The aim of this thesis is to comprehensively analyse presolar silicon carbide (SiC) grains from several primitive meteorites in order to investigate their complicated history. During their residence in the interstellar medium, presolar grains are predicted to be affected by many processes which may modify their original elemental and isotopic composition. Presolar SiC grains from three acid residues and two polished meteorite sections were analysed for their carbon, nitrogen and silicon isotope ratios with high spatial resolution, in order to compare the distribution of 14N/15N ratios compared to those found in the literature. As a result of this work, isotopic fractionation effects caused by the distortion of the electric field around the grain topography were identified. These effects have the potential to cause differential transmission of atomic and molecular secondary ions, particularly when small slits and apertures are selected during NanoSIMS analyses. The measured 14N/15N ratios of the presolar SiC grains analysed in this work match well with existing literature data, although many grains cluster at relatively low 14N/15N values. These low ratios do not appear to be the result of either terrestrial contamination or isotopic dilution, and may instead represent real differences between the SiC grain populations of different meteorites. The majority of mainstream SiC grains analysed in this work lie on a slope with a gradient of ~1.3 on a Si 3-isotope plot, in agreement with literature data. SiC grains from the JAMM and JA-MM2 acid residues appear to lie on shallower slopes, although these samples show significant scatter in the data. Neither terrestrial contamination nor isotopic dilution can explain the apparent fractionation of silicon isotopes in these samples. It is possible that these ratios may represent a difference in the Si ratios of grain populations of different meteorites, although fractionation during the sample preparation phase cannot be excluded. Ten presolar SiC grains from the KJG and JA-MM2 acid residues are comprehensively analysed for their trace element compositions using Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry. The majority of analyses are significantly affected by the proximity of neighbouring grains, leading to high background counts which prevent the reliable determination of elemental abundances for many elements. Depth profiles of several elements are determined for two grains from the KJG residue. Each of the measured elements displays approximately homogeneous profiles through the grains, with abundances in agreement with existing literature data. The uniform depth profiles may represent formation in a stellar envelope with a stable composition, although homogenisation by secondary alteration processes cannot be ruled out.

Ce travail de thèse avait pour objectif de développer une méthode basée sur l’étude de la composition isotopique du soufre (δ 34S) permettant de déterminer l’origine, biotique/abiotique, des sulfures de fer au sein des couches de produits de corrosion (CPC). Puis, il s’agissait d’appliquer la méthodologie développée à des systèmes réels afin de déterminer les mécanismes de formation de ces sulfures de fer. Des méthodes d’analyse isotopique du soufre adaptées aux liserés de sulfures de fer micrométriques observés dans les systèmes réels ont été développées en nanoSIMS et ToF-SIMS. L’étude de sulfures de fer formés en milieu carbonaté anoxique en présence, ou non, de bactéries sulfato-réductrice a permis de valider l’emploi de ces méthodes pour la détermination de l’origine des sulfures de fer. L’application de ces méthodes isotopiques couplées à la caractérisation des sulfures de fer dans les systèmes réels a mis en évidence 2 faciès. Le faciès 1 pour lequel les sulfures de fer sont situés en externe de la CPC. Ils résultent de la migration des ions Fe2+ produits au niveau du métal jusqu’aux zones riches en ions S2- d’origine biotique. Les vitesses de corrosion y sont inférieures à 20 μm/an pour les systèmes de laboratoire et à 5 µm/an pour les objets archéologiques. Et le faciès 2 pour lequel la forte présence de phases conductrices dans la CPC entraîne une délocalisation des électrons, conduisant à la migration des ions S2- d’origine biotique vers le métal où ils précipitent sous forme de sulfures de fer. Ce faciès présente de fortes avancées de corrosion locales (200 µm) qui seraient dues à l’accumulation de phénomènes de corrosion par les chlorures et de biocorrosion. / The first goal of this project was to develop a methodology based on the study of the sulfur isotopic composition enabling the determination of iron sulfides origin, biotic or abiotic, within the corrosion products layers (CPL). Then, the aim was to apply this methodology to real corrosion systems in order to determine the mechanisms of iron sulfides formation. Sulfur isotopic analyses methodologies, adapted to micrometric iron sulfides layers observed in real corrosion systems, were developed in nanoSIMS and ToF-SIMS. The study of iron sulfides formed in anoxic carbonated medium with or without sulphate-reducing bacteria validated the use of these methods for the determination of iron sulfides origin. The application of these methods coupled with the precise characterization of irons sulfides formed in the real corrosion systems show two kind of corrosion pattern. In pattern 1, the iron sulfides are localized in the external part of the CPL. They result from the Fe2+ migration from the metal surface to areas rich in biotic S2-. In this pattern, corrosion rates are lower than 20 μm/year for laboratory systems, and lower than 5 μm/year for archaeological objects. In pattern 2, the large presence of conductive phases in the CPL results in the delocalization of electrons, and so a disequilibrium of the charges at the metal’s surface. That leads to the migration of biotic S2- in the CPL till the metal where they precipitate in iron sulphides. This pattern shows high corrosion rates (~100 μm/an) that might be resulting from the accumulation of biocorrosion and chloride corrosion mechanisms.

