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Master of Science

Ph. D.

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En quantité excessive, le phosphore est responsable de l’eutrophisation des plans d’eau. De ce fait, les normes de rejet du phosphore des eaux usées municipales font l’objet d’un resserrement. Des travaux ont porté sur la mise au point d’un procédé de capture passive de phosphore caractérisé par des biofiltres dotés de média actif à base de bois imprégné par l’hydroxyde de fer. L’abattement de phosphore se fait par le mécanisme de sorption qui regroupe l’adsorption, la dissolution réductive et les échanges d’ions. Le présent mémoire s’inscrit dans la continuité des travaux sus-cités. L’objectif est d’évaluer l’influence des nitrates sur la performance d’enlèvement du phosphore. Des essais en colonne ont été réalisés à partir d’une broyure activée opérée en anaérobie et par immersion sur une période de 150 jours. Les colonnes ont été alimentées durant 30 jours par une solution synthétique dopée à 5 mg P/L. Différentes concentrations de nitrates (5, 10 et 25 mg N-NO₃/L) ont ensuite été appliquées sur trois colonnes (C₂, C₃ et C₄), la colonne C₁ servant de témoin. Les résultats ont démontré que l’addition des nitrates réduit les performances d’enlèvement du phosphore des biofiltres. Le suivi du phosphore montre que la concentration en P à la sortie des biofiltres dépasse l’objectif de 0.3 mg P/L, 30 jours après l’injection des nitrates pour la colonne C₂ et 15 jours après pour les colonnes C₃ et C₄. L’ajout des nitrates augmente le potentiel d’oxydoréduction. Il en résulte une inhibition de la dissolution réductive, caractérisée par une baisse de production des ions ferreux. Une dénitrification simultanée se produit au sein des colonnes. Elle est à la fois biologique et chimique à travers l’oxydation des ions ferreux par NO₂, produit lors de la dénitrification biologique. Par ailleurs, des tests d’identification bactérienne ont mis en évidence la présence des bactéries reliées au fer, dénitrifiantes, sulfo-oxydantes, réductrices de sulfate, productrices de biofilm ainsi qu’une variété de micro-organismes hétérotrophes tels que les Pseudomonas et les bactéries entériques dans les biofiltres. / In excessive quantities, phosphorus is responsible for eutrophication of water surfaces. Thereby, phosphorus discharge standards for municipal wastewater are subject to a tightening. Researches have focused on the development of a passive phosphorus entrapment process characterized by biofilters with active wood-based media impregnated with iron hydroxide. Phosphorus removal is done by sorption which includes adsorption, reductive dissolution and exchange of ions. This MSc thesis is a continuation of the abovementioned studies. The objective is to evaluate the influence of nitrates on the phosphorus removal performance. Columns tests were performed with anaerobic activated wood-based media and immersion over a period of 150 days. Columns were fed for 30 days with a synthetic solution of 5 mg P/L. Different concentrations of nitrate (5, 10 and 25 mg N-NO₃/L) were then applied on three columns (C₂, C₃ and C₄), column C₁ serving as a control. The results demonstrate that the addition of nitrate reduces the phosphorus removal performance of biofilters. Phosphorus tracking shows that the concentration of P at the outlet of the biofilters exceeds the target of 0.3 mg P/L, 30 days after nitrate injection started for column C₂ and 15 days later for columns C₃ and C₄. Addition of nitrate increases the oxidoreduction potential. This results in an inhibition of the reductive dissolution, characterized by a decrease in the release of ferrous ions. Simultaneous denitrification occurs within the columns. It is both biological and chemical through the oxidation of ferrous ions by NO₂, produced during biological denitrification. Furthermore, bacterial identification tests have highlighted the presence of iron-related bacteria, denitrifying bacteria, sulfur oxidizing bacteria, sulfate reducing bacteria, biofilmproducing bacteria and a variety of heterotrophic microorganisms such as Pseudomonas and enteric bacteria in biofilters.

