La nécessité de maîtriser les émissions de GES (CO2, NO), la raréfaction et la hausse du prix des carburants fossiles conduisent à envisager la substitution du C fossile par du C « renouvelable » c'est-à-dire issu de la biomasse végétale. Cette stratégie de substitution doit être durable. En particulier l’exportation massive de biomasse végétale privant le sol des restitutions de résidus végétaux (par exemple pour les pailles de céréales) ; et l’implantation de nouvelles cultures notamment des plantes pérennes (par exemple le miscanthus) interrogent sur les pratiques culturales, notamment les dates et les fréquences d’exportation, indispensables pour le maintien de la fertilité des sols et une bonne gestion des cycles biogéochimiques. Miscanthus×giganteus, plante pérenne à rhizome est une des plantes « candidate » pour la production des carburants de seconde génération, en raison de son fort potentiel de production de biomasse, y compris en conditions tempérées. Dans ce contexte l’objectif principal de ce travail de thèse était de quantifier et caractériser les litières végétales recyclées vers le sol sous culture de Miscanthus, plus précisément les feuilles sénescentes,les racines et rhizomes de Miscanthus et d’étudier la minéralisation du C et N au cours de leur décomposition. Ce travail s’est appuyé sur un essai au champ de Miscanthus×giganteus, âgé de 3 à 5ans, implanté depuis 2006 à Estrées-Mons (Nord de la France), et croisant 2 dates de récolte (une récolte précoce avant l’hiver et une récolte tardive après l’hiver en fin de cycle annuel) et 2 niveaux de fertilisation azotée (0 kg N ha-1 et 120 kg N ha-1). Tout d’abord sur les litières prélevées sur cet essai,nous avons quantifié, caractérisé biochimiquement et étudié la minéralisation en conditions contrôlées des feuilles sénescentes, rhizomes et racines. Ensuite la dynamique de chute des feuilles au cours de la sénescence, leur accumulation sous forme de mulch à la surface du sol et les cinétiques de décomposition ont été étudiées au champ pendant deux années. Enfin nous avons étudié les effets de la disponibilité de l’azote sur la dynamique du C et N, la dynamique microbienne et des fonctions enzymatiques au cours de la décomposition de ces feuilles, en conditions contrôlées. La disponibilité en N a été modulée soit en apportant de l’azote minéral, soit en apportant des quantités croissantes de feuilles pour une quantité d’azote donnée. Nous montrons que le C stocké dans les trois " compartiments " recyclés potentiellement au sol est considérable : feuilles sénescentes (1à 3 t C ha-1 par an), racines (1 à 2 t C ha-1) et rhizomes (7 à 10 t Cha-1). Les rhizomes, ont une teneur en soluble-NDS de 25 à 35% et une teneur en lignine de 11 à 15% selon les prélèvements précoces ou tardifs, et une teneur en N élevée (0.7-1.5%). On observe en 263jours à 15 °C, une minéralisation des rhizomes représentant 61±8% du C apporté, supérieure à celle observée pour les racines (36±8%) et les feuilles sénescentes (53±4%). Nous montrons l’importance des feuilles sénescentes de Miscanthus dans le recyclage de matière organique vers le sol : le scénario de récolte précoce prive le sol d’un recyclage annuel de 1-3 t C ha-1 ; d’autre part qualitativement, la faible dégradabilité observée au laboratoire pour les feuilles est confirmée au champ, ce qui conduit à la formation d’un mulch important en épaisseur (2 à 4cm) et en quantité (équivalent à 6 à 7 t C ha-1).Enfin, une forte disponibilité en N accélère la vitesse de minéralisation du C à court terme. Ceci se traduit aussi par une augmentation du C microbien et de l’ergostérol, marqueur fongique, ainsi que des activités enzymatiques liées à la dégradation du C et N (xylanase, leucine aminopeptidase). En revanche, cette disponibilité forte en N réprime l’activité laccase. Nous montrons aussi que diminuer la disponibilité relative en N pour les décomposeurs, par ajout de quantités croissantes de feuilles dans le sol conduit à ralentir la croissance microbienne et fongique. Cette situation favorise très tôt l’installation de la biomasse fongique (augmentation du rapport ergostérol/C microbien) et son activité(laccase).Ce travail montre que la culture de Miscanthus permet