Les récifs coralliens de Nouvelle-Calédonie constituent un « hot-spot » de biodiversité marine et sont classés au patrimoine mondial de l’Unesco depuis 2008. Ces récifs sont dans un bon état général, mais ils sont soumis à des pressions anthropiques de plus en plus intenses, engendrées par un développement industriel (mines de nickel) et urbain croissant.Mieux comprendre le fonctionnement des écosystèmes lagonaires calédoniens est donc devenu un enjeu majeur. Ce travail s’inscrit dans cette démarche, avec pour objectifs principaux : (1) de reconstruire l’architecture des réseaux trophiques de ces écosystèmes (méthode des isotopes stables), (2) de déterminer leurs niveaux de contamination en éléments traces métalliques et en polluants organiques, et (3) de décrire l’intégration et le cheminement de certains de ces contaminants en leur sein. L’étude des écosystèmes récifo-lagonaires et de leurs réseaux trophiques a été réalisée au travers du prisme de prédateurs méconnus de hauts rangs trophiques : les poissons anguilliformes (murènes, congres et poissons-serpents). Pour ce faire, différentes sources de matière organique (MO) et divers consommateurs, parmi lesquels les poissons anguilliformes, ont été prélevés dans plusieurs sites répartis sur un gradient côte-large et provenant de deux zones du lagon sud.Quatre réseaux trophiques ont été identifiés au cours de ce travail. La voie benthique basée sur la MO du turf algal est la voie trophique majeure, commune à tous les poissons anguilliformes. L’utilisation complémentaire de la voie benthique sédimentaire et de la voie « pélagique lagonaire », est également mise en évidence avec une importance variable selon les espèces. En revanche, la MO provenant des phanérogames marines n’est intégrée qu’indirectement, par le biais de la voie détritique. Les différentes espèces d’anguilliformes appartiennent donc à des réseaux trophiques en partie divergents selon leur habitat (substrat dur ou meuble) et leur régime alimentaire (micro-, macrocarnivore ou piscivore). Ces prédateurs de hauts niveaux trophiques, consommant principalement des crustacés et des poissons mais également occasionnellement des annélides polychètes et des céphalopodes, se révèlent pour la plupart opportunistes. Une compétition entre certaines espèces est soulignée par le recouvrement de leurs niches trophiques. Les sources de MO et les consommateurs récifaux du lagon calédonien accumulent des concentrations modérées à fortes en éléments traces d’origine agricole, urbaine et minière. La bioaccumulation dépend des propriétés physico-chimiques du contaminant lui-même et des caractéristiques propres à l’organisme (taille, habitat, régime alimentaire, etc.). Ainsi, les contaminants sont répartis différemment entre les compartiments, et seuls Hg et As sont bioamplifiés le long des réseaux trophiques. Une contamination du lagon par les polluants organiques est également soulignée. Bien que les concentrations mesurées chez les poissons anguilliformes restent relativement faibles, l’étendue spatiale de cette contamination, ainsi que la détection de pesticides très toxiques dont l’utilisation est interdite (DDT), attestent de la nécessité à considérer cette pollution avec attention. Toutes ces considérations renforcent l’importance de mener un suivi à long terme des contaminations d’origines diverses en relation avec le fonctionnement trophique des systèmes récifo-lagonaires. / New Caledonian coral reefs constitute a « hot spot » of marine biodiversity and were registered World Heritage by UNESCO in 2008. These reefs are in good health, but they are subject to intense anthropic threats, induced by the increase of industrial (nickel mining) and urban development. A better understanding of the functioning of the Caledonian coral reefs has become a major issue. This work is part of this approach, with as main goals to: (1) reconstruct the architecture of food webs of these ecosystems (stable isotope method), (2) determine their contamination levels in metallic and organic contaminants and (3) describe integration and pathways of some of these contaminants through the food webs. The description of ecosystems and their food webs was carried out by the study of unknown predators: the anguilliform fish (moray, conger and snake eels). Different sources of organic matter (OM) and consumers, including anguilliform fish, were sampled in several sites distributed over a coast to barrier reef gradient within two areas of the south lagoon. Four food webs were identified. The benthic pathway based on the algal turf OM is the main food web, common to all anguilliform fish. The complementary use of benthic sedimentary (SOM) and “lagoon pelagic” (POM) food webs, is also highlighted with variable importance according to species. In addition, OM from seagrasses is included indirectly by the detrital pathway. The numerous anguilliform fish species belong to diverse food webs in part, depending on their habitat (hard and/or soft bottom) and their diet (micro/macro carnivores or piscivores). These predators of high trophic level, consuming mainly crustaceans and fish but also more occasionally annelids and cephalopods, are mostly opportunistic. A competition between some species is underlined by the overlap of their trophic niches. Sources of OM and consumers of the Caledonian coral reefs accumulate moderate to strong concentrations of trace elements issued from agricultural, urban and mining origins. Bioaccumulation depends on both physical and chemical properties of the contaminant and the organism’s own characteristics (size, habitat, diet, etc.). So, contaminants are distributed differently between compartments and only Hg and As are biomagnified along food webs. Contamination of the lagoon by organic pollutants is also pointed out. Even if concentrations measured in anguilliform fish are rather low, widespread contamination, plus the detection of toxic and forbidden pesticides (DDT), confirm the necessity to include this pollution in further studies. All these considerations reinforce the importance of setting up a long-term tracking system of contamination from diverse origins, linked with the trophic functioning of food webs.

