De nos jours, les matériaux carbonés macroscopiques font face à un nombre croissant d'applications en catalyse, soit en tant que supports, soit directement en tant que catalyseurs sans métal. Cependant, il reste difficile de développer un support de catalyseur hiérarchisé à base de. carbone ou un catalyseur utilisant un procédé de synthèse beaucoup plus simple. À la recherche de nouveaux matériaux carbonés structurés pour la catalyse hétérogène, nous avons exploré le potentiel du feutre de carbone / graphite du commerce (FC / FG). Le but du travail décrit dans cette thèse a été le développement du monolithe FG et FC en tant que catalyseur sans métal pour les réactions d’oxydation en phase gazeuse et en tant que support de catalyseur, notamment pour le palladium, pour les réactions d’hydrogénation en phase liquide, et leur rôle dans la performance de réaction de ces catalyseurs. En raison de leur surface de chimie inerte avec une mouillabilité inappropriée, une telle étude avait pour condition d'activer celles d'origine. Par conséquent, des FG et des FC modifiés bien arrondis ont été synthétisés avec des propriétés physico-chimiques adaptées par une série de procédés de traitement chimique, tels que l'oxydation, l'amination, la thiolation, le dopage à l'azote et au soufre. L’oxydation partielle du sulfure d’hydrogène en soufre élémentaire et l’hydrogénation sélective du cinnamaldéhyde α, β-insaturé, en tant que réactions sensibles à l’effet des propriétés du catalyseur sur l’activité et la sélectivité, combinées à des techniques de caractérisation, ont été choisis pour étudier l’effet de la matériaux carbonés sur le comportement catalytique. / Nowadays, macroscopic carbon materials are facing an increasing number of applications in catalysis, either as supports or directly as metal-free catalysts on their own. However, it is still challenging to develop hierarchical carbon-based catalyst support or catalyst using a much simple synthesis process. In the quest for novel structured carbon materials for heterogeneous catalysis we explored the potential of commercial carbon/graphite felt (CF/GF). The aim of the work described in this thesis has been the development of GF and CF monolith as metal-free catalyst for gas-phase oxidation reactions and as catalyst support, notably for palladium, for liquid-phase hydrogenation reactions, and their roles in the reaction performance of these catalysts. Due to their inert chemistry surface with inappropriate wettability, a prerequisite for such a study was to activate the origin ones. Therefore, well-rounded modified GFs and CFs were synthesized with tailored physic-chemical properties by a series of chemical treatment processes, such as oxidation, amination, thiolation, nitrogen- and sulfur-doping. The partial oxidation of hydrogen sulfide into elemental sulfur and selective hydrogenation of α, β-unsaturated cinnamaldehyde, as the sensitive test reactions to the influence of the catalyst properties on activity and selectivity, combined with characterization techniques, were chosen to investigate the effect of functionalized carbon materials on the catalytic behavior.

