Mémoire (M.Ress.Renouv.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 1991. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse--Sc. phys.--Paris VI, 1981. / Bibliogr. p. 185-198. Résumé en anglais.

Les communautés microbiennes dominent la plupart des écosystèmes aquatiques en termes de biomasse et de productivité, particulièrement dans les environnements nordiques hostiles à la faune et la flore macroscopiques. Les virus y contrôlent l'abondance des populations microbiennes et peuvent modifier le métabolisme des cellules infectées par l'utilisation de gènes métaboliques auxiliaires. Le court-circuit viral affecte aussi le transfert des nutriments et de l'énergie dans les réseaux trophiques en emprisonnant l'énergie dans la boucle microbienne, ne la rendant accessible qu'aux micro-organismes. Ces manipulations de l'activité de la prépondérante biomasse microbienne peuvent se répercuter jusque dans les cycles biogéochimiques des environnements aquatiques nordiques. La salinité est une caractéristique importante de ces écosystèmes puisqu'elle influence directement le métabolisme des micro-organismes. Chez les virus, ces effets se traduisent dans leur distribution, leur infectivité et leurs interactions avec leurs hôtes. L'objectif de cette thèse est d'offrir une connaissance approfondie de l'écologie des virus aquatiques en examinant plus spécifiquement les changements de diversité selon les gradients de salinité dans les milieux nordiques. La composition des communautés virales a donc été étudiée dans trois sites nordiques sélectionnés pour leur importance écologique et la spécificité de leur zone de transition saline. D'abord, une approche par amplification PCR de marqueurs conservés pour les Phycodnaviridae et les Picornavirales a permis de dresser un portrait des virus infectant le phytoplancton dans la zone de turbidité maximale du fleuve Saint-Laurent, important cours d'eau d'Amérique du Nord. La détection de ces virus dans six sites allant de l'habitat dulcicole à l'habitat marin a révélé peu de phylotypes viraux communs entre les sites d'eau douce et d'eau salée. La salinité semble ainsi y être le premier déterminant de la composition de la communauté virale. De plus, nos analyses indiquent que les virus découverts dans l'estuaire du Saint-Laurent divergent de ceux qui ont déjà été classifiés et des virotypes d'environnements comparables publiés. Ces résultats suggèrent que des virus à ADN et à ARN infectant le phytoplancton seraient actifs dans la zone de turbidité maximale et que cette région possède des assemblages viraux uniques. Ensuite, une approche viromique a permis de caractériser les communautés virales d'un lac arctique hautement stratifié, le lac A, dont les eaux profondes issues de l'océan Arctique ancien se sont révélées riches en virus nouveaux. Ce type de lacs à stratification pérenne est dépendant de la couverture de glace qui maintient la structure chimique de sa colonne d'eau et la distribution des communautés microbiennes qui y sont associées. Les communautés virales des trois strates du lac étaient remarquablement distinctes, ce qui suggère qu'il y a peu d'échange de virotypes entre elles. L'abondance virale et les ratios virus/procaryotes étaient plus élevés en profondeur et la division nette des communautés virales correspondait avec celle d'hôtes potentiels. Les communautés virales du lac A se distinguaient aussi de données de l'océan Arctique et du lac méromictique Ace Lake en Antarctique. Enfin, la même approche viromique peu invasive développée pour les travaux de la présente thèse a permis de documenter la diversité virale du dernier lac épiplateforme de l'Arctique, le lac épiplateforme du fjord Milne. Contrairement aux résultats obtenus au lac A, les assemblages viraux de surface étaient les plus diversifiés et une communauté virale propre à la chémocline du lac n'a pas pu être détectée. La division nette entre les assemblages dulcicoles et marins s'expliquait principalement par la conductivité et la concentration en oxygène dissout. La caractérisation de certains groupes de virotypes cooccurents a aussi permis de prévoir leurs hôtes potentiels. Les zones de transition étudiées dans cette thèse sont maintenues par des équilibres hydriques et glaciaires fragiles, déjà perturbés par les changements climatiques et l'activité humaine. Avec le réchauffement accéléré des régions nordiques, la fonte est accrue dans la plateforme glacière du Groenland et les glaciers continentaux. Ce fort débit d'eau douce qui se jette dans les océans Arctique et Atlantique Nord risque de déséquilibrer la circulation thermohaline et de bouleverser la surface des écosystèmes marins, réservoirs de productivité primaire microbienne irremplaçables. Connaissant les effets de l'activité virale dans les écosystèmes aquatiques, il est urgent de décrire les communautés virales d'environnements changeants, comme les zones de transition saline, afin de décrire les fonctions uniques qu'elles pourraient détenir et mieux comprendre leurs effets à long terme sur ces écosystèmes en évolution. / Microbial communities dominate most aquatic ecosystems in terms of biomass and productivity, particularly in high latitude areas where conditions are hostile to macro fauna and flora. There, viruses have many roles in population control, for example, through their auxiliary metabolic genes that modify the metabolism of infected host cells. They also alter the transfer of nutrients and energy through trophic webs. The viral shunt, for example, traps energy inside the microbial loop, making it more accessible to microorganisms. These effects on aquatic trophic webs can have repercussions that affect the biogeochemical cycles of northern and arctic aquatic environments where metabolic activity from the abundant microbial biomass contributes to most processes. Just as salinity restrains the distribution of aquatic pluricellular organisms, it also directly affects the metabolism of microbes and their impact on ecosystem functioning. In viruses, these effects can translate into changes in infectivity and distribution but can also modify their interactions with their hosts. The main objective of this thesis was to characterize the ecology of aquatic viruses by examining the changes in their diversity through salinity gradients in northern aquatic habitats. We studied the composition of viral communities in three northern sites selected for their ecological relevance and the uniqueness of their saline transition