Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / Les transformations de l'azote pendant l'hiver et le potentiel des pertes à l'environnement pendant l'hiver ont été peu étudiés. Une incubation avec 15N a été effectuée pour mesurer l'effet des températures basses (-6 à 10 °C) sur la nitrification, la dénitrification et l'immobilisation de l'ammonium après épandage d'un lisier de porc avec ou sans ajout de paille de blé. Les nitrates, marqués et non marqués, se sont accumulés dans les sols à des températures > -2 °C, ce qui confirme une nitrification active dans les sols légèrement gelés. Une immobilisation nette de l'azote a été observée seulement dans les sols avec paille, mais a cessé entre -2 et 2 °C. La nitrification était le processus principal sous 0 °C. La nitrification dans les sols gelés augmente le risque d'accumulation et de perte d'azote par lessivage et dénitrification et ne semble pas pouvoir être atténuée par l'ajout de paille de blé. / Overwinter nitrogen transformations and the consequent potential for loss of slurry nitrogen to the environment have not been studied in depth. An incubation study using an N isotope was undertaken to measure the effect of cold temperature (-6 to 10 °C) on nitrification, denitrification and immobilization of ammonium in the soil following slurry application in the presence or absence of wheat straw. Labelled and unlabelled nitrate increased in soils incubated at temperatures > -2 °C, confirming active nitrification in lightly frozen soils. Net immobilization was observed only in soils with straw incorporation, but ceased between -2 and 2 °C. Nitrification was the predominant process below 0 °C. Nitrification in frozen soils increases the risk of nitrogen build-up and loss by leaching and denitrification and seems not to be mitigated by the addition of wheat straw.

Removal of nitrogen elements in culture water is one of the major concerns in recirculating aquaculture system (RAS). Maintaining a low concentration of nitrogen compounds is essential for a good quality of aquaculture production. Due to fish is very sensitive to the toxic ammonium/ammonia, nitrification biofiltration tank is often an integrate part of filtration in RAS to remove ammonium via nitrification. However, nitrate accumulation via nitrification in RAS is often observed during the operation, which is usually solved by replacing with the fresh water into the system. With the concern of water consumption, bio-electrochemical system (BES) is introduced in this study to realize simultaneous nitrate removal for the system while generating the electricity through electron transferring. A microbial fuel cell (MFC) with an anion exchange membrane (AEM) was constructed. The removal of nitrate from aquaculture water generated from RAS was achieved by nitrate migration across the AEM and heterotrophic denitrification in the anode chamber. To further investigate the potential application of BES in RAS, the cathode chamber was incubated with biofilm to do the nitrification while the denitrification processing in the anode chamber. The study gave a total inorganic nitrogen removal efficiency of 38.72% ± 4.99, and a COD removal of 86.09% ± 9.83. The average daily electricity generation was 67.98 A m-3 ± 13.91, and nitrate-nitrogen concentration remained at 21.02 ± 2.62 mg L-1 throughout the experiment. These results of treating aquaculture water indicate that BES has a potential to install within RAS for enhanced nitrogen removal. / MS / The demand of aquaculture products is continuously increasing; however, the wastewater discharges from aquaculture systems also brings the environmental concerns. Recirculating aquaculture system is one of the reliable aquaculture systems applies in fish farming, which is able to treat the culture water within the system loop. The ammonia, which is produced and released continuously from deamination of protein, is the primary concern in aquaculture system due to its toxicity. The ammonia/ammonium and can be removed by the nitrification biofiltration part in recirculating aquaculture system. Nitrification process removes ammonia or ammonium to nitrate, which is less toxic to fish. During the operation, nitrate accumulation via nitrification in recirculating aquaculture system is often observed. High level of nitrate in culture water may leads to fish health issues. To have a good quality of aquaculture production, exchanging with the fresh water into the system regularly is needed for the recirculating aquaculture system. With the consideration of water consumption, bio-electrochemical system was brought in this study to perform simultaneous nitrogen compounds removal for the recirculating aquaculture system while generating the electricity through electron transferring. Microbial fuel cell, which is a form of bio-electrochemical system, with an anion exchange membrane was designed. The microbial fuel cell was constructed with two chambers, which are anode and cathode. The cathode chamber was incubated with biofilm to do the nitrification, whereas the denitrification was processing in the anode chamber to achieve the nitrate removal. Culture water with a certain amount of ammonia/ammonium that obtained from recirculating aquaculture system first entered the cathode chamber of microbial fuel cell, and oxidized to nitrate via nitrification. The generated nitrate in cathode chamber migrated across anion exchange membrane to the anode chamber, and removed via denitrification process to complete nitrogen compounds removal for the entire system. The study presented a total inorganic nitrogen removal efficiency of 38.72% ±4.99, and a chemical oxygen demand removal of 86.09% ±9.83 from the system. The average daily electricity generation was 67.98 A m⁻³ ± 13.91, and nitrate-nitrogen concentration remained at 21.02 ± 2.62 mg L⁻¹ for the system throughout the experiment period. These results of treating aquaculture water indicate that bio-electrochemical system has a potential to apply within recirculating aquaculture system for enhanced nitrogen removal, while reducing the water consumption and generating the electricity.

