La composition des eaux pour les éléments biologiquement actifs comme les nitrates est contrôlée par les processus microbiens, qui dépendent eux-mêmes des conditions physico-chimiques du milieu. Les conditions chimiques et la structure des communautés bactériennes sont étroitement liées et l'influence des circulations hydrologiques sur la diversité microbienne est relativement mal contrainte. Or ces circulations hydrologiques issues de la structure physique du paysage sont déterminantes dans les processus biogéochimiques. Les relations entre les flux hydrologiques et le fonctionnement de l'écosystème sont abordées par 3 axes: (i) l'influence des flux verticaux sur l'activité et la structure des communautés bactériennes réduisant les nitrates (gène narG) ; (ii) l'influence des flux verticaux sur la structure des communautés bactériennes intégratives (gène de l'ARNr 16S) et fonctionnelles (gène narG); et (iii) l'influence des modifications des paramètres de forçage sur l'expression protéique par une approche Métaprotéomique. <br />Le premier axe a été analysé en utilisant des bio-réacteurs stimulants différents états redox et disponibilité en nutriment. Le second a consisté à suivre les changements de structure de communautés dans le temps (suivant les périodes de hautes et de basses eaux) et suivant la profondeur. Le troisième axe est abordé sous des conditions expérimentales à partir d'eau échantillonnée en profondeur, en contrôlant les paramètres de forçages (quantité et nature du carbone, quantité d'azote). Pour chaque bio-réacteur, une analyse du Métaprotéome par des empreintes peptidiques a été réalisée pour modéliser le fonctionnement de l'écosystème. <br />L'importance des circulations hydrologiques sur les communautés bactériennes a été confirmée en agissant directement sur la structure des communautés ou indirectement sur la disponibilité de ressources. Le manque de connaissance actuel dans les bases de données ne nous a pas permis d'aller aussi loin que nous l'aurions souhaité dans les expériences de protéomique. Il nous est impossible à l'heure actuelle de proposer un modèle de fonctionnement de niche écologique. Cependant, le protéome des cellules exposées aux deux sources de carbones a été montré comme significativement différent, laissant suggérer une réponse différentielle du système suivant la nature de la pollution induite.

Les déchets sulfurés issus de l’extraction des minerais métalliques génèrent des drainages miniers acides (DMA) contenant des éléments toxiques tels que l’arsenic. Les procédés de traitement passifs basés sur l’oxydation bactérienne du fer et de l’arsenic, en favorisant la précipitation de ces éléments sous une forme stable, pourraient représenter une solution efficace et économique pour traiter cette pollution. Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs environnementaux et opérationnels qui contrôlent l’efficacité d’élimination de l’arsenic. Une approche en pilote à flux continu a été mise en oeuvre afin de se rapprocher des conditions réelles d’un traitement. L’étude a été conduite d’abord à l’échelle d’un bioréacteur de paillasse en conditions contrôlées (température, lumière, débit, temps de séjour et hauteur d’eau), puis dans un dispositif de taille supérieure, fonctionnant de manière totalement passive et in situ. Ces dispositifs ont été alimentés avec de l’eau d’un DMA riche en arsenic, issue de l’ancien site minier de Carnoulès, dans le Gard. Les caractéristiques de l’eau et des bioprécipités au sein de ces pilotes, en particulier le rédox du fer et de l’arsenic, ont été suivis dans différentes conditions environnementales et d’opération par des méthodes de spéciation liquide et solide (HPLC-ICP-MS, EXAFS, XANES), des analyses minéralogiques (DRX) et des analyses microbiologiques (ARISA, séquençage haut débit du gène de l'ARNr 16S, quantification du gène aioA). Les résultats issus des expériences en laboratoire ont mis en évidence l’effet de différents paramètres opérationnels (hauteur d’eau, temps de rétention hydraulique, et présence/absence d’une pellicule flottante) sur les performances du traitement, ainsi que sur la microbiologie et la minéralogie des bioprécipités formés. Le dispositif de terrain a permis de tester les performances du procédé dans des conditions environnementales fluctuantes (variabilité de la physico-chimie de l’eau d’entrée et de la température) et d’acquérir des connaissances nouvelles sur l’évolution des bioprécipités au cours de six mois de traitement. Les connaissances acquises dans cette thèse pourront servir de base à la conception d’une étape d’élimination de l’arsenic dans les processus de traitement des DMA. / Acid mine drainage (AMD) are produced by sulfuric tailings from mining of metal ores. They are characterized by high contents of toxic elements like arsenic. One efficient and economical solution for the treatment of As in these tailings could be the use of a passive method based on iron and arsenic bacterial oxidation, and the subsequent precipitation of these elements in a stable form. In this context, the objective of this PhD thesis was to better understand the environmental and operational factors controlling the efficiency of As removal processes. A continuous-flow pilot approach was implemented in order to better reproduce the real treatment conditions. This study was first performed in a bench-scale bioreactor with controlled conditions (temperature, light, flow, residence time and water height). Then, it was performed in a field-scale bioreactor installed in situ, reproducing a passive treatment in real conditions. These devices were fed with As-rich AMD waters from the ancient mine of Carnoulès (Gard, France). Water and bioprecipitate properties were monitored in both devices, specially the redox speciation of iron and arsenic. This monitoring was held for different environmental and operational conditions. Iron and arsenic speciation in liquid and solid phases was measured by different analytical techniques such as HPLC-ICP-MS, EXAFS and XANES. Mineral identification was made by XRD analysis, while microbiological characterization was made by ARISA, high-throughput sequencing of 16S rRNA gene, and aioA gene quantification. Results from the lab-scale experiments evidenced the effects of the different operational parameters (water height, hydraulic retention time and the presence/absence of a floating film) on the treatment performance, as well as on the microbiology and mineralogy of the produced bioprecipitates. The field device was used to test the treatment performance under fluctuating environmental conditions (variability of the physico-chemistry of the feed water and of the temperature) and to gain new knowledge about the evolution of the bioprecipitates during six months of treatment. All the knowledge acquired in this PhD thesis could serve as a basis for the design of an arsenic removal stage in DMA treatment processes.

Les pratiques agricoles intensives de l’agriculture conventionnelle (AC) ont engendré des fuites d’azote dans l’environnement, via la lixiviation du nitrate (NO3-) et les émissions d’oxyde nitreux (N2O). Une hypothèse de ce travail était que l’agriculture biologique (AB) pouvait contribuer à réduire ces fuites. En conséquence, l’objectif principal de cette thèse a été de mesurer et de quantifier ces fuites d’azote à différentes échelles spatiales (processus, exploitation, bassin versant) et dans différentes systèmes de cultures (AB/AC) du bassin de la Seine.A l’échelle d’une exploitation, la rotation AB (7 ans) engendre 28% mois d’émission de N2O et 25% mois de lixiviation de NO3. A l’échelle du processus, la nitrification, la dénitrification et leurs émissions de N2O associées présentent, en fonction d’un gradient de températures (5-45°C), des courbes gaussiennes. De plus, à l’échelle du bassin versant de l’Orgeval, les bilans azotés ont montré que les pratiques de l’AB (mesure préventive) permettent de réduire les pollutions nitriques diffuses sans engendrer une augmentation d’émissions de N2O, ce qui n’est pas le cas lors de la création d’étangs (mesure curative). Enfin dix-huit exploitations agricoles (8 AB, 10 AC) ont été équipés en bougies poreuses dans le bassin de la Seine. A l’échelle de leurs rotations, les concentrations moyennes sont en AB de 10.1 ± 3.4 mg N l-1 et en AC de 16.6 ± 10.3 mg N l-1. Ces concentrations, converties en flux, aboutissent à des quantités d’azote lixivié en AB de 15.3 ± 9.7 kg N ha-1 et en AC de 27 ± 24.7 kg N ha-1 selon différents pôles pédoclimatiques. / In the past decades, intensive conventional farming (CF) has led to nitrogen (N) losses in the environment, due to nitrate (NO3-) leaching and to nitrous oxide (N2O) emissions. We assumed that organic farming (OF) could contribute in reducing these losses. Therefore, the main aim of this PhD study is to measure and quantify N losses in different spatial scales (process, farm, catchment) and different arable cops systems (OF/CF) in the Seine basin.At the farm scale, the OF rotation reduce by 28% N2O emissions and by 25% NO3 leached. At the processes scale, nitrification, denitrification and their N2O emissions associated, according to a range of temperatures (5-45°C) showed Gaussian curves. At the Orgeval basin scale, the N balance showed OF system (a preventive measure) would allow to reduce diffused N pollution without increasing N2O emissions, differently from the implementation of ponds (a curative measure).Finally, 18 arable crop systems (8 OF, 10 CF) have been equipped with ceramic cups in the Seine basin. At the rotation scale, the sub-root concentrations means were 10.1 ± 3.4 mg N l-1 for the OF systems (with alfalfa in the head of the rotation) and 16.6 ± 10.3 mg N l-1 for the CF systems. The sub-root concentrations converted in the N flow led to 15.3 ± 9.7 kg N ha-1 in OF and 27 ± 24.7 kg N ha-1 in CF, depending on farms in different soil and climate conditions.