Abstract Water contamination is a global problem and the growing utilization of limited water resources creates a need for efficient purification methods. Industrial effluents are polluting the natural waters, e.g. uncontrolled mining activities in developing countries have created numerous environmental hazards and different types of pollutants. This study focuses on novel adsorbents and photocatalytic materials in order to reach the aim of more efficient and affordable water treatment. This thesis aimed at making active, efficient, and viable adsorbents out of waste materials, as well as using photocatalysis in water treatment for organic pollutants originating from different types of industries. Local Peruvian agro-waste was used as a precursor for activated carbon that was used in adsorption studies for single (As(V) and methylene blue, MB), and multicomponent mixtures (As(V)/Pb/Cd), and real polluted river water. An industrial intermediate product, hydrous TiO2, was used for As(III)/As(V) removal. Photocatalytic materials included a commercial photoactive TiO2 (P25), and tailor-made TiO2 based nanofibers (NF) decorated with Pt/Pd. The results show that the agro-waste based activated carbons show high potential as adsorbents (e.g. ~100% As(V) removal in 2 h). With the multicomponent solution there is evidently competition for the adsorption sites; Pb was removed most efficiently. The specific surface area and pore size distribution play an important role in MB adsorption, as with As(V) the ash content is the most influential parameter. The industrial intermediate product has a high adsorption capacity towards both As(III) and As(V) (over 96% removals in 4 h), and is promising for use in natural and wastewater treatment due to its adsorption properties, availability, low cost, and non-toxicity. Photocatalysis was found to be an efficient removal method for the pollutants tested, also in the diluted industrial wastewater matrix, e.g. diuron was removed 99% in 1 h. The NFs are promising for the efficient photocatalytic degradation of organic effluents in aqueous streams such as wastewaters originating from e.g. biofuel production or fine chemicals and pharmaceutical industry. This study provides new and valuable knowledge for the purification of waters, especially when aiming at developing inexpensive water treatment materials and methods for different applications. / Tiivistelmä Puhtaan veden puute on maailman laajuinen ongelma, ja raskasmetallien ja orgaanisten haitta-aineiden päätymistä ympäristöön ja luonnonvesiin voidaan vähentää hyvällä ja tehokkaalla teollisuuden jätevesien käsittelyllä. Uusia ja tehokkaita, ympäristön kannalta suotuisia ja kestäviä vedenpuhdistustekniikoita tarvitaan erityisesti kehitysmaissa, joissa esim. kontrolloimaton kaivostoiminta aiheuttaa ympäristö- ja terveyshaittoja. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin perulaisesta maatalousjätteistä aktiivihiiltä kemiallisella aktivoinnilla, ja seurattiin niiden kykyä adsorboida haitta-aineita (As(V), Pb, Cd, metyleenisini) yksi- ja monikomponenttiliuoksista ja saastuneesta luonnonvedestä (Puyango-Tumbesjoki, Peru). Lisäksi tutkittiin teollisuuden välituotteen (TiO2) aktiivisuutta arseenin, As(III) ja As(V), adsorptiossa. Viimeisessä osiossa tutkittiin valokatalyysiä orgaanisten haitta-aineiden poistossa vesiliuoksista sekä kaupallisella TiO2 P25 -katalyytillä että kokeellisilla Pd/Pt-dopatuilla TiO2 -nanokuiduilla. Tulokset osoittavat, että paikallisesta raaka-aineesta valmistetut aktiivihiilet ovat hyvin potentiaalisia vedenpuhdistusmateriaaleja saavuttaen jopa 100% As(V) poistuman (2h). Adsorboitavien ionien välillä on nähtävissä kilpailua monikomponettiadsorptiossa; lyijyn havaittiin poistuvan tehokkaimmin tutkituissa olosuhteissa. Adsorbentin ominaispinta-ala ja huokoskokojakauma ovat tärkeitä tekijöitä metyleenisinin adsorptiossa, kun taas tuhkapitoisuudella on arseenin adsorptioon suurempi vaikutus. Teollisuuden TiO2-välituotteella havaittiin olevan korkea adsorptiokapasiteetti sekä As(III)- että As(V)-spesieksiä kohtaan saavuttaen yli 96% poistumat (4h). Se on lupaava materiaali edelleen kehitettäväksi ja käytettäväksi esimerkiksi luonnonvesien ja jätevesien puhdistuksessa johtuen sen hyvistä adsorptio-ominaisuuksista, saatavuudesta, edullisuudesta ja myrkyttömyydestä. Valokatalyysin havaittiin olevan toimiva menetelmä orgaanisten molekyylien hajottamiseen, myös laimeasta teollisuuden jätevesimatriisista, esim. diuroni poistui 99% tunnissa. Nanokuitujen tapauksessa aktiivinen metalli vaikutti merkittävämmin reaktion tehokkuuteen kuin ominaispinta-ala. Tämä työ tarjoaa uutta ja tärkeää tietoa vesien puhdistukseen kun tavoitteena on löytää tehokas ja edullinen menetelmä erityyppisiin sovelluksiin.