Les processus élémentaires hétérogènes à l’interface gaz-solide présentent un intérêt fondamental dans de nombreux domaines tels que la catalyse hétérogène, la chimie atmosphérique et des milieux interstellaires, la rentrée atmosphérique de véhicules spatiaux ou encore la description des interactions plama-paroi. Cette thèse a pour objet l’étude de la dynamique des processus de collision non réactive de l’azote N2 sur une surface de tungstène W(100) et des processus de recombinaison moléculaire de l’hydrogène H2 sur des surfaces de tungstène W(100) et W(110). Leur dynamique quasi classique est simulée au moyen de surfaces d’énergie potentielle préalablement construites à partir de calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité. Un potentiel multi-adsorbats est notamment développé pour tenir compte du taux de couverture de surface afin d’étudier la compétition entre la recombinaison directe, de type Eley-Rideal et la recombinaison par « atomes chauds » après diffusion hyperthermique d’un atome sur la surface. / Heterogeneous elementary processes at the gas-solid interface are ofgreat interest in many domains such as heterogeneous catalysis, atmospheric and interstellar media chemistry, spacecraft atmospheric re-entry and plasma-wall interactions description. This thesis focus on the dynamics of nitrogen, N2, non reactive scattering on a tungsten W(100) surface and hydrogen, H2, recombination processes on tungsten surfaces W(100) and W(110). The quasiclassical dynamics of these processes is simulated using potential energy surfaces based on density functional theory calculations. In particular, a multi-adsorbate potential is developed to include surface coverage in the dynamics simulation in order to scrutinize the interplay between both direct abstraction, the so-called Eley-Rideal recombination,and the Hot-Atom recombination process after hyperthermal diffusion on the surface

Pendant plusieurs siècles, le sol a été labouré pour contrôler le développement des mauvaises herbes, incorporer des résidus de culture et préparer le sol avant le semis. Après le développement des herbicides la nécessité de labourer a été posée et des systèmes de travail du sol réduit ont été introduits. Ces systèmes de travail du sol réduit ont deux caractéristiques : (i) le sol n'est plus labouré et, (ii) le sol est toujours complètement ou partiellement couvert avec des résidus de culture. Le passage du labour profond au semis-direct (un système de travail du sol réduit) induit des modifications dans la structure du sol et la localisation de la matière organique du sol (MOS) et des résidus de culture. Ceci entraîne des modifications dans le climat du sol (température et humidité) et certaines propriétés biologiques, chimiques et physiques du sol. La combinaison de toutes ces modifications a une influence importante sur les transformations de l'azote et du carbone dans le sol. Les objectifs de notre étude ont été de (i) quantifier les différences des stocks et de flux de carbone et de l'azote entre différents systèmes de travail du sol différenciés depuis 32 années dans un sol limoneux de grande culture du bassin Parisien et, (ii) expliciter les effets du climat du sol, de la structure et des propriétés biologiques et physiques du sol sur les différences de fonctionnement des cycles du carbone et de l'azote du sol. Cette étude a été essentiellement focalisée sur les variables qui ont un impact agronomique ou environnemental : carbone et azote organique du sol, dynamique de l'azote minéral du sol et les émissions de CO2 et N2O. Deux systèmes de travail du sol ont été étudiés : le labour (CT) et le semis-direct (NT). Ces systèmes de travail du sol ont été suivis sur des parcelles en rotation maïs-blé du site expérimental de Boigneville (91) en France. NT présente des stocks de carbone 5 à 15 % plus importants et des stocks d'azote 3 à 10% supérieurs à ceux mesurés pour CT, mais ces différences n'ont pas toujours été statistiquement significatives. Les concentrations de C et N diminuent avec la profondeur en NT alors qu'elles sont distribuées de façon homogène dans la couche labourée en CT. La différence de stock d'azote organique associé aux argiles et limons et la différence de stock d'azote associé à la matière organique particulaire (MOP) ont chacune expliqué 50 % de la différence de stock d'azote total entre les deux systèmes. 