La spéciation colloïdale des éléments traces métalliques (Cu, Pb et Cd) a été étudiée dans l'estuaire de la Penzé (Manche Occidentale, Bretagne) lors du cycle saisonnier. Cette étude a été réalisée afin de mieux comprendre les mécanismes responsables du transfert des métaux entre les différentes fractions (particulaire, colloïdale et réellement dissoute) lors du mélange des eaux. Deux techniques ont été utilisées : (i) l'ultrafiltration permettant le fractionnement en 7 fractions de taille différente et (ii) la chronopotentiométrie pour la détermination de la teneur en métal dans les différentes fractions. L'ultrafiltration a été choisie car c'est une méthode non destructive et de mise en oeuvre simple et peu coûteuse. Les limites de détection de la chronopotentiométrie ont été améliorées de façon à pouvoir doser les métaux dans les différentes fractions. Nos résultats ont montré une présence particulièrement importante des métaux (Cu, Pb, Cd) dans la fraction colloïdale. Si le Cd est trouvé dans la partie plutôt basse du spectre de taille colloïdal (<50 kDa), le Pb est par contre préférentiellement associé à des composés de haut poids moléculaire (>300 kDa). Quant au Cu, il présente une distribution intermédiaire. Lors du cycle saisonnier, deux phénomènes majeurs ont été identifiés : (i) une forte mobilisation des substances humiques depuis les sols du bassin versant à l'automne et (ii) la dégradation du matériel organique particulaire dans le compartiment benthique au printemps. Ces processus affectent non seulement la répartition colloïdale des éléments étudiés mais jouent également un rôle important dans les quantités et les formes transférées vers la zone côtière.

Le changement d'occupation des sols contaminés est susceptible de modifier la nature et la quantité des matières organiques du sol (MOS). Les matières organiques sont connues pour avoir un rôle de source trophique pour les organismes des sols et un rôle de ligand vis-à-vis des éléments traces métalliques (ETM) dans les sols contaminés. Des changements de matières organiques dus aux changements d'occupation des sols contaminés peuvent modifier la spéciation des ETM et leur disponibilité. Mais dans ce cas, le rôle de la matière organique dans le déterminisme de la disponibilité des ETM est peu documenté. L'objectif du travail présenté dans cette thèse était de mettre en évidence le rôle des matières organiques dans la disponibilité des ETM, dans le cas de sols agricoles contaminés après un changement de cultures annuelles vers des cultures pérennes à vocation non-alimentaire. Le travail a concerné l'étude de la disponibilité du Cu, Pb, Zn et Cd dans les sols de deux sites différents en texture et en origine de pollution i.e. le site de Metaleurop (Nord de la France) avec des sols limoneux contaminés par des retombées atmosphériques et le site de Pierrelaye (Région Parisienne) avec des sols sableux contaminés par les apports d'eaux usées brutes de la ville de Paris. Le rôle de la matière organique a été étudié en travaillant 1) sur des échantillons de sols sous deux cultures différentes i.e. sous culture annuelle et culture pérenne à vocation énergétique miscanthus depuis trois ans, 2) sur les échantillons de sol avant et après incubation in vitro afin d'accélérer la minéralisation de la matière organique, et 3) sur des échantillons de sol avec et sans matières organiques particulaires (MOP) i.e. les fractions libres des MOS afin de mettre en évidence leur rôle spécifique. Une approche combinée d'évaluation de la disponibilité par des extractions chimiques des ETM et d'étude de la localisation des ETM dans des fractions granulométriques a été utilisée. Les résultats obtenus montrent que l'impact de l'occupation des sols (sous culture annuelle ou pérenne miscanthus) sur la disponibilité des ETM était différent pour les deux sites étudiés. Pour les sols du site de Metaleurop les résultats ont montré que la disponibilité de Cu et Pb diminuait sous miscanthus tandis qu'une augmentation de leur localisation dans les fractions fines était observée. Par contre aucun changement n'a été observé pour Zn ni Cd dans ce site. Au contraire pour les sols sableux riches en matières organiques de Pierrelaye le changement d'occupation a impacté la disponibilité de Zn et Cd tandis que celle de Pb et Cu n'a pas évolué. Les résultats des sols avant et après incubation montrent que l'impact de la minéralisation des MOS sur la disponibilité des ETM était site dépendant pour Pb et Cd alors que l'effet sur Cu et Zn était similaire pour les sols des deux sites. En travaillant sur les sols avec et sans MOP, nous avons pu observer que les MOP en tant que fraction organique libre participaient à la disponibilité des ETM telle qu'étudiée, et que une partie du cuivre lié aux MOP était disponible pour un organisme dans nos conditions. Ces résultats de disponibilités des ETM dans des sols qui varient avec la nature et la quantité des matières organiques sont discutés.

Les lacs jouent un rôle particulier dans le cycle de l’eau dans les bassins versants urbains. La stratification thermique et le temps de séjour de l’eau élevé favorisent le développement phytoplanctonique. La plupart des métaux sont naturellement présents dans l’environnement à l’état de traces. Ils sont essentiels pour les organismes vivants. Néanmoins, certains métaux sont connus pour leurs effets toxiques sur les animaux et les humains. La concentration totale des métaux ne reflète pas leur toxicité. Elle dépend de leurs propriétés et de leur spéciation (fractions particulaires, dissoutes: labiles ou biodisponibles et inertes). Dans les systèmes aquatiques, les métaux peuvent être absorbés par des ligands organiques ou minéraux. Leur capacité à se complexer avec la matière organique dissoute (MOD), particulièrement les substances humiques, a été largement étudiée. Dans les lacs, le développement phytoplanctonique peut produire de la MOD non-humique, connue pour sa capacité complexante des métaux. Pourtant, peu de recherche sur la spéciation des métaux dans la colonne d’eau des lacs urbains a été réalisée jusqu’à présent.Les objectifs principaux de cette thèse sont (1) d’obtenir une base de données fiables des concentrations en métaux traces dans la colonne d’eau de lacs urbains représentatifs; (2) d’évaluer leur biodisponibilité via une technique de spéciation adéquate ; (3) d’analyser leur évolution saisonnière et spatiale et leur spéciation; (4) d’étudier l’impact des variables environnementales, en particulier de la MOD autochtone sur leur biodisponibilité; (5) de lier la concentration des métaux au mode d’occupation du sol du bassin versant.Notre méthodologie est basée sur un suivi in-situ des lacs en complément d’analyses spécifiques en laboratoire. L’étude a été conduite sur trois sites: le lac de Créteil (France), le lac de Pampulha (Brésil) et 49 lacs péri-urbains (Ile de France). Sur le lac de Créteil, plusieurs dispositifs de mesure en continu nous ont fourni une partie de la base de données limnologiques. Dans le bassin versant du lac de Pampulha, la pression anthropique est très importante. Le climat et le régime hydrologique des 2 lacs sont très différents. Les 49 lacs de la région d’Ile de France ont été échantillonnés une fois pendant trois étés successifs (2011-2013). Ces lacs nous ont fourni une base de données synoptique, représentative de la contamination métallique à l’échelle d’une région fortement anthropisée.Afin d’expliquer le rôle des variables environnementales sur la concentration métallique, le modèle Random Forest a été appliqué sur les bases de données du lac de Pampulha et des 49 lacs urbains avec 2 objectifs spécifiques: (1) dans le lac de Pampulha, comprendre le rôle des variables environnementales sur la fraction labile des métaux traces, potentiellement biodisponible et (2) dans les 49 lacs, comprendre la relation des variables environnementales, particulièrement au niveau du bassin versant, sur la concentration dissoute des métaux. L’analyse des relations entre métaux et variables environnementales constitue l’un des principaux résultats de cette thèse. Dans le lac de Pampulha, environ 80% de la variance du cobalt labile est expliqué par des variables limnologiques: Chla, O2, pH et P total. Pour les autres métaux, le modèle n’a pas réussi à expliquer plus de 50 % de la relation entre fraction labile et variables limnologiques. Dans les 49 lacs, le modèle Random Forest a donné un bon résultat pour le cobalt (60% de la variance expliquée) et un très bon résultat pour le nickel (86% de la variance expliquée). Pour Ni les variables explicatives sont liées au mode d’occupation du sol : « Activités » (Equipements pour l’eau et l’assainissement, entrepôts logistiques, bureaux…) et « Décharge ». Ce résultat est en accord avec le cas du lac de Créteil où la concentration en Ni dissous est très élevée et où les catégories d’occupation du sol « Activités » et « Décharges » sont dominantes / Lakes have a particular influence on the water cycle in urban catchments. Thermal stratification and a longer water residence time in the lake boost the phytoplankton production. Most metals are naturally found in the environment in trace amounts. Trace metals are essential to growth and reproduction of organisms. However, some are also well known for their toxic effects on animals and humans. Total metal concentrations do not reflect their ecotoxicity that depends on their properties and speciation (particulate, dissolved: labile or bioavailable and inert fractions). Trace metals can be adsorbed to various components in aquatic systems including inorganic and organic ligands. The ability of metal binding to dissolved organic matter (DOM), in particular humic substances, has been largely studied. In urban lakes, the phytoplankton development can produce autochthonous DOM, non humic substances that can have the ability of metal binding.. But there are few studies about trace metal speciation in lake water column.The main objectives of this thesis are (1) to obtain a consistent database of trace metal concentrations in the water column of representative urban lakes; (2) to access their bioavailability through an adapted speciation technique; (3) to analyze the seasonal and spatial evolution of the metals and their speciation; (4) to study the potential impact of environmental variables, particularly of dissolved organic matter related to phytoplankton production on metal bioavailability and (5) to link the metal concentrations to the land use in the lake watershed.Our methodology is based on a dense field survey of the water bodies in addition to specific laboratory analysis. The research has been conducted on three study sites: Lake Créteil (France), Lake Pampulha (Brazil) and a panel of 49 peri-urban lakes (Ile de France). Lake Créteil is an urban lake impacted by anthropogenic pollution. It benefits of a large number of monitoring equipment, which allowed us to collect a part of the data set. In Lake Pampulha catchment, the anthropogenic pressure is high. Lake Pampulha has to face with many pollution point and non-point sources. The climate and limnological characteristics of the lakes are also very different. The panel of 49 lakes of Ile de France was sampled once during three successive summers (2011-2013); they provided us with a synoptic, representative data set of the regional metal contamination in a densely anthropized region.In order to explain the role of the environmental variables on the metal concentrations, we applied the Random Forest model on the Lake Pampulha dataset and on the 49 urban lake dataset with 2 specific objectives: (1) in Lake Pampulha, understanding the role of environmental variables on the trace metal labile concentration, considered as potentially bioavailable and (2) in the 49 lakes, understanding the relationship of the environmental variables, more particularly the watershed variables, on the dissolved metal concentrations. The analysis of the relationships between the trace metal speciation and the environmental variables provided the following key results of this thesis.In Lake Pampulha, around 80% of the variance of the labile cobalt is explained by some limnological variables: Chl a, O2, pH, and total phosphorus. For the other metals, the RF model did not succeed in explaining more than 50% of the relationships between the metals and the limnological variables.In the 49 urban lakes in Ile de France, the RF model gave a good result for Co (66% of explained variance) and very satisfying for Ni (86% of explained variance). For Ni, the best explanatory variables are landuse variables such as “activities” (facilities for water, sanitation and energy, logistical warehouses, shops, office…) and “landfill”. This result fits with Lake Creteil where dissolved Ni concentration is particularly high and where the “activities” and “landfill” landuse categories are the highest

La fixation de N2, ou diazotrophie, est un processus biogéochimique majeur en raison de son apport en azote nouveau dans la couche de surface de l’océan. Cependant ses facteurs de contrôle restent mal connus. Le fer, dont les concentrations de surface sont faibles, est un élément potentiellement limitant de la fixation de N2 du fait du contenu en fer important de la nitrogénase. En raison de leur découverte récente, peu d’études ont été menées sur les cyanobactéries diazotrophes unicellulaires (UCYN) pouvant être responsables de ~50% de la fixation de N2 à l’échelle globale. Des expériences en culture ont permis de caractériser et quantifier pour la première fois la réponse d’une UCYN, Crocosphaera watsonii, face à la limitation en fer. En condition de limitation en fer, il a été observé une réduction de la croissance et des taux de fixation de N2 ainsi qu’une stratégie d’adaptation des cellules avec une diminution de leur volume. La stimulation de la croissance et de l’activité de C. watsonii cultivées en condition de limitation en fer suite à l’ajout d’une pluie saharienne artificielle a permis de mettre en évidence qu’une partie au moins du fer issu de poussières désertiques est biodisponible. En Atlantique subtropical Nord, où nous avons déterminé une forte contribution de la fixation de N2 à la production nouvelle, nous avons observé une limitation de la fixation de N2 et de la production primaire principalement par les phosphates et mis en évidence le rôle des métaux traces dans le contrôle de la fixation de N2. Un ajout de pluie saharienne a permis de stimuler systématiquement la fixation de N2 et la production primaire. / Despite the biogeochemical importance of N2 fixation, which represents the largest source of newly-Fixed nitrogen to the open ocean, some uncertainties remain about its controlling factors. Iron (Fe) is widely suspected as a key controlling factor due to the high Fe content of the nitrogenase complex and to its low concentration in oceanic surface seawaters. N2 fixation rates associated with unicellular N2 fixing cyanobacteria (UCYN) were estimated to be ~50% of the total N2 fixation at global scale, but as they have been recently discovered few studies have been conducted on these organisms. We performed culture experiments in order to quantify for the first time the response of an UCYN, Crocosphaera watsonii, to Fe limitation. Reduction of ambient Fe concentration led to significant decreases in growth rate and N2 fixation rates per cell and we observed an adaptive strategy to Fe limitation with a cell volume reduction. Then, the enhancement of growth and activity of C. watsonii under Fe limitation condition after artificial Saharan rain addition highlighted that at least a part of the Fe released by the dust is bioavailable. In subtropical North Atlantic, an important contribution of N2 fixation to new production was observed and we showed that primary production and N2 fixation were globally P-Limited. We revealed that trace metals play a key role in controlling N2 fixation in this area. Saharan rain addition stimulated N2 fixation, presumably by supplying these nutrients. All these results contribute to our knowledge of the control of oceanic N2 fixation and provide new insight about interactions between Fe, nitrogen and carbon biogeochemical cycles.

Aucune étude physicochimique majeure des eaux du fleuve Chari n’a été réalisée malgré le fait que depuis l’indépendance du Tchad (1960), quelques usines agroalimentaires, des hôpitaux, des usines textiles, des abattoirs… se soient installés sur ses rives. Les résultats des analyses obtenus après un suivi de 2008 à 2010 ont montré la présence des métaux traces dans le Chari. Sur l’ensemble des échantillonnages d’eau analysés, le fer est l’élément métallique majeur devant le manganèse, le zinc et le nickel. Ces résultats varient en fonction des périodes de prélèvement (saison des pluies ou saison sèche). La plupart des valeurs obtenues dépassent largement les seuils acceptables selon les recommandations de l’OMS. La présence des métaux traces dans le Chari résulte aussi bien du processus naturel que de l’activité humaine. Bien que les concentrations de Ni, Cr, Co, Mn et Zn ne soient pas aussi élevées que celle du fer, le profil de répartition de ces éléments entre les différents sites montre une certaine similarité. Les valeurs moyennes de pH indiquent que les effluents ont un caractère légèrement alcalin, tandis que celles relatives à l’oxygène dissous sont satisfaisantes. De ce fait, les eaux du Chari sont impropres, du point de vue physicochimique voire potentiellement dangereuse pour la santé environnementale et humaine. La lutte contre les pollutions doit être entreprise le plus précocement possible / No physicochemical major study of water of the Chari river was carried out in spite of the fact that since the independence of Chad (1960), some food agro factories, hospitals, textile factories, slaughter-houses… were installed on its banks. Also, this work aims to the “contribution to the analytical study of the pollutants (particularly heavy metals) in waters of the Chari river crossing the town of N’Djamena” using the suitable chemical techniques. The results of the analyses obtains after a follow-up from 2008 to 2010 showed the presence of trace metals in the Chari river. On the whole of analyzed water samplings, iron is the major metal element in front of manganese, zinc and nickel. These results vary according to the periods of taking away( rainy season or dry season). The majority of the values obtained largely exceed the acceptable thresholds according to recommendations of WHO. The presence of trace metals in the Chari river results as well from the natural process as of human activity. Although the concentrations of Ni, Cr, Co, Mn, Cu and Zn are not as high as those of iron, the profile of distribution of these elements between the various sites shows a certain similarity. The average values of pH indicate that the effluents are slightly alkaline, while those relating to dissolved oxygen are satisfactory. So the waters of Chari are unsuitable, from the physicochemical point of view, even potentially dangerous for environmental and human health. The control of pollution must be undertaken the most preciously as possible

La présente étude porte sur l’évaluation d’une méthode d’acquisition de la solution de sol présente à l’interface sol-racine, dans la rhizosphère. Cette interface constitue le lieu privilégié de prise en charge par les plantes des contaminants, tels que les métaux traces. Comme les plantes acquièrent ces éléments à partir de la phase liquide, la solution de sol de la rhizosphère est une composante clé pour déterminer la fraction de métaux traces biodisponibles. La microlysimétrie est la méthode in situ la plus appropriée pour aborder les difficultés liées à l’échelle microscopique de la rhizosphère. Ainsi, dans les études sur la biodisponibilité des métaux traces au niveau de la rhizosphère, les microlysimètres (Rhizon©) gagnent en popularité sans, toutefois, avoir fait l’objet d’études exhaustives. L’objectif de cette étude est donc d’évaluer la capacité de ces microlysimètres à préserver l’intégrité chimique de la solution, tout en optimisant leur utilisation. Pour ce faire, les microlysimètres ont été soumis à une série d’expériences en présence de solutions et de sols, où la quantité de solution prélevée et le comportement des métaux traces (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) ont été étudiés. Les résultats montrent que les microlysimètres fonctionnent de façon optimale lorsque le contenu en eau du sol est au-dessus de la capacité au champ et lorsqu’il y a peu de matière organique et d’argile. Les sols sableux ayant un faible contenu en C organique reproduisent mieux le volume prélevé et la solution sous la capacité au champ peut être récoltée. L’utilisation des microlysimètres dans ces sols est donc optimale. Dans les essais en solution, les microlysimètres ont atteint un équilibre avec la solution après 10 h de prélèvement. En respectant ce délai et les conditions optimales préalablement établies (pH acide et COD élevé), les microlysimètres préservent la composition chimique de la solution. Dans les essais en sol, cet équilibre n’a pas été atteint après dix jours et huit prélèvements. Le contenu en matière organique et l’activité microbienne semblent responsables de la modification des concentrations en métaux au cours de ces prélèvements, notamment, dans l’horizon FH où les microlysimètres performent très mal. En revanche, dans l’horizon B, les concentrations tendent à se stabiliser vers la fin de la série de prélèvements en se rapprochant des valeurs de référence. Bien que des valeurs plus élevées s’observent pour les microlysimètres, leurs concentrations en métaux sont comparables à celles des méthodes de référence (extrait à l’eau, lysimètres de terrain avec et sans tension). En somme, les microlysimètres se comportent généralement mieux dans l’horizon B. Même si leur utilisation est plus optimale dans un sol sableux, cet horizon est privilégié pour de futures études sur le terrain avec les microlysimètres. / This study focuses on evaluating a method of acquiring soil solution in the soil-root interface of the rhizosphere. The liquid phase of the rhizosphere constitutes the main area where plants absorb contaminants like trace metals. Thus the rhizosphere soil solution is key to determine the amount of bioavailable trace metals. Microlysimetry has been described as the most appropriate in situ method to tackle difficulties inherent to the microscopic scale of the rhizosphere. Despite the lack of an exhaustive evaluation of their performance, microlysimeters have gained popularity for in situ studies on the bioavailability of trace metals. The objective of this study was to evaluate the capacity of microlysimeter to preserve the chemical integrity of the soil solution and also to determine their optimum use conditions. To do this, microlysimeter have been submitted to a series of laboratory experiments with solutions and soils. The volume of solution extracted and trace metals (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) behaviour were studied. Results show that microlysimeters work optimally when soil water content is above field capacity and when the amount of clay and organic matter is low. Sandy soils with low organic carbon content have a better reproducibility for extracted volume and soil solution extraction is possible even when soil water content is below field capacity. Using microlysimeters in this soil type is thus optimal. In solution experiments, microlysimeters reached equilibrium with the control solution after ten hours of extraction. In optimal conditions (acidic pH and high DOC) and after this ten hours period, microlysimeters preserve the chemical composition of the solution. In soil experiments, this equilibrium has not been reached after eight samplings throughout ten days. Organic matter content and microbial activity could be responsible for the modification of concentrations of trace metals during sampling. This is especially true for FH horizon where microlysimeters perform poorly. In contrast, the concentrations reach the reference values toward the end of sampling serie in the B horizon and microlysimeters have a better overall performance in this horizon. Although higher values are observed for microlysimeters, trace metals concentrations are comparable to other extraction methods, specifically for the B horizon. Even if their uses are optimized in sandy soil, the B horizon should be privileged for future field studies involving microlysimeters.

Dans les milieux contaminés par les métaux, les organismes vivants sont exposés à plusieurs d’entre eux en même temps. Les modèles courants de prédiction des effets biologiques des métaux sur les organismes (p. ex., modèle du ligand biotique, BLM ; modèle de l’ion libre, FIAM), sont des modèles d’équilibre chimique qui prévoient, en présence d'un deuxième métal, une diminution de la bioaccumulation du métal d’intérêt et par la suite une atténuation de ses effets. Les biomarqueurs de toxicité, tels que les phytochélatines (PCs), ont été utilisés comme étant un moyen alternatif pour l’évaluation des effets biologiques. Les phytochélatines sont des polypeptides riches en cystéine dont la structure générale est (γ-glu-cys)n-Gly où n varie de 2 à 11. Leur synthèse semble dépendante de la concentration des ions métalliques ainsi que de la durée de l’ exposition de l’organisme, aux métaux. L'objectif de cette étude était donc de déterminer, dans les mélanges binaires de métaux, la possibilité de prédiction de la synthèse des phytochélatines par les modèles d’équilibres chimiques, tel que le BLM. Pour cela, la quantité de phytochélatines produites en réponse d’une exposition aux mélanges binaires : Cd-Ca, Cd-Cu et Cd-Pb a été mesurée tout en surveillant l’effet direct de la compétition par le biais des concentrations de métaux internalisés. En effet, après six heures d’exposition, la bioaccumulation de Cd diminue en présence du Ca et de très fortes concentrations de Pb et de Cu (de l’ordre de 5×10-6 M). Par contre, avec des concentrations modérées de ces deux métaux, le Cd augmente en présence de Cu et ne semble pas affecté par la présence de Pb. Dans le cas de la compétition Cd-Cu, une bonne corrélation a été observée entre la production de PC2, PC3 et PC4 et la quantité des métaux bioaccumulés. Pour la synthèse des phytochélatines et la bioaccumulation, les effets étaient considérés comme synergiques. Dans le cas du Cd-Ca, les quantités de PC3 et PC4 ont diminué avec le métal internalisé (effet antagoniste), mais ce qui était remarquable était la grande quantité de cystéine (GSH) et PC2 qui ont été produites à de fortes concentrations du Ca. Le Pb seul n’a pas induit les PCs. Par conséquent, il n’y avait pas de variation de la quantité de PCs avec la concentration de Pb à laquelle les algues ont été exposées. La détection et la quantification des PCs ont été faites par chromatographie à haute performance couplée d’un détecteur de fluorescence (HPLC-FL). Tandis que les concentrations métalliques intracellulaires ont été analysées par spectroscopie d’absorption atomique (AAS) ou par spectrométrie de masse à source plasma à couplage inductif (ICP-MS). / In contaminated environments, organisms are often exposed to multiple contaminants at the same time. Based upon the current models for predicting metal effects on organisms (e.g., Biotic Ligand Model, BLM, the free ion model, FIAM), the presence of a second metal is predicted to decrease the bioaccumulation and biological effects of the first. In contrast to this prediction, antagonistic, synergistic and additive effects have been well documented in the literature. Phytochelatins (PCs) are a family of thiol-rich peptides with a general structure (γ-Glu-Cys)n-Gly with n=2-11. PCs are involved in both metal homeostasis and the protection of plants from metal toxicity, through their role as metal chelators. Their synthesis depends upon the metal exposure, the duration of exposure and the biological species involved. Therefore, the objective of this study was to determine, in binary mixtures of metals, if the synthesis of phytochelatins could be predicted using equilibrium models, such as the BLM. The study initially examined binary mixtures: Cd-Ca, Cd-Pb and Cd-Cu by comparing the quantity of internalized metal to the amount of phytochelatins produced by Chlamydomonas reinhardtii in response to a metal stress. The bioaccumulation results, after six hours of exposure, showed that Cd decreased in the presence of Ca and very high concentrations of Pb and Cu. In contrast, it increased in the presence of Cu and remained unchanged in the presence of moderate concentrations of Pb. For mixtures of Cu and Cd, a good correlation was observed between the production of PC2, PC3 and PC4 and the quantity of internalized metals. Both bioaccumulation and phytochelatin synthesis were considered to be synergistic. For mixtures of Cd and Ca, the amount of PC3 and PC4 produced decreased with the internalized metal (antagonistic effect); however, in the presence of added Ca, GSH and PC2 production was much higher than predicted. The detection and quantification of the PCs were performed using an optimized protocol for high performance liquid chromatography coupled with fluorescence detection (HPLC-FL); metal uptake was determined using atomic absorption spectrometry (AAS) or inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).

Le changement d’occupation des sols contaminés est susceptible de modifier la nature et la quantité des matières organiques du sol (MOS). Les matières organiques sont connues pour avoir un rôle de source trophique pour les organismes des sols et un rôle de ligand vis-à-vis des éléments traces métalliques (ETM) dans les sols contaminés. Des changements de matières organiques dus aux changements d’occupation des sols contaminés peuvent modifier la spéciation des ETM et leur disponibilité. Mais dans ce cas, le rôle de la matière organique dans le déterminisme de la disponibilité des ETM est peu documenté. L’objectif du travail présenté dans cette thèse était de mettre en évidence le rôle des matières organiques dans la disponibilité des ETM, dans le cas de sols agricoles contaminés après un changement de cultures annuelles vers des cultures pérennes à vocation non-alimentaire. Le travail a concerné l’étude de la disponibilité du Cu, Pb, Zn et Cd dans les sols de deux sites différents en texture et en origine de pollution i.e. le site de Metaleurop (Nord de la France) avec des sols limoneux contaminés par des retombées atmosphériques et le site de Pierrelaye (Région Parisienne) avec des sols sableux contaminés par les apports d’eaux usées brutes de la ville de Paris. Le rôle de la matière organique a été étudié en travaillant 1) sur des échantillons de sols sous deux cultures différentes i.e. sous culture annuelle et culture pérenne à vocation énergétique miscanthus depuis trois ans, 2) sur les échantillons de sol avant et après incubation in vitro afin d’accélérer la minéralisation de la matière organique, et 3) sur des échantillons de sol avec et sans matières organiques particulaires (MOP) i.e. les fractions libres des MOS afin de mettre en évidence leur rôle spécifique. Une approche combinée d’évaluation de la disponibilité par des extractions chimiques des ETM et d’étude de la localisation des ETM dans des fractions granulométriques a été utilisée. Les résultats obtenus montrent que l’impact de l’occupation des sols (sous culture annuelle ou pérenne miscanthus) sur la disponibilité des ETM était différent pour les deux sites étudiés. Pour les sols du site de Metaleurop les résultats ont montré que la disponibilité de Cu et Pb diminuait sous miscanthus tandis qu’une augmentation de leur localisation dans les fractions fines était observée. Par contre aucun changement n’a été observé pour Zn ni Cd dans ce site. Au contraire pour les sols sableux riches en matières organiques de Pierrelaye le changement d’occupation a impacté la disponibilité de Zn et Cd tandis que celle de Pb et Cu n’a pas évolué. Les résultats des sols avant et après incubation montrent que l’impact de la minéralisation des MOS sur la disponibilité des ETM était site dépendant pour Pb et Cd alors que l’effet sur Cu et Zn était similaire pour les sols des deux sites. En travaillant sur les sols avec et sans MOP, nous avons pu observer que les MOP en tant que fraction organique libre participaient à la disponibilité des ETM telle qu’étudiée, et que une partie du cuivre lié aux MOP était disponible pour un organisme dans nos conditions. Ces résultats de disponibilités des ETM dans des sols qui varient avec la nature et la quantité des matières organiques sont discutés. / The changes in land use of contaminated agricultural soils are susceptible to modify their trace metal availabilities by changing the quality and quantity of soil organic matter. But the role of soil organic matter in the determinism of trace metal availabilities in contaminated soils is not well known. The objective of the present study was to assess the role of soil organic matter in determinism of trace metal availabilities and their dynamics in contaminated soils varying in their texture and nature of pollution. A strategy of studying Cu, Pb, Zn and Cd availabilities of two sites with different texture and origin of pollution was adopted and the role of organic matter was assessed through; 1) sampling the soils of two parcels at each site with two different land uses i.e. under annual crop and under perennial energy crop miscanthus, 2) changing the soil organic matter of these soils through in vitro soil incubations. A combined approach of chemical metal extractions and metal localization study in different soil size fractions was used. The results of the trace metal availabilities of the soil under miscanthus compared to annual crop soil showed that the influence of changes in organic matter through land use was different at both sites. In the silty clayed soil, the availability of Cu and Pb which are the metals known to be preferentially bound to organic matter was decreased with an increase in their localization in soil finer fractions. In the site with organic matter rich sandy soils the availability of metals which are known to be bound to soil mineral phases i.e. Zn and Cd was changed without a change in their localization. The results of laboratory incubation experiments revealed that the mineralization of soil organic matter affects the trace metal availability in two ways. Cu and Zn availabilities are changed in all soils whatever the texture while Pb and Cd availabilities changed only in sandy soils. This difference of the change of metal availabilities in both cases of organic matter variations i.e. between the soil samples under different land use and in the samples of laboratory incubations can be explained by the fact that the changes in organic matter were not similar in both cases. Our work on the metal enriched particulate organic matter (POM) fractions, the most labile organic matter fractions showed that POM act as source and sink of the metals in our conditions and POM associated copper is bioavailable in liquid medium but its bioavailability is less than the metal added as salt solution. These results, increasing the understanding of the role of soil organic matter in the determinism of trace metal availability in different textured soils, are discussed.

L'ablation laser couplée à une détection par spectrométrie de masse à plasma induit apparait de plus en plus comme un outil de choix pour l'analyse des solides. L'utilisation de sources laser femtoseconde permet d'améliorer les performances analytiques du couplage, l'interaction laser-matière privilégiant les phénomènes athermiques contrairement aux lasers nanoseconde plus classiquement utilisés. Une collaboration entre le Laboratoire de Chimie Analytique Bio-Inorganique et Environnement de Pau et Novalase SA (spécialisé dans l'intégration optique et laser) a fait naitre la première station d'ablation laser femtoseconde intégrée. Ses caractéristiques particulières, que sont la haute cadence de tir et un optique de balayage rapide du faisceau, permettent d'explorer de nouvelles stratégies d'ablation et ouvrent des perspectives analytiques encourageantes en terme de sensibilité et de mode de quantification. Le potentiel de ce prototype a été évalué au travers d'analyses fondamentales, telles que le fractionnement élémentaire et l'étude de la taille des particules de l'aérosol produit par ablation, et de différentes applications telles que l'analyse de sols et de sédiments par dilution isotopique réalisée par le laser dans la chambre d'ablation, la détection de sélénoprotéines dans des gels d'électrophorèse et la détermination de l'isotopie de l'uranium dans des particules micrométriques.

L'étude des interactions métaux traces – matière organique naturelle marine est rendue difficile par leurs faibles concentrations en milieux marins et côtiers. Ce travail propose un protocole d'analyse permettant la détermination des propriétés de complexation de la matière organique naturelle dissoute (MOND), et plus spécifiquement la MOND marine, vis-à-vis de contaminants métalliques comme le cuivre. L'approche par concentration de la MOND est habituellement utilisée, mais il est possible de travailler directement sur l'échantillon naturel, sans lui faire subir d'étapes de pré-concentration ou de traitements physico-chimiques susceptibles d'altérer significativement sa structure. La mise en place de ce protocole analytique fournit des paramètres de complexation directement utilisables dans des logiciels de spéciation chimique, ou de transports de polluants, pour prédire la biodisponibilité des métaux traces. Les principaux obstacles au développement de ce protocole ont été d'adapter la manière de travailler aux très faibles concentrations de métaux et de carbone, en milieu principalement marin. La technique électrochimique de DPASV permet d'atteindre une limite de détection suffisamment basse pour étudier les échantillons directement dans les conditions naturelles. L'utilisation d'une titration métallique, en mode logarithmique, permet de balayer une gamme de concentration métallique suffisamment large pour déterminer les paramètres de complexation de la MOND pour des concentrations en carbone aussi basses que celles pouvant être rencontrées dans le milieu naturel. Des résultats identiques sont obtenus en traitant la cinétique de complexation des échantillons analysés. Ce protocole, appliqué à des MOND concentrées et non concentrées, et testé sur différents échantillons de MOND marines et estuariennes, montre qu'une approche rapide sans concentration de la MOND est possible. Toutefois, la concentration de la MOND a aussi été utilisée afin de déterminer les paramètres de complexation d'une MOND marine modèle tenant compte du calcium, du cuivre et du proton.