zones. First, PCR amplification of conserved genetic markers of Phycodnaviridae and Picornavirales allowed us to describe the viruses that infect phytoplankton in the estuarine transition zone of the Saint Lawrence River, an important North American waterway. Detection of these viruses at six sites ranging from freshwater to marine habitats revealed few shared viral phylotypes between fresh and saline waters. This suggests that salinity might be the main factor influencing viral community composition. In addition, our analyses indicate that the virotypes found in the St. Lawrence estuary differ from published viruses and those found in comparable environments. These results suggest that DNA and RNA viruses infecting phytoplankton are active in the estuarine transition zone and that this zone harbours its own unique viral assemblages. Second, a viromic approach (that was developed during this research) allowed for the characterization of the viral communities in a highly stratified arctic lake. Lake A, with deeper waters that originate from the ancient Arctic Ocean revealed an abundance of novel viruses. This type of perennially stratified lake is dependant on ice cover which maintains the chemical structure of the water column and the distribution of the associated microbial communities. The viral communities in the three strata of the lake were remarkably distinct, suggesting that there is little exchange of virotypes. Viral abundance and virus/prokaryote ratios were highest in the deeper water and the clean separation between the viral communities matched that of potential hosts. The viral communities of Lake A also differed from those of the Arctic Ocean and the meromictic Ace Lake in Antarctica. Lastly, the same minimally invasive viromic approach allowed us to document the viral diversity in the last Arctic epishelf lake, the Milne Fiord epishelf lake. Contrary to what was observed in Lake A, the surface viral assemblages were more diverse, and no specific viral community was detected based on the chemocline. The clear division between the fresh and marine assemblages was mostly correlated with conductivity and dissolved oxygen concentration. Finally, the characterization of co-occurring virotypes allowed us to predict potential hosts. The transition zones examined in this research are maintained by a fragile balance of hydrological and glacial conditions which are already affected by climate change, but also by other human activities. Knowing how viruses affect aquatic ecosystems, a thorough description of the viral communities in changing environments is urgent and essential to gain a better understanding of their potential long-term effects within aquatic ecosystems. As the northern regions continue to warm at an accelerated rate, the melting increases in the Greenland platform and continental glaciers. The large amount of freshwater discharge into the Arctic Ocean and the North Atlantic may disturb thermohaline circulation and drastically change the surface of marine ecosystems, a crucial site for microbial primary production. Understanding how viruses and microbes thrive in the saline transition and their dependence on potentially unique functions and interactions may be key to anticipating the long-term effects they could have in these irreversibly and continuously changing ecosystems.

Les communautés microbiennes dominent la plupart des écosystèmes aquatiques en termes de biomasse et de productivité, particulièrement dans les environnements nordiques hostiles à la faune et la flore macroscopiques. Les virus y contrôlent l'abondance des populations microbiennes et peuvent modifier le métabolisme des cellules infectées par l'utilisation de gènes métaboliques auxiliaires. Le court-circuit viral affecte aussi le transfert des nutriments et de l'énergie dans les réseaux trophiques en emprisonnant l'énergie dans la boucle microbienne, ne la rendant accessible qu'aux micro-organismes. Ces manipulations de l'activité de la prépondérante biomasse microbienne peuvent se répercuter jusque dans les cycles biogéochimiques des environnements aquatiques nordiques. La salinité est une caractéristique importante de ces écosystèmes puisqu'elle influence directement le métabolisme des micro-organismes. Chez les virus, ces effets se traduisent dans leur distribution, leur infectivité et leurs interactions avec leurs hôtes. L'objectif de cette thèse est d'offrir une connaissance approfondie de l'écologie des virus aquatiques en examinant plus spécifiquement les changements de diversité selon les gradients de salinité dans les milieux nordiques. La composition des communautés virales a donc été étudiée dans trois sites nordiques sélectionnés pour leur importance écologique et la spécificité de leur zone de transition saline. D'abord, une approche par amplification PCR de marqueurs conservés pour les Phycodnaviridae et les Picornavirales a permis de dresser un portrait des virus infectant le phytoplancton dans la zone de turbidité maximale du fleuve Saint-Laurent, important cours d'eau d'Amérique du Nord. La détection de ces virus dans six sites allant de l'habitat dulcicole à l'habitat marin a révélé peu de phylotypes viraux communs entre les sites d'eau douce et d'eau salée. La salinité semble ainsi y être le premier déterminant de la composition de la communauté virale. De plus, nos analyses indiquent que les virus découverts dans l'estuaire du Saint-Laurent divergent de ceux qui ont déjà été classifiés et des virotypes d'environnements comparables publiés. Ces résultats suggèrent que des virus à ADN et à ARN infectant le phytoplancton seraient actifs dans la zone de turbidité maximale et que cette région possède des assemblages viraux uniques. Ensuite, une approche viromique a permis de caractériser les communautés virales d'un lac arctique hautement stratifié, le lac A, dont les eaux profondes issues de l'océan Arctique ancien se sont révélées riches en virus nouveaux. Ce type de lacs à stratification pérenne est dépendant de la couverture de glace qui maintient la structure chimique de sa colonne d'eau et la distribution des communautés microbiennes qui y sont associées. Les communautés virales des trois strates du lac étaient remarquablement distinctes, ce qui suggère qu'il y a peu d'échange de virotypes entre elles. L'abondance virale et les ratios virus/procaryotes étaient plus élevés en profondeur et la division nette des communautés virales correspondait avec celle d'hôtes potentiels. Les