66 % de la différence du stock de carbone total du sol ont été explicités par la différence de stock de carbone présent dans la MOP (58 %) et les résidus de culture (8 %). Le carbone et l'azote additionnel dans NT se situe dans des agrégats. Nos résultats suggèrent que les stocks de C et N plus importants pour NT peuvent être attribués à (i) la formation de macroagrégats plus prononcée dans la couche 0-5 cm due à l'activité microbienne et aux stocks de MOS plus importants et, (ii) la meilleure protection de la MOS dans la couche 5-20 cm due à une porosité du sol plus faible et à l'absence de la destruction de la structure du sol par le travail du sol ou le climat. Les modalités de travail du sol n'ont pratiquement pas eu d'influence sur les dynamiques de l'eau et de nitrates dans le profil (0-120 cm) du sol. L'interprétation des données avec le modèle LIXIM a permis de calculer des vitesses de minéralisation comparables pour les 2 systèmes que celles-ci soient calculées avec une échelle de temps exprimée en jours calendaires ou en jours normalisés (à une température et une humidité du sol de référence). Ces résultats montrent que la fourniture d'azote minéral par le sol est similaire dans les différents systèmes de travail du sol étudiés à Boigneville. Par ailleurs, les émissions de N2O ont eu tendance à être plus élevées pour NT que pour CT. Les émissions de CO2 en absence de couvert végétal ont pu être plus importantes pour l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol en fonction des conditions climatiques et de la localisation des résidus de culture. Le cumul des quantités de CO2 émis par NT a été significativement plus important que pour CT. Au cours d'une seconde partie du travail, nous avons cherché à montrer si les différences de stocks et de flux de C et N entre les différentes modalités de travail du sol étaient le résultat des modifications des conditions climatiques, de la localisation et des quantités de SOM et résidus de culture ou des propriétés biologiques ou physiques du sol. D'abord, nos résultats ont montré que la minéralisation potentielle du C et N en conditions contrôlées n'a pas été moins importante pour NT comparé à CT. Par ailleurs, la protection physique de la MOS contre la minéralisation du C et N a été évaluée par incubation d'échantillons de sol dont les structures entre 50 µm et 12.5 mm ont été progressivement détruites. Quatre zones structurales ont été considérées : zones avec une structure poreuse ou compacte pour CT et horizons 0-5 et 5-20 cm pour NT. Les résultats indiquent que la destruction de la structure de l'horizon 0-5 cm de NT induit une faible augmentation de la minéralisation de l'azote et pas d'augmentation pour la minéralisation du carbone. La protection de la MOS est en réalité la plus importante pour la couche 5-20 cm du NT. Ensuite, les différences de décomposition de la MOS entre CT et NT au champ ont été influencées par des différences de la température et de l'humidité du sol. Toutefois ces différences ont été souvent faibles et les conditions n'ont pas été systématiquement plus favorables pour la décomposition dans l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol. Néanmoins, la distribution et la quantité de pluie et l'évaporation d'eau ont eu une influence importante sur la dynamique des flux de CO2. Les pluies induisent une réhumectation rapide des résidus de surface qui entraîne une augmentation importante des flux de CO2 pour NT par rapport à CT. Après les pluies, la teneur en eau des résidus de surface diminue rapidement ce qui limite sérieusement leur décomposition entraînant des émissions plus faibles pour NT comparé à CT. Finalement, les flux de C et N ont été simulés avec le modèle PASTIS. Les simulations ont montré que la quantité cumulée plus importante de CO2 émise par NT a résulté d'une décomposition plus importante des résidus de culture et pas d'une différence de décomposition des MOS. En réalité, la plus grande quantité des résidus de culture accumulée à la surface du sol dans NT fait plus que compenser la plus faible vitesse de décomposition des résidus en surface pour NT comparé avec la situation de résidus enfouis pour CT. En définitive, c'est la teneur en eau du mulch de résidus qui contrôle le plus l'amplitude de la différence de vitesse de décomposition des résidus entre CT et NT.

Lagriculture et lélevage occupent plus de 80% de la population des zones semi-arides de lAfrique de lOuest. Ces populations en tirent lessentiel de leur alimentation et de leurs revenus. Lun des problèmes de cette agriculture est la pauvreté des sols. Dans les pays comme le Niger où prédominent les agroécosystèmes culture- élevage, le rôle du bétail dans le recyclage de la matière organique et des éléments minéraux azote, phosphore et potassium peut constituer un atout pour laugmentation de la production agricole et animale et assurer une sécurité alimentaire durable. Les bilans et flux de ces matières organiques et éléments minéraux ont été utilisés comme indicateurs détat qui caractérisent la durabilité des systèmes de production. Cette recherche porte sur lévaluation de ces flux et bilans organiques et minéraux aux échelles de l'exploitation agricole et du terroir dans le sud-ouest du Niger et la mise au point d'un indicateur de risque d'épuisement de la fertilité des terres des exploitations. L'étude porte sur trois terroirs agropastoraux de cette région couvrant une superficie de 500 km2 et sur un échantillon de 461 exploitations agropastorales. Les trois terroirs diffèrent essentiellement par leur pression agricole sur les terres, et par l'importance de l'élevage. Dans ces systèmes mixtes