Thèse de doctorat : Sciences et environnement. Sciences des sols : Bordeaux 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

L'exploitation croissante de pétrole non conventionnel du bitume de l'Alberta (Canada) a soulevé des préoccupations majeures environnementales, car ce type de pétrole est intrinsèquement différents des pétroles conventionnels. Les études précédentes se sont principalement concentrées sur le bitume dilué, mais le pétrole brut synthétique, aussi connu sous le nom de "synthetic crude oil" ou "SCO", qui prend 35 % de part de marché des pétroles de bitume, n'a pas été bien étudié. Il y a actuellement très peu d'information sur la charge des contaminants dans le SCO, les techniques efficaces de décontamination après déversement, et les facteurs qui sont déterminants pour la réussite de la biorestauration. À cet égard, le but de cette étude est de développer ces connaissances en utilisant des microcosmes de sol dans des conditions de laboratoire. Premièrement, nous avons caractérisé les contaminants d'HAP qui viennent du SCO. Le résultat d'analyse du sol contaminé par le SCO (le Sol-SCO) nous a démontré qu'il y a une différence marquée sur l'abondance relative des HAP entre un sol contaminé avec SCO et un sol contaminé du pétrole conventionnel de "Texascrude" (le Sol-Texas). Le Sol-SCO contient une fraction significativement plus élevée d'HAP lourds (avec 3 à 6 anneaux) que le Sol-Texas. Les deux sols ont été également caractérisés par des taux de perte de HAP contrastés, ce qui est causé probablement par leurs compositions différentes. Cela soulève des inquiétudes quant à l'efficacité des méthodes de décontamination actuelles, car elles ont été développées originairement pour le pétrole conventionnel. À cet effet, nous avons évalué les potentiels de divers traitements pour le Sol-SCO, tels que l'atténuation naturelle (NA), l'ajout de boue d'épuration (S), l'inoculation de champignon (F), la plantation de graminées (P) et leurs combinaisons (S-F, S-P, F-P, et S-F-P). En suivant le taux de perte d'HAP (y compris les HAP alkylés et 16 HAP prioritaires de l'EPA), nous avons trouvé que tous les traitements sont très efficaces avec au moins 80 % de perte d'HAP après 60 jours. Cependant, les taux de perte d'HAP sont distincts entre les HAP légers ( ≤ 3 anneaux, ~ 96 % de perte moyenne) et les HAP lourds (4 à 6 anneaux, ~ 29 % de perte moyenne). Nous avons également observé que le traitement S-P a atteint les meilleurs résultats au niveau de la concentration d'HAP qui demeurent dans le sol post-traité (0,10 ± 0,02 mg•kg⁻¹ pour une concentration initiale de 0,29 ± 0,12 mg•kg⁻¹). Afin de trouver les facteurs qui ont donné ces meilleurs résultats liés avec les traitements avec la boue (notamment le S et le S-P), nous avons étudié les structures communautaires des bactéries. Le résultat a démontré qu'il n'y a pas de changement significatif au niveau de la structure de microbiome entre les traitements. Cependant, en intégrant toutes les données ensemble (les taxa de bactérie, les concentrations d'HAP, le niveau de CO₂ de sol, et l'humidité de sol), nous avons observé que les traitements se différencient en trois groupes - - le Cluster de plante, le Cluster de microorganisme, et le Cluster de contrôle. L'analyse de multi-facteurs iii (MFA) a démontré que ces changements sont fortement contribués par l'application de la boue et la plantation. Le MFA aussi a montré que la plupart des bactéries sont corrélées avec les HAP alkylés (tels que le 1- méthylphénanthrène, le 2-éthylanthracène, le 3-éthylphénanthrène et le 4-butylbenzothiophène) au lieu des HAP non-alkylés qui sont suivants choisis comme les cibles de l'étude environnementale. Cela implique que, en comparant avec les HAP non-alkylés, les bactéries métabolisaient principalement les HAP alkylés dans nos sols. Donc on suggère que les études futures pour la biorestauration des HAP devraient inclure plus de HAP alkylés dans leurs cibles d'analyse afin d'évider d'avoir du biais potentiellement important. En conclusion, notre étude a démontré que les traitements avec la boue d'épuration sont capables de mieux réduire la contamination d'HAP de SCO (comparativement aux autres traitements) dans le sol. Cette observation suggère que ces techniques pourraient être des bons candidats pour les recherches futures sur la biorestauration. Cependant, une attention particulière est nécessaire pour choisir l'environnement d'application, car des facteurs tels que l'humidité, le CO₂ et la concentration d'HAP auraient des impacts significatifs sur les activités microbiennes.

L'exploitation croissante de pétrole non conventionnel du bitume de l'Alberta (Canada) a soulevé des préoccupations majeures environnementales, car ce type de pétrole est intrinsèquement différents des pétroles conventionnels. Les études précédentes se sont principalement concentrées sur le bitume dilué, mais le pétrole brut synthétique, aussi connu sous le nom de "synthetic crude oil" ou "SCO", qui prend 35 % de part de marché des pétroles de bitume, n'a pas été bien étudié. Il y a actuellement très peu d'information sur la charge des contaminants dans le SCO, les techniques efficaces de décontamination après déversement, et les facteurs qui sont déterminants pour la réussite de la biorestauration. À cet égard, le but de cette étude est de développer ces connaissances en utilisant des microcosmes de sol dans des conditions de laboratoire. Premièrement, nous avons caractérisé les contaminants d'HAP qui viennent du SCO. Le résultat d'analyse du sol contaminé par le SCO (le Sol-SCO) nous a démontré qu'il y a une différence marquée sur l'abondance relative des HAP entre un sol contaminé avec SCO et un sol contaminé du pétrole conventionnel de "Texas-crude" (le Sol-Texas). Le Sol-SCO contient une fraction significativement plus élevée d'HAP lourds (avec 3 à 6 anneaux) que le Sol-Texas. Les deux sols ont été également caractérisés par des taux de perte de HAP contrastés, ce qui est causé probablement par leurs compositions différentes. Cela soulève des inquiétudes quant à l'efficacité des méthodes de décontamination actuelles, car elles ont été développées originairement pour le pétrole conventionnel. À cet effet, nous avons évalué les potentiels de divers traitements pour le Sol-SCO, tels que l'atténuation naturelle (NA), l'ajout de boue d'épuration (S), l'inoculation de champignon (F), la plantation de graminées (P) et leurs combinaisons (S-F, S-P, F-P, et S-F-P). En suivant le taux de perte d'HAP (y compris les HAP alkylés et 16 HAP prioritaires de l'EPA), nous avons trouvé que tous les traitements sont très efficaces avec au moins 80 % de perte d'HAP après 60 jours. Cependant, les taux de perte d'HAP sont distincts entre les HAP légers ( ≤ 3 anneaux, ~ 96 % de perte moyenne) et les HAP lourds (4 à 6 anneaux, ~ 29 % de perte moyenne). Nous avons également observé que le traitement S-P a atteint les meilleurs résultats au niveau de la concentration d'HAP qui demeurent dans le sol post-traité (0,10 ± 0,02 mg•kg⁻¹ pour une concentration initiale de 0,29 ± 0,12 mg•kg⁻¹). Afin de trouver les facteurs qui ont donné ces meilleurs résultats liés avec les traitements avec la boue (notamment le S et le S-P), nous avons étudié les structures communautaires des bactéries. Le résultat a démontré qu'il n'y a pas de changement significatif au niveau de la structure de microbiome entre les traitements. Cependant, en intégrant toutes les données ensemble (les taxa de bactérie, les concentrations d'HAP, le niveau de CO₂ de sol, et l'humidité de sol), nous avons observé que les traitements se différencient en trois groupes - - le Cluster de plante, le Cluster de microorganisme, et le Cluster de contrôle. L'analyse de multi-facteurs (MFA) a démontré que ces changements sont fortement contribués par l'application de la boue et la plantation. Le MFA aussi a montré que la plupart des bactéries sont corrélées avec les HAP alkylés (tels que le 1-méthylphénanthrène, le 2-éthylanthracène, le 3-éthylphénanthrène et le 4-butylbenzothiophène) au lieu des HAP non-alkylés qui sont suivants choisis comme les cibles de l'étude environnementale. Cela implique que, en comparant avec les HAP non-alkylés, les bactéries métabolisaient principalement les HAP alkylés dans nos sols. Donc on suggère que les études futures pour la biorestauration des HAP devraient inclure plus de HAP alkylés dans leurs cibles d'analyse afin d'évider d'avoir du biais potentiellement important. En conclusion, notre étude a démontré que les traitements avec la boue d'épuration sont capables de mieux réduire la contamination d'HAP de SCO (comparativement aux autres traitements) dans le sol. Cette observation suggère que ces techniques pourraient être des bons candidats pour les recherches futures sur la biorestauration. Cependant, une attention particulière est nécessaire pour choisir l'environnement d'application, car des facteurs tels que l'humidité, le CO₂ et la concentration d'HAP auraient des impacts significatifs sur les activités microbiennes.

Cette thèse se compose de deux parties. Dans la première partie, nous étudions les stratégies de temps minimum pour le traitement de la pollution dans de grandes ressources en eau, par exemple des lacs ou réservoirs naturels, à l'aide d'un bioréacteur continu qui fonctionne à un état quasi stationnaire. On contrôle le débit d'entrée d'eau au bioréacteur, dont la sortie revient à la ressource avec le même débit. Nous disposons de l'hypothèse d'homogénéité de la concentration de polluant dans la ressource en proposant trois modèles spatialement structurés. Le premier modèle considère deux zones connectées l'une à l'autre par diffusion et seulement une d'entre elles connectée au bioréacteur. Avec l'aide du Principe du Maximum de Pontryagin, nous montrons que le contrôle optimal en boucle fermée dépend seulement des mesures de pollution dans la zone traitée, sans influence des paramètres de volume, diffusion, ou la concentration dans la zone non traitée. Nous montrons que l'effet d'une pompe de recirculation qui aide à homogénéiser les deux zones est avantageux si opérée à vitesse maximale. Nous prouvons que la famille de fonctions de temps minimal en fonction du paramètre de diffusion est décroissante. Le deuxième modèle consiste en deux zones connectées l'une à l'autre par diffusion et les deux connectées au bioréacteur. Ceci est un problème dont l'ensemble des vitesses est non convexe, pour lequel il n'est pas possible de prouver directement l'existence des solutions. Nous surmontons cette difficulté et résolvons entièrement le problème étudié en appliquant le principe de Pontryagin au problème de contrôle relaxé associé, obtenant un contrôle en boucle fermée qui traite la zone la plus polluée jusqu'au l'homogénéisation des deux concentrations. Nous obtenons des limites explicites sur la fonction valeur via des techniques de Hamilton-Jacobi-Bellman. Nous prouvons que la fonction de temps minimal est non monotone par rapport au paramètre de diffusion. Le troisième modèle consiste en deux zones connectées au bioréacteur en série et une pompe de recirculation entre elles. L'ensemble des contrôles dépend de l'état, et nous montrons que la contrainte est active à partir d'un temps jusqu'à la fin du processus. Nous montrons que le contrôle optimal consiste à l'atteinte d'un temps à partir duquel il est optimal de recirculer à vitesse maximale et ensuite ré-polluer la deuxième zone avec la concentration de la première. Ce résultat est non intuitif. Des simulations numériques illustrent les résultats théoriques, et les stratégies optimales obtenues sont testées sur des modèles hydrodynamiques, en montrant qu'elles sont de bonnes approximations de la solution du problème inhomogène. La deuxième partie consiste au développement et l'étude d'un modèle stochastique de réacteur biologique séquentiel. Le modèle est obtenu comme une limite des processus de naissance et de mort. Nous établissons l'existence et l'unicité des solutions de l'équation contrôlée qui ne satisfait pas les hypothèses habituelles. Nous prouvons que pour n'importe quelle loi de contrôle la probabilité d'extinction de la biomasse est positive. Nous étudions le problème de la maximisation de la probabilité d'atteindre un niveau de pollution cible, avec le réacteur à sa capacité maximale, avant l'extinction. Ce problème ne satisfait aucune des suppositions habituelles (la dynamique n'est pas lipschitzienne, diffusion dégénérée localement hölderienne, contraintes d'état, ensembles cible et absorbant s'intersectent), donc le problème doit être étudié dans deux étapes: en premier lieu, nous prouvons la continuité de la fonction de coût non contrôlée pour les conditions initiales avec le volume maximal et ensuite nous développons un principe de programmation dynamique pour une modification du problème original comme un problème de contrôle optimal avec coût final sans contrainte sur l'état. / This thesis consists of two parts. In the first part we study minimal time strategies for the treatment of pollution in large water volumes, such as lakes or natural reservoirs, using a single continuous bioreactor that operates in a quasi-steady state. The control consists of feeding the bioreactor from the resource, with clean output returning to the resource with the same flow rate. We drop the hypothesis of homogeneity of the pollutant concentration in the water resource by proposing three spatially structured models. The first model considers two zones connected to each other by diffusion and only one of them treated by the bioreactor. With the help of the Pontryagin Maximum Principle, we show that the optimal state feedback depends only on the measurements of pollution in the treated zone, with no influence of volume, diffusion parameter, or pollutant concentration in the untreated zone. We show that the effect of a recirculation pump that helps to mix the two zones is beneficial if operated at full speed. We prove that the family of minimal time functions depending on the diffusion parameter is decreasing. The second model consists of