La matière organique dissoute (MOD) est un composant important des eaux naturelles, déterminant la forme des éléments et les émissions de gaz à effet de serre (CO2, CH4), et influence la biodiversité des milieux des eaux. Les eaux boréales sont connues pour être généralement riches en fer, et cela est vrai en particulier pour les eaux de la région étudiée (Carélie du Nord, Russie). Le fer est associée aux MOD dans les complexes de bas poids moléculaire et les colloïdes organo-ferreux de haut poids moléculaire, qui agissent comme les principaux transporteurs d'éléments traces métalliques dans le continuum hydrologique typiques de cette région : sol - marais - rivière - lac. La transformation des colloïdes organo-ferreux se fait sous l'influence de deux facteurs principaux: la dégradation bactérienne et la dégradation photochimique. Cette étude est consacrée à l'analyse du comportement du carbone organique dissous (COD) et des éléments traces (ET) des eaux de surface en zone boréale sous l'influence de l'activité métabolique des bactéries hétérotrophes et de l'oxydation photolytique des MOD sous l'effet de la lumière du soleil. Dans les expériences, un lixiviat de tourbière, un échantillon d'eau de marais, un échantillons d'eau de ruisseaux, un échantillon de rivière, un échantillon d'eau de lac humique, un échantillon d'eau de lac oligotrophique et un pluvio-lessivat collecté sous un pin, échantillons dans lesquelles dominent les MOD de nature humique, ont été utilisés comme substrats. Des expériences en laboratoire utilisant des communautés monosouches de bactéries aérobies hétérotrophes Pseudomonas aureofaciens et Pseudomonas saponiphila (prélevées sur le territoire de Carélie) ont permis d'établir que la MOD allochtone des milieux aquatiques en zone boréale possède une forte résistance à l'activité des bactéries étudiées. Le taux de minéralisation bactérienne du COD était de 0 à 4.3 mgC.L-1.jour-1 selon le substrat, et la fraction de faible poids moléculaire (<1 kDa) de la MOD est plus susceptible de destruction que celle de poids moléculaire élevé (de 1 kDa à 0.22 µm). L'interaction des bactéries avec divers substrats aqueux a montré pour une large gamme d'éléments (Al, Fe, Mn, Ni, Co, Cu, Cd, REE, U) une prédominance significative d'une adsorption rapide sur la surface cellulaire observée lors de la première heure d'expérience (t < 1h) par rapport à une diminution lente observée lors de la suite de l'expérience (1h < t < 96h), diminution lente lié à l'assimilation intracellulaire des métaux et à la coprécipitation extracellulaire des éléments avec des hydroxydes de Fe et Al. L'analyse de divers substrats a montré une augmentation de l'adsorption des métaux avec le rapport DOC/Fe dans la solution initiale, ce qui peut être due à la compétition entre Fe et d'autres cations métalliques pour les sites d'adsorption anioniques des surfaces des cellules bactériennes. Le suivi des dynamiques d'élimination des métaux des solutions expérimentales pendant 96 heures n'a pas mis en évidence de lien entre l'élimination des métaux et le pH et les valeurs absolues de concentration de DOC et de Fe. Une relation a été établie entre la diminution lente (96 h) des éléments et le degré initial de sursaturation de la solution en oxydes et hydroxydes de fer et d'aluminium. Des expériences en conditions naturelles avec des échantillons d'eau de rivière et de marais a montré que la destruction photolytique de la MOD est beaucoup plus efficace pour l'eau de marais. / Dissolved organic matter (DOM) is an important component of natural waters, determining the form of elements and the emission of greenhouse gases (CO2, CH4), as well as affecting water biodiversity. A feature of boreal waters, and in particular the study area waters (North. Karelia, Russia), is high concentration of Fe (III), associated with DOM in low-molecular complexes and in high-molecular organo-ferric colloids, which act as the main carriers of metallic trace elements in the most typical hydrological continuum soil - bog - river - lake. The transformation of organo-ferric colloids occurs under the influence of two main factors: bacterial and photochemical degradation. The present study is devoted