Des composés organiques persistants sont contenus dans de nombreux effluents industriels, dans les lixiviats de décharge ou dans les effluents hospitaliers. La non biodégradabilités de ces composés a entraîné le développement de nouveaux procédés épuratoires. Certaines techniques d'oxydation avancée sont désormais une étape essentielle des filières de traitement.(H2O2/UV, O3/UV). La photocatalyse hétérogène pourrait être une alternative intéressante à ces techniques car elle permet, entre autres, la minéralisation de la plupart des composés organiques connus. <br /> Si le procédé est maîtrisé en conditions de laboratoire, il faut à présent le mettre en œuvre à plus grande échelle et concevoir un réacteur pilote préindustriel.<br /> La réaction photocatalytique est un processus hétérogène qui nécessite l'adsorption des polluants à la surface du catalyseur. L'adsorption de phénol (polluant modèle de l'étude) à la surface de catalyseurs à base de TiO2 en suspension ou supporté a donc été étudiée. L'étude de la dégradation du phénol par différents « médias » photocatalytiques dans un réacteur de laboratoire, de volume 1L, parfaitement agité a ensuite été effectuée. L'activité photocatalytique des catalyseurs supportés a été quantifiée en présence ou non d'un perturbateur organique. Enfin, la conception et la mise en œuvre d'un nouveau type de photoréacteur pilote a été présentée. Il a été caractérisé en termes de cinétique de dégradation du phénol et de rendement énergétique.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les sols de montagne représentent d'importants réservoirs de carbone (C) potentiellement vulnérables aux changements climatiques et changements d'usage qui les affectent de manière amplifiée. Or la grande variabilité de ces milieux, leur faible accessibilité ainsi que le manque d'outils de mesure appropriés limitent nos connaissances qui restent aujourd'hui très fragmentaires en ce qui concerne les stocks, la chimie et la réactivité du carbone organique des sols (COS). Ces informations sont pourtant nécessaires pour appréhender l'évolution de ces sols et de leur C dans ce contexte de changements globaux. Les objectifs de ce travail de thèse étaient (i) d'accéder à une meilleure compréhension de la nature, de la stabilité et de la vulnérabilité du COS dans une mosaïque d'écosystèmes des Préalpes calcaires (massif du Vercors), (ii) de rechercher des outils de caractérisation rapides et fiables adaptés à l'étude et au suivi du COS à l'échelle du paysage, et enfin (iii) de proposer des indices pour l'évaluation et le suivi de la qualité des sols en milieu de montagne. Dans un premier temps, nous avons testé l'application de la pyrolyse Rock-Eval pour l'étude du COS à grande échelle sur un ensemble d'unités écosystémiques. Nous avons ensuite comparé la pyrolyse Rock-Eval à deux techniques classiques d'étude de la matière organique du sol (MOS) : le fractionnement granulodensimétrique de la MOS et la spectroscopie moyen infrarouge. Ces approches analytiques couplées nous ont permis de quantifier les stocks de C à l'échelle de la zone d'étude et d'expliquer la stabilité et la vulnérabilité du COS sous des angles variés. Les facteurs responsables des patrons observés dans les différentes unités écosystémiques sont discutés. Ce travail a également confirmé la pertinence de l'outil Rock-Eval pour répondre aux objectifs fixés. Parallèlement, des approches biologiques nous ont permis d'évaluer l'importance de la composante microbienne dans ces sols. Enfin, des indices évaluant le statut organique des sols (stockage de COS, fertilité des sols, vulnérabilité du COS) sont proposés pour constituer des outils de gestion et d'aide à la décision.

