Les cyanobactéries ou algues bleues vertes, responsables de l'eutrophisation des cours d'eau, demeurent problématiques dans les zones d’élevage intensif au Québec. Une des causes principales de leur développement est le lessivage et le ruissellement du phosphore (P) épandu, phénomène dont l'incidence est proportionnelle au pourcentage de P sous forme soluble dans les effluents. La limitation des rejets de P sous cette forme représente un enjeu majeur en termes de durabilité des systèmes d’élevage au Québec. Ceci est d’autant plus important considérant que d’importantes marges de sécurité sont toujours appliquées par l’utilisation d’ingrédients riches en P (ex. phosphate, phytase, drêches) au Québec. Le but de ce travail de maîtrise était d’évaluer la possibilité d’introduire des sels métalliques encapsulés dans l’alimentation des poulets pour insolubiliser le P non absorbé par l’animal et ainsi réduire le P soluble excrété et les problèmes environnementaux associés sans compromettre leurs performances. Une première expérience a permis d’évaluer l'impact de l'ajout de sulfate de fer (Fe) et d'aluminium (Al) micro-encapsulés dans l'alimentation des poulets de chair sur l'excrétion de P soluble et la rétention de P et de calcium (Ca). Il a ainsi été montré que l’ajout du Fe et d’Al encapsulés peut réduire l’excrétion de P soluble dans les fientes des poulets sans modifier les performances de croissance et la rétention des nutriments (P, Ca et Fe). Ceci dû principalement à la formation de complexes Fe/Al et PO4 3- insolubles après que le P ait traversé les principaux sites d'absorption. Dans une seconde expérience, le sulfate de Fe a été préféré à l’Al compte tenu du fait qu’il est déjà permis par l’Agence Canadienne d’Inspection des Aliments (ACIA). Cette expérience visait à évaluer la nécessité ou non de l’encapsulation en comparant la digestibilité des minéraux, la minéralisation osseuse, l’accumulation dans les tissus et la proportion de P soluble dans les litières à la fin de l’élevage. Les résultats ont révélé que l’ajout de sulfate de Fe encapsulé ou non dans le régime des poulets réduit les performances de croissance et le contenu minéral osseux, et ne permet pas d’insolubiliser le P dans la litière. Ceci dû en partie à l’action défavorable des concentrations élevées de Fe sur la minéralisation osseuse et le remodelage osseux, induisant une augmentation de l’excretion urinaire de P chez les oiseaux. Un résultat inattendu est que l’ajout de Fe est efficace pour améliorer la digestibilité du P total et du Ca chez les oiseaux par une hydrolyse accrue du P phytique. Ce travail de maitrise représentait une première étape permettant d’évaluer le potentiel de l’encapsulation pour relaguer les ingrédients actifs en aval des sites d’absorption et de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent le devenir du P dans le tube digestif. Les connaissances générées dans ce travail de maitrise sont des pistes qui guideront les futures études vers le choix d’autres ingrédients actifs (sels de Ca, par exemple) plus prometteurs et plus stable aux conditions particulières qui règnent dans la portion distale tube digestif et dans la litière des volailles en élevage commercial. Mots clés : Phosphore soluble, Fe, Aluminium, poulet, micro-encapsulation / Cyanobacteria or blue-green algae, responsible for eutrophication in watercourses, remain problematic in intensive farming areas in Quebec. One of the main causes of their development is leaching and runoff of phosphorus (P) applied, a phenomenon whose incidence is proportional to the percentage of P in soluble form in the excreta. The limitation of P releases of this form represents a major challenge in terms of the sustainability of livestock systems in Quebec. This is even more important considering the large safety margin regarding the use of ingredients rich in P (e.g. phosphate, phytase, DDGS) at Quebec. The aim of this study was to evaluate the possibility to introduce encapsulated ingredients into the broiler diet to insolubilize the non-absorbed P in the intestine and thereby reduce the water-soluble P (WSP) excretion and related environmental problems, without compromising their performances. A first experiment evaluated the impact of the addition of iron (Fe) and aluminium (Al) sulfate encapsulated in broiler diets on water-soluble P (WSP) excretion and phosphorus (P) and calcium (Ca) retention. It has been shown that the addition of Fe and Al encapsulated decreased WSP excretion as expected and this, without modifying growth performances and P retention indicating that P is insolubilized after the main absorption sites. This is probably due to the formation of insoluble Fe / Al and PO4 3- complexes after the P has passed through the main absorption sites. In a second experiment, Fe sulphate was preferred to Al given that it is already allowed by the Canadian Food Inspection Agency (CFIA). The aim of this experiment was to evaluate whether it is necessary to encapsulate iron sulfate (Fe) in broilers diet to reduce WSP excreted in broiler litter. In addition to WSP, the apparent jejunal and ileal digestibility of minerals (Ca, Fe and P) and Fe accumulation in kidneys and liver as well as bone mineralization were also studied. The results revealed that addition of iron sulfate encapsulated or not in the diet of chickens reduces growth performance and does not insolubilize the P in the litter. This is partly due to the adverse effect of high Fe concentration on bone mineralization and bone remodeling, inducing an increase in urinary excretion of P, a form mainly soluble. An unexpected result is that the addition of Fe is effective to improve the digestibility of total P and Ca by an increase of hydrolysis of phytic P. This work was a first step to evaluate the potential of the encapsulation to target the active ingredients downstream of the absorption sites and better understand the mechanisms that govern the fate of P in the gastro-intestinal tract. The knowledge generated in these studies will guide future studies towards the choice of other active ingredients (calcium salts, for example) more promising and more stable to the particular conditions that prevailing in commercial poultry litter. Key Words: Water soluble phosphorus, broiler, iron sulfate, alum, micro-encapsulation.