Abstract Persistent organic pollutants (POPs), especially dioxin-like chemicals, have been shown to have adverse effects on skeleton and these effects are likely to be mediated via the aryl hydrocarbon receptor (AHR). In spite of the extensive research, the characteristics of developmental effects of POPs are poorly known and the role of AHR in POP bone toxicity and skeletal development in general. In this project changes in bone morphology and strength as well as tissue matrix mechanics are studied by applying state of the art biomedical engineering methods. This allows understanding of the effects of dioxins exposure and AHR activity on the development and maturation of extracellular matrix in musculoskeletal tissues from a completely new perspective, and thereby improving the health risk assessment of POPs. In the present study skeletal properties of rats exposed maternally to 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD), Northern Contaminant Mixture (NCM) and Aroclor1254 (A1254) were studied for cross-sectional morphometric and biomechanical properties, and data were analysed with benchmark dose modelling. In addition, extracellular matrix properties were analysed using nanoindentation. Similar measurements were performed for adult wild-type and AHR-null mice after TCDD exposure. The same animals were also analysed for microstructural changes using micro-computed tomography and their bone cell activity was estimated from serum markers and gene expression. Analyses show decreased bone length and cross-sectional properties with consequently decreased bone strength. On the other hand, an increased trabecular BMD in response to NCM and A1254 was observed. In addition, bone matrix properties indicated delayed maturation or early senescence after maternal or adult exposure, respectively. The AHR is mainly responsible for bone toxicity of dioxin-like compounds and plays a role in bone development. This is likely due to disturbed bone remodeling as indicated by altered serum markers and gene expression. Overall these results indicate that POPs decrease bone strength, but the interpretation is difficult as there is more trabecular bone within cortical bone with compromised quality and increased porosity. / Tiivistelmä Altistumisen pysyville orgaanisille ympäristökemikaaleille on todettu heikentävän luustoa. Dioksiinien ja dioksiininkaltaisten yhdisteiden vaikutusten on havaittu välittyvän aryylihiilivetyreseptorin (AHR) välityksellä. Huolimatta pitkään kestäneestä tutkimuksesta POP-yhdisteiden sikiönkehityksen aikaisen altistuksen vaikutukset ja etenkin niiden mekanismit ovat edelleen huonosti tunnettuja, samoin kuin AHR:n osuus POP-yhdisteiden luutoksisuudessa ja luuston kehityksessä ylipäätään. Tässä työssä tutkittiin luuston rakenteellisia ja mekaanisia ominaisuuksia niin perinteisillä kuin uusimmilla biolääketieteen tekniikan menetelmillä. Tutkimuksen tavoitteena on saada uutta tietoa POP-altistuksen ja AHR-aktiivisuuden vaikutuksista luuston kehitykseen ja luukudoksen ikääntymisprosesseihin, mikä edesauttaa kyseisten yhdisteiden riskinarviointia. Tutkimuksissa altistettiin kantavia rottaemoja 2,3,7,8-tetraklooridibenzo-p-dioksiinille (TCDD), pohjoiselle saasteseokselle ja kaupalliselle Arokloori 1254 PCB-seokselle. Sikiönkehityksen aikana altistuneiden jälkeläisten luuston poikkileikkausen morfologia ja biomekaaniset ominaisuudet mitattiin ja tulokset mallinnettiin vertailuannoksen määrittämiseksi. Lisäksi TCDD-altistettujen rottien luustomatriisin ominaisuuksia selvitettiin nanoindentaatiomenetelmällä. Samaa menetelmää käytettiin myös aikuisiässä TCDD:lle altistettujen villityypin hiirten ja AHR-poistogeenisiten hiirten tutkimiseen. Näiden hiirten luuston hienorakennetta mitattiin myös korkean resoluution mikro-tietokonetomografialla ja niiden luusolujen aktiivisuutta tutkittiin seerumin biomarkkerien ja luun muodostumiseen osallistuvien geenien ekspressiotasojen avulla. Sikiönkehityksen aikainen altistuminen pohjoiselle saasteseokselle ja Arokloori 1254:lle hidasti luiden pituuskasvua. Lisäksi luiden poikkileikkauspinta-alat olivat pienentyneet ja mekaaniset ominaisuudet heikentyneet. Toisaalta hohkaluun määrä oli lisääntynyt altistumisen seurauksena. Myös sikiönkehityksen aikainen altistuminen TCDD:lle hidasti luukudoksen kypsymistä ja johti aikuisiällä luukudoksen ennenaikaiseen vanhenemiseen. AHR:llä oli päärooli ainakin aikuisiän vaikutusten ilmenemiselle ja reseptorilla vaikutti olevan rooli luuston kehityksessä ylipäätään. Seerumin biomarkkereiden ja geeniekspression muutosten perusteella nämä vaikutukset johtuvat todennäköisesti luuston uusiutumisen häiriöistä. Yhteenvetona voidaan todeta, että POP-yhdisteet heikentävät luustoa, mutta tämän ilmiön diagnosoiminen on hankalaa, koska huonolaatuisen kuoriluun sisällä hohkaluun määrä on lisääntynyt.

