Les ruisseaux sont d’importants sites de transformations chimiques dû au taux de contact élevé entre l’eau du chenal et leurs sédiments biogéochimiquement réactifs. L’urbanisation entraîne généralement une charge en nutriments et en carbone plus élevée vers les ruisseaux à partir du bassin versant et la modification des formes du chenal se traduisant par une augmentation du débit et réduisant ainsi les transformations biogéochimiques intra-sédiments et contribuant à l’augmentation des exports vers l’aval. Toutefois, il y a peu d’information disponible sur l’influence d’une pression d’urbanisation modérée sur le traitement de l’azote, du phosphore et du carbone dans les ruisseaux ainsi que sur l’importance relative des changements des caractéristiques du bassin versant et du chenal sur le flux de ces éléments. Dans cette étude, nous avons effectué des bilans de masse sur différentes espèces de carbone (C), d’azote (N) et de phosphore (P) dans plusieurs tronçons de ruisseaux ayant différentes utilisations du territoire et caractéristiques géomorphologiques (composition en mouilles, seuils ou courses) afin d’élucider comment ces traits influencent les flux d’éléments au sein d’un ruisseau vierge et d’un ruisseau modérément urbanisé. L’azote s’est avéré être l’élément le plus sensible, avec des concentrations de nitrates 3.5 fois plus élevées dans le ruisseau péri-urbain. Les concentrations de carbone organique dissous étaient légèrement plus élevées dans les sites péri-urbains alors que les niveaux de P total ne différaient pas significativement entre les deux ruisseaux. En termes de flux, les nitrates étaient la forme chimique la plus réactive résultant en une rétention nette dans la majorité des tronçons en contexte vierge alors qu’un export net fût observé dans tous les tronçons en contexte péri-urbain. Nous avons observé une baisse en concentrations de nitrates avec une augmentation d’excès de deutérium de l’eau du chenal, indiquant ainsi une capacité de rétention de l’eau notable au sein du bassin versant favorisant l’élimination d’azote. Au sein des ruisseaux, la présence de mouilles et d’une pente de chenal peu prononcée, traits contribuant aussi à l’augmentation du temps de résidence, ont également favorisés la perte d’azote. Globalement, les nitrates furent les formes chimiques les plus réactives à de faibles pressions d’urbanisation, ce qui suggère que les efforts de restauration visant à augmenter le temps de résidence de l’eau afin de favoriser les pertes par la dénitrification devraient être implémentés autant au sein du bassin versant qu’au sein du chenal des ruisseaux. / Streams are important sites of elemental transformations due to the relatively high contact rates between flowing water and biogeochemically reactive sediments. Increased urbanization typically results in higher nutrient and carbon (C) inputs to streams from their watersheds and increased flow rates due to modification in channel form, reducing within stream net retention and increasing downstream exports. However, less is known on how moderate urbanization might influence the joint processing of C, nitrogen (N), and phosphorus (P) in streams or the relative influence of changes in watershed and stream features on their fluxes. In this study, we performed mass-balances of different C, N, and P species in multiple reaches with contrasting land use land cover and geomorphic features (pools, riffles, runs) to determine the effects of geomorphology versus human influence on elemental fluxes in a pristine and a semi-urban stream. N was the most responsive of all elements, where nitrate concentrations were 3.5-fold higher in the peri-urban stream. Dissolved organic carbon was only slightly higher in the peri-urban site whereas total P not significantly different between streams. In terms of fluxes, nitrate behaved differently between the streams with net retention occurring in the majority of the reaches of the pristine site, whereas net export was observed in all of the reaches of the semi-urban one. We found a decrease in nitrate concentrations with an increase in excess deuterium of the water (d-excess), an indicator of how overall water retention capacity of the watershed favored N loss. Within the stream, the presence of pools, and reduced channel slope, which also increase water retention time, again favored N loss. Overall, nitrate was the most sensitive nutrient to slight urbanization, where higher export to stream was influenced by land use, but where geomorphic features were more important in driving retention capacity.