potentiellement une forte accumulation de C organique, ce qui est favorable au maintien de la fertilité des sols à long terme. Il est maintenant essentiel de pouvoir prédire le devenir du C des parties souterraines de Miscanthus, dans la perspective de changement dans l’utilisation des terres. / To control emissions of greenhouse gases (CO2, NO), fossil fuels scarcity and their rising prices lead to consider the substitution of fossil C by the "renewable" C from plant biomass. This alternative strategy must be sustainable. In particular the massive export of plant biomass depriving soil of plant residues (eg cereal straws), and the growing of new crops specially perennial crops (eg miscanthus)questioned the cultural practices (dates and frequency of biomass export) essential for maintaining soil fertility and good management of biogeochemical cycles. Miscanthus × giganteus, a rhizomatous perennial grass is dedicated to second-generation fuels production, because of its high potential biomass production.In this context the main objective of this work was to quantify and characterize Miscanthus plant litter recycled to soil, more precisely senescent leaves, roots and rhizomes of Miscanthus, and to study the C and N mineralization during decomposition of these litters. This work was performed on 3 to 5 years old Miscanthus stands established since 2006 in Northern France (Estrées Mons), either fertilized with120 kg N ha−1 year−1 or unfertilized. The sampling of litters was performed in autumn (maximal biomass production) and winter (maturity). Firstly we quantified and biochemically characterized Miscanthus senescent leaves, rhizomes and roots. Then we studied their decomposition in soil under controlled conditions (15°C, -80 kPa) during 263 days. We also investigated in the field for two years the dynamics of leaf fall during senescence, their accumulation in the form of mulch on soil surface and the kinetics of decomposition. Finally we investigated under controlled conditions the effects of nitrogen availability on C and N dynamics, microbial dynamics and enzymatic functions during the decomposition of these leaves. N availability was modulated either by adding inorganic nitrogen, or by adding increasing amounts of leaves for a given amount of nitrogen in soil.Our results showed that the C stored in the three "compartments" recycled to soil is potentially considerable: senescent leaves (1 to 3 t C ha-1 year), roots (1 to 2 t C ha-1) and rhizomes (7 to 10 t C ha-1). The rhizomes had a high NDS soluble content (25 to 35%), a high N content (0.7 to 1.5%) and low lignin content (11 to 15%) depending on early or late harvest dates. we observed after 263 days of decomposition at 15°C a higher carbon mineralization from rhizomes 61 ± 8%, than that observed for roots (36 ± 8%) and senescent leaves (53 ± 4%). We also showed the importance of senescent leavesin the recycling of organic matter in the soil: the early harvest scenario deprives the soil of an annual leaves of 1-3 t C ha-1. Qualitatively, the low degradability observed in the laboratory experiment for the leaves was confirmed in the field. This leads to the formation of an important thick layer of mulch(2 to 4cm) and quantitatively (6-7 t C ha-1). Finally, a high N availability increases the C mineralization rate in the short term which was reflected by an increase in microbial C, fungal ergosterol, and enzymatic activities related to C and N degradation of (xylanase, leucine aminopeptidase). However, this high N availability suppresses laccase activity. We also showed that decreasing N availability for decomposers by adding increasing amounts of leaves in the soil leads toslow microbial and fungal growth. However, this situation favors an early installation of fungal biomass (increased ergosterol / microbial C ratio) and their activity (laccase).This work showed that the cultivation of Miscanthus potentially allows a large accumulation of organic C which is favorable to the maintenance of soil fertility in the long term. It is now essential to predict the fate of underground C parts of Miscanthus, in the perspective of change in land use, i.e.when the Miscanthus stands is to be replaced in field by another crop.

