Strontium (Sr) isotope tracers are useful for understanding provenance and mobility in biological materials across multiple disciplines. However, the impact of these techniques is highly dependent on the construction of appropriate comparative baselines (i.e., an isoscape). We present the results of a systematic survey of87Sr/86Sr values from grasses in the North American Midcontinent with a particular emphasis on sedimentary systems. Although87Sr/86Sr values are highly variable across the region, the Sr isoscape shows ­multi-scalar patterns that are dependent on local-to-regional trends in surficial geology. High values are found in bedrock-dominated areas such as the Black Hills (SD) and Ozark Uplift (MO), or formerly glaciated areas where surface deposits are dominated by ice-transported Precambrian clasts. The lowest values are found in river valleys that incorporate eroded Neogene sediments into terrace formation. Intermediate values are found in upland loess and alluvial deposits which blanket much of the study area. We demonstrate trends in large-scale variability of the Midcontinent’s87Sr/86Sr isoscape and suggest that future refinement focus on sub-regional trends in Sr isotope variability.

Les aquifères karstiques sont parmi les milieux souterrains les plus difficiles à caractériser. Ils sont connus pour avoir des réponses complexes aux événements pluvieux en raison de l’hétérogénéité de la porosité allant de la porosité matricielle (micro-porosité) à la porosité de conduits (macro-porosité). La porosité de conduits génère des vitesses de transfert élevées au sein de l’aquifère, à l'origine de la vulnérabilité des aquifères karstiques. L'objectif de cette thèse est de définir les modalités du transfert de l'eau et des solutés au sein d'un aquifère karstique du Dogger situé en Bourgogne. Deux approches complémentaires ont été utilisées: (i) l'analyse de chroniques piézométriques et débitmétriques à partir d'outils de traitement du signal et (ii) une caractérisation géochimique et isotopique des eaux souterraines basée sur l'utilisation d'une large palette de traceurs, notamment des traceurs de datation. Ces deux approches ont été appliquées à différentes échelles temporelles: un suivi haute fréquence (jusqu'à 1h) lors de pics de crue pour étudier les transferts rapides et un suivi à long terme (pluri-annuel) pour caractériser les transferts lents et étudier la variabilité saisonnière des modalités d'écoulement. Ce travail a permis de mettre en évidence une très large distribution des temps de résidence de l’eau souterraine, de quelques heures, lors d’événements de crue souligné par des temps de réponse pluie-niveau piézométrique faible (inférieurs à 70 h) à quelques années pour l’écoulement de base mis en évidence par l’utilisation de traceurs de datation (39Kr, CFC-12 et SF6). En réponse aux précipitations, différentes masses d'eau ont pu être décrites: (i) une eau à vitesse d’écoulement lente, qui correspond à l’écoulement de base mis en évidence par l'utilisation des traceurs de datation; (ii) une eau de recharge rapide dont le temps de résidence au sein de l'aquifère varie, selon les porosités empruntées, de quelques heures à quelques jours soulignés grâce au suivi en continu de la conductivité électrique, des éléments majeurs et du tritium; et (iii) des eaux stockées au sein de la zone non saturée, remobilisées lors de pics de crue mises en évidence par la variation des compositions géochimiques en tritium et Ca2+ des eaux souterraines lors de pics de crue. Malgré une forte hétérogénéité des processus d'écoulement, une logique spatiale des écoulements rapides apparaît. Le temps de réponse du niveau piézométrique à un événement pluvieux et le temps de résidence augmentent vers l’aval du dôme hydrogéologique. L'étude temporelle de la réponse impulsionnelle par la méthode du corrélogramme croisé coulissant montre que le temps de réponse varie de façon saisonnière, et est plus court en été. La variation du temps de réponse pour un forage entre été et hiver est significative et peut atteindre une centaine d’heures. Cette variabilité temporelle s'explique en partie par une variabilité de l'intensité des pluies (plus importantes en été) qui induit une variation des mécanismes d'écoulement au sein de l'épikarst. Lors d'événements de pluie intense, la saturation de l'épikarst est plus importante provocant des transferts latéraux en son sein et permettant de transférer les eaux vers les conduits les plus ouverts. / Karst aquifers are among the most difficult to characterize. They are known for their complex hydrological responses to rainfall events due to the high heterogeneity of their porosity, going from matrix conduit porosity. The porosity of conduit induces a high transfer velocity in the aquifer which is the cause of the karst aquifer vulnerability. The objective of this study is to define the modes of water transfer and solute in a karst aquifer of Dogger in Burgundy. Two complementary methods are used: (i) the analyse of piezometric and debitmetric time series, and (ii) the geochemical and isotopic characterization of groundwater based on the using of large panel of tracers, notably some dating tracers. These two methods are applied at different temporal scales: a high frequency monitoring (1 hour time step) during discharge event to study fast water transfer and a long time monitoring to characterize slow water transfer and study the seasonal variability of water transfer processes. This study highlights a large distribution of residence time of groundwater, from several hours during a recharge event, underlined by short response time rainfall-piezometric level (less to 70 hours) to several years for the baseflow showed by the using of dating tracers (39Kr, CFC-12 et SF6). In response to rainfall events, several water bodies are described. The first one, with slow transfer velocity, corresponds to the baseflow and is showed by dating tracers. The second one, with a direct recharge and a residence time in the karst aquifer that varies with the porosity from several hours to several days, is described by a continous monitoring of electrical conductivity, majors elements and tritium. Finally, the water stored in the unsaturated zone, remobilized during recharge events, is revealed by the variation of geochemical composition in tritium and Ca2+ in groundwater during recharge events. Despite of the high heterogeneity of water transfer processes, the fast water transfer is spatially organized. The response time of piezometric level to rainfall events and the residence time increase toward the hydrogeological downhill. The temporal study of the impulse response using the method of the sliding-window cross-correlation shows that the response time varies seasonally, being shorter during the summer. The variability of the response time is significant, up to a hundred hours. This temporal variability could be explained in part by a variability of the rainfall intensity which induces a variability of water flow processes in the epikarst. During intensive rainfall, the saturation of the epikarst is higher which induces lateral transfers and allows transferring water toward large conduits.

Les organoétains sont parmi les polluants les plus dangereux connus à ce jour à avoir été introduits dans les écosystèmes aquatiques par l'homme. Les lixiviats de décharge sont des sources importantes de ces substances toxiques. Afin de minimiser leur rejet dans l'environnement, il est important de comprendre les transformations que les organoétains subissent dans ces lixiviats et d'appliquer des procédures d'assainissement appropriées. Cette thèse a eu pour objectifs principaux i) de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transformation des organoétains dans les lixiviats de décharge et ii) d'évaluer le potentiel d’élimination des organoétains par des nanaoparticules de fer (FeNPs). Dans la première partie, les synthèses de TBT enrichi en 117Sn, DBT enrichi en 119Sn, SnCl2 et SnCl4 enrichi en 117Sn, ont été effectuées à partir d’étain métallique enrichi en Sn. La dégradation et la biométhylation des organoétains dans des lixiviats ont été ensuite suivies pendant six mois, en utilisant des traceurs isotopiques enrichis en Sn. Pour discriminer entre les transformations biotiques et abiotiques des organoétains et de l'étain inorganique, des lixiviats stérilisés et non stérilisés ont été considérés et les concentrations en organoétains, mesurées dans chaque lixiviat, ont été comparées. Par la suite, les procédés pouvant conduire à l'élimination du TBT et du TMeT présents dans les lixiviats de décharge, par traitement du lixiviat par différents type de FeNPs ont été étudiés. Le TBT est plus efficacement éliminé (96%) lorsque un traitement séquentiel des lixiviats avec nZVI (dispersé par