Ce document synthétise l'ensemble de mes activités de recherche depuis mon doctorat à l'Institut National Agronomique Paris-Grignon (actuellement AgroParisTech), obtenu en 2001, jusqu'à mes travaux les plus récents et en cours effectués au Laboratoire Environnement Eau et Systèmes Urbains (LEESU) où je suis maître de conférences depuis mon recrutement en 2002. Le LEESU est un laboratoire commun à l'Université Paris-Est Créteil Val de Marne (UPEC), l'Ecole des Ponts Paris Tech, l'Université Paris-Est Marne-la-Vallée (UPEMLV) et AgroParisTech. L'ensemble de mes recherches s'inscrit dans un contexte scientifique cohérent puisque mes activités ont toujours traité de la biogéochimie des éléments traces métalliques dans l'environnement. J'ai abordé la problématique des métaux dans les sols pollués durant mon travail de doctorat. Depuis mon recrutement au LEESU, je travaille sur les métaux dans les systèmes aquatiques et, notamment, leurs sources et leur spéciation dans le milieu récepteur. Ce manuscrit comporte classiquement trois parties. En premier lieu, je décris le contexte scientifique correspondant à mes thèmes de recherche. Dans un second temps, j'expose mes différentes activités et les principaux résultats obtenus. Pour finir, je présente mes perspectives de recherche pour les années qui viennent.

Les matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (MEEF) sont utilisées pour caractériser la matière organique naturelle (MON). Afin de mieux exploiter ces informations, un algorithme trilinéaire, PARAFAC, est employé. Après l'élimination des diffusions Rayleigh et Raman et la correction de l'effet d'écran, cette méthode permet de séparer les composants spectraux présents dans les MEEF.Ce travail présente deux études : la qualification et la quantification de la MON selon son origine environnementale et le calcul des constantes de complexation de la MON et du cuivre sous forme ionique.Les composants spectraux et leurs intensités relatives sont calculés par PARAFAC à partir 1146 échantillons regroupés suivant les missions, leur type de milieu, ou le niveau de salinité. Pour étudier ces composants, une nouvelle représentation spectrale est proposée afin de mettre en évidence leur variabilité spectrale. Les résultats montrent que le regroupement d'échantillons d'origine diverse conserve le recouvrement spectral global et les intensités relatives. Sur l'ensemble du domaine spectral, les zones correspondant aux substances humiques sont peu variables, comparées à la zone protéinique.La complexation des métaux par la MON est analysée par une technique combinant quatre outils : l'ajout logarithmique d'ions métalliques, la mesure de MEEF, la méthode PARAFAC et l'algorithme PROSECE. La mesure du quenching de fluorescence ne se limite pas seulement à la modélisation d'une intensité de fluorescence mais à celle de l'intensité relative de chaque composant PARAFAC surpassant ainsi les méthodes utilisées jusqu'à présent. Finalement, l'application de cette technique originale permet de quantifier les propriétés de complexation de la MON à l'aide d'un modèle de complexation utilisant 2 sites de complexation par composant en utilisant la totalité du signal de fluorescence.

Cette thèse a pour objectif de tester l’intérêt des spéléothèmes en tant qu’archive pédologique dans le but de reconstruire l’histoire des sols à haute-résolution durant la période Holocène. Il s’appuie sur une partie expérimentale visant à tester la robustesse des proxies organiques comme indicateurs des variations environnementales au cours du temps, et sur l'utilisation des indicateurs robustes pour reconstruire l'évolution de l'environnement dans les Bauges durant les 6000 dernières années.Le d13C de la matière organique (MO, indicateur de la dynamique de la MO dans les sols) et les lipides (indicateurs des contributions des différentes sources) ont été analysés en complément du d13C de la calcite. Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) ont également été utilisés comme molécule sonde pour comprendre le transfert des différentes molécules organiques, et comme indicateur des combustions passées, naturelles ou anthropiques. Une attention particulière a été portée à l’optimisation de la méthode analytique, afin que la résolution temporelle des analyses soit compatible avec les questions environnementales. Les résultats obtenus pour ces proxies ne sont pas exploitables et montrent un manque de robustesse attribué à des problèmes analytiques (d13CMO, lipides), au type d’alimentation des spéléothèmes (HAP) ou a des effets de site (d13C calcite).L’analyse de fluorescence UV en phase solide a été utilisée pour obtenir un enregistrement haute-résolution des variations semi-quantitatives et qualitatives de la MO. Un protocole a été développé pour quantifier l’intensité de fluorescence en phase solide (FPS). L'intensité de fluorescence en phase liquide d'extraits de MO des sols et des spéléothèmes ont été couplées par un modèle non linéaire à la FPS à haute résolution. Cette méthode a permis d’obtenir une chronique des flux de MO exportée depuis les sols sur une stalagmite test, provenant du Vercors (Grotte de Choranche) et couvrant les 400 dernières années.Un enregistrement composite de l’intensité de fluorescence et du d18O a été créé à partir de trois spéléothèmes du massif des Bauges (salle du Précieux, réseau Garde-Cavale) se recoupant sur les derniers 6000 ans, et a permis l’interprétation des variations du paléoenvironnement. Celles-ci montrent une réponse de l’environnement aux forçages climatiques, basculant vers un forçage anthropique au