Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la synthèse et à la caractérisation de matériaux à base d'argiles naturelles en provenance d'Algérie et de Tunisie, pouvant être utilisés en tant que catalyseurs dans l'oxydation de polluants organiques par les réactions Fenton et photo-Fenton. Nous avons également optimisé les paramètres réactionnels (quantité de catalyseur, concentration en polluant...) dans le but d'améliorer les performances catalytiques de ces derniers. En effet, l'oxydation de polluants organiques récalcitrants par des réactions de type Fenton est considérée comme l'une des techniques les plus performantes parmi les procédés d'oxydation avancée (POA). Elle permet d'aboutir dans certains cas au stade ultime de l'oxydation qui est la minéralisation (transformation en CO₂ et H₂O). La caractérisation des argiles à l'état brut par différentes techniques physico-chimiques montre qu'en plus des matériaux argileux, il existe quelques oxydes métalliques dans toutes les argiles étudiées, avec des proportions plus ou moins variées. En particulier, la smectite a montré une contenance assez importante en fer. Les argiles synthétisés montrent une très bonne performance catalytique en un minimum de temps (2 heures de réaction). Le catalyseur à base de smectite calciné à 450°C et tamisé donne le meilleur rendement catalytique. Cette activité peut être expliquée par la forte teneur en fer ainsi qu'à la combinaison entre le choix de la taille des particules et la température de calcination de la smectite. La caractérisation de ce catalyseur a montré que ce matériau mésoporeux contenait une quantité de fer (III) stabilisée dans la structure par le fait de la calcination. / In this study, we are interested to the synthesis and charaterization of materials based on natural clays from Algeria and Tunisia, usable as catalysts in the oxidation of organic pollutants by the Fenton's and photo-Fenton's reaction. We have also optimized the reaction parameters (amount of catalyst, concentration of pollutant...) in order to improve the catalytic performance of these catalysts. Indeed, the oxidation of recalcitrant organic pollutants by Fenton-type reactions is regarded as one of the most effective method amongst the advanced oxidation process (AOPs). It can lead in some cases to the total mineralization of pollutants (conversion into CO₂ and H₂O). The caracterization of the raw clays various physicochemical methods shows that, in addiction to clay minerals, there are some metallic oxides in all studied clays, with varied proportions. Especially, smectite showed a fairly significant iron capacity. The synthesized clays show a good catalytic performance in minimum of time (2 hours of reaction). The smectite catalyst, sieved and calcined at 450°C gives the best performance. This activity can be explained by the high content of iron as well as the combination of the choice of particle size and the calcination temperature of the smectite. The caracterization of this catalyst, showed that this mesoporous material contains an amount of iron (III) stabilized in the structure by the fact of calcination.

Ce sujet de recherche vise mieux comprendre les processus de bio remédiation qui participent à la réduction des charges en polluants dans les écosystèmes aquatiques du type zones humides, en tant que question d'actualité en ingénierie écologique. L'efficacité des processus de phytoremédiation a été largement démontrée par des applications individuelles sur le sol et les sédiments. Cette thèse a pour objectif de démontrer la participation d'une population d'invertébrés dans l'efficacité de la réduction de polluants des sédiments aquatiques en combinant le processus de bioturbation avec la phytoremédiation. Les hypotheses de recherche ont été testée expérimentalement en conditions de laboratoire à l'aide d'une série de microcosmes reproduisant chacun une portion d'interface eau/ sédiments similaire aux conditions en zones humides. Dans nos expériences, la bioturbation est réalisée par une population d'oligochètes Tubificidae bien connue comme un ingénieur écologique. La phytoremédiation associée est effectuée par une plante aquatique Typha latifolia connue pour sa capacité à extraire les polluants organiques et inorganiques des sédiments par l'accumulation dans leur biomasse. L'influence de cette biodiversité sur les flux et bilan de masse de polluants modèles, a été démontré à l'aide de 2 expériences de laboratoire mettant en oeuvre des séries de microcosmes contaminées avec du Cadmium en tant que métal trace avec une concentration initiale de 20 µg.L-1, dans l'eau surnageante, et de l'atrazine marquée avec une concentration de 5 µg.g-1 de sédiment frais en tant que micropolluant organique persistant et herbicide. Les résultats de ces expériences démontrent que le bio-transport créé par la population de tubificidae ainsi que la bioremédiation sont toujours actifs en présence de contamination ce qui confirme le potentiel de dévelopement de ces organismes en ingénierie écologique. La bioadvection du sédiment et des contaminants par les tubificidae est quantifiée grâce à l'utilisation de luminophores (traceurs particulaires). [...] / The development of efficient bioremediation techniques to reduce pollutant loads in aquatic ecosystems is a challenging research question for ecological engineering. The accuracy of phytoremediation processes has been primarily demonstrated by individual applications on soils or water sediments. The present Ph.D. aims to demonstrate the interest of additional bioturbation combined to phytoremediation processes for the improvement bioremediation efficiency of aquatic sediments. This strategy benefits are tested experimentally in controlled laboratory conditions with a serie of microcosms reproducing each a portion of water/sediment interface such as in wetland areas. In our experiments, bioturbation was carried out by a conveyor-belt invertebrate population, the tubificidae oligochaetes Tubifex tubifex, well known as an active ecological engineer. The phytoremediation was conducted by the riparian plant Typha latifolia known for its ability to remove organic and inorganic pollutants from sediments by accumulation into its biomass. The experiments were managed to demonstrate the effects of this biological influence (plant and inveterbrate) on the mass balances and fluxes of one metal and one pesticide as models of pollutants. Cadmium as a heavy, inorganic and conservative metal pollutant was introduced as a pulse input in the overlying water of the contaminated microcosms, with a cadmium concentration of 20 µg.L-1 in at the initial time of the experiment that lasted one month. In a second experiment, atrazine was mixed in the whole sediment column at the initial time in order to reach a concentration of 5 µg.g-1 of fresh sediment as a source of organic micropollutant and herbicide in the microcosms. The pesticide was radiolabeled with 14C. Fluxes from water to sediment, and from sediment to plants were assessed in experimental conditions with several treatments (+/- plants, +/- bioturbation, +/- pollutants) allowing to demonstrate the effects of the biological influence. Our results indicated that the tubificids and the related bioremediation influences are still efficient under cadmium and atrazine contaminations in aquatic systems. Biotransport due to tubificids changed the distribution of cadmium across the sediment column and enhanced the pumping of cadmium from the water to surface sediment and then to the anoxic underlying sediment surrounding the plant roots. [...]

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

Le Rhin a subi d’importantes modifications qui ont altéré la biodiversité de l’ensemble de la plaine alluviale. Des actions de restauration ont été initiées pour lui redonner une part de son fonctionnement hydromorphologique naturel. Le travail de thèse a consisté à évaluer les effets de ces restaurations et à mettre en évidence les processus mis en jeu dans les changements de la biocénose des milieux restaurés. Les résultats ont démontré que les communautés biologiques sont non seulement gouvernées par les modifications physiques post-restauration mais aussi par l’influence discrète de déterminants externes à la restauration tels que les invasions biologiques ou la dynamique interne du fleuve. L’aspect transitoire des bénéfices obtenus a été souligné comme la principale limite de l’injection sédimentaire alors que les épis transversaux artificiels mis en place dans le cadre d’un essai d’érosion maitrisée se sont révélés être les facteurs de durabilité des effets écologiques. / The Rhine River has undergone major engineering works that led to severe alterations which helped to alter the biodiversity of the entire floodplain. Restoration actions have been initiated to give it back a part of its natural hydro morphological functioning. The thesis consisted in evaluating the effects of these restorations and in highlighting the mechanisms and processes involved in biocoenosis changes of the restored environments. The results also showed that the post-restoration biological community is not only defined by post-restoration physical changes but also by the discrete influence of external determinants of restoration such as biological invasions or the internal dynamics of the river. The transitional aspect of the benefits incurred has been identified as the main limit of the gravel augmentation, while the implementation of transverse artificial groynes in the controlled bank erosion has proved to be factors of sustainability of the ecological effects.

La restauration écologique est considérée comme un des moyens susceptibles d'enrayer la perte de la biodiversité. Les changements d'occupation du sol peuvent être des opportunités pour restaurer des écosystèmes dégradés par les activités agricoles. C'est notamment le cas du projet participatif du domaine du Cassaïre, situé dans le delta du Rhône, qui vise à recréer sur d'anciennes rizières des écosystèmes méditerranéens favorables à l'activité cynégétique. Deux écosystèmes sont plus particulièrement visés, les marais temporaires et les pelouses méso-xériques. Les objectifs de la thèse sont de mettre en évidence les principaux mécanismes concourant à l'installation d'une communauté végétale, de tester des techniques de restauration et d'en évaluer les conséquences pour les communautés végétales mais aussi pour d'autres compartiments de l'écosystème. En l'absence d'espèces cibles dans le pool régional d'espèces, l'introduction de ces espèces est nécessaire en addition de la restauration des conditions abiotiques. L'étrépage et le transfert de sol pour la communauté des marais permettent une augmentation des espèces cibles et de la similarité avec la communauté de référence. Cette technique apparaît moins pertinente pour la communauté d'invertébrés aquatiques. Le succès contrasté du transfert de sol souligne les risques à ne pas privilégier qu'un nombre restreint d'indicateurs de restauration, ne reflétant pas l'ensemble de l'écosystème. L'étrépage de sol suivi d'un transfert de foin semble être une combinaison pertinente pour recréer la communauté végétale de pelouses, même si les résultats obtenus, probablement en raison d'une compétition élevée, sont moins convaincants que pour les marais temporaires. Nos résultats obtenus pour la grande majorité en mésocosmes, s'ils ne concernent que les premières étapes de la restauration, mettent cependant en évidence des techniques de restauration qui paraissent pertinentes pour installer certaines composantes des deux écosystèmes de référence. Ces résultats, par leurs limites, suggèrent néanmoins de privilégier la conservation in situ des habitats naturels plutôt que de chercher à les restaurer après qu'ils aient été détruits.

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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

Suite à une anthropisation généralisée des ressources aquatiques et des écosystèmes associés, on retrouve de nombreux contaminants chimiques organiques à l’état de traces dans l’environnement aquatique. En parallèle de ces contaminants, dans les milieux aquatiques on retrouve également des molécules rassemblées sous la dénomination « matière organique dissoute (MOD) », qui sont des mélanges complexes de molécules et macromolécules, qui peuvent s’associer à ces contaminants et influencer leur comportement et leur distribution. Les interactions entre MOD et contaminants peuvent s’avérer difficiles à étudier étant donné qu’elles sont dépendantes de nombreux facteurs tels que la nature des contaminants et de la MOD, ainsi que des paramètres physico-chimiques du milieu. L’objectif de ces travaux était donc d’étudier ces interactions. Les contaminants organiques choisis ont été les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) et les substances pharmaceutiques. D’autre part, plusieurs types de MOD d’origine naturelle ou commerciale ont été utilisés. Pour étudier les interactions, plusieurs techniques analytiques ont été développées dont la micro-extraction sur phase solide couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse et l’extinction de fluorescence. / In relation with a widespread human impact on aquatic resources and ecosystems, many organic chemical contaminants are present at trace levels in aquatic environments. In parallel to these contaminants, dissolved organic matter (DOM), which is composed of complex mixtures of molecules and macromolecules, is also found and could be associated with these contaminants and influence their behavior and distribution. Interactions between DOM and contaminants can be very difficult to understand because they depend on many factors such as the nature of contaminants and DOM, as well as on environmental physico-chemical parameters. The aim of this work was thus to study these interactions. Organic contaminants studied were Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and pharmaceuticals. On the other hand, several types of natural and commercial DOM have been used. To study the interactions, several analytical techniques have been developed like solid phase microextraction coupled to gas chromatography and mass spectrometry and fluorescence quenching.

Les écosystèmes aquatiques contiennent environ 25% de la biodiversité globale et sont parmi les plus affectés par l’activité humaine. Cela est entre autres causé par la position de « receveur » des rivières, lacs et océans dans leur bassin versant. Les espèces aquatiques, en eau douce particulièrement, sont ainsi hautement à risque d’être affectées par l’activité humaine. La protection de ces espèces peut inclure la protection et la restauration de leurs habitats. Les modèles de qualité d’habitats (MQH) peuvent être utilisés afin de déterminer quels habitats protéger et restaurer. Les MQH définissent la relation entre un indice de qualité d’habitats (IQH, e.g. densité) et des conditions environnementales. Toutefois, la performance des MQH dépend de l’IQH sélectionné. Ici, notre objectif est de comparer des MQH basés sur deux IQH estimés pour des poissons en rivière : 1) la densité instantanée, échantillonnée en transect par plongée en apnée et 2) la densité cumulative, échantillonnée en point fixe par caméra-vidéo en stéréo. Au total, douze modèles ont été construits et nos analyses indiquent que les MQH basés sur la densité instantanée ont des capacités explicatives significativement supérieures. Les variables environnementales retenues pour expliquer la distribution de chaque espèce sont toutefois différentes. Cela semble être causé en partie par des différences inhérentes à l’échantillonnage (e.g. échelle spatiale). Ces résultats démontrent que la densité instantanée en tant qu’IQH produit des MQH aux capacités explicatives supérieures et que les deux IQH semblent donner des informations complémentaires sur les caractéristiques des habitats à protéger et à restaurer. / Aquatic ecosystems contain approximately 25% of the global biodiversity and are among the most affected by human activity. This may be caused by the position of “receivers” rivers, lakes and oceans have in their watershed. Aquatic species, specially in freshwater, are thus at high risk of being affected by human activity. Assuring the survival of these species may include protecting and restoring their habitats. Habitat quality models (HQM) can be used to determine which habitats to protect and how to restore damaged habitats. HQM are relationships between habitat quality indices (HQI, e.g., density) and environmental conditions prevailing in those habitats. However, how well an HQM performs depends on the chosen HQI it is computed with. For this research, we compared HQM based on two HQI estimated for fish in a river : 1) instantaneous density, sampled by transect snorkeling survey and 2) cumulative density, sampled by fixed stereo-video recording. Analyses of twelve HQM show that, contrary to our hypothesis, HQM based on instantaneous density had higher explanatory capacities. However, environmental conditions selected by both types of HQM to explain a species’ distribution were different. This may in part be explained by inherent differences of the sampling methods (e.g., spatial scale). We conclude that instantaneous density as HQI produces HQM of higher explanatory capacities, yet both HQI may provide complementary information on the characteristics of habitats to protect and restore.