Les études récentes ont montré qu'il y aurait une forte influence de la matière organique dissoute (MOD) sur la dynamique des écosystèmes aquatiques. En particulier, certaines catégories de MOD ont des propriétés antialgues, susceptibles de réduire la biomasse des espèces de cyanobactéries. Nous avons testé les effets de différentes catégories de matières organiques dissoutes, ainsi que leurs interactions avec la lumière et les nutriments, sur la composition des communautés de phytoplancton lors d'incubations in situ (7 jours). La composition initiale en phytoplancton et les caractéristiques de la matière organique dissoute ont été des facteurs déterminants pour les modifications de la structure des communautés de phytoplancton, lors des incubations. Les résultats de notre étude montrent que la croissance du phytoplancton était fortement dépendante de la disponibilité en nutriments dans la baie Missisquoi en 2007, et que les concentrés d'extrait d'orge et de matière organique naturelle peuvent inhiber la croissance du phytoplancton, particulièrement des espèces de cyanobactéries. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Matière organique dissoute (MOD), Cyanobactérie, Phytoplancton, Incubations, Lac Champlain.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

En dépit de son importance pour les écosystèmes aquatiques, l’origine et les mécanismes de production du carbone organique dissous (COD) sont toujours sujets à discussion. Cette thèse vise à mieux comprendre le rôle joué par l’hydrologie tant sur les mécanismes de production et la location des sources du COD que sur les flux et les processus de transfert du sol vers les cours d’eau. Un suivi haute fréquence des eaux du sol et de rivière a été réalisé sur la totalité d’un cycle hydrologique dans le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement (ORE) AgrHys). Le COD contenu dans ces eaux a été caractérisé par sa composition isotopique en carbone (δ13C), et ce suivi a été complété par l’analyse de la dynamique de la nappe. L’analyse des variations saisonnières de concentration et de composition du COD révèle l’existence d’un relais dans les sources et les mécanismes de production du COD dans les sols des zones de fond de vallée en phase avec les changements de régime hydrologique du bassin. Ainsi, lors de la période automnale de remontée de la nappe, le compartiment COD présente un caractère faiblement aromatique et une composition isotopique particulière, suggérant une origine microbienne. Ce réservoir de très faible taille (5% du flux annuel de COD exporté par le cours d’eau) est entièrement épuisé par les premières crues d’automne. La mise en charge de la nappe en versant conduit à la mobilisation d’un second réservoir de COD caractérisé par une aromaticité élevée et une signature isotopique proche de celle de la matière organique des sols. Ce compartiment correspond au fond humique « ancien » des sols et présente une taille nettement plus important que le premier (90% du flux annuel). Cependant ce compartiment ne se limite pas au COD produit dans sols des zones de bas-fond mais comprend aussi des apports de matières organiques issues des sols de bas de versant. Enfin, le rabattement de la nappe au milieu du printemps marque le début de la période d’assèchement du bassin versant et le retour dans les sols de bas-fond d’un COD faiblement aromatique et isotopiquement similaire à celui observé en automne. En conséquence, la teneur et la composition du COD véhiculé par le cours d’eau varient fortement à l’échelle saisonnière (variabilité temporelle des processus de production du COD). Les horizons superficiels des sols des zones de bas-fond sont la principale source de COD, par lesquels transitent entre 60 et 80% du flux de COD exporté lors des événements de crues. Concernant le réservoir humique, un résultat important est qu’il semble limité dans les sols de bas de versant, alors qu’il semble au contraire illimité dans les sols de bas fond. Au final, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse démontrent le contrôle majeur de la dynamique de la nappe sur les mécanismes de production de COD par le sol ainsi que sur la localisation spatiale et les flux de COD transférés de ces sols vers les cours d’eau à l’échelle de la saison. Ils valident également l’hypothèse émise selon laquelle l’exportation du COD par les cours d’eau ne résulterait pas d’un simple « flushing » du COD produit dans les sols de bas-fond mais mobiliserait plutôt un ensemble de sources localisées le long du continuum rivière-zone de bas-fond-zone de versant, et dont le caractère plus moins limité du réservoir expliquerait les dynamiques des concentrations en COD annuelles observées à l’exutoire de ces bassins. Un autre résultat majeur de cette thèse est la qualification des isotopes comme outil de traçage des sources et de la dynamique du COD dans les bassins versants. Un point clé de ce travail est la différenciation isotopiques des réservoirs COD des sols de bas-fond et des sols de bas de versant, qui a permis pour la première fois de révéler la participation de l'un et de l’autre au flux exporté à l’exutoire et d’estimer quantitativement leur contribution respective à ce même flux. / Despite its importance to aquatic ecosystems, origin and production mechanisms of dissolved organic carbon (DOC) are still subject to discussion. This thesis aims to better understand the role of hydrology in controlling both DOC production in soils and export by stream waters. High frequency monitoring of soils and streams waters was carried out during an entire hydrological cycle in the Kervidy-Naizin catchment (Morbihan). The DOC was characterized by its stable carbon isotopic composition, and groundwater table dynamic was also analyzed during the same period. The analysis of seasonal variations in both DOC concentration and composition reveals a succession in the sources and mechanisms of production of DOC in soils of valley bottom in line with changes in the hydrological regime of the basin. Thus, during the autumn period of rising water-table, the COD compartment has a low aromatic character and a particular isotopic composition, suggesting a microbial origin. This reservoir of very small size (5% of the annual flux of DOC exported by the stream) is fully exhausted by the first autumn storm events. The increase of water-table in the upland domain leads to the mobilization of a second DOC pool characterized by a high aromaticity and a isotopic signature similar to those of soil organic matter. This compartment corresponds to "old" humic fraction of the soil and has a size much larger than the first (90% of annual flux). However, this compartment includes contributions of DOC from riparian soils and also upland soils. Finally, the water-table drawdown in the middle of spring marks the beginning of the drying period of the catchment and the return to the soil of the “fresh” DOC pool. As a result, concentration and composition of DOC transported by the stream vary greatly across a seasonal scale (temporal variability of production processes DOC). The surface horizons of soils riparian soils are the main source of DOC, which handle between 60 and 80% of stream DOC flux during flood events. An important result is that the DOC pool seems limited in upland soils, while its seems no-limited in riparian soils. Finally, the results obtained in this thesis demonstrate the major control of the dynamics of the water-table on the mechanisms of production of DOC from the soil as well as the spatial location of DOC sources and DOC flux transferred from the soil to stream through the hydrological cycle. They also validate the hypothesis that DOC export by rivers mobilizes rather a set of sources located along the upland-riparian-stream continuum. Another major result of this thesis is the validation of stable carbon isotopes as a tool for tracing sources and dynamics of DOC in the catchment.

