The conventional Biological Nitrogen Removal (BNR) process consists on the oxidation of ammonia to nitrate (nitrification) and the subsequent reduction of nitrate to nitrogen gas (denitrification) using biodegradable COD as electron donor. If this BNR process is carried out over nitrite, it is obtained a saving of 25% of the aeration costs, the 40% of the external COD to denitrify and the 30% of sludge produced. Another feasible treatment is the combination of partial nitrification (oxidation of the 50% of NH4+-N to NO2--N) with Anammox (denitrification of NO2--N to N2 using NH4+-N as electron donor). When compared with conventional BNR, this process avoids the requirement of COD to denitrify, leads to a saving of 65% of the oxygen supply and produces little sludge.In this thesis, several BNR processes have been tested to remove the nitrogen present in three wastewaters widely generated in Catalonia: supernatant from Anaerobic Digestion (AD) of municipal sewage sludge, supernatant from AD of the organic fraction of municipal solid waste and supernatant from AD of pig slurry.For these three wastewaters, the Sequencing Batch Reactor (SBR) technology was tested, operating with 3 cycles per day, SRT 11-12 days, temperature 30-32 ºC and using an external carbon source to denitrify. The working free ammonia concentrations and the reduced dissolved oxygen concentrations led to the inhibition of the nitrite oxidation to nitrate. Moreover, the integration of a coagulation/flocculation step inside the operating SBR cycle was studied to reduce the effluent COD. The operating nitrogen loading rates were around 0.85 kg N m-3 day-1.The SBR operation was also modelled by means of an Activated Sludge Model extended to describe the BNR over nitrite. This model includes pH calculation, the inhibition of nitrification by pH, NH3 and HNO2, oxygen supply and the stripping of CO2 and NH3. A methodology based on respirometric batch tests was proposed to assess the model parameters. Once calibrated, the proposed model showed very good agreement between experimental and simulated data of the three studied SBR treatments. The SHARON-Denitrification process was also studied in this work. This biological process takes place in a continuous reactor where aerobic/anoxic periods are alternated under specific HRT and temperature conditions that favours ammonium oxidizers growth and assures the total wash-out of nitrite oxidizers. An optimized performance of this process was obtained at HRT 2.1 days, 33 ºC, cycle length of 2 h and using methanol to denitrify. However, the use of supernatant of hydrolysed primary sludge as the organic carbon source to denitrify improved the process efficiency due to the alkalinity present in the primary sludge. The obtained operating nitrogen loading rate of this reactor was 0.38 kg N m-3 day-1.Furthermore, two biological nitrogen removal treatments for partial nitrification of sludge reject water were operated and modelled: the SHARON process and the partial nitrification in a SBR. Both processes showed a good performance in the generation of an effluent with a NH4+-N to NO2--N on molar basis of approximately 1. In the SBR, the key factor responsible of the inhibition of nitrite oxidizers was the working free ammonia concentration. For the SHARON process the key factor was the implemented SRT at the operating temperature. Finally, an Anammox SBR was operated to treat a highly ammonium loaded synthetic wastewater, that represented the effluent obtained in the partial nitrification units. The feasibility of the Anammox process at different temperature conditions (between 18 and 30ºC) was tested. At 18 ºC, a stable operation was achieved treating 0.30 kg N (L day)-1, with a stoichiometry slightly different from that obtained under 30 ºC. / EN CASTELLANO: La legislación es cada vez más estricta para la reducción del contenido de nutrientes (entre los que destaca el nitrógeno) en el efluente de plantas de tratamiento de aguas residuales, lo cual estimula la investigación para mejorar este aspecto en las plantas ya existentes. La tendencia actual es aplicar tratamientos de eliminación de nutrientes sobre aquellas corrientes ricas en contaminante.En esta tesis doctoral se ha trabajado con distintas aguas residuales con alto contenido en nitrógeno amoniacal al proceder de un tratamiento de digestión anaeróbica de residuos orgánicos altamente proteicos: sobrenadante de digestión anaeróbica de fangos de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) municipales, sobrenadante de digestión anaeróbica de la Fracción Orgánica de Residuos Municipales (FORM) y sobrenadante de digestión anaeróbica de purines de cerdo. Entre las posibles alternativas de tratamiento de dichas aguas residuales, el tratamiento biológico acostumbra a ser el más recomendable, en base a la eficiencia de tratamiento y los costes de instalación y operación.Para tratar estas aguas residuales se ha llevado a cabo un estudio de operación y modelado de diferentes tratamientos avanzados de eliminación biológica de nitrógeno: En primer lugar, la utilización de un reactor discontinuo secuencial en el cual se realiza un proceso de nitrificación/desnitrificación vía nitrito, lo cual supone un ahorro, respecto a los tratamientos biológicos convencionales, del 25% de los costes de aireación y del 40% de materia orgánica externa para desnitrificar. Por otro lado, se ha experimentado el tratamiento biológico de nitrógeno en un reactor SHARON/Desnitrificación, que conduce a una reducción de costes similar a la obtenida en un reactor secuencial por cargas. Finalmente, se ha estudiado la utilización de un sistema combinado de nitrificación parcial y Anammox. Respecto al tratamiento convencional, esta tecnología evita la necesidad de usar materia orgánica para desnitrificar y conduce a un ahorro del 65% de los costes de aireación, produciendo muy poca cantidad de fangos. Sin embargo, los puntos débiles del proceso de Nitrificación parcial/Anammox son el lento crecimiento de la biomasa Anammox y su baja resistencia a inhibidores. / RESUM EN CATALÀ: La legislació és cada vegada més estricta per tal de reduir el contingut de nutrients (entre els que destaca el nitrogen) en l'efluent de les plantes de tractament d'aigües residuals, la qual cosa estimula la recerca per tal de millorar aquest aspecte en les plantes ja existents. La tendència actual és cercar aquelles corrents riques en contaminant per aplicar un tractament específic sobre elles. En aquesta tesi s'ha treballat amb diferents aigües residuals d'alt contingut en nitrogen amoniacal en provenir d'un tractament de digestió anaeròbica de materials fortament proteics: sobrenedant de digestió anaeròbica de fangs d'Estacions Depuradores d'Aigües Residuals (EDAR) municipals, sobrenedant de digestió anaeròbica de la Fracció Orgànica de Residus Municipals (FORM) i sobrenedant de digestió anaeròbica de purins de porc. Entre les possibles alternatives de tractament d'aquestes aigües residuals, el tractament biològic acostuma a ser el més recomanable, en base a l'eficiència del tractament i els costos d'instal·lació i operació.Per tal de tractar aquestes aigües residuals s'ha fet un estudi d'operació i modelització de diferents tractaments avançats d'eliminació biològica de nitrogen: En primer lloc, la utilització d'un reactor discontinu seqüencial en el qual es realitza un procés de nitrificació/desnitrificació via nitrit, la qual cosa suposa un estalvi, respecte els tractaments biològics convencionals, del 25% dels costos d'aireig i del 40% de matèria orgànica externa per desnitrificar. Per altra banda, s'ha experimentat el tractament biològic de nitrogen en un reactor SHARON/Desnitrificació, el qual suposa una reducció de costos similar a la obtinguda en un reactor seqüencial per càrregues. Finalment, s'ha estudiat la utilització d'un sistema combinat de nitrificació parcial i Anammox. Respecte el tractament convencional, aquesta tecnologia evita la necessitat d'emprar matèria orgànica per desnitrificar i condueix a un estalvi del 65% dels costos d'aireig, produint molt poca quantitat de fangs. Tot i així, els punts febles del procés de Nitrificació parcial/Anammox són el lent creixement dels microorganismes Anammox i la seva baixa resistència a inhibidors.