L’objectif de cette thèse a été d’évaluer les possibilités de réhabilitation de sols dégradés, contaminés par des HAP ou à faible qualité agronomique (parc à cendres volantes), en couplant la bioremédiation de ces sols à la culture de Miscanthus x giganteus (MxG). Dans un premier temps, la mise au point d’une série de bioessais in vitro au format microplaque a permis de témoigner de la contribution spécifique des exsudats racinaires de MxG et plus particulièrement de la quercétine (identifié parmi les métabolites secondaires racinaires) dans la biostimulation de bactéries HAP-dégradantes. Afin d’appréhender l’effet rhizosphérique de MxG sur la qualité des sols, des cultures en microcosmes de sols reconstitués puis de sols de friches ont été menées en laboratoire. D’une part, la dissipation significative des HAP à 4 cycles a pu être mesurée dans le compartiment racinaire des sols contaminés. D’autre part, l’augmentation des teneurs en carbone organique observée dans les cendres volantes, associée à une dynamisation du cycle de l’azote suggèrent une accélération des processus pédogénétiques liés au « vieillissement » du substrat. En outre, le développement d’un protocole d’extraction et de purification d’acides nucléiques a permis de suivre l’évolution de la diversité des communautés bactériennes des sols par méthode PCR-TTGE des ADNr 16S microbiens. La sélection de phylotypes bactériens a été mise en évidence au niveau rhizosphérique, en particulier à l’interface sol-racine (rhizoplan), soulignant l’influence de processus racinaires sur la structuration des communautés bactériennes in vivo. Enfin, un dernier volet, rendant compte d’expériences exploratoires sur deux saisons de croissance en champs (sols pollués et parc à cendres), a permis de confirmer l’adaptation de MxG à la variété de substrats étudiés, suggérant que sa culture pourrait constituer une alternative d’agriculture durable sur sites contaminés / The aim of this work was to investigate the potential of Miscanthus x giganteus (MxG) for PAH polluted soils remediation and fly ash revegetation. In vitro studies through microplate assays demonstrated the contribution of MxG root exudates and particularly of quercetin (following the identification of root secondary metabolites) to the selective biostimulation of PAH-degrading bacteria. To get insights into bioremediation processes and rhizosphere effects on soil quality, microcosm experiments were conducted at a laboratory scale, using artificially reconstituted soils and collected industrial soils. On the one hand, significant dissipations of four-ring PAH were noticed in the rhizosphere of contaminated soils. On the other hand, significant organic carbon and nitrite inputs could be measured in fly ash, indicating a “restart” of nitrogen cycle and suggesting an enhancement of fly ash weathering processes in the long term. Besides, the development of a soil nucleic acid extraction and purification method permitted to study the evolution of bacterial community diversity in all types of soils, based on PCR-TTGE of eubacterial 16S rDNA. Specific enrichments of bacterial phylotypes could be reported in rhizoplanes, confirming root-associated processes on the selection of soil bacterial communities. Finally, plant adaptation to the broad range of studied substrates in situ lead us to suggest that MxG cultivation could be an effective strategy for a new system of sustainable agricultural activities in wasteland soils

Le miscanthus x Giganteus (MxG) constitue, du fait de sa composition, une source renouvelable de matière lignocellulosique pouvant être d'un grand intérêt pour la production de molécules à haute valeur ajoutée. Le MxG ayant servi à ce travail provient du lycée agricole à Courcelles-Chaussy, Metz-France. Sa teneur élevée en hémicelluloses (26 %), en lignine (26 %) et en cellulose (36 %) en fait une bonne source de polymères et de carburant renouvelable. L'étude que nous avons réalisée a été menée dans le but de caractériser la paille de MxG et d'optimiser le processus de délignification en une seule étape (1) par un traitement organosolv à l'éthanol et en deux étapes (2) par un prétraitement consistant en une autohydrolyse à l'eau/organosolv. Le procédé éthanol organosolv a permis un bon fractionnement des trois constituants de la biomasse (la lignine, la cellulose et les hémicelluloses). Le procédé de traitement en deux étapes, impliquant une autohydrolyse à l'eau (en présence et en l'absence du 2-naphtol), préalable au traitement organosolv, a permis de faciliter l'étape ultérieure de délignification en déstructurant la lignine. Une investigation portant sur la structure physico-chimique a été réalisée sur de la lignine de bois broyé et de la lignine organosolv de MxG extraite à différentes sévérités de traitement. Nous nous sommes ensuite intéressés à utiliser la lignine organosolv pour la formulation d'un adhésif pour le bois dans laquelle un aldéhyde non toxique et peu volatile (le glyoxal) est employé en remplacement du formaldéhyde. Une formulation, composée à 100 % de résines naturelles (60 % de tannins de