Les écosystèmes lacustres sont de plus en plus soumis à de multiples perturbations mais leur réponse est encore trop rarement considérée de façon globale. En effet, au travers d'un jeu d'interactions complexes, chaque perturbation peut moduler l'intensité de l'impact des autres sur les lacs, et de ce fait, leur réponse. Dans ce contexte, ce travail doctoral est axé sur l'approfondissement de notre compréhension de la réponse des lacs à un contexte de perturbations multiples, sur le long terme. Pour cela, trois grands lacs profonds (le lac Léman, du Bourget et d'Annecy), soumis à une perturbation régionale similaire (i.e., le réchauffement climatique) et à deux perturbations locales (i.e., les changements dans le statut trophique et dans les pratiques de gestion piscicole) d'intensités différentes, ont été choisis. La réponse de ces lacs à ces changements a été abordée au travers d'une approche paléolimnologique, basée sur les cladocères. En effet, la capacité de ceux-ci à intégrer les changements temporels dans le réseau trophique pélagique en réponse aux trois perturbations environnementales en fait un modèle adéquat pour reconstruire les changements à l'échelle de la communauté pélagique. Plus précisément, nous avons abordé (i) les changements dans les communautés de cladocères, au cours du siècle dernier, en réponse aux trois perturbations environnementales et (ii) l'impact de ces perturbations sur les stratégies de reproduction des Daphnies. Cependant, le manque de connaissance dans les grands lacs profonds sur la représentativité des communautés sources de cladocères par les assemblages de restes archivés dans les sédiments a tout d'abord conduit à faire un point méthodologique. Ce dernier a abouti à la mise en évidence de différences dans le niveau de représentation de communautés sources de cladocères selon le type de restes utilisés. La composition taxonomique et la structure en taille des restes parthénogénétiques (i.e., exosquelettes) reflètent relativement bien celle des communautés sources. Quant aux éphippies (œufs de dormance), elles se révèlent des indicateurs fiables pour reconstruire les comportements de reproduction. Suite à ces résultats, les reconstructions paléolimnologiques des communautés de cladocères montrent que leur trajectoire écologique était contrôlée par des interactions complexes entre les trois pertubations différentes, selon les périodes de temps et entre les lacs. De plus, la réponse des communautés de cladocères au climat était différente entre les trois lacs comme une fonction de l'intensité des forçages locaux. Ces observations suggèrent qu'il est important d'inclure le rôle des perturbations locales dans la prédiction de l'impact futur des changements climatiques sur les lacs. L'impact des perturbations environnementales sur le comportement de reproduction des Daphnies est tel que des évènements d'hybridation interspécifique ont été observés. Cependant, ces évènements d'hybridation sont issus de sensibilité aux trois perturbations environnementales différentes entre les espèces de Daphnies. / Lake ecosystems are increasingly subjected to multiple perturbations but their response is too rarely considered in overall. But, though a complex set of interactions, each perturbation can modulate the intensity of the impact of each other on lakes, and thus their response. In this context, this work is focused on deepening our understanding of the response of lakes in a context of multiples perturbations, over the long-term. We studied this response performing a paleolimnological approach (based on cladoceran) on three large, deep lakes (Lakes Geneva, Bourget and Annecy) submitted to a similar regional perturbation (i.e., climate warming) and varying intensities of two local perturbations (i.e., changes in nutrient inputs and fisheries managment practices). The ability of cladoceran to integrate the temporal changes in the pelagic food web in response to three environmental perturbations makes them a suitable model to reconstruct changes in the whole pelagic community. Specifically, we addressed (i) changes in cladoceran communities, during the last century, in response to three environmental perturbations and (ii) the impact of these perturbations on reproductive behavior of Daphnia. However, the lack of knowledge in large, deep lakes on the representativity of source cladoceran communitites by fossil assemblages in sediments firstly led to a methodological calibration. This last showed that the represention level of source communities was different according to the type of remain. Parthenogenetic remain assemblages (i.e., exoskeleton) reflect accurately the taxonomical and size structure of source communities in contrast to ephippia which are reliable proxy to reconstruct reproductive behavior. Following these results, the paleolimnological reconstructions of cladoceran communities showed that their ecological trajectories are controlled by complex interactions between the three perturbations, according to time periods and lakes. Moreover, the response of cladoceran communties to climate was different between the three lakes as a function of the intensity of local forcings. These observations suggest that it is important to include the role of local perturbations in predicting the future impact of climate change on lakes. The impact of environmental perturbations on the reproductive behavior of Daphnia is such that interspecific hybridization events were observed. However, these hybridization events were the result of different sensitivity to perturbations among Daphnia species.