cours du temps.Cette étude démontre qu’il est possible d’obtenir un enregistrement haute-résolution de l’histoire des sols à l’échelle de la période Holocène par l’utilisation de la FPS. Le couplage avec des proxies organiques plus informatifs a cependant montré la limite de l’utilisation de ces derniers, due à leur manque de robustesse. La combinaison du signal de FPS avec le d18O des spéléothèmes a tout de même permis de réaliser une interprétation des variations environnementales durant l’Holocène. Celle-ci pourrait être améliorée en intégrant d’autres traceurs inorganiques (terres rares, éléments traces) qui n’ont pu être analysés durant cette thèse. / This thesis aims to demonstrate the interest of speleothems as pedologic archives to reconstruct high resolution soil history during the Holocene. Experimental study was applied to test proxies robustness as environmental tracers. These robust tracers are used to reconstruct environmental evolution in the Bauges Massif during the last 6000 years.Organic matter (OM) d13C (tracer of OM dynamic in soils) and lipids (tracers of source contributors) were analyzed complementary to the d13C of calcite. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) were used as a “probe” to understand organic molecular transport from soils, and to record past natural and anthropogenic combustions. Attention was paid on the optimization of extraction method in order to obtain a temporal resolution suitable for environmental issues. Results obtained are not workable because of their lack of robustness attributed to analytical issues (d13COM, lipids), to speleothem water feeding type (PAH), or to site-specific effect (d13C).OM semi-quantitative and qualitative variations were recorded at high resolution using the solid-phase fluorescence (SPF) analysis. A protocol was developed to quantify the fluorescence intensity obtained with SPF. Liquid-phase fluorescence intensity of soil and stalagmite OM extracts was coupled with high resolution SPF using a non linear model. OM fluxes record was obtained for a stalagmite-test from the Vercors Massif (last 400 years).A composite record of SPF intensity and d18O was created from 3 stalagmites from the Bauges Massif (Précieux room, Garde-Cavale system), spanning the last 6000 years. It enabled the interpretation of paleoenvironmental variations which shows a change from a climatic to anthropogenic control.This study shows that SPF is a reliable tool to record soil history during Holocene with high resolution. However, organic proxies coupling highlights the limit of their use, induced by a weak robustness. Combination of SPF and d18O enabled to reconstruct environmental variations during the Holocene. This interpretation could be improved by integrating other proxies such as rare earths or trace elements, which could not have been tested during this work due to experimental issues.

Les changements d’utilisation des terres modifient les potentiels de stockage du carbone dans le sol. La déforestation et les techniques agricoles utilisées ont un impact significatif sur le cycle global du carbone et contribuent aux émissions de gaz à effet de serre. L’objectif principal de cette thèse est donc de mettre en évidence les liens entre le stockage du carbone, les dynamiques d’occupation du sol et ses mises en valeur. Pour cette étude, nous avons utilisé les images de satellites sur la période 1987–2011 afin de classer les types d’occupations du sol. En effet, il ne s’agit pas uniquement de déterminer la quantité du carbone dans les sols mais également de vérifier le lien entre quantité de carbone et la gestion des sols dans des propriétés différentes. Les exploitations retenues sont situées au Nord-Ouest de l’État de Mato Grosso et ont été choisies pour leurs modes d’exploitation différents : la Fazenda São Nicolau sur la commune de Cotriguaçu où une politique de reforestation a été menée, la Fazenda Preciosa (qui représente le modèle traditionnel d’élevage) et l’Assentamento Vale do Amanhecer (système d’implantation récente fondé sur le partage des terres entre petits propriétaires ayant chacun une stratégie d’exploitation) sur la commune de Juruena. Les résultats montrent une fourchette de valeurs de stock de carbone entre 0,01 et 8,89 kg/m2 distribuées de façon diversifiée entre les classes d’occupation du sol retenues. Une cartographie des classes de stock de carbone a permis de confronter celles-ci avec l’occupation des sols et les classes de texture. Nous avons constaté que les meilleures corrélations sont trouvées entre les classes de stock de carbone et certains types de forêt haute et entre les classes de stock de carbone et les textures argileuses. Par contre aucunmode d’occupation du sol ne semble avoir une influence radicale sur les stocks de carbone. Ce sont les pratiques culturales et leur historique sur chaque exploitation qui permettent de mieux expliquer les résultats. Cette approche physico-chimique a visé principalement l’identification dans les régions étudiées des types de sols qui ont des niveaux plus élevés de la matière organique et les éléments nutriments où le stockage de carbone est plus assuré. Donc, nous avons mené des études approfondies, à travers une cartographie pédologique régionale à l’échelle 1 : 100.000, en association avec le relief, le réseau hydrographique, le substrat géologique régional, les changements climatiques, la couverture végétale et les sols, et après la demarche générale, basée dans des organigrammes établies pour ces travaux. Tous cela, parallèlement à la cartographie des données sur les partitions