Les aquifères de socle fracturés très répandus en Bretagne, constituent des formations géologiques hétérogènes renfermant des ressources en eau. Ces structures sont souvent constituées d'une zone altérée et d'une zone fracturée. La zone altérée est peu épaisse et proche de la surface, elle est constituée de roches altérées envahies par l'eau souterraine qui y circule rapidement des hauts topographiques du bassin versant vers l'exutoire. L'eau y présente des temps de résidence courts (<20 ans) et est souvent polluée par les nitrates. La zone altérée située plus en profondeur et plus épaisse est constituée de roches dures traversées par des fractures. L'eau circule exclusivement au travers de fractures et lentement, le temps de résidence de l'eau y est donc long (>40 ans). Dans cette zone, l'eau est plus minéralisée et souvent riche en fer en Bretagne. Ces différentes circulations d'eau, induisent des conditions chimiques contrastées dans les zones altérée et fracturée, mais leur effet sur l'écosystème microbien des eaux souterraines n'a jamais été exploré. Cette étude montre que les circulations hydrologiques influencent à l'échelle régionale et locale la structuration des communautés microbiennes au sein des eaux souterraines d'aquifères de socle. La position d'une eau souterraine le long des voies de circulations des eaux souterraines dites « boucles hydrologiques » contrôle directement la structure des communautés microbiennes via le contrôle de la succession des donneurs et accepteurs d'électrons disponibles. Les communautés microbiennes analysées montrent une prédominance de Nitrobacter. Dans l'eau souterraine récente (<20 ans) donc principalement dans la zone altérée, les Nitrobacter. sont surtout des Comamonadaceae et Oxalobacteraceae, microorganismes versatiles et capables de dénitrifier. Dans l'eau souterraine ancienne (>40 ans) et isolée donc dans la zone fracturée, ce sont en grande majorité des Gallionellaceae, microorganismes microaérophiles spécialisés dans l'oxydation du fer(II). La prédominance des Gallionellaceae dans la zone fracturée suggère un écosystème profond basé sur l'oxydation du fer(II). Cependant, ce processus suppose une arrivée minimale d'oxygène dans la partie profonde, via par exemple un mélange avec une masse d'eau récente oxygénée. La proportion de Gallionellaceae dans les différentes eaux analysées montre une corrélation positive avec le degré de mélange des eaux anciennes avec des eaux récentes, jusqu'à une limite de 20% d'eau récente. Le suivi temporel de la dynamique des communautés d'un aquifère avant et au début de la recharge a montré dans la zone altérée des conditions chimiques très fluctuantes et une communauté microbienne très changeante mais toujours constituée de nombreux potentiels dénitrifiants. Dans la zone fracturée, la communauté dominée par les Gallionellaceae est relativement stable, malgré des changements chimiques ponctuels substantiels et un degré de mélange transitoire important (jusqu'à 60% d'eau récente) au début de la recharge. Les Gallionellaceae semblent donc capables de résister à des changements ponctuels et importants des conditions chimiques. Les eaux souterraines de la partie profonde des aquifères, bien qu'isolées, restent relativement connectées à la surface ce qui permet probablement le maintien de l'écosystème microbien profond. / Hard-rock aquifers are heterogeneous geological structure very widespread in Britany that have the property to store groundwater. These aquifers are often made of a weathered zone and a fractured zone. The weathered zone is a rather thin layer close to the surface and is constituted of weathered rocks submerged in groundwater. In this zone, groundwater circulates rapidly from the upper parts of the watershed to the aquifer outlet, thus shows short groundwater residence time (< 20y) and is often polluted by nitrates. The fractured zone is located deeper and is thicker. It is composed of fresh rocks crossed by fractures in which groundwater exclusively flows with a very slow velocity, thus groundwater residence time in this zone is rather long (>40 y). In the fractured zone, groundwater is much more mineralized and often rich in iron, in Britany. The differences of flow velocities in the weathered and the fractured zones are responsible for contrasted chemical conditions in these two zones, but the influence of groundwater flow velocity on the microbial ecosystem in groundwater remains largely unexplored. This work shows hydrologic circulations influence the microbial community structuration in hard-rock aquifer groundwater at regional and local scales. Position of a groundwater along a hydrologic flowpath or a “hydrological loop” directly controls microbial community structure through the control of the successively available electron donors and acceptors. The analyzed microbial communities show a predominance of Betaproteobacteria. In recent groundwater (< 20y) thus particularly in the weathered zone, Betaproteobacteria are mainly Comamonadaceae and Oxalobacteraceae, which are generalists able to do denitrification. In old and isolated groundwater (> 40y) thus particularly in the fractured zone, Betaproteobacteria are mainly Gallionellaceae, which are microaerophilic iron-oxidizer. The predominance of Gallionellaceae in the fractured zone suggests a deep ecosystem based on iron oxidation. However, this process implies a minimal input of oxygen in the deeper part, for instance via mixing with recent oxygenated groundwater. Proportion of Gallionellaceae in the different analyzed groundwater shows a positive correlation with the degree of mixing between old and recent groundwater, up to a limit of 20% of recent groundwater. The temporal microbial community dynamics in a single aquifer, before and during the beginning of recharge, demonstrated in the weathered part very fluctuant chemical conditions and a shifting microbial community that remains always composed of numerous potential denitrifiers. In the fractured part, microbial community is dominated by Gallionellaceae and remains rather stable, despite the punctual but substantial changing of the chemical conditions and degree of mixing (up to 60% of recent groundwater) at the beginning of the recharge. Gallionellaceae seem thus able to resist to important and punctual chemical conditions changings. Groundwater in the deeper part of aquifers, even isolated, remains relatively connected to surface, likely allowing the deep microbial ecosystem to maintain.