As the population in water stressed areas increases, it is critical that wastewater treatment plants (WWTPs) continue to replenish depleted water supplies, and serve as an alternative water source. WWTPs depend on microorganisms in activated sludge to remove pollutants from wastewater and therefore an understanding of how these microorganisms are affected by various conditions and pollutants is needed. Also, as consumer products and industrial processes evolve, so do the pollutants they discharge to wastewater. In order to keep pace with these changes, understanding the effects of emerging contaminants to WWTP processes is essential. The research herein assesses microbial community dynamics of the response of nitrifying microorganisms in activated sludge to variation in ammonia concentration and evaluates the impact of engineered nanoparticles on activated sludge microbial communities and other emerging pollutants, such as antibiotic resistance genes and disinfection by-products. In order to assess microbial community dynamics of the response of nitrifying microorganisms to removal of ammonia in the feed, nitrifying activated sludge reactors were operated at various relevant temperatures and the nitrifying microbial community was characterized using activity assays and bio-molecular techniques. We found that Nitrospira spp. were the dominant nitrifying microorganisms, exhibiting stable relative abundance across multiple trials and over a range of temperatures. These results indicate the possibility of comammox bacteria in the system and highlight the complexity of nitrifying microbial communities in activated sludge relative to past understanding. Both microbial and chemical impacts of engineered nanoparticles on WWTP processes were also investigated. Metagenomic analysis of DNA extracted from activated sludge sequencing batch reactors dosed with gold nanoparticles with varied surface coating and morphology indicated that nanoparticle morphology impacted the microbial community and antibiotic resistance gene content more than surface coating. However, nanoparticle fate was controlled by surface coating more than morphology. Disinfection by-product formation in the presence of nanoparticles during WWTP disinfection was assessed using silver, titanium dioxide, ceria, and zero valent iron nanoparticles. Silver nanoparticles were found to enhance trihalomethane formation, which was attributed to the citrate coating of the nanoparticles. These studies both raise concern over the relationship between engineered nanoparticles and other emerging concerns in WWTPs, and take a step towards informing nanoparticle design in a manner that limits their associated environmental impact. / Ph. D. / Wastewater treatment plants (WWTPs) are crucial to protect human and environmental health by removing pathogens and pollutants in sewage before they are released into aquatic environments used for recreation and drinking water. As populations living in water stressed areas continues to rise, the continued recovery of clean water from WWTPs is essential to both replenish water supplies and serve as an alternative water source. WWTPs depend on a complex mixture of microorganisms called activated sludge to remove pollutants from water. In order for WWTPs to continue discharging acceptable water in the future, a greater understanding of how these important microorganisms respond to environmental changes such as temperature and sewage content is needed. Sewage flowing into WWTPs is also evolving as advances in technology and chemicals used in consumer products and industrial settings discharge new pollutants into waste streams. Therefore, an understanding for how these new pollutants affect WWTP processes is also needed. In this dissertation, two challenges facing WWTPs were evaluated: 1) how bacteria responsible for nitrogen removal in WWTPs respond to the stress of starvation, and 2) how engineered nanoparticles in sewage impact the microorganisms in activated sludge and disinfection in WWTPs. Nitrogen removal is important because it can cause algal blooms when treated wastewater is discharged and because some forms, like ammonia, are toxic. The first step of nitrogen removal in WWTPs involves forming nitrate from ammonia, performed by nitrifying bacteria and archaea. This nitrate is then transformed into nitrogen gas by other microorganisms and therefore