La détermination du partage des éléments sidérophiles et volatils entre métal et silicates aux conditions du manteau profond de la Terre primitive peut fournir des contraintes relatives au mécanisme de formation du noyau terrestre. Des expériences ont été réalisées dans des cellules à enclumes de diamant (DAC) chauffées par laser afin d'étudier l'évolution du partage métal-silicate du soufre et du platine à haute température et haute pression. Le partage est déterminé grâce à la mesure sur échantillons trempés des concentrations par NanoSIMS et sonde électronique. L’affinité du soufre avec le métal, mesurée aux conditions de formation du noyau terrestre, est moins grande qu’attendue. En accord avec les observables cosmochimiques (météorites), il semble que la quantité de soufre dans le noyau ne peut excéder 2 poids%. Les modèles d’accrétion de la Terre, combinés à nos mesures du coefficient de partage du soufre en fonction de la pression et la température, indiquent que la concentration globale de soufre du manteau terrestre doit être le résultat d'une accrétion hétérogène. Ces données indiquent également un apport tardif des éléments volatils au cours de l’accrétion et de la formation du noyau. Les valeurs de partage du platine suggèrent que son abondance dans le manteau terrestre peut être expliquée simplement par la formation du noyau. De manière générale, ces résultats supportent les hypothèses selon lesquelles les noyaux des gros impacteurs n’ont pas pu s’équilibrer entièrement avec le manteau terrestre. Certaines fractions métalliques ont donc pu atteindre le noyau terrestre sans affecter le manteau. L’hypothèse d’un évènement tardif de ségrégation de sulfure durant la formation de la terre pourrait aussi expliquer les compositions du manteau terrestre observées. Ces résultats permettent de caractériser les processus de différenciation du manteau et du noyau et de mieux comprendre la formation de la Terre. / Measurements of the metal-silicate partitioning behavior of siderophile and volatile elements at the conditions of the deep primitive Earth can provide constraints on the mechanisms of terrestrial core formation. Experiments were conducted in a laser-heated diamond anvil cell to investigate the metal-silicate partitioning of sulfur and platinum at high pressures and temperatures. The partitioning behaviors were quantified post-experiment by high resolution NanoSIMS imaging. Sulfur was found to be moderately siderophile at core formation conditions and this, together with cosmochemical estimates, argue that it cannot be a major light element in the core. Accretion modeling with this new partitioning data implies that a heterogeneous accretion scenario can best explain the mantle and bulk Earth sulfur contents. The measured partitioning values for platinum are such that the mantle's platinum abundance can be sufficiently explained by core-mantle equilibration. Overall these results support the hypothesis that the cores of large impactors did not equilibrate fully with the magma ocean and metal could have sequestered to the Earth's core without leaving a record in the mantle. A late sulfide segregation event also likely played a role in establishing the observed mantle compositions. These findings help to further elucidate the accretion history of the Earth and core-mantle differentiation processes.