physiques de ces domaines pour la télédétection. De cette manière nous avons réalisé quelques analyses, dans le domaine des analyses physico-chimiques, tout d’abord sur le carbone et de la matière organique, de la spectrométrie par la fluorescence des rayons X, de la diffraction des rayons X, de l’environnement géochimique – analyses statistiques, aussi bien que les calculs des densités dans les sols échantillonnés, dans un contexte géochimique pour la détermination des éléments qui sont associés au carbone et à la matière organique. Des études sur l’usage du sol ont été aussi effectuées. Les résultats qui nous avons obtenus dans cet ensemble de recherches nous amènent à proposer un nouveau modèle d’études pour la mise en place de nouvelles idées sur le REDD, ainsi que pour des données de l’organisation du stockage du carbone dans les aires distinctes étudiées, qui peuvent être extrapolées à d’autres régions et dans les interprétations objectives qui seront évidemment obtenues de cet ensemble de travaux. / The land use changes altered the carbon storage potential in the soil. The deforestation and agricultural techniques have a significant impact on the global carbon cycle and contribute to greenhouse gases. The main objective of this thesis is to highlight the links between carbon storage, land use and the dynamics. For this study, we used satellite images over the period 1987 – 2011, to classify types of land occupations. In fact, not only to determine the amount of carbon in the soil, but also to check the connection between the amount of carbon and land management in different properties. Farms operate in the northwestern part of the state of Mato Grosso were chosen for their different operating modes: the Fazenda São Nicolau, in the Cotriguaçu community, where a reforestation policy was designed, the Fazenda Preciosa (representing the traditional agricultural model) and the Assentamento Vale do Amanhecer (recent deployment system based on the division of land among smallholders, with each having an operating strategy) in the of Juruena community. Therefore, detailed studies were developed through a regional soil mapping at scale 1: 100,000 in association with relief, hydrographic network, the geological substratum, climate changes, the vegetation and soils, and following the methodology and the techniques based on established organizational charts for these jobs. All this, in addition to mapping data about the physical partitions of these areas by remote sensing. Thus were carried out some analysis: the physical and chemical analysis, of the fluorescence spectrometry X-rays, the diffraction of X-rays, the geochemical environments - statistical analyzes as well as calculate the densities of the sampled soils in a geochemical context for Determination of the elements are associated with the carbon and organic matter. Studies on land use were also conducted. The Results show a range of carbon stock values between 0.01 and 8.89 kg / m2 distributed among diverse class of soil and selected for placement. Mappings of carbon stock classes allowed confront them with the land and the textural classes. The best correlations between carbon storage classes and certain types of high forest and carbon stock between the classes and the clayey textures were possible to find out that were found. Thus no way to land use seems to have a radical impact on carbon stocks; the cultural and historical practices of each farm better explain the results. This physicochemical approach primarily aimed at identifying the regions studied the soil types in their compositions that have higher levels of organic matter and nutrients where carbon storage is more assured. The results that were obtained in this research, lead us to propose a new model of studies to put into practice new ideas about REDD, as well as the organization's data of carbon storage in these different areas studied, which can be applied in other regions and objective interpretations that will of course be obtained in this body of work

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a pour but de fournir de nouvelles approches méthodologiques pour caractériser les communautés microbiennes en milieu océanique profond et de mesurer leurs activités. Dans le cadre de cette thèse, nous avons tout d'abord amélioré une technique d'hybridation in situ (CARD-FISH) pour dénombrer les groupes phylogénétiques majeurs en milieu marin profond. En Mer Tyrrhénienne, le pourcentage des Bacteria est toujours plus élevé que celui des Crenarchaea et des Euryarchaea. Alors que le pourcentage des Crenarchaea augmente avec la profondeur, celui des Euryarchaea est relativement homogène le long de la colonne d’eau. Dans le cadre d'une collaboration avec le Centre de Physique des Particules de Marseille sur le programme ANTARES (télescope sous-marin à neutrino), nous avons étudié quel pouvait être le rôle des bactéries luminescentes dans le bruit lumineux détecté quelquefois par le télescope. Une première étape a été de développer une approche quantitative par la méthode CARD-FISH sur les ARNm des gènes lux qui n'a été qu'en partie concluante mais donne des résultats préliminaires encourageants. Notre attention s'est portée sur l'identification puis la caractérisation d'une souche isolée à 2200 m de profondeur à proximité du site ANTARES (nommée Photobacterium phosphoreum ANT-2200). Pour mieux comprendre le rôle des bactéries bioluminescentes en milieu profond, nous avons développé un système hyperbare spécifique pour évaluer l’effet de la pression hydrostatique sur cette souche. Alors que