removed from the wastewater. How nitrifying microorganisms responded to decreased ammonia concentrations in the feed was determined using nucleic acid based techniques. Traditionally it is thought that in wastewater treatment, ammonia is oxidized to nitrite by one group of microorganisms, and nitrite is then oxidized to nitrate by separate microorganisms. However, in this study only microorganisms from the latter group were detected, which demonstrates the possibility of microorganisms capable of both ammonia and nitrite oxidation present in our system (as has been found in other environments). Also, the increased use of engineered nanoparticles in consumer products and industrial processes has led to their increased presence in wastewater. Nanoparticle are particles that are 1-100 nm in one dimension and have unique properties compared to larger forms of the material they are made of. These particles are sometimes utilized for their antimicrobial activity and therefore may impact the microorganisms used in WWTPs. Using activated sludge bioreactors dosed with gold nanoparticles with various morphologies and surface coatings, implications of these nanoparticle properties on activated sludge microorganisms was assessed. We found that nanoparticle morphology was more important than surface coating in affecting the activated sludge microbial communities. However, gold nanoparticle fate in the bioreactors was determined more by surface coating than morphology. These results and further research on how nanoparticle properties affect WWTPs and the environment may inform nanoparticle design that can be tailored to decrease environmental impact. The impact of nanoparticles on WWTP disinfection processes was also evaluated. WWTPs often use chlorine and/or ultraviolet (UV) disinfection in order to inactivate pathogens in wastewater. Chemical reactions between organics in the wastewater and chlorine produce disinfection by-products which can be toxic. Nanoparticles are used to enhance desired chemical reactions in industry, and therefore may enhance the undesired reactions of disinfection by-product formation in WWTPs. Here several types of nanoparticle (silver, titanium dioxide, ceria, and zero valent iron) were dosed to WWTP effluents and then subjected to chlorine and/or UV disinfection, then this was analyzed for trihalomethanes (a common type of disinfection by-product). It was found that the citrate coating on silver nanoparticles led to increased trihalomethane formation. More research is needed to determine the mechanisms involved with this phenomenon, and to determine other nanoparticle-coating combinations that may have similar effect.

Au Québec, la technologie d’assainissement des eaux usées municipales la plus répandue est le traitement par étangs aérés. L’augmentation des charges et débits envoyés aux étangs ainsi que les exigences de rejet de plus en plus contraignantes forcent la mise à niveau de nombreux étangs. La présente étude porte sur la capacité de dégradation carbonée et de nitrification simultanée du média fixe inerte autoportant immergé BIONESTMD pour augmenter la capacité de traitement des étangs aérés. Des essais ont été réalisés sur douze unités pilotes alimentées en parallèle par un bassin d’égalisation recevant des eaux usées d’origine domestique brutes municipales. Trois charges surfaciques et trois températures d’opération ont été simultanément testées sur les pilotes. Le média a été mis en place dans des cellules flottantes cylindriques. Des taux de dégradation carbonée de plus de 15 g DBO₅Cs/m².d et 25 g DCOs/m².d ont été obtenus. Avec des efficacités de plus de 90% d’enlèvement, des taux supérieurs de dégradation auraient sans doute pu être obtenus à charge plus élevée. Une influence de la température d’opération sur la dégradation de ces deux paramètres a été observée, notamment pour des températures inférieures à 1°C et des charges surfaciques élevées. Les concentrations de DBO₅C, de DCO et de MES mesurées ont montré une dépendance significative en fonction de la charge surfacique et de la température d’opération appliquées. Il a également été observé qu’une température froide et une charge surfacique élevée favorisent le développement d’un biofilm épais. Cette épaisseur favoriserait le détachement du biofilm et la présence de matières particulaires à l’effluent se traduisant par l’augmentation des