Le territoire d'un ancien lac naturel, situé dans un cratère d'impact datant d'environ 214 millions d'années, a été submergé par la mise en service du barrage hydro-électrique Daniel-Johnson en 1969. Ce mémoire vise à mieux comprendre les impacts d'un barrage et de l'ennoiement sur la dynamique sédimentaire d'un lac boréal en définissant le régime sédimentaire récent (tardi-Holocène) et comparant les enregistrements sédimentaires avant et après l'ennoiement. Pour atteindre cet objectif, une carotte sédimentaire (MAN19-01B) de 130 cm a été prélevée dans l'un des bassins les plus profonds du réservoir Manicouagan, à 440 mètres. L'analyse multi-paramètres (granulométrie, géochimie organique et inorganique, teneur en mercure et analyse élémentaire CHNS) réalisée sur la carotte datée par les méthodes radiométriques ($^\textup{14}$C, $^\textup{210}$Pb et $^\textup{137}$Cs) a révélé la présence de quatre unités sédimentaires (U1-U4) et 21 couches événementielles identifiées selon leur classe granulométrique (EC1-EC2-EC3). De la base au sommet, U1 (1300 à 485 mm de profondeur) couvre la période avant et le début du XIXe siècle, U2 (485 à 165 mm) la fin du XIXe siècle au milieu des années 1950, U3 (165 à 120 mm) de 1953 à 1968 et U4 (120 à 0 mm) la fin des années 1970 à 2019. L'événement EC3-5 (à 120 mm de profondeur) est daté à 1969 ± 1 AD et est caractérisé par un enrichissement de la matière organique indiquant un changement de la dynamique sédimentaire par les activités hydroélectriques. L'événement EC2-4 (à 165 mm) est daté à 1953 AD, coïncidant avec les travaux du complexe hydroélectrique de la Hart-Jaune, suggérant que U3 aurait enregistré les activités anthropiques dans le bassin versant. Les mouvements de masse ont pu être engendrés par l'augmentation de la pression interstitielle accentuée par l'augmentation du niveau lacustre depuis le barrage. Les nombreux événements pré-ennoiement (EC3-6 à 21) reflètent les aléas naturels régionaux tardi-holocènes / The territory of a former natural lake, located in an impact crater dating back approximately 214 million years, was submerged by the commissioning of the Daniel-Johnson hydroelectric dam in 1969. This thesis aims to better understand the impacts of a dam on the sedimentary dynamics of a boreal lake by defining the recent sedimentary regime (late Holocene) and comparing sedimentary records before and after flooding. To achieve this goal, a sediment core (MAN19-01B) of 130 cm was extracted from one of the deepest basins of the Manicouagan reservoir, at 440 meters. The multi-parameter analysis (grain size distribution, organic and inorganic geochemistry, mercury content, and CHNS elemental analysis) conducted on the core, dated by radiometric methods ($^\textup{14}$C, $^\textup{210}$Pb, and $^\textup{137}$Cs) revealed the presence of four sedimentary units (U1-U4) and 21 event layers distinguished by their grain size class (EC1-EC2-EC3). From the base to the top, U1 (1300 to 485 mm depth) covers the period before and the beginning of the 19th century, U2 (485 to 165 mm) spans from the late 19th century to the mid-1950s, U3 (165 to 120 mm) represents the period from 1953 to 1968, and U4 (120 to 0 mm) spans from the late 1970s to 2019. The EC3-5 event (at 120 mm depth) is dated to 1969 ± 1 AD and is characterized by an enrichment of organic matter, indicating a change in the sedimentary dynamics due to hydroelectric activities. The EC2-4 event (at 165 mm) is dated to 1953 AD, coinciding with the construction of the Hart-Jaune hydroelectric complex, suggesting that U3 may have recorded anthropogenic activities in the watershed. Mass movements may have been triggered by an increase in interstitial pressure accentuated by the rise in lake level since the construction of the dam. The numerous pre-flooding events (EC3-6 to 21) reflect late Holocene regional natural hazards.

Les lacs au Québec ont été soumis à une influence anthropique importante depuis l'établissement des colonies européennes, il y a quatre cents ans. Les apports anthropiques du défrichage, de l'agriculture et de l'urbanisation ont plusieurs conséquences variables pour la limnologie des lacs à travers la province. L'augmentation des températures et les périodes sans glace plus longue due aux changements climatiques au long du dernier siècle auraient pu occasionner des impacts additionnels sur la limnologie des lacs. Les rapports sur l'eutrophisation au Québec sont en croissance, mais des données limnologiques à long terme ne sont pas disponibles. L'étude présente a adopté une approche paléolimnologique afin de fournir une meilleure compréhension des changements a long terme dans les lacs du sud du Québec. Spécifiquement, ce projet a utilisé les pigments biomarqueurs prélevés dans les sédiments des lacs pour examiner la variation historique des communautés phytoplanctoniques. Les pigments photosynthétiques identifiés par chromatographie liquide de haute performance (HPLC) ont été la chlorophylle a (et ces dérivés) et les caroténoïdes d'algues, soient β, β-carotène, alloxanthine, crocoxanthine, diadinoxanthine, fucoxanthine, lutéine, vaucheriaxanthine, échinénone, zéaxanthine et canthaxanthine. L'âge des sédiments a été déterminé par les radio-isotopes 210Pb et 14C, et la concentration de matière organique a été déterminé par perte-au-feu. Une analyse HPLC détaillée d’une carotte de sédiment du Lac Saint-Augustin a montré