L'objectif scientifique de ce travail est de mieux comprendre les transferts de carbone par les fleuves vers les océans et d'identifier les différents processus biogéochimiques susceptibles de contrôler ces transferts, à l'aide des signatures isotopiques (δ13C) du carbone. Pour ce faire, 25 bassins versants ont été étudiés à travers le monde, en allant de petits bassins versants élémentaires jusqu'aux grands bassins fluviaux. Les résultats obtenus mettent en évidence un contrôle majeur du δ13CCID par le dégazage de CO2 vers l'atmosphère et par l'oxydation du carbone organique (allochtone et autochtone). La signature isotopique moyenne δ13C du flux de carbone inorganique vers les océans est estimée dans cette étude à -11,8‰. Enfin, les premiers éléments d'un modèle numérique (δ-Carb) sont fournis dans cette étude pour simuler l'évolution du δ13CCID dans les rivières et les fleuves.

Dans les systèmes lotiques, la végétation aquatique se développe en formant des taches générées par des rétroactions échelle-dépendantes. Les plantes modifient l'environnement physique (i.e. organismes ingénieurs), induisant des rétroactions positives dans les taches et négatives à côté, ce qui conduit à la formation de patrons réguliers. Ces rétroactions échelle-dépendantes ne permettent d'expliquer que l'expansion latérale des taches, mais pas leur développement longitudinal. L'objectif était d'étudier les processus qui induisent des rétroactions pour les plantes et les conséquences pour la dynamique des taches. Des mesures de l'hydrodynamique, des caractéristiques des sédiments et de la morphologie des plantes ont été faites in situ le long de taches de longueur croissante. Les résultats ont démontré qu'une longueur minimale est nécessaire pour induire une réduction de la vitesse du courant et une accumulation de sédiments fins dans les taches. L’ensemble conduit à des changements des concentrations en nutriments dans l'eau interstitielle au delà d’une certaine longueur de tache, consistant en une accumulation d'ammonium et une diminution des nitrates. La hauteur des plantes est liée à la longueur de la tache selon un modèle quadratique, suggérant l’existence d’une rétroaction négative au delà d’une longueur seuil, probablement due à la concentration élevée en ammonium qui peut être toxique pour les plantes. Les longueurs au delà desquelles ont lieu des changements des processus biogéochimiques et des rétroactions négatives sont plus faibles dans l’écosystème avec le niveau de nutriments le plus élevé. Enfin, les modifications de l'habitat induites par les taches dépendent des caractéristiques des plantes et des taches. Ces modifications induites par les plantes ont des effets en cascade sur les processus biogéochimiques et la croissance des plantes, avec des conséquences pour la dynamique des taches et le fonctionnement de l'écosystème / Submerged aquatic vegetation often grows in lotic systems in patches generated by scale-dependent feedbacks. As ecosystem engineers, plants modify the physical environment triggering positive feedbacks within the patch and negative feedbacks alongside the patch, resulting in regular pattern formation. These scale-dependent feedbacks enable to explain only the lateral expansion of patches, but not their longitudinal development. The objective was to study the processes that trigger positive and negative feedbacks for plants along patches and the consequences for patch dynamics. In situ coupled measurements of hydrodynamics, sediment characteristics, and plant morphology were performed along patches of increasing length. The results demonstrated that a minimum patch length was needed to induce in-patch velocity reduction and fine sediment accumulation. As a consequence of these modifications, patch length influenced the nutrient concentrations in interstitial water of the in-patch sediment, this effect being observed only over a certain threshold length. Over this threshold length, the sediment presented an accumulation of ammonium and depletion of nitrates. Plant height was related to patch length by a quadratic relationship, suggesting that negative feedbacks occur over a certain patch length, probably due to the high ammonium concentration that can be toxic for plants in the range measured. The threshold lengths over which patches influence the biogeochemical processes and negative feedbacks occur were reduced in the ecosystem presenting the highest nutrient level. The results also demonstrated that the physical habitat modifications induced by patches depend on the plant traits and patch characteristics. The plant-induced modifications of the physical habitat have cascading effects on the biogeochemical processes and plant growth, which depended on the environmental conditions, with consequences for patch dynamics and ecosystem functioning