culture-élevage, la dualité de l'organisation spatiale qui les caractérise avec une gestion des cultures à l'échelle parcellaire centralisée à l'échelle de l'exploitation agricole et une gestion de l'élevage liée aux ressources pastorales communautaires de tout le terroir, fait que les modèles classiques de gestion sont confrontés à cette intégration d'échelles. Deux modèles ont été donc été utilisés pour lévaluation des flux et bilans partiels de N, P, K à des échelles différentes, celle de lexploitation agricole et celle des occupations de sol à léchelle du terroir. NUTMON, un modèle existant, est utilisé dans la détermination des flux à léchelle de lexploitation et de ses composants. La modélisation spatiale des flux à laide des systèmes dinformation géographique est opérée par articulation de NUTMON avec loutil NUTPAST développé dans cette thèse. Cet outil développé avec les systèmes d'information géographique prend en compte la dynamique spatio-temporelle de la végétation et du cheptel pour lévaluation de lingestion et de lexcrétion animale à léchelle de l'ensemble des occupations au sein d'un terroir. Un indicateur de risque intégré d'épuisement de la fertilité des terres a été conçu par exploitation à partir de variables de viabilité biophysiques relatives à l'utilisation de l'espace communautaire et de variables socio-économiques en lien avec la propriété des terres et du cheptel. Les bilans partiels obtenus à l'échelle du terroir montrent globalement un équilibre entre les flux de gestion agricoles et de l'élevage à l'échelle des terres des exploitations, avec des valeurs de N,P,K moyens respectifs de 0.3 ± 0.6, 1.2 ±0.2, 0.9 ± 0.5 kg/ha.Ce bilan fait ressortir une grande disparité entre les exploitations qui montrent un bilan fortement positif chez les propriétaires de bétail et négatif chez les villageois ayant très peu de bétail. Les indicateurs de risque, basés sur les facteurs de pression sur les terres, les dotations en terres et bétail par habitant, laissent apparaître qu'en dépit d'une faible intensification par la fumure, la pression agricole sur les terres combinée à la faible dotation des exploitations agricoles en bétail est un facteur de risque d'épuisement relatif de la fertilité des sols très élevé à l'échelle des villages. Ce qui peut compromettre la durabilité de l'agriculture dans ces régions. Les problèmes d'utilisation des ressources communautaires au profit des seuls propriétaires de bétail posent le problème en termes de politique foncière dans ces agroécosystèmes. Avec la pression agricole actuelle, un autre mode d'intensification agricole est à rechercher avec une politique foncière d'accès aux ressources équitable.

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote. / Rivers receive nitrogen (N) from their watershed and are the final sites of nutrient processing before delivery to coastal waters. Transformations of dissolved inorganic N (DIN) to gaseous N are highly variable and can impact both coastal eutrophication and greenhouse gas emissions. With anthropogenic N loading to aquatic ecosystems on the rise, nitrous oxide (N2O) emission from rivers should increase. Direct measurements of N2O from lake St. Pierre (LSP), an enlargement of the St. Lawrence River (SLR) indicate that although LSP is a net atmospheric source of N2O to the atmosphere fluxes are low compared to others rivers. Emissions are seasonally and inter-annually highly variable due to changes in hydrological conditions. N2O: N2 is also influenced by hydrology and lower ratios are observed in conditions of higher water discharge and elevated N charge into the ecosystem. In a cross system analysis, hydraulic load mitigates the relation between annual N2O flux and nitrate concentrations in rivers. In SLR, cyanobacterial mats colonizing low nitrate areas are a net source of N with high negative di-nitrogen (N2) fluxes. Given that fixation occurred during daylight and that oxygen concentrations in the water column were supersaturated, we hypothesize that N2 fixation is performed by the dominant cyanobacteria in anoxic micro-zone of the mat and/ or possibly by heterotrophic diazotrophs. Our estimates indicate that N fixation in the mats account for the replacement of up to 33% of the N loss via denitrification in the entire ecosystem during the study period. In the tidal Hudson River N2 production is highly variable between vegetated shallows and was associated with species-driven differences in dissolved oxygen (DO) dynamics during the ebb tide. N2 production was extremely high in invasive floating-leaved plants (Trapa natans) but was insignificant in submersed native vegetation. An estimate of summertime N2 production in Trapa beds suggests that these beds are a major seasonal hotspot for N removal. Large Trapa beds represent only 2.7% of the total area of the tidal Hudson but they remove between 70 and 100% of the total N retained in this section of the river during summer months and contribute to as much as 25% of the annual N removal.

La régénération forestière, naturelle ou non, est sujette à de nombreux échecs du fait d’une compétition importante entre les espèces de sous-bois et les jeunes plants d’arbre. L’objectif de ce travail de thèse a été de comprendre les réponses du chêne sessile (Quercus petraea) et d’une poacée, tous deux en compétition dans un contexte de modification de la disponibilité des ressources. Deux espèces de poacées ont été étudiées, la molinie bleue (Molinia caerulea) et la canche cespiteuse (Deschampsia cespitosa). L’accent a été mis sur le rôle des interactions entre différentes ressources (lumière, eau et azote inorganique) sur l’évolution de la compétition (intensité/importance) entre ces espèces et les mécanismes écophysiologiques sous-jacents. Grâce à des expérimentations en conditions semi-contrôlées et à une installation in situ, nous avons pu mettre en évidence une compétition très précoce, dès les premiers mois d’interaction entre le chêne et les poacées voisines. L’abondance de lumière conduit à une compétition plus forte des poacées sur le chêne, amplifiée par l’apport d’azote. Par ailleurs, la nature et l’ampleur de ces interactions varient selon le niveau de stress abiotique appliqué et selon les organes considérés. Nos résultats montrent aussi que le chêne réagit principalement en accumulant les ressources dans son système racinaire, ressources qui sont mobilisées l’année suivante et qui peuvent avoir un arrière effet positif sur le fonctionnement du chêne en absence de stress hydrique. Enfin de la facilitation a également été observée du chêne envers la canche cespiteuse suite à un apport d’azote. Ce dernier améliore la croissance du chêne en compétition, qui pourrait augmenter sa production d’exsudats et son turn-over racinaire au bénéfice de la canche qui valoriserait cette nouvelle source d’azote. Ce travail renforce l’idée d’intégrer l’effet des interactions des différents facteurs abiotiques dans les modèles de compétitions et dans les pratiques de régénération afin d’optimiser la coexistence des espèces forestières, et ce dès la mise en concurrence des jeunes arbres avec les poacées du sous-bois. / Temperate forest ecosystems are prone to regeneration failures because of strong competition between understorey species and tree seedlings. This thesis aimed to improve our understanding of sessile oak seedlings (Quercus petraea) and poacea responses, both in competition among different levels of resource availabilities. Two poacea species were studied, Molinia caerulea and Deschampisa cespitosa. We focused on the role of the different resource combinations (light, water and inorganic nitrogen) on interaction variation (intensity and importance) between those species and underlying ecophysiological mechanisms. Our greenhouse and field experiments allowed us to infer a very early competition, from the first months of interaction between oak seedlings and poacea neighbours. High light level leads to stronger competition from poacea on oak seedlings, increased by nitrogen supply. Secondly nature and extent of these interactions depend on applied abiotic stress level and on considered organs. Thirdly Oak seedlings mainly respond by accumulating resources in coarse roots. These resources are remobilized next year and may have a positive carry-over effect on oak functioning if there is no water stress. Eventually we observed facilitation as well, from oak on D. cespitosa in fertilized environment. Nitrogen supply would foster oak seedling growth, increasing exudate production and root turn-over, to the benefit of D . cespitosa. The poacea would take up this extra nitrogen source for its own development. This study support the idea of including interaction effects of different abiotic factors in competition models. Silvicultural practices would also be enhanced by optimizing species coexistence in temperate forests as soon as tree seedlings and understorey species start to grow together.