Les travaux décrits dans ce mémoire ont pour objectif d'imager des cellules par des techniques d'imagerie complémentaires à la spectroscopie de fluorescence : la micro-spectroscopie Raman et l'imagerie NanoSIMS. Le présent manuscrit se divise en quatre chapitres et présente les différents aspects menant à la mise en place de ce projet. Le premier chapitre du manuscrit a pour but de positionner le projet d'un point de vue biologique. Ce chapitre présente l'organite que nous souhaitions marquer, le nucléole, et la façon dont nous avons procédé à sa localisation par l'intermédiaire de sondes moléculaires. Le marquage que nous avons choisi est un immuno-marquage indirect faisant intervenir deux anticorps : un anticorps primaire spécifique à la nucléophosmine, protéine majoritairement présente dans le nucléole et un anticorps secondaire, reconnaissant l'anticorps primaire, marqué par une sonde moléculaire d'intérêt. Ce chapitre a également permis de montrer par une analyse en immunofluorescence l'absence d'interférence des sondes moléculaires dans le cadre de ce marquage. Le second chapitre se focalise sur la synthèse des sondes moléculaires permettant le marquage des anticorps secondaires. Les sondes envisagées pour ce marquage possèdent un groupement ester de succinimide réactif capable de "s'accrocher" de manière covalente aux fonctions amines de l'anticorps secondaire et un ou plusieurs groupements fonctionnels visible par la technique d'imagerie voulue. Trois catégories de sondes ont été préparées et dépendent de la technique d'imagerie employée. Les sondes Raman comportant une triple liaison carbone-carbone visible par cette technique, les sondes NanoSIMS dont l'acquisition d'image sera possible par les halogènes présents dans la structure et les sondes bimodales comportant les deux éléments dans la même structure. Les sondes bimodales sont obtenues par le couplage pallado-catalysé de Sonogashira. Dans la dernière partie du chapitre, une nouvelle série de sonde a été envisagée dans le cadre d'une application future : le marquage de l'ATP-ϒ-SH grâce à une fonction mésylate. Les deux derniers chapitres ont pour but de mettre en application tout ce qui a été présenté dans les chapitres précédents. Les deux techniques employées permettent d'accéder à des types d'informations différentes : la spectroscopie Raman donne accès aux modes de vibrations d'une molécule tandis que l'imagerie NanoSIMS permet d'obtenir des informations élémentaires et isotopiques. Nous présenterons le cheminement suivi pour imager des cellules via leurs constituants par micro-spectroscopie Raman et imagerie NanoSIMS via les sondes moléculaires introduites. / Life sciences imaging are widely used for different applications, they are interested in medical diagnosis as well as basic research. In cells biology, fluorescence microscopy is mainly used for organelles observation at sub-cellular scale. However, techniques based on fluorescence phenomena are limited by some drawbacks like technical resolution, fluorescent dye degradation and the number of channels, which can be visualized. In this context, the exploration and the development of new way for image acquisition are considered as an experimental and technical scientific challenge. Furthermore, it can lead to complementary technique to fluorescence microscopy.This PhD thesis is a life science imaging project development and application allowing image acquisition base on molecular vibrations phenomena and elementary analysis in cells. Two techniques have been chosen in relation to both specificity: micro Raman spectroscopy and NanoSIMS imaging. Micro Raman spectroscopy allows the observation of molecular vibration mode at micron scale and NanoSIMS leads to elementary and isotopic sample information at sub-micronic scale. Combination of both techniques will lead to multi-scale and multi-modal imaging of biological samples. Molecular probes designing and synthesis for both techniques were used to visualize an organelle inside the nucleus: the nucleolus. Nucleolus has a key role in ribosomal RNA transcription and researchers shows some interest in the study of this organelle for his multifunctional role like ribosome biogenesis and nuclear organization. An immuno-labelling method combine with the introduction of molecular probes will allow nucleolus imaging by micro-Raman spectroscopy and NanoSIMS spectrometry. This immuno-labelling is specific to a phosphoprotein mainly localized inside the nucleolus: the nucleophosmin (NPM). In this project, the introduction of molecular probes in an immuno-labelling will act as a Raman Tag or a NanoSIMS tag for NPM's nucleolus observation and studies.This work at the interface between different fields: chemistry, biology and physics shows all the aspect of this project starting from molecular probes synthesis, immuno-labelling methods uses to direct application of both Raman and NanoSIMS techniques.