Entre les estratègies ambientals i productives en l'ús dels nutrients s'inclou l'ús dels purins i l'ús dels inhibidors de la nitrificació (IN). En el cas del purins cal conèixer el seu impacte en el medi i valorar la seva capacitat d'aportar nutrients. L'aparició del nou IN, 3,4-dimetilpirazol fosfat (DMPP), patentat per l'empresa BASF l'any 1997, obria la possibilitat d'aplicar un producte que fins ara estava limitat als cultius d'alt valor econòmic, a la jardineria i als camps de golf.La Tesi doctoral avalua, en diferents escenaris, l'ús del DMPP i l'ús de purins. Per aquest motiu, es van dur a terme dos experiments en testos amb el cultiu de raigràs anglès (Lolium perenne L.). També es van realitzar tres experiments de camp, un amb blat d'hivern (Triticum aestivum L.) durant quatre campanyes (1999-2003) en un sòl franc, un amb el mateix cultiu durant dues campanyes (2001-2003) en un sòl franc argil.lo-llimós, i un amb panís (Zea mays L.) durant dues campanyes (2002 i 2003) en un sòl franc. Utilitzant les dades del primer experiment de blat es va portar a terme una calibració i validació del model de simulació CropSyst.El DMPP es va avaluar en diferents dosis de purí i en fertilitzants minerals, mitjançant el control del rendiment del cultiu, de l'absorció de nitrogen i en alguns experiments, de la resta de macro i micronutrients, i dels nivells de nitrats i amoni en el perfil del sòl.També es van calcular índexs d'eficiència en l'ús del nitrogen i es va fer un balanç aproximat de nitrogen. En el cas dels testos, es van mesurar les pèrdues de nitrogen per lixiviació.En general els rendiments van respondre directament a les aportacions de nitrogen, peròno es van trobar diferències clarament significatives per la utilització del DMPP.Igualment va passar amb l'absorció de nitrogen i altres macro i micronutrients. Es van veure alguns resultats interessants a nivell mediambiental pel que fa a la pèrdua de nitrats per lixiviació, ja que hi va haver una reducció considerable d'aquestes pèrdues pel fet d'utilitzar el DMPP.El que és evident és que en experiments de camp hi ha un error experimental molt elevat que emmascara l'efecte que es vol analitzar. Com s'ha demostrat, no hi ha una clara consistència dels resultats. És a dir, en el cas de l'IN, l'efecte analitzat no sempre ha estat el de la hipòtesi plantejada. Tot i així, en la situació actual amb uns preus similars entre els fertilitzants amb i sense inhibidor de la nitrificació, els avantatges en l'ús de l'IN cal que es considerin (menys pèrdues per rentat, major disponibilitat de N per a laplanta i millors índexs d'eficiència) com una clara millora en la gestió de la fertilitzaciónitrogenada i una opció que s'ha tenir en compte com a bona pràctica agrària.D'altra banda, en l'experimentació amb purins en quantitats que no superin els 30 m3 ha-1, el sistema tendeix a estar equilibrat respecte al balanç de fòsfor en el cas del blat de regadiu. El valor fertilitzant dels purins va quedar clarament demostrat i les seves limitacions ambientals poden controlar-se amb l'ús d'anàlisis tant dels purins com dels sòls on s'apliquen.Pel que fa a l'ús del DMPP en els purins, els clars efectes de l'assaig amb testos no es van mostrar de manera tan evident en els experiments de camp. Fa falta un major control de les variables mesurades al camp per obtenir una clara resposta de l'efecte de l'IN aplicat amb el purí. / Entre las estrategias ambientales y productivas en el uso de los nutrientes, se incluye el uso de los purines y el uso de los inhibidores de la nitrificación (IN). En el caso de lospurines, hace falta conocer su impacto en el medio y valorar su capacidad para aportar nutrientes. La aparición del nuevo IN, 3,4-dimetilpirazol fosfato (DMPP), patentado por la empresa BASF en el año 1997, abría la posibilidad de aplicar un producto, que hasta el momento, estaba limitado a cultivos de alto valor económico, a la jardinería y acampos de golf.La tesis doctoral evalúa, en distintos escenarios, el uso del DMPP y el uso de los purines. Por este motivo, se llevaron a cabo dos experimentos en macetas con el cultivo de raigrás inglés (Lolium perenne L.). También se realizaron tres experimentos de campo, uno con trigo de invierno (Triticum aestivum L.) durante cuatro campañas(1999-2003) en un suelo franco, uno con el mismo cultivo durante dos campañas (2001- 2003) en un suelo franco arcillo-limoso, y uno con maíz (Zea mays L.) durante dos campañas (2002 y 2003) en un suelo franco. Utilizando los datos del primerexperimento de trigo se llevó a cabo una calibración y validación del modelo de simulación CropSyst.El DMPP fue evaluado en diferentes dosis de purín y en fertilizantes minerales, mediante el control del rendimiento del cultivo, de la absorción de nitrógeno y en algunos experimentos, de los otros macro y micronutrientes, y de los niveles de nitratos y amonio en el perfil del suelo. También se calcularon índices de eficiencia en el