Les barrages au fil de l’eau devraient tripler dans la prochaine décennie en réponse à la transition mondiale vers les énergies renouvelables. Or, contrairement aux barrages à réservoir dont les impacts sur le cycle du mercure (Hg) sont bien connus, très peu d’études ont évalué l’impact des barrages au fil de l’eau sur la mobilisation et la transformation du Hg en méthylmercure (MeHg), une neurotoxine bioaccumulable et bioamplifiable le long de la chaîne trophique. Malgré la surface limitée d’inondations créée par ces petits ouvrages comparés aux barrages avec réservoirs, les retenues d’eau créées en amont pourraient tout de même contribuer à créer des conditions propices à la méthylation du Hg. Cette étude a été conduite sur la rivière St.Maurice (QC, Canada) présente dans un paysage soumis à la construction récente de deux barrages au fil de l’eau et de milieux humides artificiels et à la présence concomitante de perturbations du paysage: un feu de forêt et de la coupe de bois. Les résultats montrent une augmentation du pourcentage de méthylmercure (%MeHg) de 2 à 3 fois dans les zones inondées comparées aux sites références ou en aval des barrages. De plus, une augmentation des concentrations en mercure total (THg) et en matière organique (MO) est observée dans ces mêmes zones inondées soumises aux perturbations du paysage. Cela suggère que les feux de forêt et la coupe de bois auraient contribué au transfert de MO lié au Hg en provenance du bassin versant vers la rivière, comme indiqué par la corrélation positive entre le ratio C/N et le % MeHg. L’accumulation de MO et Hg dans les retenues d’eau créées par les barrages au fil de l’eau seraient alors des lieux propices à la stimulation de la communauté procaryotique méthylatrice dont le gène marqueur hgcA a été détecté à tous les sites avec une composition très diverse, dominée par les méthanogènes, les sulfato-réducteurs et les fermenteurs dans ce système. A la lumière de ces résultats, nous proposons que les futures études concernant les barrages au fil de l’eau intègrent le paysage dans son ensemble et établissent un suivi des concentrations de Hg avant, pendant et après la construction. / Run-of-river dams (RoRs) are expected to triple in the next decade in response to the global transition to renewable energy. However, unlike reservoir dams whose impacts on the mercury (Hg) cycle are well known, very few studies have evaluated the impact of RoRs on the mobilization and transformation of Hg into methylmercury (MeHg), a bioaccumulative and bioamplifiable neurotoxin along the trophic chain. Despite the limited area of flooding created by these small structures compared to reservoir dams, the pondages created upstream could still contribute to creating conditions conducive to the methylation of Hg. This study was carried out on the St. Maurice River (QC, Canada) located in a riverscape recently influenced by to the recent construction of two RoRs and artificial wetlands and to the concomitant presence of disturbances in the landscape. The results show an increase in the percentage of methylmercury (% MeHg) from 2 to 3 times in the flooded areas compared to the reference sites or downstream sites. In addition, an increase in total mercury (THg) and organic matter (MO) concentrations are observed in these same flooded areas subject to landscape disturbances: forest fire and logging. It suggests that forest fires and logging are contributing to the transfer of MO bound to Hg from the watershed to the river, as indicated by the positive correlation between the C / N ratio and % MeHg. The accumulation of MO and Hg in the pondages are likely favorable to the stimulation of the prokaryotic methylating community whose hgcA marker gene was detected at all sites with a very diverse composition, dominated by methanogens, sulfate-reducers and fermenters in this system. In the light of these results, we suggest that future studies on RoRs integrate the landscape as a whole and establish a monitoring of Hg concentrations before, during and after construction.

Les réservoirs hydroélectriques contribuent à la remise en suspension du mercure (Hg) inorganique terrestre et de la matière organique suite à l’inondation des terres lors de la construction d’un barrage. Le développement de zones anoxiques dû à l’augmentation de la colonne d’eau et à la dégradation de matière organique inondée est une condition propice pour la méthylation du Hg par les communautés bactériennes aquatiques, le rendant neurotoxique et bioamplifiable. Les résultats de cette étude, conduite dans le complexe de réservoirs hydroélectriques de la rivière Romaine, démontrent que le pourcentage du mercure total (THg) étant du méthylmercure (MeHg) retrouvé dans les zones inondées est en moyenne 10 fois plus élevé que dans les systèmes naturels avoisinants et dans la portion de la rivière en amont de la série de barrages. Les concentrations en MeHg demeurent toutefois relativement faibles comparativement à d’autres réservoirs au Québec et ailleurs dans le monde. Des patrons de l’amont vers l’aval ont pu être observés, où le MeHg augmente de façon concomitante au dioxyde de carbone (CO2) à travers les réservoirs, les deux ayant des valeurs plus élevées au printemps, suite à la fonte des glaces, qu’en été, suggérant qu’une production sous la glace est probable due à une anoxie partielle avant que le retrait des glaces ne revienne oxygéner la colonne d’eau. De plus, les concentrations de mercure total ainsi que les patrons des composantes de matière organique dissoute