Nourrir une population mondiale croissante dans un contexte de changements globaux pose de nouveaux défis à l’agriculture en termes d’efficience de production et d’impacts environnementaux. Rendre les systèmes agro-alimentaires plus soutenables nécessite de mieux recycler la biomasse et les nutriments, c’est-à-dire de tendre vers des flux de fertilisants, de produits végétaux, d’aliments du bétail, de coproduits et de déchets plus circulaires. À ce titre, il est nécessaire de développer de nouveaux outils pour mieux explorer et évaluer les échanges de matières entre les fermes et leurs partenaires économiques amont et aval dans les territoires. Dans le travail présent, l’état de l’art concernant les méthodes d’analyse, de modélisation et d’évaluation environnementale des flux de biomasse et d’éléments minéraux à différentes échelles est réalisé. Le modèle multi-agents FAN (« Flows in Agricultural Network») qui simule les flux des matières entre les fermes et leurs partenaires économiques dans les territoires agricoles a été développé. Les processus de FAN sont expliqués en détail et une analyse de sensibilité des variables clefs est présentée. Par ailleurs, le modèle FAN a été appliqué à un cas d’études en France pour évaluer la performance des scénarios contrastés visant à améliorer l’efficience d’utilisation des éléments minéraux, développer le recyclage de la matière, favoriser la production du biogaz ou reconcevoir les systèmes de production. Les sorties de simulations des scénarios sont analysées en termes de production alimentaire et énergétique, de flux de matières et de logistique, de cycle des nutriments et d’émissions de gaz à effet de serre. Ce travail montre l’utilité des outils de prospective et modèles multi-agents pour améliorer la durabilité des systèmes agricoles et des chaines alimentaires, pour créer et évaluer des solutions collectives tendant vers l’économie circulaire et pour prendre en charge les interactions entre acteurs économiques au sein des chaines et filières alimentaires complexes. / Feeding the growing global population in a context of global change raises new challenges for agriculture regarding its production efficiency and impacts on natural resources. Solutions for towards farming sustainability require to improve nutrient and biomass recycling in agro-food systems, i.e. to move from linear to more circular flows of fertilizers, crop products, feedstuff, by-products and organic wastes. Innovative tools exploring material exchanges between farms and their upstream and downstream partners in agro-food systems at the local scale are needed. In the present work, the state of the art about analysis methods, models and environmental tools addressing nutrient and biomass flows at different scales is reviewed. The FAN (“Flows in Agricultural Network”) model, an agent-based model that simulates a range of material flows among farms and their partners within agricultural districts is developed. FAN processes are explained in details and a sensitivity analysis to some key variables is performed. In addition, the FAN model is applied to a French case-study to assess the performances of contrasted scenarios aiming to enhance nutrient use efficiency, recycling strategies, biogas production and system redesign. The outcomes from the scenario simulation are analyzed are assessed in terms of food provisioning, nutrient cycling and greenhouse gas emissions. This work shows the usefulness of prospective, agent-based tools for greater farming and food-chain sustainability, to design and evaluate collective solutions for circular economy and to account for interactions among economic actors within complex agro-food systems.

Le concept d’une algoraffinerie primaire traitant les principaux composants de microalgues (lipides, protéines, glucides et pigments) a été étudié. Une séquence d'opérations unitaires a été mis en œuvre afin d'obtenir des fractions enrichies de ces biomolécules tout en conservant leur integrité dans le procédé en aval. L'étude a été principalement centrée sur Chlorella vulgaris, une espèce connue pour sa paroi cellulaire rigide. La majorité de la fraction lipophile (lipides et pigments) a été récupérée en utilisant du dioxyde de carbone supercritique avec de l'éthanol en tant que co-solvant, sans opération unitaire de cassage cellulaire préalable. La fraction hydrophile (protéines et polysaccharides) a été récupérée dans la phase aqueuse après broyage à billes comme méthode de cassage cellulaire. Par la suite, la phase aqueuse a été séparée en trois fractions par un procédé d'ultrafiltration en deux étapes. Ainsi, les amidons, les pigments, les protéines et les sucres ont été séparés les uns des autres avec succès. Une analyse du cycle de vie sera nécessaire pour estimer le coût et la durabilité du procédé de fractionnement. / A primary algorefinery, concept that deals with the main components of microalgae (lipids, proteins, carbohydrates and pigments), has been studied. A sequence of unit operations has been implemented in order to obtain separated enriched fractions of these biomolecules by conserving their integrity in the downstream process. The study was mainly centred on Chlorella vulgaris, a species known for its rigid cell wall. Most of the lipophilic fraction (lipids and pigments) was recovered using supercritical carbon dioxide with ethanol as a co-solvent, without a preliminary unit operation of cell disruption. The hydrophilic fraction (proteins and polysaccharides) was recovered in the aqueous phase after bed milling as cell disruption method. Subsequently, the aqueous phase was fractionated into three fractions by means of a process of two-stage ultrafiltration. Thus, starches, pigments, proteins and sugars were successfully separated from each other. A life cycle assessment will be necessary to estimate the cost and the sustainability of the fractionation process

La variété des pratiques de compostage et les différences de nature des substrats modifient la vitesse de dégradation de la matière organique (MO), la qualité finale du compost produit et la part d'émissions sous forme de polluants gazeux. L'optimisation du procédé nécessite la prédiction de ces transformations ou la réalisation d'essais empiriques. Cette thèse analyse les interactions entre les processus biologiques, biochimiques, physico-chimiques et thermodynamiques majeurs à l'origine de la stabilisation de la MO et des émissions gazeuses de CO2, H2O, NH3, N2O. Elle se focalise sur le compostage par aération passive en andain d'effluents d'élevage. La méthode s'appuie sur la modélisation dynamique et des expérimentations. L'impact des interactions entre la biodégradabilité du carbone, la disponibilité de l'azote, l'humidité et la porosité, sur la cinétique et la stœchiométrie des émissions gazeuses est analysé à partir d’observations en conditions contrôlées et sur une plateforme de compostage. Les écarts de répétabilité faibles en conditions contrôlées deviennent élevés en conditions de reproductibilité sur le terrain. Un modèle dynamique de compostage a été développé simulant la stabilisation de la MO et les émissions de CO2, H2O, NH3, N2O. Il est composé de quatre modules simulant les cinétiques d'oxydation de la MO par une population microbienne, les échanges thermiques et l'aération passive, le transfert d'oxygène, les transformations de l'azote. Lors de la phase thermophile, le facteur limitant le plus rapidement l'organisation de la MO est la disponibilité de l'azote. L'abaissement de la porosité entraîne une diminution des pertes gazeuses par l'augmentation de l'organisation de la MO. Le fractionnement initial de la MO ainsi que la teneur initiale en biomasse microbienne sont les facteurs clés pour prédire les cinétiques d'organisation de la MO. La calibration des paramètres d’initialisation du modèle reste à améliorer / The variety of the practices and the differences in nature of the substrates modify the kinetics of degradation of organic matter (OM), the final quality of the produced compost and the fraction emitted as gaseous pollutants. To optimize the composting process, it is required to predict these transformations or to do some empirical test. This thesis analyzes the interactions between the main biological, biochemical, physicochemical and thermodynamic processes which explain the OM stabilization and the gaseous emissions of CO2, H2O, NH3, N2O. Focus is done on windrow composting with passive aeration. The method is based on dynamic semi-empirical modeling of the process and experimentations. The impact of the interactions between bioavailability of carbon and nitrogen, moisture and porosity, on the kinetics and the stoechiometry of the gaseous emissions is analyzed with data gathered in controlled conditions and on a commercial composting