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

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

La zone littorale, de grande importance pour le fonctionnement écologique du lac, est souvent la première zone réceptrice de la contamination provenant du bassin versant. Cette pollution est majoritairement piégée dans les sédiments de surface. Pour autant, les conditions environnementales variables qui règnent en zone littorale sont susceptibles de favoriser la biodisponibilité des contaminants par le jeu des réactions physico-chimiques et biologiques. Cette thèse s’appuie sur l’étude de deux grands lacs péri-alpins, le Lac du Bourget et le Lac d’Annecy, pour mieux comprendre le comportement des polluants sédimentaires (ETM, HAP et PCB) en zone littorale lacustre. Nos travaux visent notamment (1) à caractériser la contamination littorale et l’influence des sources locales dans cette contamination, (2) à évaluer l’écotoxicité des sédiments littoraux et les changements de mobilité et de biodisponibilité des polluants sédimentaires sous l’influence de changements abiotiques de la zone littorale tels que ceux induits par le marnage lacustre. Nos résultats montrent que la contamination des sédiments et organismes autochtones présente une hétérogénéité spatiale significative sur le littoral des deux lacs, tant en intensité qu’en composition (i.e. profil de contamination). L’implication de sources locales (e.g. eaux pluviales drainées sur le bassin-versant) dans cette hétérogénéité spatiale a été mise en évidence. L’écotoxicité des sédiments de la zone littorale, évaluée via la réponse de biomarqueurs enzymatiques (AChE, GST), physiologiques (e.g. taux d’ingestion chez D. magna) et des traits de vie (e.g. taux de croissance, reproduction et survie) présente également une hétérogénéité spatiale significative. La biodisponibilité des ETM sédimentaires a été plus spécifiquement étudiée aux interfaces sédiment-eau-biote. Elle varie selon l’élément, le biote exposé (benthique ou pélagique) et sous l’effet du marnage. L’assèchement et remise en eau du sédiment littoral s’accompagnent d’une réduction de la fraction biodisponible des ETM. L’abaissement de la hauteur d’eau, en revanche, entraîne une accentuation de la remise en suspension de particules sédimentaires susceptibles d’exercer un risque écotoxicologique sur le biote littoral. Nos résultats soulignent la complexité de la contamination littorale et de son transfert dans les grands lacs péri-alpins et encouragent les approches écotoxicologiques dans l’évaluation de l’état écologique. / The littoral zone of lakes is of great ecological importance and yet receives a large array of contaminants from the watershed. This pollution is mainly trapped by the surface sediment, but its bioavailability may be allowed by physico-chemical and biological reactions in this zone of high environmental fluctuations. This work aims at improving knowledge about the behavior of sediment-borne contaminants (trace metals, PAHs and PCBs) in the lake littoral zone by using two large perialpine lakes; Lake Bourget and Lake Annecy. More precisely, our goals were to (1) characterize the littoral contamination and the influence of local sources in this contamination, (2) assess the ecotoxicity of the sediment-borne contamination and the main changes in its mobility and bioavailability under abiotic changes in the littoral zone, such as those related to water-level fluctuations in lakes. The contamination of the sediments and native organisms exhibited a significant spatial heterogeneity along the lake littoral, in both intensity and profile’s composition. The involvement of local sources of contamination (e.g. stormwater runoff) as drivers of this spatial heterogeneity has been highlighted. The ecotoxicity of littoral sediments was assessed through the responses of enzymatic biomarkers (AChE and GST), physiological traits (e.g. ingestion rates in D. magna) and life-history traits (e.g. growth, reproduction and survival rates). Our results also underscored a significant spatial heterogeneity of the littoral sediment ecotoxicity. A greater focus on the bioavailability of trace metals at the sediment-water-biota interfaces showed that bioavailability depends on the metal, the exposed biota (benthic vs pelagic) and fluctuate under water-level fluctuations. Drought and re-immersion of surface sediments were followed with a reduction of the bioavailable fractions of the trace metals. However, decreases in the water-level led to increase suspended sediments in the water column, which may exert an ecotoxicological risk for the littoral biota. Our results underline how complex the littoral contamination and bioavailability are and promote ecotoxicological approaches in the assessment of the ecological status of large lakes.

