L’industrialisation de l’étang de Berre au cours du 20ème siècle s’est accompagnée d’importants rejets en éléments traces métalliques (ETM) qui ont été en partie accumulés dans les sédiments et sont aujourd’hui susceptibles d’être remobilisés vers la colonne d’eau ou d’être intégrés dans le réseau trophique et d’entrainer un risque écotoxicologique.La reconstitution de l’évolution temporelle et spatiale de la contamination des sédiments montre que les niveaux de contaminations actuels des sédiments de surface sont les plus bas depuis plusieurs décennies en lien avec l’efficacité des réglementations sur les rejets industriels mises en place dans les années 1970. Ces niveaux sont faibles à modérés en surface mais de très fortes contaminations existent quelques centimètres sous la surface des sédiments.Le rôle des oxy-hydroxydes de Fe ou de Mn et des sulfures dans le contrôle de la mobilité des ETM dans le sédiment et leurs flux à l’interface eau/sédiment a pu être démontré grâce à la modélisation du transport et des réactions des composés chimiques et des ETM dans les eaux interstitielles, de leurs profils de concentrations dans la fraction réactive de la phase particulaire et d’expérimentations en conditions contrôlées au laboratoire. L’oxygénation de la colonne d’eau constitue le principal paramètre influençant cette mobilité et ces flux, et l’influence d’une réoxygénation des fonds dans le Grand Etang est discutée.Enfin, la biodisponibilité des ETM et le stress (géno)toxicologique qu’ils peuvent constituer pour un organisme benthique cible, le polychète Nereis succinea, ont été évalués par l’estimation des fractions potentiellement biodisponibles dans les sédiments (extractions chimiques et Diffusive Gradient in Thin-films), par la mesure des concentrations bioaccumulées et par l’utilisation de biomarqueurs de défense (métallothionéines) et de dommages (tests de génotoxicité). Certains ETM qui sont fortement bioaccumulés représentent un risque potentiel et pourraient être impliqués dans la dégradation de la macrofaune benthique. / The industrialization of the Berre lagoon in the 20th century was accompanied by large releases trace metals, which were partially accumulated in sediments and are now likely to be remobilized to the water column or be integrated into the food chain and cause an ecotoxicological risk.The reconstruction of the temporal and spatial trends of sediment contamination shows that current levels of contamination of surface sediments have been the lowest for decades in agreement with the effectiveness of regulations on industrial releases set up in the years 1970. These levels are low to moderate in surface but very high contamination exist a few centimeters below the sediment surface.The role of Fe and Mn oxy-hydroxides and sulfides in controlling the mobility of ETM in the sediment and fluxes at the water/sediment interface has been demonstrated through the modeling of transport and reactions of chemical compounds and trace metals in the pore waters, their concentration profiles in the reactive fraction of the particulate phase and experiments under controlled laboratory conditions. The oxygenation of the water column is the main parameter influencing the mobility and fluxes and the influence of reoxygenation of bottom water column in the Grand Etang is discussed.Finally, the bioavailability of trace metals and adverse effects they may constitute for a target benthic organism, the polychaete Nereis succinea, were evaluated by estimating the potentially bioavailable fraction in sediments (chemical extractions and Diffusive Gradient in Thin-films), by measuring bioaccumulated concentrations and by the use of biomarkers (metallothioneins and genotoxicity assays). Some highly bioaccumulated trace metals pose a potential risk and might be involved in the degradation of the benthic macrofauna.