mimosa et 40 % de lignine glyoxalée) a été utilisée pour la conception d'un panneau de particules et a donné des résultats prometteurs avec une force de liaison interne de 0,41 MPa, supérieure à la valeur de la norme européenne en vigueur. Enfin, une étude des propriétés antioxydantes a été faite sur les lignines extraites. Les résultats obtenus ont montré une corrélation entre l'activité antioxydante et les conditions opératoires du traitement organosolv, la masse moléculaire moyenne, l'indice de polydispersité et les groupements hydroxyles phénoliques des lignines. / Miscanthus x giganteus (MxG) is, because of its composition, a source of renewable lignocellulosic material that can be of great interest for the production of high added value molecules. MxG used in this work comes from the agricultural high school of Courcelles-Chaussy, Metz-France. Its high content of hemicelluloses (26 %), lignin (26 %) and cellulose (36 %) makes it a good source of polymers and renewable fuel. In the present study we have characterized the straw of MxG and optimized the process of delignification in a single step (1) by an ethanol organosolv treatment and in a two steps (2) including an autohydrolysis pretreatment with water / organosolv. The ethanol organosolv process permits a good separation of the three constituents of our biomass (lignin, cellulose and hemicelluloses). The two steps treatment process, involving an autohydrolysis with water (in the presence or absence of 2-naphthol) before the pretreatment organosolv has facilitated the later stage of delignification in destructurizing the lignin. An investigation of the physico-chemical properties was performed on the structure of the milled wood lignin and organosolv lignin of MxG extracted with different treatment severities. A way of valorization for the organosolv lignin has been proposed by their incorporation in the formulation of an adhesive for wood in which a non volatile and low toxic aldehyde (glyoxal) is used instead of formaldehyde. A formulation consisting in 100 % of natural resins (60 % tannins of mimosa and 40 % of glyoxalated lignin) was used for the production of particle board and gave promising results with internal bond strength of 0.41 MPa, higher than the value of the current European standard. Finally, a study was conducted on the antioxidant properties of organosolv lignin extracted at different severities. The results have shown a correlation between the antioxidant activity and the operating conditions of treatment organosolv, the average molecular weight, the polydispersity index and the phenolic hydroxyl groups of lignin

Les activités industrielles sont à l’origine d’un grand nombre de sites et sols pollués en France. Parmi les polluants retrouvés, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), notamment ceux de haut poids moléculaire, posent un réel problème environnemental et de santé publique en raison de leur toxicité et de leur persistance dans les sols. Les techniques biologiques de remédiation qui stimulent la dégradation microbienne des HAP en utilisant des plantes (phyto/rhizoremédiation), des nutriments (biostimulation), ou encore des microorganismes (bioaugmentation), apparaissent comme des stratégies intéressantes car elles sont plus respectueuses de l’environnement et moins onéreuses que les méthodes physico-chimiques. Dans ce contexte, la capacité de la plante Miscanthus x giganteus (MxG) à améliorer la dissipation du benzo(a)anthracène (BaA), un HAP de haut poids moléculaire peu étudié en remédiation, a été évaluée par une approche pluridisciplinaire en réalisant deux types d’expérimentations à partir d’un sol artificiellement contaminé. La première a consisté à analyser l’influence rhizosphérique de la plante (phyto/rhizoremédiation) au cours d’une période de 12 mois. Les résultats ont montré que la présence de MxG conduisait en fin d’exposition à une réduction 3 fois plus importante de la teneur en BaA dans le sol grâce à une augmentation de la biodisponibilité du contaminant et à un effet positif sur les communautés microbiennes via une modification de leur diversité et une augmentation de leur densité de gènes ARNr 16S et PAH-RHDα GP. Afin d’améliorer la compréhension de ce phénomène, une deuxième expérimentation a été mise en place sur une durée de 105 jours dans le but d’étudier spécifiquement l’influence de certaines molécules exsudées au niveau du système racinaire de la plante (biostimulation) et de microorganismes spécifiques, associés à sa rhizosphère, ayant la capacité de dégrader le BaA (bioaugmentation). Ces essais ont témoigné de la complexité des mécanismes rhizosphériques et de la nécessité d’approfondir ce type d’analyses afin d’améliorer la compréhension des processus de biodégradation dans la rhizosphère de la plante. L’ensemble de ces résultats a alors montré que MxG était une candidate idéale pour la phyto/rhizoremédiation de sols contaminés par des HAP de haut poids moléculaires mais que des études supplémentaires étaient encore nécessaires pour comprendre les processus intervenant dans sa rhizosphère / Industrial