uso delnitrógeno y se hizo un balance aproximado de nitrógeno. En el caso de las macetas, se midieron las pérdidas de nitrógeno por lixiviación.En general los rendimientos respondieron directamente a las aportaciones de nitrógeno,pero no se encontraron diferencias claramente significativas por la utilización del DMPP. Igualmente pasó con la absorción de nitrógeno y otros macro y micronutrientes. Se vieron algunos resultados interesantes a nivel medioambiental con respecto a lapérdida de nitratos por lixiviación, ya que ha habido una reducción considerable de estas pérdidas por el hecho de utilizar el DMPP.Lo que es evidente es que en experimentos de campo hay un error experimental muy elevado que enmascara el efecto que se quiere analizar. Como se ha demostrado, no hay una clara consistencia de los resultados. Es decir, en el caso del IN, el efecto analizado no siempre ha sido el de la hipótesis planteada. Sin embargo, en la situación actual con unos precios similares entre los fertilizantes con y sin inhibidor de la nitrificación, las ventajas en el uso del IN deben considerarse (menos pérdidas por lavado, mayordisponibilidad de N para la planta y mejores índices de eficiencia) como una claramejora en la gestión de la fertilización nitrogenada y una opción a tener en cuenta comobuena práctica agraria.Por otro lado, en la experimentación con purines en cantidades que no superen los 30 m3 ha-1, el sistema tiene tendencia a estar equilibrado respeto al balance de fósforo en el caso del trigo de regadío. El valor fertilizante de los purines quedó claramente demostrado y sus limitaciones ambientales pueden controlarse con el uso de análisis tanto de los purines como de los suelos dónde se aplican.En referencia al uso del DMPP en los purines, los claros efectos en el ensayo con macetas no se vieron de manera tan evidente en los experimentos de campo. Hace falta un mayor control de las variables medidas en campo para obtener una clara respuesta del efecto del IN aplicado con el purín. / Pig slurry (PS) fertilization and nitrification inhibitors (NI) use are included in environmental and productive strategies. In the case of PS, it is important to know its impact to environment and to value its capacity of nutrient contribution. The appearance of a new NI, 3,4-dimethylpirazol phosphate (DMPP), patented by BASF in 1997,offered the possibility to apply this kind of products to agriculture and not only to valuecrops, gardening and golf courses, as it was the case before.This PhD thesis evaluates the use of DMPP and pig slurries in different scenarios. It is carried out in two pot experiments with ryegrass (Lolium perenne L.). Also, three field experiments were conducted, one with wheat (Triticum aestivum L.), during four seasons (1999-2003) in a loam soil, one with the same crop during two seasons (2001-2003) in a silty clay loam soil, and one with maize (Zea mays L.) during two seasons (2002 and 2003) in a loam soil. Using data for the first experiment with wheat, a calibration and validation of the simulation model CropSyst was carried out.DMPP was appraised in different doses of PS and in mineral fertilizers, by evaluating crop yield, nitrogen absorption, as well as macro and micronutrients absorption in some of the experiments, and nitrates and ammonium levels in soil profile. Nitrogen use efficiency indices and approximated nitrogen balance were also calculated. In pot experiments, lixiviation nitrogen losses we re measured. In general, crop yields had a direct response to nitrogen contribution, but there was no significant difference due to DMPP utilization. The same effect was found with nitrogen and macro and micronutrients absorption. Some interesting results were found because of the reduction of nitrate lixiviation due to DMPP utilitzation.It is evident that in field experiments there is a high experimental error, which could mask the effect of what we want analyze. As it is demonstrated, results are not consistent. Namely, in the case of NI, the observed effect does not always agree with the initial hypothesis. However, in the present situation with similar prices between fertilizers with and without NI, we have to consider the advantages of using NI (lesslixiviation losses, higher nitrogen availability for plants and better efficieny indeces) asa better management of nitrogen fertilization and an option for better agriculture practices.Nevertheless, in experiments with pig slurries in quantities below 30 m3 ha-1 the systemtended to be balanced with phosphorus balance in the case of irrigated wheat. Pig slurry fertilizing value was proved and its environmental limitations can be controlled with pigslurry and soil analyses.The clear results found in pot experiments using DMPP with pig slurries, were not so evident in field experiments. A higher control in field measured variables is necessary in order to obtain a clear response to the effect of NI applied with pig slurry.

Ce travail de doctorat avait pour principal objectif de mieux comprendre les effets du climat et de la prédation sur la dynamique des populations animales, en utilisant comme modèle d'étude une population de porcs-épics d'Amérique (Erethizon dorsatum) située au Bas-St-Laurent, Québec, Canada. Cette population est suivie depuis mai 2000 et tous les individus trouvés sont capturés et marqués de manière permanente (à l'aide de boucles d'oreilles). La population a connu un déclin d'abondance marqué entre 2000 et 2006, déclin qui pourrait être en lien avec l'augmentation récente de l'abondance de pékans (Martes pennanti) dans la région. Le pékan est un prédateur efficace du porc-épic et son impact négatif sur la taille des populations de porcs-épics a déjà été signalé dans la littérature. Par ailleurs, la dynamique des populations de porcs-épics au Bas-St-Laurent semble influencée par le climat. En effet, une étude récente montre que l'abondance des porcs-épics au Bas-St-Laurent a fluctué entre 1870 et 2000 de manière cyclique, en lien avec les cycles d'activité solaire et les cycles dans certaines variables météorologiques locales. Le calcul des taux de survie par saison (été: mai à aôut, hiver: août à mai) a permis de démontrer que les taux de survie en hiver sont plus bas et plus variables que les taux de survie en été, et qu'ils sont négativement reliés au niveau de précipitations hivernales. Par ailleurs, l'examen des causes de mortalité indique que les taux de prédation sont plus élevés les années de fortes précipitations hivernales, et que la prédation sur les adultes semble liée à la présence de neige au sol. Ces résultats suggèrent que les taux de prédation varient en fonction des conditions de neige et donc que les conditions climatiques peuvent influencer les relations prédateurs-proies. La qualité de l'habitat qu'un animal utilise peut potentiellement influencer sa survie et son succès reproducteur. J'ai donc examiné comment les variations des conditions météorologiques et du risque de prédation influencent l'utilisation de l'habitat, et avec quelles conséquences pour la survie des individus. Nos résultats montrent que les animaux modifient leur utilisation de 1'habitat en fonction du risque de prédation et des conditions météorologiques. Les individus diffèrent dans leur utilisation de l'habitat et ces différences d'utilisation de l'habitat sont liées à des différences de survie, probablement via des différences dans l'exposition à la prédation, principale cause de mortalité dans notre population. Chez les espèces longévives comme le porc-épic, les fluctuations des taux de survie ont une influence importante sur la dynamique des populations. Ce travail de doctorat montre que le climat et la prédation influencent la survie chez les porcs-épics, et donc potentiellement la dynamique des populations. Il montre également que des modifications dans l'utilisation de l'habitat peuvent moduler les effets de la prédation sur la survie. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Écologie animale, Dynamique des populations, Climat, Prédation, Utilisation de l'habitat, Survie, Porc-épic, Pékan.

Approche expérimentale de deux systèmes de production porcine différenciés par le mode de logement : Contribution à la recherche d'un développement durable.Les éleveurs de porcs, confrontés à de nouvelles problématiques en relation avec le développement durable, formulent des demandes de recherche de références de plus en plus complexes et diversifiées. Pour y répondre, les Chambres d'agriculture de Bretagne ont mis en place une expérimentation système. Cette thèse questionne l'intérêt de la démarche et des premiers résultats obtenus. La configuration des systèmes d'élevage mis en comparaison a été définie dans le cadre d'une approche participative et les systèmes on été comparés en s'appuyant sur une méthodologie d'approche expérimentale systémique.La définition et la hiérarchisation des objectifs ont constitué l'étape préalable. C'est principalement la demande sociale qui a conduit au choix de deux systèmes différenciés par le mode de logement des animaux, sur litière ou sur caillebotis, et le mode de gestion des effluents, sous la forme de lisier ou de fumier, avec des effets attendus sur le bien-être animal et l'environnement. Au sein de chaque système plusieurs itinéraires techniques ont été mis en comparaison, correspondant à différentes options techniques possibles. Des règles de conduite ont ensuite été définies pour chacun de ces itinéraires techniques. Intra-système, les truies en gestation sont logées en groupes soit dans des petites cases (4 à 8 truies) équipées de réfectoires et d'une aire d'exercice, soit dans une grande case (24 truies) équipée d'un automate de distribution d'aliment. Chaque loge de post-sevrage et d'engraissement des salles sur caillebotis accueillent 11 animaux selon deux modalités de surface (normes actuelles ou surface accrue de 1/3). Sur litière, les animaux sont élevés en post-sevrage et en engraissement dans des loges de 42 porcs, sur paille ou sur sciure. En post-sevrage, les porcelets sont alimentés à volonté au nourrisseur. En engraissement, ils sont alimentés soit à volonté au nourrisseur, soit rationné en soupe. Les performances et la durabilité des différents itinéraires techniques sont évaluées à partir des données collectées entre janvier 2006 - peuplement du dispositif - et mai 2008. Les performances zootechniques moyennes sont élevées et diffèrent peu entre les deux systèmes d'élevage. Elles sont également voisines pour les différents itinéraires techniques : 10,9 porcelets sevrés par portée, 159 jours d'âge à l'abattage, 2,50 points d'indice de consommation en engraissement, 2,1% de perte d'animaux entre le sevrage et la vente. [...] Suite et fin du résumé dans la thèse.

Dans un contexte de société où le développement durable est mis de l'avant, la gestion de lisiers provenant de la production d'animaux d'élevage est de plus en plus difficile. En effet, l'épandage de lisiers est soumis à des lois gouvernementales plus strictes afin de prévenir les problèmes environnementaux pouvant y être associés. Une solution envisagée est de traiter le lisier avant de l'épandre afin d'en réduire la charge polluante. L'objet de la présente étude consiste donc à optimiser l'élimination de l'azote contenu dans un lisier de porc synthétique (affluent) à l'aide d'un procédé biologique. Plus spécifiquement, l'étude comprend le démarrage, le développement et l'opération d'un biofiltre percolateur où le lixiviat (l'effluent traité) est recirculé dans le but d'éliminer la charge azotée sous forme d'ammonium (NH 4+ ) de l'affluent. Deux biofiltres percolateurs ont été opérés en étant alimentés en continu en lisier synthétique. La première étape du traitement consiste à un procédé biochimique de nitrification effectué par des bactéries autotrophes dans un environnement en aérobiose. Cette étape est combinée à un procédé de bio-oxydation de la matière organique du lisier. Durant le procédé de nitrification, le NH 4 + est oxydé en nitrite (NO2- ) puis en nitrate (NO3- ). La deuxième étape du traitement est d'associer la nitrification et la bio-oxydation de la matière organique à un procédé de dénitrification où le NO3- obtenu de la nitrification est réduit en azote atmosphérique (N2 ), acceptable pour l'environnement. Différents paramètres ont été variés afin d'optimiser le procédé. Trois méthodes de purge (sans purge, purge en discontinu et purge en continu), deux types de garnissage (sphères de polypropylène et billes de céramiques), quatre débits de recirculation (0, 0.5, 1 et 1.5 L min -1 ) et trois charges du lisier en carbone (137, 275 et 550 g C m-3 h-1 ) et en azote (60, 120 et 240 g N m-3 h -1 ) ont été testés. Principalement, les résultats indiquent que la purge en continu a un effet positif sur la production de biomasse et la production de CO 2 . L'augmentation du débit de recirculation a eu pour effet de diminuer la conversion du NH4+ pour les deux types de garnissages. L'effet a par contre été différent en ce qui concerne la production de CO2 : cette dernière a augmenté dans le biofiltre garni de sphères de polypropylène et diminué dans le biofiltre garni de billes de céramique. Lorsque les biofiltres étaient opérés sans recirculation, des taux de conversion de plus de 99% ont été obtenus. L'augmentation du débit de recirculation a également favorisé la production de NO 2- dans le lixiviat. Pour les deux types de garnissage, le fait d'augmenter la charge azotée de l'affluent a auFenté la production de CO2 pour les deux débits de recirculation testés (0 et 0.5 Lmin-1 ) et des conversions de plus de 99% ont été obtenues sans recirculation du lixiviat. Lorsque le lixiviat était recirculé (débit de 0.5 Lmin -1 testé) avec le biofiltre garni avec des billes de céramique, l'augmentation de la charge azotée a eu pour effet d'augmenter la conversion de NH4+ de 90% à 99%. Par contre, l'augmentation de la charge azotée semble n'avoir aucun effet sur la conversion du NH4+ lorsque les biofiltres sont opérés sans recirculation. [symboles non conformes]

Abstract: The piggery industry is very important in Canada, but localized production of large quantities of swine slurry causes severe environmental problems such as aquatic pollution and emissions of methane, a potent greenhouse gas. There are many technologies that can reduce the impact of these issues, but biofiltration is the only viable process that can treat both pollutants. The main objectives of this thesis are to study the biofiltration of methane at concentrations representative of the piggery industry and to achieve the simultaneous treatment of methane and swine slurry with a single biofilter. Laboratory-scale experiments were used to better understand the biofiltration of methane from the piggery industry. Using an inorganic filter bed, it was possible to reach a maximum elimination capacity of 14.5 ± 0.6 g·m -3 ·h-1 for an inlet load of 38 ± 1 g·m -3 ·h-1 . The removal efficiency was relatively stable with the methane concentration and the biofilter satisfied first order kinetics. By decreasing the nitrate concentration in the nutrient solution, a concentration of 0.1 gN·L-1 proved to be sufficient for proper biofilter operation. Furthermore, once all inorganic sources of nitrogen were removed, the presence of microorganisms capable of fixing atmospheric nitrogen was established. Carbon and nitrogen mass balances suggested that the carbon accumulated within the biofilter was probably used for the production of storage compounds rather than for cell synthesis. The viability of simultaneously treating methane and swine slurry was demonstrated by using an innovative biofilter design to overcome the inhibition of methane biodegradation by swine slurry. Although generally less efficient than the biofiltration of methane alone, an elimination capacity for methane of 18.8 ± 1.0 g·m -3 ·h-1 was obtained with this system at an inlet load of 46.7 ± 0.9 g·m -3 ·h-1 . Pure fungal strains were used in an attempt to improve performance, but no significant increase in the methane removal efficiency was observed. For swine slurry treatment, average removal efficiencies of 67 ± 10 % for total organic carbon and 70 ± 7 % for ammonium were achieved. The influence of the slurry supply was analyzed and the ideal supply method found in this study was 6 doses of 50 ml per day. Pilot-scale tests carried out directly on a pig farm were used to validate the results obtained in the laboratory for the treatment of methane from swine house ventilation air. After a start-up period of 30 days, removal efficiencies up to 83% were observed for a methane inlet load of 1.6 ± 0.8 g·m -3 ·h-1 . Treated swine slurry was tested as a replacement for the synthetic nutrient solution, but due to inhibitory compounds in the treated slurry, the results were not satisfactory. For the simultaneous treatment, the methane removal efficiency only dropped from 58 ± 5% to 53 ± 8% when slurry was supplied to the biofilter. By integrating the results obtained in this study with modern farming techniques, the piggery industry could reduce its greenhouse gas emissions and treat part of the nutrients in swine slurry.||Résumé: L'industrie porcine est très importante au Canada, mais les conditions d'entreposage et l'épandage excessif du lisier de porc contribuent respectivement aux émissions de méthane, un puissant gaz à effet de serre, et à la pollution de l'eau. II existe de nombreuses techniques pour atténuer ces problématiques, mais le procédé de biofiltration s'impose comme étant capable de traiter le méthane et le lisier. Les objectifs principaux de cette thèse sont d'étudier la biofiltration du méthane à des concentrations représentatives de l'industrie porcine et d'effectuer le traitement simultané du méthane et du lisier de porc dans un même biofiltre. Des essais expérimentaux à l'échelle laboratoire ont permis de mieux comprendre la biofiltration du méthane issu de l'industrie porcine. En utilisant un lit filtrant inorganique, il a été possible d'atteindre une capacité d'élimination maximale de 14,5 ± 0.6 g[indice supérieur .]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1] pour une charge à l'entrée de 38 ± 1 g[indice supérieur .]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1]. L'efficacité d'enlèvement était relativement stable en fonction de la concentration de méthane et le biofiltre présentait une cinétique de premier ordre. En diminuant la concentration de nitrate dans la solution nutritive, une concentration de 0,1 gN[indice supérieur .]L[indice supérieur -1] s'est avérée suffisante pour assurer l'opération adéquate du biofiltre. De plus, en éliminant tout apport d'azote inorganique, la présence de microorganismes capables de fixer l'azote atmosphérique a été établie. Des bilans de masse sur le carbone et l'azote ont illustré que le carbone accumulé dans le biofiltre était utilisé pour la production de matières de stockage plutôt que pour la synthèse cellulaire. La viabilité de traiter simultanément le méthane et le lisier a été démontrée en utilisant un design innovateur de biofiltre pour éviter l'inhibition de la biodégradation du méthane par le lisier. Quoique généralement moins performant que la biofiltration du méthane seul, ce système a permis d'obtenir une capacité d'élimination de méthane de 18.8 ± 1.0 g[indice supérieur 1]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1] pour une charge de 46.7 ± 0.9 g[indice supérieur .]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1]. Des souches pures de champignons ont été utilisées afin d'améliorer la performance, mais aucun effet significatif n'a été observé. Pour le traitement du lisier de porc, des taux d'enlèvement moyens de 67 ± 10 % pour le carbone organique total et de 70 ± 7 % pour l'ammonium ont été obtenus. L'influence de l'alimentation en lisier a été analysée et le mode d'alimentation idéal fut de 6 doses de 50 ml par jour. Des essais à l'échelle pilote effectués directement sur une ferme porcine ont permis de valider les résultats obtenus au laboratoire pour le traitement du méthane dans l'air de ventilation d'un bâtiment d'élevage. Après une phase de démarrage de 30 jours, des efficacités d'épuration jusqu'à 83% ont été observées pour une charge de méthane à l'entrée de 1.6 ± 0.8 g[indice supérieur .]m[indices supérieurs -3.]h[indices supérieurs -1]. Du lisier de porc traité a été testé pour remplacer la solution nutritive synthétique, mais dû à la présence de composés inhibiteurs dans le lisier traité, les résultats obtenus n'étaient pas satisfaisants. Pour le traitement simultané, l'efficacité d'épuration du méthane a seulement diminué de 58 ± 5% a 53 ± 8 % lorsque le lisier a été alimenté au biofiltre. En intégrant les résultats de cette étude aux techniques agricoles modernes, l'industrie porcine pourrait réduire ses émissions de gaz à effet de serre et traiter une partie des nutriments du lisier de porc.