concentrations de DBO₅C, de DCO et de MES. Des taux de nitrification de plus de 2 g N-NH₄/m².d ont été mesurés pendant les essais et ce malgré des charges surfaciques en matière organique supérieures à la valeur de 5 g DBO/m².d recommandée dans la littérature pour une dégradation carbonée et une nitrification simultanée. Cette capacité du média BIONESTMD, configuré tel que dans cette étude, pourrait être attribuable au biofilm épais favorisant une surface de biofilm et une diffusion des substrats plus élevées que d’autres types de réacteurs à biomasse fixe. Les résultats ont montré une influence importante de la température sur les taux de nitrification, notamment un phénomène de limitation sous 1°C en fonction de la charge en azote ammoniacal. Les coefficients de température mesurés ont montré une dépendance de la charge et de la température. Des conditions limitantes en oxygène accentuent l’influence de la température sur la nitrification. Une équation permettant de déterminer le taux de nitrification à une charge et une température donnée a été développée et utilisée. / In Quebec, the aerated lagoon process is the most popular technology for municipal wastewater treatment. Flowrate and load increases as well as more stringent effluent requirements will make many lagoon upgrades necessary. This study focuses on organic matter removal and simultaneous nitrification of the inert self-supporting immersed BIONESTTM media to upgrade aerated lagoons. Tests were conducted on twelve parallel pilot units fed by an equalisation tank receiving municipal raw domestic wastewater. Three loads and three temperatures were simultaneously tested on the pilots. The media was placed inside cylindrical floating cells. Organic removal rates above 15 g sCBOD₅/m².d and 25 g sCOD/m².d were obtained. With efficiencies above 90% removal, higher organic removal rates would have probably been obtained if the load had been higher. An influence of temperature on the removal of these two parameters was observed, particularly for temperatures below 1°C and high loads. Measured CBOD₅, COD and TSS concentrations showed a load and temperature dependency. It was also observed that cold temperatures as well as high loading rates promote the development of a thick biofilm. This thickness might favor biofilm detachment and particulate matter in the effluent contributing to increased CBOD₅, COD and TSS concentrations. Nitrification rates above 2 g N-NH₄/m².d were measured during the tests despite organic loads higher than the 5 g BOD/m².d recommended in the literature for simultaneous organic matter removal and nitrification. This treatment capacity of the BIONESTTM media, as configured in this study, may be due to the thick biofilm favoring a higher biofilm surface and higher substrate diffusion than other biofilm reactor technologies. Results showed a strong dependency of nitrification on temperature, especially below 1°C where a limitation related to the ammonia load was observed. Measured temperature coefficients showed a dependency on the load and temperature. The influence of temperature on nitrification kinetics was higher in oxygen-limited conditions. An equation allowing the determination of the nitrification rate as a function of the ammonia loading rate and temperature was developed and applied.

Les micro-organismes constituent 90 % de la matière vivante océanique. Parmi eux, le Crenarchaeota Candidatus Nitrosopumilus maritimus a récemment été isolé, révélant que les membres du même clade sont responsables d'une grande part de la nitrification, dans le cycle de l'azote. Ce potentiel biochimique est détecté chez les Crenarchaeota avec une approche moléculaire, avec la présence et l'expression du gène de la sous-unité A de l'ammonium monooxygénase (amoA). L'environnement échantillonné, la région des Eaux du Nord (Nord de la Baie de Baffin, entre l'île Ellesmere et le Groenland) a une productivité biologique parmi les plus élevées en Arctique. Celle-ci résulte notamment d'apports externes de nitrate, le produit final de la nitrification. Les résultats obtenus démontrent que le gène amoA était abondamment présent et exprimé dans les Eaux du Nord, que sa distribution et son expression étaient influencées par certains paramètres environnementaux et que sa diversité phylogénétique différerait entre les analyses basées sur l'ADN (présence) et l'ADNc (expression).

