Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les conditions actuelles de réchauffement climatique provoquent d'importants changements dans les paysages subarctiques, notamment le dégel du pergélisol et la croissance des lacs de thermokarst. Ces lacs sont connus pour leur libération importante de gaz à effet de serre (GES), un processus conduit par l'activité microbienne. Ce projet utilise comme modèle la vallée de la rivière Sasapimakwananistikw (SAS), située dans la région de Whapmagoostui-Kuujjuarapik au Nunavik, pour tracer un portrait des populations virales de ces milieux afin de permettre une meilleure compréhension des changements liés au dégel du pergélisol. Les lacs de thermokarst sont peu profonds (< 3 m) et riches en matière organique. En été, leur colonne d'eau est stratifiée, avec des eaux chaudes et oxygénées en surface et des eaux froides et anoxiques en profondeur. En hiver, l'ensemble du lac est scellé par la neige et la glace, entravant les échanges avec l'atmosphère, et l'eau y devient entièrement anoxique. Ces conditions anoxiques favorisent l'activité des micro-organismes méthanogènes et la formation de GES. Les virus sont connus pour avoir un impact considérable sur l'environnement. Ils peuvent affecter les réseaux trophiques, l'équilibre des populations microbiennes et les cycles biogéochimiques. Puisque nombre de virus sont encore inconnus, leur impact sur les écosystèmes polaires reste mal documenté. Ce projet donne l'occasion de combler une lacune importante dans les connaissances actuelles. Dans ce projet, j'utilise une approche métagénomique pour étudier la communauté virale des lacs de thermokarst du nord du Québec dans le but de répondre aux questions suivantes : (1) Quelle est la diversité virale des lacs de thermokarst et comment varie-t-elle au fil des saisons? Et (2) Quel est le niveau de connectivité entre les communautés virales nordiques, du lac thermokarstique aux milieux marins en passant par les rivières les reliant? Deux études préliminaires ont été menées pour étudier les communautés virales et leurs hôtes cellulaires dans le lac SAS2A. La première étude présente la variation saisonnière des communautés virales intracellulaires dans ce lac; la seconde étude étudie les hôtes cellulaires retrouvés dans la « petite » fraction. Ces études ont mis en lumière la transition des communautés virales entre les saisons ainsi que la diversité et les rôles métaboliques des micro-organismes de petite taille. L'analyse d'échantillons du lac SAS2A a permis de décrire deux communautés virales distinctes dans un lac de thermokarst échantillonné en été et en hiver sur une période de trois ans. Une communauté saisonnière dynamique occupe la couche de surface oxygénée pendant l'été et une communauté plus stable occupe la couche d'eau anoxique au fond du lac en été et dans une grande partie de la colonne d'eau en hiver. La grande majorité des génomes viraux identifiés dans ces métagénomes ont été assignés à des familles virales appartenaient aux Caudovirales (Caudoviricetes), notamment les groupes morphologiques myovirus, siphovirus et podovirus. Une comparaison avec des métagénomes d'autres milieux nordiques a mis en évidence la composition distincte des communautés virales dans cet écosystème lacustre de dégel du permafrost. L'analyse d'échantillons de multiples habitats dans la vallée SAS, incluant le lac SAS2A, la tourbière et une palse de la vallée SAS2, et la rivière SAS qui draine le système vers la Baie d'Hudson, a révélé un niveau de connectivité variable dans la région. Les résultats dénotent une déconnexion complète des communautés virales de la palse et de la rivière, contrastée par une relation étroite entre les communautés de l'eau du lac et de ses sédiments. La comparaison avec les populations virales de nos études antérieures a confirmé la récurrence de certains génotypes viraux dans cet habitat sur plusieurs années. Les résultats de cette étude montrent la présence d'une grande diversité de virus dans le paysage pergélisolé et indiquent une connectivité très variable entre les habitats adjacents. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse enrichissent nos connaissances sur le fonctionnement interne des lacs de thermokarst, en approfondissant notre compréhension des communautés virales sur un spectre taxonomique, temporel et spatial plus large. Les lacs de thermokarst présentent une grande diversité virale en toutes saisons et des relations transitoires complexes à travers le temps et l'espace. Ce projet ouvre la voie à une meilleure compréhension et de nouvelles recherches sur l'écologie virale des environnements nordiques touchés par la dégradation du pergélisol. / Under current global warming conditions, subarctic landscapes are undergoing major changes, including permafrost thawing and the growth of thermokarst lakes. These lakes are known for their considerable release of greenhouse gases (GHG), a process driven by microbial metabolism. This metagenomics project uses the Sasapimakwananistikw (SAS) river valley, located in the Whapmagoostui-Kuujjuarapik region in Nunavik, as a model to portray viral populations in these environments, with a focus on better understanding the changes associated with permafrost thaw. Thermokarst lakes are shallow (< 3 m) and rich in organic matter. In summer, their water column is stratified, with warm, oxygenated water at the surface and cold, anoxic water at the bottom. In winter, the whole lake is sealed off by snow and ice, preventing exchanges with the atmosphere, and becomes entirely anoxic. These anoxic conditions favor the activity of methanogenic micro-organisms and the formation of GHG. Viruses, small intracellular parasites, are known to have a considerable impact on their host and environment. They can affect food webs, the balance of microbial populations and biogeochemical cycles. Since many viruses are still unknown, their impact on polar ecosystems is still poorly documented. This project was an opportunity to fill a major gap in current knowledge. This project used a metagenomic approach to study the viral community of thermokarst lakes in northern Quebec, with the aim of answering the following questions: (1) What is the viral diversity of thermokarst lakes, and how does it vary over the seasons? And (2) What is the level of connectivity between northern viral communities, from peatland soils and wetlands to thermokarst lakes, and to the marine environment via connecting rivers? Two preliminary studies investigated viral communities and their cellular hosts in thermokarst lake SAS2A. The first study focused on the seasonal variation of intracellular viral communities in this lake, while the second examined the cellular hosts found in a small size fraction (< 0.2 μm) of the microbial community. These studies highlighted the transition of viral communities between seasons, as well as the high diversity and broad metabolic potential of small microorganisms, generally poorly represented in traditional metagenomes. Analysis of SAS2A lake samples revealed two distinct viral communities in a thermokarst lake sampled in both summer and winter over a three-year period. A dynamic seasonal community occupied the oxygenated surface layer in summer, while a more stable community occupies the anoxic water layer at the bottom of the lake in summer and a large part of the water column in winter. The vast majority of viral genomes identified in these metagenomes were assigned to viral families belonging to the Caudovirales (Caudoviricetes), notably the morphological groups myovirus, siphovirus and podovirus. A comparison with other permafrost and northern lake metagenomes highlighted the distinct composition of viral communities in this permafrost thaw lake ecosystem. Analysis of samples from multiple habitats in the SAS valley, including SAS2A lake, the surrounding peatland, a palsa in the SAS2 valley, and the river that drains the system into Hudson Bay, revealed a variable level of connectivity across the landscape. The results show a clear and complete disconnection between the viral communities of the palsa and the river, contrasted by a close relationship between the communities of the lake bottom water and its sediments. Comparison with viral populations from our previous studies carried out in this thermokarst lake system confirmed the recurrence of certain viral genotypes in this habitat over several years. The results of this study show the presence of a high diversity of viruses in the permafrost landscape and indicate highly variable connectivity between adjacent habitats. Overall, the findings of this thesis add to our knowledge of the inner workings of thermokarst lakes, deepening our understanding of viral communities over a wider taxonomic, temporal and spatial spectrum. Thermokarst lakes exhibit high viral diversity in all seasons, as well as complex transitional relationships across time and space. This project paves the way for a better understanding and new research into the viral ecology of northern environments impacted by permafrost degradation.