Les processus biogéochimiques benthiques liés à la dégradation de la matière organique sont étudiés depuis 30 ans. Beaucoup de travaux ont mesuré soit un grand nombre de paramètres sur quelques carottes, soit un nombre restreint de paramètres sur de nombreuses carottes. Dans le Golfe de Gascogne, 29 paramètres diagénétiques sont étudiés à de multiples stations depuis 1997 et dans le Bassin d’Arcachon depuis 2005. Ainsi la banque de données biogéochimiques benthiques constituée est actuellement la plus importante à notre connaissance. Les similarités et divergences entre l’environnement côtier de la lagune mésotidale d’Arcachon et la marge continentale du Golfe de Gascogne ont pu être discutées. Une étude de l’hétérogénéité spatiale à l’échelle de l’échantillonnage a permis de préciser la méthodologie d’échantillonnage dans le Bassin d’Arcachon et de discuter de la représentativité saisonnière des données de la banque de données du Golfe de Gascogne. Les carottes de la banque de données ne peuvent pas être réellement interprétées en terme de variabilité saisonnière, alors qu’une saisonnalité des apports a bien été mise en évidence par l’étude des particules en suspension dans la colonne d’eau. L’oxygène dissous est très sensible à la variabilité de ces apports et l’étude de sa distribution à l’aide de la banque de données du Golfe de Gascogne, ainsi que des teneurs en carbone organique particulaire (COP) montre que les flux de matière organique labile représentent la plus grande partie du carbone exporté au fond et que, pour une zone géographique peu étendue comme le Golfe de Gascogne, l’efficacité d’enfouissement du COP varie de 50% à 10%. La banque de données a également permis l’étude de la géochimie benthique du manganèse, ce qui a donné l’occasion de proposer une méthode de calcul du taux d’accumulation sédimentaire basée sur la géochimie de cet élément à l’état stationnaire. Enfin, des carottes longues réalisées dans les deux environnements ont permis de caractériser les processus diagénétiques anoxiques profonds dans un environnement à l’état stationnaire (le Golfe de Gascogne) et un autre à l’état transitoire (le Bassin d’Arcachon). / Benthic biogeochemical processes due to organic matter degradation have been studied for 30 years. Many works have investigated either multiple parameters on a few cores, or a couple of parameters on numerous cores. In the Bay of Biscay, 29 diagenetic parameters have been investigated at numerous stations since 1997, and in Arcachon Bay since 2005. Thereby, our benthic biogeochemical database is currently the most important to our knowledge. Similarities and differences between the coastal mesotidal lagoon of the Arcachon Bay and the continental margin of the Bay of Biscay have been discussed. Study of sampling-scale spatial heterogeneity has clarified the sampling methodology in the Arcachon Bay and allowed to consider the question of data seasonal signal in the Bay of Biscay database. The cores of the database cannot really be interpreted in terms of seasonal variability, while a seasonal signal has been demonstrated by the study of suspended particles in the water column. Dissolved oxygen is very sensitive to the variability of these inputs. Oxygen distributions and particulate organic carbon (POC) contents from Bay of Biscay database shows that labile organic matter flux represents most of the carbon exported to the bottom. The burial efficiency of POC varies from 50% to 10% for a narrow geographical area like the Bay of Biscay. The database has also allowed the study of benthic geochemistry of manganese, which has provided a method for the determination of mass accumulation rate based on the steady state. Finally, piston cores have been used to characterize the deep anoxic diagenetic processes in a steady state (Bay of Biscay) and a transition state (Arcachon Bay) environment.

Afin de mieux appréhender la multiplicité et la complexité des processus biogéochimiques enzône cotière, un modèle 2D dé- crivant l’évolution d’espèces biogéniques dans les sédiments per-méables des zones intertidales a été développé. Ce modèle couple l’hydrodynamique générée parla marée aux processus de transport-réaction d’espèces biogéochimiques. L’infiltration de la maréedans ce milieu poreux variablement saturé est modélisée par l’équation de Richards. Des méthodesnumériques nécessaires à la ré- solution des équations décrivant le couplage ont été mises en place,comme la méthode de stabilisation SUPG (Streamline Upwind Petrov Galerkin) et une méthodede capture de choc. Le site très dynamique de la plage du Truc-Vert (côte Atlantique) a été choisicomme terrain de référence en raison principalement d’études biogéochimiques disponibles. Lesparamètres d’entrée du modèle font appel d’une part à ces données de terrain (missions ANR PRO-TIDAL et MOBISEA) et d’autre part à des paramètres issus de la bibliographie. La validation dumodèle a été effectuée à partir de la comparaison avec deux cas test issus de la littérature, le pre-mier concernant l’hydrodynamique sous le forçage de la marée et le second concernant l’équationde transport-réaction. Une première version du modèle a été déclinée pour décrire l’évolution de laconcentration en silice en milieu poreux sous le forçage de la marée. Les flux de silice vers l’océanet le temps de résidence de la silice dans les sédiments perméables des plages ont été estimés. Aubout de quelques jours, on peut observer la formation d’une lentille de faible concentration en si-lice dans la partie supérieure de la zone intertidale, caractéristique du forçage de la marée. Nousavons également étudié les variations de la géométrie de cette lentille et du temps de résidencesous l’influence de différents paramètres, tel que la pente de la plage, la conductivité hydraulique,l’amplitude de la marée et le coefficient de dispersion. Une deuxième version du modèle décrit la dégradation de la matière organique, l’évolution des concentrations