Le phosphore (P) des aliments pour les porcs est partiellement retenu (30-35%) en raison de l’absence de phytase endogène dans leur tube digestif ; le restant étant excrété et potentiellement à risque pour l’environnement par des phénomènes d’eutrophication. Il est ainsi courant d’ajouter des phosphates dans les aliments pour combler les besoins en P, lesquels constituent une ressource naturelle limitée et parfois coûteuse. Ainsi, la réduction du P alimentaire est prioritaire pour la production porcine depuis plusieurs années. Une des voies pour y arriver est l’augmentation de son efficacité d’utilisation par l’animal. Cette augmentation peut être liée aux modifications nutritionnelles (ex. : phytases exogènes) ou aux adaptations digestives et métaboliques de l’animal en réponse à une carence soit par exemple en utilisant des stratégies de déplétion-réplétion. Ceci consiste à alimenter un animal au-dessous de ses besoins en P durant une certaine période (déplétion) et avec un aliment non carencé (réplétion) par la suite. L'impact d’une telle stratégie sur les performances de croissance, la minéralisation osseuse, les propriétés mécaniques des os, la concentration plasmatique de P et Ca et des transporteurs intestinaux et rénaux liées au métabolisme phosphocalcique ont été étudiés dans la présente thèse. Deux essais ont été effectués avec des porcs en croissance recevant un régime témoin (C) avec des apports adéquats de P et Ca ou un régime faible (L) apportant 60% des besoins. Dans le premier essai, 60 mâles castrés [poids vif (PV) initial 14 ± 1,6 kg] ont été alimentés pendant quatre phases de 28 jours avec différentes séquences d’alimentation [CCCC, CLCC, CCLC, CCCL, LCLC ou LLLL]. Dans le deuxième essai, 80 mâles castrés [PV initial 24 ± 3,0 kg] ont été alimentés pendant trois phases de 28 jours avec les séquences suivantes : CCC, CLC, LCC, LLC ou LLL. Dans les deux essais, la consommation journalière individuelle moyenne d’aliment et le poids vif ont été enregistrés et le corps entier et vertèbres lombaires (L2-L4) scannées au début et à la fin de chaque phase de croissance par absorptiométrie aux rayons X (DXA) afin de mesurer leur teneur corporelle en protéines, lipides, P et Ca ainsi que leur contenu minéral osseux (CMO) et densité minérale osseuse (DMO). Des échantillons de sang ont été prélevés pour déterminer les concentrations plasmatiques de P, Ca et vitamine D3 ainsi que des échantillons post-mortem de jéjunum et de rein afin d'étudier l'expression génique et protéique des transporteurs de P, Ca et vitamine D3. Le fémur et le métacarpe ont été aussi collectés pour étudier leurs propriétés mécaniques par des tests de flexion. Le P digestible et le Ca total ont été déplétés respectivement de 36% et 22% dans le premier essai. Dans cet essai, la déplétion a réduit la minéralisation osseuse et les performances de croissance des animaux CCCL et LLLL et les porcs réplétés CCLC ont présenté des performances similaires aux CCCC. Les porcs CCLC et CLCC ont récupéré leur contenu minéral osseux (CMO) à la fin de l'essai grâce à une utilisation plus efficace de P et Ca alimentaires. Dans le deuxième essai, la réduction du P digestible et Ca total alimentaire a été de 35% et 42%, respectivement. La déplétion dans cet essai a réduit les performances de croissance, le CMO et les propriétés mécaniques des os. Dans la dernière période, l’efficacité d’utilisation du Ca alimentaire a été supérieur chez les porcs LLL mais inférieur chez les animaux réplétés (CLC, LCC et LLC) par rapport aux CCC, et donc n’ont pas pu rattraper la minéralisation à la fin de l’expérience. Comparativement aux porcs témoins, les transporteurs intestinaux et rénaux de Ca des porcs déplétés ont été surexprimés dans la deuxième phase, tandis que ceux du P ont été sous-exprimés chez les réplétés, soit une réponse de type parathormone. Les différents os du squelette répondent différemment aux modifications alimentaires de P et Ca, avec notamment les vertèbres qui sont plus sensibles à la déplétion-réplétion en P comparativement au squelette entier. Les performances de croissance, les propriétés mécaniques des os et la concentration plasmatique de P et Ca ne sont pas de bons indicateurs de la minéralisation corporelle. En somme, une déplétion en P alimentaire améliore son utilisation digestive et métabolique, laquelle peut être maintenue même pendant la réplétion. Cependant, une carence similaire ou plus importante en P qu’en Ca semble nécessaire pour engendrer des adaptations menant à une meilleure efficacité d’utilisation de P. En conclusion, la déplétion-réplétion en P est une stratégie prometteuse pour réduire le P alimentaire mais demande d’être encore affinée, notamment par une meilleure compréhension des régulations. / Phosphorus (P) in pig feed is partially retained (30-35%) due to the absence of endogenous phytase in its digestive tract; the remainder being excreted and potentially at risk for the environment by eutrophication phenomena. It is thus common to add phosphates in feed to fulfill P requirements, which constitutes a limited and sometimes costly natural resource. Thus, the reduction of dietary P supply has been a priority for the pig production industry for several years now. One way to achieve this objective is to increase its utilization efficiency by the animal. This increase may be related to nutritional changes (e.g., exogenous phytases) or to digestive and metabolic adaptations of the animal in response to dietary deficiencies such as the depletion-replication strategy. This involves feeding an animal below its P requirements for a certain period (depletion) followed by a non-deficient diet (repletion) thereafter. The impact of this strategy on growth performance, bone mineralization and mechanical properties, plasmatic P and Ca concentration and intestinal and renal transporters related to phosphocalcic metabolism have been studied in this thesis. Two trials were performed with growing pigs receiving a control (C) or a low (L) diet, which supplied 100% and 60% of the P-Ca requirements, respectively. In the first trial, sixty castrated male pigs (initial body weight (BW) 14 ± 1.6 kg) were fed during four 28-days feeding phases with different feeding sequences [CCCC, CLCC, CCLC, CCCL, LCLC or LLLL]. In the second trial, 80 castrated male pigs [initial BW 24 ± 3.0 kg] were fed during three 28-days phases with the following sequences: CCC, CLC, LCC, LLC or LLL. In both trials, individual average daily feed intake and weekly BW were recorded, and whole-body and lumbar vertebrae (L2-L4) were scanned at the beginning and at the end of each growing phase with dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) to measure whole-body mineral, protein, lipid, P and Ca contents and bone mineral content and density (BMC, BMD; respectively). Blood samples were collected to determine P, Ca and vitamin D3 plasmatic concentrations, and samples of mid-jejunum and kidney were collected post-mortem to study the gen and protein expression of P, Ca and vitamin D3 transporters. Moreover, femur and metacarpal were also collected to study their mechanical properties by the bending test. In the first trial digestible P and Ca depletion was 36% and 22%, respectively. Depletion of this trial reduced bone mineralization and growth performances of CCCL and LLLL pigs, and CCLC pigs had similar performances than CCCC pigs. Both CCLC and CLCC pigs recovered BMC at the end of the trial as a result of a higher dietary P and Ca utilization efficiency. In the second trial, dietary digestible P and Ca reduction was 35% and 42%, respectively. Depletion in this trial reduced growth performance, BMC and bone mechanical properties. In the last phase and compared to control pigs, the utilization efficiency of dietary Ca was higher in LLL and lower in repleted pigs (CLC, LCC, LLC) which were not able to recover bone mineralization at the end of the trial. Compared to control pigs, the intestinal and renal Ca transporters of depleted pigs were overexpressed in the second phase, whereas those of P were under-expressed in the repleted pigs, probably due to the synthesis of parathormone. The different bones of the skeleton respond differently to dietary P and Ca modifications, where vertebrae are more susceptible to P depletion-repletion compared to the whole skeleton. Growth performance, bone mechanical properties and plasma concentration of P and Ca are not good indicators of body mineralization. In summary, a depletion in dietary P improves its digestive and metabolic utilization, which can be maintained even during repletion. However, a similar or greater deficiency in P than in Ca seems necessary to develop adaptations leading to a better P utilization efficiency. In conclusion, a dietary P depletion-replication is a promising strategy for reducing P supply but further refinement is needed, in particular through a better understanding of the regulations involved.

Les rejets phosphorés issus des productions aquacoles sont connus pour être, en partie, responsables de l’eutrophisation des eaux douces. En raison du manque de précision des outils actuellement disponibles pour l’estimation des besoins en phosphore (P) chez la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss), il est encore distribué en excès dans la majorité des élevages. Par ailleurs, si l’on sait que le P joue un rôle prépondérant dans la formation du tissu osseux, des questions subsistent quant à son rôle sur l’apparition d’anomalies vertébrales. Pour suivre les réponses à court et à long terme d’une déficience en P sur l’organisme, des truites arc-en-ciel triploïdes ont été soumises à deux régimes alimentaires (riche ou carencé en P). Nos résultats indiquent, dans un premier temps, que dès la semaine 2, les poissons nourris avec une diète déficiente montrent des statuts en P, dans les écailles et les carcasses, inférieurs à ceux des poissons nourris avec une diète suffisante en P. À l’inverse, la minéralisation des vertèbres semble être préservée jusqu’à la semaine 4. Pourtant, à la semaine 5, les radiographies révèlent qu’environ 50% des individus déficients présentent des malformations vertébrales. Pour comprendre l’impact de cette déficience au niveau moléculaire, un séquençage haut-débit (RNA-seq Illumina) nous a permis de construire le premier transcriptome spécifique des vertèbres de truite arc-en-ciel. L’analyse fonctionnelle de ce transcriptome révèle une impressionnante conservation des gènes clefs impliqués dans la régulation du tissu osseux chez les vertébrés. Ainsi, à l’aide de cette référence, il a été possible de quantifier l’expression des gènes dans les vertèbres d’individus déficients déformés ou normaux, après 27 semaines d’expérience. Ces résultats, combinés à des observations histologiques et le suivi des indicateurs du statut en P, indiquent qu’une déficience a pour conséquence une diminution du degré de minéralisation de la vertèbre (sans affecter la matrice ou sa résorbtion ostéoclastique), possiblement dû à l’activité de protéines Gla impliquées dans le dépôt et la croissance des cristaux d’hydroxyapatite. Les connaissances recueillies seront primordiales pour la sélection de lignées de moindre impact pour l’environnement, ainsi que pour la formulation de diètes adaptées aux besoins nutritionnels réels des truites arc-en-ciel d’élevage. / Dietary phosphorus (P) outputs from fish production can contribute to freshwater eutrophication. Due to the inaccuracy of the common tools used for estimating P requirement for rainbow trout (Oncorhynchus mykiss), P is still provided in excess in fish diets. Furthermore, we know that P plays a crucial role in regulating normal bone turnover; yet, questions have arisen regarding its role in the prevalence of vertebral deformities. To monitor both the short and long term response of the organism to a P-deficiency, rainbow trout were fed either a P-sufficient or a P-deficient diet over a 27 weeks period. Our results show that P-deficient fish displayed lower mineral status in scales and carcasses than P-sufficient fish as early as the second week of the experiment. Although during the first four weeks of feeding P-deficient diet, the mineralization status of the fish vertebrae was not significantly impaired, , at week 5, x-rays revealed that around 50% of P-deficient fish displayed abnormal vertebrae phenotypes. To understand the molecular mechanisms behind the appearance of vertebral malformations, we built the first transcriptome specific to bone tissue of rainbow trout. Sequencing was based on Illumina HiSeq-2000 technology. Functional analysis of this transcriptome revealed a remarkable conservation of key genes involved in bone regulation in vertebrates. Based on this reference, we could compare the gene expression in the vertebrae between deformed and normal fish at week 27. These results, combined with histological observations and common indicators of P status, suggest that P-deficiency in trout led to a reduced degree of mineralization of the vertebrae (without affecting matrix of resorption activity). The reduced degree of mineralization is possibly linked to higher expression of genes coding for Gla proteins, involved in the regulation of hydroxyapatite crystal fixation and growth. From an aquaculture perspective, these results might serve as a solid baseline for better management of P in production, opening to the possibility to strain selection as well as providing new tools for dietary-P level optimization for rainbow trout production.

La synthèse de composés organiques par des voies respectueuses de l'environnement et d'un coût modéré est aujourd'hui un défi majeur. Le recours à des complexes organométalliques qui permettent l'approche et la réaction de différents substrats est une solution attractive. Cette étude s'intéresse aux complexes formés à partir de métaux de groupe 10, stabilisés par des ligands de type diphosphine, et plus particulièrement à la formation d'espèces réduites très réactives. L'activation du phosphore blanc est ainsi présentée, puis cette démarche est étendue à la synthèse de nanoparticules de phosphures métalliques, obtenues à partir de nanoparticules métalliques. Enfin, un complexe bien défini de nickel au degré d'oxydation (0) permet d'activer le dioxyde de carbone, des liaisons C H, ou encore de catalyser des réactions de couplages croisés de type Negishi, résultats tout à fait remarquables.

La déficience en phosphore est l’un des facteurs limitant la production de légumineuses à graines, dont le haricot (Phaseolus vulgaris). La diversité génétique de cette espèce en Amérique latine a permis d'identifier avec le CIAT, des lignées recombinantes du croisement de DOR364 et BAT477 à fort pouvoir fixateur d'azote (FSN) et à forte efficacité d'utilisation de phosphore (EUP). Les résultats obtenus au cours de ce travail nous ont permis de répondre à notre objectif principal de thèse qui consistait à vérifier la pertinence des critères d'adaptation de la fixation symbiotique de l'azote chez le haricot à la disponibilité de P que nous avons déterminé. Nous avons démontré, d'une part, en milieu hydroaéroponique, que les racines nodulées du haricot, excrètent dans leur rhizosphère une quantité de H+ qui est corrélée à la perméabilité nodulaire. Ce qui laisse penser qu'une part d'H+ excrétée par les racines nodulées est liée à la fixation symbiotique de N2. D'autre part, nous avons démontré que sous déficience en P les lignées tolérantes acidifient plus leur rhizosphère que les sensibles. En multisites les facteurs les plus déterminants de la hiérarchisation des sites sont N-total et P-total. Deux groupes de lignées se distinguent, les tolérantes versus les sensibles à la faible fertilité des sols en P. La lignée locale se distingue des groupes précédents. Elle est capable de croître dans différents sols, notamment les contraignants avec une grande capacité à noduler, par conséquent, à compenser la déficience en N. Nous avons également pu démontrer que les biomasses nodulaire et aérienne sont corrélées au P Olsen du sol / Phosphorus deficiency is one of the limiting factor for grain legume production like bean (Phaseolus vulgaris). The results obtained during this work enabled us to confirm our main aim of this work which is checking the relevance of the criteria of adaptation of the symbiotic nitrogen fixation of bean to P availability. We showed, in controlled conditions that the nodulated roots of bean, release in their rhizosphere a quantity of H+ which is correlated with the nodul permeability. What lets think that a share of H+ released is related to the symbiotic N2 fixing. In addition, we showed that under P deficiency the tolerant lines acidify more their rhizosphere that the sensitive ones. Into multisite trial the most determining factors of the hierarchisation of the sites are total-N and total-P. Two groups of lines are distinguished: tolerant versus sensitive to P deficiency. The local farmer line is distinguished from the studied lines. It is able to grow in various soil fertility, in particular the constraining soils. ones with a great capacity with noduler, consequently, to compensate for deficiency in NR. We also could show that shoot and nodule biomass are correlated with the Olsen-P Olsen of the soil

Les HAP sont parmi les substances les plus problématiques parce qu'ils ont un fort pouvoir cancérigène, mutagène et ont, par conséquent, des effets nocifs pour la santé humaine. Parmi les techniques de remédiation des sols contaminés par des HAP, la phytoremédiation a été reconnue comme une méthode prometteuse en raison de ses avantages économiques et écologiques. Toutefois, en raison de la nature récalcitrante des HAP, et de facteurs environnementaux difficile à maîtriser, cette technique est encore limitée en termes d'efficacité, en particulier lorsqu'il s'agit de HAP de poids moléculaires élevés. L'inoculation des plantes avec des champignons mycorhiziens à arbuscules (MA), qui sont omniprésents dans la plupart des sols naturels et anthropiques, est connue pour favoriser l'élimination des HAP. Cependant, des résultats variables ont été rapportés quant à l'effet des plantes et des microorganisms associés notamment les champignons MA, sur la phytoremédiation des HAP et nécessite des études complémentaires. Des expériences été réalisées dans des cultures en pot et en microplaques, pour étudier l'influence de certains paramètres sur la dissipation des HAP dans la rhizosphère: l'espèce végétale, l'espèce fongique, la nutrition minérale, la nature des HAP, leur disponibilité et les interactions entre HAP. Quatre espèces de plantes (luzerne, fétuque élevée, ray-grass et céleri) et deux espèces de champignons MA (Glomus intraradices et Glomus mosseae) ont été testées dans un sol artificiellement contaminé avec trois HAP: le phénanthrène (PHE), le pyrène (PYR) et le dibenzo[a, h] anthracène (DBA). Le poids moléculaire des HAP est un facteur majeur influencant leur élimination. Lorsque le poids moléculaire des HAP était plus élevé, le nombre de bactéries dégradantes cultivables était plus faible, et l'efficacité de la phytoremédiation des HAP limitée. La présence de PHE a diminué la biomasse végétale et la colonisation mycorhizienne, mais il a augmenté la dissipation du DBA par co-métabolisme dans les expériences en pots et en microplaques. En revanche, cet effet n'a pas été observé entre le PYR et le DBA . La dissipation des HAP a varié avec les espèces de plantes et de champignons MA. Bien que les quatre espèces de plantes aient augmenté l'élimination du PHE, seule la luzerne a montré des effets positifs sur la phytoremédiation du DBA. Glomus intraradices a augmenté la biomasse végétale et l'absorption du phosphore par des plantes, et il a également augmenté la dissipation du DBA. Lorsque la co-culture de luzerne et fétuque était colonisée par Glomus mosseae, la biomasse obtenue était plus élevée, et la concentration des gènes de HAP-dioxygénase était significativement plus élevée qu'avec Glomus intraradices. Mais Glomus mosseae n'a montré aucun effet significatif sur la phytoremédiation du DBA. Ainsi cet effet des champignons MA sur la dissipation des HAP n'est pas seulement un effet biomasse. La concentration de phosphore et le régime d'alimentation en eau ont également influencé la colonisation mycorhizienne et la dissipation des HAP. Ainsi la dissipation du DBA en présence de plantes était significativement plus élevée que dans les témoins non plantés lorsque la teneur en eau était élevée et celle en phosphore plus faible, ce qui correspondait à la situation où le taux de mycorhization des plantes était le plus élevé. L'ensemble de ces résultats souligne la complexité des interactions entre plantes, microorganismes et polluants dans les sols. Ils montrent que tous les paramètres considérés affectent significativement la dissipation des HAP dans la rhizosphère des plantes, et méritent d'être pris en compte pour contrôler et améliorer la phytoremédiation / PAHs are among the most problematic substances as they could accumulate in the environment and threaten the development of living organisms because of their acute toxicity, mutagenicity or carcinogenity. Among remediation techniques for PAH contaminated sites, phytoremediation has been recognized as a promising method owing to its economical and ecological benefits. However, due to the recalcitrant nature of PAH, multivariate and changeful environment factors, this technique is still limited in terms of effectiveness, especially when dealing with high molecular weight PAHs. Inoculation of plants with arbuscular mycorrhizal (AM) fungi, which are ubiquitous in natural and most anthropogenically influenced soils, is known to benefit PAH phytoremediation. However, diverging results were reported on PAH dissipation in plant rhizosphere and the parameters affecting the AM fungi assisted PAH phytoremediation needed more investigation. Some of these parameters were considered in the present work: plant species, AM fungi species, phosphorus nutrition and watering regimes, PAH type, availability and interactions between PAHs. Experiments were performed in pot cultures and in microplates, with different plant species (including alfalfa, tall fescue, ryegrass and celery roots), two AM fungi (Glomus intraradices and Glomus mosseae) and three kinds of PAHs (phenanthrene (PHE), pyrene (PYR) and dibenzo[a,h]anthracene (DBA)), spiked to a soil. PAH molecular weight was a major parameter influencing PAH phytoremediation. With the increase of PAH molecular weight, the culturable PAH degraders decreased, so did the efficiency of phytoremediation. PHE decreased the plant biomass and AM fungi colonization, but it increased the DBA dissipation in both pot and microplate experiments. PYR did not increase DBA dissipation, and addition of PYR into PHE+DBA substrate decreased both PHE and DBA dissipation. PAH phytoremediation efficiency varied with the plant and AM fungi species. Although all four species of plants increased the disappearance of PHE, only alfalfa showed a positive effect on high molecular weight (HMW) PAHs. Glomus intraradices increased the plant biomass and phosphorus uptake of plants, and it also increased DBA dissipation in DBA or PHE+PYR+DBA spiked soil. Co-planted alfalfa and tall fescue colonized with Glomus mosseae obtained higher biomass and the concentration of the PAH-ring hydroxylating dioxygenase genes were significant higher, than with Glomus intraradices, but Glomus mosseae showed no or negative effect on DBA phytoremediation. The phosphorus concentration and water regime also influenced the AM fungus colonization and PAH dissipation. The highest AM colonization and a significant positive impact of mycorrhizal plants on the dissipation of DBA was detected in high-water and low-phosphorus treatment. Results indicated that complex interactions between plants, microorganisms and soil control the fate on PAHs. All the studied parameters significantly affected PAH dissipation in plant rhizosphere, and should be considered for controlling and improving phytoremediation efficiency

Afin de garantir une gestion durable du massif forestier des Landes de Gascogne (maintien de la fertilité et production élevée), des études sont nécessaires sur la biodisponibilité du phosphore (P) qui est un facteur limitant. Une évaluation fiable de la biodisponibilité du P passe par la quantification des processus d’acquisition par les plantes, à savoir l’interception racinaire, le transport dans la solution et la mobilisation à l’interface solide-solution d’ions phosphates. Dans ce contexte, l’objectif général de la thèse était de faire un bilan biogéochimique de la biodisponibilité du P dans les sols forestiers des Landes de Gascogne, c'est-à-dire une analyse quantitative et comparative des processus physico- chimiques (diffusion) et biologiques (minéralisation et reminéralisation) de réapprovisionnement de la solution en ions phosphates ainsi qu’une caractérisation du système de prélèvement (racines fines) du Pin maritime. Les résultats ont montré une déficience en P pour l’ensemble des sols étudiés. Ils ont également montré une importance variable, en fonction de la profondeur et du type de lande (humide à sèche), des différents processus biologiques et physico-chimiques dans le réapprovisionnement de la solution. Le rôle des micro-organismes, via la minéralisation du P organique du sol et en tant que source (reminéralisation) et puits (immobilisation) de P, est particulièrement important dans les sols peu réactifs vis-à-vis du P comme les litières ou certains sols minéraux de surface. L’étude du système de prélèvement (racines fines, ectomycorhizes) suggère que le prélèvement de P par le Pin maritime concerne aussi bien les horizons de surface que ceux du sous-sol. / In order to guarantee a sustainable management of the forest range the “Landes de Gascogne” (maintaining fertility and elevated productivity), the bioavailability of phosphorus (P), a growth limiting factor, needs to be studied. An accurate evaluation of P bioavailability implies the quantification of plant acquisition processes such as root interception, soil solution transport and the mobilisation of phosphate ions at the soil-soil solution interface. The main objective of the PhD study was to assess a biogeochemical balance of the P bioavailability in the forest soils of the “Landes de Gascogne”, i.e. to carry out an quantitative and comparative analysis of the physical-chemical (diffusion) and biological (mineralization and remineralization) processes of replenishing the soil solution with phosphate ions, as well as the characterisation of the tree uptake system (fine roots) of maritime pine. The results have shown that all of the soils studied are very deficient in P. They have further shown a varying importance of the different biological and physical-chemical processes in supplying P to the soil solution according to the site class (humid to dry moorlands). The role of the microorganisms, via the mineralization of organic P, as a source (remineralization) or a sink (immobilization) of P, is particularly important in the litter and top mineral layers featuring a very low reactivity versus P. The study of the uptake system (fine roots and ectomycorrhizae) suggests that uptake of P by maritime pine takes place both in top soil horizons and in deeper soil horizons.

Depuis une dizaine d'années, les procédés de granulation aérobie sont apparus comme une technologie prometteuse pour le traitement des effluents fortement chargés en azote, phosphore et carbone, tels que ceux issus de l'agro-industrie. La complexité microbienne de ces granules et les mécanismes qui leur donnent des propriétés exceptionnelles de décantation et de cohésion, constituent encore des axes de recherche importants. Dans cette thèse, le travail s'est axé sur un mécanisme encore non étudié : les processus de précipitation des phosphates au cœur des granules microbiennes. Différentes techniques d'analyses spectrales, parfois adaptés pour la première fois à ce type de systèmes, comme la spectroscopie Raman, ont permis de caractériser la nature de ces minéraux formés au cœur des granules. L'analyse menée sur des réacteurs de laboratoires a démontré la présence des phosphates de calcium sous forme d'hydroxyapatite [Ca5(PO4)3(OH)]. Cette précipitation est potentiellement induite par les variations locales de pH et de sursaturation provoqués par les réactions microbiennes à l'intérieur des granules. L'étude des phénomènes de biominéralisation à été étendu aux granules anaérobies issus des réacteurs de type UASB de l'industrie laitière. Un modèle physico-chimique sur les processus de précipitation sous forme matriciel sur AQUASIM®, couplé avec des bases de calcul de sursaturation (PHREEQC®), ont permis d'avancer des hypothèses sur les mécanismes influençant ces processus de biominéralisation, tels que la formation d'un précurseur amorphe de l'hydroxyapatite (ACP), ainsi que d'identifier les constantes de précipitation thermodynamiques (pKsp|20ºC=28.07±0.58) et cinétiques dans différentes conditions opératoires. Grâce au suivi d'un système biologique GSBR (Granular Sludge Sequenced Batch Reactor) pendant plus de 900 jours, la contribution de ce phénomène aux processus de déphosphatation a été estimé (46% dans les conditions testées). L'utilisation de ce processus pour immobiliser efficacement le phosphore et apporter des propriétés physiques stables aux granules a été également discutée. Une évaluation des performances et de la stabilité du réacteur à été mis en œuvre en alternant des cycles anoxies/aérobies ou anaérobies/aérobies vis-à-vis d'une future application industrielle. L'induction locale de la précipitation par les variations de pH et par le relargage des phosphates par les réactions microbiennes, nécessite une modélisation appropriée, qui a été également initiée dans cette thèse / Over the last decade, aerobic granulation processes have araised as a promising technology for treating wastewater effluents containing high nitrogen, phosphorus and carbon concentrations. The microbial complexity of granules and the mechanisms by which they acquire excellent settleability properties, still constitute important research goals to investigate. This thesis is focused on a mechanism that has been little addressed in literature, that is, phosphate precipitation in the core of aerobic granules. Different analytical techniques, sometimes adapted for the first time to this type of systems, like Raman spectroscopy, have let an exhaustive characterization of biominerals in the core of granules. Analyses performed on aerobic granules grown with synthetic fed in a lab-scale SBR (Sequential Batch Reactor), revealed a calcium phosphate core made of hydroxyapatite [Ca5(PO4)3(OH)]. This precipitation phenomenon is induced by local pH and supersaturation gradients issued of biological reactions inside granules. The study of the biomineralization phenomenon has been extended into anaerobic granules coming from UASB reactors at different cheese wastewater treatment plants. A physico-chemical model has been described in a form of matrix with AQUASIM® software, and coupled with a thermodynamic database (PHREEQC®), in an attempt to hypothesize the mechanisms that influence the biomineralization phenomena. It has been proposed the formation of an amorphous precursor (ACP) prior hydroxyapatite precipitation in the core of granules, suggesting the thermodynamic constant (pKsp|20ºC=28.07±0.58) and kinetic constants at different operating conditions. It has been also estimated the contribution of the biomineralization to the overall phosphorus removal process (up to 46% at the operating conditions tested), thanks to the development and study of a GSBR (Granular Sludge Batch Reactor) in labscale, for more than 900 days. The fate of the biomineralization process in granules, regarding the contribution to their stabilization and physical properties, has been also dealt in this thesis. The reactor stability and performances have been assessed by alternating anoxic/aerobic and anaerobic/aerobic cycles, in sights of a future industrial application. The induction of precipitation by local variation of pH and supersaturation issued of biological reactions has been here introduced, although it will need further investigation

L’objectif de ce travail est la mise au point de filtres garnis de laitiers d’aciéries destinés au traitement du phosphore (P) des eaux usées au sein de petites installations. Deux types de laitiers on été testés: laitiers de four à arc électrique (EAF), et laitiers d'aciérie de conversion (BOF). Une approche intégrée a été suivie, avec investigations à différentes échelles: (i) Des expériences en flacons ont été réalisées pour établir les capacités de rétention du P de laitiers produits en Europe, et ainsi sélectionner les échantillons les plus adaptés pour l’élimination du P; (ii)Des expériences en colonnes ont été menées pour étudier l'effet de divers paramètres, notamment la taille et la composition du laitier, sur les performances hydrauliques et épuratoires des filtres; (iii) Enfin, des expériences sur terrain ont été conduites afin d’évaluer les performances hydrauliques et épuratoires de deux unités démonstration conçues pour le traitement du P au sein d’un marais artificiel. Les résultats expérimentaux ont indiqué que le principal mécanisme d'élimination du P est lié à la dissolution du CaO des laitiers, suivie de la précipitation de phosphate de Ca et recristallisation en hydroxyapatite (HAP). Après 100 semaines d'alimentation avec une solution de P (concentration moyenne de P totale 10,2 mgP/L), les colonnes remplies de laitiers de petite taille (BOF6-12 mm et EAF 5-16 mm) ont retenu >98% du P total en entrée, tandis que les colonnes remplies de laitiers de grande taille (BOF 20-50 mm et EAF 20-40) ont retenu 56et 86% du P total en entrée, respectivement. Il apparaît que, plus la taille des laitiers est petite, plus la surface spécifique disponible pour la dissolution du CaO et pour l’adsorption des phosphates de Ca est grande. Les expériences sur terrain ont confirmé que les laitiers sont efficaces pour le traitement du P de l'effluent d'un marais artificiel (concentration moyenne du P totale 8,3 mg P/L). Sur une période de 85 semaines d'opération, de laitiers EAF ont retenu le 36% du P total en entrée, tandis que les laitiers BOF ont retenu le 59% du P total en entrée.L’efficacité de rétention du P apparaît augmenter avec la température et le temps de rétention hydraulique (HRT),très probablement parce que l'augmentation de la température et du HRT a favorisé la dissolution de la CaO et la précipitation de phosphate de Ca. Toutefois, il a été constaté que HRT >3 jours peuvent produire des pH élevés (>9), à la suite d’une excessive dissolution de CaO.Cependant, les résultats des unités démonstration ont montré que, à HRT de 1-2 jours, les filtres produisent des pH élevés seulement pendant les 5 premières semaines de fonctionnement, puis les pH se stabilisent en dessous de 9. Enfin, une équation de dimensionnement sur la base des résultats expérimentaux a été proposée. / This thesis aimed at developing the use of electric arc furnace steel slag (EAF-slag) and basic oxygen furnace steel slag (BOF-slag) in filters designed to upgrade phosphorus (P) removal in small wastewater treatment plants. An integrated approach was followed, with investigation at different scales: (i) Batch experiments were performed to establish an overview of the P removal capacities of steel slag produced in Europe, and then to select the most suitable samples for P removal; (ii)Continuous flow column experiments were performed to investigate the effect of various parameters including slag size and composition, and column design on treatment and hydraulic performances of lab-scale slag filters; (iii)Finally, field experiments were performed to investigate hydraulic and treatment performances of demonstration scale slag filters designed to remove P from the effluent of a constructed wetland. The experimental results indicated that the major mechanism of P removal was related toCaO-slag dissolution followed by precipitation of Caphosphate and recrystallisation into hydroxyapatite (HAP).Over 100 weeks of continuous feeding of a synthetic Psolution (mean inlet total P 10.2 mg P/L), columns filled with small-size slag (6-12 mm BOF-slag; 5-16 mm EAFslag)removed >98% of inlet total P, whereas columnsfilled with big-size slag (20-50 mm BOF-slag and 20-40mm EAF-slag) removed 56 and 86% of inlet total P,respectively. Most probably, the smaller was the size ofslag, the greater was the specific surface for CaO-slagdissolution and adsorption of Ca phosphate precipitates.Field experiments confirmed that EAF-slag and BOF-slagare efficient substrate for P removal from the effluent of aconstructed wetland (mean inlet total P 8.3 mg P/L). Overa period of 85 weeks of operation, EAF-slag removed 36%of inlet total P, whereas BOF-slag removed 59% of inlettotal P. P removal efficiencies increased with increasing temperature and void hydraulic retention time (HRTv),most probably because the increase in temperature and HRTv affected the rate of CaO dissolution and Caphosphate precipitation. However, it was found that longHRTv (>3 days) may produce high pH of the effluents(>9), as the result of excessive CaO-slag dissolution. However, the results of field experiments demonstrated that at shorter HRTv (1-2 days), slag filters produced pH that were elevated only during the first 5 weeks of operation, and then stabilized below a pH of 9. Finally, a dimensioning equation based on the experimental results was proposed.

En raison de la miniaturisation des dispositifs pour semi-conducteurs, le caractère aléatoire de la distribution de dopants dans un dispositif devient un paramètre critique pour les performances de ce dernier. Le but de ce travail est de valider une stratégie de dopage du silicium par un positionnement contrôlé de molécules, alternatif aux implantations, afin de limiter la variabilité de la tension de seuil. Nous avons choisi de contrôler la densité des sites et le positionnement des dopants en combinant le contrôle de la densité des sites d'ancrage et l'utilisation de molécules à fort encombrement stérique. Ceci a été réalisé en étudiant dans un premier temps le greffage de bore sur les silanols de silice amorphe partiellement traitée en température, à partir de molécules porteuses présentant des ligands de différentes tailles et des symétries ; le modèle de greffage a pu être déterminé en utilisant différentes techniques analytiques (IR-DRIFT, multi-core SSRMN et analyses élémentaires). L’élimination des ligands par un traitement thermique a permis de réaliser la fixation du Bore sur la silice avec un rendement supérieur à 96%. Cette méthode a été transférée avec succès à des wafers de silicium recouverts de silice native. Le recuit à haute température permettant la redistribution du bore dans le silicium a été ensuite validée par l’analyse VPD-ICPMS de l’oxyde greffé couplées aux mesures de profil de dopant dans le silicium obtenues par TofSIMS. Ce traitement a conduit à définir un procédé optimal par greffage sur silice mince, donnant des concentrations de dopant dans le silicium équivalentes à celles rapportées par la littérature sur silicium désoxydé, et sans passivation additionnelle de silice pour éviter la volatilisation du Bore greffé. En effet, la taille des ligands permet de contrôler la volatilisation du bore pendant recuit. Les analyses électriques par spectroscopie à effet tunnel ont confirmé l’activation électrique du dopant apporté par greffage et diffusé dans le silicium / With the everlasting shrinking of semiconductor devices, the randomness of dopant distribution within a device becomes more likely to critically impact the performance of the latter. The aim of this work is to validate a silicon doping strategy through a controlled positioning of molecules in place of conventional implantations in order to limit the variability of the threshold tension. In contrast to previous works, doping atoms were directly grafted onto a thin silica layer and not onto a bare silicon surface. Here, we chose to control both site density and positioning by combining the control of site anchoring density and the use of sterically hindered molecules to yield a finely structured doped surface. This was carried out by first optimizing this approach by studying the grafting of boron compounds with ligands of various sizes and symmetries on the surface silanols of non - porous amorphous silica partially treated at high temperatures (700 °C) as a model system. This allowed obtaining a fully characterization of surface species through combined analytical techniques (IR-DRIFT, solidstate multi-core NMR and elemental analyses). The ligands were then eliminated by a thermal treatment, yielding surface boronic acids characterized by IR-DRIFT and NMR with optimal density (> 96%, 6.7*1013 B.cm-²). This technology was then successfully transferred to silicon wafers covered with native silica as evidenced by ICPMS analyses of the grafted oxide layer removed in HF droplet (VPD). Subsequent high temperature annealing step without capping in order to trigger diffusion of boron was then validated on silicon wafers using ICPMS in HF-dipped oxide and in silicon by TofSIMS profile measurements. Such treatment led to a dopant concentration in the silicon matrix equivalent to that reported in the literature (e.g. direct grafting on silicon and cap during annealing). Electrical analyses by tunnel spectroscopy showed the efficiency of the annealing step and confirmed the dopant amount in the surface layer of the silicon wafer