Dans des contextes semi-arides et fortement anthropisés la caractérisation et la quantification des transferts de polluants dans les eaux de surface et vers la mer est importante à appréhender pour aider à une meilleure gestion de la ressource en eau dans un contexte de changements environnementaux. Sur le Nord-africain notamment la difficulté d’obtenir des données en quantité et qualité suffisante est difficile. La présente étude s’intéresse aux mécanismes de transfert des nitrates et des sédiments à l’échelle du bassin versant de la Tafna (7200 km2) et des plus grands fleuves de l'Afrique du Nord par une approche couplant les mesures in situ et le modèle SWAT (Soil and Water Assessment Tool). La partie in situ a permis de quantifier la quantité de nitrates apportée par les différents exutoires des sous bassins de la Tafna. Elle a aussi mis en évidence la contribution du bassin versant à l’eutrophisation de la Méditerranée tout en mesurant les quantités de nitrates acheminées vers les eaux marines. Les résultats ont mis en évidence les facteurs qui influent sur les flux et les concentrations en nitrates et notamment l’occupation du sol et les barrages ont une grande influence sur les flux de nitrates dans la Tafna. Les stations d’étude ont été classées selon un gradient d’eutrophisation, les stations amont présentant de fortes concentrations en nitrates, elles s’opposent aux stations avals. Les résultats de simulation sur la période 2003 à 2011 ont montré qu’une grande partie de l'eau de surface de la Tafna provient du ruissellement de surface (59%) et du flux latéral (40%), alors que la contribution des eaux souterraines est insignifiante (1%). La Tafna transfère une quantité annuelle moyenne de 2942 t.an-1 de sédiment vers la mer entre 2003 et 2011. SWAT a montré aussi que les cinq barrages de la Tafna stockent une grande quantité de sédiments, plus de 27 000 t.an-1 (90% des sédiments transportés par la Tafna). Le modèle reproduit aussi le flux de nitrates dans les stations de mesure entre 2003 et 2011. La Tafna transporte une quantité moyenne annuelle de 37 à 86 tN.an-1 jusqu'à la Méditerranée. Sur la base de ces résultats, l’approche de modélisation a pemis d’effectuer un changement d’échelle vers les grands bassins du nord-africain. La simulation a montré que les barrages de la Tafna stockent une quantité importante de nitrates [80 à 486 tN.an- 1], qui représente en moyenne 62% de la quantité totale de nitrates transportée annuellement par le fleuve. L’application du modèle sur les plus grands fleuves d'Afrique du Nord, Moulouya (55 860 km2), Tafna (7 200 km2), Chélif (44 694 km2) Oued el Kbir-Rhumel (8824 km2) et Medjerda (23 213 km2) a permis de représenter les flux d'eau, de sédiments et de nitrate. Les fleuves de cette région transportent une quantité de sédiments de 706 .103tan-1 vers la Mer ou le fleuve Oued Kbir-Rhumel qui contribue à la plus grande quantité (55%).Le flux de nitrates transportés vers la mer est de 5330 tN.an-1, le fleuve Moulouya qui contribue à la plus grande quantité (32%). Les barrages de cette région stockent une grande quantité de sédiments (98%) et de nitrates (39%) transportés par les fleuves vers la Méditerranée. / In semi-arid and highly anthropized area characterization and quantification of pollutant transfers in surface waters and to the sea is important to understand and to help better management of water resources, especially in North Africa, where the of obtaining data in quantity and sufficient quality is difficult. This study investigates mechanisms transfer of nitrate and sediment in the Tafna watershed (7200 km2) and at the biggest coastal rivers in North Africa with an approach, coupling in situ measurements and SWAT model (Soil and Water Assessment Tool). The in situ part made it possible to quantify the quantity of nitrates exported by the different Tafna sub-basins. It also highlighted the contribution of the watershed to eutrophication of the Mediterranean Sea by measuring the quantities of nitrates transported to marine waters. The quantities transferred are important in the high water season while they decrease in the rivers during the dry season. The results highlighted the factors that influence the nitrates flux and nitrate concentrations; the land use has a great influence on the nitrate flux in the Tafna. The study stations were classified according to the eutrophication gradient. The upstream stations with high nitrates concentration, oppose downstream stations. Modeling results showed that Tafna's surface water comes from surface runoff (59%) and lateral flow (40%), while the contribution from groundwater was insignificant (1%). Tafna has transferred an average annual amount of 2942 t.yr-1 of sediment to the sea. SWAT has also shown that dams store a large amount of sediment, over 27 000 t.yr-1 (90% of the sediments transported by Tafna). The model also reproduced the nitrates flux at the gauging stations between 2003 and 2011. The Tafna carries 37-86 tN.yr-1 to the Mediterranean Sea and Tafna dams store a large quantity of nitrates [80 and 486 tN.yr-1], which represents an average 62% of the total amount of nitrates transported annually by the river. The application of the model at largest scale in North Africa, Moulouya (55,860 km2), Tafna (7,200 km2), Chelif (44,694 km2) Oued el Kbir-Rhumel (8,824 km2) and Medjerda (23,213 km2) showed that the rivers of this region carry 706.103t.yr-1 of sediments to the Sea. The Oued Kbir-Rhumel River contributes with the greatest quantity (55%), whereas the nitrate flows transported towards the sea is 5330 tN.yr-1 and the Medjerda River contributes with the largest amount (32%). Dams in this region store a large amount of sediment (98%) and nitrate (39%) transported by rivers to the Mediterranean.