Dans ce travail de thèse, les radicaux hydroxyles et sulfates, générés par les procédés électro-Fenton et électro-persulfate utilisant une anode en fer, respectivement, ont été utilisés pour la dégradation des édulcorants synthétiques et un colorant azoïque. Les études réalisées sont essentiellement concentrées sur : efficacité de dégradation, mécanismes d'oxydation, schémas de minéralisation et évolution de la toxicité lors de traitement des polluants cibles.1. Le procédé électro-Fenton a montré une grande efficacité dans la dégradation oxydative de l'Aspartame (ASP). La dégradation et la minéralisation sont essentiellement affectées par la concentration du catalyseur (Fe2+) et l'intensité du courant. La constante de vitesse absolue de la réaction d'hydroxylation de l'ASP a été déterminée comme (5,23±0,02) x 109 M-1 s-1. Les acides oxalique, oxamique et maléique ont été identifiés comme sous-produits aliphatiques. La toxicité de la solution (méthode Microtox) augment dans un premier temps et ensuite diminue progressivement lors du traitement.(2) L'édulcorant artificiel Saccarine (SAC) a été efficacement dégradée par procédé électro-Fenton avec anodes DSA, Pt et BDD. Cependant, l'utilisation de l'anode BDD a accéléré significativement la minéralisation de la SAC. Les conditions optimales pour la minéralisation efficace de la SAC étaient: [SAC]: 0,2 mM, [Fe2+] (catalyseur): 0,2 mM, [Na2SO4] (électrolyte): 0,05 M, I (courant): 200 mA et pH: 3. Les acides oxalique, formique et maléique ont été identifiés comme sous-produits aliphatiques. La mesure de la toxicité indique une augmentation en début d'électrolyse (formation des intermédiaires toxiques) et puis une diminution progressive le long du traitement.(3) L'édulcorant artificiel Sucralose (SUC) a été complètement minéralisée en 360 min de traitement par procédé électro-Fenton avec l'anode Pt ou BDD. Le taux de minéralisation est affecté par la concentration de Fe2+ et le courant appliqué. L'efficacité du courant de minéralisation diminue avec l'augmentation du courant de 100 à 500 mA avec les deux anodes. Les acides oxalique, pyruvique, formique et glycolique ont été détectés au cours du processus de minéralisation.(4) Les solutions du colorant azoïque Orange II ont été effectivement décolorées par les radicaux sulfates générés par l'activation électrochimique du peroxydisulfate (PDS) utilisant un catalyseur solide, FeOOH (procédé CE/α-FeOOH/PDS). Le pH initial a peu d'effet sur la décoloration. La méthodologie RSM (Response Surface Methodology) basée sur le modèle Box-Behnken a été appliquée pour analyser les variables expérimentales. Les résultats indiquent que le courant a un effet positif sur la vitesse de décoloration. L'interaction du dosage de l'α-FeOOH et la concentration de PDS ont des effets significatifs. Les résultats d'analyse de variance (ANOVA) ont confirmé que les modèles proposés étaient exactes et fiables pour l'analyse des variables du procédé CE/α-FeOOH/PDS. Le catalyseur solide α-FeOOH a montré une bonne stabilité structurelle et pourrait être réutilisé.(5) Les solutions d'Orange II ont été dégradés par les radicaux sulfates obtenus par le même procédé mais avec catalyseur Fe3O4 : EC/Fe3O4/PDS. La vitesse de décoloration est affecté principalement par : pH initial de la solution, densité du courant, concentration de PDS et dosage de Fe3O4. La solution a été totalement décolorée en 60 min dans les conditions suivantes: [Orange II]0: 25 mg/L, [PDS]: 10 mM, [Fe3O4]: 0,8 g/L, densité du courant (j): 8,4 mA/cm2 et pH initial: 6,0. Les expériences de recyclage ont montré que les particules de Fe3O4 étaient stables et pourraient être réutilisées. Les spectres XPS ont montré la formation de Fe(II) sur la surface des particules de Fe3O4 lors de traitement. Les principaux intermédiaires ont été séparés et identifiés par la technique GC-MS et un schéma plausible de dégradation d'Orange II a été proposé / In this paper, electro-Fenton and sulfate radical-based electro-Fenton-like processes were used to degrade artificial sweeteners and azo dye. The results obtained during the research concern the removal efficiency, the oxidation mechanism, degradation pathway and toxicity evolution of target pollutants.(1) Electro-Fenton process was a effective method for the degradation of ASP in water. The removal and mineralization rate was affected by the Fe2+ concentration and applied current. The absolute rate constant of hydroxylation reaction of ASP was (5.23 ± 0.02) × 109 M–1 S–1. Short-chain aliphatic acids such as oxalic, oxamic and maleic acid were identified as aliphatic intermediates in the electro-Fenton process. The bacteria luminescence inhibition showed the toxicity of ASP solution decreased after it reached a maximum during the first period of the oxidation reaction.(2) Artificial sweetener SAC could be degraded effectively by electro-Fenton process with a DSA, Pt or BDD anode. However, the using of BDD anode could accelerate the mineralization of SAC. The optimal conditions for SAC removal were SAC concentration 0.2 mM, Fe2+ concentration 0.2 mM, Na2SO4 concentration 50 mM, applied current 200 mA and initial pH 3.0. Oxalic, formic, and maleic acid were observed as aliphatic byproducts of SAC during electro-Fenton process. The bacteria luminescence inhibition showed the toxicity of SAC solution increased at the beginning of electrolysis, and then it declined until the end of the reaction.(3) Artificial sweetener Sucralose could be completely mineralized in a 360 min reaction by electro-Fenton process with a Pt or BDD anode. The mineralization rate was affected by the Fe2+ concentration and applied current. The mineralization current efficiency (MCE) decreased with rising applied current from 100 to 500 mA with both Pt and BDD anode. Oxalic, pyruvic, formic and glycolic acids were detected during the oxidation of sucralose.(4) Orange II was effectively decolorized by EC/α-FeOOH/PDS process. The initial pH of Orange II solution had little effect on the decolorization of Orange II. RSM based on Box-Behnken statistical experiment design was applied to analyze the experimental variables. The response surface methodology models were derived based on the results of the pseudo-first-order decolorization rate constant and the response surface plots were developed accordingly. The results indicated the applied current showed a positive effect on the decolorization rate constant of Orange II. The interaction of α-FeOOH dosage and PDS concentration was significant. The ANOVA results confirmed that the proposed models were accurate and reiable for the analysis of the varibles of EC/α-FeOOH/PDS process. The catalystα-FeOOH showed good structural stability and could be reused.(5) Aqueous solutions of Orange II have been degraded effectively in the EC/Fe3O4/PDS process. The decolorization rate was affected by the initial pH of Orange II solution, current density, PDS concentration and Fe3O4 dosage. Orange II can be totally decolorizated in a 60 min reaction when initial Orange II concentration was 25 mg/L, PDS concentration was 10 mM, Fe3O4 dosage was 0.8 g/L, current density was 8.4 mA/cm2 and initial pH was 6.0. Recycle experiments showed Fe3O4 particles were stable and can be reused. XPS spectrum indicated Fe(II) was generated on the surface of Fe3O4 particles after reaction. The main intermediates were separated and identified by GC-MS technique and a plausible degradation pathway of Orange II was proposed

<p>Istraživanje u okviru doktorkse disertacije obuhvata reprezentativan izbor tačaka uzorkovanja na deponijskim lokalitetima Bečej, Subotica, Sombor, Zrenjanin, Pančevo, Bačka Palanka, Vrbas, Temerin, Novi Sad i Ruma, primenu savremenih metodologija uzorkovanja, pripremu i analizu uzoraka najnovijim metodama determinacije organskih polutanata, statističku obradu podataka, procenu uticaja na humanu populaciju i ključne kompartimente životne sredine i razvoj metodologije kreiranja budućeg istraživačkog i kontrolnog monitoring programa. Dobijeni rezultati obrađeni su primenom metode analiza glavnih komponenti i hijerarhijske klaster analize. Procena uticaja kontaminanata i statusa životne sredine sprovedena je primenom jedne od metodologija evropske komisije za procenu i predikciju različitih efekata na humanu populaciju i životnu sredinu dejstvom toksičnih hemijskih supstanci. Na osnovu eksperimentalnih rezultata i stečenih tehničko-inženjerskih iskustava razvijena je Metodologija kreiranja budućeg istraživačkog i kontrolnog monitoring programa heterogenog medijuma deponijskih tela sa ciljem unapređenja upravljanja frakcijama komunalnog otpada koji generiše POP.</p> / <p>The selection of representative municipal solid waste landfill locations (Bečej, Subotica,<br />Sombor, Zrenjanin, Pančevo, Bačka Palanka, Vrbas, Temerin, Novi Sad and Ruma),<br />the application of contemporary sampling methodologies, preparation, extraction and<br />analyses of samples using modern analitical methods and techiques, statistical data<br />evaluation, human and environment risk assessment, HERA, and the development of<br />methodology for designig of future research and control monitoring programmes have<br />been conducted within doctoral dissertation. Obtained results for POPs and PAHs were<br />evaluated applying principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster<br />analysis (CA). HERA was conducted using recommended EPA methodolgy for<br />assessment and prediction of hazard effectes of toxic chemical substances on human<br />population and environment. On the basis of experimental results and the levels of<br />obtained technico-engineering experience Methodology for designig of future research<br />and control monitoring programmes for landfilld heterogeneous system was developed<br />in order to improve the POP waste management practice.</p>

Les polluants organiques persistants (POPs) sont des substances toxiques ayant la capacité de se bioaccumuler le long de la chaîne alimentaire. Une fois émis dans l'atmosphère, ils sont dispersés par le vent puis se déposent au sol. Du fait de leur persistance, ils peuvent être réémis depuis le sol vers l'atmosphère et parcourir ainsi de longues distances. Ce processus est couramment appelé « effet saut de sauterelle ». On peut donc retrouver les POPs très loin de leurs sources d'émissions. Pour pouvoir prendre des décisions visant à réduire leur impact environnemental, il est nécessaire de comprendre leur comportement dans l'atmosphère mais également dans les autres milieux, tels que le sol, la végétation ou l'eau. De nombreux modèles numériques de complexité variable ont été développés dans le but de prédire le devenir des POPs dans l'environnement. La plupart d'entre eux considèrent le sol comme un compartiment homogène, pouvant ainsi mener à une sous-estimation des réémissions du sol vers l'atmosphère. Or, du fait de la mise en place de réglementations visant à réduire les émissions anthropiques des POPs, la concentration dans l'atmosphère tend à diminuer et le sol, qui semblait jusqu'alors être seulement un réservoir, devient une source potentielle de POPs pour l'atmosphère. Il apparaît donc nécessaire de coupler les modèles de dispersion atmosphérique à un modèle de sol réaliste. Mes recherches ont permis d'étudier l'impact des interactions entre le sol et l'atmosphère sur la concentration dans les différents milieux. Pour cela, nous avons développé un modèle de sol multi-couches permettant de mieux estimer le profil de concentration dans le sol et les échanges entre ces deux milieux. Une analyse de sensibilité a été effectuée afin d'identifier les paramètres clés dans la détermination des réémissions. Puis ce modèle a été couplé à un modèle 3D de chimie-transport atmosphérique. Une étude de cas à l'échelle européenne a alors été réalisée afin d'évaluer ce modèle et d'estimer l'impact des réémissions sur les concentrations de POPs dans l'environnement / Persitent Organic Pollutants (POPs) are toxic substances that bioaccumulate in the food chain. Once emitted in the atmosphere, they are transported by the wind and deposited on soil. Since they are persistent, they can be reemited from soil to atmosphere by volatilization and travel over very long distances. This process is called grasshopper effect. Thus, POPs may be found at significant levels far from their emission source. It is necessary to understand the transport and fate of these pollutants in order to support the decision making process and reduce human exposure to POPs. Regulations over the last decades lead to a decrease of anthropogenic emissions and subsequent decrease of atmospheric concentration. In this context, the soil is no longer a sink of POPs but can be a source to the atmosphere. Many numeric models aim to study the behavior of POPs in the environment. Most of them consider soil compartment as a homogeneous box, leading to an underestimation of reemissions. Then, it appears of great importance to develop more realistic soil models. The objective of my thesis was to develop such a model, with vertical transport within the soil. This model was evaluated against measured concentration soil profile. We also conducted a sensitivity analysis to identify the key parameters involved in the process of reemissions. Then, the soil model was coupled with an atmospheric transport model. A case study was finally undertaken to estimate the impacts of reemissions on global-mass balance of POPs at European scale

Soil and groundwater pollution has become a global issue since the advent of industrialization and mechanized agriculture. Some contaminants such as PAHs may persist in the subsurface for decades and centuries. In a bid to address these issues, protection of groundwater must be based on the quantification of potential threats to pollution at the subsurface which is often inaccessible. Risk assessment of groundwater pollution may however be strongly supported by applying process-based simulation models, which turn out to be particularly helpful with regard to long-term predictions, which cannot be undertaken by experiments. Such reliable predictions, however, can only be achieved if the used modeling tool is known to be applicable. The aim of this work was threefold. First, a source strength function was developed to describe the leaching behavior of point source organic contaminants and thereby acting as a time-dependent upper boundary condition for transport models. For general application of these functions dimensionless numbers known as Damköhler numbers were used to characterize the reaction of the pollutants with the solid matrix. Two functions were derived and have been incorporated into an Excel worksheet to act as a practical aid in the quantification of leaching behavior of organic contaminant in seepage water prognoses. Second, the process based model tool SMART, which is well validated for laboratory scale data, was applied to lysimeter scale data from two research centres, FZJ (Jülich) and GSF (München) for long term predictions. Results from pure forward model runs show a fairly good correlation with the measured data. Finally, the derived source term functions in combination with the SMART model were used to assess groundwater vulnerability beneath a typical landfill at Kwabenya in Ghana. The predicted breakthrough time after leaking from the landfill was more than 200 years considering the operational time of the facility (30 years). Considering contaminant degradation, the landfill would therefore not cause groundwater pollution under the simulated scenarios and the SMART model can be used to establish waste acceptance criteria for organic contaminants in the landfill at Kwabenya / Seit dem Beginn der Industrialisierung und der mechanisierten Landwirtschaft wurde die Boden- und Grundwasserverschmutzung zu einem weltweiten Problem. Einige Schadstoffe wie z. B. PAK können für Jahrzehnte oder Jahrhunderte im Untergrund bestehen. Um diese Probleme behandeln zu können, muss der Schutz des Grundwassers basierend auf der Quantifizierung potentieller Gefährdungen des zumeist unzugänglichen Untergrundes erfolgen. Risikoabschätzungen von Grundwasserverschmutzungen können jedoch durch die Anwendung prozess-basierter Simulationsmodelle erheblich unterstützt werden, die sich besonders im Hinblick auf Langzeitvorhersagen als hilfreich erweisen und nicht experimentell ermittelbar sind. Derart zuverlässige Vorhersagen können jedoch nur erhalten werden, wenn das verwendete Modellierwerkzeug als anwendbar bekannt ist. Das Ziel dieser Arbeit bestand aus drei Teilen. Erstens wurde eine Quellstärke-funktion entwickelt, die das Ausbreitungsverhalten organischer Schadstoffe aus einer Punktquelle beschreibt und dadurch als zeitabhängige obere Randbedingung bei Transportmodellen dienen kann. Im Hinblick auf die allgemeine Anwendbarkeit dieser Funktion werden als Damköhler-Zahlen bekannte, dimensionslose Zahlen verwendet, um die Reaktion von Schadstoffen mit Feststoffen zu charakterisieren. Zwei Funktionen wurden abgeleitet und in ein Excel-Arbeitsblatt eingefügt, das ein praktisches Hilfsmittel bei der Quantifizierung des Freisetzungsverhaltens organischer Schadstoffe im Rahmen der Sickerwasserprognose darstellt. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Anwendung des prozessbasierten und mittels Laborexperimenten validierten Modellwerkzeugs SMART für Langzeitprognosen auf der Lysimeterskala anhand von Daten zweier Forschungszentren, FZJ (Jülich) und GSF (München). Ergebnisse reiner Vorwärtsmodellierungsläufe zeigten gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Daten. Im dritten Teil wurden die erhaltenen Quellstärkefunktionen in Kombination mit dem SMART-Modell eingesetzt, um das Grundwassergefährdungspotential unter einer typischen Deponie in Kwabenya, Ghana, einzuschätzen. Die vorhergesagten Durchbruchszeiten nach einer Leckage in der Deponie betragen über 200 Jahre bei einer Betriebszeit von 30 Jahren. Unter Berücksichtigung des Schadstoffabbaus verursacht die Deponie somit keine Grundwasserverunreinigung im Rahmen der simulierten Szenarien und das SMART-Modell kann verwendet werden, um Schadstoffgrenzwerte für organische Schadstoffe in der Deponie in Kwabenya festzulegen.

This research paper fulfills the requirements of Geography 4C6. / This paper is an introductory study on the ability of a detention pond to reduce pollutant loading to a receiving water body. Three forms of water pollution are analysed in this study, trace metal (V, Ti and Mn in the water and on suspended solids and bottom sediments), organic and bacterial (bacterial indicators of fecal coliform and fecal streptococci are utilized) pollutants. Each pollutant type requires a different form of analysis to obtain concentrations for targeted pollutants. V, Ti and Mn concentrations were obtained from Instrumental Neutron Activation Analysis (INAA), organic concentrations were acquired by Electron Capture Gas Chromatography (ECGC) and bacterial concentrations were obtained from various laboratory techniques performed by technicians in the Microbiology Lab at McMaster University and in the Provincial Health Laboratories in Hamilton, Ontario. Suspended solid concentration are also analysed to determine the pond's effectiveness in reducing suspended solids load and thus the pollutants they carry. The Storm Water Management Model was used to estimate total pollutant loading into the pond via a combined sewer overflow (CSO). The pollutant concentrations obtained were analysed spatially through the sampling network and temporally between sampled dry and wet weather periods. The result of this study has led to the disturbing conclusion that the detention pond appears to have little or no effect on enhancing water quality. / Thesis / Bachelor of Science (BSc)

Les estuaires sont des écosystèmes aquatiques particulièrement soumis au changement global et notamment à la pollution par de nombreux xénobiotiques pouvant présenter un risque écotoxicologique et sanitaire. En toxicologie environnementale et en évaluation des risques la bioaccumulation est un processus fondamental car elle contrôle les doses internes de toxiques potentiels. Or les flux de contamination et de décontamination des organismes dépendent de processus internes (e.g. nutrition, croissance) eux-mêmes dépendant des conditions environnementales (e.g. température, nourriture) qui peuvent être affectées par le changement global.Dans ce contexte, cette thèse se propose de décrire, dans un cadre de modélisation mécaniste, les processus de bioaccumulation de deux familles de polluants organiques persistants (POP) halogénés potentiellement toxiques et bioaccumulables, aux propriétés physico-chimiques contrastées : les polychlorobiphényles (PCB, composés historiques fortement lipophiles) et les substances perfluorées (PFAS, composés émergents amphiphiles). Ce travail se focalise sur l’estuaire de la Gironde dont la fonction de nourricerie est fondamentale pour de nombreuses espèces de poissons marins dont la sole commune (Solea solea), souvent utilisée comme indicatrice de la qualité des nourriceries côtières et estuariennes.Pour permettre de tenir compte des fluctuations des conditions environnementales sur la bioaccumulation, dans la première partie de ce travail, j’ai développé un modèle de toxicocinétique(TK) couplé avec un modèle mécaniste bioénergétique basé sur la théorie DEB (Dynamic Energy Budget). Ce modèle DEB a été paramétré pour la sole commune et calibré pour chaque sexe (package DEB tool). Il permet de prédire les principales évolutions des fonctions physiologiques d’intérêt en bioaccumulation (ingestion, croissance, reproduction...), tout au long du cycle de vie d’un individu, en fonction de conditions environnementales dynamiques. Le modèle TK développé a été complexifié par l’ajout d’un flux d’élimination de contaminants, non considéré dans les précédents modèles DEB-TK.La calibration des paramètres toxicocinétiques (TK) du modèle, pour 4 congénères de PCB, est basée sur une méthode innovante de prise en compte de la variabilité individuelle d’ingestion, appliquée à une expérimentation de contamination de juvéniles de sole via leur nourriture. Ce travail a montré que même en tenant compte de l’ingestion de chaque poisson, l’assimilation efficace de contaminant était très variable et corrélée aux taux de lipides des individus. Dans une seconde partie, ce modèle a été appliqué aux conditions in situ de l’estuaire de la Gironde. Il a permis de mettre en évidence la forte influence de la composition du régime alimentaire sur la variabilité de l’âge à la maturité sexuelle et de la contamination des soles pour les deux familles de contaminant étudiées. La confrontation des prédictions du modèle aux mesures de contaminants dans les juvéniles de sole de l’estuaire a permis de calibrer les paramètres TK du composé majeur de chaque famille dans l’environnement (CB153 et PFOS). Cette calibration a conduit à deux constats dans le cadre de l’évaluation du risque : (1) un manque de connaissances pour extrapoler les calibrations de paramètres TK en conditions contrôlées vers les conditions naturelles ; (2) la différence d’erreur d’évaluation du risque liée à l’utilisation des mêmes paramètres TK «les plus pessimistes » quels que soient les composés. Enfin, des scenarios prospectifs simples ont été développés pour illustrer ces résultats et les possibles applications du modèle développé.In fine, ces prédictions de la contamination, de la croissance et du développement des soles pourront être reliées, lors de travaux ultérieurs, à des effets potentiels sur les fonctions physiologiques de la sole (modèles DEBtox), et aux conséquences sur la dynamique des populations de soles (e.g.modèles matriciels de population). / Estuarine ecosystems are particularly impacted by global change and, specifically, bychemical pollution from numerous xenobiotics that may be associated to ecotoxicological and health risks. In environmental toxicology and risk assessment, bioaccumulation is a fundamental process as it controls the internal doses of potential toxicants in organisms. However, the contamination and decontamination flows depend on internal processes thatare themselves dependent on environmental conditions (e.g. temperature, food) and thus on the other variables of global change.In this context, this manuscript aims at describing, within a mechanistic modelling framework, the bioaccumulation processes of two families of potentially toxic and bioaccumulable halogenated persistent organic pollutants (POPs) with contrasting physicochemical properties: the polychlorinated biphenyls (PCBs, highly lipophilic historical compounds) and the perfluorinated substances (PFAS, amphiphilic emerging compounds).This work focuses on the Gironde estuary whose nursery function is fundamental for many species of marine fish including the common sole (Solea solea), often used as an indicator of the quality of coastal and estuarine bursary grounds. In order to account for the influence of environmental conditions on bioaccumulation, the first part of this work consisted in developing a toxicokinetic model (TK) coupled with a mechanistic bioenergetic model based on the theory DEB (Dynamic Energy Budget). This DEBmodel has been parameterized for common sole and calibrated for each sex (packageDEBtool). It allows predicting the main evolution of the physiological functions of interest forbioaccumulation (ingestion, growth, reproduction...) throughout the life cycle of an individualaccounting for dynamic environmental conditions. The developed TK model was first calibrated for some PCBs, under controlled conditions, using an innovative method to take into account individual ingestion variability. This work showed that even if the individual ingestion of each fish is accounted for, the effective assimilation of contaminant is very variable and correlated with the lipid levels of the individuals. The application of the model tothe in situ conditions of the Gironde estuary led to identify that, whatever the contaminant family, the composition of the soles diet had a strong influence on the variability of soles contamination and age at sexual maturity. The comparison of model predictions with measurements made in juveniles of the estuary allowed calibrating the TK parameters values for the major compound of each family in the environment (CB153 and PFOS). This calibration led to two observations in the context of a risk assessment: (1) a lack of knowledge to extrapolate calibrations of TK parameters under controlled conditions to natural conditions;(2) the difference in risk assessment error related to the use of the same "worst case" TK parameters regardless of the compounds. Lastly, simple prospective scenarios have beendeveloped to illustrate these results and the possible applications of the model developed.Ultimately, these predictions of soles contamination, growth and development may be related in future work to potential effects on the physiological functions of sole (DEBtox models), and to consequences on soles population dynamics (e.g. matrix population models).

Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού προς παραγωγή υδρογόνου με χρήση φωτοκαταλύτη διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) μελετήθηκε με χρήση τεχνητής ηλιακής ή ορατής ακτινοβολίας Βρέθηκε ότι ο αρχικός ρυθμός της αντίδρασης αυξάνεται σημαντικά με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων Pt στην επιφάνεια του ημιαγωγού. Στον καταλύτη αυτό, μελετήθηκε η επίδραση του pH καθώς και της θερμοκρασίας του αιωρήματος στην φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι τόσο η αύξηση του pH όσο και η αύξηση της θερμοκρασίας έως τους 800C οδηγούν σε ενίσχυση του ρυθμού παραγωγής. Ο ρυθμός μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω και να διατηρηθεί σε υψηλά επίπεδα για μεγάλους χρόνους ακτινοβόλησης, αν στο υδατικό αιώρημα προστεθεί ποσότητα «δότη ηλεκτρονίων» σε κατάλληλη συγκέντρωση. Πρόκειται για οργανικές ενώσεις (χρωστικές, αλκοόλες, σάκχαρα κ.α.) που απαντώνται σε απόβλητα χημικών βιομηχανιών, οι οποίες δρουν σαν «θυσιαζόμενες» ενώσεις. Ο ρόλος τους είναι η γρήγορη απομάκρυνση των φωτοπαραγόμενων οπών (ριζών υδροξυλίου) ή/και του φωτοπαραγόμενου οξυγόνου, κατά έναν μη αντιστρεπτό τρόπο, εμποδίζοντας έτσι την επανασύνδεση ηλεκτρονίου-οπής ή/και την αντίστροφη αντίδραση Ο2-Η2 Όταν επιτυγχάνεται πλήρης οξείδωση της οργανικής ένωσης (και των ενδιαμέσων της αντίδρασης) σε διοξείδιο του άνθρακα, το οξυγόνο δεν μπορεί πλέον να απομακρυνθεί από την επιφάνεια του φωτοκαταλύτη, με αποτέλεσμα ο ρυθμός παραγωγής Η2 να μειώνεται στα επίπεδα του ρυθμού μόνιμης κατάστασης, που επιτυγχάνεται απουσία «θυσιαζόμενης» ένωσης από το διάλυμα. Οι συνολικά παραγόμενες ποσότητες Η2 και CO2 είναι ευθέως ανάλογες με την ποσότητα του δότη ηλεκτρονίων που αρχικά προτίθεται στο διάλυμα. Επομένως, η παραγωγή υδρογόνου από την φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού με χρήση «θυσιαζόμενων» ενώσεων αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη διεργασία καθώς, παράλληλα με τη δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτόχρονη αποικοδόμηση οργανικών ρύπων που απαντώνται σε υγρά βιομηχανικά απόβλητα. / The production of hydrogen from aqueous TiO2 suspensions illuminated with UV/vis or visible light has been examined It has been found that deposition of Pt (0.5 wt.%) on the semiconductor surface results in an increase of the H2 production rate, which goes through a maximum with time of irradiation and then drops to steady-state values comparable to those obtained over bare TiO2. Both, maximum and steady-state rates obtained over Pt/TiO2 suspensions were found to increase with increasing solution pH and temperature. Addition of small quantities of electron donors (such as dyes, alcohols and sugars) in solution results in significantly enhanced rates of H2 production. Results are explained by considering that organic compounds act as sacrificial agents, which become progressively oxidized toward CO2 by consuming photogenerated holes and/or oxygen. This results in decreased rates of electron-hole recombination and oxygen-hydrogen back reaction and, concomitantly, in increased H2-production rates. The rate of photoinduced hydrogen production depends strongly on the concentration of the sacrificial agent employed and to a lesser extent on solution pH and temperature. When complete mineralization of the sacrificial agent is achieved, photogenerated oxygen can no longer be removed from the photocatalyst surface and the H2-production rate drops to steady-state values, comparable to those obtained in the absence of the organic compound in solution. The amounts of carbon dioxide and “additional” hydrogen produced depend on the nature of the organic additive and are directly proportional to its initial concentration in solution. Quantification of results shows that the overall process may be described as “photoinduced reforming of organic compounds at room temperature”. It is concluded that mineralization of organic pollutants, which are common waste products of biomass processing industries, can be achieved with simultaneous production of H2 fuel. The process may provide an efficient and cost effective method for cleaning up waste streams.