Les BioRéacteurs à Membranes (BàM) sont une technologie adaptée à l’un des challenges du 21ème siècle : la réutilisation des eaux usées.En combinant un traitement biologique et une filtration membranaire, ce procédé permet d’atteindre une qualité d’eau adaptée à la réutilisation en permettant une désinfection physique totale. Néanmoins, son essor économique est fortement limité par le colmatage membranaire qui, quand le système est optimisé, est dû principalement à la Matière Organique Dissoute (DOM). Afin de comprendre et de maitriser ce colmatage, des outils ont été développés pour identifier les composés de la DOM responsables du colmatage. Ainsi, au cours de cette thèse, la DOM de deux BàM, alimentés par des effluents réels, a été étudiée ; un BàM traitant des eaux usées urbaines(station d’épuration de La Grande Motte) et un BàM échelle pilote traitant des urines réelles. La matière organique dissoute issue du premier BàMa ainsi été fractionnée par taille et par hydrophobicité pour identifier les mécanismes de colmatage associés à chaque fraction.Des tests de filtration, réalisés sur les différentes fractions, ont permis d’identifier les colloïdes (protéines) comme responsables majeurs du colmatage externe (gâteau) et les substances humiques comme responsables du colmatage interne. En combinant ces tests de filtration avec des mesures de fluorescence3D (3DEEM), étant une méthode rapide dont le signal facilement exploitable, il a été possible de définir des indicateurs qualitatifs pour ces deux familles de colmatants. Par la suite, en combinant la 3DEEM avec une méthode de séparation et quantification par taille (LC-OCD), le signal de 3DEEM qualitatif a été calibré pour donner une information quantitative et de taille au travers d'une analyse rapide.Ces nouveaux indicateurs ont ensuite été mesurés sur site et ont permis d’établir des liens entre les paramètres opératoires ou la qualité de l’intrant pour le suivi global de la DOM et son impact sur le colmatage. Ces outils soulignent toute la potentialité de la fluorescence 3D comme indicateur en temps réel du suivi, du contrôle et de l’optimisation de l‘étape de séparation membranaire. / Membrane BioReactors (MBR) are suitable technology to face one of the major 21th century challenges : wastewater reuse.Combining biological treatment with membrane separation step, MBR produce reusable water through total physical disinfection. Nevertheless, it democratization is limited by membrane fouling that is mainly caused by Dissolved Organic Matter (DOM) compounds when the system is optimized.In order to understand and control membrane fouling, tools were developed to identify DOM compounds responsible for this phenomenon.Thus, this PhD work, focused on studying the DOM taken from two MBR fed with real wastewater: a full-scale MBR treating urban wastewater (La Grande-Motte wastewaster treatment plant) and a lab-scale MBR treating urine from source-separated toilets.Dissolved organic matter collected in the first MBR was fractionated by size and hydrophobicity to identify fractions’ fouling mechanisms. Then, filtration tests performed on the different fractions highlighted the role of colloids (proteins) in external fouling (cake) and humic substances in internal fouling. Filtration tests were combined with fluorescence3D (3DEEM) measurements, which is a quick identification method with an easy extracted signal, allowing to define qualitative indicators for both foulants classes.After, coupling 3DEEM with a size separation and quantification method (LC-OCD), qualitative signals from foulants indicators were calibrated. Thus, using 3DEEM it was possible to obtain a quantitative and size information about DOM foulants. These new indicators were used on-site and allowed establishing links between DOM and operating parameters or influent quality, which is necessary for DOM global control and its impact on membrane fouling. These tools highlight the potentiality for 3DEEM on-line application for separation step monitoring, control and optimization.

Les lacs de la forêt boréale sont fréquentés par de nombreuses communautés autochtones et des pêcheurs sportifs. Ces grands consommateurs de poissons s'exposent aux effets toxiques du mercure (Hg) présent dans la chair des poissons. Les travaux récents abordant la problématique de la contamination mercurielle des poissons, ciblent la matière organique terrigène comme vecteur important du transport du mercure (Hg) depuis le bassin versant vers le milieu lacustre. Les indicateurs conventionnels de la matière organique terrigène tels que le carbone organique dissous, la couleur de l'eau, le rapport atomique carbone: azote (C/N) ou le la profondeur du disque de Secchi ont présenté des limites lors de la comparaison de lacs de statut trophique distinct. Ces indicateurs ne permettent pas de distinguer les apports de matière organique terrigène des apports provenant de la production autochtone des lacs. De plus, l'inclusion de la variabilité temporelle des processus physicochimiques de la colonne d'eau réduit l'utilisation possible des indicateurs conventionnels de la matière organique terrigène. La caractérisation au niveau moléculaire des produits dérivés de l'oxydation de la lignine permet de définir sans équivoque les apports de matière organique qui proviennent des bassins versants. Cette approche permet de caractériser la source et l'état de dégradation de la matière organique. Les résultats indiquent qu'en tenant compte de la variabilité spatiale et temporelle, la somme de huit dérivés phénoliques de la lignine de la famille des vanilyles, syringyles et cynnamyles (lambda), un indicateur des apports terrestres, est positivement corrélée aux concentrations de Hg dissous dans l'eau (fraction dissoute: r²=0.62, p<0.0001 et particulaire: r²=0.76, p<0.0001). Dans le même sens, la fraîcheur des apports de matière organique, établie par le rapport entre les p-hydroxy-phénols et la sommation des vanilyles et des syringyles (P/(V+S) est également positivement corrélées aux concentrations de Hg dissous dans l'eau (fraction dissoute: r²=0.49, p<0.0001 et particulaire: r²=0.54, p<0.0001). Aucune relation n'a été observée entre la composition florale du bassin versant (angiosperme vs gymnosperme et tissus boisés vs tissus non boisés) et les concentrations de Hg des lacs. Ainsi, l'utilisation de biomarqueurs de la lignine pourrait permettre une meilleure gestion des bassins versants et une réduction des apports de Hg vers les écosystèmes aquatiques et leur biote. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Mercure, Matière organique, Biomarqueurs de la lignine, Carbone organique dissous et couleur de l'eau.

Ce doctorat s'intègre dans les programmes OPUR et Piren-Seine et a eu pour vocation d'améliorer les connaissances actuelles sur l'influence des rejets urbains de temps de pluie sur la spéciation et la biodisponibilité des métaux dans les systèmes sous forte pression urbaine tel que la Seine. En effet l’impact des métaux lourds dans le milieu récepteur sur les organismes vivants dépend d'une part de leurs teneurs totales mais aussi et surtout de leur biodisponibilité. Il est généralement admis que la forme biodisponible des métaux lourds pour les organismes vivants est la forme dissoute libre. Les RUTP vont donc pouvoir considérablement modifier la teneur et la biodisponibilité des métaux lourds dans le milieu naturel dans la mesure où ces rejets sont fortement chargés en matière organique dissoute (MOD) qui va influencer considérablement, avec la MOD déjà présente dans le cours d'eau, la spéciation des métaux dans le milieu étant donnée sa capacité à complexer ces derniers et sa tendance à diminuer leur biodisponibilité. La compréhension de l'influence de la MOD sur la spéciation et la biodisponibilité des métaux suppose en outre que l'on connaisse précisément sa composition chimique ou plus exactement ses groupements fonctionnels. C'est pourquoi une partie de ces travaux est consacrée à la caractérisation de la matière organique dissoute d'origine naturelle et urbaine par son fractionnement selon le critère de polarité. Une caractérisation plus fine a été réalisée à l'aide des analyses fonctionnelles permettant ainsi de mieux aborder l'influence de la MOD sur la spéciation et la biodisponibilité du cuivre. Parallèlement à l'étude de caractérisation de la MOD, ce travail s'attache à mieux cerner le rôle de la MOD d'origine urbaine en particulier de la MOD hydrophile sur la spéciation et la biodisponibilité du cuivre. Dans cet objectif, la technique potentiométrique à l'aide d'électrode ionique spécifique ainsi que des biotests de toxicité aiguë (Daphnia magna) ont permis :- d'étudier la complexation du cuivre par les MOD afin notamment de fournir des paramètres de complexations des MOD hydrophiles peu connues jusqu'à présent et ainsi mieux prédire le transport des métaux en milieu urbain.- d'évaluer le rôle protecteur de la MOD d'origine urbaine sur la biodisponibilité du cuivre. Les résultats ont montré que la MOD issue des rejets urbains et rejetée dans le milieu récepteur présente des caractéristiques originales à savoir un fort pourcentage de MOD hydrophile, c'est à dire une faible hydrophobicité et un degré d'aromaticité peu marqué soulignant le caractère peu réfractaire de cette MOD. En revanche une plus grande diversité fonctionnelle de la MOD d'origine urbaine par rapport à la MOD naturelle a été mise en évidence notamment par un taux de structures protéiques très important. Les résultats obtenus vis-à-vis des MOD d'origine urbaine ont montré une réactivité particulière vis-à-vis du cuivre. En effet les rejets urbains ont montré une teneur en sites complexant plus élevée que ce qu'il est observé pour des matières organiques naturelles. Le rôle particulier de groupements amines dans la complexation du cuivre a été mis en évidence. L'approche utilisée pour évaluer la biodisponibilité du cuivre a révélé pour l'ensemble des MOD un effet protecteur vis-à-vis du cuivre sur les organismes vivants. Une corrélation positive de cet effet avec la teneur en eaux usées été mise en évidence, notamment pour les MOD des RUTP et plus particulièrement pour la fraction hydrophile (HPI), signalant ainsi la forte influence de la MOD d'origine urbaine sur la biodisponibilité et la toxicité du cuivre / This thesis was carried out on the framework of the OPUR and Piren-Seine programs. The main objectives were to improve the current knowledge on the influence of combined sewer overflows (CSO) on metal speciation and bioavailability in urban aquatic system. Indeed, the impact of heavy metals in the receiving environment on the life of microorganisms depends on a portion of their total concentrations but also and especially of their bioavailability. It is generally recognized that the bioavailable heavy metals to microorganisms is dissolved free. The CSO's will be able to significantly change the content and bioavailability of heavy metals in the environment in so far as these discharges are heavily loaded with dissolved organic matter (DOM) which will considerably influence with the DOM already present in course of water the speciation of metals in the environment given its ability to complex metals and its tendency to decrease their bioavailability. The understanding of the influence of DOM on trace metal speciation and bioavailability required that the chemical composition of DOM, more exactly its binding sites should be well understood. Therefore, one part of this research focused on the characterization of DOM of natural and urban origin by fractionation according to the criteria of polarity. A finer characterization was performed using functional analyses that were of prime importance to better understand the influence of DOM on copper speciation and bioavailability. Alongside the characterization study of the DOM, this work aims to better understand the role of urban DOM in particular hydrophilic fraction on the speciation and bioavailability of copper. To accomplish these objectives, the technique such as potentiometry with ionic selective electrode and bioassay such as an acute toxicity test (Daphnia magna) were performed in order to: - Study the copper binding by DOM in order to give some binding parameters of hydrophilic DOM and to better predict the fate of the trace metal. - Evaluate the protective role of urban DOM on copper bioavailability. Results showed some particular characteristics of urban DOM such as a high proportion of hydrophilic DOM, i.e. a low hydrophobicity and a low degree of aromaticity underlying the low refractory character of this DOM. Nevertheless a higher content of various functional groups was determined in urban DOM than in natural DOM. A very high content of proteinaceous structures was particularly identified in urban DOM. Binding experiments revealed a higher content of binding sites in urban discharges than in natural DOM and these sites are strongly correlated to amino groups. The approach used to evaluate copper bioavailability depicted a protective role of DOM to the organisms Daphnia magna(...)

Les activités anthropiques ont apporté des changements majeurs à notre système global. Par ailleurs, la matière organique dissoute(MOD) du littoral a une grande influence sur le cycle global du carbone et donc sur le changement climatique. L'apport côtier enMOD représente la matière organique terrestre. Les rivières urbanisées sont fortement impactées par la MOD anthropiqueprovenant des usines de traitement des eaux usées. La MOD chromophorique est un sous-groupe de la MOD qui peut absorber lalumière. La MOD fluorescente est à son tour un sous-groupe de la MOD chromophore. Le signal de fluorescence de la MODanthropogénique dans la zone côtière n'est pas bien caractérisé et évalué dans la littérature. Les dégradations induites parphotochimie et les changements au niveau moléculaire sont peuvent de plus influencer la MOD. Dans la présente étude, plusieursexpériences d'irradiation solaire ont été menées avec plusieurs modes de filtration de mélange d’eau de rivière, d’eau de mer et d'uneffluent de station de traitement des eaux usées dans le but de trouver un signal spécifique de fluorescence comme un traceur de laMOD anthropique en utilisant les matrices d'émission d'excitation de la spectroscopie de fluorescence (EEMs) couplées à latechnique statistique chimiométrique de l'analyse factorielle parallèle CP/PARAFAC. Un modèle de régression multilinéaire a étédéveloppé entre la contribution des composantes CP/PARAFAC et la composition du mélange. La cinétique des paramètres derégression multilinéaire a également été étudiée. Des suivis géographiques de l'évolution du signal de fluorescence dans la rivièreGapeau jusqu'à la mer ont été menées ainsi qu’une étude temporelle du signal de fluorescence. Le modèle de régressionmultilinéaire développé a été appliqué pour modéliser les résultats des expériences de champs géographiques et temporelles. Lesrésultats ont montré que le modèle de régression multilinéaire est excellent. Par contre la recherche d'un signal ou d'une signaturede fluorescence spécifique pour l'eau de rivière, les stations d'épuration des eaux usées ou l'eau de mer n'a pas pu être réalisée dansce travail. Dans la zone côtière affectée par l'homme, les matières organiques fluorescentes résiduelles proviennent principalementsinon uniquement de l'usine de traitement des eaux usées, et aucun signal spécifique provenant de l'eau de mer n'a pu être détectéprès de la côte. / Anthropogenic activities have done major changes to our global system. The coastal dissolved organic matter has great influenceon the global carbon cycle and hence climate change. The riverine input of dissolved organic matter represents the terrestrialorganic matter. Urbanized rivers is greatly impacted by the anthropogenic dissolved organic matter coming from wastewatertreatment plants . Chromophoric dissolved organic matter is a subgroup of the dissolved organic matter which can absorb light.Fluorescent dissolved organic matter in turn is a subgroup of the chromophoric dissolved organic matter .The fluorescence signalof the anthropogenic dissolved organic matter in the coastal zone is not well characterized and evaluated in the literature.Photochemically induced degradations and changes at the molecular level is considered to be a great process which could influencethe dissolved organic matter . In the present study, Laboratory mixing experiments several sunlight irradiation experiments wereconducted with several modes of filtration of three endmember mixing components ( River water, Sea water , wastewater treatmentplant effluent discharge) with the objective of finding a specific signal of fluorescence which could be a tracer of the anthropogenicdissolved organic matter through using the fluorescence spectroscopy excitation emission matrices (EEMs) coupled with thechemometric statistical technique of Parallel Factor analysis CP/PARAFAC. Moreover, multilinear regression model between thecontribution of CP/PARAFAC components and two content fraction of River water and Seawater endmember was developed. Inaddition the kinetics of the multilinear regression parameters were investigated. On top of that , geographical investigations of theevolution of fluorescence signal in the Gapeau river till the sea were conducted. Furthermore, Temporal investigation of thefluorescence signal for four water points in the pathway of Gapeau river were done. The multilinear regression model developedwas applied to model the results of the geographical and temporal field experiments. Results have shown that Multilinearregression model for contribution of CP/PARAFAC components is excellent and could be done for the three endmembers. Inaddition the search for specific fluorescence signal or signature for river water, wastewater treatment plants and sea water couldn’tbe done in this work. In human impacted coastal zone, residual fluorescent organic matter come from wastewater treatment plant,and no specific signal from sea water could be detected near the coast.

Des 85 000 hectares de terres agricoles à l'île Maurice, prés de 85% est occupé par la canne à sucre, le reste étant composé de maraîchage et des cultures fruitières. Pour assurer sa pérennité et sa viabilité économique à long terme, l'industrie cannière s'appuie dans son programme de réforme sur une revalorisation de ses sous produits en développant une industrie d'éthanol à partir de la mélasse et en utilisant plus efficacement la bagasse durant la période de récolte pour produire l'électricité. Cependant ces deux filières génèrent beaucoup de déchets (400 000 T/an de vinasse durant la distillation d'éthanol, et 40 000 T/an de la cendre de charbon/bagasse durant la production d'énergie électrique), qu'il faudrait valoriser et gérer avec le moins d'effet néfaste possible sur l'environnement. Parmi les moyens disponibles pour la gestion de ces déchets, le recyclage agricole semble être le plus attrayant du point de vue agronomique et également sous l'aspect de protection de l'environnement. Dans ce contexte pour valider cette pratique de recyclage agricole à l'Île Maurice, une étude a été entreprise pour connaître les effets de l'épandage de fortes doses de vinasse et des cendres de bagasse/charbon sur les sols, la culture de la canne à sucre et sur la qualité des ressources en eau. L'analyse de la vinasse et de la cendre de charbon et de bagasse échantillonnées à intervalle régulier de trois mois entre 2005 et 2008 a montré que leur composition chimique est très variable. Néanmoins la caractérisation de la vinasse a confirmé qu'avec sa teneur en K (moyenne de 9.37 g/L), elle est utile principalement comme engrais potassique quoiqu'à un taux de 100 m3/ha son apport en termes d'azote (moyenne de 122 kg N/ha) et en matière organique (8-15% de matière sèche) sera aussi appréciable. Des métaux lourds (Cu, Zn, Ni, Mn, Pb) étaient également présents dans la vinasse mais leurs concentrations étaient négligeables et ne dépassaient souvent pas la limite de détection du spectrophotomètre d'absorption atomique utilisé pour la mesure (5 mg/kg pour le Cu, Zn, Ni, Pb, 10 mg/Kg pour le Mn) A l'opposé de la vinasse qui est acide (pH de 4.5 en moyenne), la cendre de bagasse ou de charbon possède un pH alcalin variant entre 7.5 à 11.5, et peut de ce fait, être utilisée comme amendement pour corriger l'acidité dans les sols. Appliquée à un taux de 100 T/ha, la cendre de charbon représenterait une source importante de potassium (moyenne de 139 kg K/ha) et surtout de phosphore (moyenne de 298 kg P/ha) à la canne à sucre. Contenant très peu de métaux lourds (Cu, Zn, Ni, Mn, Pb et Hg) et en général pas de micropolluants organiques, la cendre de charbon ne risque pas d'accentuer la présence de ces polluants organiques ou inorganiques dans le sol, dans la canne à sucre ou dans la nappe phréatique. Les études au laboratoire ont par contre démontré que la cendre de bagasse/charbon était capable de fortement immobiliser par adsorption, les herbicides atrazine et hexazinone avec des valeurs de Km (coefficients de sorption) de 0.13 pour atrazine et 0.32 pour hexazinone, rendant minime le risque de transfert de ces herbicides vers la nappe souterraine. Les analyses de sol ont confirmé que l'apport de la vinasse baissait le pH (de 5.9 à 5.4 en moyenne), mais cette baisse n'était que temporaire et pas assez significative pour affecter la croissance de la canne. Le pH du sol retournait à sa valeur initiale peu de temps après l'épandage de 100 m3/ha de la vinasse. La cendre de charbon avait eu un effet inverse en augmentant le pH du sol quoique cette hausse ne fût également pas significative pour la culture de la canne. Epandues à 100 m3/ha et à 100 T/ha la vinasse et la cendre de charbon, respectivement, avaient tendance à hausser la salinité du sol qui restait toutefois bien en dessous du seuil de 1700 RS/cm acceptable pour la culture de la canne à sucre. Si la vinasse à 100 m3/ha augmentait le carbone organique dans certains sols, tel ne fut cependant pas le cas pour la cendre de charbon à 100 T/ha. La vinasse comme la cendre de charbon avait un effet positif sur le niveau de calcium et de magnésium échangeables dans le sol. Ainsi à 100 T/ha la cendre de charbon augmentait dans le sol de Pamplemousses le Ca échangeable de 3.40 à 6.61 cmol+/kg après 12 mois, tandis que durant cette même période la vinasse à 100 m3/ha, et malgré sa forte teneur en potassium, portait le Ca échangeable de 1.66 à 1.83 cmol+/kg dans le sol de Union Park. Les essais aux champs établis dans quatre localités avec des doses croissantes de vinasse (25, 50 et 100 m3/ha) ont montré que le rendement de la canne à sucre que ce soit sous forme de canne ou de sucre n'était pas affecté de façon négative par ce déchet. Au contraire les résultats obtenus durant les trois années d'étude, qui ont permis de récolter une canne vierge et deux repousses, ont démontré que la vinasse avait donné un meilleur rendement en canne (moyenne de 84.9 T/ha annuellement pour les quatre sites) que le traitement recevant NPK uniquement sous forme d'engrais minéraux (moyenne de 77.3 T/ha annuellement pour les quatre sites). Puisque tous les traitements avaient reçu le même taux d'azote et de phosphate, ce rendement plus élevé de la vinasse était A part une meilleure nutrition potassique, probablement dû à une amélioration de la qualité du sol grâce aux matières organiques apportées par la vinasse. D'autre part, la cendre de charbon à 100 T/ha était définitivement néfaste à la canne à sucre comme indiqué par le rendement en canne plus faible (moyenne de 67.5 T/ha annuellement pour les quatre sites). A 50 T/ha, l'effet de la cendre de charbon sur le rendement dépendait du type de sol, étant plus affecté dans les sols lessivés comme à Belle Rive que dans les sols moins lessivés de la zone sous humide comme à Pamplemousses. En raison de leur faible teneur en métaux lourds, la vinasse aussi bien que la cendre de charbon n'ont pas d'effet sur la concentration des métaux lourds présents dans la canne à sucre. Pour connaître l'effet de l'épandage de 100 m3/ha de vinasse et de 100 T/ha de cendre de bagasse sur la qualité des eaux souterraines, l'eau percolant après chaque grosse pluie à un mètre de profondeur sous des lysimètres établis sur deux sites avec une pluviométrie différente (1500 mm/an à Réduit et plus de 3500 mm/an à Belle Rive) avait été recueillie et analysée durant la période 2005 à 2008. Les résultats ont montré que la vinasse à 100 m3/ha n'accentuait pas les pertes d'azote sous forme de nitrate. Les métaux lourds les plus mobiles en l'occurrence le cuivre, le zinc et le nickel ont également été retrouvés dans les percolâts mais leurs teneurs restaient bien en dessous des seuils recommandés pour l'eau potable préconisé par l'Organisation Mondiale de la Santé , c'est-à-dire, 1mg Cu/L, 5mg Zn/L et 0.02 mg Ni/L. Les résultats de quenching de fluorescence de la matière organique dissoute de la vinasse et de ses fractions (issues de la dialyse) avec le cuivre ont confirmé une bonne complexation entre cette matière organique dissoute et le cuivre. La cendre de bagasse n'avait pas engendré une présence plus prononcée des métaux lourds et des micropolluants organiques dans les eaux drainant à un mètre de profondeur des lysimètres. La seule différence remarquée entre la vinasse et la cendre de bagasse, était une capacité accrue de cette dernière à mobiliser le nitrate dans le sol. Ainsi suite à l'apport de 100 T/ha de cendre de bagasse, la concentration du nitrate dans les percolâts avait durant la période de novembre 2005 à février 2008 dépassé en de nombreuses occasions à Belle Rive et Réduit respectivement, le seuil de 10 mg N-NO3- /L recommandé pour l'eau potable par l'Organisation Mondiale de la Santé. En conclusion, cette étude a donné des résultats forts intéressants et valables qui indiquent que si l'épandage des fortes doses de vinasse peut être accepté, celle de la cendre de charbon est à éviter puisqu'elle n'est pas sans conséquence nuisible pour les sols ou les cultures et même les eaux souterraines. En effet, les fortes doses de cendre de charbon dans les champs de canne à l'île Maurice, conduiraient à une baisse de production et à une pollution plus accentuée de la nappe souterraine par le nitrate

En dépit de l'importance des flux de carbone transitant depuis les continents jusqu'aux océans, le cycle de la matière organique à l'échelle continentale reste encore en partie méconnu. Ainsi, par exemple, le carbone organique dissous des eaux naturelles (COD) a-t-il surtout été étudié sous un aspect chimique indifférencié. Des études isotopiques ainsi que l'utilisation de biomarqueurs, dans les sols et dans différents écosystèmes aquatiques, ont cependant permis d'élucider certains aspects de son cycle. La présente étude s'inscrit dans cette perspective. Deux types de milieux distincts, l'un iIlustratif des eaux de surface (fleuve Saint-Laurent, Canada), l'autre, d'eaux souterraines (aquifère de l'Astien, France), ont été examinés. Bien que ces deux sites illustrent des processus biogéochimiques contrastés, leur étude s'est appuyée sur une méthodologie commune basée sur l'utilisation des isotopes du carbone et des biomarqueurs ligneux. Dans le volet "Saint-Laurent", nous nous sommes intéressés au cycle du carbone organique terrigène à partir de mesures ¹³C et ¹⁴C du COD total et d'une composante réfractaire du COD afin de mieux comprendre l'origine et l'évolution du carbone organique terrigène lors de son exportation vers l'océan. Dans le volet concernant l'aquifère des sables de l'Astien, l'utilisation des mêmes approches ont été retenues dans le but de déterminer la nature, les sources, l'état de dégradation et l'évolution temporelle du COD dans une nappe d'eau souterraine, à des fins éventuelles d'estimation de son temps de séjour. Nous retenons, de l'étude, une origine majoritairement terrigène, tout au long de l'année, en ce qui a trait au COD du système hydrologique du Saint-Laurent, ainsi que son âge globalement très récent (quelques années). Cependant, une fraction de ce COD, représentant de 8 à 28% de la totalité, est apparue beaucoup plus ancienne (quelques centaines d'années). Cette fraction réfractaire correspond principalement à des composés organiques issus de la décomposition de végétaux terrigènes (cellulose, lignine), bien que la contribution de noir de carbone ne soit pas exclue. L'activité ¹⁴C du COD total est majoritairement héritée de celle du COD labile plus ou moins proche des teneurs ¹⁴C du CO₂ atmosphérique actuelles, mais les écarts observés par rapport à celle-ci sont dus aux variations des teneurs en ¹⁴C de la fraction réfractaire. La présente étude indique que le COD total du système hydrologique du fleuve SaintLaurent est en majorité constitué de composés organiques facilement biominéralisables et donc potentiellement grands consommateurs d'oxygène dissous. De ce fait le carbone organique terrigène pourrait jouer un rôle plus important qu'estimé aujourd'hui dans l'apparition de conditions hypoxiques dans les estuaires et zones côtières du globe. Dans le système de l'aquifère de l'Astien, les évolutions similaires des familles de phénols issues de la macromolécule ligneuse suggèrent que l'absorption de composés ligneux se fait sur la macromolécule et non sur composés individuels. La présente étude laisse croire que les signatures ligneuses sont susceptibles d'être modifiées par le biais des processus pédogénétiques, mais aussi que les cinétiques relatives de dégradation des composés organiques issus de la macromolécule ligneuse pourraient donner lieu à des applications géochronométriques. En effet, l'acétovanillone, l'acide 3,5-dihydroxybenzoïque et l'acide p-coumarique présentent des variations en concentrations relatives liées aux variations des activités ¹⁴C mesurées.

Des conditions d'hypoxie sont couramment rencontrées dans les eaux profondes de l'estuaire du Saint-Laurent, dû à une forte dégradation de matière organique particulaire (MOP) hautement réactive de même qu'à une eutrophisation généralisée de l'estuaire au cours des dernières décennies. On en connaît par contre peu sur la distribution et la composition de la MOP retrouvée dans les sédiments, ainsi que sur les facteurs qui gouvernent sa réactivité dans les différentes zones de l'estuaire. Les nutriments azotés, incluant l'azote organique dissous (AOD), sont un facteur limitant courant pour la productivité primaire estuarienne, et pourtant, l'AOD est presque systématiquement absent des budgets de nutriments estuariens et marins. Dans le Saint-Laurent, les sources et les puits de l'AOD ne sont pas bien définis, et les facteurs qui régulent le relargage benthique de l'AOD, en particulier, sont incertains. La mesure de la composition isotopique des différentes espèces d'azote est utile pour comprendre et quantifier les différents processus liés au cycle de l'azote, dans les sédiments et dans la colonne d'eau (incluant les processus qui affectent l'AOD), mais l'effet de la composition isotopique sur les dits processus, en contrepartie, doivent être éclaircis. En ce moment, aucune étude n'a documenté les liens existant entre la composition isotopique des différentes espèces d'azote et les échanges de nutriments entre les milieux benthique et pélagique estuariens et marins. Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse est de déterminer la composition et la réactivité de la matière organique (MO) dans l'estuaire du Saint-Laurent, d'évaluer son impact sur les flux et les budgets d'azote, puis d'évaluer comment les propriétés isotopiques des espèces d'azote échangées lors des différents flux affecteront le pool d'azote dans la colonne d'eau. Les objectifs spécifiques sont donc, dans un premier temps, de déterminer la distribution de la MOP réactive au long de l'estuaire et du golfe du Saint-Laurent, ainsi que d'explorer les facteurs qui contrôlent cette distribution, tels que les sources de MOP, l'oxygène dissous et les régimes de déposition. Dans un deuxième temps, j'explore ici la distribution et les flux d'azote et de carbone organique dissous (AOD; COD) dans l'eau interstitielle entre les sédiments et la colonne d'eau, ainsi que les différences stœchiométriques qui en découlent, lesquelles sont probablement régulées par la réactivité de la MOP et les conditions environnementales. Le dernier objectif est de suivre la transformation des différentes espèces d'azote organique et inorganique dissous (AOD+AID) dans les eaux interstitielles, puis de déterminer l'effet qu'aura la séquence de reminéralisation-nitrification-dénitrification de l'azote sur le contenu en 15N du pool réactif d'azote dans la colonne d'eau. Pour répondre à ces objectifs, des échantillons provenant de l'eau et des sédiments de l'estuaire du Saint-Laurent ont été collectés lors de deux campagnes au long d'un gradient depuis l'estuaire vers l'océan. La composition en isotopes stables (N et C), le carbone organique total, l'azote total, les acides aminés et le contenu en chlore ont été mesuré dans les sédiments. Ces analyses sont à la base des calculs d'indices de réactivité de la matière organique, de l'indice de dégradation (ID) et de l'indice de chlore (IC) des sédiments. De plus, les nitrates (et nitrites), l'ammonium, le carbone organique dissous (COD) et l'AOD seront mesurés dans les eaux interstitielles des sédiments. Ces variables seront ensuite utilisées pour estimer les flux diffusifs à l'interface eaux-sédiments. Finalement, les compositions isotopiques des NO3- et de l'azote total dissous (ATD) ont été déterminées, et l'effet isotopique associé à leurs flux à l'interface eau-sédiment a été calculé. Les résultats de ce présent travail montrent clairement un gradient de la réactivité de MOP des sédiments et un début d'altération diagénétique au long de l'estuaire du golfe du Saint-Laurent, avec plus de MO réactive dans la partie peu profonde de l'estuaire moyen et dans la zone hypoxique et très productive de l'estuaire maritime. Les analyses de stéréo-isomères des acides aminés ont révélé un couplage entre l'ampleur de la diagénèse et l'accumulation et la préservation sélective de la matière dérivée des membranes de cellules bactériennes dans les sédiments. Le temps d'exposition à l'oxygène des sédiments semble déterminer fortement la réactivité de MO des sédiments dans l'estuaire du Saint-Laurent, plutôt que la source de la MOP. Dans l'ensemble de la zone d'étude, les sédiments représentent une source d'AOD dans la colonne d'eau (de 0,11 à 0,43 mmol m-2 j-1). Les flux d'AOD comptent pour 30 à 64% de la dénitrification benthique totale, et étaient significativement positivement corrélés avec la réactivité de la MO et négativement corrélés avec l'oxygène dissous des eaux recouvrant les sédiments. Les flux de COD étaient relativement constants (2,1 ± 0,1 mmol m-2 j-1) et n'ont pas démontré de patron de variation au long du gradient estuaire-océan, impliquant une partition des éléments prononcée et contrôlée par l'environnement durant l'hydrolyse et la reminéralisation de la MOP durant la diagénèse hâtive des sédiments. L'azote réduit dissous (ARD) des eaux interstitielles et les nitrates étaient tous les deux significativement enrichis en 15N dans les sédiments. Comme dans les autres environnements marins, le fractionnement isotopique biologique de la perte nette d'N fixé due à la dénitrification était à peine exprimé à l'échelle des échanges entre les sédiments et l'eau. Intégrer, pour la première fois, les flux d'ARD (AOD + NH4+) dans les calculs de l'effet isotopique de l'N total des sédiments génère des effets isotopique d'N légèrement plus élevé (4,6 ± 2 %o), qui semblent être contrôlés par la réactivité et la profondeur de pénétration de l'oxygène dans les sédiments. Les valeurs des effets isotopiques de l'N total des sédiments reportés ici sont plus élevés que les valeurs présumées, et occasionnent des incohérences dans le cycle global des isotopes d'N, car ils impliquent un plus grand ratio de dénitrification entre les sédiments et la colonne d'eau et, ainsi un plus grand débalancement du budget global de l'N qu'il n'est actuellement considéré. En résumé, cette étude souligne les liens étroits existant entre le régime de condition de préservation et de sédimentation, la composition et la réactivité de la MO et le remaniement bactérien, ainsi que les échanges de solutés à l'interface eau/sédiment, avec des implications à grand échelle pour l'effet des processus benthiques sur les éléments et le budget isotopique de l'N dans la colonne d'eau des estuaires marins. ______________________________________________________________________________