La production porcine européenne fait face à des enjeux économiques et environnementaux. Les outils d’aide à la décision peuvent aider les éleveurs à tester les effets des facteurs d’élevage sur leur système de production. Nous avons développé un modèle individu-centré de l’atelier d’engraissement porcin, qui intègre la variabilité des performances entre individus, la conduite d’élevage, et estime les résultats technico-économiques (ECO) et les impacts environnementaux (ENV) de l’atelier. L’analyse de sensibilité a montré que le comportement du modèle est cohérent et que les variables d’entrée les plus influentes sont les caractéristiques des porcs. La comparaison des valeurs prédites et observées nous a permis de construire un processus de paramétrage et a montré que le modèle fournit des estimations fiables des résultats ECO et ENV de l’atelier.Une expérimentation virtuelle a été effectuée pour évaluer les effets combinés des pratiques d’alimentation, du statut sanitaire du troupeau, et des infrastructures. Le statut sanitaire a un impact majeur sur les résultats ECO et ENV, pouvant être atténué par le choix de la conduite en bandes et de la stratégie d’alimentation. S’approcher au plus près des besoins nutritionnels individuels des porcs semble être une solution appropriée pour améliorer le revenu de l’élevage et réduire ses impacts quel que soit son statut sanitaire. Ce modèle sera inclus dans un outil d’aide à la décision construit en accord avec les résultats de l’analyse de sensibilité et le processus de paramétrage développé. / European pig production is facing economic and environmental challenges. Decision support tools can help farmers testing the effects of rearing factors on their production system. For this purpose, we developed an individual-based model of the pig fattening unit which includes farmers’ practices, individual variability in performance among pigs and, and estimates economic results (ECO) and environmental impacts (ENV) of the unit. Global sensitivity analysis has shown that the model behavior is consistent and that the most influent input variables are related to the pigs’ characteristics. Formal comparison of predicted with observed data has enabled us to produce a process for parameterisation of the model and has shown that the model provides reliable estimates of ECO and ENV.A virtual experiment using the model was designed in order to evaluate the combined effects of feeding practices, health status of the pig herd, and infrastructure on technical performance, ECO and ENV of the unit. Health status has the major impact on unit performance but this effect can be reduced through batch management and feeding strategies. Approaching more closely the individual pigs’ nutritional requirements seems to be an appropriate solution to increase farm income and to reduce environmental impacts regardless the health status. The model will be included into a decision support tool designed according to the influent inputs resulting from the sensitivity analysis and the parameterisation process

Sarcoptes scabiei est un acarien ectoparasite obligatoire. Sa présence dans la couche cornée de l’épiderme est à l’origine d’une gale dite sarcoptique. Cette ectoparasitose a été décrite chez 104 espèces de mammifères représentant 27 familles distinctes. Les traitements actuels de la gale sarcoptique ne sont pas toujours satisfaisants et il n’existe pas de produits qui permettent d’éliminer S. scabiei dans l’environnement. Par ailleurs, la diversité génétique de S. scabiei n’est pas clairement définie et l’unicité de l’espèce fait toujours l’objet de controverses.L’objectif de cette thèse a été d’évaluer l’efficacité d’acaricides vis-à-vis de S. scabiei en utilisant un modèle animal ou par le biais de tests in vitro. La diversité génétique d’isolats d’origine animale a également été étudiée. La première partie du travail de thèse a concerné un essai thérapeutique L’efficacité d’une administration orale unique d’afoxolaner, une molécule du groupe des isoaxazolines, a été évaluée sur des porcs expérimentalement infestés. Le critère principal d’évaluation a été la réduction du nombre de sarcoptes mis en évidence dans les raclages cutanés. Huit jours après le traitement, aucun sarcopte n’a été détecté sur les 4 porcs ayant reçu l’afoxolaner alors que des sarcoptes étaient toujours présents sur les 3 porcs ayant reçu de l’ivermectine. Tous les porcs traités étaient guéris à la fin de l’essai (J35) alors que les animaux non traités sont demeurés infestés. Les autres critères d’évaluation étaient l’évolution du score clinique et de prurit. Les lésions cutanées ont rapidement régressé dans le groupe traité par l’afoxolaner alors qu’elles étaient encore présentes à J14 dans le groupe traité avec l’ivermectine. La deuxième partie du travail de thèse a porté sur l’évaluation in vitro de différentes molécules ou produits acaricides. Plusieurs concentrations d’une solution d’ivermectin ou de moxidectine