et du carbone organique dissous demeurent très peu variables entre les sites inondés et naturels. Cela suggère que les réservoirs hydroélectriques agissent plutôt comme réacteurs de transformation du mercure inorganique terrestre en méthylmercure que comme mobilisateurs de mercure nouvellement importé dans le système, et que les processus opérant des centaines de kilomètres en amont et des mois auparavant sont importants pour les dynamiques de carbone et de mercure observées dans ce système hautement connecté. / Following the flooding of soil during the construction of hydroelectric reservoirs, terrestrial inorganic mercury (Hg) and organic matter typically increase in concentrations in the aquatic environment. The anoxia developed due to the deepening of the water column and the degradation of organic matter due to aquatic microbial communities create new conditions in the system that are prone to the methylation of mercury into its neurotoxic and bioaccumulative form : methylmercury (MeHg). Results from this study, led in the hydroelectric complex of reservoirs of the Romaine River, showed that the percentage of total mercury which is methylmercury in the flooded area is on average 10 times higher than in surrounding natural systems from the watershed and in the upstream section of the river. MeHg concentrations in the Romaine River, however, remain relatively low when compared to other reservoirs in Quebec and worldwide. Upstream to downstream patterns have been observed, where MeHg increases along with carbon dioxide (CO2) throughout the series of reservoirs and where both showed higher values in June than in August, following the snowmelt and the melting of the ice cover. Concentrations were lower in the summer campaign, suggesting there was under-ice production due to the development of partial anoxia before the water column is mixed and oxygenated in spring. Moreover, the distribution of total mercury concentrations, dissolved organic carbon and dissolved organic matter components remained stable between flooded and natural sites. This suggests that hydroelectric reservoirs act as reactors for the transformation of terrestrial inorganic Hg in MeHg rather than as mobilizers of newly imported Hg and that processes occurring several kilometers upstream and months prior to sampling affect the carbon and Hg dynamics of this inter-connected system.

The prey consumption by benthivorous fish predators can have profound top-down effects in stream food webs. To analyse this effects in small temperate stream ecosystems, a long-term field experiment was conducted in two streams in South-eastern Germany, Gauernitzbach and Tännichtgrundbach, from 2004 to 2011. The densities of two small-bodied benthivorous fish species, gudgeon (Gobio gobio) and stone loach (Barbatula barbatula), were manipulated following a Before-After-Control-Impact design. The top predator regime affected the benthic community composition of the streams mainly in pools, whereas the total benthic invertebrate biomass was not affected in any mesohabitat. The present work describes a causal analysis of the observed food web effects using additional field analyses and laboratory experiments, with a special focus on the habitat use and foraging behaviour of the fish as top predators. The probably most important of the analysed mechanisms was mesohabitat-specific predation by the fish. Three 24-h field video surveys combined with benthic invertebrate sampling showed that constraints in habitat use, especially for gudgeon, induced a differential predator-prey habitat overlap which resulted in a higher predation risk for the invertebrate prey in pools than in riffles. Another important mechanism was selective predation of both fish species. Their prey selectivity was largely explained by a small number of prey variables being connected to the partly non-visual foraging mode of these benthic predators. Besides the traits body size and feeding type, long-term mean abundance played a central role, small and highly abundant invertebrates, grazers and sediment feeders being preferred by gudgeon and stone loach. The preference for small and abundant prey taxa (chironomids) exceeded purely opportunistic feeding and probably facilitated resource partitioning between the two fish species having very similar diets. In addition to active selectivity, different predator avoidance strategies of the invertebrates analysed in laboratory experiments explained the passive selectivity of the fish predators for certain prey taxa in the streams. This could be shown for two abundant taxa being consumed by the fish predators in very different quantities, Gammarus pulex and Hydropsyche instabilis. These three mechanisms, although probably interacting with several other factors, could explain a large part of the effects the top-down food web manipulation had on the benthic community, especially the observed high degree of mesohabitat and species specificity. Confirming this, quantitative characteristics of predation food webs, for instance the importance of intraguild predation, differed markedly between pool and riffle mesohabitats. From the results of this study it can be concluded that the benthivorous fish affected benthic community structure mainly by mesohabitat-specific and selective predation. A manipulation of this (native) top predator type therefore will probably have such rather subtle but not catastrophic consequences in ecosystems with a high biotic diversity and a rich natural habitat structure and connectivity.