en oxygène, en nitrates,en phosphates. Ainsi nous disposons de la répartition spatio-temporelle des concentra- tions deces différentes espèces chimiques dans le sédiment. Aujourd’hui les problèmes environnementauxs’avèrent fondamentaux pour notre société et la compréhension des interactions sédiments-océanen est une étape essentielle. Ce modèle nous permet de mieux percevoir le rôle joué par la ma-rée et de quantifier les processus qu’elle induit dans les sédiments variablement saturés des plagessableuses. Ce modèle participe de façon significative à la compréhension des processus biogéochi-miques se déroulant dans ces environnements particulièrement complexes et permet la structurationdes campagnes de mesure. / For a better understanding of the complexity of the biogeochemical processes in coastal re-gion, a 2D model has been developed. This model couples hydrodynamic forcing generated bythe tide and the transport-reaction processes of biogeochemical species. Di- scharge of the tideinto the variably-saturated porous media is modelled by Richards equation. Some numerical me-thods are required for solving this kind of complex problem, as Streamline Upwind Petrov Galerkin(SUPG) method and shock capturing method. The highly dynamical site of the Truc-Vert beach hasbeen chosen as reference field, mainly because of avalaible biogeochemical and hydrodynamicalstudies. The input parameters of the model come from these field data (ANR PROTIDAL and MO-BISEA projects) and from the bibliography. The validation of the model was made in regards oftwo case studies from published hydrodynamic simu- lations under tidal forcing and from avaliabletransport-reaction solutions. A first version of the model has been declined to describe silicic acidevolution into porous media under tidal forcing. The flux of the silicic acid to the ocean and theresidence time of silicic acid into permeable sandy sediments were estimated. After some days, weobserve the formation of a lens of low silicic acid concen- tration in the upper part of the intertidalzone. This lens is the main imprint of the tidal forcing. We studied also variations of the lens geo-metry and the residence time under influence of model parameters, such as the beach slope, the tideamplitude and the dispersion coefficient. A second version of the model describes the organic mat-ter degradation , and simulates the concentrations of oxygen, nitrates and phosphates. The modelreproduces the spatial (2D) and temporal distribution of the concentration of these different che-mical species into the sediment. Nowadays environmental problems are fondamental for our societyand the understanding of the sediment-ocean interactions is a crucial step. The new model allowsus a better understanding of the tidal impact on biogeochemical processes in permeable sediments and offers a quantitative approach on biogeochemical processes that occur into variably-saturatedsandy sediments. The model also offers a useful tool to optimize sampling strategy for field studies.

Le but général de ce travail fut de quantifier la silice biogène (BSiO2) dans les sédiments du continuum de l'Escaut (estuaire – zone côtière), ainsi que son taux de recyclage - rétention. Le coefficient de diffusion moléculaire de la DSi a été déterminé pour différentes valeurs de température et deux salinités et une relation empirique reliant le coefficient de diffusion à la température et à la viscosité de la solution a été établie. La distribution longitudinale de la BSiO2 dans les sédiments de surface, ainsi que les profils verticaux de BSiO2 et de silice dissoute ont été déterminés durant différentes saisons en 2004 et 2005. Les flux de DSi ont été également estimés via des expériences d’incubations et par modélisation des profiles verticaux de DSi. Des expériences de dissolution des sédiments ont permis de déterminer (via modélisation) les constantes cinétiques de vitesse de la BSiO2 et une première évaluation du taux de recyclage de la BSiO2 (5 – 70%). Sur base des calculs à partir des profiles de DSi dans l’eau interstitielle, le taux de recyclage de la BSiO2 varie entre 8 et 92% dans l’estuaire, ce qui correspond à une rétention moyenne de la BSiO2 supérieure à 60%, et souligne ainsi l'efficacité du filtre estuarien par rapport à la silice. En revanche, le recyclage de BSiO2 dans la zone côtière apparaît comme très intensif, avec des valeurs souvent supérieures à 40%. Ces résultats montrent l'importance d'inclure les estuaires dans le calcul des budgets globaux de Si. / The general objective of this study was to quantify the BSiO2 in the sediments of the Scheldt continuum, together with its recycling and retention in this area. First an empirical relation linking the diffusion coefficient of DSi to temperature and salinity was determined, via diffusion experiments. The longitudinal BSiO2 distribution in surface sediments and the vertical BSiO2 and DSi profiles in sediment cores where then measured during 2 years and different seasons, together with other parameters characterizing pore waters, such as alkalinity, pH, sulphate… DSi fluxes were also estimated either directly through whole core incubations measurements or via modelling of interstitial water profiles. BSiO2 dissolution experiments allowed the evaluation of the kinetic rate constants also through modelling of the results, and gave preliminary information over the BSiO2 recycling rates (5 – 70%). The recycling rate as obtained from pore water profiles vary between 8 and 92%, with an average value of about 32%, which highlights the importance of the estuarine filter for silica. Recycling is much more intense in the coastal area, with values up to 40%, which we explain by higher salinity and higher sediment permeability. The different experiments and results also indicated that secondary mineral precipitation might be and important process affecting BSiO2 in the Scheldt sediments.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished