Cette thèse présente les études de sonoluminescence multibulle (MBSL) effectuées à l’ICSM pour compléter de précédents résultats ayant mis en évidence la formation d’un plasma hors équilibre au cours de la cavitation multibulle dans l'eau. La sonoluminescence et la réactivité sonochimique de l’eau sous flux continu de mélanges gaz rare et N2 et d’une solution aqueuse d’ammoniaque sous flux continu de gaz rare sont étudiées par plusieurs techniques expérimentales. Nous avons observé, en plus de l’émission de OH (A2Σ+-X2Πi) et du continuum typique de SL, pour la première fois la sonoluminescence de NH (A3Π – X3Σ-). Les spectres de sonoluminescence, le suivi des rendements de formation des produits de la sonolyse et les résultats de fits de NH (A3Π- X3Σ-) et OH (A2Σ+-X2Πi) en utilisant le logiciel Specair confirment l’atteinte de conditions plus extrêmes au moment de l’implosion des bulles à haute fréquence ultrasonore. D’autre part, ces résultats indiquent clairement l’absence d’équilibre thermique à l’intérieur des bulles de cavitation au moment de l’implosion (Tv > Tr) quelles que soient les conditions expérimentales, et que la température vibrationnelle est plus élevée à haute fréquence US ce qui conduit au non suivi de la loi de Boltzmann des populations des niveaux vibrationnels et/ou rotationnels. En parallèle, l’évolution de la taille des bulles de cavitation a été mesurée par une technique d’ultrasons pulsés, dans le cadre d’une collaboration entre l’ICSM/LSFC et l’université de Melbourne en Australie. Nous avons en particulier mis en évidence un problème de coalescence des bulles sous flux continu de gaz, qui complique grandement l’interprétation des résultats de taille des bulles. Une autre observation est que la présence d’azote dans l’argon conduit à une diminution de la taille des bulles. / This thesis presents the studies on multibubble sonoluminescence (MBSL) performed at ICSM to complete previous results that have shown the formation of a non-equilibrium plasma in the multibubble cavitation in water. Sonoluminescence and sonochemical reactivity of water under continuous flow of noble gas and N2 mixtures and of aqueous ammonia solutions under continuous flow of noble gas are studied by several experimental techniques. In addition to OH (A2Σ+-X2Πi) band and continuum emission usually observed in the SL spectra of water in the presence of noble gases, the sonoluminescence of NH (A3Π) radicals was observed for the first time. Spectroscopy of sonoluminescence, the follow up of the sonochemical products and the spectral fits of NH (A3Π- X3Σ-) and OH (A2Σ+-X2Πi) systems using Specair software indicate more drastic conditions at high US frequency. On the other hand, NH* and OH* radicals generated inside the cavitation bubbles are far from equilibrium (Tv > Tr) whatever the experimental conditions and the vibrational temperatures at high frequency ultrasound are much higher compared to 20 kHz ultrasound which leads to strong deviation from the equilibrium (non-Boltzmann behavior). In parallel, the evolution of the bubble size is measured by a pulsed ultrasound technique, in the framework of a collaboration between ICSM / LSFC and the University of Melbourne in Australia. The problem of the coalescence of bubbles under continuous flow of gas was identified, which greatly complicates the interpretation of results of bubble size. Another interesting observation is that the presence of nitrogen in argon leads to a strong reduction in bubble size.

Les souches œnologiques présentent une importante diversité dans leur besoin en azote, qui se traduit par des différences de capacité fermentaire. A l'heure actuelle, les mécanismes impliqués dans la variabilité des profils fermentaires, suite à un épuisement en azote dans le milieu, ne sont pas connus. L'identification de ces mécanismes serait un atout dans la compréhension des phénomènes conduisant aux fermentations problématiques et dans les reprises de fermentation. Afin d'identifier ces mécanismes, nous avons couplé une approche de physiologie et génomique classique, à une approche de génétique impliquant la recherche de QTL basée sur l'efficacité fermentaire en condition de carence en azote. Nous avons ainsi caractérisé cette différence de besoin en azote entre souches comme étant une variabilité dans la capacité à percevoir la carence en azote et à développer un programme de quiescence réduisant le flux d'énergie et augmentant un état de stress. Ces remaniements d'énergie se traduisant alors par des différences de capacités fermentaires. L'approche QTL a quant à elle permis de détecter 23 régions du génome potentiellement impliquées dans le maintien de la capacité fermentaire. Après analyse nous avons identifié 4 gènes dont les variations alléliques sont responsables des variations phénotypiques entre souches. L'utilisation de ces gènes pourrait permettre la conception de marqueurs génétiques, exploités pour la sélection de souches ayant de bonnes capacités fermentaires. Les données issues de cette approche QTL suggèrent une étroite corrélation entre les différences de réponse au stress par les souches et l'implication des mécanismes de perception et de signalisation de l'azote. Enfin, l'ensemble de nos travaux offre une nouvelle hypothèse, en désignant la voie TOR comme le mécanisme responsable de la variation des capacités fermentaires entre souches. / Oenological strains present an important diversity in nitrogen requirement, which result by difference in the fermentative performances. Nowadays, mechanisms involved in variability of fermentation profiles, result in nitrogen depletion in the medium, are not known. The identification of these mechanisms would be an advantage in the comprehension of phenomena leading to problematic fermentation and the fermentation restart. To identify these mechanisms, we have coupled a physiological and classical genomic approach with a genetic approach involving the QTL mapping based on the fermentation capacity in conditions of deficiency. We have characterized this difference in nitrogen requirement between strains as variability in the ability to sense nitrogen starvation and develop a quiescent program that reduces the flow of energy and increases its adaptation to stress. These energy rearrangements result in differences of fermentative performances. QTL approach allowed to detect 23 genome regions potentially involved in maintaining of the fermentative capacity. After analysis we have identified 4 genes for which allelic variations are responsible for the phenotypic variation between strains. The use of these genes may allow the design of genetic markers, exploited for the selection of strains with good fermentation capacity. The data from this QTL approach suggest a correlation between differences in stress response and the involving of mechanisms sensing and nitrogen signaling. Finally, all our work supplies a new hypothesis, pointing to the TOR pathway as the mechanism responsible of variation in fermentation capacity between strains.

Dans le cadre de la recherche de nouvelles sources d'énergie propres et durables, nous étudions les mécanismes de formation du dihydrogène (H2) dans les environnements intra-cratoniques. Des émanations naturelles de H2 ont précédemment été décrites à proximité des dorsales médio-océaniques et des ceintures ophiolitiques. Cette production naturelle de gaz, telle que documentée dans la littérature, est étroitement liée au métasomatisme de roches ultrabasiques d'origine mantellique, riches en minéraux ferromagnésiens, à travers les réactions de serpentinisation. Au Kansas (USA), des émanations de H2 intra-cratonique ont été révélées dès les années 80 par l'étude de puits riches en H2. Nos travaux s'appuient sur un nouveau forage, D#2 (Kansas, USA), ainsi que deux forages existants depuis les années 80, Heins#1 et Scott#1 (Kansas, USA). Le puits D#2 permet d'accéder à un aquifère modérément profond (~300 m) chargé en H2. Le gaz est composé également de N2 et de CH4 tout comme le gaz issu des contextes ophiolitiques. Du He est présent en quantité substantielle -comparé aux contextes précédents- dans ces forages. Afin de comprendre les processus engendrant la production de H2 dans ce contexte géologique, de quantifier le gaz ainsi généré, et de déterminer la relation du H2 avec les autres espèces gazeuses une étude multidisciplinaire gaz/eau/roche a été réalisée. Les résultats obtenus lors de l'étude de ces fluides mis en parallèle avec le contexte géologique régional et les lithologies observées ont permis (1) de proposer différents scénarios pour expliquer les associations de gaz observées et (2) de discuter de l'origine et des processus de production du H2, de l'He, et du N2. / As part of the search for new sources of clean and sustainable energy, the mechanisms for the formation of dihydrogen (H2) in intracratonic environments were studied. Natural emissions of H2 have been described in the vicinity of mid-ocean ridges and ophiolite belts. This natural gas production, as documented in the literature, is closely related to the metasomatism of mantle rocks which are rich in mafic minerals, through the serpentinization reaction. In Kansas (USA), intracratonic H2 seepages were revealed in the 80’s by studies of H2-rich wells. Our work is based on a new borehole D#2 (Kansas, USA), and two boreholes previously studied in the 80s, Heins#1 and Scott#1 (Kansas, USA). The D#2 well provides access to a moderately deep aquifer (~ 300 m) loaded with H2. The gas is also composed of N2 and CH4 similarly to the gases issued from ophiolitic contexts. Helium is present in substantial quantities -compared to preceding contexts- in these boreholes. A multidisciplinary gas/water/rock study was carried out to understand the processes generating the production of H2 in this geological setting, to quantify the gas so generated, and to determine the relationship of H2 with other gaseous species. The results of these studies in parallel with the regional geological setting and observed lithology allowed (1) to propose several scenarios to explain the observed associations of gas and (2) to discuss the origin and production process of H2, He and N2.

Les centres azote-lacune (aussi appelés centres NV) dans le diamant possèdent des propriétés de cohérence de spin exceptionnelles à température pièce, de sorte qu’on peut les utiliser en tant que senseurs quantiques. En particulier, le champ magnétique affecte significativement la raie de résonance de spin, de sorte que des sensibilités au champ allant jusqu’au pT/pHz peuvent être réalisées. À ce niveau de détection, cette technologie quantique est compétitive avec celle des senseurs de champ conventionnels, en plus de posséder un volume de sonde nanométrique. Dans le cadre de cette thèse, les centres NV sont distingués des autres défauts radiatifs dans le diamant, par l’intermédiaire des techniques de photoluminescence et de cathodoluminescence. Par la suite, un circuit imprimé injectant des micro-ondes permet de réaliser, sous illumination laser, la résonance de spin détectée optiquement, technique à la base de toutes les mesures sur ce type de matériau. Le couplage hyperfin aux spins nucléaires est mis en évidence et la magnétospectroscopie confirme que les spins électroniques des centres NV sont manipulés. Les probabilités de transition pour les différents états triplets, en champ hors axe du centre NV, sont calculées afin de décrire l’évolution de la visibilité des raies de résonance en champ magnétique. Le contrôle cohérent d’un ensemble de centres est réalisé à champ nul et en champ anisotrope. Les oscillations de Rabi observées mettent en évidence le rôle du bain de spins nucléaires, par la variation de phase des chevrons de Rabi. Le comportement quadratique en puissance micro-ondes et en décalage attendu est obtenu, démontrant un bon contrôle sur ce système quantique à deux niveaux. De plus, par le biais d’une technique novatrice, le lien entre les fréquences Rabi des différentes orientations de centres azote-lacune et leur axe cristallin est établi. Cette technique réalise la magnétométrie vectorielle sans avoir à appliquer un champ externe selon tous les axes des centres NV. Combiné aux techniques de gravure plasma et d’électrolithographie de petites structures, tous les ingrédients sont réunis afin de réaliser un capteur de champ magnétique haute sensibilité. Le domaine des applications d’un tel senseur est très vaste, allant de la spintronique, à la médecine et la géomatique.

Les régions urbaines imposent d’intenses et multiples changements environnementaux sur les écosystèmes qu’elles contiennent et qui les entourent, et les réponses des écosystèmes à ces environnements urbains est encore relativement peu connue, même pour des processus fondamentaux comme les cycles du carbone (C) et de l’azote (N). Ce travail utilise une chronoséquence de systèmes sol-arbre d’alignement (plantations de Tilia tomentosa Moench) de 75 ans, situés à Paris, comme étude de cas principale, afin de détecter des tendances de long terme dans les cycles urbain du C et du N et d’en inférer les potentiels mécanismes sous-jacents. Un patron d’accumulation du C et du N dans les sols de rue est décrit, et nous faisons l’hypothèse que le C dérivé des racines, et le N issu des dépôts atmosphérique et apports animaux, s’accumulent dans ces sols. Ensuite, une analyse des fractions organo-minérales des sols suggère qu’il y a bien une accumulation de matière organique du sol (MOS) relativement récente. Les analyses 13C et 15N suggèrent que les racines sont un contributeur majeur à cette augmentation de la teneur en MOS et de la rétention du N exogène. Les taux de nitrification et de dénitrification potentielles augmentent avec l’âge des systèmes de rue, ce qui semble être déterminé par une augmentation des bactéries oxydant l’ammoniaque. Les dynamiques de long terme pour le C semblent caractérisées by une augmentation des apport hypogés couplée à des mécanismes de stabilisation du C racinaire. Pour le N, les sorties de N semblent contrebalancées par d’importants apports exogènes et les racines, apports dont une partie est retenue dans la biomasse végétale (racines) et la MOS. / Urban areas impose multiple and intense environmental changes on the ecosystems they contain or that surround them, and the ecosystem responses to urban environments are still poorly known, even on fundamental ecosystem processes such as carbon (C) and nitrogen (N) cycling. The dynamics of urban ecosystems, especially on the long-term, have received little attention. The present work uses a 75-year chronosequence of street soil-tree systems (plantations of Tilia tomentosa Moench) in Paris, France, as its main case study to detect long-term patterns in urban C and N cycling and infer potential underlying mechanisms. This thesis describes age-related patterns of C and N accumulation in soils, and we hypothesize that tree root-derived C and deposited N from the atmosphere and animal waste accumulate in soils. Then, an analysis of soil particle-size fractions further points towards a recent accumulation of soil organic matter (SOM), and 13C and 15N analysis suggests that tree roots are a major contributor to the increase of SOM content and N retention. Potential nitrification and denitrification rates increase with street system age, which seems driven by an increase in ammonia-oxidising bacteria. The long-term dynamics of C seem characterized by increasing belowground inputs coupled with root-C stabilization mechanisms. For N, the losses are likely compensated by exogenous inputs, part of which is retained in plant biomass (roots) and SOM.These results are then discussed in light of results obtained on Parisian black locust systems (Robinia pseudoacacia Linnæus), as well as other data, and management recommendations are proposed.

Les coraux constructeurs de récifs se développent généralement dans des eaux oligotrophes (i.e. : faibles concentrations en azote et phosphore (N, P)). Cette limitation se voit accentuée avec le réchauffement climatique. Cependant, aux abords des côtes, l'eutrophisation des eaux entraîne un excès de sels nutritifs, pouvant provoquer la rupture de l'association corail-dinoflagellés. Les buts principaux de cette thèse ont été d'évaluer: 1) l'utilisation de l'azote et du phosphore inorganique par les coraux dans diverses conditions environnementales; 2) l'effet d'une limitation ou d'un enrichissement en azote et/ou phosphore sur la physiologie corallienne. Les résultats ont montré que la forme et la source de N n'ont pas les mêmes effets sur la physiologie des coraux et que cet effet dépend également de la disponibilité en P. Sous faibles concentrations de P, un enrichissement en NH4+ stimule le métabolisme et maintient l'association symbiotique en période de stress. Au contraire, un excès de NO3- affecte négativement les processus de photosynthèse et de calcification, entrainant un blanchissement. Ces effets sont exacerbés en présence de matière organique particulaire, mais estompés en présence de phosphore. En effet, les résultats ont montré une très grande dépendance entre la présence en P et la santé corallienne. Ainsi, en période de stress thermique, les coraux ont la capacité d'augmenter leur taux d'absorption de phosphore. Ces travaux apportent des éclaircissements sur les relations existant entre la disponibilité en sels nutritifs et l'équilibre nutritionnel au sein de la symbiose, et devraient permettre d'affiner les stratégies de gestions des écosystèmes récifaux. / Reef building corals are usually thriving in oligotrophic areas, characterized by low concentrations in inorganic nutrients, such as nitrogen and phosphorus. More, nutrient starvation is known to increase with global warming. However, along the urban coasts, water eutrophication induces nutrient excess, which could lead to the breakdown of the coraldinoflagellate symbiosis. The major aims of this thesis were to assess: 1) the use and uptake capacities of inorganic nitrogen and phosphorus by tropical corals according to environmental parameters; 2) the effects of nutrient limitation or enrichments in nitrogen and/or phosphorus on reef coral physiology. Results showed that corals response differed according to the chemical form, source of nitrogen and to the availability of phosphorus in the reef environment. In the presence of low phosphorus concentrations, ammonium supplementation enhanced coral metabolism and allowed coral colonies to overcome thermal stress. Conversely, nitrate enrichments negatively impacted photosynthesis and calcification processes, increasing coral bleaching susceptibility. These deleterious effects were enhanced when combined with organic matter supplementation, but repressed with addition of phosphorus. Indeed, results highlighted the tight relationship existing between phosphorus availability and coral health. During thermal stress, corals were able to increase their phosphorus uptake, this latter nutrient being essential for the holobiont metabolism. These outcomes shed a light into how marine symbioses cope with eutrophication, which is urgently required to refine risk management strategies.

Les plantes sont des organismes statiques et tributaires des ressources minérales présentes dans leur rhizosphère. La remobilisation des nutriments est un processus qui permet une économie nutritionnelle et un recyclage de macro- et micro - nutriments qui sont le plus souvent limitants. Le rôle du démantèlement des chloroplastes au cours de ce processus est très important pour le recyclage de l’azote, puisque ceux-ci contiennent la majeure partie des protéines foliaires. Bien que les protéines chloroplastiques soient une source essentielle pour le recyclage de l’azote foliaire, leur mécanisme de dégradation est mal connu. L’autophagie, a été proposée comme mécanisme participant au recyclage des nutriments, notamment en situation de carence ou de limitation en azote. L’autophagie, processus cellulaire de dégradation, représente un mécanisme de survie et d’adaptation, par le recyclage et l’élimination des protéines et organelles altérés.La détermination des flux d’azote, entre la rosette et les graines par l’utilisation du marquage à l’isotope stable 15N chez des mutants d’autophagie, nous a permis de montrer que l’autophagie est nécessaire à la remobilisation de l’azote. L’analyse fonctionnelle des mutants d’autophagie a permis de mettre en évidence de profondes perturbations métaboliques résultant dans l’élévation du rapport C/N. Les modifications métaboliques observées montre que les mutants d’autophagie ne présentent pas les signatures métaboliques habituellement retrouvées chez les plantes adaptées à la limitation en azote minéral, qu’ils accumulent au contraire les composés azotés et sont pauvres en ressources carbonées. Les investigations ont également révélé que l’autophagie est sélective envers certaines protéines. L’activité autophagique a été évaluée en fonction de différents niveaux d’expression d’AtTOR et à la suite de l’inhibition de son activité kinase. Ces résultats ont montré qu’AtTOR, senseur du statut nutritionnel, est un régulateur négatif de l’autophagie. L’autophagie est une étape clef du recyclage nutritionnel en réponse à une situation de stress telle que la limitation en azote. / Plants are static organisms dependent on minerals resources available in the rhizosphere. Nutrient recycling is a process allowing a nutritional economy and recycling of macro- and micro- nutrients, which are often limiting. The role of chloroplast dismantling during this process is very important for nitrogen recycling because chloroplasts contain the major part of foliar proteins. Albeit chloroplastic proteins are an essential source for foliar nitrogen recycling, their degradation process is not well understood. Autophagy has been proposed to participate in nutrients recycling, notably in nitrogen starvation or limitation. Autophagy, a cellular degradation process, represents a survival and an adaptation mechanism by recycling and eliminating defectives proteins and organelles.Based on nitrogen fluxes determination between the rosette and the seeds by using 15N labeling in autophagy (atg) mutants, the study has shown that autophagy is necessary for nitrogen remobilization. The functional analysis of atg mutants revealed deep metabolic perturbations resulting in elevated C/N ratio, marker of plant physiology status. The observed metabolic modifications are not the hallmarks of an adaptation to nitrogen limitation. Autophagy mutants indeed accumulate nitrogen compounds and present low carbohydrate contents. The investigations also revealed that autophagy is selective towards some proteins. Autophagic ativity has been evaluated function of different AtTOR expression levels and following AtTOR activity inhibition. Results have shown that AtTOR, a sensor of the nutritional status, is a negative regulator of autophagy. Autophagy is a key step for nitrogen recycling in response to stress situation like nitrogen limitation.

A l'interface des échanges sol-plante-atmosphère, la couche supérieure du sol contient la plus grande réserve de carbone organique (Corg) et d'azote (N) potentiellement disponible pour la croissance des plantes, elle joue un rôle fondamental dans la nutrition et l'équilibre de la planète.Dans les sols Tunisiens, une première quantification de N, faisant suite à celle de Corg, nous a permis de mettre en évidence une fragilité des réserves, et la nécessité de managements préservatifs des terres et des pratiques agricoles. Nous nous sommes alors rapprochés des nombreuses études de modélisation des variations de stocks de Corg et N suite à des changements d'usage. Cependant, la majorité des références publiées concernait les évolutions globales à moyen ou plus long terme (de plusieurs années à plusieurs décades) et manquaient de précision sur la prédiction mécaniste des transferts journaliers entre les plantes, les compartiments du sol et l'atmosphère. Selon nous et d'autres auteurs, ces études ne prenaient pas suffisamment en compte le rôle crucial des micro-organismes dans les échanges. Ceci nous a orientés vers le modèle MOMOS centré sur l'écologie fonctionnelle de la biomasse microbienne (BM), avec des paramètres pour sa croissance, sa mortalité, et sa respiration étroitement liés aux conditions climatiques, édaphiques, et culturales.L'objectif était d'étudier à court terme les cycles Corg et N dans les systèmes complexes de production céréalière intensifiés par couplage avec des légumineuses à graines fixatrices d'azote en milieu méditerranéen. Il comportait deux défis : (i) coupler les équations de décomposition avec des modules d'eau du sol, et de production végétale vers un nouvel outil pour l'agro-écologie et le changement global (ii) faire tourner l'ensemble en milieu méditerranéen calcaire, avec des équations proposées et validées en milieu tropical acide.Le dispositif agronomique comportait des associations comparées à des rotations blé dur-féverole en culture biologique sans fertilisation depuis treize ans. Les simulations ont été trouvées en bonne concordance avec les données mesurées et celles de la littérature. Croissances végétales et fonctionnement microbien apparaissent prédits par les mêmes fonctions climatiques et co-limités par la température en hiver et l'humidité en été. Dans les parcelles expérimentales peu fertiles, la plus grande part de Corg photo synthétisé était modélisée comme allouée aux racines et perdue pour les parties aériennes et le rendement des récoltes. Ces pertes étaient simulées vers la respiration de croissance des racines de céréales, probablement pour la recherche des nutriments, et la mortalité des racines de légumineuses alimentant la croissance des décomposeurs et peut-être des symbiotes fixateurs d'azote. Au total, le système de culture associée était modélisé comme un puits de plus 4 Mg Corg ha-1 durant la saison culturale, mais uniquement dans Corg labile d'origine microbienne. Ce compartiment était aussi simulé comme la principale réserve de N potentiellement disponible pour les organismes vivants, très supérieure à celle des micro-organismes, elle-même supérieure à celle de la céréale et égale à celle de la légumineuse. La modélisation des échanges microbiens avec N minéral montrait une immobilisation nette d'azote juste compensée par la fixation symbiotique. Elle a permis de mieux comprendre les flux de Corg et N entre atmosphère, légumineuse, micro-organismes et céréale et de proposer des solutions agronomiques pour l'amélioration des systèmes de culture en association ou rotation. / At the interface of soil-plant-atmosphere exchanges, the top layer of soil contains the largest part of organic carbon (Corg) and nitrogen (N) potentially available for plant growth; this soil layer plays a fundamental role in nutrition and equilibrium of earth.In Tunisians soils, a first quantification of N, following that of Corg, has allowed us to highlight the fragility of the reserves, and the need of conservation managements of lands and improvement of agricultural practices.Many studies of literature data try to model the changes of Corg and N stocks due to land use changes. However, most of the published references concern overall trends at medium or longer term (several years to several decades) and lack of precision in mechanistic prediction of daily transfers between plants, soil compartments and the atmosphere. Conjointly with other authors we think that the published studies do not take sufficient account of the crucial role of microorganisms in the exchange modelling. This directed us to the MOMOS model centered on the functional ecology of microbial biomass (MB), with parameters for growth, mortality and respiration of MB, closely related to climate, soil conditions and the quality of organic inputs.Our objective was to study the Corg and N cycles during a cropping season in complex cereal-legume systems for intensification by symbiotic N fixation in the Mediterranean environment. It included two challenges: (i) to couple the equations of decomposition with a model of soil water and modules of quantitative and qualitative vegetal production toward a new tool for agro-ecology and the global change (ii) to run this tool in Mediterranean calcareous conditions, with equations proposed and validated in tropical acid areas.The agronomic experiment included an intercropping of durum wheat and faba bean compared with pure cropping both managed in organic farming without any fertilizer addition during the last thirteen years. The model predicted ecophysiological parameters in accordance with published references and simulated accurately the measured data. Plant growth and the microbial functioning appear linked to the same climate equations and co-limited by temperature in winter and availability of water in summer. In these unfertile plots, the largest part of Corg photo-synthesized was modelled as allocated to roots and lost for the aerial parts and grain yields. These losses were simulated mainly (i) to increase root respiration of cereal, probably as energy source for root growth in order to find nutrients, and (ii) to increase the mortality of legume roots as energy source for the growth of decomposers and perhaps the growth of symbiotes for fixation of atmospheric N. Overall, the intercropping system was modeled as a sink of over 4 Mg ha-1 of Corg during the growing season, but only in the compartment labile of microbial origin. This compartment was also simulated as the main reserve of N potentially available for living organisms, much higher than N stock of microorganisms, which is itself higher than N stored in the cereal and similar to N stored in the legume. The modeling of microbial exchange with inorganic N showed a net immobilization of N just compensated by the symbiotic fixation. It helped to better understand the flows of Corg and N between atmosphere, legume, microorganisms and cereal, and to propose solutions for improving agricultural cropping systems in combination or rotation.

Le chêne sessile et le hêtre sont deux espèces feuillues décidues tempérées, caractérisées par des phénologies foliaires et cambiales contrastées. Afin de progresser dans la compréhension de la gestion des réserves qui sont des composantes importantes des cycles internes du carbone et de l'azote, nous avons étudié la dynamique saisonnière des réserves carbonées (C) et azotées (N) chez des arbres adultes des deux espèces dans leur environnement naturel. Afin de répondre à nos objectifs, nous avons développé une approche pluridisciplinaire associant écophysiologie, biochimie et isotopie. Le suivi mensuel des variations saisonnières des réserves C et N dans le tronc a révélé chez le chêne une forte remobilisation de l'amidon à partir des cernes les plus récents au printemps pour fournir le carbone nécessaire pour la croissance du bois initial du nouveau cerne qui est concomitante à l'expansion foliaire. Chez le hêtre, la croissance printanière ne semble pas dépendante des réserves C du tronc. Chez les deux espèces, deux polypeptides de 13 et de 26 kDa s'accumulent avec la sénescence foliaire en automne, sont très abondants en période hivernale froide et sont remobilisés avec le débourrement au printemps. Cette cinétique saisonnière leur confère un rôle dans le stockage de l'azote (protéines végétatives de réserve, VSP), mais n'exclut pas un rôle dans la tolérance au froid. Chez le chêne sessile, l'étude de la source d'azote pour la croissance des feuilles et des pousses par marquage isotopique au 15N a montré que les réserves N contribuent jusqu'à 90% de l'azote total des nouveaux organes aux premiers stades de développement. La contribution de l'azote nouvellement assimilé ne devient significative que quand le débourrement est achevé. L'étude de la répartition et des quantités des composés C et N non-structuraux à l'échelle de l'arbre a été réalisée par un échantillonnage destructif d'arbres des deux espèces en hiver (Janvier) et à l'étalement complet des feuilles (Juin). Cette étude a montré i) une distribution des concentrations entre organes dépendante de leur fonction physiologique, de l'anatomie du bois et de la distance aux organes puits, ii) l'importance du tronc et des racines dans le stockage des réserves en hiver, iii) l'importance des quantités d'azote non-structural des feuilles et des pousses malgré leur faible biomasse, iv) des quantités de C et N non-structuraux plus importants chez le chêne par rapport au hêtre, pouvant refléter des besoins contrastés pour la croissance et l'entretien des tissus en hiver / Sessile oak and beech are two deciduous temperate broadleaved species, characterized by contrasted foliar and cambial phenologies. In order to progress in our understanding of reserves management in these species, we studied the seasonal dynamics of carbon (C) and nitrogen (N) reserves in adult trees in their natural environment. For this purpose, we developed a multidisciplinary approach associating ecophysiology, biochemistry and isotopy. The monthly monitoring of seasonal variation in C and N reserves in the stem sapwood showed a strong remobilization of starch from the most recent rings of oak in the spring in order to supply the necessary C for early wood growth that is concomitant to leaf expansion in this species. For beech, spring growth seemed to be less dependant on C stored within the stem sapwood. In both species, 2 polypeptides of 13 and 26 kDa accumulated with leaf senescence in the autumn and were highly abundant during the dormant period then they were remobilized with bud burst in the spring. This seasonal variation supports their role in nitrogen storage as vegetative storage proteins (VSP) and does not exclude a role in cold hardiness too. In sessile oak, the in situ 15N labeling of soil N (newly absorbed N) during the bud burst in the spring showed that N reserves accounted for 90% of total N of the new organs (leaves and twigs) at the first stages of growth. The contribution of newly assimilated N became more important when bud burst was achieved. The distribution patterns of non-structural C and N concentrations and amounts at the tree level was realized by an exhaustive sampling of trees from both species in the winter (January) and at full leaf expansion (June). This study showed i) that the distribution of concentrations among tree organs was dependant of the physiological function, wood anatomy and proximity to sink organs, ii) the importance of stem sapwood and coarse roots in reserves storage during the winter, iii) the importance of non-structural nitrogen amounts in leaves and twigs despite their low biomass, iv) higher amounts of non-structural C and N compounds in oak compared to beech, that reflects contrasted needs for spring growth and tissue maintenance during the winter dormancy

L’agriculture intensive qui caractérise le bassin de la Seine depuis une cinquantaine d’années est basée sur la généralisation de l’usage des engrais de synthèse et des pesticides et la rupture de la complémentarité culture-élevage. Ce mode d’agriculture compromet aujourd’hui gravement la qualité des eaux souterraines et de surface, notamment par la contamination nitrique. La mise en œuvre d’alternatives qui permettraient de concilier production agricole et respect de la qualité de l’eau se heurte à beaucoup d’entraves, de nature techniques et sociales. Sur le plan technique, le manque de données de références et d’indicateurs rigoureux permettant d’évaluer les performances agronomiques et environnementales de systèmes agricoles alternatifs, est un frein majeur. Le premier objectif de cette thèse est donc de développer un cadre conceptuel solide pour évaluer ces performances en termes de capacité productive et de risque de lixiviation nitrique, à travers le bilan d’azote des sols. Nous avons tout d’abord établi, sur base d’une méta-analyse des données de la littérature, des relations robustes pour l’estimation de la quantité d’azote fixée par les légumineuses qui jouent un rôle essentiel dans la fertilisation des systèmes d’agriculture biologique. Nous avons alors pu étudier la relation fertilisation/rendement/surplus des systèmes agricoles, d’une part pour établir leurs trajectoires d’évolution dans 124 pays au cours des 50 dernières années à travers les données de la FAO, d’autre part pour comparer les performances agro-environnementales des principales rotations biologiques rencontrées dans le bassin de la Seine avec celles des rotations pratiquées en agriculture conventionnelle raisonnée. Nous avons enfin établi sur une base empirique la relation qui existe entre surplus, lixiviation et concentration des eaux de drainage sous terres arables et prairies permanentes. Nous montrons dans une seconde partie comment le cadre conceptuel d’analyse technique ainsi développé peut être utilement appliqué dans des territoires particuliers pour éclairer et orienter des logiques d’acteurs et crédibiliser certaines alternatives qui puissent nourrir une nécessaire transition vers des agrosystèmes plus durables. Une analyse détaillée de la situation des captages de la Plaine du Saulce, qui alimentent la ville d’Auxerre, et celle du champ captant de Flins-Aubergenville, qui fournit en eau potable l’Ouest parisien, est ainsi présentée. Des scénarios alternatifs, allant au-delà des simples aménagements de pratiques, sont proposés, en tenant compte du contexte géographique et hydrogéologique propre à chaque cas d’étude. / The intensive agriculture characterizing the Seine watershed since half a century is based on the generalization of the use of synthetic fertilizers and pesticides and by the rupture of the connection between crop and livestock systems. This system is nowadays compromising ground- and surface water quality, namely through nitrate contamination which mostly originates from agricultural losses. The implementation of technically proven and socially acceptable alternatives, allowing reconciling agricultural production and water quality preservation, encounters lots of obstructions of technical and social nature. From a technical point of view, sound reference data and rigorous indicators are lacking to assess the agronomical and environmental performance of alternative agro-systems. The first objective of this thesis is therefore to develop a sound conceptual framework to evaluate the productive capacity and the risk of nitrate lixiviation of agro-systems, through an improved version of the nitrogen soil surface balance. We first developed, based on a meta-analysis of the literature, robust relations to determine symbiotic nitrogen fixation by grain and forage legumes crops, which plays a central role in organic farming systems. We then could establish the relationship between total N fertilization, harvested yield and surplus of agro-systems, in order (i) to draw the trajectories of 124 countries over 50 years based on FAO data, and (ii) to compare the performance of the main organic crop rotations of the Seine basin and those of the conventional ‘reasoned’ agriculture. Finally, we established an empirical relationship linking N surplus, lixiviation and nitrate concentration in drainage water for arable land and permanent grassland. We show in a second part of this thesis how this conceptual framework of analysis can be useful in particular territories to highlight and guide stakeholder action, as well as to make more credible some alternatives which can feed the necessary transition toward more sustainable agro-systems. We analyze the situation of the drinking water abstraction areas of La Plaine du Saulce, supplying the city of Auxerre (Burgundy) as well as that of Flins-Aubergenville, supplying the western part of Paris agglomeration. We elaborate alternative scenarios for these regions, going much farther than the mere improvement of agricultural practices, and taking into account the peculiar geographical and hydro-geological context of each study case.