cette souche a été caractérisée comme piezotolérante (croissance non sensible à des variations de pression), la lumière produite est plus élevée à la pression de 22 MPa (2200 m simulée) qu'à 0.1 MPa (pression atmosphérique). Enfin, une étude complémentaire m'a conduit à étudier l'effet de la pression hydrostatique sur une souche hydrocarbonoclaste Marinobacter aquaeolei #5. Là encore, nous montrons que la modification de la pression hydrostatique n’influence pas le taux de croissance (souche piezotolérante), mais peut fortement modifier les voies métaboliques, notamment la quantité et la nature des cires produites. Les cires intracellulaires s’accumulent sous formes de corps lipidiques avec une proportion moins importante à 35 MPa alors que le rapport d'insaturation des acides gras membranaires et la quantité de cires di-insaturées augmentent à la pression 35 MPa. Par ces études, nous suggérons que la pression hydrostatique joue un rôle important au niveau de la physiologie des bactéries marines et la distribution des procaryotes dans les écosystèmes marins profonds. / The purpose of this work is to provide new methodological approaches to characterize the microbial communities in deep-sea waters and to measure their activities. Within the framework of this thesis, first of all we improved the technique of in situ hybridization (CARD-FISH) to count the major phylogenetic groups in deep-sea zones. At the Tyrrhenian Sea, the percentage of Bacteria was always higher than Crenarchaea and Euryarchaea. Whereas the percentage of Crenarchaea increases with depth, while Euryarchaea is relatively homogeneous along the water column. A second step, within the framework of the ANTARES program in collaboration with the Centre de Physique des Particules de Marseille, we have studied the role of the luminescent bacteria in the luminous background detected sometimes by the telescope. We first developed a quantitative approach using CARD-FISH on mRNA of the Lux genes which was only partly conclusive but gave encouraging preliminary results. Then, we characterized a luminous strain isolated at 2200 m-depth close to the ANTARES site (named Photobacterium phosphoreum ANT-2200). For better understanding the role of the bioluminescent bacteria in deep-sea, we developed a specific hyperbaric system to evaluate the effect of the hydrostatic pressure on this strain. Whereas this strain was characterized as piezotolerante (growth non sensible to variations of pressure), bioluminescence was always higher at 22 MPa (2200 m simulated) than at 0.1 MPa (atmospheric pressure). Finally, a complementary study was done to study the effect of the hydrostatic pressure on a hydrocarbonoclastic bacteria Marinobacter aquaeolei #5. We have showed that the modification of the hydrostatic pressure does not influence growth rate (piezotolerante strain), but can strongly modify the metabolic ways, in particular the quantity and the nature of produced waxes. The intracellular waxes accumulated in the cells were proportionally less important at 35 MPa than at O.1 MPa. At the contrary, the unsaturation ratio of the membrane fatty acids and the quantity of diunsaturated waxes esters increased at 35 MPa. By these studies, we demonstrated that the hydrostatic pressure plays an important role on the physiological level of the marine bacteria and the distribution of the procaryotes in the deep sea ecosystems.

De nombreux déchets organiques urbains, industriels et agricoles sont considérés comme des produits résiduaires organiques (PRO). Ils sont potentiellement recyclables en agriculture comme amendement ou fertilisant pour le sol avec selon le type de déchet la mise en œuvre de traitements biologiques (digestion anaérobie, compostage). Du fait de l'utilisation de produits chimiques, les PRO contiennent des micropolluants organiques (µPO) particulièrement quantifiés dans les boues d'épuration. Ces µPO peuvent être toxiques pour les humains et les écosystèmes bien que les concentrations dans les milieux aquatiques soient très faibles (ng-µg.L-1). La plupart de ces µPO ont un fort impact sur l'environnement. Lors des traitements biologiques des boues d'épuration, l'élimination des µPO dépend de deux processus (sorption et biodégradation) eux-mêmes contrôlés par les propriétés physicochimiques de la matière organique et des µPO et les microorganismes présents. La forte sorption et le piégeage des µPO ou leur biodégradation dans la matrice boue lors des traitements minimisent le risque de transfert à l'eau ou à la faune/flore après l'épandage des boues. Cette thèse se propose d'étudier le devenir de différents µPO (hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), nonylphénols (NP) et produits pharmaceutiques) lors du traitement de boues par digestion anaérobie et compostage en lien avec le devenir de la matière organique et l'affinité des µPO pour certaines fractions de cette matière organique. L'objectif est de mieux comprendre les mécanismes qui régissent l'élimination des µPO et in fine d'estimer comment améliorer le procédé pour limiter les transferts au continuum sol/eau/biote. Dans un premier temps, un protocole de caractérisation de la matière organique a été couplé avec un dosage de µPO au cours d'une incubation anaérobie, sur une matrice modèle (boue) et sur des composés modèles (HAP, NP). Les résultats ont montré que les µPO dissipés se situent dans les compartiments les plus accessibles et les plus dégradables de la matière organique et que cette dissipation est pilotée par la dégradation de la matière ; de plus, un phénomène de vieillissement a