trois périodes majeures de l’eutrophisation qui correspondent aux augmentations d’activité anthropique dans le lac. Les concentrations de chlorophylle a ont augmenté de 2,35 mg g-1 OM-1 en 1682 à 55,4 mg g-1 OM-1 en 2011. Les biomarqueurs spécifiques des pigments fossiles ont été utilisés pour décrire l’historique de la biomasse phytoplanctonique dans le lac et a indiqué la première occurrence de floraison de cyanobactéries à la fin des années 1860. Une étude de dix lacs québécois a examiné la variabilité de l’ampleur de l’eutrophisation de la région et le synchronisme des réponses à l’enrichissement des lacs. Les résultats ont montré que les populations des cyanobactéries et des autres phytoplanctons ont augmentés à des niveaux sans précédent dans les dernières décennies. Par rapport aux conditions avant la colonisation par les Européens, il y a eu une augmentation générale de pigments et de dominance des cyanobactéries, ce qui souligne l’impact du développement anthropique sur l’eau douce de la région. / Quebec lakes have been subjected to substantial anthropogenic influence since the establishment of European colonies four hundred years ago. Anthropogenic inputs from land clearing, agriculture and urbanization have resulted in variable impacts on the limnology of lakes across the province. Rising temperatures and longer ice-free periods as a result of changing climate over the past century may have resulted in additional impacts on the limnology of these lakes. Reports of eutrophication in the province of Quebec are increasing, but long-term limnological data are not available. The present study adopted a paleolimnological approach to provide an improved understanding of long term change in the lakes of southern Québec. Specifically, the project employed pigment biomarkers from lake sediments to examine the historical variations in phytoplankton communities. The photosynthetic pigments identified by high performance liquid chromatography (HPLC) were chlorophyll a (and its derivatives) and the algal carotenoids β, β-carotene, alloxanthin, crocoxanthin, diadinoxanthin, fucoxanthin, lutein, vaucheriaxanthin, echinenone, zeaxanthin and canthaxanthin. Sediment age was determined by 210Pb and 14C, and organic matter concentration was determined by loss-on-ignition. The detailed HPLC analysis of a sediment core from Lac Saint-Augustin revealed three major periods of enrichment corresponding to increases of anthropogenic activity in the lake. Chlorophyll a concentrations increased significantly from the base of the core to present day, rising from 2.35 mg g-1 OM-1 in 1682 to 55.4 mg g-1 OM-1 in 2011. Specific fossil pigment biomarkers were used to describe the history of phytoplankton biomass in the lake, and indicated the first occurrence of cyanobacterial blooms in the 1860s. A study of ten Quebec lakes addressed the variability in magnitude of eutrophication in this region, and the synchronicity in timing and responses to enrichment among lakes. The results showed cyanobacterial and associated phytoplankton populations have risen to unprecedented levels over the last few decades of ongoing development. Relative to pre-European settlement conditions, there was an overall increase in pigments and cyanobacterial dominance, highlighting the overall impact of anthropogenic development on the freshwater resources of this region.

L’eutrophisation et le réchauffement climatique sont reconnus comme des forçages majeurs du fonctionnement des lacs. Toutefois les connaissances concernant la réponse des communautés microbiennes eucaryotes à ces forçages sont encore très lacunaires, alors même que les microbes eucaryotes, porteurs d’une vaste diversité taxonomique et fonctionnelle, sont des acteurs clés des réseaux trophiques lacustres. La pertinence des approches paléolimnologiques pour comprendre les impacts de ces forçages sur les communautés lacustres n’est plus à démontrer, mais aujourd’hui l’intégration des outils moléculaires pour analyser l’ADN archivé dans les sédiments offre des opportunités nouvelles pour reconstituer la dynamique passée de la biodiversité lacustre. Dans ce cadre, en s’appuyant sur le couplage entre paléolimnologie et outils de séquençage massif appliqués à l’ADN sédimentaire, ces travaux ont pour but (i) d’apporter des connaissances concernant la préservation de l’ADN des microbes eucaryotes dans les sédiments lacustres (ii) d’appliquer l’approche de paléogénétique sur des carottes sédimentaires issues de 3 lacs pour révéler la dynamique à long terme (de la décennie au millénaire) des microbes eucaryotes en lien avec l’évolution des conditions climatiques et anthropiques. Les résultats acquis sur le lac du Bourget ont permis de mettre en évidence l’efficacité d’archivage de l’ADN planctonique dans les sédiments récents pour la plupart des groupes eucaryotes (notamment chrysophycées, chytrides, chlorophytes, cercozoaires, ciliés, dinophycées). A partir d’une collection de carottes (issues du lac suédois Nylandssjön), l’effet de la diagénèse s’opérant au cours des premières années d’enfouissement a été évalué, permettant de démontrer que si la richesse taxonomique n’est pas impactée, des variations peuvent être détectées dans la structure de la communauté au cours des 10 premières années d’archivage avec une stabilisation du signal au-delà de cette période. L’approche paléogénétique a, en parallèle, été déployée d’une part à l’échelle du siècle sur deux lacs de même typologie mais ayant subi des niveaux d’eutrophisation contrastés, et d’autre part à une échelle temporelle plus longue (2200 ans) pour deux lacs de typologie contrastée (lac du Bourget, France et Igaliku, Groenland). Les résultats acquis démontrent que des réarrangements des communautés s’opèrent de manière concomitante aux périodes climatiques (réchauffement médiéval, petit âge glaciaire, réchauffement récent), et que le réchauffement climatique au cours des 30 dernières années a plus particulièrement favorisé certains groupes, notamment la richesse et l’abondance des dinophycées (en condition non eutrophe ; lac d’Annecy et du Bourget). Toutefois l’effet de l’eutrophisation est identifié comme le facteur le plus structurant, notamment dans le lac du Bourget (cas d’eutrophisation marquée, ~120 µgP.L-1). La forte influence du niveau d’eutrophisation est détectée sur la communauté eucaryote totale et plus particulièrement sur des groupes spécifiques tels que les chlorophytes et les ciliés. Les réarrangements majeurs de la communauté sont par ailleurs marqués par la mobilisation de taxons rares dans l’assemblage microbien eucaryote suggérant le rôle de la biosphère rare dans la capacité tampon des écosystèmes. Ces travaux pluridisciplinaires comptent parmi les premières études paléogénétiques appliquées aux microbes eucaryotes lacustres, contribuant de manière inédite aux connaissances de leur dynamique temporelle à long terme. Ces études tendent à confirmer le potentiel de ces approches pour reconstituer une vaste diversité de communautés lacustres. Les perspectives qui se dessinent dans la continuité de ces travaux concernent à la fois des aspects méthodologiques autour de la calibration du signal ADN archivé et la nécessité de déployer cette approche pour des lacs (sélectionnés) de typologies et histoires écologiques variées. / Eutrophication and climate warming are key factors governing lake functioning. However, there is a lack of knowledge about the response of microbial eukaryotic communities to these forcing factors even though microbial eukaryotes represent a huge taxonomic and functional diversity within lacustrine trophic networks. Paleolimnology has a well-established reputation for providing valuable insights into the drivers of biological assemblages over long time scales. The emergence of DNA analyses of lake sediments opens up many new opportunities for the reconstruction of past lacustrine biodiversity, including taxa that do not leave distinct morphological fossils. The present work aimed (i) to gain knowledge about the preservation of microbial eukaryotes DNA in lacustrine sediments (ii) to apply DNA-based methods to dated sediments in order to reveal the long-term dynamics (centennial to millennial) of microbial eukaryotes related to climatic and anthropogenic changes. The results obtained for Lake Bourget demonstrated the good efficiency of planktonic DNA archiving in recent sediments for most of microbial groups (chrysophyceae, chytrids, chlorophytes, cercozoa, ciliates, dinophyceae …). In complement, the use of a unique collection of freeze cores of varved sediment (Lake Nylandssjön, Sweden) allowed to assess the effects of diagenetic processes on microbial eukaryotes DNA occurring during the first years of burying. While the richness of the microbial eukaryotic community was not impacted, modifications were detected on the community structure during the first 15 years after deposition, then the DNA signal became stable. The paleoecological approach was applied to quantify centennial to millennial-scale dynamics on two deep peri-alpine lakes selected for their contrasted trophic history (lakes Bourget and Annecy, France) and two lakes with contrasted typologies (Lake Bourget, France and Lake Igaliku, Greenland). The results showed that some community rearrangements were concomitant with climate events (i.e. medieval warming, little ice age, recent warming) and that the recent climatic warming (over the last 30 years) favored more particularly some microbial groups including the dinophyceae (in terms of richness and relative abundance, in lakes Annecy and Bourget). However, the eutrophication seemed to prevail as a driver of these biological assemblages, in particular for Lake Bourget submitted to a marked eutrophication (up to 120 µg P. L-1 in the 1970s). The strong impact of the eutrophication was detected both at the whole community level and for specific groups such as chlorophytes and ciliates. Major rearrangements within eukaryotes community were also marked by the mobilization of rare taxa suggesting an important role of the rare biosphere as a reservoir of diversity to buffer the impacts of environmental stress. This multidisciplinary work thus provide new insights into the long-term dynamics of microbial eukaryotes communities. Our results confirm the potential of the application of high-throughput sequencing to sedimentary DNA for the lacustrine biodiversity reconstruction. Although these approaches are promising for further revolutionizing our understanding of long-term ecological dynamics, careful calibration studies are still to be conducted, as with any paleolimnological proxy. The generalization of our results is also to be tested using a sufficient number of lakes selected for their specific typologies and ecological histories (multi-lakes approach).