activities result of a large number of contaminated sites and soils in France. Among the pollutants found, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), and especially those of high molecular weight, are a real environmental and public health problem because of their toxicity and persistence in soils. Biological remediation techniques which stimulate microbial degradation of PAHs using plants (phyto/rhizoremediation), nutrients (biostimulation), or microorganisms (bioaugmentation), appear as interesting strategies because they are more environmental friendly and less expensive than physico-chemical methods. In this context, the ability of the plant Miscanthus x giganteus (MxG) to improve benzo(a)anthracene (BaA) dissipation, a high molecular weight PAH few studied in remediation, was assessed with a multidisciplinary approach through two types of experimentations using an artificially contaminated soil. The first one was to analyze the rhizospheric influence of the plant (phyto/rhizoremediation) over a period of 12 months. Results showed that the presence of MxG led to a 3-fold reduction in BaA concentration in soil at the end of exposure thanks to an increase in pollutant bioavailability, and a positive effect on microbial communities due to a modification of their diversity and an increase in their 16S rRNA and PAH-RHDα GP genes density. In order to improve the understanding of this phenomenon, a second experiment was carried out for 105 days to study specifically the influence of certain molecules exuded in the plant’s root system (biostimulation), and specific microorganisms associated with its rhizosphere having the capacity to degrade BaA (bioaugmentation). These tests demonstrated the complexity of rhizospheric mechanisms, and the necessity to explore this type of analysis to improve the understanding of biodegradation processes in plant rhizosphere. All these results showed that MxG was an ideal candidate for phyto/rhizoremediation of soils contaminated with high molecular weight PAH, but that further studies were still needed to understand processes involved in its rhizosphere

Le sol est une ressource non renouvelable à conserver en raison de son importance socio-économique et environnementale. Mais, les activités (bio)industrielles peuvent le dégrader et entraîner l'apparition de friches à pollutions persistantes. La capacité de Miscanthus x giganteus à s'adapter aux sols de friches pollués en éléments traces métalliques (ETM), tout en favorisant la consolidation des processus de bioremédiation des polluants, sans entraîner d'impact négatif sur l'environnement, est étudiée. Des terrains lorrains, très impactés par l'activité industrielle passée, sont utilisés. Considérant la complexité des relations sol-plante-microorganismes, différents outils d'évaluation complémentaires (i.e. in vitro, en mésocosme et sur le terrain) sont employés afin de déterminer la réponse de chaque composante et de leurs interactions et ainsi déduire la durabilité de la méthode. La culture de M. x giganteus a un potentiel pour la réhabilitation des sols de friche à pollutions multimétalliques ou mixtes (+HAP), avec un double bénéfice : la phytostabilisation des ETM au niveau racinaire et la production d'une biomasse aérienne revalorisable (transfert limité des ETM). La plante n'altère pas les caractéristiques du sol qui participent à la mobilité des ETM (pH, CEC) ; les variations de celles liées à la fertilité du sol, de la toxicité (fraction liquide) et de l'accumulation des ETM par d'autres organismes, attestent de l'interaction avec le milieu qui rendrait les éléments plus disponibles. L'activité végétale est à l'origine des associations avec les bactéries du sol, où les phylotypes potentiellement métallorésistants (Zn, Cr) semblent communs aux sols utilisés / Soil is a nonrenewable resource to maintain because of its socio-economic and environmental importance. However, (bio)industrial activities can degrade soil and cause the appearance of persistent pollution brownfields. The ability of Miscanthus x giganteus to adapt to brownfield soils polluted with heavy metals (HM), while promoting the consolidation process of bioremediation of polluants, without causing a negative impact on the environment, is studied. Soils from Lorraine region (France), very affected by past industrial activity, are used. Considering the complexity of soil-plant-microorganisms relationships, various complementary assessment tools (i.e. in vitro,mesocosm and field) are used to determine the response of each component and their interactions, and thus deduce the sustainability of the method. The culture of M. x giganteus has great potential for rehabilitation of brownfield soils having a multimetallic pollution or mixed (+PAH) with a double benefit: phytostabilisation of HM at the root level and the production of biomass reclaimable (limited transfer of HM). The plant does not alter the characteristics of the soil involved in the mobility of HM (pH, CEC) ; but changes from those related to soil fertility, toxicity (liquid fraction) and the accumulation of HM by other organisms attest to the interaction of the plant with the elements that would make them more available. Plant's activity is causing associations with soil bacteria, for which the phylopes potentially métalloresistants (Zn, Cr) seem common in soils used

L'utilisation de plantes dédiées pour la production d'énergie est souvent présentée comme l'une des solutions pour limiter le réchauffement climatique et contribuer au remplacement des énergies fossiles. La production de biocarburants sera durable si elle contribue à réduire les impacts négatifs de l'agriculture au niveau global (émissions de GES), mais aussi local (lessivage des nitrates, consommation en eau). Les cultures énergétiques doivent satisfaire ces exigences tout en alliant un rendement élevé à l'hectare, afin de limiter la concurrence entre productions alimentaires et non alimentaires. Nous avons orienté la thèse vers la quantification du rôle des organes de réserve de Miscanthus x giganteus dans la nutrition azotée de la plante et l'analyse du cycle interne de l'azote dans la culture, en vue d'une modélisation fonctionnelle de ces processus à long terme. L'approche expérimentale s'appuie sur un essai de longue durée de 3 ans, croisant 2 doses d'azote et 2 dates de coupe. Dans une première partie, nous montrons que les traitements ont différencié la production de biomasse aérienne et la teneur en azote des rhizomes. Les réserves souterraines jouent sur l'accumulation d'azote et de carbone dans les parties aériennes au cours de la croissance le printemps suivant. Il existe des relations linéaires étroites entre les flux d'azote et l'état des organes source d'azote lors des phases de remobilisation de l'azote au printemps et à l'automne. Dans une deuxième partie, nous montrons que ce sont principalement les réserves en azote des parties souterraines avant le redémarrage de la culture qui expliquent les différences de production de biomasse en affectant l'efficience de bioconversion des rayonnements (RUE). Dans une troisième partie, nous mettons en évidence la faible proportion de recouvrement dans la plante de l'azote apporté par la fertilisation, grâce à un traçage au 15N de l'azote apporté. Nous montrons également que le rhizome absorbe en même temps qu'il remobilise. M. giganteus est capable de maintenir un cycle de l'azote conservatif : la quantité d'azote remobilisée à l'automne est du même ordre de grandeur que l'azote remobilisé au printemps. Enfin, nous concluons sur les acquis et questions sur le rôle de la mise en réserve de l'azote dans la nutrition azotée de M. giganteus. Ce rôle est primordial, via les processus de remobilisation et de mise en réserve de l'azote. Il a un impact direct sur la production de biomasse par la culture. Prendre en compte les réserves azotées des organes souterrains est indispensable pour aboutir à une modélisation opérationnelle qui permette de simuler la production de biomasse par la culture et les bilans d'azote sur le long terme.

Dans le contexte actuel, il devient nécessaire de trouver des énergies alternatives et de préserver les sols agricoles pour la production de ressources alimentaires. Ainsi, ce travail avait pour objectif majeur d'étudier la potentielle adaptation et utilisation d'une plante bioénergétique, le Miscanthus x giganteus, sur sites et sols fortement contaminés en métaux et métalloïdes, donc impropres à toute activité alimentaire. Le site d'étude choisi est un ancien site minier situé dans le Limousin sur lequel le traitement de l'or dans les années 60 a induit des dépôts fortement contaminés, et où un couvert végétal est actuellement en développement. Les résultats de culture mettent clairement en évidence les capacités d'adaptation de cette plante, avec un faible transfert d'éléments potentiellement toxiques, même sur des sols acides fortement contaminés (As jusqu'à 83000 mg.kg-1, Pb - 15000 mg.kg-1 et Sb - 1100 mg.kg-1) et ayant de faibles propriétés agronomiques. De plus, la biodisponibilité des métaux ne représente que 1 à 5% des teneurs totales en fonction de l'extractant utilisé, ce qui représente de très importantes valeurs, étant donné les teneurs totales. Ceci est directement lié à la minéralogie du site. La réponse du M. x giganteus au stress métallique met en évidence une forte réduction du rendement de biomasse, une faible perturbation de la photosynthèse nette, une réduction de la conductance stomatique et de la concentration intracellulaire en CO2. De plus, la plante modifie la réponse potentielle des bactéries et archées rhizosphériques oxydatrices de l'ammonium en nitrite dans la réaction de nitrification. Comme attendu, plus la contamination est importante, et plus la réponse de M. x giganteus est marquée. En dépit d'un transfert d'As, Sb et Pb très réduit vers les parties aériennes de la plante, les concentrations mesurées ne permettraient pas une revalorisation industrielle rapide du site mais la culture de la plante serait plutôt stabilisatrice du sol. Des amendements de type agronomiques seraient susceptibles d'améliorer les rendements en vue d'une revalorisation industrielle.

Cette thèse concerne une étude de la gazéification du Miscanthus X giganteus (MXG). Le MXG présente de nombreux avantages (rendement, pérenne, peu d’entretien, facile à récolter…) qui lui permet d’être un candidat en terme d’énergies renouvelables. Il a fait l’objet de nombreux travaux dans le domaine agricole, mais notre étude est la première concernant sa gazéification afin de produire un gaz de synthèse. La première partie de ce travail concerne l’étude de la gazéification, effectuée dans un réacteur à lit fluidisé en présence de catalyseurs à base d’olivine. Les résultats obtenus lors des différentes campagnes d’essais ont donné d’excellents rendements en gaz (CO + H2) comparables à d’autres biomasses. La caractérisation des catalyseurs, par DRX et MEB a montré un bon comportement de l’olivine (tenue mécanique, régénération), de son côté le Niolivine a permis de meilleurs résultats. L’analyse des goudrons, par IRTF et GC/MS a montré essentiellement la présence de HAP, majoritaire à haute température (>800°C). La deuxième partie de cette étude porte sur le vaporeformage du méthyl-naphtalène, représentatif de la composition des goudrons issus de la gazéification du MXG. Le vaporeformage a été effectué en utilisant les mêmes catalyseurs qu’en gazéification. A côté de la réaction principale, cette étude a permis de mettre en évidence l’importance des réactions secondaires comme la réaction du gaz à l’eau. De plus, ces tests ont confirmé la bonne efficacité du Ni-olivine pour l’élimination des goudrons. Un mécanisme général a été proposé, mettant en jeu le rôle déterminant de l’oxygène radicalaire issu de la décomposition de l’eau / This study presents the gasification of Miscanthus X giganteus (MXG). The MXG presents many advantage (high yield, perennial crop, easily harvesting…) so it’s a good candidate in terms of renewable energy sources. Several works have been carried out in the agricultural field, but this study is the first dealing with gasification in order to produce a syngas. The first part of this work concerns the study of gasification in fluidized bed reactor with olivine-based catalysts. The results obtained in different tests gave a good gas yield (CO + H2) comparable to others biomass. The catalyst characterisation by XRD and SEM is related to the properties of olivine (mechanical strength, recycling), while Ni-olivine gave much better results. Tar analysis by FTIR and GC/MS showed the presence of mainly PAH at high temperature (>800°C).The second part of this study deals with the steam reforming of methylnaphthalene which is representative of the tar composition issued from the MXG gasification. The steam reforming performed with the same catalysts as in the case of gasification. In addition to the main reaction, this study allowed us high lights the existence of secondary reaction such as the water gas shift reaction. Moreover these tests confirmed the high efficiency of Ni-olivine for tar removing. An overall mechanism was proposed with the important role of catalytic oxygen issued from water decomposition

The world\'s highest yielding crops are C4 plants due to their higher water use efficiency, nitrogen use efficiency, and productivity compared with C3 plants.  With an increasing demand for renewable resources as a result of the decreasing global supplies of fossil fuels, we need to improve our understanding of the limitations of biomass fuel feedstock to improve yields and better satisfy energy requirements.  The ability to attain the goal feedstock production in the US is limited by available arable land and cool temperatures.  This study investigates the effects of cool temperatures on the productivity and photosynthesis of the two species with the highest potential for feedstock production in the US: switchgrass (Panicum virgatum) cv. Alamo and miscanthus (Miscanthus × giganteus).  At 14/12"C and a 14/10 hour light/dark photoperiod, switchgrass showed lower productivity and light saturated photosynthetic rates (Amax=10.3 "mol m-2s-1) compared with 28/25"C and the same photoperiod (Amax=18.8 "mol m-2s-1).  Miscanthus has demonstrated cold tolerance in previous studies, and here showed no significant decrease in the productivity or photosynthetic rates in cool, compared with warm, growing conditions (Amax=8.2 "mol m-2s-1 and 7.0 "mol m-2s-1 for warm and cool conditions, respectively). Also, this study examines the potential limitations of C4 photosynthesis by the enzyme pyruvate phosphate dikinase (PPDK) under the same cool conditions, transgenic switchgrass cv. Alamo were created with the insertion of the miscanthus PPDK gene. Productivity and photosynthetic responses of the transgenic plants were evaluated in cool and warm growth temperatures.  Of the two transgenic events tested here, line S(1) displayed cold tolerance, as seen in no loss of both carboxylation efficiency and the ratio of CO2 assimilation to electron transport (Asat/Jmax).  These results indicate that PPDK may pose a significant limitation to C4 photosynthesis in cool conditions and there is a possibility that cold season photosynthesis of switchgrass cv. Alamo could be improved. / Master of Science