communautés virales du lac A se distinguaient aussi de données de l'océan Arctique et du lac méromictique Ace Lake en Antarctique. Enfin, la même approche viromique peu invasive développée pour les travaux de la présente thèse a permis de documenter la diversité virale du dernier lac épiplateforme de l'Arctique, le lac épiplateforme du fjord Milne. Contrairement aux résultats obtenus au lac A, les assemblages viraux de surface étaient les plus diversifiés et une communauté virale propre à la chémocline du lac n'a pas pu être détectée. La division nette entre les assemblages dulcicoles et marins s'expliquait principalement par la conductivité et la concentration en oxygène dissout. La caractérisation de certains groupes de virotypes cooccurents a aussi permis de prévoir leurs hôtes potentiels. Les zones de transition étudiées dans cette thèse sont maintenues par des équilibres hydriques et glaciaires fragiles, déjà perturbés par les changements climatiques et l'activité humaine. Avec le réchauffement accéléré des régions nordiques, la fonte est accrue dans la plateforme glacière du Groenland et les glaciers continentaux. Ce fort débit d'eau douce qui se jette dans les océans Arctique et Atlantique Nord risque de déséquilibrer la circulation thermohaline et de bouleverser la surface des écosystèmes marins, réservoirs de productivité primaire microbienne irremplaçables. Connaissant les effets de l'activité virale dans les écosystèmes aquatiques, il est urgent de décrire les communautés virales d'environnements changeants, comme les zones de transition saline, afin de décrire les fonctions uniques qu'elles pourraient détenir et mieux comprendre leurs effets à long terme sur ces écosystèmes en évolution. / Microbial communities dominate most aquatic ecosystems in terms of biomass and productivity, particularly in high latitude areas where conditions are hostile to macro fauna and flora. There, viruses have many roles in population control, for example, through their auxiliary metabolic genes that modify the metabolism of infected host cells. They also alter the transfer of nutrients and energy through trophic webs. The viral shunt, for example, traps energy inside the microbial loop, making it more accessible to microorganisms. These effects on aquatic trophic webs can have repercussions that affect the biogeochemical cycles of northern and arctic aquatic environments where metabolic activity from the abundant microbial biomass contributes to most processes. Just as salinity restrains the distribution of aquatic pluricellular organisms, it also directly affects the metabolism of microbes and their impact on ecosystem functioning. In viruses, these effects can translate into changes in infectivity and distribution but can also modify their interactions with their hosts. The main objective of this thesis was to characterize the ecology of aquatic viruses by examining the changes in their diversity through salinity gradients in northern aquatic habitats. We studied the composition of viral communities in three northern sites selected for their ecological relevance and the uniqueness of their saline transition zones. First, PCR amplification of conserved genetic markers of Phycodnaviridae and Picornavirales allowed us to describe the viruses that infect phytoplankton in the estuarine transition zone of the Saint Lawrence River, an important North American waterway. Detection of these viruses at six sites ranging from freshwater to marine habitats revealed few shared viral phylotypes between fresh and saline waters. This suggests that salinity might be the main factor influencing viral community composition. In addition, our analyses indicate that the virotypes found in the St. Lawrence estuary differ from published viruses and those found in comparable environments. These results suggest that DNA and RNA viruses infecting phytoplankton are active in the estuarine transition zone and that this zone harbours its own unique viral assemblages. Second, a viromic approach (that was developed during this research) allowed for the characterization of the viral communities in a highly stratified arctic lake. Lake A, with deeper waters that originate from the ancient Arctic Ocean revealed an abundance of novel viruses. This type of perennially stratified lake is dependant on ice cover which maintains the chemical structure of the water column and the distribution of the associated microbial communities. The viral communities in the three strata of the lake were remarkably distinct, suggesting that there is little exchange of virotypes. Viral abundance and virus/prokaryote ratios were highest in the deeper water and the clean separation between the viral communities matched that of potential hosts. The viral communities of Lake A also differed from those of the Arctic Ocean and the meromictic Ace Lake in Antarctica. Lastly, the same minimally invasive viromic approach allowed us to document the viral diversity in the last Arctic epishelf lake, the Milne Fiord epishelf lake. Contrary to what was observed in Lake A, the surface viral assemblages were more diverse, and no specific viral community was detected based on the chemocline. The clear division between the fresh and marine assemblages was mostly correlated with conductivity and dissolved oxygen concentration. Finally, the characterization of co-occurring virotypes allowed us to predict potential hosts. The transition zones examined in this research are maintained by a fragile balance of hydrological and glacial conditions which are already affected by climate change, but also by other human activities. Knowing how viruses affect aquatic ecosystems, a thorough description of the viral communities in changing environments is urgent and essential to gain a better understanding of their potential long-term effects within aquatic ecosystems. As the northern regions continue to warm at an accelerated rate, the melting increases in the Greenland platform and continental glaciers. The large amount of freshwater discharge into the Arctic Ocean and the North Atlantic may disturb thermohaline circulation and drastically change the surface of marine ecosystems, a crucial site for microbial primary production. Understanding how viruses and microbes thrive in the saline transition and their dependence on potentially unique functions and interactions may be key to anticipating the long-term effects they could have in these irreversibly and continuously changing ecosystems.