Les régions arctiques se réchauffent à une vitesse alarmante. Cependant, dans l’Arctique canadien, l’ampleur de ces changements climatiques n’est pas de la même intensité dans toutes les sous-régions. Pendant que l’Ouest et le Nord se réchauffent à une vitesse rapide depuis de nombreuses décennies, l’Est de l’Arctique canadien a connu une certaine stabilité jusqu'au tournant du dernier siècle. Cette thèse consiste en une étude paléolimnologique et hydrologique de la région Est de l’Arctique canadien, plus précisément du sud-ouest de l’île de Baffin et des régions côtières de la Baie d’Hudson au Nunavik (Québec nordique, Canada). L’étude des assemblages de diatomées provenant de deux carottes et la caractérisation sédimentaire de quatre carottes prises dans le lac Nettilling (l’île de Baffin) ont permis la reconstruction des changements environnementaux de la région du lac à l’échelle millénaire. Les signaux isotopiques de l’oxygène préservés dans les frustules de diatomées ont permis la reconstruction paléoclimatique et paléohydrologique de la région. Les analyses isotopiques à haute résolution combinées à l’étude de la composition spécifique des assemblages de diatomées étaient un ajout important aux reconstructions paléoenvironnementales de la région du lac Nettilling démontrant l’histoire postglaciaire, qui a débuté avec une transgression marine (ca. 8300 ans cal. avant le présent-AP) suivi d’une phase transitoire d’eau saumâtre (ca. 7300 ans cal. AP) vers un environnement lacustre (ca. 6000 ans cal. AP) qui perdure encore de nos jours. L’étude des lacs thermokarstiques (lacs issus de la fonte du pergélisol) a évalué l'influence de la température, des précipitations et la dégradation du pergélisol sur le bilan hydrologique actuel de 86 lacs thermokarstiques au Nunavik. Un modèle de bilan de masse isotopique a été utilisé pour la région d’étude afin d’établir la source des eaux et d’estimer la perte de vapeur spécifique à chaque lac. Les résultats obtenus suggèrent que ces lacs sont très sensibles aux variations de précipitations et de la température de l’air. Certains lacs en milieu de pergélisol sporadique sont sensibles à l'évaporation puisque la quasi-absence de dégel du pergélisol ne fournit plus une source d'eau qui pourrait compenser pour l'effet de l'évaporation dans un territoire où le pergélisol est moins dégradé et plus riche en glace. / The Arctic regions are warming at an alarming rate. However, the magnitude of climate change in the Canadian Arctic is not of the same intensity in all its sub-regions. While the West and North are warming rapidly, the eastern Canadian Arctic experienced climate stability until the turn of the last century. This thesis is a paleolimnological and hydrological case study of the eastern Canadian Arctic region, more specifically of southwestern Baffin Island and of the coastal regions of Hudson Bay in Nunavik (Northern Quebec, Canada). Studies of diatom assemblages from two cores and sedimentary characterization of four cores taken from Nettilling Lake (Baffin Island) allowed for the paleolimnological reconstruction of the region. Stable oxygen isotope signals preserved in diatom frustules allowed for the paleoclimatic and paleohydrological reconstruction of the region. High-resolution isotope analysis combined with the study of the specific composition of diatom assemblages were an important addition to paleoenvironmental reconstructions in the Lake Nettilling region showing that the postglacial history began with a marine transgression (ca. 8300 yrs cal. before present-BP), followed by a transitional brackish phase (ca. 7300 yrs cal. BP) leading to the freshwater lake environment (ca. 6000 yrs cal. BP) which persists to the present-day. The study of thermokarst lakes (permafrost thaw lakes) evaluated the influence of temperature, precipitation and permafrost degradation on the current water balance of 86 sites in Nunavik. A model of isotopic mass balance was used in the study area to establish the lake-specific input water sources and evaporation rates. The results suggest that these lakes are very sensitive to variations in precipitation and air temperature. Some lakes located in sporadic permafrost terrain are susceptible to evaporation as the near absence of permafrost thaw no longer provides a source of water that could compensate for the effect of evaporation in a landscape where permafrost is less degraded and richer in ice.

Cette thèse est une étude paléolimnologique et environnementale de la région nord-côtière de la péninsule d'Ungava, Nunavik (Québec nordique, Canada). Son objectif principal était d'évaluer l'ampleur des variations environnementales et climatiques survenues dans cette région pendant l'Holocène, et de mieux comprendre leurs effets sur l'évolution des écosystèmes lacustres. Une méthodologie variée a été utilisée afin d'atteindre les objectifs spécifiques. Tout d'abord, l'analyse du signal isotopique des eaux météoriques a permis de caractériser certains paramètres hydroclimatiques et de dresser une ligne locale des eaux météoriques, contribuant à une meilleure compréhension du système climatique actuel de la région. Puis, sept séquences sédimentaires lacustres ont été analysées. Des chronologies ont été établies utilisant deux méthodes de datation basées sur l'analyse isotopique radioactive (210Pb et 14C). Dû à l'absence de restes végétaux de masse suffisante, les acides mimiques contenus dans les sédiments ont servi pour le traitement ' C. Cette technique peu utilisée a généré de bons résultats, surtout pour le début du postglaciaire. L'analyse du contenu fossilifère des sédiments a révélé que les assemblages de Chironomidae avaient réagi à la déglaciation de façon similaire et synchrone dans des localités éloignées de quelque 300 km. L'application de deux modèles d'inférence basés sur les assemblages modernes de Chironomidae a généré des reconstitutions quantitatives des températures de