Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le cadre de la prévision du devenir des radionucléides (RN) dans l'environnement, l'intérêt s'est porté sur les interactions de RN tels que le cobalt (II), l'europium (III) et l'uranium (VI) avec les substances humiques (SH). Le but de ce travail était d'aller vers une meilleure compréhension des interactions entre RN et SH ainsi que la prédiction de l'influence des SH sur la spéciation des RN. Le modèle NICA-Donnan permet de décrire ces interactions en tenant compte de l'hétérogénéité des SH, des effets électrostatiques et de la compétition entre cations. Le modèle avait été calibré avec un jeu de données extrêmement limité dans le cas des RN. En effet, parmi l'ensemble de techniques de spéciation, peu d'entre elles sont adaptées à l'étude des interactions RN-SH en particulier à la mesure de la concentration en métal libre en solution. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé et optimisé des techniques de spéciation afin d'acquérir de nouveaux jeux de données, d'étudier l'influence de la compétition sur la spéciation des RN et enfin de tester la capacité du modèle NICA-Donnan à prédire le comportement des RN.

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Dans ce travail de thèse, nous avons étudié le transport du fer dans la plante, en nous focalisant sur la dernière étape de circulation : le remplissage de la graine. Il nous a paru important de comprendre 1- comment le fer arrive à la graine, 2- la manière dont il est délivré à l'embryon en développement, 3- sous quelles formes et 4- où et comment il est stocké dans l'embryon. Nous avons choisi de nous appuyer sur deux espèces modèles: Pisum sativum pour les approches de biochimie et Arabidopsis thaliana pour les approches de génétique. Le pois a été choisi car ses graines sont de grande taille et ont la particularité d'accumuler un albumen liquide qui sert de soutien nutritionnel pour l'embryon. Le point de départ de ce projet est l'étude de la spéciation du fer, c'est-à-dire l'identification des ligands du fer, dans cet albumen. Sur la base de la connaissance des complexes de fer circulant jusqu'à la graine, nous avons proposé de nouvelles fonctions physiologiques. La grande taille des cellules de pois a permis d'étudier la localisation du fer et sa spéciation in situ, à l'échelle subcellulaire. Chez Arabidopsis, nous avons étudié le rôle de deux gènes candidats, potentiellement impliqués dans le transport du fer vers la graine. / In this work, we studied iron transport in plants and we focused on the last circulation step: the seed filling. It seemt important to understand 1- how iron is arriving to the seeds, 2- the way it is delivered to developping embryos, 3- in which form and 4- where and how it is stored in embryos.To adress these questions, we used two model species: Pisum sativum for biochemical approaches and Arabidopsis thaliana for genetic approaches. Pea was choosen because of the large size of its seeds, and their characteristic to accumulate a liquid endosperm that feed embryos.The project started with the study of iron speciation, meaning the identification of iron ligands, in this endosperm. On the basis of the knowledge of the iron complexes arriving to seeds, we highlighted new physiological functions. The large size of pea cells also allowed us to study iron localization and in situ speciation, at subcellular level. In Arabidopis, we studied the role of two candidate genes putatively involved in iron transport to seeds.