La croissance du phytoplancton est limitée par les faibles concentrations de fer (Fe) dans près de 40% de l’océan mondial. Le Pacifique subarctique Nord-Est représente une de ces zones limitées en fer et désignées High Nutrient - Low Chlorophyll (HNLC). Cet écosystème, dominé par des cellules de petite taille telles les prymnésiophytes, est caractérisé par de très faibles concentrations estivales de chlorophylle a et de fortes concentrations de macronutriments. Il a été maintes fois démontré que les ajouts de fer, sous différentes formes chimiques (habituellement FeSO4), dans les zones HNLC, stimulent la croissance et modifient la structure des communautés planctoniques en favorisant la croissance des cellules de grande taille, notamment les diatomées. Ces effets sur la communauté planctonique ont le potentiel d’influencer les grands mécanismes régulateurs du climat, tels la pompe biologique de carbone et la production de diméthylsulfure (DMS). Les poussières provenant des déserts du nord de la Chine sont reconnues depuis longtemps comme une source sporadique importante de fer pour le Pacifique Nord-Est. Malgré leur importance potentielle, l’influence directe exercée par ces poussières sur l’écosystème planctonique de cette zone HNLC n’a jamais été étudiée. Il s’agit d’une lacune importante puisque le fer associé aux poussières est peu soluble dans l’eau de mer, que la proportion biodisponible n’est pas connue et que les poussières peuvent avoir un effet inhibiteur chez le phytoplancton. Cette thèse propose donc, dans un premier temps, de mesurer pour la première fois l’effet de la fertilisation de la communauté planctonique du Pacifique Nord-Est par un gradient de concentrations de poussières désertiques naturelles. Cette première expérimentation a démontré que le fer contenu dans les poussières asiatiques est biodisponible et qu’une déposition équivalente à celles prenant place au printemps dans le Pacifique Nord-Est peut résulter en une stimulation significative de la prise de nutriments et de la croissance du phytoplancton. Mes travaux ont également montré que l’ajout de 0,5 mg L-1 de poussières peut résulter en la production d’autant de biomasse algale que l’ajout de FeSO4, l’espèce chimique utilisée lors des expériences d’enrichissement en fer à grande échelle. Cependant, les ajouts de FeSO4 favorisent davantage les cellules de petite taille que les ajouts de poussières, observation démontrant que le FeSO4 n’est pas un proxy parfait des poussières asiatiques. Dans un deuxième temps, je me suis intéressée à une source alternative de fer atmosphérique, les cendres volcaniques. Mon intérêt pour cette source de fer a été attisé par les observations d’une floraison spectaculaire dans le Pacifique Nord-Est, ma région d’étude, associée à l’éruption de 2008 du volcan Kasatochi dans les îles Aléoutiennes. Forte de mon expérience sur les poussières, j’ai quantifié l’effet direct de ces cendres volcaniques sur la communauté planctonique du Pacifique Nord-Est. Mes résultats ont montré que le fer contenu dans les cendres volcaniques est également biodisponible pour le phytoplancton. Ils ont également montré que cette source de fer peut être aussi importante que les poussières désertiques dans la régulation de la croissance du phytoplancton dans cette partie de l’océan global à l’échelle millénaire. Dans un troisième temps, j’ai estimé comment l’acidification des océans modulera les réponses des communautés planctoniques aux dépositions naturelles de fer mises en évidence lors de mes expériences précédentes. Pour ce faire, j’ai effectué des enrichissements de poussière dans de l’eau de mer au pH actuel de 8.0 et dans l’eau de mer acidifiée à un pH de 7.8. Mes résultats ont montré une diminution du taux de croissance du phytoplancton dans le milieu acidifié mais pas de changement notable dans la structure de la communauté. Les ajouts de poussières et de cendres, de même que les variations de pH, n’ont pas eu d’effet significatif sur la production de DMS et de son précurseur le diméthylsulfoniopropionate (DMSP), probablement en raison de la courte durée (4 jours) des expériences. L’ensemble des résultats de cette thèse montre que le fer contenu dans diverses sources atmosphériques naturelles est biodisponible pour le phytoplancton du Pacifique Nord-Est et que des taux de déposition réalistes peuvent stimuler la croissance de manière notable dans les premiers jours suivant une tempête désertique ou une éruption volcanique. Finalement, les résultats de