Ce mémoire de thèse s'inscrit dans la problématique de l'Evaluation Des Risques Ecotoxicologiques (EDREcotox) liés aux rejets d'effluents hospitaliers dans les milieux aquatiques. Le premier objectif vise à améliorer la connaissance des effets écotoxicologiques des effluents hospitaliers. Pour cela, nous avons étudié d'une part, les effets combinés des principaux polluants contenus dans ces effluents vis-à-vis de Daphnia magna et, d'autre part, les effluents provenant d'un hôpital d'une grande ville française, en intégrant leur caractérisation physico-chimique et écotoxicologique approfondie. Nous avons alors mis en œuvre des EDREcotox basées sur les différentes approches préalablement étudiées (substances, substances avec effets combinés, bioessais mono-spécifiques et pluri-spécifiques). Le second objectif de ce travail vise à contribuer à l'amélioration des méthodologies de caractérisation des effets écotoxicologiques, à la fois d'un point de vue général et pour le scénario spécifique étudié : « rejets des effluents d'un hôpital d'une grande ville du Sud-Est de la France dans le réseau d'eaux usées en direction de la station d'épuration puis du cours d'eau ». Les résultats obtenus montrent que les effets combinés des mélanges de désinfectants/surfactants étudiés sont additifs vis-à-vis de D. magna. Quelle que soit l'approche utilisée, nos résultats révèlent la toxicité des effluents étudiés. Les EDREcotox montrent cependant que, dans le cas de notre scénario, le risque écotoxicologique est faible pour les organismes du milieu récepteur. Nos recherches ont également permis de proposer une méthodologie de caractérisation des effets écotoxicologiques basée sur une première étape constituée d'une approche intégrée. Enfin, ce travail permet d'aboutir à des recommandations pour une meilleure gestion des effluents hospitaliers.

Le mercure (Hg) est un polluant métallique préoccupant de par sa toxicité et son omniprésence dans les écosystèmes aquatiques. Sous sa forme méthylée, il est capable de se bioaccumuler dans les organismes et d’être bioamplifié le long de la chaîne trophique. La méthylation du Hg est un processus biotique principalement attribué aux microorganismes sulfato-réducteurs (MSR). La rhizosphère des plantes aquatiques a été récemment identifiée comme un compartiment privilégié de la méthylation du Hg dans certains écosystèmes tropicaux et boréaux. Les objectifs de cette étude étaient de déterminer l’influence des plantes aquatiques sur la biogéochimie et la bioaccumulation du Hg et le rôle que jouent les MSR dans ce processus au sein des écosystèmes aquatiques landais. L’utilisation de traceurs isotopiques stables du Hg a permis d’identifier le compartiment « plantes aquatiques » comme un lieu privilégié des transformations des espèces mercurielles (méthylation/ déméthylation du Hg) et comme la principale source de méthylmercure (MeHg) dans ces écosystèmes tempérés. La combinaison des approches moléculaires (T-RFLP, clonage, séquençage) et culturales (isolement, détection de MeHg par biosenseur) a démontré l’implication de MSR du genre Desulfovibrio dans le processus de méthylation du Hg au sein de la rhizoplane aquatique. D’après une expérience menée en microcosmes utilisant un traceur isotopique du Hg, le MeHg formé au niveau de la rhizosplane aquatique serait biodisponible pour la chaîne trophique. Cette dernière observation est à relier à des concentrations en Hg significatives, observées in situ, pour certains poissons de fin de chaîne alimentaire. / Mercury (Hg) is a metallic pollutant worrying because of its toxicity and ubiquity in aquatic ecosystems. Its organic form is easily bioaccumulated in organisms and biomagnified along food webs. Hg methylation is a biotic process mainly attributed to sulfate-reducing prokaryotes (SRP). The rhizoplane of aquatic plants has recently been identified as the principal compartment involved in Hg methylation in some tropical and boreal ecosystems. The objectives of this study were to determine the influence of aquatic plants on the biogeochemistry and bioaccumulation of Hg and the role of SRP in this process in the aquatic ecosystems of the Landes (South Western France). The use of Hg stable isotopic tracers allowed to identify the "aquatic plants" compartment as the main place for Hg species transformations (methylation / demethylation of Hg) and the main source of methylmercury (MeHg) in these temperate ecosystems. The combination of molecular (T-RFLP, cloning, sequencing) and cultural (isolation, MeHg detection by biosensor) approaches demonstrated the involvement of populations related to the genus Desulfovibrio in the process of Hg methylation in the aquatic rhizoplane. According to an experiment conducted in microcosms using a Hg isotopic tracer, MeHg formed in the aquatic rhizoplane seems to be bioavailable to the food chain. This last observation is linked to significant Hg concentrations, observed in situ, for some carnivorous fishes (end of the food chain).