été observé pour des molécules dopées. Les résultats démontrent que les µPO étudiés ici ont une affinité pour les matières organiques complexes de type humiques. Lors des incubations, seule la moitié de la matière organique est caractérisée. Le protocole de caractérisation de la matière organique a été modifié pour aller plus loin dans la caractérisation « matière » mais aussi en vue d'une application sur la localisation des µPO tout au long d'un système de traitement comprenant digestion et compostage. Ce protocole a donc été revu afin de pouvoir caractériser des matrices de type lignocellulose. Ce protocole a été appliqué à des échantillons issus de la digestion anaérobie et du compostage de boues en laboratoire. Ces procédés sont capables d'éliminer une partie des µPO ; le couplage des deux augmentant le taux d'élimination. L'évolution des fractions matière reflètent la dégradation de la matière organique lors des traitements. De plus, le devenir des µPO étudiés est piloté par le devenir de la matière organique nous permettant de proposer des stratégies d'optimisation de leur dissipation.Les résultats acquis permettent de déterminer des taux d'abattement des µPO lors des traitements des boues mais aucune information n'est donnée quant aux mécanismes précis d'élimination. Les mêmes traitements ont été menés en utilisant des molécules marquées au 14C. Les résultats obtenus sur trois molécules (fluoranthène, NP et sulfaméthoxazole) montrent que les µPO ne sont pas minéralisés lors de la digestion anaérobie. Lors du compostage des boues digérées, une minéralisation du NP apparaît lors de la phase de maturation. Diverses hypothèses peuvent alors expliquer l'élimination constatée au cours des traitements sans molécule marquée : métabolites ou résidus non extractibles sont formés. / Animal manures, urban organic wastes including sewage sludge, food processing and other industrial wastes are considered as organic wastes that are potentially recycled in agriculture as soil amendment or fertilizer after biological treatment like anaerobic digestion and composting.Due to the use of chemicals and industrial activities, these organic wastes contain organic micropollutants, particularly quantified in sewage sludge. These micropollutants are a family of organic compounds which may be toxic for humans or ecosystems even though their concentrations in aquatic environments are usually low (µg to ng.L-1). Most of them have huge impacts on environment (e.g. some of them are endocrine disruptors that can feminize fishes in rivers with concentrations of few ng.L-1).During biological treatments of sewage sludge, micropollutants elimination depends on two processes (sorption and biodegradation) that are driven by physicochemical properties of organic matter and micropollutants and microorganisms. Strong sorption and trapping of organic micropollutants or their biodegradation in sludge matric during anaerobic digestion and composting can minimize their transfer into water or biota after spreading.This thesis aims at studying the fate of organic micropollutants (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nonylphenols (NPs) and pharmaceuticals compounds) during sludge treatment by anaerobic digestion and composting in link with the fate of organic matter and the micropollutants affinity for some organic matter fractions. The objective is to better understand the mechanisms which control the micropollutants elimination and estimate how to improve the process to minimize environmental impact.First, a method for sludge organic matter characterization is coupled to organic micropollutants quantification during a model batch process (anaerobic incubation), on a model matrix (sludge) and model compounds (PAHs, NPs). Results show that dissipated micropollutants are located in more accessible and degradable fraction of organic matter and that dissipation is driven by organic matter degradation; furthermore, ageing phenomenon is observed for spiked compounds. Results show that micropollutants have strong affinity for complex organic matter (humic-like substances).During incubations, the quantity of characterized organic matter corresponds only to 50 % of chemical oxygen demand. A modified protocol for characterizing organic matter is set up to go further on organic matter characterization but also to apply it to localization of organic micropollutants. This protocol is also modified in order to characterize other organic matrices (compost).The new protocol is applied to samples from anaerobic digestion and composting of sludge at lab-scale. Anaerobic digestion and composting are able to eliminate organic micropollutants. Coupling both processes increases micropollutants removal. The fate of organic matter pools during processes mimics the fate of organic matter. A link between the fate of organic matter and the fate of organic micropollutants is determined during anaerobic digestion and composting.The results allow determining organic micropollutants removal during anaerobic digestion and composting of sludge but no information is given about the removal mechanisms. Anaerobic digestion with composting is set up at lab-scale with the use of organic 14C labelled micropollutants. The results with three molecules (fluoranthene, sulfamethoxazole, nonylphenols) show that organic micropollutants are not mineralized during anaerobic digestion. During composting, only nonylphenols are mineralized during the maturation phase. Hypothesis about micropollutants removal are the production of metabolites or the formation of non-extractable residues.