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote. / Rivers receive nitrogen (N) from their watershed and are the final sites of nutrient processing before delivery to coastal waters. Transformations of dissolved inorganic N (DIN) to gaseous N are highly variable and can impact both coastal eutrophication and greenhouse gas emissions. With anthropogenic N loading to aquatic ecosystems on the rise, nitrous oxide (N2O) emission from rivers should increase. Direct measurements of N2O from lake St. Pierre (LSP), an enlargement of the St. Lawrence River (SLR) indicate that although LSP is a net atmospheric source of N2O to the atmosphere fluxes are low compared to others rivers. Emissions are seasonally and inter-annually highly variable due to changes in hydrological conditions. N2O: N2 is also influenced by hydrology and lower ratios are observed in conditions of higher water discharge and elevated N charge into the ecosystem. In a cross system analysis, hydraulic load mitigates the relation between annual N2O flux and nitrate concentrations in rivers. In SLR, cyanobacterial mats colonizing low nitrate areas are a net source of N with high negative di-nitrogen (N2) fluxes. Given that fixation occurred during daylight and that oxygen concentrations in the water column were supersaturated, we hypothesize that N2 fixation is performed by the dominant cyanobacteria in anoxic micro-zone of the mat and/ or possibly by heterotrophic diazotrophs. Our estimates indicate that N fixation in the mats account for the replacement of up to 33% of the N loss via denitrification in the entire ecosystem during the study period. In the tidal Hudson River N2 production is highly variable between vegetated shallows and was associated with species-driven differences in dissolved oxygen (DO) dynamics during the ebb tide. N2 production was extremely high in invasive floating-leaved plants (Trapa natans) but was insignificant in submersed native vegetation. An estimate of summertime N2 production in Trapa beds suggests that these beds are a major seasonal hotspot for N removal. Large Trapa beds represent only 2.7% of the total area of the tidal Hudson but they remove between 70 and 100% of the total N retained in this section of the river during summer months and contribute to as much as 25% of the annual N removal.

L’estuaire de la Gironde est le plus grand estuaire macrotidal d’Europe formé par la confluence de la Garonne (où se situe l’agglomération de Bordeaux) et de la Dordogne. L’une de ses principales caractéristiques est la présence d’une zone à forte turbidité (bouchon vaseux) où les processus hétérotrophes (dégradation de la matière organique) sont favorisés et où au contraire les processus autotrophes (production primaire) sont limités par le manque de lumière. Ainsi, des déficits en oxygène pouvant être préjudiciables à la vie aquatique se développent systématiquement dans la zone du bouchon vaseux de la Garonne estuarienne. Ces préoccupations environnementales ont donc conduit à étudier en détail dans le cadre de ce travail de doctorat, les facteurs environnementaux qui provoquent ces hypoxies estuariennes. Dans un premier temps, j’ai réalisé un suivi sur le réseau d’eaux urbaines partiellement séparatif et unitaire de la Communauté Urbaine de Bordeaux, de ses stations d’épurations et déversoirs d’orage afin d’appréhender les apports urbains de matières organique et azotées et de les comparer à ceux en provenance du bassin versant amont. Bien que les deux stations d’épuration réalisent des abattements très significatifs sur la matière organique et l’ammonium, il s’avère que les flux vers le milieu naturel restent importants, notamment durant les périodes estivales, pendant lesquelles des orages peuvent engendrer des déversements d’effluents non traités. Ensuite, des expériences d’incubations ont permis de mettre en évidence le caractère fortement labile de cette matière organique urbaine. Le carbone organique dissous et l’ammonium, contenus dans les eaux usées, sont des composés fortement consommateurs en oxygène. Des expériences de respirométrie ont également permis d’estimer les taux de consommation en oxygène nettement plus importants dans les effluents urbains que dans les eaux de la Gironde. Enfin, l’analyse des données du réseau de mesures en continu de la qualité physico-chimique des eaux MAGEST (MArel Gironde ESTuaire) a démontré que l’estuaire