La région Centre Ouest du Brésil possède des massifs ultrabasiques (UB) avec des manteaux latéritiques représentants des réserves et ainsi des ressources économiques importantes de Ni. Ces massifs nickélifères permettent d’étudier le cycle du Ni sous contraintes anthropiques par une approche pluridisciplinaire, associant caractérisations chimiques, mesures physiques de sa spéciation solide, et traçage isotopique des sources et des processus affectant le nickel. Cette thèse focalisée sur l’utilisation des isotopes du Ni comme traceur a eu pour but d’identifier la signature isotopique au sein de plusieurs compartiments en interactions les uns avec les autres (roche mère, saprolite, latérite, sol et plantes) et d’associer les fractionnements observés aux processus biogéochimiques. De plus, du fait de leurs ressources économiques, les massifs étudiés, Barro Alto et Niquelândia, subissent une pression anthropique importante, minière et métallurgique. Ainsi, ils offrent une opportunité unique d’étudier le fractionnement isotopique du nickel associé à son cycle anthropique, et voir s’il est possible d’identifier la contribution anthropique dans le cycle naturel du Ni par sa signature isotopique. Les résultats ont montré que l’altération de roches UB conduit à un fractionnement isotopique du Ni, se traduisant par une perte en isotopes lourds de la phase solide, soit un Δ⁶⁰Ni de - 0,47 ‰ entre la roche mère et le top-sol. Ce fractionnement semble associé au moins en partie à l’incorporation et à la sorption des isotopes légers du Ni sur les oxydes de Fe lors de la remobilisation du Ni au cours de l’altération. Cet enrichissement en isotopes légers du Ni dans la partie solide conduit à une composition isotopique en Ni plus lourde dans la phase dissoute (eaux du massifs : 0.50 ‰ < δ⁶⁰Ni < 0,70 ‰). La zone saprolitique présente une variation importante de signature isotopique allant pour δ⁶⁰Ni de -0,04 ‰ à 1,41 ‰. Pour les échantillons présentant une signature isotopique lourde, le Ni se trouve principalement au sein de la serpentine fortement substitué, quand les signatures plus légères sont en lien avec une proportion de Ni plus importante au sein de la goethite. Dans un système comme celui-ci avec un nombre important de phases porteuses de Ni, il est cependant très difficile d’établir un lien entre la spéciation solide et l’isotopie du Ni. Le rôle des plantes dans le cycle du Ni a été abordé en étudiant le fractionnement isotopique du Ni dans trois espèces de plantes hyperaccumulatrices de Ni et deux espèces de plantes tolérantes. Il existe un fractionnement isotopique lors du transfert de Ni de la tige vers la feuille, qui est systématiquement enrichie en isotopes lourds du Ni. Les feuilles sont les compartiments des plantes où les teneurs en Ni sont les plus importantes. L’enrichissement en isotopes lourds du Ni des feuilles par rapport aux sols (- 1,05 ± 0,03 ‰ < Δ⁶⁰Ni_sol-feuilles < - 0,06 ± 0,12 ‰) semble indiquer que la restitution et la décomposition de cette matière organique au niveau du sol s’accompagnera d’un apport en isotopes lourds du Ni dans le sol. L’activité pyrométallurgique entraîne un fractionnement isotopique lors du processus de fusion en conditions réductrices qui conduit à la formation des scories de réduction. Ces résidus présentent un enrichissement en isotopes lourds (δ⁶⁰Ni = 0,18 ± 0,05 ‰) par rapport au matériel entrant (δ⁶⁰Ni = 0,08 ± 0,08 ‰) et au produit final, le FeNi (δ⁶⁰Ni = 0,06 ± 0,02 ‰). Enfin, cette étude montre que l’utilisation des isotopes du Ni pour tracer le Ni « anthropique » et le distinguer du Ni naturel possède certaines limites en raison du faible fractionnement induit par les processus pyrométallurgiques aux regards de la grande variabilité des échantillons naturels au sein de la littérature (-1.03 ‰ < δ⁶⁰Ni < 2.50 ‰). / The Centre region the West of Brazil possesses ultramafic massifs (UM) with coats lateritic representatives of the reserves and so the important economic resources of Ni. These nickelifere massifs allow to study the cycle of Ni under anthropological constraints by a multidisciplinary approach, associating chemical characterizations, physical measures, solid speciation, and the isotopic drawing of sources and the processes affecting the nickel. This work focused on the use of the isotopes of Ni as tracer aimed at identifying the isotopic signature within several compartments in interactions some with the others (source rock, saprolite, laterite, soil and plants) and to associate the fractionation observed in the biogeochemical processes. Furthermore, because of their economic resources, the studied massifs, Barro Alto and Niquelândia, undergo an important, mining and metallurgical anthropological pressure. So, they offer an opportunity to study the isotopic fractionation of the nickel associated