Second-generation biofuels could provide renewable energy while reducing the globaleconomy dependence on oil and mitigating climate change. However, their greenhouse gasemission balances, as well as their energy and environmental balances, are discussed,especially when they are produced from agricultural feedstock. The use of agriculturalfeedstock for energy purposes also raises the issue of competition with food production. Inthis context, this work contributes to the assessment of the sustainability of Miscanthus xgiganteus, a perennial C4 crop candidate to the production of second-generation ethanol. Theobjectives of this work are (i) to achieve a multicriteria evaluation of cropping systems basedon M. Giganteus using data collected in farmers’ fields and (ii) to compare these croppingsystems with cropping systems including other resources Agricultural candidates for biofuelproduction. The main contributions of this work are (i) the study of the variability of yieldsand winter nitrate losses in a network of commercial fields located in Burgundy (France), (ii)the characterization by modeling of M. giganteus long-term yield evolution and (iii) theintegration of these findings in a process of cropping systems design and assessment aimingat comparing M. giganteus with other feedstock candidate to the production of bioethanol.The study of M. giganteus in farmers’ fields shows that the high variability of yields andnitrate losses is linked to (i) crop age, (ii) soil type and (iii) the type of field (i.e. culturalhistory, size, shape, and environment). Contrasting yield scenarios, built by combining datacollected in commercial fields with a long-term yield evolution model, show that thesensitivity of assessment results regarding yields depends on the assessment field. Theinsertion of M. giganteus in a cropping system can significantly improve the greenhouse gasemission balance as well as the environmental balance, compared with a cropping systembased on a short cropping sequence. Economic results depend strongly on M. giganteus yield.Other agricultural feedstocks are also interesting, especially on soils where the yield potentialof M. giganteus is low: this is particularly the case of alfalfa stems, which can be used forsecond-generation ethanol production. / Second-generation biofuels could provide renewable energy while reducing the globaleconomy dependence on oil and mitigating climate change. However, their greenhouse gasemission balances, as well as their energy and environmental balances, are discussed,especially when they are produced from agricultural feedstock. The use of agriculturalfeedstock for energy purposes also raises the issue of competition with food production. Inthis context, this work contributes to the assessment of the sustainability of Miscanthus xgiganteus, a perennial C4 crop candidate to the production of second-generation ethanol. Theobjectives of this work are (i) to achieve a multicriteria evaluation of cropping systems basedon M. Giganteus using data collected in farmers’ fields and (ii) to compare these croppingsystems with cropping systems including other resources Agricultural candidates for biofuelproduction. The main contributions of this work are (i) the study of the variability of yieldsand winter nitrate losses in a network of commercial fields located in Burgundy (France), (ii)the characterization by modeling of M. giganteus long-term yield evolution and (iii) theintegration of these findings in a process of cropping systems design and assessment aimingat comparing M. giganteus with other feedstock candidate to the production of bioethanol.The study of M. giganteus in farmers’ fields shows that the high variability of yields andnitrate losses is linked to (i) crop age, (ii) soil type and (iii) the type of field (i.e. culturalhistory, size, shape, and environment). Contrasting yield scenarios, built by combining datacollected in commercial fields with a long-term yield evolution model, show that thesensitivity of assessment results regarding yields depends on the assessment field. Theinsertion of M. giganteus in a cropping system can significantly improve the greenhouse gasemission balance as well as the environmental balance, compared with a cropping systembased on a short cropping sequence. Economic results depend strongly on M. giganteus yield.Other agricultural feedstocks are also interesting, especially on soils where the yield potentialof M. giganteus is low: this is particularly the case of alfalfa stems, which can be used forsecond-generation ethanol production.