This thesis presents applications of high resolution secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) analysis for stable isotope imaging in biological samples. These projects were designed to explore the potential applications of NanoSIMS analysis, and to develop protocols and novel methodologies to visualize and quantify biological processes. Working with collaborators in the UK and USA, I have applied NanoSIMS analysis to study 3 research areas, including molecule interactions, single cell metabolisms and lipid imaging in tissues. Antimicrobial peptides (AMPs) play important role in the immune system, and understanding how AMPs interact with cell membranes can provide useful information to design new therapies to control infection. The pore structures and dynamics of the interaction of AMPs with membranes has been visualized for the first time and confirmed with combined AFM and NanoSIMS analysis. A correlative backscattered electron (BSE) imaging and NanoSIMS analysis methodology has been developed to study glutamine metabolism in single cancer cells. This method enables us to measure the chemical information in specific organelles in these cells and can be widely applied to study metabolisms and to trace the uptake of labelled molecules in biological matrices. Quantitative analysis on the effects of hypoxic conditions and the PYGL gene were studied. Applying correlative BSE and NanoSIMS analysis, I also studied lipid uptake mechanisms in various mouse tissues, including brown adipose tissue, heart, intestines, liver and skeletal muscle, mainly focused on a recently discovered protein, GPIHBP1, and its function in the lipid uptake process. TRL margination was proved to depend on the GPIBP1-LPL complex, and 3 stages of lipid transport from capillary lumen to lipid droplets was also visualized by combined BSE and NanoSIMS analysis.

The Western Tropical North Atlantic (WTNA) was once thought to be a net source of carbon dioxide (CO₂) to the atmosphere, but recent studies have shown that this Amazon River influenced region may actually act as a net sink for CO₂. During a 2010 research cruise to the WTNA, we characterized the impact of the Amazon River on offshore diazotrophy (N₂-fixation) and the resulting stimulation of biological carbon export from surface waters. Through the delivery of phosphate- and silicate-replete waters to the nitrogen (N) limited surface waters of the WTNA, the aging Amazon River plume promotes the growth of diatom-diazotoph associations (DDAs). Regions supporting large DDA blooms were associated with increased pCO₂ and DIC drawdown in the surface waters, reflecting the net export of carbon from the mixed layer. The existence of this biologically mediated linkage between the C and N cycles in productive surface waters is well known, but we have only recently discovered a stimulatory relationship in deep waters between oil/gas release and N₂-fixation. This association was first observed after the Deepwater Horizon oil spill in 2010 and we again saw evidence for it in the days following the Hercules 265 natural gas blowout. This blowout event was characterized by the release of an unknown quantity of natural gas into the shelf waters of the Northern Gulf of Mexico, but we detected a response from the marine microbial community within days. We observed a significant drawdown of dissolved oxygen and found biogeochemical evidence for the incorporation of methane-carbon into the food web, along with a modest stimulation of N₂-fixation. The episodic nature of anthropogenic blowouts makes them difficult to study, so we use cold seeps in the Gulf of Mexico as natural analogues. Interestingly, we have measured both methane oxidation and N₂-fixation at depth above some of the more active seeps. Using NanoSIMS analyses, we have taken the first steps towards physically characterizing the organisms utilizing these metabolisms. It appears that different organisms are carrying out these processes, with CH₄-assimilation occurring primarily in individual particles or small aggregates, whereas N₂-fixtion was associated with larger, sulfur-containing aggregates. Continued NanoSIMS work in combination with the use of microbial ID techniques will help to further characterize these unique deepwater diazotrophs.