with its anthropological cycle, and to see if it is possible to identify the anthropological contribution in the natural cycle of Ni by its isotopic signature. The results showed that the weathering of rocks UB leads to an isotopic fractionation of Ni, being translated by a loss in heavy isotopes of the solid phase with a Δ⁶⁰Ni of - 0,47 ‰ between the bedrock and the top-soil. This division seems associated at least partially with the incorporation and with the sorption of the light isotopes in iron oxides during the remobilization of Ni. This enrichment in light isotopes in the solid part leads to a heavier isotopic composition in the dissolved phase (waters of massifs: 0.50 ‰ < δ⁶⁰Ni < 0,70 ‰). The saprolitic zone presents an important variation of isotopic signature (δ⁶⁰Ni) from -0,04 ‰ to 1,41 ‰. For samples presenting a heavy isotopic signature, Ni is mainly within the serpentine strongly substituted, when the lighter signatures are in connection with a proportion of Ni more important within the goethite. In a system as this one with a significant number of Ni-bearing phases, it is however very difficult to establish a link between the solid speciation and the isotopic composition. The role of plants in the cycle of Ni was approached by studying the isotopic fractionation of Ni in three species of hyperaccumulating plants of Ni and two species of tolerant plants. There is an isotopic fractionation during the transfer of Ni between the stem and the leaf, which is systematically enriched in heavy isotopes of Ni. The leaves are the compartments of the plants where the Ni contents are the most important. The enrichment in heavy isotopes of Ni in leaves with regard to soils (- 1,05 ± 0,03 ‰ < Δ⁶⁰Ni_sol-feuilles < - 0,06 ± 0,12 ‰) seems to indicate that the return and the decomposition of this organic matter at soil level will come along with a contribution in heavy isotopes of Ni in the soil. The pyrometallurgical activity lead to an isotopic fractionation during the smelting process in reducing conditions which leads to the formaton of the reduction slag. These slags present an enrichment in heavy isotopes (δ⁶⁰Ni = 0,18 ± 0,05 ‰) compared with the feeding material (δ⁶⁰Ni = 0,08 ± 0,08 ‰) and the end product, the FeNi (δ⁶⁰Ni = 0,06 ± 0,02 ‰). Finally, this study shows that the use of the isotopes of Ni to decipher the Ni anthropogenic and natural is limited because of the low fractionation induced by the pyrometallurgical processes in the looks of the big variability of the natural samples within the literature (-1.03 ‰ < δ⁶⁰Ni < 2.50 ‰).

Etude expérimentale et modélisation, en fonction du pH et de la concentration en NaCl, du système ternaire U(VI)-NaCl-H2O à T = 155°C et pression de vapeur saturante. Une étude expérimentale sur la solubilité de l'U(VI) dans des saumures de NaCl (0.5 – 6 M) en fonction du pH (3-13) a été réalisée à T = 155°C et pression de vapeur saturante. Les résultats obtenus ont montré que la phase solide initiale UO3 se transforme en de multiples phases solides d'uranates de sodium de formule générale Na2xUyO(x+3y) hydratés dont le rapport molaire Na/U croit avec l'accroissement du pH et de la concentration de NaCl. La solubilité de l'U(VI) est directement gouvernée par trois paramètres physico-chimiques : le pH, le ligand Cl- et le cation Na+. Les deux premiers favorisent fortement la solubilité de l'U(VI) sous forme de complexes d'U(VI) avec les ligands OH- et Cl- à pH = 4. A la différence des deux premiers paramètres, le cation Na+ inhibe la solubilité de l'uranium (VI) en le précipitant sous forme de multiples composés d'uranates de sodium très peu solubles. Les résultats de mesures de solubilité de l'U(VI) obtenues servent de base de données de référence pour calculer les variations de la concentration de chaque complexe soluble d'U(VI) en fonction de deux paramètres, pH et [Na], à l'aide d'une équation de type exponentielle d’un paraboloïde elliptique négatif. Un modèle empirique a également été mis au point, à partir des équations de Pitzer, afin de déterminer, de manière continue, les variations des divers paramètres physico-chimiques des ions solubles présents dans une saumure de NaCl en fonction de quatre paramètres : pH, [Na], T et P du milieu réactionnel. Ce modèle est valable jusqu’à [NaCl] = 6M, T = 300°C et P = 100 MPa. / An experimental study on the solubility of U(VI) in concentrated (0.5-6.0 M) NaCl solutions as a function of pH (3-13) has been realized at 155°C and saturation vapor pressure. The obtained results indicate that the initial solid phase UO3 initial solid phase is transformed into multiple solid phases of hydrated sodium uranates with general formula Na2xUyO(x+3y), the Na/U molar ratio of which increases with increasing pH and NaCl concentration. The solubility of U(VI) is directly dependant of three physico-chemical parameters : the pH, the Cl- ligand, and the Na+ cation. The first two parameters strongly favour the U(VI) solubility in the form of aqueous U(VI) complexes with the OH-and Cl- ligands at a pH = 4, while the Na+ cation inhibits the solubility of U(VI) as it precipitates into various low solubility sodium uranates. The results of solubility measurements obtained for U(VI) serve as a reference data base for the calculation of concentration variations of each soluble U(VI) complex as a function of two parameters, pH and [Na], with the use of a negative elliptic paraboloïd exponential. An empirical model has also been developed from the Pitzer equations in order to determine, in a continuous way, the variations of various physico-chemical parameters of the soluble ions present in the concentrated NaCl solutions as a function of four parameters: pH, [Na], T and P of the reaction medium. This model is valid up to [NaCl] = 6M, T = 300°C and P = 100 MPa.

Le comportement de certains radionucléides (RN) anthropiques (137Cs, 238,239+240Pu et 241Am) a été étudié dans des échantillons naturels de sol, d’eau et de sédiments prélevés dans le Massif du Boréon. Dans ce milieu non anthropisé, ces RN restent détectables et proviennent des essais nucléaires atmosphériques (238,239+240Pu et 241Am) et de l’accident de la centrale nucléaire de Tchernobyl (137Cs). Les pollutions radioactives restent en surface dans ces sols non perturbés. Dans les sédiments lacustres, l’apport direct des retombées radioactives est détectable en profondeur car sous l’effet de la sédimentation les RN ont quitté la surface. Les transferts entre ces 2 compartiments naturels ont montré l’importance de l’eau comme vecteur de transport et la prédominance du lessivage par rapport à la lixiviation. Le lessivage transporte les RN des pentes du bassin versant, vers la clairière puis vers les sédiments via la phase aqueuse. Dans les échantillons solides, les RN ont une faible mobilité, 241Am est l’isotope le plus mobile et 137Cs l’isotope le moins mobile. Les isotopes 238,239+240Pu ont un comportement intermédiaire. La mobilité est corrélée au contact de l’échantillon solide avec l’eau, ainsi la mobilité des RN est plus importante dans les sédiments que dans le sol. L’évolution temporelle de la radioactivité n’a pu être décrite malgré un essai basé sur les isotopes de Pb en raison de la complexité du milieu naturel. Deux approches (tests de sorption et analyse structurale de l’eau et du sédiment dopés par spectroscopie d’absorption X et spectroscopie laser résolue en temps) au laboratoire ont permis de mieux comprendre le comportement de Am à travers son analogue Eu. Dans l’eau dopée, la présence de 2 complexes, un inorganique Eu(OH)CO3(aq) et un organique avec les acides humiques, a été envisagée. Les sédiments lacustres ont une importante capacité de rétention avec une cinétique de sorption rapide présageant de la faible mobilité de Am dans ce milieu naturel. / The behavior of certain anthropogenic radionuclides (RNs) (137Cs, 238,239+240Pu, 241Am) was studied in samples of soil, water and sediment collected in the Boreon Massif. In this non-anthropized environment, these RNs are still measurable. They come from nuclear weapon tests (238,239+240Pu and 241Am) and from the Chernobyl nuclear power plant accident (137Cs). Radioactive pollutions stay near the surface in these undisturbed soils. In the lake sediments, direct deposits of the radioactive fallouts are detected in depth due to the effect of sedimentation causing RNs to leave the ground surface. The transference between those two natural compartments has shown the importance of water as a transport vehicle and the prevalence of leaching compared to lixiviation. Leaching carries RNs from the drainage basin slopes, to the clearing and then to the sediment through the aqueous phase. In solid samples, RNs have a low mobility, 241Am is the most movable isotope and 137Cs the less movable. 238,239+240Pu isotopes have an intermediate behavior. Mobility rate is correlated with the contact of the solid sample with water. Thus, RN mobility is more important in sediment than in soil. Temporal evolution has not been performed despite a tentative based on Pb isotopes due to the natural environment complexity. Two approaches (sorption tests and structural analysis of spiked water and sediment by X-ray absorption spectroscopy and time-resolved laser induced spectroscopy) in the laboratory have led to a better knowledge of Am behavior using Eu as an analog. In spiked water, the presence of two complexes, one inorganic Eu(OH)CO3(aq) and one organic with humic acids, has been considered. Lake sediment has an important retention capacity with a kinesis of rapid sorption predicting the low mobility of Am in this natural environment.

Les radiations évolutives sont des phénomènes de diversification rapide, et une source majeure de la diversité biologique sur Terre. J'explore ici l'hypothèse selon laquelle les mécanismes écologiques et génétiques à la base des radiations évolutives structurent les patrons macroécologiques et macroévolutifs de diversité. Pour ce faire, j'analyse les prédictions de plusieurs modèles de radiation émergeant des dynamiques spatio-temporelles à l'échelle individuelle. Ces analyses montrent d'abord que la structuration spatiale est un facteur majeur de diversité et d'endémisme au sein des archipels océaniques, en raison d'interactions entre dispersion et spéciation allopatrique. L'intégration de la dynamique des paysages et des processus d'interactions compétitives révèle ensuite comment ces facteurs se combinent pour structurer la forme des arbres phylogénétiques, et notamment générer des arbres déséquilibrés et une décélération du tempo de branchement, souvent observés dans les phylogénies moléculaires. J'explore alors les mécanismes responsables de cette décélération. Je montre qu'elle reflète une diversité-dépendance négative du taux de spéciation, liée à une réduction de la persistance et différentiation écologique des nouvelles populations. Le taux d'extinction n'est lui pas influencé par la diversité, les extinctions étant ici surtout causées par une combinaison d'exclusion compétitive et d'hybridation d'espèces incipientes. Enfin, je mets en évidence l'importance, lors d'une crise d'extinction, de la topologie rangée des arbres phylogénétiques et de la distribution des extinctions sur les pertes de diversité phylogénétique, et donc sur le potentiel d'évolution future. / Evolutionary radiations are phenomena of rapid diversification, and one of the major sources of biodiversity on Earth. Here, I explore the hypothesis that ecological and genetic mechanisms underpinning evolutionary radiations structure macroecological and macroevolutionary patterns of diversity. To this end, I analyse the predictions of several models in which radiations emerge from spatio-temporal dynamics at the scale of the individual. These analyses first show that spatial structure is a major driver of diversity and endemism on oceanic archipelagos due to interactions between dispersal and allopatric speciation. Second, by integrating landscape dynamics and the processes of competitive interactions, I reveal how these factors combine to shape phylogenetic trees, and in particular to beget trees that are unbalanced and exhibit a deceleration in branching tempo, which is often observed on molecular phylogenies. I then explore the mechanisms responsible for this deceleration. I show that it reflects a negative diversity-dependence of the speciation rate, itself linked to a reduction in the persistence and ecological differentiation of new populations. The extinction rate is, on the other hand, uninfluenced by species diversity, extinctions being here mainly caused by a combinaison of competitive exclusion and hybridization of incipient species. Finally, I show that during mass extinctions the ranked topology of phylogenetic trees and the distribution of extinctions among the tips have a strong impact on the loss of phylogenetic diversity, and hence on the potential for future evolution.