ainsi 11 huiles essentielles ont été testées. Après 24h de contact avec l’ivermectine et la moxidectine, la dose létale 50% étaient de 150,2±31,4 µg/mL et 608,3±88,0 µg/mL, respectivement. Une concentration inférieure à 1 ng/mL (pour l’ivermectine) ou à 10 ng/mL (pour la moxidectine) n’a aucune activité acaricide. Pour les huiles essentielles, des tests par fumigation et par immersion ont été réalisés. Parmi Lavandula augustifolia, Melaleuca altenifolia, Pelargonium asperum, Eucalyptus radiate, Leptospermum scoparium, Cryptomeria japonica, Citrus aurantium ssp amara et 3 l’huile essentielle identifiée (BOB4, BOB5, BOB9) testés par immersion, l’huile essentielle identifiée BOB4 s’est révélée la plus efficace (une solution à 1% tue tous les acariens en 20 min). Parmi les 10 huiles essentielles énumérées avant, plus Juniperus oxycedrus testés par immersion, l’huile essentielle de Melaleuca altenifolia s’est révélée la plus efficace (tous les acariens sont morts en 4 min). Pour le contrôle de S. scabiei dans l’environnement, différents biocides ou répulsifs ont été examinés. La durée moyenne de survie a été calculée pour les produits comportant de la perméthrine, de l’esdépallethrine et de la bioresmethrine, de la bifenthrine, de la cyperméthrine et de l’imiprothrine, de la cyfluthrine, de la tétramethrine et de la sumithrine, du DEET, de l’icaridine et le produit IR3535. La deuxième partie du travail de thèse a porté sur la diversité génétique d’isolats de S. scabiei provenant d’animaux. Une partie du gène cox1 a été amplifiée. L’analyse des séquences ainsi obtenues semble montrer que les sarcoptes circulant chez le Chien sont issus de population de sarcoptes d’origine humaine. / Sarcoptes scabiei is an ectoparasite responsible for the emerging/re-emerging disease called scabies in humans or mange in animals. It was reported in 104 species across 27 families of domestic and wild animals. Current treatments for scabies/mange are limited and there are no efficient products for the environment control of S. scabiei. Moreover, the taxonomic status of S. scabiei is still under controversy and the question remains that whether it represents a single species or several taxa.The objectives of the thesis were to assess the susceptibility to acaricides and analyse the genetic diversity of S. scabiei from animals. In the first part of the thesis, an animal model was used to evaluate the efficacy of afoxolaner, a new acaricide from the isoaxazoline family. The primary outcome of efficacy was based on the reduction in the number of live mites counted in skin scrapings following treatment. At day 8, four afoxolaner-treated pigs (out of four) were mite-free, while mites were still found in three (out of three) ivermectin-treated pigs. All treated pigs were cured at the end of the study (day 35) and all pigs in the control group remained infected. Secondary outcomes included measures on the reduction of skin lesions and pruritus. The clinical lesions of scabies infection were allowed to disappear completely for all the pigs in the afoxolaner group but not in the ivermectin group at 14 days after the treatment. An increase of the pruritus was observed right after treatment, followed by a decrease of the pruritus score in both treated groups. The second part of the thesis was to evaluate the scabicidal effect of molecules or products using an in vitro test. A gradient of concentrations of ivermectin and moxidectin as well as 11 essential oils have been evaluated in vitro against S. scabiei. After 24h of exposure to ivermectin and moxidectin, the median lethal concentrations were 150.2±31.4 µg/mL and 608.3±88.0 µg/mL, respectively. Doses of ivermectin under 1 ng/mL and moxidectin under 10 ng/mL showed no scabicidal effect. Fumigation and contact bioassays were used for the assessment of essential oils efficacy. Among Lavandula augustifolia, Melaleuca altenifolia, Pelargonium asperum, Eucalyptus radiate, Leptospermum scoparium, Cryptomeria japonica, Citrus aurantium ssp amara and 3 other unknown oils (BOB4, BOB5, BOB9) tested with the contact bioassay, the essential oil identified as BOB4 demonstrated the best scabicidal effect (1% solution killed all the mites in 20 min). Among the 10 essential oils listed before plus Juniperus oxycedrus with the fumigation bioassay, the oil Melaleuca altenifolia demonstrated the best scabicidal effect (all the mites died in only 4 min). For environmental control of S. scabiei, the efficacy of biocides or repellents was assessed. The median survival time was calculated for permethrin (4% and 0.6%), esdepallethrin and bioresmethrin, bifenthrin, cypermethrin and imiprothrin, cyfluthrin, tetramethrin and sumithrin, DEET (25% and 50%), icaridin and IR3535. The third part of the thesis included the study of the genetic diversity of populations of S. scabiei from animals. A part of cox1 was used for phylogenetic analyses. The results showed that Sarcoptes mites from dogs seem to derive from humans.