Les travaux effectués au cours de ce doctorat, en collaboration étroite avec la Direction du Développement et de la Prospective (DDP) du Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération Parisienne (SIAAP), s’inscrivent dans le cadre du programme de recherche MOCOPEE (Modélisation, Contrôle et Optimisation des Procédés d’Epuration des Eaux) et s’intéressent aux potentielles applications de la spectrofluorimétrie 3D pour caractériser les quantités et qualités de la matière organique dissoute (MOD) dans les eaux de station d’épuration des eaux usées (STEU) et dans les eaux du milieu naturel. La première partie de ce manuscrit est dédié aux applications de la spectrofluorescence 3D pour caractériser la MOD des eaux de STEU. Une méthodologie de traitement des spectres de fluorescence reposant sur l’utilisation d’un algorithme de déconvolution nommée PARAFAC, a été appliquée pour les eaux usées de la STEU « Seine Centre ». Un fractionnement par hydrophobicité ainsi qu’une étude de biodégradabilité ont permis d’apporter de nouvelles informations sur les propriétés des fluorophores de la MOD des eaux usées de STEU. Des relations entre des indicateurs de fluorescence et les mesures de demandes biologiques en Oxygène (DBO5) soluble ainsi qu’avec les mesures de demande chimiques en oxygène (DCO) soluble ont été mises en évidence pour les eaux usées d’entrée de 6 STEU (n=83) de la région parisienne (SIAAP). Ces modèles de prédiction pourront être utilisés pour optimiser la gestion des filières de traitements épuratoires des eaux usées (ex : ajouts de réactifs). Enfin, les fluorophores identifiés ont été utilisés pour suivre l’évolution de la MOD le long des filières épuratoires des STEU de « Seine Centre » et « Seine Grésillons ». La deuxième partie traite des potentiels d’applications de cette méthodologie dans les eaux du milieu naturel. Grâce au réseau de suivi MeSeine (Mesure en Seine), 373 prélèvements ont été réalisés par le SIAAP, lors d’un suivi hebdomadaire de Juillet 2015 à Juin 2016, dans le bassin versant de la Seine. Ce suivi intègre 12 points de prélèvements de l’amont vers l’aval de Paris et deux des principaux affluents de la Seine (Marne et Oise). De ce suivi, un modèle PARAFAC de 10 composantes a été mis en évidence. Des variations spatio-temporelles de qualité de MOD ont été observées entre les différents cours d’eau étudiés. L’impact de la pression urbaine (rejets de STEU) sur la qualité de la MOD entre l’amont et l’aval de l’agglomération parisienne a également pu être observé. Ainsi, une caractérisation physico-chimique rapide de la MOD et de ses sources en milieu aquatique urbain, peut être effectuée par spectrofluorescence 3D. La mise en place de ce type de suivi in situ apportera des informations rapides sur la qualité et quantité de MOD des milieux aquatiques naturels pour les gestionnaires de stations de potabilisations qui pourront connaitre la qualité de la MOD des eaux de prélèvements et anticiper la formation de sous-produits de désinfections. Les gestionnaires des milieux aquatiques pourront également anticiper la survenue d’épisodes de pollution des eaux de surface. Enfin, un modèle de prédiction de la concentration en carbone organique dissoute par spectrofluorescence 3D combiné à la spectrométrie d’absorbance a été mis en évidence. Les conclusions mises en évidence par ce travail contribueront à une meilleure compréhension de la MOD fluorescente des eaux usées de STEU (optimisation des filières de traitement biologique) et des milieux aquatiques. Ainsi, ce type de travail ne se limite pas à la communauté scientifique, mais s’étend aux gestionnaires et opérationnels du domaine de l’eau / The work carried out during this PhD, in close collaboration with the Development and Prospective Development Department (DDP) of the Interdepartmental Syndicate for the Sanitation of the Paris Metropolitan Area (SIAAP), is part of the research program MOCOPEE (Research Modeling, Control and Optimization of Water Treatment Processes) and are interested in the potential applications of 3D spectrofluorimetry to characterize dissolved organic matter (DOM) quantity and quality in wastewater treatment plant (WWTP) and in natural middle. The first part of this manuscript is devoted to the potential applications of 3D fluorescence spectroscopy to characterize wastewater DOM quality and quality. A methodology for the treatment of 3D fluorescence spectra based on the use of a deconvolution algorithm named PARAFAC has been applied to wastewater from the Seine Center WWTP. Specific MOD fluorophores were observed, allowing a finer approach