mer Méditerranée disponible pour la communauté MERMEX. Ainsi, après avoir évalué la dynamique du modèle NEMO-MED12, utilisée comme forçage, grâce à une simulation de traceurs passifs (CFC), nous effectuons les premières utilisations de cet outil, avec lequel (i) nous évaluons la quantité de carbone anthropique en mer Méditerranée grâce à une approche par perturbation, ainsi que l’acidification associée des masses d’eau ; (ii) nous effectuons une étude des régimes trophiques en mer Méditerranée, tels que perçus par le modèle, sur différentes couches de la zone euphotique. / The Mediterranean Sea is considered as a hot spot of climate change. This arid region, already under high anthropogenic influence, is said to become even warmer and drier, with still an increasing anthropogenic pressure. In this context, numerous physical and biogeochemical data are currently collected in the Mediterranean Sea, within the MERMEX project, enabling to better study and understand the Mediterranean biogeochemical cycles. Complementary to in-situ observations, modelling is an unique tool that helps to understand and quantify biogeochemical controling processes in the Mediterranean Sea, its specificity, and its evolution. In this study, we propose the setting and evaluation of a regional, high resolution, marine dynamicalbiogeochemical coupled model (NEMO-PISCES). It will be the first model available for the MERMEX community, that covers the whole Mediterranean Sea. Therefor, after the evaluation of NEMO-MED12 dynamical forcing fields, within passive tracers simulation (CFC), firsts use of this tool have been made : (i) we have evaluated anthropogenic carbon uptake and induced acidification of the Mediterranean Sea, within a perturbation approach ; (ii) we have analysed Mediterranean Sea trophic regimes, as represented by the model, for different layers of the photic zone.

Afin de mieux appréhender l’ouverture actuelle de la forêt boréale au nord du Québec et d’identifier les facteurs qui en sont responsables, cette thèse a étudié la dynamique, la stabilité et la résilience des deux types d’écosystèmes forestiers en jeu dans la zone de transition, au cours du temps. Ces écosystèmes, les pessières à mousses, denses, et les pessières à lichens, beaucoup moins denses (dites « ouvertes »), partagent la même espèce ligneuse dominante (Picea mariana). La thèse s’est concentrée sur le développement d’outils géochimiques innovants en paléoécologie permettant de retracer la structure et la composition présentes et passées des écosystèmes terrestres, puis sur la reconstruction du régime des feux par analyses de charbons. Elle démontre dans un premier temps que les deux écosystèmes ont des sols aux propriétés physico-chimiques distinctes, et sont entretenus par les interactions sol-végétation-climat. Le deuxième volet montre que les enregistrements chimiques sont également différents dans les sédiments récents de lacs d’étude, selon s’ils sont entourés de pessières à mousses ou à lichens. Grâce aux proxys géochimiques calibrés, le troisième chapitre reconstruit l’histoire de la végétation et des feux au cours de l’Holocène. Il met en évidence une rupture majeure dans la structure des écosystèmes, observée vers 4500-4000 ans calibrés avant présent, et permet de conclure à une ouverture de la forêt boréale à cette période en raison d’une augmentation de la fréquence de feux. La stabilité précaire des états actuels est mise en perspective avec le contexte présent d’augmentation des feux dans la région et les mesures d’aménagement à adapter en conséquence. / In order to better figure out the ongoing transition of the boreal forest in northern Quebec and to identify the responsible factors, this thesis studied the dynamics, stability and resilience of the two forest ecosystems at stake, over time. These ecosystems, the closed-canopy dense moss forest and the open lichen woodland, share the same dominant tree species (black spruce, Picea mariana). The thesis focused on the development of innovative geochemical tools in palaeoecological studies that could track present and past terrestrial ecosystem structure and composition, and then focused on the reconstruction of past fire regimes through lacustrine charcoal analyses. A first step demonstrated that the soils of both ecosystems displayed distinct physical and chemical properties and are maintained by the feedback interactions in the soil-vegetation-climate system. The second step showed that modern sediments of study lakes recorded variations in their chemical composition depending on whether they were surrounded by moss forest or lichen woodland. Using the so calibrated geochemical proxies, the third chapter reconstructed the vegetation and fire histories during the Holocene. A major disruption in ecosystem structure was evidenced 4500-4000 years calibrated before present and led to the conclusion of a boreal forest opening at that time due to an increase in fire frequency. The precariousness of the present states stability is discussed in light with the current context of fire increase in the study region and suggests that forest management should be adapted consequently.

Le cobalt est un métal de transition essentiel pour la croissance du phytoplancton, et en particulier pour les cyanobactéries qui ont un besoin absolu pour cet élément. En étant l'atome central de la cobalamine (vitamine B12), le cobalt est aussi indirectement essentiel aux eucaryotes marins qui ne synthétisent pas cette vitamine. Cet élément peut se substituer au zinc et au cadmium au sein de la carbonique anhydrase, l’enzyme permettant la fixation du dioxyde de carbone dans la cellule phytoplanctonique. Il pourrait intervenir également dans l’activation de l’alcaline phosphatase. De par ses implications biologiques, le cobalt pourrait jouer un rôle important dans le cycle océanique du carbone. Cependant, les connaissances du cycle biogéochimique du cobalt en milieu marin sont encore largement limitées. Ce travail de thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre du programme international GEOTRACES au sein duquel le cobalt y est désigné comme un élément clé de la biogéochimie marine. Au cours de ces travaux, l’un des plus larges jeux de données, rapporté à ce jour, incluant les différentes fractions du cobalt (soluble, dissous, particulaire, spéciation organique) a été produit. Les données recueillies proviennent d’échantillons collectés au sein de domaines océaniques contrastés. Une stratégie de prélèvement à haute résolution et à grande échelle a été mise en place dans diverses régions océaniques du monde lors de campagnes à la mer. Ainsi pour la première fois, une cartographie du cobalt dissous (DCo) et particulaire (PCo) a pu être définie pour l’ensemble de l’Atlantique Ouest, ainsi que des bassins Méditerranéens et de la Mer Noire. Ce jeu de données a pu être produit par l’utilisation de différentes techniques d’analyses (Flow-Injection-Analysis and Chemiluminescence detection ; Voltamétrie, SF-ICP-MS) aux limites de détections basses permettant la détermination de cet élément, présent dans l’eau de mer à des concentrations de l’ordre du pico-molaire (10-12 M). Le cobalt est en effet l’un des micro-nutritifs le moins abondant dans l’eau de mer. Les concentrations les plus faibles en DCo ont été observées dans les eaux oligotrophes de l’Atlantique Ouest (< 15 pM) alors que les plus élevées sont enregistrées dans la couche supérieure des eaux sulfidiques de la Mer Noire (> 5 nM). La distribution verticale du cobalt dissous variait selon les systèmes biogéochimiques. Ainsi, le profil vertical est de type nutritif comme les phosphates dans les eaux de surface de l’océan Atlantique. Les concentrations y augmentent avec la profondeur, jusqu’à un maximum relatif dans les eaux intermédiaires, puis décroissent dans l’océan profond. Ce comportement contraste avec le profil observé pour l’ensemble des bassins de la Mer Méditerranée. Dans cette mer, les fortes concentrations en DCo mesurées en surface (100-300 pM) diminuent en effet avec la profondeur. En Mer Noire, la distribution verticale varie selon les conditions d’oxygénation des eaux. Les concentrations y sont extrêmement élevées par comparaison aux autres systèmes marins. […] / No

La première partie de ce travail porte sur le développement de nouvelles méthodes pour l'analyse de spéciation du mercure et des butylétains dans les matrices environnementales. La mise au point de ces nouvelles techniques analytiques de spéciation est basée sur la quantification par dilution isotopique. Les techniques développées sont axées principalement sur la détermination simultanée des composés de mercure et des butylétains ce qui comprend la préparation d'échantillon simultanée ainsi que l'analyse simultanée. Le développement porte sur les différentes matrices composant les environnements aquatiques : l'eau, les tissus biologiques et les sédiments.<br />Dans la deuxième partie de ce travail, les méthodes analytiques développées ont été appliquées à des études environnementales sur les cycles biogéochimiques du mercure et des butylétains dans les environnements aquatiques. Des méthodes expérimentales utilisant des espèces enrichies isotopiquement comme traceurs ont été développées et mises en œuvre. Elles permettent d'évaluer les taux de transformations du mercure (méthylation/déméthylation) dans les différents compartiments des environnements aquatiques que sont les sédiments et la colonne d'eau. Les facteurs environnementaux et notamment les paramètres biologiques sont aussi contrôlés afin de déterminer le lien entre les transformations du mercure et les activités des organismes vivants tels que les bactéries et le phytoplancton.

L'importance de la matière organique dans les milieux aquatiques naturels est évaluée et modélisée de différentes manières, depuis le milieu océanique côtier aux rejets urbains en eau douce.

De nombreux métaux et métalloïdes sont indispensables au développement des sociétés humaines, qui ont exploité les gisements de divers éléments stratégiques depuis des siècles, voire des millénaires. Cependant, les êtres vivants dits " supérieurs " sont sensibles à la toxicité des métaux et métalloïdes : ces derniers peuvent causer des dommages importants à la santé des populations exposées, ainsi qu'à l'ensemble des écosystèmes contaminés. Les milieux riches en métaux et métalloïdes offrent cependant des niches écologiques favorables au développement de certains micro-organismes. La microflore de ces environnements est capable de résister à de fortes concentrations en métaux, et de nombreuses bactéries peuvent utiliser des métaux et des métalloïdes en tant que donneurs ou accepteurs d'électrons. Elles participent ainsi activement aux cycles biogéochimiques de ces éléments. Le présent mémoire est une synthèse des travaux réalisés par l'auteur entre 1990 et 2010 dans le domaine des biotechnologies et de la biogéochimie. Ces études ont été focalisées sur des processus bactériens de solubilisation ou d'immobilisation des métaux et/ou métalloïdes, en milieu neutre, modérément acide ou très acide. Les principaux sujets de recherche abordés ont été les suivants : * la biolixiviation acidophile des minerais sulfurés, et les interactions entre bactéries et fer dissous, * l'oxydation biologique de l'arsenic dans les environnements miniers, et l'application de ce phénomène dans le domaine du traitement des eaux, * l'utilisation de l'As(III) comme source d'énergie par des bactéries isolées, * les phénomènes de bio-réduction et bio-précipitation de métaux et métalloïdes, en particulier du chrome et de l'arsenic, en conditions de sulfato-réduction. Les différents travaux évoqués dans le présent mémoire ont porté soit sur la biogéochimie d'environnements pollués, soit sur la mise au point de procédés de bioremédiation. Le projet de recherche proposé pour les années à venir conservera cette dualité processus/procédés. Il sera focalisé sur les réactions qui modifient les formes des métaux et métalloïdes en présence de catalyseurs microbiens, et s'efforcera de quantifier le bénéfice potentiel tiré de ces réactions par les micro-organismes, en fonction des conditions physico-chimiques. Cette démarche permettra de cibler la recherche de niches écologiques où des métabolismes bactériens originaux, potentiellement exploitables en termes de procédés, pourraient être mis en évidence.

La composition élémentaire des coquilles de bivalves pourrait, selon la communauté scientifique internationale, être modulée par les variations spatiales ou temporelles du milieu ambiant tel la température, la salinité, la productivité primaire.... Toutefois, un ensemble de travaux ont mis en évidence que la présence des éléments mineurs et en traces dans les coquilles sont souvent spécifiques aux espèces considérées ou dépendent de plusieurs paramètres environnementaux. En conséquence, des recherches supplémentaires s'avèrent nécessaires afin de mieux comprendre la modalité d'incorporation de ces potentiels traceurs dans la matrice carbonatée. L'objectif de ce travail de thèse était de développer des méthodologies analytiques sur un spectromètre de masse haute-résolution couplée à une source plasma (HR-ICP-MS Element 2 de Finigan) pour déterminer quantitativement un nombre important d'éléments en traces dans des matrices de carbonate de calcium (CaCO3). Deux méthodes (le couplage LA-ICP-MS et l'analyse en mode liquide) ont été développées afin de placer sur une échelle calendaire (± 3 jours) les variations ontogéniques des teneurs élémentaires dans les valves de P. maximus. Les résultats d'analyses obtenus sur une même valve gauche par les deux méthodes, montrent que les profils élémentaires demeurent reproductibles quels que soient les concentrations rencontrées et le transect choisi sur la valve. Les teneurs élémentaires dans les valves de P. maximus mesurées sur l'ICP-MS Element 2 sont en accord avec les valeurs obtenues précédemment sur la même population et la même année de croissance lorsque l'on se réfère aux résultats pionniers acquis par le laboratoire de Pau (LA-ICP-MS quadripolaire) L'analyse en mode liquide de trois transects de croissance d'une même valve démontre que la distribution élémentaire est homogène dans la matrice carbonatée de la coquille Saint-Jacques. Les résultats d'analyses de deux éléments en traces (Mo et Li) dans les valves de P. maximus ont été détaillés. Les variations de la concentration valvaire en molybdène sont reproductibles entre plusieurs individus issus d'une même population pendant différentes années et lorsque différents écosystèmes côtiers bretons sont étudiés (Rade de Brest, baie de Saint-Brieuc et Belle-Ile en mer). Chaque profil varie à un niveau voisin des limites de détection de l'appareil de mesure, mais est ponctué par un voire deux enrichissements épisodiques printaniers (mai). Parmi toutes les hypothèses discutées pour expliquer ces événements (pics en Mo), l'ingestion de cellules phytoplanctoniques ayant utilisées les nitrates comme source d'azote apparait la plus vraisemblable (ces cellules présenteraient une concentration forte en Mo suite au rôle de Mo lors de l'activité enzymatique de la nitrate réductase) La faible variabilité inter-individuelle des concentrations valvaires en Li d'une même population suggère l'influence d'un paramètre environnemental ou physiologique pour expliquer l'incorporation du lithium au sein des valves. Toutefois, les variations ontogéniques de la teneur coquillière en lithium chez P. maximus diffèrent selon l'année étudiée. Certaines populations de P. maximus présentent de brusques augmentations transitoires de la teneur en Li pendant leur période de croissance. Notre étude n'a pas pu mettre en évidence un lien généralisable entre ces pics en Li et un paramètre environnemental. Cependant, ces enrichissements en Li semblent apparaître quelques jours après des floraisons phytoplanctoniques de diatomées. En outre, nous constatons que le bruit de fond de la teneur en Li serait majoritairement lié à la vitesse de croissance de l'animal.

Résumé Le Rift Est-Africain comprend plusieurs grands lacs, dont le lac Kivu situé entre 1°34’ et 2°30’ de latitude Sud et compris entre 28°50’ et 29°23’ de longitude Est. Ce lac, localisé au nord-ouest du Rwanda à la frontière avec la République Démocratique du Congo, présente une spécificité unique au monde: ses eaux profondes contiennent une gigantesque quantité de gaz dissous (3/4 de dioxyde de carbone (CO2), 1/4 de gaz méthane (CH4)). Les études antérieures indiquent que les eaux du lac Kivu présentent une structure stratifiée particulière qui se décline en 13 couches dans le bassin principal. Nous avons établi une nouvelle stratification, en quatre couches de la colonne d’eau dans ce bassin sur base des données physico-chimiques mais aussi, en tenant compte tout particulièrement du comportement biogéochimique du carbone. Cette structure simplifiée permettra une meilleure évaluation de l’impact environnemental et une gestion durable de l’exploitation du gisement de gaz méthane du lac Kivu. Un suivi détaillé de plusieurs paramètres physico-chimiques, biogéochimiques ainsi que des éléments majeurs, mineurs et en trace, présents dans le bassin principal du lac, dans sa partie rwandaise en un point fixe au large de Kibuye, durant la petite saison sèche, apporte un éclairage plus précis de leur distribution dans la colonne d’eau. Une étude de la variation spatio-temporelle de ces paramètres est réalisée aussi bien à Kibuye qu’à Gisenyi et ce durant les différentes saisons pour, entre autres, servir de base de données nécessaire à toute comparaison ultérieure. L’origine des gaz dissous dans le lac Kivu a fait l’objet de plusieurs études et hypothèses. Les deux principaux gaz dissous du lac ont un élément biogéochimique en commun: le carbone. Par des mesures isotopiques et par comparaison avec le système limnologique du lac Tanganyika voisin, la correspondance de l’allure générale de la distribution comparée du carbone inorganique dissous (DIC), de l’alcalinité totale et du δ13CDIC dans les deux lacs indique notamment que les processus à l’origine du gaz méthane du lac Kivu ne sont pas liés au magmatisme, ni à des phénomènes thermocatalytiques. Nous pensons que le carbone, et par conséquent le gaz méthane du lac Kivu, est d’origine phytoplanctonique. L’explication par une étude hydrogéologique et pédologique de l’origine de la stratification pérenne de la colonne d’eau du lac Kivu constitue un point de vue intéressant. Une autre perspective serait, celle visant à établir par des données biogéochimiques, le taux de régénération du gaz méthane du lac Kivu afin d’en déterminer la durée d’exploitabilité réelle.