l'air de l'eau de surface estivale à des résolutions temporelles variées. Leur comparaison a mis en évidence certaines incertitudes accompagnant de telles reconstitutions, malgré les traitements et tests statistiques rigoureux. Finalement, l'analyse de la diversité et la composition des assemblages fossiles de diatomées dans les lacs à l'étude a démontré qu'elles étaient demeurées très stables pendant les 3000 à 5000 dernières années. Cette stabilité indique que la région n'a pas subi de variations environnementales assez importantes depuis la fin de la déglaciation pour avoir eu un impact majeur sur ces organismes, considérés comme étant sensibles à tout changement dans leur environnement physico-chimique. Toutefois, de récentes augmentations de la quantité d'algues siliceuses et du contenu en carbone organique du sédiment suggèrent que la région serait en train de se réchauffer à un degré encore jamais atteint durant l'Holocène. / This thesis is a paleolimnological and environmental study of the North coastal region of Ungava Peninsula, Nunavik (northern Québec, Canada). Its main goal was to evaluate the extent of environmental and climatic variations in this region during the Holocene, and to better understand their effects on lake ecosystems. A combination of biogeochemical and biostratigraphic approaches was used to reach this objective. Firstly, the isotopic signal of meteoric waters was analysed in order to characterize modem hydroclimatic parameters. A local meteoric water line was generated and contributed to a better understanding of the current climate system in the study region. Secondly, seven lacustrine sediment cores were analysed. Chronologies were established using a combination of two dating methods based on radioactive isotope decay (210Pb and 14C). Due to the absence of plant remains of sufficient mass, the humic acid fraction of the sediments was used for the 14C dating. This rarely used technique generated good results for the early postglacial in particular. A detailed analysis of the microfossil contents of the sediment cores revealed that the fossil chironomid larval assemblages responded to the effects of glaciation in a similar and synchronous fashion at locations separated by some 300 km. Two inference models based on modem chironomid assemblages allowed reconstructions of past August air and summer surface water temperatures over various timescales, but also revealed uncertainties that accompany such quantitative inferences despite sophisticated screening techniques. Finally, an in-depth analysis of the abundance, diversity and composition of the fossil diatom assemblages in each of the study lakes provided new insights into the primary productivity of these lakes at various times during the Holocene. The high level of stability in diatom assemblage composition since the end of glaciation indicates that the study region did not experience environmental changes that were ecologically profound enough to these organisms, generally considered to be sensitive to variations in the physical and chemical conditions of their habitat. Recent increases in abundances of siliceous microfossils and sediment organic matter content suggest that the region might be showing early signs of unprecedented climatic warming.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2023) / Située dans le sud du Québec, la rivière Bécancour prend origine à la sortie du lac Bécancour, puis coule à travers la ville de Thetford Mines et ses anciens sites miniers avant de s'élargir pour former successivement l'étang Stater, le lac à la Truite (d'Irlande), le lac William et le lac Joseph. Ces cinq plans d'eau sont aux prises avec de graves problèmes d'eutrophisation et, dans certains cas, d'ensablement/envasement. Les activités minières d'amiante menées pendant plus d'un siècle dans la région de Thetford Mines (1877-2011 EC) et les immenses haldes minières disposées le long de la rivière Bécancour ont souvent été mises en cause afin d'expliquer leur mauvaise condition. Cependant, plusieurs incertitudes demeurent en raison d'un manque d'évidences scientifiques. L'objectif général de cette thèse de doctorat est de déterminer les impacts des activités minières d'amiante et des effets parallèles et cumulatifs du développement anthropique du territoire sur l'évolution des lacs du bassin de la rivière Bécancour. Afin d'y parvenir, une approche paléolimnologique a été utilisée. Pour chacun des plans d'eau à l'étude (étang Stater et lacs Bécancour, à la Truite, William et Joseph), une carotte de sédiments d'un peu plus de 1 m de longueur a été prélevée et analysée. Plusieurs caractéristiques des couches sédimentaires ont été étudiées, notamment leur âge, densité, susceptibilité magnétique, granulométrie, ainsi que leur contenu en matière organique, carbone, azote, métaux, amiante et diatomées. Les assemblages de diatomées, dominés par des petits taxons fragilarioϊdes, préservés dans les sédiments « naturels » des lacs Bécancour, à la Truite, William et Joseph ont révélé que ces milieux présentaient un état oligotrophe au moment de la colonisation moderne de la Haute-Bécancour vers 1810 EC. Ils avaient aussi de très faibles taux d'accumulation de sédiments (< 0,1 cm an⁻¹; < 0,05 g cm⁻² an⁻¹). Le défrichement des terres et les activités agricoles survenus au cours du XIXᵉ siècle ont cependant stimulé la productivité primaire et les apports de matériel clastique. Le lac William a atteint un état mésotrophe dès ~ 1885 EC en raison de pressions vraisemblablement associées au commerce du bois et à des rejets d'eaux usées. Le niveau de dégradation des plans d'eau situés en aval de Thetford Mines a été grandement amplifié suivant les travaux de drainage et d'excavation du lac Noir (1954-1959 EC), autrefois situé en amont de l'étang Stater, à des fins d'exploitation minière. L'essor important de taxon de diatomées eutrophes (e.g., Cyclostephanos makarovae/invisitatus, Stephanodiscus hantzschii) dans les sédiments des lacs à la Truite, William et Joseph de cette époque, ainsi que plusieurs autres indicateurs tels que l'augmentation des valeurs de phosphore total inféré et de δ¹³C et la diminution du rapport C/N, indiquent que cet évènement a fortement accentué leur eutrophisation. Ceci peut être attribué à l'arrivée plus importante d'eaux usées concentrées en provenance de Thetford Mines suivant la perte du lac Noir qui agissait autrefois comme barrière tampon. La vidange du lac Noir a aussi mené à une explosion des taux d'accumulation de sédiments dans l'étang Stater et les lacs à la Truite et William. Ces plans d'eau ont continué de recevoir des quantités anormalement élevées de matériel sédimentaire (jusqu'à 1,4 cm an⁻¹; 1,0 g cm⁻² an⁻¹) dans les décennies qui ont suivi cet évènement. Les dépôts récents (≥ 1960 EC) présentent une faible teneur en matière organique et des niveaux élevés d'enrichissement en magnésium, chrome et nickel qui sont cohérents avec la signature géochimique des résidus miniers amiantés. Les résultats démontrent ainsi que les haldes situées en bordure de la rivière Bécancour s'érodent massivement vers le milieu aquatique et constituent la source moderne prédominante de sédiments dans les plans d'eau en aval de Thetford Mines. En plus de la pollution métallique, les activités et contaminants miniers ont engendré une hausse importante des taux d'accumulation et des concentrations de fibres d'amiante (atteignant jusqu'à 6,9 % en masse) dans les sédiments de tous les sites d'étude. Cette thèse démontre que les activités minières d'amiante et leurs vestiges peuvent avoir des impacts majeurs sur les écosystèmes aquatiques. La pollution associée aux haldes minières et aux eaux usées de la ville de Thetford Mines doit être mieux contrôlée afin d'assurer la préservation et la restauration des plans d'eau du bassin de la rivière Bécancour. / Located in southern Quebec, the Bécancour River originates at the outflow of lake Bécancour, then flows through the city of Thetford Mines and its old mining sites before enlarging to successively form Stater Pond ("Étang Stater"), Trout Lake ("Lac à la Truite d'Irlande"), Lake William, and Lake Joseph. These five water bodies suffer from serious eutrophication problems and, in some cases, siltation. The asbestos mining activities led over more than a century in the Thetford Mines region (1877-2011 CE) and the huge piles of mining wastes disposed of alongside the Bécancour River have frequently been blamed to explain their poor condition. However, uncertainties remain because of a lack of scientific evidence. The general objective of this doctoral thesis was to determine the impacts of asbestos mining activities and concurrent and cumulative effects of human land development on the evolution of lakes of the Bécancour River Basin. To achieve this goal, a paleolimnological approach was used. For each study site (Stater Pond and lakes Bécancour, Trout, William, and Joseph), a sediment core slightly over 1 m long was collected and analyzed. Several properties of the sediment layers were studied, including their age, density, magnetic susceptibility, grain size, as well as their organic matter, carbon, nitrogen, metal, asbestos, and diatom content. The diatom assemblages, dominated by small fragilarioid taxa, preserved in the "natural" sediments of lakes Bécancour, Trout, William, and Joseph revealed that these water bodies were oligotrophic at the onset of modern colonization in the upper Bécancour River Basin near 1810 CE. They also had very low sediment accumulation rates (< 0.1 cm yr⁻¹; < 0.05 g cm⁻² yr⁻¹). Land clearance and agricultural activities during the XIXth century stimulated primary productivity and clastic material inputs. Lake William reached a mesotrophic state as soon as ca. 1885 CE in response to pressures likely induced by timber trade and wastewater discharges. The degradation level of water bodies located downstream from Thetford Mines was greatly amplified following drainage and excavation works of Black Lake (1954-1959 CE), formerly located upstream from Stater Pond, for mining purposes. The proliferation of eutrophic diatom taxa (e.g., Cyclostephanos makarovae/invisitatus, Stephanodiscus hantzschii) in sediments of lakes Trout, William, and Joseph at this time, as well as other indicators of change such as the increase in values of inferred total phosphorus and δ¹³C, and the decrease in the C/N ratio, indicate that this event has strongly accentuated their eutrophication. This can be attributed to facilitated arrivals of more concentrated wastewater from Thetford Mines following the disappearance of Black Lake which previously had a buffer role. The drainage of Black Lake also caused sediment accumulation rates to explode in Stater Pond and lakes Trout and William. These water bodies continued to receive abnormally high amounts of sedimentary material (up to 1.4 cm yr⁻¹; 1.0 g cm⁻² yr⁻¹) during decades that followed this event. Recent depositions (≥ 1960 CE) have a low organic matter content, and high magnesium, chromium, and nickel enrichment levels consistent with the geochemical signature of asbestos tailings. Results demonstrate that the mining waste piles located alongside the Bécancour River erode massively towards aquatic environments and form the predominant modern source of sediments in water bodies downstream from Thetford Mines. In addition to metallic pollution, mining activities and contaminants led to a pronounced increase in asbestos fiber accumulation rates and concentrations (reaching up to 6.9 wt%) in sediments of all study sites. This doctoral thesis shows that asbestos mining activities and associated wastes may have major impacts on aquatic ecosystems. Pollution related to the mining waste piles and Thetford Mines wastewater must be controlled more efficiently to achieve preservation and restoration of water bodies of the Bécancour River Basin.