two zones connected to each other by diffusion and each of them connected to the bioreactor. This is a problem with a non convex velocity set for which it is not possible to directly prove the existence of its solutions. We overcome this difficulty and fully solve the studied problem applying Pontryagin's principle to the associated problem with relaxed controls, obtaining a feedback control that treats the most polluted zone up to the homogenization of the two concentrations. We also obtain explicit bounds on its value function via Hamilton-Jacobi-Bellman techniques. We prove that the minimal time function is nonmonotone as a function of the diffusion parameter. The third model consists of a system of two zones connected to the bioreactor in series, and a recirculation pump between them. The control set depends on the state variable; we show that this constraint is active from some time up to the final time. We show that the optimal control consists of waiting up to a time from which it is optimal the mixing at maximum speed, and then to repollute the second zone with the concentration of the first zone. This is a non intuitive result. Numerical simulations illustrate the theoretical results, and the obtained optimal strategies are tested in hydrodynamic models, showing to be good approximations of the solution of the inhomogeneous problem. The second part consists of the development and study of a stochastic model of sequencing batch reactor. We obtain the model as a limit of birth and death processes. We establish the existence and uniqueness of solutions of the controlled equation that does not satisfy the usual assumptions. We prove that with any control law the probability of extinction is positive, which is a non classical result. We study the problem of the maximization of the probability of attaining a target pollution level, with the reactor at maximum capacity, prior to extinction. This problem does not satisfy any of the usual assumptions (non Lipschitz dynamics, degenerate locally H"older diffusion parameter, restricted state space, intersecting reach and avoid sets), so the problem must be studied in two stages: first, we prove the continuity of the uncontrolled cost function for initial conditions with maximum volume, and then we develop a dynamic programming principle for a modification of the problem as an optimal control problem with final cost and without state constraint.

L'application des bois raméaux fragmentés (BRF) dans les pratiques agricoles constitue une technique durable de restauration de la fertilité des sols. Et pourtant, la lignine qui lui confère majoritairement la capacité de formation de l'humus et de stabilisation du carbone organique du sol n'a pas encore fait objet d'une étude scientifique approfondie. L'objectif général de cette thèse de doctorat est de caractériser les lignines organosolv isolées des BRF de Gmelina arborea et Sarcocephalus latifolius et d'évaluer l'effet des amendements de ces BRF sur les propriétés physico-chimiques et la diversité fongique du sol ainsi que le rendement des cultures maraichères (tomate et gombo) sur deux sites agricoles au Bénin. Les objectifs spécifiques sont : (i) de déterminer les constituants et les propriétés chimiques du bois et des BRF des essences G. arborea et S. latifolius à partir des méthodes de chimie du bois; (ii) d'isoler et caractériser les lignines organosolv de ces essences par le procédé catalytique et suivre son devenir dans les sols sur deux sites au Bénin après deux ans ; (iii) d'évaluer les effets des amendements des sols avec les BRF sur le stock du carbone, la formation des substances humiques stables et la diversité fongique du sol; et (iv) d'évaluer les effets des amendements des sols avec les BRF sur les propriétés physico-chimiques et hydriques du sol ainsi que sur la production de la tomate et du gombo sur deux sites au Bénin. L'essence Gmelina arborea a été retenue pour le site de Sékou, et celle de Sarcocephalus latifolius pour celui de Kika. Les bois de tronc et BRF ont été caractérisés pour leur composition élément³¹aire et en lignines. La moitié des BRF était enfouie dans le sol, et l'autre moitié était utilisée comme paillis. L'effet des traitements a été évalué sur la production de la tomate et du gombo. Les BRF ont été échantillonnés après 0, 6, 12 et 18 mois d'incubation dans le sol afin d'isoler et caractériser leur lignine organosolv par des analyses spectroscopiques (FTIR, ³¹P RMN, 2D HSQC) et pyrolytique (Py-GC-MS-TMAH). Les résultats ont montré que les lignines organosolv des BRF des deux essences étaient de types guaiacyl-syringyl (G-S). Les analyses chimiques des BRF ont montré que la teneur en glucides totaux diminuait, tandis que la teneur en lignine totale augmentait au fur et à mesure de la décomposition des BRF dans le sol. Un enrichissement significatif en azote (N) des BRF a été déterminé après 18 mois d'incubation dans les sols, atteignant 2,6 et 1,9 fois la teneur initiale en N pour G. arborea et S. latifolius, respectivement. En outre, les BRF ont amélioré