Le fonctionnement des milieux aquatiques d’origine anthropique est étroitement dépendant des usages ; l’environnement des communautés biologiques est donc généralement fluctuant. L’étude du lien entre environnement et organisme est alors plus complexe que dans les environnements stables. Ce travail de thèse vise à mieux comprendre comment l’ichtyofaune réagit face aux changements des conditions environnementales dans une retenue soumise à marnage, la retenue des Bariousses, située sur la Vézère.Une approche multi-échelle à la fois biologique (communauté et individus) et temporelle (cycles annuel et journalier) a été adoptée. Une attention particulière a été donnée à la zone littorale car elle joue un rôle crucial pour les communautés piscicoles des milieux lacustres et constitue la première zone affectée par les variations du niveau de l’eau. L’étude se décompose en quatre parties. La première présente les caractéristiques du site d’étude et la seconde décrit l’impact des variations du niveau de l’eau sur les habitats à partir d’une analyse cartographique de la zone littorale. Les conséquences de la contrainte hydrologique via les modifications des conditions d’habitats ont été ensuite analysées en parallèle des effets de la température de l’eau et de la photopériode. Ensuite, la troisième partie présente l’effet de la variabilité temporelle des conditions environnementales, induites par les variations du niveau de l’eau, sur la composition de la communauté littorale (échantillonnage par pêche électrique). Un système innovant de positionnement par télémétrie acoustique (Vemco Positioning System) a finalement permis dans une quatrième partie d’étudier cet impact à un niveau individuel en analysant le comportement de 90 individus de trois espèces différentes (sandre, brochet et perche commune) avec une précision satisfaisante (erreur moyenne de 3.3 m après filtration). Nous avons mis en évidence que les fluctuations du niveau de l’eau induisent une variabilité temporelle de la surface et du volume occupés par la zone littorale. De plus, une diminution progressive de la complexité structurelle des habitats littoraux avec une tendance à l’homogénéisation (dominance des substrats fins et de l’absence de végétation) est observée suite à un abaissement du niveau de l’eau. Malgré ces changements des conditions d’habitats induites par les variations du niveau de l’eau, la communauté piscicole littorale n’a pas montré de nets changements de composition. Une forte variabilité inter individuelle des réponses comportementales aux fluctuations environnementales est notée mais, la température et la photopériode représentent deux paramètres structurant majeurs de l’activité et du choix des habitats. Le niveau d’eau affecte une partie du peuplement, certains individus fréquentent davantage la zone littorale et sont moins mobiles lorsque les habitats accessibles en bordure sont plus complexes (niveau d’eau élevé). Ces résultats ont permis de proposer quelques pistes de réflexion sur la gestion des niveaux d’eau sur cette retenue, en lien avec le peuplement de poissons. / Aquatic ecosystem functioning in human-impacted environments is highly dependent of its uses; in consequence, the environment of biological communities is generally fluctuating. Studying the link between environment and organism in fluctuating environments is generally more complex compared to steady environments. The main objective of this work was to better understand how fish populations respond to environmental modifications in a reservoir affected with water level fluctuations (WLF), the Bariousses’s reservoir located on the Vézère River.A multiscale approach was used with different biological (community and individual) and temporal (annual and daily cycles) scales. A special attention was given to the littoral zone as it plays a key role for lake fish communities and since it is strongly affected by WLF. This work is divided in 4 parts. The first part presents the characteristics of the study site and the second part describes the impact of WLF on the studied habitats using a mapping of the littoral zone. The consequences of hydrological stress through the changes in habitat conditions were also analyzed as well as the effects of water temperature and photoperiod. The third part shows the effect of the temporal variability of environmental conditions induced by WLF on the composition of the littoral fish community (sampled by electrofishing). The fourth part presents an innovative positioning system acoustic telemetry (Vemco Positioning System) that was used to study the impact of WLF at the individual scale by analyzing the behavior of 90 individuals from three different fish species (pikeperch, pike and perch) with a satisfactory accuracy (average error of 3.3 m after filtration).The results of this work showed that WLF induced a temporal variability of the littoral zone surface and volume. In addition, a gradual decrease of the structural complexity of littoral habitats was associated with lower water level inducing a trend to homogenization (dominance of thinner substrates without vegetation). Despite these changes in habitats conditions induced by WLF, littoral fish community did not show any clear change in composition. High inter-individual variability of behavioral responses was observed in response to environmental fluctuations, but the temperature and photoperiod were the two major structural parameters controlling fish activity and spatial distribution. Water level affected a part of the fish population since more individuals attended the littoral zone and were less mobile when available habitats were more complex (with a high water level). These results allowed us to suggest some ideas for the management of water levels in the studied reservoir focused on the fish population.

Dans le cadre de l'étude de cas du fleuve St Laurent du réseau COMERN, l'objectif général de la thèse était de déterminer le rôle des macroinvertébrés littoraux dans le transfert de méthylmercure (MeHg) dans l'écosystème du lac St Pierre.<br /><br /> Le premier chapitre était consacré à la contribution quantitative des invertébrés non consommables (« impasses trophiques ») au transfert de MeHg vers les poissons. Pour cela, les concentrations en mercure total (THg) et en MeHg chez quatre groupes fonctionnels de macroinvertébrés littoraux (brouteurs, détritivores, prédateurs consommables, prédateurs non consommables) ont été mesurées. Les résultats ont montré que les prédateurs non consommables présentaient les plus fortes concentrations en THg, en MeHg ainsi que la plus forte proportion de MeHg/THg de tous les groupes fonctionnels. La charge (concentration × biomasse) de MeHg des prédateurs non consommables représentait de 10 à 36% du réservoir de MeHg des invertébrés phytophiles. Cette proportion élevée de MeHg séquestrée dans des impasses trophiques pourrait contribuer à expliquer les faibles concentrations en Hg mesurées chez les poissons du lac St Pierre. Nos résultats montrent que les organismes non consommables doivent être pris en compte dans les modèles prédictifs de contamination des écosystèmes par le Hg afin d'éviter de surestimer les quantités de MeHg biodisponibles pour les poissons.<br /><br /> Dans le deuxième chapitre, l'objectif était de déterminer les liens entre la source de matière organique (MO) et la contamination au MeHg chez les macroinvertébrés littoraux consommateurs primaires. Une approche isotopique a été appliquée pour répondre à cet objectif. Les sources autochtones (épiphytes et macrophytes) étaient majoritaires dans la MO assimilée par les consommateurs primaires, avec une proportion plus faible de MO allochtone (matières particulaires en suspension notamment). Le MeHg/THg chez les macroinvertébrés était corrélé positivement avec les proportions d'épiphytes, alors ces dernières étaient corrélées négativement avec la fraction de Hg inorganique. Cette découverte peut faire supposer que la voie d'entrée principale du MeHg dans les réseaux trophiques littoraux se situe dans les épiphytes. Les consommateurs primaires pourraient alors moduler le transfert de MeHg vers les niveaux trophiques supérieurs suivant qu'ils s'alimentent de sources de MO à forte ou à faible concentration en MeHg.<br /><br /> Le troisième chapitre traitait de l'influence du groupe fonctionnel (brouteur, collecteur, fragmenteur, omnivore, prédateur, prédateur-hématophage, piqueur-suceur) et des variables spatiotemporelles (année, mois, station d'échantillonnage) sur la signature de δ15N des macroinvertébrés littoraux du lac St Pierre. La station était le facteur le plus important pour expliquer les variations de δ15N, suivie du mois d'échantillonnage et du groupe fonctionnel. Les organismes de la rive sud, très influencée par les apports d'azote inorganique agricole avaient des valeurs de δ15N plus élevées que ceux de la rive nord qui reçoit des apports du Bouclier Canadien. La signature de δ15N des organismes a augmenté d'environ 3‰ durant la période d'échantillonnage, de mai à septembre, soit l'équivalent d'un niveau trophique. L'enrichissement du δ15N des herbivores aux prédateurs était en moyenne de 1.6‰, ce qui est inférieur aux 3.4‰ généralement considérés chez les organismes de la zone pélagique. Puisque le fractionnement isotopique n'est pas homogène dans tout le réseau trophique, nous conseillons d'employer des valeurs de fractionnement spécifiques aux niveaux trophiques considérés, afin de mieux reconstruire les réseaux trophiques littoraux.<br /><br /> Dans le dernier chapitre, les rôles de l'habitat et de l'architecture des macrophytes sur la biomasse et l'abondance des invertébrés phytophiles étaient étudiés. Nous avons aussi calculé une estimation à l'échelle du lac de la biomasse de macroinvertébrés associée aux différents types d'habitats macrophytiques afin d'estimer les effets quantitatifs de changements de végétation sur les communautés de macroinvertébrés. La biomasse, l'abondance et la richesse des communautés d'invertébrés étaient plus élevées dans les habitats de macrophytes submergées que dans ceux de macrophytes flottantes et émergentes. Les macrophytes avec une architecture complexe n'hébergeaient pas significativement plus de biomasse de macroinvertébrés que celles avec une architecture plus simple. Dans le cas d'une baisse de niveau d'eau du lac St Pierre nous avons prédit que la biomasse totale d'invertébrés phytophiles diminuerait de 16% à l'échelle du lac.<br /><br /> Dans les réseaux trophiques littoraux, il apparaît que les flux d'énergie et de MeHg ne sont pas parfaitement superposés. Premièrement, les bas niveaux trophiques constitués par les macroinvertébrés consommateurs primaires sont capables d'effectuer une modulation des flux de MeHg suivant la nature de leurs sources de MO. Deuxièmement, parmi les consommateurs secondaires une proportion non négligeable du réservoir de MeHg ne sera que peu ou pas disponible pour le transfert vers les poissons. La faible différence de δ15N entre les consommateurs primaires et secondaires nous permet d'émettre des doutes quant à l'utilité de cet outil en tant que traceur du niveau trophique d'un organisme de la zone littorale comparé au δ13C.

L’étude archéologique d’un site est réalisée sur la base d’une fouille, qui est une étude précise sur une ouverture restreinte. En amont de cette opération, la prospection géophysique offre la possibilité de localiser une zone susceptible d’apporter des informations majeures par une cartographie détaillée du site. Ces travaux de thèse se focalisent sur un protocole original de prospection magnétique pour détecter des structures pluri-métriques à pluri-décimétriques et une démarche méthodologique pour estimer la conservation d’un niveau d’occupation archéologique. Ces développements ont été réalisés pour apporter un maximum d’information sur l’occupation anthropique et cibler une zone de fouille suivant la problématique archéologique associée au site. Dans les zones littorales et suivant la période chronologique considérée, l’environnement associé à une occupation était différent. La modification relativement rapide des environnements côtiers résulte de la remontée du niveau marin depuis la fin du dernier maximum glaciaire. Dans le cadre d'une étude paléoenvironnementale associée à un site, l’objectif de la prospection géophysique est similaire à celle effectuée pour une fouille : localiser une zone d’implantation des carottages paléoenvironnementaux. La démarche méthodologique développée dans ces travaux est basée sur une approche paléogéographique de l’environnement à partir de prospections géophysiques multi-méthodes et multi-échelles. Des prospections électromagnétiques (Slingram), des sections électriques et des diagraphies électriques (direct-push) apportent une représentation cartographique et stratigraphique des contrastes géophysiques de la subsurface. Deux zones d’étude ont été sélectionnées pour tester et mettre en place ces démarches méthodologiques, le site néolithique du Pontet (Charente-Maritime) et les ports antiques de Narbonne. Ces deux sites sont dans des contextes archéologiques, géographiques et géologiques différents. / Archaeological study of a site is based on an excavation which is a comprehensive study on a restricted gap. Before excavation, geophysical survey supplies the possibility to locate an area likely to provide details by detailed mapping of the site. This PhD work focus on an original magnetic survey protocol to detect pluri-metric and pluri-decimetric structures and a methodological approach to estimate the conservation of an archaeological level occupation. These developments have provided maximum information on anthropogenic settlement and to target excavation zone according to the archaeological problem of the site. In coastal zones and according to the considered chronological period, the environment of the settlement was different. The relatively rapid change in coastal environments results from the rise of sea level since the end of the last glacial maximum. As part of a paleoenvironmental study of a site, the objective of geophysical survey is similar to that for excavation : locating an area to paleoenvironmental coring. The methodological approach developed in this work is based on a paleogeographic approach to the site environment using multi-method and multi-scale geophysical surveys. Electromagnetic survey (Slingram), electrical tomography and direct-push electrical resistivity logging provide a cartographic and stratigraphic representation of the geophysical contrasts of the subsurface. Two study areas were selected to test and implement these methodological approaches, the Neolithic site of Le Pontet (Charente-Maritime) and the ancient harbours of Narbonne. These two sites are in different archaeological, geographical and geological contexts.

Notre travail s'intègre dans la tendance actuelle concernant le développement durable et la gestion intégrée des zones côtières. Plus précisément, nous nous sommes intéressés aux besoins de la communauté opérationnelle dépendante du littoral, et au développement et à l'évaluation de méthodologies ad hoc. Nous proposons un ensemble de procédures et d'outils de suivi et de simulation d'environnements littoraux, reposant sur l'utilisation conjointe de données de télédétection, de modèles numériques du transfert radiatif dans la mer et l'atmosphère et éventuellement de mesures in situ, permettant de dériver des informations pertinentes sur la distribution spatiale des propriétés optiques dans les eaux du cas II. Nous montrons que des méthodes robustes de traitement des images à haute résolution spatiale, facilement transposables d'un site à l'autre, sont au coeur du besoin pour un meilleur suivi du domaine littoral par télédétection. Nous dressons un panorama comparatif et critique des méthodes historiques et précisons le cadre opérationnel de leur application. Une analyse détaillée du transfert radiatif dans les eaux littorales turbides permet d'identifier les processus optiques prépondérants et dont la prise en compte est nécessaire à une modélisation satisfaisante de ces environnements. Nous proposons des approches innovantes reposant sur des solutions au problème inverse appliqué à l'optique marine. Ces procédures et méthodes sont intégrées dans un outil logiciel dédié, incluant différents modèles de simulation du transfert radiatif dans les eaux côtières, et un ensemble d'outils de traitement d'image de la couleur de la mer, adaptés au contexte de travail d'un utilisateur opérationnel. La robustesse des méthodes développées est évaluée au travers d'analyses de sensibilité. Cette approche nous a permis de prendre en compte les caractéristiques des capteurs futurs ayant un fort potentiel pour l'étude des zones côtières (MERIS, NEMO-COIS). L'intégration du prototype dans un Système d'Information Marin fournira à terme les conditions d'exploitation optimale de l'outil.