subit dans sa section garonnaise des périodes d’hypoxie lors d’étiages prononcés, la masse d’eau la plus affectée par ces désoxygénations étant celle qui oscille aux alentours de l’agglomération de Bordeaux. Si ces résultats démontrent l’impact significatif de l’agglomération Bordelaise, le traitement statistique des données MAGEST pour la période 2005-2011 montre que les phénomènes de désoxygénation sont accrus en période d’étiage prononcé, en présence du bouchon vaseux et lorsque la température de l’eau est élevée. Dans ces conditions, l’oxygène dissous, déjà présent en faible quantité, peut être rapidement consommé lors d’apports supplémentaires d’eaux urbaines non traitées qui ont lieu pendant de fortes précipitations orageuses. Ce travail démontre également que le type de traitement biologique des eaux usées employé par les stations d’épuration et les capacités de stockage temporaire d’eaux d’orages ont un rôle critique sur les bilans de ces composés rejetés dans le milieu naturel. Enfin, ce travail permet de proposer aux gestionnaires des stratégies de rejets des effluents à court et moyen terme, en fonction des conditions hydrologiques et physico-chimiques du milieu, dans le but de limiter leur impact sur l’oxygénation des eaux estuariennes de la Garonne. / The Gironde Estuary is the largest macrotidal estuary in Western Europa, formed by the Garonne River (where the urban area of Bordeaux is located) and the Dordogne River. One of its main characteristics is the presence of a Turbidity Maximum Zone (TMZ) where heterotrophic processes (organic matter decomposition) are favored and where low penetration of light limits autotrophic processes (photosynthetic activity). Low dissolved oxygen (DO) that could impact aquatic biota occurred exclusively in the fluvial, low salinity and high turbidity sections of the estuary. These environmental concerns have led to study in detail in this work factors that cause estuarine hypoxia. First, I have estimated organic matter and ammonium fluxes from urban inputs in separate and combined sewer network of the Urban Community of Bordeaux, its wastewater treatment plants (WWTP) and combined sewer overflow, to compare them to the upstream watershed inputs. Even if the two WWTPs succeed in significant reduction in organic matter and ammonium contents of effluents, discharges into estuarine waters are important especially during summer, periods while storm events can generate untreated effluent inputs. This work demonstrates the high lability of this urban organic matter through incubation experiments. The dissolved organic carbon and ammonium contents in wastewater consume oxygen. Respirometry experiments allowed us to estimate higher oxygen uptake rates in wastewater than in the waters of the Gironde Estuary. Finally, the analysis of 7-yr data series from the continuous monitoring of the physico-chemical water quality (MAGEST network: MArel Gironde ESTuary) highlights periods of hypoxia in the upstream section of the estuary during pronounced low water around the Bordeaux conurbation. Statistical treatments of the 7-yr time series of DO concentration demonstrate the significant impact of the Bordeaux metropolitan area as it appears that the under-oxygenations increase during marked low water, in the presence of the TMZ, when the water temperature is high, and where the dissolved oxygen content is already low and can be quickly consumed after untreated storm water discharges. This study also shows that the nature of biological treatment used by the WWTPs and the temporary storage capacity of storm water have a critical role in the release of such compounds into the environment. This work finally provides strategies for effluent discharges to water managers, to short and medium terms, based on hydrological and physico-chemical conditions of the environment in order to limit their impact on the water oxygenation of the Garonne River.

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου μέσω της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης είναι οι διεργασίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των αστικών και των βιομηχανικών υγρών αποβλήτων καθώς και για την προεπεξεργασία του πόσιμου νερού. Η νιτροποίηση (βιολογική οξείδωση της αμμωνίας) υλοποιείται από δύο διαφορετικές κατηγορίες αυτότροφων βακτηριών. Η πρώτη ομάδα (νιτρωδοποιητές) μετατρέπει την αμμωνία ( + 4 NH ) σε νιτρώδη ( − 2 NO ) και στη συνέχεια η δεύτερη ομάδα, οι νιτρικοποιητές, οξειδώνει περαιτέρω το ενδιάμεσο προϊόν σε νιτρικά. Η απονιτροποίηση είναι η βιολογική διεργασία, η οποία ευθύνεται για την απομάκρυνση του αζώτου με τη μορφή των νιτρικών και/ή νιτρωδών από τα απόβλητα με μετατροπή σε αέριο άζωτο. Τα τελευταία χρόνια, γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια για να παρακαμφθεί το στάδιο της νιτρικοποίησης. Είναι επιθυμητό η αμμωνία να οξειδώνεται σε νιτρώδη και μετά απευθείας να λαμβάνει χώρα η απονιτροποίηση, παρά να γίνεται πρώτα η μετατροπή σε νιτρικά στα συστήματα απομάκρυνσης αζώτου. Θεωρητικά εξοικονομείται περίπου 25% σε δέκτη ηλεκτρονίων (οξυγόνο) και 40% σε δότη ηλεκτρονίων, ενώ επίσης ο ρυθμός απονιτροποίησης αυξάνεται κατά 63% με μικρότερη παραγωγή βιομάζας για κάθε μονάδα αζώτου που απομακρύνεται, πράγμα το οποίο είναι πολύ ελκυστικό από οικονομικής πλευράς, καθώς μειώνεται αρκετά το κόστος λειτουργίας της διεργασίας. Η παράκαμψη αυτή συνήθως επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας κατάλληλα τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου, το pH και τη θερμοκρασία. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να εξεταστεί το φαινόμενο «υστέρησης» που παρουσιάζουν οι νιτρικοποιητικοί μικροοργανισμοί εξαιτίας της μετάβασης από ανοξικές σε αερόβιες συνθήκες. Επίσης το συγκεκριμένο φαινόμενο μοντελοποιήθηκε για τη διεργασία της νιτροποίησης για (α) ένα αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας (CSTR) στον οποίο λάμβανε χώρα ανάπτυξη βιομάζας τόσο στον υγρό όγκο όσο και στα τοιχώματα του αντιδραστήρα (προσκολλημένη) και (β) σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Με σκοπό να παρακαμφθεί η νιτρικοποίηση χρησιμοποιήθηκε ένας αντιδραστήρας διαλείποντος έργου (SBR) για να προσομοιωθεί η διεργασία της νιτροποίησης λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο υστέρησης των νιτρικοποιητικών βακτηρίων. Η προσομοίωση αυτή έδειξε ότι είναι δυνατό να παρακαμφθεί η νιτρικοποίηση χρησιμοποιώντας 3 ζεύγη αερόβιας – ανοξικής φάσης, με συνολική διάρκεια κάθε φάσης 4.5 και 5.5 ωρών αντίστοιχα, επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα σχεδόν πλήρη απομάκρυνση του αζώτου. Οι μονάδες βιολογικής επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων γίνονται συχνά δέκτες αρκετών ξενοβιοτικών ουσιών, τα οποία πρέπει να επεξεργαστούν ταυτόχρονα με τα αστικά απόβλητα προτού εναποτεθούν στους υδάτινους αποδέκτες. Η παρουσία αυτών των ουσιών στις εισροές των βιολογικών καθαρισμών είναι πιθανόν παρεμποδιστικός παράγοντας για ευαίσθητες βιολογικές διεργασίες όπως η νιτροποίηση. Παρεμπόδιση αυτής της διεργασίας, μπορεί κάτω από ανεξέλεγκτες συνθήκες να οδηγήσει σε αποτυχία της βιολογικής απομάκρυνση αζώτου. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε η τυχόν παρεμπόδιση 12 ξενοβιοτικών ουσιών σε (α) νιτρωδοποιητικά βακτήρια και (β) νιτρικοποιητικά βακτήρια τα οποία είχαν απομονωθεί από την ενεργό ιλύ. Από τα πειράματα αυτά προέκυψαν αξιοσημείωτα φαινόμενα παρεμπόδισης για κάποιες από τις εξεταζόμενες ουσίες. Η συγκεκριμένη παρεμπόδιση μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το μη – ανταγωνιστικό μοντέλο παρεμπόδισης. / In the recent years significant research effort has been spent in bypassing the nitrification process. It is beneficial if ammonium is oxidized to nitrite and is thereafter directly denitrified rather than first being converted to nitrate in biological nitrogen removal systems. the bypass is often accimplished by changing the concentration of the dissolved oxygen, the pH and the temperature. The aim of this work was to examine the \"delay\" effect exhibited by nitrite oxidezers during the transition from anoxic to aerobic conditions. Furthermore, this effect was modeled for the nitrification process that took place in a)a continuously stirred tank reactor (CSTR) and b)in batch reactors. In order to bypass nitrification, a system called Sequencing Batch Reactor (SBR) was used to simulate the nitrification process by taking into account the delay effect of nitrite oxidizers. Sewage Treatment Plants (STPs) are usual receptors of xenobiotic compounds which may inhibit biological processes such as nitrification irrevesibly. This work also examined the possible inhibitory effect of twelve xenobiotic compounds an a)a mixed culture of autotrophic ammonium-oxidizing bacteria and b)nitrite-oxidizing bacteria isolated from activated sludge.