plant. The repeatability differences are small in controlled conditions but higher in field conditions. A dynamic model of composting was developed simulating the stabilization of OM as well as the emissions of CO2, H2O, NH3, N2O. This model is composed of four coupled modules which simulate the kinetics of oxidation of OM by a heterotrophic microbial population, the heat transfers leading to the passive aeration, the transfer of oxygen, the transformations of nitrogen. During the thermopilic phase, the first factor limiting the organization of OM is the availability of nitrogen. The decrease in porosity induces a reduction in the gas losses through the increase in the organization of OM. The initial OM fractionation and the initial microbial biomass are the key factors to predict the kinetics of organization of OM. The calibration of the specific parameters used for model initialization needs a further implementation

La qualité des eaux des lacs et le risque d’eutrophisation peuvent être évalués par une étude des composés biogènes. Les sources et les puits de nutriments qui déterminent les processus biogéochimiques peuvent être quantifiés avec un bilan de masse de matière. L’objectif de la thèse était de réaliser ce bilan de masse pour les nutriments dans les deux grands lacs côtiers médocains, Lacanau et Carcans-Hourtin (SW France). Pour cela, j'ai réalisé un suivi de la concentration en nutriments et des paramètres associés des eaux de pluie, des rivières, des canaux, des eaux des lacs et des eaux souterraines au cours de deux cycles hydrologiques en 2014 et 2015. Les processus biogéochimiques à l’interface eau-sédiment et les flux benthiques ont été déterminés à partir de carottes sédimentaires prélevées saisonnièrement et la construction d’une carte sédimentaire des deux lacs. Le bilan hydrologique a pu être réalisé à partir des données de débit et de hauteur d'eau, des mesures géophysiques et des mesures de 222Rn. Nos résultats ont permis de faire un bilan de masse complet de l'azote, du phosphore, de la silice, du fer et de l'alcalinité. Nous avons déterminé les principales sources et les puits de matière et leur évolution au cours de l’année. Les principaux résultats de la thèse sont avant tout la création d’un jeu de données original et riche qui permet pour la première fois d’avoir une vue d’ensemble de la biogéochimique des lacs aquitains. Nous montrons que l’impact des flux souterrains est faible. Les flux benthiques jouent un rôle majeur pour l’azote. L’export de composés biogènes à la sortie des lacs vers le milieu côtier a été quantifié et comparé aux apports par le bassin versant, ce qui a permis d’évaluer la capacité de séquestration des nutriments dans les sédiments. Nous montrons que ces lacs sont pauvres en phosphore, ce qui limite la productivité biologique. Nous avons aussi défini les conditions et les conséquences de la stratification transitoire des eaux des lacs en été. Cet ensemble de données a également permis d'apporter des connaissances supplémentaires sur la dynamique du mercure dans les lacs aquitains. Nous montrons le rôle que jouent les apports en sulfate du bassin versant sur la production de méthylmercure dans les sédiments. / To evaluate water quality and the risk of eutrophication of lakes, the dynamics of biogenic compounds must be studied. Sources and sinks of nutrients that define lake biogeochemical processes can be assessed from a mass balance approach and the study of internal reactions. The objective of the thesis was to realize a mass balance for nutrients in two coastal lakes: Lacanau and Carcans-Hourtin (SW France). For this purpose, I conducted a monitoring of rainwater, rivers, canals, lakes and groundwater concentration of nutrients and associate parameters during the two hydrological cycles of 2014 and 2015. Biogeochemical processes at the sediment water interface and benthic fluxes were determined from sediment cores collected at each season, and from the drafting of a new sediment map. The water balance was obtained from water level and discharge measurements, geophysical prospection and 222Rn measurements. Our results allowed us to make a full mass balance of nitrogen, phosphorus, silica, iron and alkalinity. We have identified the main sources and sinks of nutrients and their evolution along the year. The main results of the thesis is that groundwater discharge is not a significant contribution of nutrients; benthic fluxes supply high amount of dissolved nitrogen and most of the nutrient are sequester in the lake sediments. Total export of nutrient at the outlet of lakes has been quantified and compared to inputs from the watershed. We point out that phosphorus limits lake productivity. We also show the dynamics of transient lake stratification in summer and its impact on biogeochemical processes. This set of data has also provided additional insight into the dynamics of mercury in Aquitaine lakes. We show the role of sulphate inputs from the watershed in the production of methylmercury in lake sediments. All these results give for the first time an overall view of Aquitaine lake biogeochemistry.