La micro-algue verte Chlamydomonas reinhardtii est considérée comme un modèle dans l’étude du stress métallique chez les organismes photosynthétiques. Les mécanismes de tolérance au stress induit par le cadmium ne sont pas encore clairement établis. Afin de déterminer ces mécanismes, la localisation subcellulaire et la spéciation chimique in situ du cadmium ont été déterminées chez trois souches de C. reinhardtii exposées au cadmium en condition mixotrophe (CO2 + Acétate) : (i) une souche de type sauvage (wt), (ii) la souche cell-wall less (cw15) qui est déficiente en paroi cellulaire, (iii) la souche pcs1 qui surexprime la phytochélatine synthase (PCS), enzyme ordinairement cytosolique, directement dans son chloroplaste. Pour ce faire, la toxicité du cadmium a été déterminée en mesurant la croissance ainsi que la teneur en chlorophylle et en amidon des micro-algues. Puis, la localisation du cadmium au niveau subcellulaire a été réalisée par trois techniques complémentaires (fractionnement subcellulaire, µXRF, TEM/X-EDS). La spéciation chimique in situ du cadmium a été effectuée par µXAS et XAS. Enfin, l’imagerie élémentaire et isotopique par nanoSIMS a permis de compléter les distributions élémentaires dans la cellule et de déterminer l’impact du cadmium sur les mécanismes d’assimilation du carbone. (i) Les résultats de ce travail montrent que la souche wt est la plus sensible au cadmium des trois avec une diminution de la croissance et de la teneur en chlorophylle. Lorsqu’elle ne présente pas ces signes de toxicité, le cadmium est séquestré dans l’ensemble de la cellule par des ligands thiolés et de façon mineure par les granules de polyphosphates. Suite à l’exposition à de fortes concentrations en cadmium, le cadmium intracellulaire est lié majoritairement à des ligands carboxylés probablement induits par le stress oxydatif. De plus, la présence du cadmium dans le pyrénoïde bloque l’assimilation du carbone inorganique (CO2), au profit de l’assimilation du carbone organique (acétate), qui est stocké sous forme d’amidon. (ii) La surexpression de la PCS de la souche pcs1 provoque une production d’amidon importante autour du pyrénoïde et protège la chlorophylle du stress lié au cadmium. Bien que la synthèse de phytochélatines soit potentiellement élevée, la moitié du cadmium intracellulaire est séquestrée par les granules de polyphosphates et l’amidon. (iii) La souche cw15 est la plus tolérante des trois souches et n’accumule pas la totalité du cadmium disponible, contrairement aux cellules possédant une paroi cellulaire. Similairement au wt, le cadmium intracellulaire est séquestré majoritairement par des ligands thiolés et de façon mineure par les granules de polyphosphates. L’observation de granules de polyphosphates excrétées par les micro-algues permet l’hypothèse de l’excrétion du cadmium vacuolaire induisant un flux constant de cadmium à travers la cellule. En conclusion, la séquestration du cadmium via des ligands soufre, potentiellement par des polypeptides thiolés, est le mécanisme de tolérance majoritaire mis en place par C. reinhardtii. Néanmoins, la séquestration du cadmium par les granules de polyphosphates semble apporter une plus grande tolérance vis-à-vis du stress lié au cadmium. / The green micro-alga Chlamydomonas reinhardtii is commonly used as a model for the study of the metallic stress in photosynthetic organisms. Tolerance mechanisms against stress induced by cadmium are not well understood. In order to determine these mechanisms, subcellular location and in situ speciation have been determined in three C. reinhardtii strains exposed to cadmium in mixotrophic conditions (CO2 + Acetate) : (i) a wild type strain (wt), (ii) a cell-wall less strain (cw15) which is deficient in cell-wall, (iii) the pcs1 strain which overexpresses the cytosolic enzyme phytochetlatin synthase (PCS) directly in the chloroplast. Cadmium toxicity has been determined by the monitoring of growth and chlorophyll, starch content in micro-algae. Then, cadmium location at subcellular level has been performed using three complementary techniques (subcellular fractionation, µXRF and TEM/X-EDS). In situ cadmium speciation has been studied by µXAS and XAS. Finally, elemental and isotopic imaging by nanoSIMS has allowed to complete elemental distribution in the cells and to determine the impact of cadmium on the assimilation of carbon. (i) The results of this work show that the wt strain is the most sensitive strain to cadmium stress among the three studied strains with a growth and chlorophyll content decrease. When wt cells do not show signs of toxicity, cadmium is mainly sequestered in the whole cell by thiolated ligands and in polyphosphate granules. After an exposure to high concentration of cadmium, intracellular cadmium is mainly bound to carboxylated ligands, probably induced by oxidative stress. Moreover, cadmium located in the pyrenoid blocks inorganic carbon (CO2) assimilation and increases organic carbon (acetate) assimilation which is stored as starch. (ii) The overexpresssion of PCS in the pcs1 strain induces a strong production of starch around the pyrenoid and proctects the chlorophyll against cadmium stress. Although the synthesis of phytocheltins was potentially strong, half of the intracellular cadmium is sequestered in polyphosphate granules and in starch. (iii) Unlike cell-walled cells, the cw15 strain is the most tolerant strain and does not accumulate the totality of available cadmium. Similarly to wt strain, intracellular cadmium is mainly sequestered by thiolated ligands and in polyphosphate granules. The observation of polyphosphate granules excreted by the micro-algae allows the hypothesis of the excretion of vacuolar cadmium, inducing a constant flux of cadmium through the cells. In conclusion, cadmium sequestration by sulfur ligands, potentially by thiolated polypeptides, is the main tolerance mechanism implemented by C. renhardtii. However, cadmium sequestration in polyphosphate granules seems to allow a better tolerance against cadmium stress.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants persistants retrouvés majoritairement dans l’environnement, qui sont reconnus comme hautement toxiques pour les organismes vivants. Les nombreux travaux réalisés sur les mécanismes contrôlant l’évolution des HAP dans le sol et dans la rhizosphère ont mis en exergue le rôle majeur de la biodégradation par les microorganismes et de la sorption aux constituants du sol. Néanmoins, un manque d’informations persiste concernant le devenir de ces HAP dans le sol, et plus particulièrement leur localisation dans les compartiments du sol ainsi que la nature et le comportement des composés issus de leur dégradation. La thèse avait donc comme principaux objectifs : (a) la localisation des HAP et des produits dérivés dans les compartiments du sol (matières organiques, phases minérales, microorganismes et plante), et (b) la quantification et l’identification des composés organiques formant les résidus liés du sol. Pour cela, nous avons couplé deux approches:(i) le suivi d’un HAP modèle marqué, le 13C-phénanthrène (13C-PHE), dans un sol artificiellement contaminé planté et non planté pour notamment déterminer par IRMS et NanoSIMS la distribution du C issu du PHE dans les compartiments et pour identifier les composés dérivés du 13C-PHE par 13C-RMN et TD/pyGCMS. (ii) le suivi d’une contamination ancienne et récente en HAP dans un sol historiquement contaminé pour étudier l’influence des matières organiques et des phases minérales (séparées par un fractionnement densimétrique) dans la rétention des HAP. Plus de 40% du C issu du 13C-PHE est retenu dans le sol après 14 jours de croissance du ray-grass. L’enrichissement en 13C observé dans la plante est du même ordre que celui du sol (E13C ≈ 0.04 % at.) démontrant une incorporation homogène du 13C-PHE entre la plante et le sol. Cet enrichissement global dans la plante est confirmé par les images NanoSIMS réalisées sur les racines. Des hotspots en 13C ont également été observés dans la rhizosphère, et à partir de leur taille, leur forme et leur composition élémentaire en C, N et S ils ont été identifiés comme étant des bactéries, ce qui met en avant leur rôle dans la dynamique des HAP du sol. Dans le sol industriel, la majorité des HAP est retrouvée dans les MO non complexées aux minéraux. En revanche, les HAP fraîchement ajoutés se sont significativement liés aux associations organo-minérales composées de quartz, de feldspaths et de phyllosilicates / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are major persistent pollutants in the environment that are recognized as highly toxic to living organisms. Numerous studies were carried out on the fate of PAHs in soil and in plant rhizosphere and highlighted the major contribution of biodegradation processes and of the sorption to soil constituents. However, a lack of knowledge remains about the fate of PAHs in the soil and especially their location in soil compartments as well as the nature and the behavior of degradation products. The main objectives of the thesis were: (a) to localize PAHs and their derived products within soil compartments (organic matter, minerals, microorganisms and plant), and (b) to quantify and identify the organic compounds forming bound residues. For this purpose, we used two approaches: (i) the monitoring of a labeled PAH, the 13C-phenanthrene (13C-PHE), in a spiked soil planted or not to determine by IRMS and NanoSIMS the 13C-distribution into compartments and to identify derived compounds of 13C-PHE by 13C-RMN et TD/pyGCMS. (ii) the distribution and localization of aged and freshly spiked PAH contamination in a brownfield soil to study the impact of organic matter and minerals (using soil densimetric fractionation) in the PAH retention. More than 40% of C from 13C-PHE remained in the soil after 14 days of ryegrass growth. The 13C-enrichment in plant tissue was similarly to the soil enrichment (E13C ≈ 0.04 at.