Ce travail consiste en un suivi physico-chimique et biologique d'étangs du Centre-Ouest ivoirien.<br />Son but est de déterminer un mode de gestion optimisant la production piscicole (Oreochromis niloticus , Heterotis niloticus et Heterobranchus isopterus ) compte tenu des contraintes qui pèsent sur les paysans. A la différence des zones périurbaines, l'utilisation d'intrants est très limitée, voire impossible en zone rurale. Les modèles piscicoles sont donc extensifs, la production dépendant exclusivement de la richesse naturelle des étangs.<br />Leurs caractéristiques sont très différentes, chacun présentant une nette individualité. Il existe en fait une grande variabilité géographique (qualité de l'eau du bassin versant) et saisonnière (température, débordements en saison des pluies etc.). Des perturbations exogènes locales et des apports fertilisants plus ou moins importants contribuent à cette diversité. Les caractéristiques communes à tous les plans d'eau sont une température élevée (>23°C) et un pH légèrement acide (≈6).<br />En permettant le développement du périphyton, l'acadja (récif artificiel) favorise la croissance de O. niloticus et H. niloticus . Le périphyton peut représenter une importante ressource nutritive (jusqu'à 35 μg.cm-2 de chlorophylle a ) à condition que le phytoplancton ne soit pas trop abondant. Parmi les fertilisants testés en station pilote, l'urée a donné de bons résultats de production piscicole (3-4 t.ha-1.an-1). Son utilisation a cependant provoqué quelques poussées d'azote ammoniacal (6 mg.l-1) et semble favoriser les proliférations de cyanobactéries.<br />L'alimentation des cichlidés est essentiellement d'origine périphytique et benthique, comme cela ressort de l'inventaire des contenus stomacaux.<br />En tenant compte des connaissances acquises au cours de ce travail, une approche basée sur l'étude du comportement alimentaire des poissons est proposée et des suggestions sont faites concernant des recherches futures : étude des relations entre le plancton, le périphyton et le benthos notamment. Ces résultats devraient ainsi permettre de stimuler efficacement les dynamiques paysannes actuelles.

Ce travail réalise une synthèse des connaissances du programme de recherche PIREN Seine concernant la problématique de l'azote sur le bassin du Grand Morin (1200 km2). A cet effet, la plate-forme de modélisation CAWAQS (CAtchment WAter Quality Simulator) a été construite. CAWAQS simule la qualité de l'eau des différents compartiments d'un bassin versant: sols, aquifères, cours d'eau. Il a été construit à partir des modèles STICS, NEWSAM et ProSe. L'utilisation conjointe de techniques géostatistiques (logiciel Isatis®) et de CAWAQS a permis de dresser un état de la contamination en nitrate des aquifères sur la période 1977-1996. La confrontation des concentrations de nitrate simulées en rivière avec des observations à haute fréquence sur la période 1991-1996 permet l'estimation des capacités dénitrifiantes. On estime sur la période 1991-1996, que les nitrates infiltrés à la base de la zone racinaire (4 000 tN.an-1) sont exportés vers l'aval par le réseau hydrographique (41 %), stockés dans les aquifères (39%) et éliminés par dénitrification (20 %) dans les zones humides, les nappes alluviales, la zone hyporhéique, et par les processus benthiques en rivière. Des campagnes de terrain et des simulations numériques ont aussi été réalisées à l'aval du Grand Morin afin de prendre en compte les processus dominants dans la transformation des polluants pour les cours d'eau à faible profondeur. Les résultats obtenus suggèrent l'existence d'une forte élimination de l'azote ammoniacal par nitrification-dénitrification dans les compartiments benthiques. Pour l'ensemble du Grand Morin, la quantité d'azote éliminée par ce processus a été estimée à 140 tN.an-1.