Le concept d'intégration dans la gestion intégrée de l'eau par bassin versant (GIEBV) a été sélectionné pour décloisonner les différentes approches et mieux protéger les ressources en eau dans une optique de développement durable. Ce processus intégré, caractérisé par la transversalité de nombreux enjeux, est complexe. L'évaluation des politiques publiques rattachée à ce type de gestion, l'est tout autant. Au-delà des avancées réalisées dans les dernières décennies, plusieurs problématiques freinent toujours l'intégration de la GIEBV au Québec. Divers ouvrages scientifiques québécois ont abordé divers thèmes et solutions pour la GIEBV. À travers notre démarche, plusieurs de ces analyses ont été sélectionnées et structurées autour de quatre types d'intégration (verticale, de la connaissance, participative, territoriale). Cette approche a permis d'identifier certains enjeux fondamentaux de la GIEBV et de mettre en relation diverses recommandations sous forme de synthèse afin d'évaluer la Politique nationale de l'eau (PNE) de 2002. Dans une optique de responsabilisation des acteurs de l'eau, ces pistes de solutions peuvent bonifier l'approche de la nouvelle Stratégie québécoise de l'eau (2018-2032) et ainsi renforcer le caractère intégré de la GIEBV au Québec. Nos résultats amènent à voir que, malgré les efforts des 15 dernières années, l'intégration pour la GIEBV n'est pas suffisamment effective. Bien qu'une évolution plus marquée soit observée pour l'intégration participative, certaines avenues devraient toutefois être davantage considérées pour ce type d'intégration comme celles d'acteurs plus responsabilisés œuvrant dans une dynamique plus collaborative et une clarification du rôle des organismes de bassins versants (OBV). Pour sa part, l'intégration verticale serait plus efficace par une décentralisation des responsabilités vers le palier régional, une législation révisée afin d'assurer une plus grande concordance entre ministères et secteurs d'activités ainsi que par la mise en place d'un système de redevance diversifié. Pour l'intégration de la connaissance, les différents types de savoirs (scientifiques, locaux, experts) devraient être mieux valorisés dans toutes les étapes du processus de la GIEBV. Pour l'intégration territoriale, l'échelle du bassin versant devrait être davantage considérée comme la plus pertinente pour la planification territoriale et pour articuler davantage la réalité des sous-bassins versants en matière de GIEBV jusqu'aux différents ministères.

Si les débordements de réseaux unitaires sont reconnues comme étant un facteur important de l'impact environnemental du traitement des eaux usées urbaines, l'efficacité de l'implantation de bassins de rétention (BR) comme solution n'en demeure pas moins un questionnement. En effet, de plus en plus d'études tendent à prouver que l'impact de la vidange des BR sur l'efficacité de traitement d'une usine, et donc l'impact sur l'environnement, peut être négatif. L'interdisciplinarité et l'échelle géographique et temporelle de la problématique rendent l'appréhension de la problématique difficile par la seule mesure "in situ". L'intégration de plusieurs modèles du système urbain d'eaux usées se révèle être un outil puissant dans ce contexte. La simulation de différents scénarios amène à mieux anticiper les problèmes liés à la gestion des eaux usées, en temps de pluie comme en temps sec. Par conséquent, les coûts économiques et écologiques associés soit à la mise en place de nouvelles infrastructures, soit à la prise de décision concernant les stratégies de gestion du système, peuvent être optimisés. Il devient ainsi nécessaire de produire des modèles performants décrivant la qualité des eaux tout au long de leur cheminement. Les données sur le comportement des polluants dans les bassin de rétention sont peu nombreuses et la caractérisation des eaux retournées à l'usine de traitement est rarement étudiée. Par conséquent, si les connaissances des phénomènes en jeu sont souvent supposées, leur observation reste assez rare. Une partie importante du projet a donc été consacrée à la réalisation d'une campagne d'échantillonnage. Ce type d'échantillonnage s'est révélé être un exercice complexe et très contraignant en raison de l'imprévisibilité des événements orageux. L'objectif de cette campagne était de récolter des données en entrée et en sortie de bassin de rétention, principalement en ce qui concerne la matière en suspension, la demande chimique en oxygène et la distribution des vitesses de chute. Les résultats ont montré des dynamiques typiques de vidange révélant une forme en "U" des concentrations en polluants. Cette forme souligne trois phases appelées "initiale, milieu et finale" où chacune est caractérisée par une fourchette de concentrations et une distribution de vitesses de chute de particule qui lui est propre. De manière plus générale, il a été observé que plus les concentrations en MeS augmentent, plus la distribution des vitesses de chute est "lourde". Ces données couplées à des mesures en temps sec dans le collecteur et dans un bassin de décantation ont permis de comprendre les phénomènes en jeu, les interactions possibles entre les systèmes, et d'établir une structure solide pour le modèle. La littérature scientifique contient un grand nombre d'études de modélisation de la qualité de l'eau concernant les procédés de traitement. Cependant, elle est moins riche