%) indicating uniform uptake of 13C-PHE between the soil and plant. NanoSIMS images acquired for roots confirmed this global enrichment in the plant. 13C-Hospots were also observed in the rhizosphere, and on the basis on their size, their shape and their elemental composition in C, N and S, they were identified as bacteria, which emphasize their contribution to the fate of PAHs in soil. In the industrial soil, most of the PAHs were found attached to the free OM. However, the freshly spiked PAHs in the soil were significantly associated with organo-mineral associations containing quartz, feldspars and phyllosilicates

Metabolic heterogeneity (MH) occurs when isogenic microbial populations display cell-to-cell differences in metabolic traits, albeit exposed to homogeneous conditions. Despite the increasing focus on MH, its triggering factors remain largely unknown. In the present thesis, I used stable isotope probing and chemical imaging with nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry (nanoSIMS) to study MH at single-cell level, in model organisms, synthetic and natural communities, to understand i) how abiotic factors, biotic interactions and antibiotics exposure influence MH and ii) its potential ecological role. Moreover, I optimized sample preparation for chemical and high-resolution imaging and suggested two different indices as ‘unit measure’ of MH. As results, I have shown for the first time that MH is displayed by microorganisms under favorable growth conditions, although none of the tested abiotic factors prevailed as the main trigger of MH. I brought insights on how biotic interactions play a role in the functional heterogeneity using bacteria pseudo-fungi co-cultures. I found that antibiotics reduce Carbon and Nitrogen assimilation rates of targeted phylogenetic groups in river-water communities, while increasing their MH, pointing to its ecological importance in natural environments. To conclude, I provided novel insights on the phenomenon of MH and its dynamics at different ecological scales.:Abbreviation list Summary Introduction Knowledge gaps Results and discussion - Optimization of sample preparation - Validation of quantitation methods - Abiotic factors shaping metabolic heterogeneity in bacterial populations - Influence of biotic factors in shaping heterogeneity - Metabolic Heterogeneity and ecophysiology of natural microbial populations influenced by emerging contaminants Conclusions Outlook Bibliography Appendix Acknowledgments Curriculum Vitae List of publications

L'évolution d'une zone de subduction est reliée aux transformations pétrologiques de la plaque plongeante et à leurs cinétiques. Plusieurs exemples illustrant cette relation ont été étudiés expérimentalement, à l'aide des techniques de HP-HT (presse large volume, cellule à enclumes de diamant chauffage laser) et de la diffraction de rayons X in situ source synchrotron. (i) La vitesse de transformation de la coésite vers son polymorphe de basse pression, le quartz, a été déterminée. Cette cinétique de rétromorphose permet de discuter les modalités de préservation de la coésite lors de son retour vers la surface, et par là les processus tectoniques à l'origine de l'exhumation des roches de ultra-haute pression. L'utilisation du taux de rétromorphose de coésites naturelles pour la modélisation des chemins P-T-t d'exhumation est discutée. (ii) La déstabilisation de l'antigorite (serpentine), dans des conditions de faible activité d'H2O, libère des fluides à une vitesse de 10-6 à 10-8 m3fluide.m-3roche.s-1. Ces taux de production de fluides seraient susceptibles d'occasionner une augmentation de la pression de fluides et une hydrofracture de la matrice rocheuse. La déshydratation de l'antigorite pourrait ainsi expliquer la séismicité du plan inférieur des zones à doubles plans de Bénioff. (iii) L'assemblage minéralogique d'un basalte de ride médio-océanique (MORB) dans le manteau inférieur est constitué majoritairement de Mg-pérovskite, Ca-pérovskite et stishovite. De 800 à 1150 km de profondeur, deux phases alumineuses sont présentes, l'une de structure calcium ferrite et l'autre nommée "new aluminum phase" (NAL), et représentent 20% pds de l'assemblage. A ~1200 km, la phase NAL disparaît alors que toutes les autres phases restent stables jusqu'à 1400 km au moins. De 800 à 1400 km, la densité de la croûte océanique à l'équilibre thermique est plus élevée que celle du manteau environnant. En outre, la disparition de la NAL conduit à un saut de densité de +1% qui pourrait être responsable de réflecteurs sismiques profonds observés dans les zones de subduction péri-Pacifique. (iv) Enfin, des investigations sur l'analyse chimique à l'échelle sub-micronique d'échantillons de pétrologie expérimentale par sonde ionique nanoSIMS sont présentées.