l'humidité volumique du sol, régulé la température du sol et diminué la tension hydrique du sol par rapport aux LV et témoins sur 24 mois. Par ailleurs, les traitements à base des BRF (BRF et BRF_LV) ont contribué de manière significative au stockage du carbone organique du sol et à l'augmentation des nutriments du sol (N, P, K, Ca, Mg) (cette dernière jusqu'à 1,5 fois) par rapport au témoin. Les résultats d'analyse de l'acide humique (HA) extrait des sols, purifié et analysé ont révélé que les sols amendés avec le BRF ont produit des quantités significatives d'HA constitués majoritairement des composés dérivés de lignine. En outre, en utilisant le séquençage de la région ITS2 sur la plateforme Illumina Miseq, l'application des BRF a considérablement modifié la composition fongique avec une augmentation de l'abondance relative des Ascomycota (jusqu'à 92% de la communauté fongique totale), Mucoromycota, Basidiomycota et Rozellomycota. Les résultats ont montré que l'amendement au BRF a réduit significativement le rendement de la tomate (sauf sur le site de Kika) et du gombo pendant la première production de culture et que l'amélioration de la croissance et du rendement de ces légumes a été significative qu'à partir de la deuxième production de culture. Cette recherche démontre ainsi le rôle positif des BRF à travers leur lignine à former de l'humus stable et à favoriser une production agricole durable. / Application of RCW in agriculture is a sustainable technique for restoring soil fertility. However, the lignin from the RCW, which contributes to the formation of humus and to the soil organic carbon storage, has not yet been thoroughly studied. The general objective of this PhD thesis is to characterize the organosolv lignins isolated from RCWs of G. arborea and S. latifolius and to evaluate the effect of RCW amendments on the physico-chemical properties and fungal diversity of the soil as well as on the yield of vegetable crops (tomato and okra) on two agricultural sites in Benin. The specific objectives are: (i) to determine the constituents and chemical properties of trunk wood and RCW of G. arborea and S. latifolius using wood chemistry methods; (ii) to isolate and characterize the organosolv lignins of these species by the catalytic process and to follow its fate in soils on two sites in Benin after two years; (iii) to evaluate the effects of soil amendments with RCWs on carbon stock, formation of stable humic substances and soil fungal diversity; and (iv) to evaluate the effects of soil amendments with RCWs on soil physicochemical and hydric properties as well as on tomato and okra production on two sites in Benin. The G. arborea species was selected for the Sékou site, and S. latifolius for the Kika site. The trunk wood and RCW were characterized for their elemental and lignin composition. Half of the RCWs was incorporated in the soil, while the other half was put as mulch. The effect of the treatments was evaluated on tomato and okra production. RCWs were sampled after 0, 6, 12 and 18 months of incubation in the soil to isolate and characterize their organosolv lignins by spectroscopic (FTIR, 31P NMR, 2D HSQC) and chromatographic (Py-GC-MS-TMAH) analyses. The results showed that the organosolv lignins from RCWs of both species were of guaiacyl-syringyl (G-S) types. Chemical analyses of the RCWs showed that total carbohydrate content decreased, while total lignin content increased as RCWs decomposed in the soils. Significant nitrogen (N) enrichment of RCWs was determined after 18 months of incubation in soils, reaching 2.6 and 1.9 times the initial N content for G. arborea and S. latifolius. In addition, RCWs improved soil water content, regulated soil temperature, and decreased soil hydric tension compared to PL treated soils and controls over 24 months. Furthermore, RCW treatments (RCW and RCW_PL) contributed significantly to soil organic carbon storage and increased soil nutrients (N, P, K, Ca, Mg) (the latter up to 1.5 times) compared to the control. The humic acid (HA) was extracted from soils, purified, and analyzed by NMR spectroscopic and Py-GC-MS chromatography. The obtained results revealed that soils amended with RCWs produced significant amounts of HA containing a significant amount of lignin-related structures. Furthermore, using ITS2 region sequencing on the Illumina Miseq platform, RCW application significantly altered the fungal composition with an increase in the relative abundance of Ascomycota (up to 92% of the total fungal community), Mucoromycota, Basidiomycota and Rozellomycota. The obtained results showed that RCW amendment significantly reduced the yield of tomato (except at Kika site) and okra during the first crop production and that the improvement in growth and yield of these vegetables was significant only from the second crop production. This research thus demonstrates the positive role of RCWs through their lignin in forming stable humus and promoting sustainable agricultural production.

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