mes expériences à stresseurs multiples Fer/acidification suggèrent une certaine résistance des communautés phytoplanctoniques à la diminution du pH prédite d’ici la fin du siècle pour les eaux de surface des océans. / Phytoplankton growth is limited by low concentrations of iron (Fe) in about 40% of the world’s oceans. The northeast subarctic Pacific Ocean embodies one of these Fe-limited regions that are termed High Nutrient - Low Chlorophyll (HNLC). Its ecosystem is dominated by small phytoplankton cells, such as Prymnesiophyceae, and is characterized by weak summer concentrations of chlorophyll a and high concentrations of macronutrients. It has repeatedly been shown that Fe additions in HNLC zones, using various artificial forms of Fe (commonly FeSO4), stimulate the growth and modify the structure of planktonic communities by favoring the blooming of large phytoplankton cells such as diatoms. The impacts brought about on the planktonic communities by these Fe additions have the potential of influencing large-scale climate regulating mechanisms, namely the biological carbon pump and the oceanic production of dimethylsulfide (DMS). Dust arising from northern Chinese deserts is well recognized as an important albeit sporadic source of Fe for the northeast Pacific Ocean. Despite their potential importance, the direct influence of these dust deposition events on the planktonic ecosystem of the northeast Pacific has never been studied before. This represents a serious shortcoming considering that, Fe associated with dust is scantily soluble in seawater, the bioavailable proportion of Fe in dust remains unknown, and dust may exert an inhibiting effect on phytoplankton. My thesis thus proposes, firstly, to conduct avant-garde measurements of the fertilization effects of a natural Asian dust gradient on plankton communities of the northeast Pacific. My first experiment shows that the Fe contained in Asian dust is bioavailable and that a deposition event, equivalent to naturally occurring spring depositions in the northeast Pacific, may result in a significant stimulation of nutrient uptake and growth by phytoplankton. My results also demonstrate that the addition of 0,5 mg L-1 of dust may induce as much biomass accumulation as what is observed during large scale fertilizing experiments utilizing FeSO4. However, small-celled phytoplankton assemblages are stimulated by Fe fertilizations, more so through FeSO4 than through dust additions demonstrating the flaws of this proxy in accurately representing Asian dust. In a second step, I focused my attention on an alternative source of atmospheric Fe, specifically volcanic ash. My interest for this subject was instigated by observations of a spectacular bloom occurring in my study region, the northeast Pacific, and associated to the 2008 eruption of the Kasatochi volcano located on one of the Aleutian Islands. I quantified the direct effects of volcanic ash on the plankton community of the northeast Pacific. My results show that the Fe contained in these ashes is also bioavailable for phytoplankton and that this source of Fe may be as important as desert dust in regulating the growth of phytoplankton in this part of the global ocean on a millennial scale. Thirdly, I assessed the manner in which ocean acidification could modulate, on a short timescale, the responses of the plankton communities to natural Fe depositions highlighted in this thesis. In order to do so, I performed dust enrichments in seawater at the contemporary seawater pH of 8.0 and acidified to a pH of 7.8. My results show a reduction in phytoplankton growth rate in the acidified environment with no conspicuous changes to community structure. The additions of dust and ash, as well as the variations in pH, had little significant impacts on the production of DMS or its precursor dimethylsulfoniopropionate (DMSP). This lack of response could likely be attributable to the short timescale (4 days) of investigation carried out. As a whole, the results of this thesis show that Fe contained in various natural atmospheric sources is bioavailable to phytoplankton of the northeast Pacific Ocean. Furthermore, realistic deposition rates may distinctly stimulate phytoplankton growth in the first days following dust storms or volcanic eruptions. Finally, results from the multi-stressor experiments (Fe/acidification) I carried out suggest a demonstrable robustness of surface plankton communities to the pH reduction predicted before the turn of this century.

Les phtalates (PAEs) sont un groupe de contaminants organiques émergents qui sont devenus une préoccupation majeure en raison de leur omniprésence dans le milieu marin et de leurs effets perturbateurs sur le système endocrinien. Cependant, leur répartition en Méditerranée est assez mal connue, principalement en raison des difficultés analytiques et du risque élevé de contamination des échantillons lors du processus analytique. En outre, les débris de plastique en milieu marin contiennent des additifs comme les PAEs, qui sont ajoutés lors de l’étape de fabrication du plastique. Dans la première partie de cette thèse, une méthode analytique a été optimisée et validée pour la détermination de 8 PAEs à l'état de traces en milieu marin. Brièvement, 1L d'échantillon filtré est passé à travers des cartouches de verre contenant 200 mg d'Oasis HLB, puis élué à l’aide de 6mL d'acétate d'éthyle. Notre méthode donne des rendements d’extraction compris entre 95 et 115 % et des blancs acceptables. Dans un second temps, un suivi annuel de la contamination de la Baie de Marseille a été effectué de décembre 2013 à novembre 2014. Les résultats ont montré la présence de 7 PAEs, avec des concentrations totales variant de 130 à 1330 ng L-1. Dans la dernière partie de cette thèse, deux échantillons de plastique communs (sac de poubelle et gaine de câble électrique) ont été incubés dans de l'eau de mer naturelle dans des conditions contrôlées de laboratoire, de manière à évaluer la migration de PAEs depuis ces matériaux en fonction de différentes conditions environnementales comme la température, la présence de lumière, ou encore la présence de bactéries. / Phthalic Acid Esters (PAEs) are a group of emerging organic contaminants that have become a serious issue because of their ubiquitous presence on the marine environment worldwide and for the endocrine disrupting effects in animals and humans. However, little is known about their distribution in the Ocean, mainly because of analytical difficulties and the high possibility of ambient sample contamination. Plastic debris in marine environment includes resin pellets, macro- and microplastic fragments, and contains additives such as PAEs that might be released in the aquatic environment in unknown proportion. In our work, we improved an analytical method for the determination of 8 PAEs, at trace levels in marine and fresh waters. In the first part of the thesis, the method was validated for different seawater salinities and wastewater treatment plant outlet. By passing 1 L of sample through glass cartridges packed with 200 mg of Oasis HLB and eluted with 6 mL of ethyl acetate, the recoveries of 8 PAEs ranged from 95 to 115 % with acceptable blank values (below 0.4-4.0 % of the masses measured in different seawater samples). In a second part, PAE distribution in the Marseille Bay has been evaluated though a one-year monitoring from December 2013 to November 2014. The results showed the occurrence of six PAEs with total concentrations ranging from 130 to 1330 ng L-1. In the last part of this thesis, two common plastic samples as trash plastic bags and insulation layer of electric cables were incubated in natural seawater in laboratory conditions and studied for the release of PAE. Release ws observed for the different PAEs with kinetics varying according to the plastic type.

L'objectif de cette thèse, est de déterminer comment l'eau de mer est utilisée au sein du marais salé endigué de l'île de Ré (Charente-Maritime, France) afin de comprendre le fonctionnement de cet espace et d'en estimer l'évolution tout en réfléchissant aux mesures à adopter pour optimiser la gestion actuelle. La connaissance des modes de gestion de la ressource hydrique est essentielle pour assurer l'avenir du marais et satisfaire les multiples intérêts de ses acteurs, notamment en ce qui concerne le partage de l'eau. Aussi est-il indispensable de considérer le marais salé endigué de l'île de Ré comme un géosystème où s'associent l'environnement naturel avec les activités humaines. <br /><br />Le travail de recherche s'est engagé principalement sur deux axes. Tout d'abord, un inventaire et une description des pratiques en vigueur sur cet espace à travers leurs modes de gestion et d'utilisation de l'eau de mer, sachant que les activités humaines y sont variées mais leurs caractéristiques (techniques, économiques, hydrauliques) mal connues. Ensuite, une réflexion sur les relations liant l'environnement et les hommes. Afin de mettre en évidence la diversité spatiale des activités, la complexité des relations hydrauliques et les dysfonctionnements potentiels, la méthode repose principalement sur l'élaboration d'un SIG, la réalisation d'enquêtes et une analyse de risque. <br /><br />Les résultats obtenus montrent qu'une multitude d'activités coexistent sur le marais salé endigué de l'île de Ré, avec diverses logiques spatiales et de gestion. L'étude conclue également qu'il n'existe pas de réels conflits entre les acteurs du marais, mais seulement quelques divergences à propos de la gestion hydraulique pratiquée actuellement. Seule une gestion concertée peut permettre de sauvegarder le patrimoine naturel et culturel local, tout en préservant les intérêts de chacun des acteurs.

La mesure des champs électromagnétiques très basses fréquences en mer est utilisée pour de nombreuses applications, dont les principales sont militaires et géophysiques. Les besoins pour ces applications sont des capteurs capables d'effectuer des mesures à très basses fréquences avec un niveau de bruit inférieur au nV.m^(-1).Hz^(-1/2).Les électromètres commerciaux et académiques utilisés actuellement pour la mesure des champs électriques en mer sont à mesure de tension. Leur inconvénient majeur est une remontée de bruit aux basses fréquences, due à l'électronique d'amplification du signal. Une autre méthode de mesure des champs électriques en mer consiste à mesurer le courant traversant un dispositif de faible impédance. Nous avons conçu un électromètre à mesure de courant et magnétomètre au sein du même capteur, en essayant de pallier les défauts des électromètres passés et actuels.Dans un premier temps, nous décrivons le milieu dans lequel le capteur sera amené à fonctionner, puis les applications auxquelles il est destiné, et enfin l'état de l'art des capteurs existant et leurs limites.Nous décrivons ensuite de manière détaillée le comportement du capteur. En particulier, nous déterminons par simulation et de manière expérimentale les différentes fonctions de transfert du capteur, en fonction de ses caractéristiques géométriques et de son environnement.Après avoir présenté plusieurs architectures possibles d'électromètres répondant aux objectifs fixés, nous utilisons les résultats obtenus au chapitre précédent pour dimensionner un électromètre dont la conductivité équivalente n'est pas forcément égale à celle de l'eau de mer. Ce degré de liberté supplémentaire par rapport aux contraintes de conception des électromètres à mesure de courant passés permet d'améliorer les performances du capteur. Enfin nous proposons deux méthodes de calibration de l'électromètre, sans connaissance a priori de son environnement.Enfin nous caractérisons les différents éléments d'un prototype de laboratoire, et nous présentons les résultats des tests de ce prototype complet. / The measurement of electric and magnetic fields at sea is of great interest for many applications (geophysics, oil prospection, vessels detection, etc.) In all cases, measurements at very low frequency with a very low noise are required.Most marine electrometers measure the potential difference between two separated electrodes. Their noise level is very good but increases when frequency decreases, due to amplification electronics. Another type of electrometers is based on a low impedance current measurement system. We designed a current based electrometer, which is as well able to simultaneously measure the magnetic field, trying to solve the problems of former devices.First, we describe the medium in which the sensor will be used, the applications for which it is intended, and the state of the art of existing sensors and their defects.We then describe in detail the behavior of the sensor. In particular, we determine by simulation and experimentally the different transfer functions of the sensor, depending on its geometrical characteristics and its environment.After presenting several potential architectures of electrometers meeting the targets, we use the results obtained in the previous chapter to scale an electrometer, whose equivalent conductivity is not necessarily equal to that of seawater. This additional degree of freedom in comparison with the design constraints of the former current measurement electrometers enables us to improve the performance of the sensor. Finally we propose two calibration methods of the electrometer, without prior knowledge of its environment.Finally we characterize the different elements of a laboratory prototype, and we present the results of the tests of the complete prototype.

Le platine (Pt) est un élément technologique critique (ETC) et un contaminant émergent dans les compartiments environnementaux. Peu de données existent concernant ses concentrations, sa distribution et sa dynamique dans le milieu naturel. Ce travail combine des résultats d'expérimentation en laboratoire à des observations de terrain afin d'étudier la biogéochimie de Pt dans les systèmes côtiers (Océan Atlantique et Méditerranée). Une expérimentation exposant des huîtres à une large gamme de concentrations de Pt a produit les premières données de cinétique d’accumulation de Pt dans les bivalves marins et reflète l’assimilation de Pt constatée in situ. À des niveaux d’expositions réalistes (50 et 100 ng.L-1), la relation linéaire positive entre les niveaux d'exposition et celles des tissus justifie l'utilisation des huîtres comme sentinelles des niveaux de Pt dans l’eau de mer. À forts niveaux de Pt (10 000 ng.L-1), des effets délétères sur l’état physiologique des huîtres (e.g. augmentation du stress oxydatif et mobilisation du stock énergétique) sont observés. A partir d’études de terrain dans des sites contrastés les bruits de fond géochimiques régionaux dans l’eau de mer des côtes atlantique et méditerranéenne (0,05 ng.L-1 et 0,08 ng.L-1 respectivement) et les facteurs de bioconcentration dans le phytoplancton (~ 10^4) et dans les bivalves (huîtres et moules, ~ 10^3) ont été établis. La répartition spatiale des niveaux de Pt dans l’eau de mer, le plancton et les bivalves reflète une contamination plus élevée de la côte nord-ouest méditerranéenne, particulièrement dans les zones semi-fermées et fortement urbanisées / industrialisées (baie de Toulon et port de Gênes). Les enregistrements historiques dans les sédiments (~ 1900 - 2010) et dans les bivalves (1980 à aujourd’hui) en Gironde et de la baie de Toulon ont montré une contamination ancienne de Pt liée aux activités industrielles (métallurgie, raffinage du pétrole, charbon), tandis que la forte augmentation récente provient de sources émergentes telles que les pots catalytiques, les rejets hospitaliers et les eaux usées. L’observation à haute résolution temporelle de la distribution de Pt entre la phase dissoute et particulaire et des paramètres environnementaux majeurs (O2, salinité, Chl-a, nutriments etc.), suggèrent l’importance des processus biogéochimiques, comprenant la production et dégradation du phytoplancton, dans le comportement et le devenir du Pt en milieu côtier. / Platinum (Pt) is a Technology-Critical Element (TCE) and an emerging contaminant increasingly released into all Earth compartments, but its environmental occurrence, distribution, and dynamics are under- documented. The present research combines laboratory observations and field monitoring studies on Pt biogeochemistry in coastal systems (Atlantic Ocean and northwestern Mediterranean Sea), including its distribution between seawater, particles, and living organisms. Exposure experiments with oysters facing a wide range of exposure levels provide the first Pt accumulation kinetics in marine bivalves, supporting uptake of Pt from seawater in line with field observations. At environmentally-relevant Pt levels (50 and 100 ng.L-1), the positive linear relation between exposure and Pt accumulation in tissues justifies the use of oysters as integrative sentinels for seawater Pt contamination. At relatively high Pt levels (10,000 ng.L-1), deleterious physiological effects (e.g. increased oxidative stress and energetic stock mobilization) occurred in oysters. Field observations at contrasting sites have provided regional background Pt concentrations in seawater in the Atlantic and Mediterranean coasts (0.05 ng.L-1 and 0.08 ng.L-1, respectively) and bioconcentration factors for phytoplankton (~ 104), and bivalves (oysters and mussels ~ 103). Spatial distribution of Pt levels in seawater, plankton and bivalves suggest higher contamination along the northwestern Mediterranean coast, especially in semi-enclosed, industrialized/urbanized systems (Toulon Bay and Genoa Harbor). Historical records in sediments (~ 1900 - 2010) and bivalves (1980 to present) from the Gironde watershed and the Toulon Bay showed past Pt contamination due to industrial (metallurgic, oil-refining, coal) activities, whereas the strong recent increase in Pt contamination originates from emerging Pt sources, e.g. car catalytic converters, hospital effluents, and sewage. High temporal resolution observation of Pt partitioning, together with environmental master variables (O2, Salinity, Chl-a, nutrients etc.), suggests that in coastal systems, biogeochemical processes including phytoplankton production and degradation may play an important role in Pt behavior and fate.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet européen BIOCOR ITN. Les matériaux métalliques habituellement utilisés dans les circuits de refroidissement de centrales électriques peuvent être affectés par la biocorrosion. L'objectif de ce travail était d'étudier l'influence de l'adsorption de biomolécules sur le comportement électrochimique et la composition chimique de surface de l'alliage 70Cu-30Ni, l'acier inoxydable 304L et le titane en milieu marin. Les interactions entre l'albumine de sérum bovin (BSA), et la surface de ces matériaux ont été étudiées. Ensuite, l'effet des substances polymériques extracellulaires (EPS) (étroitement liées -TB- et faiblement liées -LB- à la surface cellulaire) sur les couches d'oxydes a été évalué. Des mesures électrochimiques (Ecorr vs temps d'immersion, courbes de polarisation et EIS) ont été combinées à des analyses de surface (XPS et ToF-SIMS). En comparaison de l'alliage 70Cu-30Ni en eau de mer artificielle (ASW) statique sans biomolécules, pour lequel une couche duplex épaisse est montrée, la présence de biomolécules conduit à une couche mixte d'oxydes d'épaisseur plus faible. Un modèle est proposé pour analyser les données d'impédance obtenues à Ecorr. Un ralentissement de la réaction anodique par les biomolécules a été montré avec un effet d'inhibition de la corrosion par les LB EPS, dans une moindre mesure par la BSA et aucun effet néfaste en présence de TB EPS. L'effet des TB EPS et de la BSA sur la passivation du Ti dans ASW et de l'acier inoxydable 304L dans une solution sans chlorure a été étudié. Pour les deux matériaux, les couches d'oxydes sont plus protectrices avec la BSA et moins protectrices avec les TB EPS. / This thesis was carried out in the frame of the BIOCOR ITN European project. Metallic materials commonly used in cooling systems of power plants may be affected by biocorrosion. The objective of this work was to study the influence of biomolecules adsorption on the electrochemical behaviour and the surface chemical composition of 70Cu-30Ni alloy, 304L stainless steel and titanium in seawater environments. The interactions between a model protein, the bovine serum albumin (BSA), and the surface of these materials were investigated. After, the influence of tightly bound (TB) and loosely bound (LB) extracellular polymeric substances (EPS) on the oxide layers was evaluated. For that purpose, electrochemical measurements (Ecorr vs time, polarization curves and EIS) were combined to surface analysis (XPS and ToF-SIMS). Comparing to the 70Cu-30Ni alloy in static artificial seawater (ASW) without biomolecules, for which a thick duplex oxide layer is shown, the presence of BSA, TB EPS and LB EPS leads to a mixed oxide layer with a lower thickness. A model is proposed to analyse impedance data obtained at Ecorr. The results show a slow-down of the anodic reaction in the presence of biomolecules with a corrosion inhibition effect by LB EPS, to a lesser extent by BSA and no detrimental effect with TB EPS. On the other hand, the effect of TB EPS and BSA on the passivation behaviour of Ti in ASW and of 304L stainless steel in chloride-free solution was studied. From EIS data, resistivity profiles within oxide films can be plotted. For both materials, oxide layers are more protective with BSA and less protective with TB EPS.