The limnological knowledge of waters in arid regions, especially Mongolia, is still insufficient. It was the goal of the Mongolian-German research project “Limnological Particularities of Characteristic Waterbodies in the Uvs Nuur Basin” to develop a systematic inventory of waters, describe their morphological, hydrophysical, chemical and biological characteristics and to generalize the framework of abiotic and biotic factors that determine their character. During the field work, carried out from 1996 to 1999, samples of water, sediments, benthic and planktonic biota were taken from 76 places at 15 stagnant water bodies, 21 streams and several groundwater bodies; morphological, hydrological, physical and hydrochemical measurements were made. Chemical and biological analyses were carried out in Germany. The most important taxonomical groups were determined by German and international specialists. The results of the work are presented and discussed separately for running waters, lakes and groundwater. Based on these findings, several general topics are dealt with: factors shaping the character of water bodies, food webs, biogeography, spatial sequence of water bodies, typology and protection issues. A checklist of 596 taxa was compiled; 109 additional taxa from the Russian and Mongolian literature were included. Two species (Cyclops glacialis Flößner 2001 and Acanthocorbis mongolica Paul 2011) were new for the science and 103 species were new reports for Mongolia. A regional stream typology with 11 different types was developed using the criteria ecoregion, altitude and catchment area. The typology developed for stagnant waters comprises 9 types based on altitude, lake area, existence of an outflow and relative depth. This dissertation comprises 139 pages and an appendix of 59 pages, 50 tables, 94 figures and a map.:Acknowledgments ii Abstract iii List of Tables iii List of Figures vi 1 Introduction 1 1.1 Significance of the investigations 1 1.2 Aims of the investigations 2 1.3 Sequence of field research activities 3 1.4 Area of investigation 4 1.4.1 Topographic situation and morphology .4 1.4.2 Climate 5 1.4.3 Geology and soils 9 1.4.4 Vegetation 10 1.4.5 Population and economy 10 1.4.6 Former limnological investigations in the Uvs Nuur Basin 11 1.4.7 Short description of the investigated waters 12 2 Methods 15 2.1 Sampling 15 2.2 Field measurements 16 2.3 Laboratory analyses and data evaluation 19 3 Results and discussion 26 3.1 Rivers 26 3.1.1 Morphology and hydrology 26 3.1.2 Runoff dynamics 34 3.1.3 Water temperature and freezing 38 3.1.4 Chemical properties 39 3.1.5 Aquatic biota 43 3.2 Lakes 53 3.2.1 Formation and morphometry 53 3.2.2 Water level changes and water balance 58 3.2.3 Temperature and overturn dynamics of the water body 63 3.2.4 Vertical gradients of physico-chemical parameters and chlorophyll 65 3.2.5 Horizontal gradients in Uvs Nuur: surface temperature and suspended matter 69 3.2.6 Salinity and ionic composition 71 3.2.7 Nutrients and trophic state 74 3.2.8 Sediments 79 3.2.9 Aquatic biota 83 3.3 Groundwater 95 3.3.1 Hydrology 95 3.3.2 Chemical composition 96 3.3.3 Biota 98 4 Conclusions and synthesis 99 4.1 Exogenous factors influencing the character of water bodies 99 4.1.1 Biological structure of running waters 100 4.1.2 Biological structure of lakes 104 4.2 Food webs 105 4.3 Biogeographical classification 110 4.4 Spatial sequence of water bodies and material flows 113 4.5 Transformation of the water bodies 116 4.6 Typology of water bodies 117 4.7 Protection of landscape and waters 121 5 Literature 124 6 Appendices 140 6.1 Tables 140 6.2 Cross sections and longitudinal profiles of rivers 169 6.3 Microscopical images of algal species 175 6.4 Satellite images 179 6.5 Photographs of sampled waters 182

La matière organique dissoute (MOD) joue un rôle clé dans le fonctionnement des rivières à titre de vecteur de carbone organique et d’énergie, tout en contribuant au transport de nutriments, de métaux et de divers contaminants. Elle est principalement dégradée à travers la minéralisation photochimique et la respiration bactérienne. La vitesse à laquelle se produit cette dégradation est influencée à la fois par la composition chimique et moléculaire de la MOD et par les conditions environnementales dans lesquelles elle est transformée. Toutefois, les études évaluant simultanément ces effets intrinsèques et extrinsèques sont rares en milieu fluvial et la plupart se concentrent sur un seul des processus de dégradation. De plus, les résultats de ces expériences sont rarement transposés à une colonne d’eau entière, ce qui limite l’évaluation de la réactivité écosystémique en rivière. Durant l’été 2019, nous avons échantillonné 40 sites le long d’un transect de 207 kilomètres sur le fleuve Saint-Laurent, une grande rivière tempérée dans laquelle s’écoulent côte-à-côte deux masses d’eau contrastées en termes de propriétés chimiques et physiques. En laboratoire, nous avons évalué la bio- et la photo-réactivité de la MOD au moyen d’incubations et d'expositions sous un simulateur solaire pour ensuite transposer ces données à l’écosystème en estimant pour tous les sites échantillonnés des taux surfaciques de dégradation in situ à partir de profils lumineux et bathymétriques. Nos résultats indiquent que la dégradation in situ de la MOD est essentiellement déterminée par la dégradation biologique. Cette dernière est généralement un à deux ordres de grandeur plus importante que la dégradation photochimique. Les taux surfaciques totaux de dégradation (calculés comme la somme des taux de dégradation photochimique et biologique) vont de 36,7 à 892,1 mg C m-2 j-1. Les taux surfaciques de dégradation photochimique sont principalement influencés par la photoréactivité de la MOD. En revanche, nous avons identifié un pool relativement constant de MOD bioréactive qui semble indépendant de la concentration initiale, de la composition ou des conditions environnementales. Des taux disproportionnellement élevés de biodégradation (2,5 à 4 fois la moyenne) ont été observés pour quelques sites peu profonds et situés près d’effluents urbains ou d’îles. Ces taux sont probablement stimulés par une combinaison de concentrations élevées en nutriments et une proportion plus importante de composantes protéiniques dans la MOD. Nos travaux fournissent l’une des rares démonstration expérimentale de la dominance de la dégradation biologique dans les grandes rivières, mais révèlent que la dégradation photochimique peut être d’importance comparable dans certaines zones de faible profondeur plus fortement connectées au milieu terrestre. En somme, ces observations suggèrent l’existence de points de contrôle écosystémiques pour la réactivité de la MOD dans les grandes rivières et laissent entrevoir de nouveaux questionnements quant à leur rôle dans l’export et le transport de matière terrestre. / Dissolved organic matter (DOM) is central to rivers functioning as it is a complex mixture composed of vast amounts of organic carbon and energy, also acting as a vector for nutrients, metals and various contaminants. Both the chemical and molecular composition of the DOM and the environmental conditions in which it is processed can influence its rate of removal from the water column, mainly through photochemical mineralization and bacterial respiration. Studies evaluating these intrinsic and extrinsic aspects simultaneously, particularly on both the biological and photochemical degradation are rare, particularly in large fluvial systems. During the summer of 2019, we sampled a 207 km transect of the St. Lawrence (SLR), a large temperate river in which flows two strikingly distinct water masses in terms of origin as well as chemical and physical properties. We then assessed DOM bio- and photo-reactivity at 40 sites along the river through a series of standardized incubations and exposure to simulated sunlight, and then used water irradiance and morphometric profiles to estimate in situ areal rates of processing across the river. We found that the in situ reactivity was mostly driven by biological degradation, which was typically one to two order of magnitude higher than photochemical degradation. Total daily processing (calculated as the sum of photochemical and biological degradation) across the whole water column ranged from 36.7 to 892.1 mg C m-2 d-1. In situ photochemical degradation was largely driven by DOM photoreactivity. In contrast, we found a relatively constant baseline pool of biolabile DOM that appeared to be independent from changes in concentration and environmental conditions. Disproportionately high biodegradation rates (2.5-4x the average) were found in a few shallower sites, near effluents or islands, potentially driven by a combination of local increases in nutrient concentration and compositional changes in the proportion of protein-like DOM. We provide rare experimental evidence for the often-assumed dominance of biodegradation over photodegradation in large rivers, but also emphasize that photodegradation can locally be just as important in terrestrially connected areas of low depth. In turn, these observations hint at the presence of ecosystem control points in large and heterogenous rivers with contrasting sources and composition of DOM, opening new research perspectives into the role of large rivers in the export and retention of terrestrial matter.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Le lac Saint-Charles est utilisé comme réserve d'eau potable pour plus de 230 000 résidents de la Ville de Québec. En 2006, une première prolifération importante de cyanobactéries y a été signalée. L'objectif de ce mémoire est de caractériser la limnologie du lac Saint-Charles sur une période de deux ans afin de mieux comprendre les facteurs de contrôle des populations de cyanobactéries ainsi que les sources potentielles d'eutrophisation. Les analyses de la qualité de l'eau montrent que les concentrations de phosphore total de l'épilimnion, en moyenne 10 [mu]g L⁻¹, n'ont pas changé de manière significative au cours des 30 dernières années et elles indiquent un niveau oligo-mésotrophe. Cependant, la transparence de l'eau et la concentration de chl α indiquent plutôt un niveau méso-eutrophe. D'autres indices comme le déficit en oxygène dans les sections les plus profondes du lac et la prolifération de cyanobactéries formant des fleurs d'eau suggèrent aussi que le lac est à un