Les sédiments sont des sites importants d’élimination d’azote (N) puisqu’ils possèdent des gradients d’oxydoréduction leur conférant les conditions idéales pour les réactions microbiennes de transformation de N. L’eutrophisation des régions côtières peut altérer ces gradients, par des changements dans la concentration d’oxygène (O2) de l’eau interstitielle, et modifier l’importance relative des processus transformant le N. Afin de mieux comprendre comment l’O2 pourrait influencer les transformations de N, nous avons mesuré les flux diffusifs de diazote (N2), nitrate (NO3-), oxygène et ammonium (NH4+) dans les sédiments de l’Estuaire Maritime du St-Laurent (EMSL), et nous avons estimé les taux de dénitrification. L’importance du couple nitrification-dénitrification en fonction d’un gradient de concentrations d’O2 dans la zone d’hypoxie de l’EMSL fut aussi évaluée. La concentration des gaz dissous fut mesurée en utilisant une nouvelle approche développée dans cette étude. Les flux diffusifs de N2, O2, NO3- et NH4+ variaient de 5.5 à 8.8, de -37.1 à -84.8, de -4.0 à -5.8 et de 0.6 à 0.8 μmol N m-2 h-1 respectivement. Les concentrations de N2 et NO3- dans l’eau porale et les flux de NO3- et de N2 des sédiments, suggèrent que la diffusion de NO3- provenant de l’eau à la surface des sédiments ne peut pas expliquer par elle-même la production de N2 observée. En utilisant une approche stoichiométrique, les taux de nitrification potentielle estimés comptent pour 0.01 à 52% du flux total de NO3 nécessaire pour aboutir aux flux de N2 observés et diminuent avec l’augmentation de l’hypoxie. / Sediments display strong redox gradients and represent important sites of various microbially mediated nitrogen (N) transformation pathways resulting in the loss of fixed N. Increased eutrophication of coastal systems will likely impact the overall function of these sediments via changes in the oxygen (O2) concentration in the overlying water, thus influencing the redox gradient and the relative importance of different N processes. To have a better understanding of how O2 could influence N transformations, we measured dinitrogen (N2), nitrate (NO3-), oxygen and ammonium (NH4+) diffusive fluxes in the sediments of the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE) and estimated denitrification rates. The importance of the nitrification-denitrification couple as a function of a gradient of hypoxic O2 concentrations was also evaluated. Dissolved gas concentrations were measured using a new approach developed in this study. N2, O2, NO3- and NH4+ diffusive fluxes varied respectively from 5.5 to 8.8, from -37.1 to -84.8, from -4 to -5.8 and from 0.6 to 0.8 μmol N m-2 h-1 among the five stations sampled. N2 and NO3- concentrations in sediment pore water and measured fluxes of NO3- in and N2 out of the sediments suggested that NO3- diffusion from the overlying water alone could not support N2 production. Using a stoichiometric approach, estimated potential nitrification rates varied among sites, from 0.01 to 52% of the total NO3 supply rate. The relative importance of nitrification decreased with increasing hypoxia.

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote. / Rivers receive nitrogen (N) from their watershed and are the final sites of nutrient processing before delivery to coastal waters. Transformations of dissolved inorganic N (DIN) to gaseous N are highly variable and can impact both coastal eutrophication and greenhouse gas emissions. With anthropogenic N loading to aquatic ecosystems on the rise, nitrous oxide (N2O) emission from rivers should increase. Direct measurements of N2O from lake St. Pierre (LSP), an enlargement of the St. Lawrence River (SLR) indicate that although LSP is a net atmospheric source of N2O to the atmosphere fluxes are low compared to others rivers. Emissions are seasonally and inter-annually highly variable due to changes in hydrological conditions. N2O: N2 is also influenced by hydrology and lower ratios are observed in conditions of higher water discharge and elevated N charge into the ecosystem. In a cross system analysis, hydraulic load mitigates the relation between annual N2O flux and nitrate concentrations in rivers. In SLR, cyanobacterial mats colonizing low nitrate areas are a net source of N with high negative di-nitrogen (N2) fluxes. Given that fixation occurred during daylight and that oxygen concentrations in the water column were supersaturated, we hypothesize that N2 fixation is performed by the dominant cyanobacteria in anoxic micro-zone of the mat and/ or possibly by heterotrophic diazotrophs. Our estimates indicate that N fixation in the mats account for the replacement of up to 33% of the N loss via denitrification in the entire ecosystem during the study period. In the tidal Hudson River N2 production is highly variable between vegetated shallows and was associated with species-driven differences in dissolved oxygen (DO) dynamics during the ebb tide. N2 production was extremely high in invasive floating-leaved plants (Trapa natans) but was insignificant in submersed native vegetation. An estimate of summertime N2 production in Trapa beds suggests that these beds are a major seasonal hotspot for N removal. Large Trapa beds represent only 2.7% of the total area of the tidal Hudson but they remove between 70 and 100% of the total N retained in this section of the river during summer months and contribute to as much as 25% of the annual N removal.