La majorité des études en limnologie et en sciences animales concentrent leurs efforts soit sur les écosystèmes d'eau douce ou sur les populations animales. Peu se sont intéressés aux liens qui existent entre les deux dans une perspective temporelle. L'utilisation des techniques de la paléolimnologie dans la gestion de populations animales est de grand intérêt puisque le manque de données à long terme est un problème crucial compliquant le processus de décision souvent basé sur des études à court terme uniquement et menant trop souvent à des décisions de gestion quelque peu aléatoires. Cette étude a pour objectfs d'évaluer l'impact de la population de la Grande Oie des Neiges sur les conditions chimiques des lacs et étangs (limnologie) et de tester le potentiel des méthodes de la paléolimnologie pour des reconstitutions de l'évolution des populations animales. Une étude de 27 écosystèmes d'eau douce a été effectuée sur l'île Bylot (Nunavut, Canada) dans l'optique d'identifier les facteurs expliquant la variabilité des conditions limnologiques dans l'espace à savoir si la présence ou l'absence d'oiseaux dans le bassin versant était un élément important. Notre étude a démontrée que la distance du plan d'eau de la mer est la variable principale expliquant les différences limnologiques observées au sein des sites d'études. Les variables reliées à la présence de la Grande Oie des Neiges dans le bassin versant jouaient, quant à elles, un rôle secondaire mais significatif. Les concentrations de N et de P étaient significativement plus élevées au sein des sites visités par les oiseaux qu'au sein des sites non visités, mettant de l'avant l'importance de l'impact des populations animales nordiques sur les écosystèmes d'eau douce. À la lueur de ces résultats, il est possible d'appliquer les techniques de la paléolimnologie afin d'étudier les variations de la population animale dans le passé. Nos résultats suggèrent que l'environnement de l'île Bylot est resté plutôt stable au niveau climatique de 1490 à 2004. Néanmoins, des changements importants d'ordre biologique ont été observés dans les lacs fréquentés par la population d'oies. Ces tendances coïncidaient bien avec les fluctuations récentes connues au sein de la population de la Grande Oie des Neiges, permettant de suggérer une reconstitution de la population. Cette étude a démontrée que, depuis plusieurs siècles, la population de Grande Oie des Neiges n'a jamais été aussi importante qu'aujourd'hui, supportant ainsi la nécessité d'une gestion de la population adéquate, et de l'étude des causes de cette augmentation récente du nombre d'individus. Ces résultats démontrent aussi que la paléolimnologie peut être un outil important dans la production de bases de données à long terme, offrant une meilleure compréhension de la dynamique des populations animales dans un contexte de gestion.

Les lacs piègent des particules sédimentaires au fil du temps de manière à former des archives sédimentaires. Tracer l’origine des particules archivées avec une résolution stratigraphique particulièrement détaillée conduit à reconstituer une ou des informations paléoenvironnementales permettant d’identifier les changements environnementaux passés. Afin de décrypter ces informations, les techniques d’analyse des carottes sédimentaires nécessitent d’identifier des marqueurs de leur composition à haute résolution. L’imagerie l’hyperspectrale demeure une des rares techniques capables de représenter ces marqueurs en deux dimensions pour caractériser les variations de la composition du sédiment et les structures stratigraphiques les plus fines. Dans ce mémoire, le potentiel de l’imagerie est mis en valeur à travers l’étude de plusieurs cas. L’objectif est de reconstituer des changements environnementaux à partir de l’origine des matières organiques (MO) sédimentaires à hauterésolution rapidement et sans destruction des archives. Plusieurs marqueurs hyperspectraux permettant de comprendre l’origine des MO sont développés sur deux sites d’étude choisis pour leur potentielle signature organique sédimentaire. Dans un environnement méditerranéen, les apports en MO détritique dans les sédiments du lac Bresson tracent les épisodes d'incendie du couvert forestier alors que les variations de carbone organique total (COT) dans une série d’archives sédimentaires reconstruisent les fluctuations de l’érosion glaciaire dans un lac arctique. Dans ces deux cas, la MO d’origine détritique est tracée pour la première fois par une méthode non-destructive et le traçage de la MO issue de la productivitéprimaire aquatique (plus classique) est amélioré par un nouvel indice spectroscopique. Ces marqueurs sont validés par des méthodes utilisées en routine (HPLC, comptage des particules de charbon, pyrolyse Rock-Eval 6) puis calibrés par ces techniques pour reconstruire des concentrations en COT à haute résolution. L’imagerie hyperspectrale permet donc de tracer lacomposition sédimentaire, voire des variations géochimiques, pour quantifier l'origine des apports organiques. Ces résultats apparaissent comme prometteurs et fournissent les bases essentielles pour développer l'utilisation en routine de cette nouvelle technique afin de reconstituer finement les changements environnementaux passés. / Over time, lakes trap sedimentary particles that form sedimentary reserves. Tracing the origin of those particles with a precise stratigraphic resolution, involves reconstituting one or more paleo environmental information thus allowing the identification of past environmental changes. Decrypting that information requires a sedimentary carrot analysis technic to identify their high resolution composition indicators. Hyperspectral imagery remains one of the rare technics capable of showing those indicators in a two dimensional form so as to characterize the variations in the composition of the sediment as well as the finer stratigraphic structures. In comparison to the methods used routinely, hyperspectral imagery is a highresolution (nanometers resolution) technic that does not destroy the core of the sediment and is time efficient (1 hour per meter of sediment). In this thesis, the potential of the high resolution imagery is highlighted through the study of several case studies. The aim is to reconstitute environmental changes based on the origin of high resolution sedimentary organic matter (OM) quickly whilst preserving their history. Several hyperspectral indicators have been developed on two carefully chosen study sites to understand the origins of those OM. Those sites were chosen based on their potential sedimentary organic signature. In a Mediterranean environment, detrital OM inputs in the Bresson lake give a history of the various forest fires whereas the organic carbon variations in a series of reserve sediments, reconstruct the fluctuations of glacier erosion in an artic lake. In both cases, the OM of detrital origin is traced for the first time through a non-destructive method. Tracing OM issued from Primary aquatic production is improved with a new spectroscopic index. These indicators are validated by the methods routinely used (HPLC and RE6) then are calibrated by these technics in order to rebuilt high resolution COT concentrations. Hyperspectral imagery allows to trace the sedimentary composition and to see geo chemical variations in order to quantify the origin of organic inputs. Those results seem promising and bring essential foundations to develop the routine use of this new technic in order to reconstitute accurately past environmental changes.