stade mésotrophe avancé. L'analyse de la communauté de phytoplancton a révélé de grandes variations interannuelles dans sa composition taxonomique. En 2007, la communauté de phytoplancton a été dominée par deux espèces de cyanobactéries qui forment des fleurs d'eau (Microcystis aeruginosa et Anabaena cf. flos-aquae) alors qu'en 2008, il n'y a pas eu de fleurs d'eau de cyanobactéries et la communauté de phytoplancton était dominée par des chrysophytes flagellés. L'échantillonnage complet réalisé en 2007 et 2008 offre l'opportunité d'évaluer les facteurs pouvant être responsables de ces variations. Comme le phosphore est l'élément qui limite la croissance du phytoplancton et des cyanobactéries au lac Saint-Charles, nous avons tenté d'identifier les sources principales de cet élément à partir de données mesurées et modélisées. Nos résultats indiquent que le bassin versant de la rivière des Hurons est la principale source de phosphore et qu'il existe une forte relation entre la concentration de phosphore total et le débit dans cette rivière. Les périodes de crue auraient, par conséquent, un impact majeur sm- les charges en phosphore du lac. Nos résultats suggèrent aussi que les stations d'épuration ont un impact notable sur les charges en phosphore des deux principaux affluents du lac Saint-Charles, ce qui peut mener à des répercussions négatives sur la qualité de l'eau du lac.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'Arctique se réchauffe rapidement, et les lacs de ces régions sont typiquement décrits comme étant très sensibles aux variations environnementales. Cependant, les données physicochimiques sous forme de profils ou de séries temporelles sont rares, en particulier dans les régions les plus nordiques, et peu d'attention a été accordée à la période sous glace. Cette thèse se compose de trois chapitres visant à mieux comprendre la dynamique des lacs de l'Arctique face aux changements climatiques, en se penchant sur la dynamique de l'oxygène et les processus biogéochimiques impliqués. Le premier chapitre se penche sur quatre lacs côtiers de l'île d'Ellesmere. Des profils physicochimiques ont été mesurés dans ces lacs avant la fonte printanière sur trois années consécutives. Malgré leur proximité géographique, ces lacs présentaient des différences majeures en termes de propriétés limnologiques. Les lacs moins profonds, et situés plus proches de l'océan étaient pauvres en oxygène, tandis que les lacs plus profonds et plus éloignés étaient mieux oxygénés. En association avec la déplétion en oxygène dans les lacs peu profonds, des gradients verticaux prononcés en ions, métaux et éléments nutritifs ont été observés, indiquant des processus microbiens anaérobies importants. Ces résultats suggéraient que les caractéristiques biogéochimiques étaient davantage influencées par la morphologie du lac que par leur position le long du gradient océan-intérieur. Le deuxième chapitre est une revue systématique des connaissances sur la dynamique de l'oxygène dissous dans les lacs arctiques. Des données de 167 sites sur 76 ans, incluant 40 sites avec des séries temporelles ont été recueillies pour réaliser une méta-analyse. Les résultats ont montré que les lacs peu profonds situés au sud du gradient latitudinal étaient plus susceptibles d'avoir des concentrations d'oxygène faibles, et que les lacs méromictiques étaient situés vers le nord du gradient. Un modèle conceptuel a été développé pour expliquer les mécanismes derrière les variations de la dynamique d'oxygène en réponse aux pressions climatiques. Cette étude met en évidence la nécessité d'une surveillance continue de l'oxygène dissous dans les lacs arctiques, et suggère des efforts de modélisation pour mieux comprendre les répercussions des changements climatiques. Le troisième chapitre se penche sur la dynamique de l'oxygène et de la température dans un lac du Haut-Arctique sur trois cycles annuels complets. Les variations interannuelles ont révélé que ce lac est sensible aux changements de nature climatiques. Les étés plus chauds ont entraîné des concentrations d'oxygène élevées dans les eaux libres de glace et une stratification thermique, tandis que l'été le plus froid a provoqué une anoxie persistante dans les eaux de fond. Ces résultats indiquent que de légères variations climatiques peuvent entraîner des trajectoires différentes pour les lacs de l'Extrême-Arctique, avec des conséquences majeures pour les processus biogéochimiques. Cela souligne également l'importance de ces écosystèmes en tant qu'indicateurs des changements environnementaux globaux. Dans son ensemble, cette thèse montre que les lacs du Haut-Arctique sont sensibles aux changements climatiques et souligne l'importance de surveiller de près ces écosystèmes en transition. Ce projet fournit également des recommandations pour de futures études et met en évidence la nécessité de mieux comprendre les processus limnologiques dans l'Arctique pour prédire les répercussions des changements climatiques. / The Arctic is warming rapidly, and lakes in these regions are typically very sensitive to environmental variations. However, physicochemical data in the form of profiles or time series are rare, particularly in the northernmost regions, and little attention has been paid to the ice-covered period. This thesis consists of three chapters aiming for a better understanding of the dynamics of Arctic lakes in the face of climate change, with a focus on oxygen dynamics and the biogeochemical processes involved. In the first chapter, we studied four coastal lakes on Ellesmere Island. Physicochemical profiles were measured in these lakes before spring melt over three consecutive years. Despite their proximity to each other, these lakes presented major differences in terms of limnological properties. Shallower lakes located closer to the ocean were oxygen depleted, while deeper and more inland lakes were well oxygenated. In association with oxygen depletion in shallow lakes, pronounced vertical gradients in ions, metals and nutrients were observed, indicating significant anaerobic microbial processes. These results suggested that biogeochemical characteristics were more influenced by lake morphology than by their position along the ocean-inland gradient. The second chapter is a systematic review of knowledge about oxygen dynamics in Arctic lakes. Data from 167 sites over 76 years, including 40 sites with time series, were collected to perform a meta-analysis. The results showed that shallow lakes located south of the latitudinal gradient were more likely to have low oxygen concentrations, and that meromictic lakes were located toward the north of the gradient. A conceptual model was developed to explain the mechanisms behind variations in oxygen dynamics in response to climatic pressures. This study highlights the need for continued monitoring of dissolved oxygen in Arctic lakes, and suggests modelling efforts to better understand the impacts of climate change. The third chapter looks at the dynamics of oxygen and temperature in a High Arctic lake over three complete annual cycles. Interannual variations revealed that this lake is sensitive to climatic variables. Warmer summers led to elevated oxygen concentrations in ice-free waters and thermal stratification, while the colder summer caused persistent anoxia in bottom waters. These results indicate that small climatic variations can lead to different trajectories for High Arctic lakes, with major consequences for biogeochemical processes. They also highlight the importance of these ecosystems as indicators of global environmental changes. This thesis shows that High Arctic lakes are sensitive to climate change and highlights the importance of closely monitoring these transitioning ecosystems. This project also provides recommendations for future studies and highlights the need to better understand limnological processes in the Arctic to predict the impacts of climate change.

Les écosystèmes aquatiques sont de plus en plus reconnus pour leur rôle dans les cycles biogéochimiques locaux et globaux en raison de leur grand potentiel réactif. Les tourbières sont quant à elles des environnements relativement stables, mais qui participent aussi largement aux cycles biogéochimiques car elles accumulent de grandes quantités de carbone (C) et d’autres éléments dans leurs sols. À l’intérieur de certaines tourbières tempérées, de petites étendues d’eau se développent par la décomposition de la matière organique qui compose leur matrice, mais de larges pans de leur fonctionnement biogéochimique sont ignorés. La structure et la géographie de ces mares de tourbières, particulièrement l’interface eau-tourbe qui les caractérise, pourraient d’ailleurs en faire des écosystèmes d’un dynamisme peu commun. Le but de cette thèse est de déterminer en quoi la géographie particulière des mares de tourbières, à commencer par celle des régions tempérées, influence leurs patrons et processus biogéochimiques. Les résultats démontrent que les mares de tourbières sont des écosystèmes sans commune mesure parmi les milieux aquatiques. Les mares sont biogéochimiquement distinctes des autres milieux lentiques en raison de la structure du paysage qui les entoure, faisant d’elles des environnements où les concentrations en C organique dissous (DOC) sont plusieurs fois plus élevées et où le pH est 100 fois plus acide que dans les lacs. La biogéochimie des mares est par contre variable dans le temps et l’espace en fonction de paramètres morphologiques et climatiques. Par exemple, les concentrations en DOC sont plus élevées dans les mares les moins profondes et sous un climat moins humide, mais ces concentrations fluctuent rapidement au cours des saisons en fonction de variations météorologiques, faisant d’elles des sentinelles climatiques. Les patrons biogéochimiques observés dans les mares de tourbières semblent tirer leur origine de leur structure plutôt que d’une influence allochtone à plus grande échelle comme c’est le cas pour la plupart des lacs. Une expérience menée dans une tourbière ombrotrophe du sud du Québec montre ainsi que les processus de décomposition de la matière organique qui caractérisent les mares de tourbières varient spatialement en fonction de la profondeur des mares et de la composition chimique du matériel à décomposer. Au final, les résultats de la thèse démontrent que les patrons et processus biogéochimiques observés