agitation) est appliqué, d'abord par mise en contact à pH 8, puis par traitement de la phase aqueuse avec nZVI acidifiée à pH 3 avec de l'acide citrique. Enfin, afin de prendre en compte les effets induits par les procédés de traitement par les nanoparticules de fer, leur comportement a été étudié après leur introduction dans des eaux environnementales (eau de source et lixiviat de décharge) différant par leur force ionique et leur contenu de matière organique. L'efficacité de l'élimination des métaux sélectionnés par les FeNPs a également été évaluée. Les nanoparticules ayant des éléments adsorbés à leur surface peuvent contribuer à une contamination du milieu dans lequel elles ont été introduites. / OTCs are among the most hazardous pollutants known so far to have ever been introduced into aquatic ecosystems by man. Landfill leachates are an important pool of these toxic substances. In order to minimise their release to the nearby environment it is important to understand the transformations that OTCs undergo in landfill leachates and to apply appropriate remediation procedures. This thesis has as main objectives i) to contribute to a better knowledge on transformation processes of OTCs in landfill leachates and ii) to evaluate the potential of OTCs removal by iron nanoparticles (FeNPs). In the first part, ‘‘In house’’ synthesis of individual 117Sn-enriched TBT, 119Sn-enriched DBT, 117Sn-enriched SnCl2 and 117Sn-enriched SnCl4 was performed, starting from Sn-enriched metallic tin. Next, the degradation and biomethylation of OTCs in landfill leachates were investigated over a time span of six months, using Sn-enriched isotopic tracers. To discriminate between biotic and abiotic transformations of OTCs and inorganic tin species, sterilized and non-sterilized leachate samples were investigated and the concentrations of OTCs in each sample were compared. Thereafter, the processes for the removal of TBT and TMeT from landfill leachates by different FeNPs were studied. It was proven that TBT could be the best removed by a sequential treatment procedure by first adding nZVI (dispersed by mixing) at pH 8, and then by treating with nZVI the aqueous phase, which is acidified to pH 3 with citric acid. Last, to take in account the effects that are induced by treatment procedures with FeNPs, their behaviour was studied after their introduction to environmental waters (forest spring water and landfill leachate), which differ in their ionic strength and the content of organic matter. The efficiency of the removal of selected metals by FeNPs was also evaluated. It was observed that elements which are adsorbed on the surface of FeNPs can contribute to the contamination of the environment in which they are introduced.

Lors du projet Kerguelen Ocean and Plateau compared Study (KEOPS), la dynamique des particules (vitesses de chute, temps de résidence) et les interactions entre dissous et particules (" boundary scavenging ") ont été étudiées afin de mieux comprendre les mécanismes responsables de la fertilisation naturelle en fer observée sur le plateau des Kerguelen. <br />Notre étude utilise deux radionucléides le 230Th et le 231Pa - tous deux produits de désintégration de l'uranium et très réactifs vis-à-vis des particules - comme traceurs de la dynamique des particules.<br />L'étude des vitesses de chute des particules, estimées à partir des distributions de 230Th a montré que, paradoxalement à son fort export de C, le plateau avait des vitesses de chute des particules plus faibles (S= 500 m.an-1) que les stations du large dans les eaux HNLC (S=800 m.an-1). Ce résultat, assez surprenant, soulève une question quant à la limitation du modèle de scavenging 1D dans le cadre de l'étude de la dynamique des particules des systèmes côte-large et suggère l'utilisation d'un modèle 2D pour reproduire le scavenging de ces régions.<br />Sur le plateau, les fortes concentrations de 231Pa dissous suggèrent que du 231Pa a été relâché lors de la dégradation bactérienne d'agrégats, riches en opale (phase pour laquelle le Pa a une forte affinité).<br />Sur l'escarpement à l'Est du plateau, la diminution des concentrations de 230Th et de 231Pa dissous, concomitante à l'augmentation de leur concentration dans les particules, a montré un intense boundary scavenging le long de la pente du plateau, sous l'effet de couches néphéloïdes ou de re-suspension depuis les sédiments, riches en opale.