oncernant la description de la qualité des eaux en réseau et assez pauvre concernant la description de la qualité des eaux stockées en réseau ou en bassin de rétention. Les quelques modèles de BR existants décrivent assez simplement la décantation et la resuspension, qui sont pourtant les phénomènes dominant de ces systèmes. Ces modèles ont rarement été validés avec des données réelles car ces phénomènes sont difficiles à observer et à quantifier. Le projet visait donc à développer un modèle de bassin de rétention décrivant le comportement de la matière en suspension et de la demande chimique en oxygène à l'effluent d'un bassin de rétention (retour des eaux à l'usine) de sorte qu'il soit compatible avec les modèles de boue activées de type ASM de VInternational Water Association. La description des phénomènes de décantation et de resuspension est basée sur un fractionnement en classes de particules ayant différentes vitesses de chute. Ce fractionnement est directement issu de mesures de terrain réalisées en vue d'observer la variation de la distribution des vitesse de chute. Les effets d'un puits de pompage sur la sédimentation et la resuspension sont aussi décrits. Deux événements récoltés ont servi à la calibration du modèle et un autre a été utilisé pour sa validation. Cette étape est d'importance car elle n'a jamais été réalisée sur un modèle de BR. L'objectif final du modèle était qu'il soit intégré dans un système plus global (réseau - usine - rivière). Différents scénarios de gestion des vidanges de bassins de rétention ont mis en évidence les interactions entre les différents sous-systèmes en termes de masse de MeS et de masse de classes de particules. En effet, l'étude de l'évolution de la distribution des vitesses de chute des particules le long de la chaine de l'eau peut être une information utile pour anticiper les problèmes au traitement secondaire. Par exemple, une plus grande fraction de particules ayant une forte vitesse de chute peut engendrer : 1) une augmentation du temps d'hydrolyse des particules dans un système par boues activée ; ou 2) un plus grand risque de colmatage des biofiltres. Une meilleure compréhension de ces interactions peut permettre la mise en place de règles d'opération et de contrôle plus efficaces pour diminuer l'impact des rejets d'eaux usées sur l'environnement.

Si la croissance économique spectaculaire de la Chine a été étudiée sous tous les angles, on commence tout juste à constater l’ampleur de ses conséquences environnementales et géopolitiques. L’extrême pollution de la rivière Songhua, affluent du fleuve Amour, aux confins sino-russes de l’Asie du Nord-Est, est un bon exemple de ce retour de balancier. Le concept de gestion intégrée par bassin versant a récemment gagné du terrain sur l’approche localisée et plus technique qui prévalait auparavant. La Chine l’a elle-même érigé en principe fondamental dans sa Loi sur l’eau de 2002. La gestion intégrée du bassin de la rivière Songhua et, par extension, celle du bassin de l’Amour, dont elle est un tributaire majeur, posent au gouvernement chinois des problèmes multiples. La nécessaire réforme des institutions, le développement économique, le maintien de la stabilité sociale et les considérations transfrontalières sont les principaux enjeux. / China’s spectacular economic growth of China is changing the face of the world. However, if the phenomenon itself was studied from every angle, one only now begins to understand the real scope of its environmental and geopolitical consequences. Examplifying that phenomenon is the extremely polluted Songhua river, a major tributary of the Amur river, in North-East Asia. In the past decade or so, the concept of integrated river basin management has gained ground on the localised and more technical approach which prevailed before. China itself set it up as a fundamental theory in its Water Law of 2002. The integrated management of the Songhua river basin and, by extension, that of the Amur river, is a multi-faceted problem for the Chinese government. The reform of institutions, economic development, social stability and transborder issues are the main stakes.

Malgré l’imposition de diverses normes environnementales strictes au Québec, la pollution agricole, et plus spécifiquement la qualité de l’eau, demeurent problématiques dans la région de Chaudière-Appalaches. Cette région est intensive en productions animale et végétale ce qui entraîne des surplus de phosphore, d’azote et de sédiments. L’objectif que nous poursuivons à travers cette étude est d’évaluer l’efficience technique et l'efficience environnementale des producteurs agricoles du bassin de la rivière Chaudière localisé au Sud de la ville de Québec. De plus, nous évaluons le degré de corrélation existant entre les deux mesures d’efficience. Nous analysons les liens entre les mesures d’efficience et les caractéristiques des fermes et des opérateurs. Nous adoptons une approche stochastique paramétrique appliquée aux fonctions de distance pour analyser les efficiences techniques et environnementales des exploitations agricoles. Les données utilisées ont été collectées en 2005 et portent sur 210 fermes agricoles. Les résultats obtenus montrent qu’il existe une forte corrélation entre les deux efficiences. De plus, comme le montrent d’autres études, la performance environnementale entraîne des coûts additionnels au niveau des exploitations agricoles.