to the analysis of dissolved organic carbon (DOC) and trace elements (TE) behavior in surface waters of the boreal zone under the influence of the heterotrophic bacteria metabolic activity and photolytic oxidation of DOM under sunlight exposure. For the purpose of experiments there were used substrates with predominate allochthonous DOM of humic nature, including peat leachate, pine crown throughfall, fen, humic lake, stream, river and oligotrophic lake. An experiment carried out in laboratory conditions using monocultures of heterotrophic aerobic bacteria Pseudomonas aureofaciens and Pseudomonas saponiphila (isolated on the territory of Karelia) allowed to establish that allochthonous DOM of the boreal zone reservoirs possesses high resistance to the activity of the explored bacteria. The rate of bacterial mineralization of DOC was observed in range from 0 to 4.3 mgC L-1day-1, depending on the substrate, and the low molecular weight fraction (<1 kDa) of DOM was found to be more prone to destruction than high molecular weight (from 1 kDa to 0.22 µm). The interaction of bacteria with various aqueous substrates showed a significant predominance of short-term (< 1 h) adsorption on the cell surface for a wide range of elements (Al, Fe, Mn, Ni, Co, Cu, Cd, REE, U) over a long term (1 h - 96 h) intracellular uptake of metals and extracellular coprecipitation of elements with Fe and Al hydroxides. Among different substrates, there was an increase in the adsorption with the increase of DOC/Fe ratio in solution, which can be linked to a competition between Fe and metal cations for anionic adsorption sites on cell surface. The long-term removal of dissolved metals did not show any link to pH, DOC, and Fe concentration.

Les matières organiques dissoutes (MOD) constituent un paramètre essentiel de la qualité des milieux aquatiques et du fonctionnement des écosystèmes. La production de MOD dans les sols et leur devenir lors de leur transfert dans les bassins versants ont été étudiés au cours d'expérimentation réalisées à différentes échelles, du microcosme de sol au bassin versant, à l'aide du traçage isotopique des formes stables du carbone (13C). À l'échelle du bassin versant, nous avons mis en évidence le rôle des zones humides dans la formation du carbone organique dissous (COD). Lors d'évènement de crues nous avons néanmoins observé la mobilisation de plusieurs sources de COD pour alimenter les rivières. Au cours d'expérimentations de laboratoire, nous avons démontré que le type d'essence forestière influence le devenir du carbone extractible à l'eau contenu dans les sols. La substitution de forêts natives par des plantations de Douglas diminue les apports de carbone dans le sol et les vitesses de minéralisation du carbone organique du sol lesquelles dépendent aussi de la température. Pourtant, l'évolution du carbone extractible à l'eau des sols de forêt, conditionnée par le type d'essences, ne dépend ni des vitesses de minéralisation du carbone ni de la température. Nous avons donc conclu que dans les horizons de surface des sols forestiers, le COD ne provient pas principalement de la décomposition de la matière organique du sol mais de la végétation par l'intermédiaire des lessivats de litière.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre général de l'identification des facteurs à l'origine de l'augmentation des concentrations en carbone organique dissous (COD) observée ces dernières années dans un grand nombre de rivières d'Europe et d'Amérique du Nord. Elle vise à mieux comprendre les mécanismes de transfert du COD des sols vers les rivières, et à identifier et quantifier le rôle de l'hydro-climat et de sa variabilité sur la production et le transfert de COD. Pour atteindre cet objectif, une série long-terme (8 ans) et horaire (8 crues) décrivant la variabilité des teneurs en COD enregistrée dans la rivière à l'exutoire du bassin-versant agricole de Kervidy-Naizin a été confrontée à la variabilité des principaux facteurs hydro-climatiques censés contrôler la production et le transfert de COD. Un travail de modélisation a finalement permis de tester certaines des hypothèses avancées. Nous avons ainsi identifié les horizons superficiels des sols des zones de bas fond comme la principale source de COD. De l'automne jusqu'au printemps, cette composante allochtone représente l'essentiel du flux de COD transitant à l'exutoire et devient relayée par une composante autochtone en été. L'analyse des variations saisonnières des apports allochtones de COD révèle la présence de deux compartiments producteurs de COD au niveau du sol: i) un compartiment mobilisé uniquement en automne, dont la taille est finie et parait être sous la dépendance de la durée du retrait de la nappe hors des horizons organiques pendant l'été précédent; ii) un compartiment mobilisé en hiver et au printemps, dont la taille paraît, elle, indépendante des conditions climatiques. Nous supposons que ce deuxième compartiment correspond au fond humique "ancien" des sols des zones de bas fond, la nature du premier compartiment restant, elle, à élucider. La localisation des zones sources du COD aux zones humides de bas-fond déduite dans ce travail est comparable aux résultats publiés sur des bassins versants forestiers et alpins. Ainsi, l'activité agricole intensive pratiquée sur ce bassin versant ne semble pas avoir d'effet sur la dynamique du transfert du COD, alors qu'elle modifie profondément la chimie de l'eau. Dans notre étude, les variables hydro-climatiques telles que la température et/ou la hauteur de nappe n'influencent les transferts de COD qu'à l'échelle d'une saison, l'automne. Aucun effet n'est détecté à l'échelle annuelle. En particulier, l'épisode caniculaire de 2003 où l'augmentation progressive de la profondeur estivale de la nappe enregistrée sur la période d'étude ne crée pas d'augmentation long-terme de la teneur moyenne annuelle en COD celle-ci restant stable (5,5 mg.l-1). Ce résultat suggère que le réchauffement climatique actuel n'est probablement pas la cause de l'augmentation des teneurs en COD observée dans beaucoup de rivières de part le monde. Le travail de modélisation a permis, entre autre, de confirmer la localisation de la source principale du COD dans les horizons superficiels des sols des zones de bas de versant, ou l'existence d'une production autochtone de COD dans la rivière en été. Néanmoins des travaux complémentaires semblent nécessaires pour déterminer la nature exacte des sources du COD ainsi que leur dynamique de production et de décomposition.

Dans les concepts actuels de stockage des déchets radioactifs en formations géologiques, le conteneur métallique emballant les colis se retrouvera en contact d'un milieu argileux totalement ou partiellement saturé. Après consommation totale de l'oxygène piégée, la corrosion du conteneur entame une phase anoxique en produisant de l'hydrogène. Dans la logique d'une évaluation des performances du stockage, deux problématiques essentielles sont abordées par la présente étude: la prédiction de la cinétique de corrosion anoxique à long terme en fonction de l'état hydrique de l'argile de voisinage et l'évaluation du risque d'endommagement hydro-mécanique de l'argile lié à la production d'hydrogène. Les mécanismes qui contrôlent la cinétique de la corrosion se limitent à la croissance de la couche d'oxyde et au transport à travers la porosité de ce film. Une description macroscopique de ces mécanismes couplée avec une loi d'interface a permis de proposer un modèle mécanistique de la corrosion anoxique dans un milieu poreux non saturé. Cette démarche est validée à partir des essais réalisés dans des argiles saturées sur une durée décennale. La validation est ensuite étendue vers les argiles partiellement saturées à partir des essais réalisés en laboratoire. Ces derniers ont confirmé la croissance de la vitesse de corrosion anoxique avec l'humidité relative comme dans le cas de la corrosion aérée ou atmosphérique. Concernant la problématique gaz, des simulations de l'essai oedométrique et triaxial MEGAS sont menées moyennant des choix ciblés sur les paramètres de transport dans l'argile. Une évaluation de l'impact de la corrosion est ensuite appliquée à un concept de stockage géologique. La maîtrise du terme source gaz a permis de minimiser le risque de surpressions gazeuses, de désaturation locale et des déformations mécaniques à long terme.

L'état des cours d'eau est caractérisé à partir des réseaux de mesure, qui comportent un nombre réduit de stations par bief, ou à l'aide de modèles déterministes, qui simulent les processus physiques de façon approchée. La thèse explore les solutions offertes par la géostatistique pour améliorer l'estimation des concentrations le long d'un réseau hydrographique à partir des mesures aux stations, puis pour combiner ces mesures à la modélisation déterministe. Un modèle variographique valide sur un arbre a été développé par C. Bernard-Michel (2006), mais l'inférence n'avait pu être réalisée, les stations de mesure s'avérant trop peu nombreuses. Pour remédier à ce manque de données, la démarche consiste à utiliser le modèle déterministe ProSe (Even et al, 1998, 2004, Flipo et al, 2004) comme maquette. Pour les nitrates et l'oxygène dissous, les résultats du modèle ProSe sont d'abord comparés à différents ensembles de mesures, révélant des discordances. Des conditions aux limites amont combinant ces différents types de mesure sont reconstruites par co-krigeage, ce qui améliore la concordance entre ProSe et les mesures. Par ailleurs, la modélisation conjointe des variogrammes des mesures et des résultats de ProSe s'avère être un outil efficace de diagnostic des imperfections du modèle déterministe. Jugée admissible comme maquette, la simulation ProSe est utilisée pour tester les hypothèses de la modélisation géostatistique et en réaliser l'inférence. Différents modèles géostatistiques permettant d'estimer les concentrations entre stations à partir des mesures sont alors comparés. Enfin, la simulation ProSe est recalée aux mesures via une estimation géostatistique bivariable.

L'objectif scientifique de ce travail est de mieux comprendre les transferts de carbone par les fleuves vers les océans et d'identifier les différents processus biogéochimiques susceptibles de contrôler ces transferts, à l'aide des signatures isotopiques (δ13C) du carbone. Pour ce faire, 25 bassins versants ont été étudiés à travers le monde, en allant de petits bassins versants élémentaires jusqu'aux grands bassins fluviaux. Les résultats obtenus mettent en évidence un contrôle majeur du δ13CCID par le dégazage de CO2 vers l'atmosphère et par l'oxydation du carbone organique (allochtone et autochtone). La signature isotopique moyenne δ13C du flux de carbone inorganique vers les océans est estimée dans cette étude à -11,8‰. Enfin, les premiers éléments d'un modèle numérique (δ-Carb) sont fournis dans cette étude pour simuler l'évolution du δ13CCID dans les rivières et les fleuves.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'indisponibilité d'un transformateur de puissance a de fortes répercussions financières aussi bien pour les exploitants de réseaux d'énergie électriques que pour les clients qui y sont connectés. Afin de prévenir les pannes et d'optimiser la performance de ces équipements d'importance stratégique, de nombreuses techniques et outils de diagnostic ont été développés. L'huile contient environ 70 % des informations de diagnostic sur l'état des transformateurs. Le défi consiste à y accéder et à les utiliser efficacement. L'atteinte d'un tel objectif passe nécessairement par des techniques de diagnostic fiables. En plus des techniques traditionnellement utilisées, trois nouvelles techniques de diagnostic issues des normes ASTM sont utilisées : (1) le test de stabilité qui permet de simuler le comportement sous champ électrique d'une huile en fournissant des informations sur la qualité de celle-ci ; (2) la spectrophotométrie UV/Visible qui permet de mesurer la quantité relative de produits de décomposition dissous dans l'huile ; et (3) la turbidité qui mesure la pureté d'une huile neuve ou usagée. Une méthode quantitative permettant de déterminer les paramètres affectant la formation du soufre corrosif sur les conducteurs en cuivre dans les transformateurs de puissance est proposée. Il est montré entre autres que la tendance au gazage des esters naturels est plus faible que celle de tous les autres types d'huile (minérales, esters synthétiques, silicone). La turbidité et la spectrophotométrie UV/Visible permettent de quantifier efficacement les contaminants qui résultent de l'action d'une décharge électrique sur l'huile isolante. Un nombre important de cycles de régénération (au moins 15) est nécessaire pour qu'une huile vieillie en service retrouve les aptitudes d'une huile neuve. Une nouvelle technique de régénération est présentée pour réduire le nombre de cycles de régénération ; celle-ci consiste à utiliser la terre à foulon traitée avec de l'azote. Il est montré également que le temps constitue le paramètre le plus nuisible dans la formation de soufre corrosif. L'action combinée du temps et de l'agressivité de l'oxygène dissous l'accélère fortement.

Le fer constitue un élément essentiel pour la croissance du phytoplancton en milieu marin. Il est en effet l'élément limitant pour la production primaire dans de nombreuses régions océaniques et, de fait, est impliqué dans le cycle du carbone de la planète. Pourtant, son cycle biogéochimique est encore très mal connu. Les poussières atmosphériques et les sédiments des marges continentales sont considérés à l'heure actuelle comme les deux principales sources potentielles de fer à l'océan ouvert de surface. Ces deux sources ayant montré des compositions isotopiques très contrastées, les isotopes du fer dans la colonne d'eau ont été pressentis comme un traceur prometteur de ces sources. Outre ces apports à l'océan, le fer subit une multitude de processus de transferts entre les différentes formes physico-chimiques sous lesquelles il est présent dans la colonne d'eau. Certains de ces processus étudiés in vitro semblent être à l'origine d'un fractionnement des isotopes du fer. Par conséquent l'étude des isotopes du fer dans la colonne d'eau pourrait aussi nous permettre de clarifier ces échanges. Au commencement de ma thèse, aucune mesure des isotopes du fer dissous dans l'océan n'avait encore été réalisée. Une telle mesure impliquait un réel défi analytique dans la mesure où les quantités de fer disponibles dans un échantillon d'eau de mer sont très faibles alors que la matrice salée dans laquelle il réside est très concentrée. Nous avons donc développé une méthode de mesure des isotopes du fer dissous dans des eaux de mer appauvries en fer, satisfaisant aux exigences requises, à savoir un bon rendement, un blanc de quelques ng, une élimination de la matrice et un moyen précis de corriger des fractionnements isotopiques tout au long de la procédure. Le succès de l'intercalibration du programme GEOTRACES constitue une validation supplémentaire de notre méthode. Cette méthode a permis d'obtenir les premières données de compositions isotopiques (CI) de fer dissous dans l'océan. Nous avons également documenté les particules en suspension, pour lesquelles aucune mesure de compositions isotopiques n'avait encore été réalisée. L'analyse des résultats de ces deux fractions montre des variations systématiques et significatives de δ56Fe, dont les valeurs sont comprises entre -0.71 et +0.58‰ avec une précision de ±0.08‰ (2σ), les plus grandes variations étant observées dans la phase dissoute. A travers des régions étudiées très contrastées, des tendances cohérentes (énoncées ci-après) ont permis de dégager des premières interprétations sur le cycle des isotopes du fer dans l'océan. En dessous de la couche de surface, les variations de CI observées sont à la fois cohérentes i) avec la circulation océanique, i.e., on retrouve des CI semblables dans une même masse d'eau échantillonnée à des sites distants de plusieurs milliers de km, mais semble aussi en cohérence avec ii) les propriétés biogéochimiques de la colonne d'eau. Nous suggérons l'existence de fractionnements isotopiques associés à l'activité phytoplanctonique, à la reminéralisation ainsi qu'aux échanges de sorption, chacun de ces fractionnements présentant une amplitude relativement faible par rapport à certains rapportés dans la littérature. Alors que le mécanisme sédimentaire délivrant du fer dans la colonne d'eau était jusqu'à présent supposé être principalement la dissolution par réduction bactérienne (caractérisé par Δdiss-part≈-3 to -1‰), nos résultats soulignent l'importance d'un autre processus sédimentaire : une dissolution non-réductrice du sédiment dans l'eau de mer, caractérisée par un fractionnement isotopique moyen de Δdiss-part≈+0.2‰, générant des signatures isotopiques lourdes dans la phase dissoute. Par ailleurs, nos mesures de δ56Fe dans les aérosols suggèrent que leur signature isotopique est plus variable qu'auparavant admis, et serait comprise entre la valeur crustale et 0.5‰. Enfin l'étude couplée des CI dans la phase dissoute et particulaire met en évidence la forte interaction qui existe entre ces deux phases, à la fois en milieux abrités d'apports lithogéniques où s'expriment les processus du cycle interne du fer, mais aussi après injection de particules lithogénique qui impriment une signature spécifique dans les masses d'eau. Ainsi les isotopes du fer dans la colonne d'eau constituent un outil très prometteur pour l'étude du cycle du fer dans l'océan.

En Guinée, la disponibilité des ressources en eau est soumise à de graves problèmes de gestion avec des conséquences importantes pour les populations, notamment à Kankan où la plupart des puits tarissent pendant la saison sèche, et où la fourniture régulière de l’eau à partir de la rivière Milo n'est pas assurée dans tous les quartiers de la ville. Le Milo et son bassin versant représente donc un enjeu important pour les habitants de cette ville. Le Milo (480 km de long) qui draine un bassin versant 13 810 km2 est le plus important des affluents rive droite du Niger. Pour évaluer l’impact du bassin versant du Milo et de la ville de Kankan sur la qualité des eaux et des sédiments de ce cours d’eau, 30 échantillons de sédiments de fond ont été prélevés au cours d’une première campagne (juin-juillet 2013) sur l’ensemble des cours d’eau du bassin versant, tandis que durant une deuxième campagne (avril 2014-mai 2015), un suivi régulier a été mis en place sur le Milo en amont et en aval de Kankan. Au cours de cette dernière, 232 échantillons d’eau du Milo (dont 116 utilisés pour l’isotopie), et 26 échantillons de sédiments de fond ont été prélevés sur les stations de Bordo (amont de Kankan) et de Karifamoriah (aval de Kankan). Les concentrations en éléments majeurs et traces, terres rares, COP, COD, pH, alcalinité, l’azote organique, les isotopes de l’oxygène et de l’hydrogène, ainsi que la micro-granulométrie des sédiments ont été mesurés. Les résultats obtenus durant le cycle hydrologique 2014-2015 ont permis d’estimer le flux de matières exportées en solution par le Milo à Kankan à 47 863 t.an-1 et le flux de matières particulaires à 76 759 t.an-1. 92% de ce tonnage est exporté durant la période des hautes eaux. Ces flux permettent d’estimer des vitesses moyennes d’érosion physique (8 t.km-2.an-1) et d’altération chimique (5 t.km-2.an-1) du bassin relativement faibles. Le flux spécifique de CO2 consommé par l’altération chimique est lui aussi relativement faible (76.103 mole.km-2.an-1), mais il reste dans la moyenne des flux de CO2 mesurés sur les bassins couverts de sols latéritiques. Le degré de contamination des sédiments et sa variation spatio-temporelle ont été évalués grâce au calcul du facteur d’enrichissement (FE), en normalisant les concentrations en éléments traces par rapport à Al, Sc et Ti et en prenant le PAAS et l’UCC comme matériaux de référence. La quasi-totalité des éléments traces proviennent essentiellement des processus d’altération et sont d’origine naturelle. Toutefois, un enrichissement modéré à significatif (5 < FE < 20) a été mis en évidence pour Zr et Hf (enrichissements naturels) et As et Sb (impacts anthropiques). Finalement, l’apport anthropique en éléments traces, quand il existe, reste modéré. Les profils de concentrations en terres rares ont permis de montrer que la signature géochimique des sédiments de fond du Milo est homogène sur l’ensemble du bassin et caractéristique des sols latéritiques, non perturbée par la ville de Kankan et elle est proche des signatures du PAAS et de l’UCC. Pour l’ensemble des éléments traces et des terres rares la contribution anthropique reste faible et les fractions disponibles (phases labiles) sur les sédiments (extraction à l’EDTA) sont également faibles, confirmant ainsi que l’essentiel de ces éléments rentrent principalement dans la composition des phases résiduelles.