Dans un contexte général de dégradation de nombreux écosystèmes aquatiques, les travaux de ma thèse se sont intéressés à la problématique des proliférations de cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques qui peuvent former des biofilms épais sur le fond de certaines rivières. Alors que les proliférations de cyanobactéries planctoniques ont fait l’objet de nombreuses études, notamment en raison de leurs effets néfastes sur les écosystèmes et des limitations de leurs usages qu’elles provoquent, seul un nombre très restreint de travaux s’est intéressé aux proliférations de cyanobactéries benthiques. Partant de ce constat, les données acquises au cours de cette thèse se sont inscrits à la fois dans une démarche fondamentale d’acquisition de connaissances sur la composition microbienne et l’écologie des biofilms périphytiques, avec un regard particulier sur les proliférations de cyanobactéries benthiques en rivières, et dans une démarche plus appliquée sur les stratégies et outils pour la surveillance des biofilms à cyanobactéries dans les rivières afin de répondre à une demande des Agences de l’Eau et des gestionnaires de milieux aquatiques. Ces travaux ont reposé sur des prélèvements de biofilms dans deux rivières françaises, le Tarn et la Loue, et dans neuf rivières néo-zélandaises. Les communautés microbiennes au sein des biofilms ont été caractérisées par des approches de séquençage à haut débit ciblant un fragment du gène de la petite sous-unité de l’ARN ribosomal 16S et 18S. Des données environnementales permettant de décrire le contexte dans lequel les biofilms se sont développés ont été également acquises. Les résultats principaux permettant une amélioration des connaissances sur les communautés microbiennes et l’écologie des biofilms de rivières se rapportent à la mise en évidence (i) de l’importance fondamentale de certains facteurs comme la température de l’eau sur les variations temporelles de l’ensemble des communautés périphytiques et de la nécessité de prendre en compte les contextes hydrologique et géologique des stations de prélèvements pour comprendre ces variations, (ii) par l’analyse des corrélations entre les OTU dominantes des communautés phototrophes et hétérotrophes, d’interactions positives entre certaines de ces OTU, par exemple dans le cadre du recyclage de la matière organique ou d’interactions négatives, par exemple dans le cas des compétitions pour l’accès à la lumière entre bactéries et micro-algues phototrophes et (iii) d’une structuration géographique des communautés bactériennes associées aux biofilms à cyanobactéries qui semble plus s’expliquer par le contexte environnemental local des biofilms que par leur éloignement par la distance. Concernant les données acquises lors de cette thèse pour améliorer la surveillance et la gestion des risques liés aux proliférations de cyanobactéries benthiques, nos travaux ont permis de montrer les limites d’un nouvel outil (sonde spectrofluorimétrique) pour la détection et la quantification des cyanobactéries benthiques et de proposer des stratégies d’échantillonnage pour évaluer l’importance des biofilms à cyanobactéries en rivières. Finalement, nos résultats suggèrent que la prévention des risques liés aux cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques devrait essentiellement reposer sur l’information des usagers. / In a general context of aquatic ecosystems degradation, my thesis focuses on the issue of potentially toxic benthic cyanobacterial proliferations that can form thick biofilms fixed on the riverbed of certain rivers. While planktonic cyanobacterial blooms have been the subject of numerous studies, mainly due to their detrimental effects on the ecosystems, only a limited number of works have focused on benthic cyanobacteria. Therefore, the thesis involves a fundamental approach for knowledge acquisition on biofilms biodiversity and ecology, with an interest on benthic cyanobacterial proliferations, and an applied approach concerning strategies and tools for their monitoring on rivers in order to meet a request from water agencies and aquatic environmental managers.The main results of the thesis highlight (i) the importance of the hydrogeological context of sampling stations and water temperature on the temporal variations of periphytic communities, (ii) by OTU correlation analysis, positive interactions on the framework of organic matter recycling, and negative interactions in the case of light access competition, and (iii) a geographical structure of cyanobacterial-associated bacterial communities that seems to be mostly explained by local environmental context rather than distance. Concerning surveillance, we showed the limitations of a new spectrofluorometric tool for the quantification of benthic cyanobacteria and we propose sampling strategies to evaluate the importance of cyanobacterial biofilms in rivers.

La réponse de la communauté de crustacés zooplanctoniques de l'estuaire de l'Escaut à l'amélioration de la qualité de l'eau a été étudiée (1996-2009). A partir de 2007, on observe un déplacement des calanoïdes de l'eau saumâtre vers l'eau douce, associée à une forte diminution des cyclopides en eau douce. Contrairement aux cyclopides et aux cladocères, la distribution spatio-temporelle des calanoïdes a répondu positivement à une amélioration de la qualité de l'eau. Nos résultats suggèrent un basculement du régime trophique d'Eurytemora affinis des organismes autotrophes vers des organismes hétérotrophes. Enfin, en vue de tester un modèle de sélectivité trophique en milieu estuarien dans un écosystème benthique, le comportement sélectif des rotifères du périphyton de la Garonne (France) a été analysé. Les résultats ont suggéré une sélection positive envers les cyanobactéries qui, en notre connaissance, a été mise en évidence pour la première fois dans ce milieu.