Le déoxynivalénol (DON) est une mycotoxine issue du métabolisme secondaire de moisissures, et se retrouve fréquemment comme contaminant naturel de nombreuses denrées d’origine végétale. Les objectifs de nos travaux ont été d’évaluer les propriétés toxiques du DON chez le porc en croissance, sain ou porteur d’agent pathogène, car cette espèce est connue pour sa sensibilité envers la toxine. Nous avons dans un premier temps étudié in vitro les effets du DON sur la réponse immunitaire non spécifique des animaux. Dans un deuxième temps, l’impact de l’ingestion d’un aliment naturellement contaminé sur les performances et la flore intestinale des porcs a été étudié. Enfin, le modèle de portage asymptomatique de salmonelles a été choisi pour caractériser l’effet de l’intoxication sur l’excrétion de ce pathogène. En fonction de la dose de DON utilisée (0,5 - 5µM), la pré-exposition des macrophages à la toxine a entraîné une inhibition de leur activation par l’IFN-? à travers une diminution de l’expression de leurs récepteurs transmembranaires CD14, CD54, CD119 et HLA-DP/DQ/DR, impliqués dans les fonctions de coopération et de signalisation des macrophages. En revanche, le DON n’a pas eu d’effet particulier sur des macrophages préalablement activés par l’IFN-?. L’exposition au DON n’a pas altéré la capacité de phagocytose des neutrophiles. Cependant, le DON (10 - 50 µM) réduit les propriétés de migration de ces cellules, et diminue la production d’IL-8 par les neutrophiles stimulés par du lipopolysaccharide. Nos résultats suggèrent que la diminution de la production d’IL-8 serait due à une inhibition de l’expression de la sous-unité p65 des facteurs de transcription-kB (NF-kB). Dans les études in vivo, nous avons observé une diminution transitoire de la croissance de tous les porcs après une semaine d’ingestion d’un aliment contaminé par le DON (2,7 mg DON/kg d’aliment). Des modifications de profils de flore bactérienne intestinale ont également été mises en évidence par CE-SSCP (Capillary Electrophoresis Single-Stranded Conformation Polymorphism) après 28 jours d’intoxication chronique. Comme attendu, aucun signe clinique ou physiologique important n’a été observé suite à l’inoculation des porcs avec 106 UFC de Salmonella Typhimurium, hormis une augmentation immédiate de la concentration sérique des immunoglobulines A. Une légère accélération de la séroconversion des animaux infectés par Salmonella Typhymurium et exposés au DON a été observée, ainsi qu’une perturbation passagère de la population de coliformes thermotolérants des fécès, deux jours après l’infection. Aucun autre effet synergique de l’intoxication et de l’infection n’a été observé sur la persistance et l’excrétion de la bactérie par les porcs infectés. En conclusion, nos résultats montrent qu’in vitro, le DON diminue les fonctions des cellules phagocytaires (neutrophiles et macrophages) et qu’in vivo, aux doses de DON et de salmonelles administrés, cette mycotoxine altère la flore intestinale des porcs, mais ne semble pas être un facteur aggravant du portage asymptomatique de salmonelles. / Deoxynivalenol (DON), is a mycotoxin produced by several Fusarium species. It is a secondary metabolite and can contaminate all the stages of the food chain. DON is commonly detected in cereal grains and pigs remain the most sensitive animal specie. The aim of the present study was to evaluate the toxicological properties of DON in grower pigs using pathogen-free pigs. In the first place, in vitro studies were performed to evaluate DON effects on the no-specific immune response. In the second place, the impact of the ingestion of naturally DON contaminated food on the performance and pig’s microbiota was explored. Finally, a Salmonella asymptomatic model was used to characterize the effect of DON on pathogen excretion. Depending on the DON dose used (0.5 -5 µM) the preliminary exposition of macrophages with increased concentration of DON inhibited their IFN-y activation, through a decrease in the clusters of differentiation CD14, CD54, CD119, and HLA-DP/DQ/DR, which are implicated in cellular cooperation and signalization of macrophages. However, no DON effect was observed on the preliminary IFN-y activated macrophages. High DON dose (10 - 50 µM) did not affect polymorphonuclear cells (PMNs) phagocytosis but reduced significantly the migration capacity and the IL-8 production of LPS-induced PMNs. Results therefore suggested that IL-8 decrease is due to the inhibition of the p65-NFKB subunit expression. In the in vivo study, consumption of DON-contaminated feed (2.8 mg DON/kg of feed) reduced the animal weight gain during the first week of experiment. Changes in the intestinal microflora were observed by Capillary Electrophoresis Single-Stranded Conformation Polymorphism (CE-SSCP) in DON exposed animals, suggesting an impact of this toxin on the dynamics on the intestinal bacterial communities. In pigs inoculated with Salmonella enterica Typhimurium, DON did not increase the asymptomatic pathogenicity of the bacteria when these animals were fed with the contaminated diet. Only a slight increase of the seroconversion was seen, but no synergistic effects on colonization or excretion of the bacteria was observed during the experiment. It was concluded that low doses of DON have a negative impact on different phagocytics cells functions and could modify the gastrointestinal associated microflora. In contrast, this toxin did not seem to increase an asymptomatic infection of Salmonella enterica Typhimurium in pigs.

En élevage intensif, les porcs sont exposés à de nombreux facteurs de stress qui pourraient favoriser la survenue d’infections et contribuer à l’utilisation massive d’antibiotiques. Les facteurs de stress activent principalement l’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien et l’axe sympatho-adréno-médullaire qui contribuent au retour à l’état d’équilibre. Les médiateurs de ces deux axes, les glucocorticoïdes et les catécholamines, peuvent moduler les réponses immunitaires d’un individu. Dans ce contexte, les objectifs de ma thèse étaient de décrire (i) les effets d’un stress social aigu chez des porcelets forts et faibles répondeurs à une stimulation à l’ACTH sur des paramètres immunitaires et (ii) les effets des catécholamines sur les macrophages porcins. Un mélange de loge durant 1h avec des congénères non familiers induit une mobilisation leucocytaire mais altère la plupart des fonctions immunitaires analysées. Si la majorité des paramètres immunitaires testés ne diffère pas entre les porcelets des 2 groupes, les porcelets avec un axe corticotrope fort semblent plus résilients au stress ce qui encourage à poursuivre cette stratégie de sélection génétique pour produire des porcs robustes. Les effets des catécholamines sur les macrophages ont ensuite été étudiés plus spécifiquement in vitro. L’activation du récepteur β2-adrénergique affecte la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires induite par le LPS et diminue l’expression des marqueurs pro-inflammatoires par les macrophages. L’ensemble des résultats obtenus avec des approches in vivo et in vitro devrait permettre une meilleure compréhension des relations entre stress et immunité chez le porc. / In intensive husbandry, pigs are exposed to multiple stressful events, which are thought to impair immune defences and may contribute to the prophylactic use of antibiotics. Stressors mainly activate hypothalamo-pituitary-adrenocortical (HPA) and sympatho-adreno-medullar axes, which both contribute to restore homeostasis. Glucocorticoids and catecholamines are mediators of these two pathways and may modulate immune responses. In this context, my PhD project aimed (i) to describe acute social stress effects on immune traits in piglets high and low responders to ACTH stimulation and (ii) to analyze catecholamine effects on porcine macrophages in vitro. One-hour mixing with unfamiliar conspecifics increases leucocyte mobilization and affects most of tested immune functions. Although most immune parameters do not differ between piglets from both groups, stress effects were less pronounced in piglets with a strong HPA axis. Thus, selecting piglets with a strong HPA axis seems a valuable tool to produce robust animals. Catecholamine effects were then more specifically studied on macrophages in vitro. β2-adrenergic receptor activation affects LPS-induced pro-inflammatory cytokine secretion and decreases pro-inflammatory marker expression in porcine macrophages. Altogether these data obtained using in vivo and in vitro experiments should allow a better understanding of the relationships between stress and immunity in pigs.