to the fluorescence characteristics of MOD. Resin fractionation and a biodegradability study yielded new information on raw sewage DOM fluorophores. Relationships between DOM fluorescence indicators and soluble Biological Oxygen Demand (BOD5) measurements as well as soluble Chemical Oxygen Demand (COD) measurements have been demonstrated in raw sewage from 6 Parisian WWTP (SIAAP). Prediction models of soluble BOD5 and soluble COD by 3D spectrofluorimetry can be used to anticipate variations of raw sewage quality and quantity, and to optimize biological treatment processes (eg reagent additions). Finally, DOM fluorescence was analyzed along "Seine Center" and "Seine Grésillons" WWTPs. The second part deals with applications potential of 3D fluorescence spectroscopy in natural middles. Thanks to the MeSeine monitoring network (Mesure en Seine), a total of 373 samples were taken during a weekly monitoring from July 2015 to June 2016 in the Seine catchment area and include 12 sampling points from upstream to downstream of Paris and two of its main tributaries (Marne river and Oise river). From this monitoring, a PARAFAC model with 10 components was highlighted. Variations in DOM quality were observed between the different streams studied. The impact of urban pressure on DOM quality was also observed by fluorescence, between the upstream and downstream of the Parisian agglomeration. We have also been able to monitor WWTP effluent impacts on the Seine during a maintenance operation for its treatment processes. Variations in the quality of MOD between low and high water periods were also observed. Thus, 3D spectrofluorimetry help to provide a rapid physicochemical characterization of DOM and its sources in urban aquatic environments. Theses information will help drinking water plants managers to rapidly know DOM quality to anticipate formation of disinfections by-products. Managers of aquatic environments will also be able to anticipate occurrence of surface water pollution episodes. Finally, 3D fluorescence spectroscopy and absorbance spectroscopy were combined to develop a dissolved organic carbon concentration prediction model. The findings highlighted by this work will contribute, on their scale, to a better understanding of DOM fluorescence in raw sewage water (optimization of biological treatment channels) and in aquatic environments. In this sense, the usefulness of this type of work is not limited to the scientific community, but extends to managers and the operational fields

Le Rhône est la principale source d'eau douce et de matériels terrigènes vers le bassin méditerranéen. Le prodelta du Rhône est caractérisé par des taux d'accumulation sédimentaire élevés et par une reminéralisation intense de la matière organique sédimentée, ce qui est typique des environnements deltaïques. Une question est soulevée sur le devenir de ces grandes quantités de carbone organique délivrées par le fleuve vers le milieu marin et en particulier leur impact sur les communautés microbiennes benthiques et l'intensité du recyclage de la matière organique. Le programme multi-disciplinaire "Climate and Human-induced Alterations in Carbon Cycling at the River seA connection" (CHACCRA) a été conçu pour étudier le devenir des éléments nutritifs et de la matière organique délivrée par le Rhône sur la marge continentale adjacente. Lors de quatre campagnes de terrain réalisées en avril 2007, mai 2008, décembre 2008 et juin 2009, des carottes de sédiments ont été prélevées à l'embouchure du fleuve et sur le plateau adjacent. La contribution des apports continentaux et leur distribution ont été étudiées à l'aide de paramètres globaux (granulométrie, azote total et carbone organique), tandis que les descripteurs moléculaires (pigments, acides gras, acides aminés totaux et biodisponibles) ont permis de déterminer l'origine, et d'évaluer la qualité ainsi que l'état de dégradation de la matière organique dans les sédiments. La structure de la communauté bactérienne a été caractérisée par la technique de polymorphisme de conformation des simples brins par électrophorèse capillaire (CE-SSCP). Ces travaux mettent en évidence des gradients d'origine et de qualité depuis l'embouchure vers le large. De plus, l'influence des événements de crue est clairement visible dans les sédiments, et les signatures biochimiques des dépôts sont différentes selon le type de crue. Enfin, l'incubation des sédiments a permis d'évaluer la dégradabilité en condition oxique de la matière organique sédimentaire à l'embouchure et de montrer que la fraction labile était très réactive à la dégradation.