Les développements d'algues benthiques dans les canaux de transport d'eau induisent d'importantes contraintes pour la gestion des canaux de distri bution d'eau. Les nuisances physiques et chimiques associées à ces développements nécessitent des stratégies de gestion alternatives. La thèse étudie des méthodes pour la gestion de ces populations algale basées sur le contrôle hydraulique du système: les chasses hydrauliques. Ces opérations consistent à détacher une partie de la biomasse algale fixée en augmentant les contraintes de cisaillement exercées par le courant sur ces algues fixées au substrat. Leur remise en suspension, entraînant un pic de turbidité, doit également être maîtrisée. L'approche proposée vise à caractériser et modéliser les processus de développement, de détachement et de transport des algues lors de ces chasses hydrauliques. Des suivis expérimentaux de la croissance sont réalisés en mésocosme (à l'échelle de canaux réduits). Les suivis de biomasse permettent de caler un modèle de croissance de la couverture algale intégrant l'effet de l'hydrodynamique et de la s ensibilité des algues aux perturbations hydrodynamiques. Des stratégies de chasses sont ensuite expérimentées sur deux canaux de distribution d'eau en zone méditérannéenne. Un modèle de la dynamique des algues fixées et en dérive en réponse à une chasse hydraulique est ensuite élaboré sur la base de ces expérimentations, et calé sur les nuages de turbidité observés. Finalement, un cadre méthodologique basé sur un modèle linéaire est proposé pour des applications à la gestion en temps réel d'une variable de qualité : la turbidité. Deux approches de contrôle sont présentées : la commande en boucle ouverte et la commande adaptative qui permet de recaler les paramètres inconnus comme la biomasse initiale. / Algae developments in open-channel networks induce strong constraints for the network management. The physical and chemical nuisances linked to these developments require alternative management strategies. The thesis proposes an original method for these algae management based on the hydraulic control of the system using flushing-flows. These flushes consist in detaching a part of the fixed algae by increasing the hydraulic shear stress exerted on the biomass fixed on the substratum. The re-suspension of algae in the water column induces a turbidity peak which also has to be controlled. The proposed approach aims at characterizing and modelling the processes of algae development, detachment and transport during the flushes. Experimental monitoring of the growth phase is conducted in experimental flumes. The biomass samples are used to calibrate a model of algal growth which integrates the hydrodynamic effect and the algae sensitivity in the Med iterranean region. A model of the fixed and drift algae dynamics in response to a flush is then developed and calibrated on the observerd turbidity plumes. Finally, a control framework based on a linear model is proposed for the turbidity control during a flush. An open-loop control is first developed, then an adaptative feedback controller is tested to estimate unknown parameters such as initial biomass.

Les thiols à faible masse moléculaire (FMM) peuvent affecter la biodisponibilité du mercure et mener à une plus grande production de méthylmercure par les microorganismes méthylants. Les résultats d’une étude réalisée au sein de la matrice extracellulaire du périphyton de la zone littorale d’un lac des Laurentides ont démontré que les concentrations en thiols à FMM retrouvées dans cette matrice sont jusqu’à 1000 fois supérieures à celles de la colonne d’eau avoisinante. Ces thiols sont significativement corrélés à la chlorophylle a du périphyton, suggérant une production par les algues. Le mercure de la matrice extracellulaire, plus spécifiquement dans la fraction colloïdale mobile, est aussi corrélé aux thiols d’origine algale. Ces résultats suggèrent qu’une accumulation de thiols s’opère dans l’espace extracellulaire du périphyton et qu’ils peuvent favoriser le transfert du mercure vers les microorganismes produisant le méthylmercure. Les résultats d’une seconde étude menée sur les méthodes de préservation d’échantillons d’eau pour la conservation des thiols à FMM ont démontré que la température optimale d’entreposage était de -80 °C et que la lyophilisation menait à une sous-estimation des concentrations mesurées. Les taux de dégradation étaient plus rapides lors de la conservation à -20 °C et variables selon la chimie de l’eau utilisée et les espèces de thiols observées. Suivant ces résultats, nous proposons un cadre de recherche pour de futures études sur la spéciation du mercure dans le périphyton et nous suggérons des précautions lors de la manipulation et de la conservation des thiols à FMM d’échantillons naturels. / Low molecular weight (LMW) thiols can affect the bioavailability of mercury and by enhancing methylmercury production by methylating microorganisms. Results of a study conducted within periphyton extracellular matrix in the littoral zone of a lake of the Laurentians have shown that LMW thiol concentrations found in this matrix are up to 1000 fold higher than those in the water column of surrounding waters. Relationships between these thiols and periphyton chlorophyll a were significant, suggesting production by algae. Mercury in the extracellular matrix, especially in the mobile colloidal fraction, was also correlated to thiols from algal sources. These results suggest thiol accumulation in the periphyton extracellular space, and that thiols likely promote mercury transfer to methylating microorganisms. A second study on preservation methods of natural water samples for LMW thiols conservation showed that a storage temperature of -80 °C was optimal and that freeze-drying led to an under-estimation of measured concentrations. Degradation rates were faster with storage at -20 °C and varied substantially depending on the chemistry of the water used as depending on thiol species observed. In regards of these results, we propose a research framework for future studies on mercury speciation processes in periphyton. We also suggest precautions on handling and storing natural samples for LMW thiol analyses.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal