Le phosphore (P) est un facteur de contrôle de l’eutrophisation. Sa présence dans les masses d’eau est liée en partie à des émissions diffuses agricoles. L'objectif de cette thèse a été d'identifier et de quantifier les mécanismes à l'origine des transferts de P diffus, par une démarche intégrant analyse de données d'observations multi-échelle et modélisation.L'analyse d'une chronique de chimie de l'eau à l'exutoire d'un petit bassin versant agricole a révélé que les formes particulaires et dissoutes du P avaient des origines différentes dans le paysage, et étaient transférées de manière indépendante. Le P particulaire provient des sédiments du cours d'eau, de l'érosion des berges et occasionnellement d'épisodes érosifs dans les versants. Le P dissous provient des sols de la zone riparienne; il est transféré par écoulement de subsurface lorsque les fluctuations de nappe créent une connexion hydrologique avec la rivière.Un suivi multi-site de la concentration en P dans l'eau des sols ripariens a permis de mettre en évidence que la nappe agissait non seulement sur le transfert, mais aussi sur la solubilisation du P. Deux moments importants ont été identifiés : la période de sécheresse estivale est favorable à la constitution d'un pool de P mobile dans les sols, exporté à l'automne; lorsque la nappe stagne dans les sols, la dissolution réductrice des oxydes de Fer provoque un second relargage de P. Un modèle couplé hydrologie-biogéochimie a permis de préciser le rôle de la nappe, de la teneur en P des sols et des variations d'humidité et de température. Une analyse de l' / Phosphorus (P) is a controlling factor of eutrophication. Its presence in water bodies is partly due to agricultural diffuse emissions. The objective of this thesis was to identify and quantify the processes controlling diffuse P transfer, with an approach combining analysis of multi-scale observation data and modelling.Analysis of a water chemistry time series acquired at the outlet of a small agricultural catchment revealed that particulate and dissolved P forms had different spatial origin within the landscape, and were transferred through distinct mechanisms. Particulate P originates from stream bed sediments, bank erosion and occasionally from erosion on hillslopes. Dissolved P originates from riparian soils; it is transferred via subsurface flow when the water table fluctuations create a hydrological connection with the stream.Multi-site monitoring of P concentration in the soil pore water of the riparian zone evidenced that groundwater fluctuations controlled not only P transfer, but also its solubilisation. Two critical moments were identified: the summer dry period is favourable for the build-up of a pool of mobile P forms in soils, which is transferred in the autumn; when groundwater stagnates in soil in anoxic conditions, reductive dissolution of iron oxides causes a second P release. A coupled hydrological-biogeochemical model confirmed the hypotheses regarding the role of groundwater fluctuation, the soil P content and variability in soil temperature and moisture. An assessment of the information content in the data and the propagation of uncertainty enab

L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier l’impact des activités microbiennes sur la spéciation et les flux de phosphore au sein de la colonne d’eau du lac Pavin. Ce lac ferrugineux et méromictique (stratifié de façon permanente) constitue un modèle d’étude des processus de phosphatogenèse, la transition oxique-anoxique délimitant une zone de précipitation de phases minérales phosphatées. Alors que l’on pensait que cette précipitation résultait de processus abiotiques, la contribution des communautés microbiennes a été récemment évoquée mais son ampleur restait à déterminer.Les travaux présentés dans cette thèse ont permis de révéler une plus forte activité phosphatasique alcaline (APA) au niveau du compartiment supérieur brassé saisonnièrement (mixolimnion). De plus, une corrélation négative entre la concentration en orthophosphates en solution et l’APA a été montrée. Nous avons déterminé le flux et la composition des particules phosphorées sédimentant vers la zone de phosphatogenèse. Nous avons également quantifié par spectrofluorimétrie les inclusions de polyphosphates (poly-P) intracellulaires du mixolimnion et montré qu’elles sont particulièrement abondantes dans le pic de turbidité lié à la biomasse photosynthétique. En outre, l’optimisation d’un protocole de quantification des poly-P nous a permis de déceler plusieurs contraintes associées. Enfin, en utilisant une approche corrélative couplant différentes microscopies, nous avons identifié des bactéries magnétotactiques abondantes à l’interface redox, accumulant des inclusions de soufre et de phosphore (poly-P), et qui pourraient ainsi contribuer significativement aux cycles biogéochimiques de ces éléments. / This work aimed at deciphering the contribution of microbial activities to the speciation and fluxes of phosphorus particles in the water column of Lake Pavin. This ferruginous and meromictic (i.e. permanently stratified) lake is a model case for phosphatogenesis; the oxic/anoxic boundary is located within the water column, delimiting a zone where precipitation of phosphate mineral phases occurs. While it was previously assumed that this precipitation was induced by abiotic processes only, recent clues highlighted the contribution of microbial communities. Yet, the nature and magnitude of this contribution were poorly known.Here, we show that the highest activity of alkaline phosphatases (APA) occurred within the mixolimnion (the upper layer affected by seasonal mixing). Moreover, we found a negative correlation between the concentration of dissolved orthophosphates and the APA. We quantified the flux and the composition of the phosphorus particles settling to the phosphatogenesis zone. We also quantified the intracellular polyphosphate (poly-P) inclusions in the mixolimnion, by using spectrofluorimetry. We showed that poly-P were particularly abundant at depths where the photosynthetic biomass dominated. Furthermore, the development of a poly-P quantification protocol enabled us to detect several associated issues. Finally, using a correlative approach with different types of microscopy, we identified abundant magnetotactic bacteria at the redox interface, containing intracellular inclusions of sulfur and phosphorus (poly-P). These bacteria may therefore play a major role in the biogeochemical cycles of these elements.

Les deux objectifs principaux de cette thèse sont : la préparation de nouvelles cétones insaturées et l'étude de leurs propriétés dans les domaines biologiques et de la chimie des matériaux. La synthèse de nouveaux bis-ylures mixtes-(P,S) et l'étude de leur réactivité. Dans le premier chapitre, après une introduction bibliographique sur l'importance des cétones a,b-insaturées dans le domaine biologique, sont décrites les synthèses de nouvelles dichalcones et d'hydroxybenzylidène-indanones. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de la chimie de coordination des nouveaux composés préparés, avec un intérêt particulier pour les complexes de fer(0) pour les bis-chalcones et de fer(III) pour les hydroxybenzylidène-indanones. Quelques complexes de cuivre(II) et de vanadium(V) sont également décrits. Le troisième chapitre est dédié à l'utilisation des composés organiques et complexes organométalliques dans le domaine de la biologie, et plus particulièrement leur activité cytotoxique. Des résultats très encourageants ont été obtenus notamment comme anti-cancéreux potentiel contre les lignées cellulaires U-251 (glioblastome). Les complexes d'hydroxybenzylidène-indanones de fer(III) ont également été utilisés pour préparer des films minces présentant des propriétés intéressantes en tant que semi-conducteurs. La dernière partie de ce manuscrit de thèse contient un rappel sur la chimie des bis-ylures et leur potentiel en tant que source de carbone atomique. Il décrit ensuite la synthèse, la caractérisation et la réactivité de deux nouveaux modèles de bis-ylures mixtes-(P,S). / The present work concerns two main topics: the development of new unsaturated ketones and the study of their properties towards biological and material applications. The preparation of new (P,S)-bis-ylides, species that can behave as atomic carbon source. In the first chapter, a brief bibliographic overview describes the importance of unsaturated ketones for biological applications followed by the synthesis and characterization of new bis-chalcones and hydroxybenzylidene-indanones. The second chapter deals with the preparation of new organometallic complexes, more specifically new bis-chalcones iron(0) complexes and new hydroxybenzylidene-indanone iron(III) complexes. Most of these species have been characterized by X-Ray diffraction analysis. Some copper(II) and vanadium(V) are also described. The third chapter is dedicated to the study of the new organic and organometallic compounds towards applications in biology and materials science. Of special interest, hydroxybenzylidene-indanone iron(III) complexes exhibits excellent results as cytotoxic agents for U-251 cancer cells (glioblastome). In addition, some of the complexes synthesized are useful to prepare thins film displaying semi-conductor properties. The last chapter of this manuscript contains an overview on bis-ylide chemistry, more specifically towards the species that can behave as sources of elementary carbon. Then the synthesis, characterization and reactivity of two new (P,S)-bis-ylides are described.

Les coraux constructeurs de récifs se développent généralement dans des eaux oligotrophes (i.e. : faibles concentrations en azote et phosphore (N, P)). Cette limitation se voit accentuée avec le réchauffement climatique. Cependant, aux abords des côtes, l'eutrophisation des eaux entraîne un excès de sels nutritifs, pouvant provoquer la rupture de l'association corail-dinoflagellés. Les buts principaux de cette thèse ont été d'évaluer: 1) l'utilisation de l'azote et du phosphore inorganique par les coraux dans diverses conditions environnementales; 2) l'effet d'une limitation ou d'un enrichissement en azote et/ou phosphore sur la physiologie corallienne. Les résultats ont montré que la forme et la source de N n'ont pas les mêmes effets sur la physiologie des coraux et que cet effet dépend également de la disponibilité en P. Sous faibles concentrations de P, un enrichissement en NH4+ stimule le métabolisme et maintient l'association symbiotique en période de stress. Au contraire, un excès de NO3- affecte négativement les processus de photosynthèse et de calcification, entrainant un blanchissement. Ces effets sont exacerbés en présence de matière organique particulaire, mais estompés en présence de phosphore. En effet, les résultats ont montré une très grande dépendance entre la présence en P et la santé corallienne. Ainsi, en période de stress thermique, les coraux ont la capacité d'augmenter leur taux d'absorption de phosphore. Ces travaux apportent des éclaircissements sur les relations existant entre la disponibilité en sels nutritifs et l'équilibre nutritionnel au sein de la symbiose, et devraient permettre d'affiner les stratégies de gestions des écosystèmes récifaux. / Reef building corals are usually thriving in oligotrophic areas, characterized by low concentrations in inorganic nutrients, such as nitrogen and phosphorus. More, nutrient starvation is known to increase with global warming. However, along the urban coasts, water eutrophication induces nutrient excess, which could lead to the breakdown of the coraldinoflagellate symbiosis. The major aims of this thesis were to assess: 1) the use and uptake capacities of inorganic nitrogen and phosphorus by tropical corals according to environmental parameters; 2) the effects of nutrient limitation or enrichments in nitrogen and/or phosphorus on reef coral physiology. Results showed that corals response differed according to the chemical form, source of nitrogen and to the availability of phosphorus in the reef environment. In the presence of low phosphorus concentrations, ammonium supplementation enhanced coral metabolism and allowed coral colonies to overcome thermal stress. Conversely, nitrate enrichments negatively impacted photosynthesis and calcification processes, increasing coral bleaching susceptibility. These deleterious effects were enhanced when combined with organic matter supplementation, but repressed with addition of phosphorus. Indeed, results highlighted the tight relationship existing between phosphorus availability and coral health. During thermal stress, corals were able to increase their phosphorus uptake, this latter nutrient being essential for the holobiont metabolism. These outcomes shed a light into how marine symbioses cope with eutrophication, which is urgently required to refine risk management strategies.

Le phosphore (P) est un élément indispensable pour la croissance des plantes. De nombreux travaux montrent des réponses très précoces à une limitation de la disponibilité en P. Pendant la germination et la croissance juvénile, la demande en P des plantules peut être satisfaite par la remobilisation des réserves en P des graines et le prélèvement racinaire. Les objectifs de la thèse sont d’étudier la contribution respective de la remobilisation des réserves en P des graines et du prélèvement racinaire de P à l’alimentation en P des plantules de maïs, et les interactions entre ces deux processus. Différentes expériences ont été conduites pour i) étudier les cinétiques de la remobilisation des réserves en P des graines, ii) identifier précisément le début du prélèvement de P exogène par les racines, iii) quantifier la contribution relative de ces flux à l’alimentation en P de la plantule, iv) comprendre les interactions entre ces flux. Des graines riches et des graines pauvres en P on été cultivées à différents niveaux de disponibilités P exogènes pendant quatre semaines. Le traçage isotopique du P exogène (32P) a été utilisé pour quantifier le flux de prélèvement et calculer le flux de remobilisation du P des graines. Initialement, 86% du P sous forme phytate et 13% du C de la graine est localisé dans le scutellum indépendamment du niveau de richesse en P de la graine. 4 jours après le semis, 98% des phytates des graines sont hydrolysés. La cinétique d’hydrolyse des phytates est indépendante de la richesse en P des graines et de la disponibilité en P dans le milieu. Le P issu de l’hydrolyse des phytates est stocké temporairement dans la graine avant d’être transporté vers les organes en croissance de la plantule. Le prélèvement de P exogène commence dès l’émergence de la radicule (4ième jour) et dépend de la disponibilité en P dans le milieu. L’initiation du prélèvement et son intensité ne dépend pas du flux de remobilisation des réserves en P de la graine. Le P issu de la remobilisation et du prélèvement est distribué dans les mêmes proportions entre les parties ariennes et racinaires. Un bilan de P à l’échelle de la plantule entière et de la graine a permis de mettre en évidence un efflux de P depuis la graine vers l’extérieur pendant la phase d’hydrolyse des phytates. La modélisation des flux de P pendant la germination et la croissance précoce permet de rendre compte des observations sous l’hypothèse d’absence d’interaction entre les flux de remobilisation et de prélèvement de P bien que ces deux processus se chevauchent dans le temps. Nos résultats démontrent l’importance de la disponibilité locale en P dans le milieu pendant les stades précoces indépendamment du niveau de richesse en P des graines. / Phosphorus (P) is an essential element for plant growth. Many studies have shown a very early seedling response to the limitation on the availability of P. During germination and early growth, the seedling P demand may be satisfied by the remobilization of seed P reserves and exogenous P uptake by developing roots. The objective of the thesis was to study the relative contribution of remobilization of seed P reserves, the exogenous P uptake by seedling roots and the interaction between these two processes. Various experiments were conducted to i) study the kinetics of the remobilization of seed P reserves, ii) identify precisely the beginning of exogenous P uptake by seedling roots, iii) quantify the relative contribution P fluxes in developing seedlings and iv) the interaction between these two P fluxes. Seeds with low and high P reserves were cultivated at different levels of exogenous P availability for the growth period of four weeks. The exogenous P was labelled with radioactive P (32P) to identify and quantify the P flux in young seedlings coming from exogenous P uptake and seed P reserves remobilization. Initially, 86% of P in the form of phytate and 13% C of seed reserves is localised in scutellum regardless of P initial seed P reserves. Four days after germination, 98% of seed phytate reserves are hydrolyzed. The kinetics of seed phytate hydrolysis was independent of seed P reserves and exogenous P availability. The hydrolyzed forms of phytate were temporarily stored in the seed before being translocated towards newly growing seedling compartments. The exogenous P uptake started soon after the radicle emergence (4th day) and depend mainly on the availability of exogenous P in the growth medium. The beginning of exogenous P uptake and its intensity was not influenced by the seed P reserves remobilization. The proportion of distribution of remobilized seed P reserves and the exogenous P uptake was similar among seedling shoot and roots. The whole seed and seedling P budget showed the significant P losses from germinating seeds by P efflux with the beginning of phytate hydrolysis in seeds. We proposed a model for the seed P remobilization and exogenous P uptake during germination and early growth. Assuming no interaction between seed P reserves remobilization and exogenous P uptake, the simulations were found to be in close agreement with experimental data. Our results showed the importance of exogenous P availability in growth medium during early growth stages regardless of seed P reserves.

Le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) est un thermoplastique présentant de nombreux avantages (transparence, légèreté, flexibilité). Cependant, le caractère inflammable du PMMA est un frein pour son utilisation dans de nombreuses applications, connaissant les pertes humaines et matérielles causés par les incendies. Cette thèse avait donc pour but d'améliorer la stabilité thermique et le comportement au feu du PMMA. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de la dispersion de kaolins purs et traités sur le comportement au feu et la dégradation thermique du PMMA. Nous nous sommes ensuite orientés vers la modification chimique du PMMA par la méthode de copolymérisation du méthacrylate de méthyle (MMA) avec deux co-monomères phosphonés. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'incorporation chimique ou physique de deux types de particules de polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) dans le PMMA ou dans le PMMA modifié (copolymère (MMA – co- monomère monophosphoné)). Cette dernière partie a permis de mettre évidence l'effet bénéfique de la combinaison des particules de POSS et du PMMA modifié sur la dégradation thermique et l'inflammabilité de PMMA. Dans nos travaux, une attention particulière a été portée sur l'effet de phosphore en phase gazeuse et en phase condensée. Dans ce contexte nous avons pu définir, pour le PMMA modifié par les co-monomères phosphonés, un indice d'efficacité du phosphore pour chaque phase. / Poly(methylmethacrylate) (PMMA) is an important thermoplastic, widely used in industry. Unfortunately, it is a highly flammable polymer. The aim of this research was to improve the thermal stability and fire behavior of PMMA. First, we studied the influence of the dispersion of pure or treated kaolin on the fire behavior and thermal stability of PMMA. In second part of this work, the chemical modification of PMMA, using copolymerization of methyl methacrylate (MMA) with two phosphonated co-monomers was studied. Finally, we interested in chemical or physical incorporation of two types of polyhedral oligomeric silsesquioxane particles (POSS) in the PMMA or modified PMMA copolymère (MMA – co- monophosphonated monomer)). The effect of the combination of POSS particles and modified PMMA on the thermal degradation and flammability of PMMA was studied. In our work, the effect of phosphorus in the gas and condensed phase was separately studied. This study allowed us to define an efficiency index of phosphorus in each phase.

A l’heure où l’on cherche à optimiser les services éco-systémiques fournis par les prairies, une meilleure compréhension du fonctionnement des systèmes racinaires apparait comme nécessaire. Nous avons donc décidé de caractériser les stratégies d’espèces issues des familles des Fabaceae et Poaceae prairiales par la mesure de traits fonctionnels racinaires. Le principal résultat de ce travail est la mise en évidence de plusieurs axes majeurs de différentiation des stratégies racinaires et de leurs relations avec les exigences écologiques des espèces. Le plus important est le compromis entre stratégies de capture et de conservation des ressources. Les espèces à stratégie de capture sont mieux adaptées aux milieux peu stressants notamment pour l’eau, mais sont peu impactées par le manque de phosphore, ce sont aussi des compétitrices efficaces. Bien que les plantes à stratégie de conservation soient mieux à même de se développer dans des milieux continentaux, elles sont plus impactées que les autres par la présence de compétiteurs et le manque de phosphore. Le type de relations existant entre les stratégies aériennes et racinaires apparait aussi comme un marqueur de l’adaptation des plantes aux stress. L’étude du système racinaire est donc un moyen efficace de prédire le comportement des espèces de plantes prairiales face à des contraintes abiotiques et biotiques. Cela ouvre des perspectives particulièrement intéressantes notamment pour la construction de mélanges d’espèces mieux adaptées à leurs environnements. / In order to optimise grassland ecosystem services we need to improve our understanding of root system functioning. As a result, we decided to characterise strategies of species coming from grassland’ Fabaceae and Poaceae families, by root functional traits measurement. The main result of this work is the establishment of several axes of root strategies differentiation. The main axis is the trade-off between resources capture and conservation strategies. Species with capture strategies appear to be adapted to non-water stressful habitat and are barely impacted by phosphorus shortage; they also happen to be strong competitors. On the opposite, species with conservation strategies are adapted to water stressful continental climates, but are strongly impacted by phosphorus shortage and happen to be weak competitors. The kind of relation between above-ground and below-ground strategies also appears to be a marker of the plants adaptation to stress. We showed that the root system study is a good way to predict grassland species comportment to face abiotic and biotic constraints. The present work widens interesting perspectives for the sowing of mixed grassland species better adapted to their environments.

L’Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire des noyaux exotiques (X), autres que l’Hydrogène, permet d’explorer in vivo le métabolisme et la physiologie en conditions normales ou pathologiques mais aussi d’étudier la pharmacologie de manière non-invasive. Toutefois, ces explorations souffrent de la moindre sensibilité en IRM de ces noyaux et de leur plus faible concentration dans les tissus. Le Sodium-23 (23Na) est le second noyau le plus visible en RMN dans les tissus cérébraux et sa distribution, dans les compartiments intra- et extracellulaires, est strictement régulée notamment par la pompe Na+/K+-ATPase. Les stocks d’adénosine triphosphate (ATP) et de phosphocréatine (PCr), réservoirs d’énergie pour l’activité enzymatique, doivent être perpétuellement reconstitués pour assurer le bon fonctionnement cellulaire. C’est pourquoi étudier les distributions cérébrales de ces deux métabolites phosphorylées en plus de celle du sodium permettrait de définir des indicateurs quantitatifs de la viabilité et du métabolisme cellulaire. Enfin, le lithium est le traitement de référence pour la prévention de la crise maniaque chez le patient bipolaire. Pour autant, de nombreuses questions se posent, encore aujourd’hui, quant à sa distribution cérébrale et à son mécanisme d’action thérapeutique. Durant ces trois années de thèse, nous nous sommes intéressés, en particulier, aux problématiques d’imagerie rapide par échantillonnage non-Cartésien, de reconstruction de ces images et de quantification du 23Na, du Phosphore-31 (31P) et du Lithium-7 (7Li). Nous avons développé une méthode permettant la correction des différents biais d’acquisition à travers la cartographie du champ statique B0 et des profils de transmission (B1+) et de réception (B1-) des antennes utilisées. De plus, la quantification des temps de relaxation longitudinale (T1) et transverse (T2) permet de compenser les effets de ces mécanismes de relaxation sur le signal RMN pour obtenir des mesures de concentrations robustes et fiables. En raison d’un moment quadripolaire important, l’emploi de séquence à temps d’écho ultra-court (UTE) est indispensable en IRM du 23Na en combinaison avec des schémas non-Cartésiens d’encodage spatial. Des méthodes de reconstruction dédiées aux acquisitions non-Cartésiennes ont été évaluées et comparées en termes de qualité d’image mais aussi de robustesse des stratégies de sous-échantillonnage. Enfin, une approche multi-gradient-écho (MGE), alternative aux approches de Multiple Filtrage Quantique (MQF), a été implémentée afin d’approcher la quantification dans les différents compartiments cellulaires. Ces développements ont donné lieu à des applications cliniques en Sodium à 3T chez des volontaires sains en collaboration avec le service de Neurologie de l’Hôpital Universitaire d’Aix la Chapelle en Allemagne. Une application clinique en IRM 23Na à 3T est actuellement en cours chez des patients atteints par la maladie d’Alzheimer à Aix la Chapelle. Des preuves de concept en recherche clinique, à 7T à NeuroSpin, ont été réalisées en IRM du 31P chez des sujets sains et en 7Li chez des patients bipolaires sous traitement lithium en collaboration avec l’hôpital Fernand Widal à Paris et son centre expert Bipolaire. / Nuclear Magnetic Resonance Imaging of exotic (X) nuclei, other than Hydrogen, allows to probe in vivo metabolism and cellular physiology in normal or pathological conditions. Moreover, X-MRI can be used in pharmacology studies. However, X-MRI suffers from the relatively low sensitivities and in vivo concentrations of these nuclei. Sodium nuclei (23Na) is the second most NMR visible nuclei in brain tissues and its distribution in both intra- and extra-cellular compartments is tightly regulated by, in particular, the Na+/K+ ATPase pump. Stocks of Adenosine Triphosphate (ATP) and Phosphocreatine (PCr), main sources of cellular energy are perpetually maintained to ensure proper cellular function. This is why, study of spatial distributions of these two phosphorylated metabolites along with Sodium could yield insights about cellular viability and metabolism. Finally, Lithium is the reference treatment to prevent the onset of maniac events for patients suffering from bipolar disorders. Nevertheless, many questions are still unanswered about its spatial distribution in brain tissues and its underlying therapeutic mechanism. During these three years of PhD, we implemented efficient Acquisition and Reconstruction protocols for 23Na, 31P and 7Li MRI using Ultra-Short Echo-Time (UTE) sequences and non-Cartesian sampling combined with dedicated quantification pipelines to obtain accurate and robust concentration measurements in the brain. In particular, our proposed method accounts for signal bias due to the heterogeneities in coil transmission (B1+) and reception (B1-). Additionally, longitudinal (T1) and transverse (T2) relaxation times were assessed and the NMR signal was corrected for their respective weighting. Our quantification pipeline was validated in vitro for 23Na MRI. Various Fourier space sampling schemes along with under-sampling strategies and reconstruction methods were evaluated and compared. Finally, a multiple-gradient-echo (MGE) acquisition was implemented to explore cellular compartmentalization as an alternative to Multiple Quantum Filtering (MQF) approaches. These developments were applied at 3T in a clinical research setting for 23Na MRI on healthy volunteers in collaboration with the Neurology department of Aachen University Clinic, opening the way for an ongoing study of Alzheimer’s disease patients. Proof-of-concept studies were conducted at 7T at NeuroSpin for 31P MRI on healthy volunteers and for 7Li MRI in bipolar patients to study brain lithium distribution in collaboration with Hospital Fernand Widal in Paris.

Les dispositifs à base de silicium, industrialisés aujourd’hui pour les systèmes électroniques, atteignent leurs limites en termes de miniaturisation et de performances. La course à l’innovation et à la miniaturisation vise aujourd’hui à dépasser cette limite en intégrant de nouveaux matériaux dans les dispositifs, en couplant d’autres phénomènes physiques de l’optique à l’électronique haute fréquence. Le travail conduit pendant cette thèse porte sur la caractérisation du phosphore noir (bP) pour des applications dans le domaine de l'optoélectronique hyperfréquence avec une application spécifique aux interrupteurs microondes pilotés optiquement à 1,55 µm. La caractérisation du bP passe par le développement de techniques de fabrication de couches bidimensionnels de bP et également par la détermination de l'influence des matériaux annexes utilisés sur les propriétés de la couche. Cela a été couplé à une étude optique pour connaitre la réponse du bP à une excitation laser à 1,55 µm. La détermination de paramètres intrinsèques spécifiques du matériau tels que le temps de vie des photoporteurs, la résistivité et la permittivité a été conduite par l'intermédiaire d'expériences de caractérisation dans le domaine optique, radiofréquence et électronique (DC). Les résultats obtenus confirment l’intérêt du bP pour ce genre d'application et ont permis l'intégration du matériau dans le dispositif hyperfréquence visé. Les résultats obtenus lors de tests préliminaires présentés dans ce mémoire sont très encourageants et ouvre la voie à de nombreuses applications ultra-rapide à haute fréquence. / The research project conducted focuses on the optoelectronic and high frequency characterization of black phosphorus. The context of this project is the trend of downscaling and multi-physical coupling seen today in industrial electronics. The characterization carried out is directed for a specific application, the realisation of microwave photoswitch controlled by a laser optical excitation at 1.55 µm. For this purpose, during this PhD a production process of thin and large bi-dimensional layers of black phosphorus has been performed, along with the fabrication of characterization devices, and a discussion to determine suitable appendices for substrate, capping layer and metallization. The technological development is coupled with optical, electronic (DC) and radiofrequency characterizations of the bi-dimensional layers for the determination of inherent black phosphorus properties like the photogenerated carrier lifetime, the material permittivity, the resistivity and the mobility of the carriers. Those parameters are essential to understanding design and simulate high frequency optoelectronic devices on black phosphorus such as the microwave photoswitch controlled at 1.55 µm. The obtained results assert black phosphorus as a promising material for this kind of application. The first performances obtained with the use of bP as an active material for photoconductive switching are very encouraging and open the way for high frequency and high speed applications.

Travail réalisé en cotutelle avec l'université du Littoral côte d'opale, France / Afin de réduire l’usage des fertilisants chimiques et leurs empreintes environnementales, la production de bioinoculants à base de bactéries rhizosphériques solubilisatrices de Phosphore (PSB) est une biotechnologie prometteuse. Lorsque celle-ci est associée à l’apport de phosphate de roche (RP), elle pourrait constituer une alternative écoresponsable d’amélioration de la fertilité des sols rhizosphériques, notamment à travers l’augmentation du phosphore (P) biodisponible. Pour répondre à cet enjeu environnemental majeur, il est indispensable d’étudier la biodiversité microbienne des sols en interaction avec le RP. Ainsi, ce travail de thèse a pour objectif de caractériser, d’un point de vue taxonomique, les communautés bactériennes et fongiques associées aux compartiments racinaires et rhizosphériques de plantes natives d’environnements singuliers, peu explorés, que sont d’anciens sites miniers riches en RP. Le séquençage Illumina MiSeq d’amplicons de gènes ribosomiques des différents groupes microbiens et l’assignation taxonomique des séquences regroupées en ASV, nous ont permis de mettre en évidence des valeurs de richesse et de diversité microbiennes comparables malgré la différence des teneurs en RP et en P des sols étudiés. De même, une grande similarité entre les profils des communautés a été identifiée à haut niveau taxonomique, avec une prévalence marquée des phyla Actinobacteriota et Ascomycota, et de l’ordre Glomerales pour les communautés de champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA). À un niveau taxonomique plus bas, un core microbien de 26 ASV mycorhiziennes, persistantes à travers le gradient de RP et de P, a également été mis en évidence. Toutefois, l’analyse statistique des données environnementales nous a permis d’identifier des ASV indicatrices des habitats enrichis versus non enrichis en RP, pour chaque communauté microbienne étudiée. La synthèse de ces résultats originaux montre une influence mineure des teneurs en RP et en P sur le profil des communautés microbiennes des sites étudiés et questionne la signification écologique de la prévalence de certains taxa en lien avec l’histoire minière du site, sa restauration écologique et sa résilience, ainsi que les stratégies de vie et les attributs fonctionnels des taxa dominants. Par ailleurs, une collection de PSB a été réalisée à partir d’isolats racinaires issus des sites miniers étudiés, ou à partir d’isolats issus de spores et d’hyphes mycorhiziens piégés au contact d’apports en RP déposés dans la rhizosphère de plantes d’intérêt agronomique. Ces PSB racinaires ou hyphosphériques, testés par ailleurs pour plusieurs traits additionnels promoteurs de la croissance des plantes, ont été assignés à trois phyla : Proteobacteria, Firmicutes et, dans une moindre mesure, Actinobacteria ; Bacillus et Pseudomonas étaient les genres prédominants. Enfin, à partir de ces isolats, deux consortia bactériens avec différent traits promoteurs de la croissance des plantes (PGP), ont été constitués et testés seuls ou en combinaison avec l’apport de RP et/ou l’ajout d’un inoculum mycorhizien à base de Rhizophagus irregularis, sur la croissance de la tomate, espèce d’intérêt agronomique. Une augmentation du taux de germination, un accroissement de la hauteur des jeunes plantules et des modifications au niveau du système racinaire des plants adultes, en particulier des variations de la densité du tissu racinaire, ont été observés en réponse à l’inoculation simple par les consortia ou à leur interaction double ou tripartite avec le RP et/ou le CMA. Le profil taxonomique du microbiote natif avant et après apport des inoculants et du RP a été caractérisé. En conclusion, l’ensemble de nos travaux s’appuyant sur l’analyse des données environnementales, combinées aux données de laboratoire sur l’inoculation de plantes par des isolats bactériens, notamment d’origine minière, soulignent l’intérêt mais aussi la complexité de l’élaboration d’inoculants microbiens promoteurs de la croissance des plantes, solubilisateurs de P. / In order to reduce the use of chemical fertilizers and their environmental footprint, the production of bioinoculants based on phosphorus solubilizing rhizospheric bacteria (PSB) is a promising biotechnology. When combined with rock phosphate (RP), it could be an eco-responsible alternative to improve rhizospheric soil fertility, especially by increasing bioavailable phosphorus (P). To address this major environmental issue, studying soil microbial biodiversity and its interactions with RP is required. Thus, the objective of this thesis is to characterize, from a taxonomic point of view, the bacterial and fungal communities associated with the root and rhizospheric compartments of native plants in singular, little explored environments, located in former mining sites rich in RP. Illumina MiSeq sequencing of ribosomal gene amplicons of the different microbial groups, then taxonomic assignment of the sequences grouped in ASV, allowed us to highlight comparable microbial richness and diversity indexes of soils despite their differences in RP and P contents. As well, a high degree of similarity between the community profiles was identified at a high taxonomic level, with a marked prevalence of the phyla Actinobacteriota and Ascomycota, and of the order Glomerales for the arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) community. At a lower taxonomic level, a microbial core of 26 mycorrhizal ASV, persistent across the RP and P gradient, was also documented. However, statistical analysis of the environmental data allowed us to identify indicator ASV for PR-enriched versus non-rich habitats for each microbial community studied. All together, these original results contributed to rule on a minor influence of RP and P levels on the microbial community’s profiles across the studied sites, and raised the questions of the ecological significance of the prevalence of certain taxa regarding the site’s mining history, its ecological restoration, as well as the life strategies and functional attributes of the dominant taxa. In addition, a collection of PSB was made from mine site root isolates, or from isolates associated with spores and mycorrhizal hyphae trapped in contact with PR inputs deposited in the rhizosphere of agronomic plants. These root or hyphospheric PSB, tested elsewhere for several additional plant growth-promoting traits, were assigned to three phyla: Proteobacteria, Firmicutes, and, to a lesser extent, Actinobacteria; Bacillus and Pseudomonas were the predominant genera. Finally, from these isolates, two bacterial consortia with different plant growth promoting (PGP) traits were constituted and tested, alone or in combination with RP inputs and/or a mycorrhizal inoculum based on Rhizophagus irregularis, on the growth of tomato, a species with an agronomic interest. An increase in germination rate or height of young seedlings, and changes in the root system of adult plants, particularly changes in root tissue density, were observed in response to single inoculation by the consortia or to their dual or tripartite interaction with RP and/or AMF. The taxonomic profile of the native microbiota before and after inoculants and RP input was characterized. In conclusion, our work based on the analysis of environmental data, combined with laboratory data from plant inoculation experiments by bacterial isolates, especially of mining origin, underlines the interest but also the complexity of the development of microbial inoculants promoting plant growth, solubilizers of P.