En milieu marin, les communautés bactériennes hétérotrophes sont exposées à un mélange hétérogène de composés organiques dissous présentant différents degrés de labilité, qui peuvent contrôler à la fois leurs activités et leur composition. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié la réponse de communautés bactériennes présentes dans des environnements côtiers contrastés à l’ajout simple ou combiné de différentes sources naturelles de matière organique dissoute (MOD), préalablement photo oxydée ou non et présentant différentes bio réactivités. Dans un premier temps, nous avons étudié l’impact d’ajout de MOD labile provenant de méduses sur l’activité et la diversité bactériennes d’une communauté d’une lagune côtière méditerranéenne. Nous avons observé que la résilience des communautés bactériennes suite à cet ajout était plus importante pour les fonctions métaboliques que pour la diversité. Ceci suggère que les efflorescences de méduses peuvent entrainer des changements durables de la structure des communautés bactériennes en environnement côtier. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la possibilité d’un priming effect (accélération de la dégradation bactérienne de la MOD réfractaire en présence de MOD labile) en milieu côtier. Des expériences d’ajout simple ou combiné de MOD labile et récalcitrante ont été réalisées sur des communautés bactériennes de Mer Méditerranée et d’un fjord de Patagonie chilienne. Dans les deux cas, nous avons observé des changements plus importants de la composition communautaire bactérienne suite à un ajout combiné. Cependant, nous n’avons pas observé une plus forte consommation de MOD récalcitrante suite à l’ajout de composés labiles, ce qui suggère que le priming effect n’a pas eu lieu au cours de nos expériences. Enfin, nous avons étudié l’impact de la photodégradation de différentes sources de MOD (i.e. MOD récalcitrante de rivière, MOD labile provenant de phytoplancton) sur l’activité et la diversité de communautés bactériennes côtières. Nous avons observé que la photodégradation de la MOD issue d’une culture de phytoplancton entrainait à la fois une croissance bactérienne plus faible et une modification de la diversité bactérienne en faveur des Alphaprotéobactéries. / Heterotrophic bacterial communities in marine environment are exposed to a heterogeneous mixture of dissolved organic compounds with different bioavailability that may control both their activities and their composition. In the frame of this thesis, we studied the response of different coastal bacterial communities to the single or combined addition of various natural dissolved organic matter (DOM) photo-oxidized or not, presenting different bioavailability characteristics. Firstly, we studied the effects of the addition of highly bioreactive DOM derived from jellyfish on bacterial activities and community structure in a Mediterranean coastal lagoon. We observed that resilience of the bacterial community after the addition of DOM from the jellyfish was higher for metabolic functions than diversity, suggesting that jellyfish blooms can induce durable changes in the bacterial community structure in coastal lagoons. Secondly, we investigated the occurrence of priming effect (increase in microbial degradation of refractory DOM upon the addition of labile DOM) on coastal marine environments. Experiments with single or combined additions of recalcitrant and labile DOM sources were performed with a Mediterranean and a Patagonian fjord bacterial communities. In both cases we observed a greater effect of combined addition on bacterial community composition. However we did not observe an increase in recalcitrant DOM degradation of recalcitrant DOM following the addition of labile compounds, suggesting that priming effect did not occur during our experiments. Finally, we studied the impact of contrasted DOM (i.e. recalcitrant riverine DOM, labile phytoplankton-derived DOM) photodegradation on coastal bacterial communities activity and composition. We observed that photodegradation of phytoplankton-derived DOM led to a lower bacterial growth and changes in bacterial community diversity, in favour of Alphaproteobacteria.

Ce mémoire porte sur la gestion des effluents organiques à l'aide d'un procédé intégré de valorisation énergétique dans le contexte d'une municipalité de 150 000 habitants en considérant la génération d'énergie et la réduction des gaz à effet de serre. Dans cette optique, la digestion anaérobie devient intéressante. Un premier scénario étudie la cogénération de chaleur et d'électricité à partir du biogaz issu de la digestion anaérobie des effluents organiques gérés par la municipalité : les résidus domestiques putrescibles et les boues d'usine municipale de traitement des eaux (scénario 1). Un second scénario propose d'ajouter le lisier issu des fermes régionales pour faire de la codigestion avec les matières gérées par la municipalité et faire de la cogénération de chaleur et d'électricité (scénario 2). Le troisième scénario propose de générer du gaz naturel renouvelable (GNR) en purifiant le biogaz pour accroître son pouvoir calorifique (scénario 3). Ces scénarios sont comparés d'un point de vue économique, énergétique et environnemental à l'aide du chiffrier MATTEUS version 5.11 développé par Hydro-Québec afin de proposer le meilleur procédé intégré de gestion à la municipalité en tenant compte des trois aspects. Le scénario 1 (cogénération) mène à une période de retour sur l'investissement (PRI) de 3,7 ans avec un prix d'achat de l'électricité de 0,10$/kWh. Le scénario 2 (codigestion) accroît la production de biogaz de 37%, mais augmente la PRI à 6,8 ans à moins que le digestat produit puisse être utilisé pour faire de la valorisation agronomique; cela devient économiquement avantageux. Le scénario 3 (GNR) n'obtient pas de PRI, car le coût d'achat du gaz naturel est trop faible. Par contre, ce scénario mène à la plus faible période de retour en énergie (3,3 ans) et réduit le plus les émissions de gaz à effet de serre (4261 tCO[indice inférieur 2] eq/an). Parmi les scénarios proposés, le scénario 1, cogénération des matières organiques gérées par la municipalité, représente l'alternative la plus intéressante économiquement et devrait être favorisé à l'heure actuelle. Toutefois, le scénario 3, GNR, se démarque dans les deux autres aspects.