Ce projet de thèse avait pour objet d’étudier la régulation de la biodisponibilité du monoxyde d’azote (NO) à travers la supplémentation en nitrate (NO3-) chez l’homme, et la perfusion d’ADMA chez l’animal. Nous avons essayé de déterminer les répercussions de la modulation de la biodisponibilité du NO sur la perfusion musculaire à l’exercice, et l’effet de l’aptitude aérobie sur cette modulation. Dans notre méta-analyse, nous avons rapporté une diminution de la consommation d’oxygène (V̇O2) lors d’exercices d’intensité modérée à élevée, avec une amélioration de la tolérance à l’exercice sans réduction du V̇O2 chez les sujets présentant une pathologie. Dans une seconde étude, aucune amélioration de la tolérance à l’effort n’a été observée chez des athlètes [consommation maximale d’oxygène (V̇O2max) > 65 mL.min-1.kg-1] au cours d’un exercice intermittent d’intensité supramaximale après une supplémentation en NO3- et sans modification au niveau du V̇O2 et de la perfusion musculaire. Une troisième étude montre que l’aptitude aérobie et l’apport en O2 aux muscles, dépendante de la perfusion musculaire, ne sont pas associés à la concentration plasmatique d’ADMA chez des sujets jeunes et sains. Enfin, notre quatrième étude ne rapporte pas d’effet de la perfusion de l’ADMA sur la perfusion musculaire au cours d’un exercice de course chez des rats. En conclusion, la supplémentation en NO3- peut contribuer à une amélioration de la performance à travers une réduction du coût en O2 pour des exercices sous-maximaux. Cependant, les sujets entraînés en endurance avec une aptitude aérobie élevée ne présentent ni d’effet ergogénique, ni d’amélioration de la perfusion musculaire à la suite d’une supplémentation en NO3- lors d’exercices intermittents supramaximaux, contrairement aux sujets modérément entraînés. En outre, l’ADMA, en tant inhibiteur de la synthèse du NO, ne semble pas jouer un rôle dans la régulation du débit sanguin et de l’apport en O2 aux muscles actifs, en l’absence de conditions pathologiques. / We aimed to determine whether dietary nitrate (NO3-) supplementation and ADMA modulate NO bioavailability and muscle blood flow during exercise. The second purpose was to establish whether aerobic fitness alters the effects of dietary NO3- supplementation and ADMA on muscle blood flow during exercise. In our meta-analysis, we found that dietary NO3- supplementation decreases V̇O2 during exercise performed in the moderate and heavy intensity domains in healthy subjects, and enhances exercise tolerance in subjects with chronic diseases, but no change in V̇O2. Our second study showed that dietary NO3- supplementation did not increase the number of repetitions completed during supramaximal intensity intermittent exercise in endurance athletes with high aerobic fitness (V̇O2max > 65 mL.kg-1.min-1), and did not increase muscle blood volume. In the third study, aerobic fitness is not related to muscle O2 delivery and plasma ADMA concentrations in young male subjects with a wide range of aerobic fitness level. In the fourth study, increased plasma ADMA levels did not decrease muscle blood flow during low-treadmill running exercise in healthy rats. In conclusion, dietary NO3- supplementation could contribute to an improved tolerance to exercise by reducing O2 cost during exercises at submaximal intensities. However, endurance-trained athletes with high V̇O2max level do not benefit from the effects of dietary NO3- supplementation on exercise performance and muscle blood flow as reported in moderately trained subjects. Moreover, ADMA did not regulate muscle blood flow and O2 delivery during exercise in conditions free from cardiovascular and metabolic diseases in humans and in the rat with pharmacological-induced increase in plasma ADMA levels.

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