dans les mares de tourbières tempérées sont effectivement dirigés par leur géographie particulière, où les mécanismes fonctionnels sont en partie dictés par l’interface eau-tourbe. / Aquatic ecosystems are increasingly recognized for their contribution to local and global biogeochemical cycles because of their high reactivity potential. Peatlands are relatively stable ecosystems but that nonetheless play a large role in biogeochemical cycles because they sequester large amounts of carbon (C) and other elements. Within temperate peatlands, waterbodies may develop by the decomposition of the organic matter that forms the soil but their biogeochemical functioning remain largely ignored. Their structure and their geography, especially the water-peat interface, may thus make peatland pools ecosystems that are more dynamic than other aquatic environments. The goal of this thesis is to determine how the geography of temperate peatland pools influences their biogeochemical patterns and processes. Results show that peatland pools are biogeochemically distinct from other aquatic environments because of the structure of the landscape in which they develop, with dissolved organic C (DOC) concentrations being severalfold higher and pH being 100-fold more acidic than lakes. The biogeochemistry of peatland pools is, however, variable in both space and time in relation to morphological and climatic parameters. For example, DOC concentrations are higher in shallower pools and in arid climates, but these concentrations rapidly vary within and across seasons in relation to changes in temperatures and precipitation, highlighting their potential to act as climate sentinel. The observed biogeochemical patterns in peatland pools originate from their internal structure rather than from a broader-scale allochthonous influence like lakes. The influence of pool internal structure was revealed in an experiment we conducted in an ombrotrophic peatland of southern Québec that showed that organic matter decomposition processes vary spatially in relation to pool depth and to the chemical composition of the organic matter. Overall, the results demonstrate that temperate peatland pool biogeochemical patterns and processes are indeed controlled by their unique geography, and where functional mechanisms are partly driven by the water-peat interface.

La majorité des études en limnologie et en sciences animales concentrent leurs efforts soit sur les écosystèmes d'eau douce ou sur les populations animales. Peu se sont intéressés aux liens qui existent entre les deux dans une perspective temporelle. L'utilisation des techniques de la paléolimnologie dans la gestion de populations animales est de grand intérêt puisque le manque de données à long terme est un problème crucial compliquant le processus de décision souvent basé sur des études à court terme uniquement et menant trop souvent à des décisions de gestion quelque peu aléatoires. Cette étude a pour objectfs d'évaluer l'impact de la population de la Grande Oie des Neiges sur les conditions chimiques des lacs et étangs (limnologie) et de tester le potentiel des méthodes de la paléolimnologie pour des reconstitutions de l'évolution des populations animales. Une étude de 27 écosystèmes d'eau douce a été effectuée sur l'île Bylot (Nunavut, Canada) dans l'optique d'identifier les facteurs expliquant la variabilité des conditions limnologiques dans l'espace à savoir si la présence ou l'absence d'oiseaux dans le bassin versant était un élément important. Notre étude a démontrée que la distance du plan d'eau de la mer est la variable principale expliquant les différences limnologiques observées au sein des sites d'études. Les variables reliées à la présence de la Grande Oie des Neiges dans le bassin versant jouaient, quant à elles, un rôle secondaire mais significatif. Les concentrations de N et de P étaient significativement plus élevées au sein des sites visités par les oiseaux qu'au sein des sites non visités, mettant de l'avant l'importance de l'impact des populations animales nordiques sur les écosystèmes d'eau douce. À la lueur de ces résultats, il est possible d'appliquer les techniques de la paléolimnologie afin d'étudier les variations de la population animale dans le passé. Nos résultats suggèrent que l'environnement de l'île Bylot est resté plutôt stable au niveau climatique de 1490 à 2004. Néanmoins, des changements importants d'ordre biologique ont été observés dans les lacs fréquentés par la population d'oies. Ces tendances coïncidaient bien avec les fluctuations récentes connues au sein de la population de la Grande Oie des Neiges, permettant de suggérer une reconstitution de la population. Cette étude a démontrée que, depuis plusieurs siècles, la population de Grande Oie des Neiges n'a jamais été aussi importante qu'aujourd'hui, supportant ainsi la nécessité d'une gestion de la population adéquate, et de l'étude des causes de cette augmentation récente du nombre d'individus. Ces résultats démontrent aussi que la paléolimnologie peut être un outil important dans la production de bases de données à long terme, offrant une meilleure compréhension de la dynamique des populations animales dans un contexte de gestion.