Ce travail a pour objectif d’étudier les conditions physicochimiques qui causent dans la Loire des développements excessifs de phytoplancton, et de mettre en évidence les modifications des équilibres biogéochimiques qui en résultent. L’analyse des variables de l’eutrophisation a été conduite sur plusieurs niveaux d’échelle temporelle et spatiale, sur la base de longues chroniques de qualité de l’eau (1980- 2012), de données acquises à l’échelle journalière pendant la thèse (2012-2014), et d’un modèle numérique biogéochimique à résolution horaire. Depuis les conditions hypereutrophes des années 1980, la biomasse phytoplanctonique qui se développe en période estivale a été réduite d’un facteur 2,5 dans la Loire et dans ses affluents, de manière concomitante avec la baisse généralisée d’un facteur 3 des teneurs en phosphore biodisponible, liée au contrôle des rejets ponctuels urbains et industriels. Le fleuve de la Loire (France) reste cependant sensible à l’eutrophisation, du fait d’une forte pression agricole et urbaine, des étiages prononcés, et une morphologie fluviale à chenaux multiples qui ralentit l’écoulement, laissant pleinement au phytoplancton le temps de se développer. Lorsque les conditions hydrologiques le permettent, le développement du phytoplancton impacte fortement le fonctionnement de l’écosystème, en agissant significativement sur les cycles biogéochimiques des nutriments, du carbone et de l’oxygène. / This thesis aims at studying the physical and chemical causes and consequences that result from excessive phytoplankton growth in the Loire River. The analysis identified some parameters characterizing river eutrophication and was conducted on several spatial and temporal scales. This was based on long-term water quality time-series (1980-2012), a daily survey carried out during this work (2012-2014), and the numerical modeling of the river biogeochemical functioning with an hourly resolution. Phytoplankton development in summer was reduced 2.5-fold in the Loire River and in the main tributaries, synchronously with the generalized reduction 3-fold of bioavailable phosphorus as a result of controlling and limiting phosphorus point sources. However, the Loire River remains sensitive to eutrophication, with a significant urban and agricultural pressure, low water levels in summer, and its multiple channels morphology slowing down the water velocity. All these factors combined favor phytoplankton development. When hydrological conditions are favorable, phytoplankton grows and significantly affects the ecosystem functioning, with an impact on nutrients, carbon and oxygen biogeochemical cycles.

A partir d’une approche pluridisciplinaire (géo-historique, cartographique et pédologique), cette étude nous a permis d’établir un bilan complet sur l’état (origines, formes et évolutions) des systèmes de haies en Alsace depuis le Moyen Age. L’étude pédologique de topo séquences de sols dans des zones de loess très sensibles à l’érosion (Habsheim, Uffheim) a également permis de procéder à un bilan de l’érosion depuis le Néolithique et montré comment le stockage de colluvions à l’amont de haies modifiait le relief par la formation de rideaux de culture, dont les plus anciens remontent à la fin de l’Age du bronze. Nous avons quantifié le potentiel des systèmes de haies en tant que frein à l’érosion et en tant que puits de carbone, dans l’optique d’une lutte contre le réchauffement climatique (initiative 4‰). En termes de potentiel de stockage de colluvions, le site d’Habsheim révèle une capacité de stockage énorme avec par exemple des stockages de 17,8 t/m linéaire de haie. D’autre part, à partir de nos sites de référence, on a pu démontrer aussi la grande activité érosive de ces espaces et cela depuis la préhistoire : entre 5700 et 2700 BP le taux d’érosion moyen mesuré a été de 4,5 t/ha/an, équivalant à celui de l’agriculture intensive dans les mêmes zones, ce qui relativise en partie le rôle de l’agriculture moderne. Le potentiel réel des colluvions loessiques est plus nuancé en termes de stockage de carbone. De nombreux processus comme la minéralisation du carbone et la faible efficacité du complexe argilohumique rendent les interprétations délicates sans pour autant que le potentiel des sols agricoles limoneux comme puit de carbone doive être écarté. / This study is a pluridisciplinary approach combining geohistory, spatial study and soil science that proposes an exhaustive analysis of origins, shapes and evolution of hedges systems in Alsace since Middle Ages. An erosion budget since Neolithic was obtained from the study of soil topographical sequences in an erosion sensitive loess area (Habsheim, Uffheim, 68, France). The colluvium stored in the upperside of the hedge modifies the topography by creating lynchets (the oldest were from the Bronze Age). We quantified the potential of hedges systems to reduce erosion and to store carbon in order to struggle against climate change (4‰ project). In Habsheim the storage of carbon potential is huge with some stocks reaching 17,8 t per meter of linear hedge. Moreover, based on the reference sites, we demonstrated the great erosion processes that has occured in these landscapes since Prehistory: between 5700 and 2700 BP the average erosion rate measured (4,5 t/ha/yr) is equivalent to the present day rates under intensive agriculture. The potential of loess colluvium, from the stock of carbon point of view, is more questionable. Interpretations are more difficult because of processes like mineralization of carbon and low efficiency of argilo-humic complex but so far the storage function of loamy soils cannot be neglected.

Le TOC des sédiments du système Gange-Brahmapoutre croît linéairement avec la proportion de phylosilicates et de particules fines. La proportion de Corg fossile est ~ 20 % dans les MES et > 50 % dans les sédiments de fond. Plus de 50 % du Corg dérivé de l'Himalaya est oxydé et remplacé lors du transport dans la plaine du Gange. La charge en Corg est similaire dans les sédiments du Cône et dans les sédiments de rivière. L'abondance et le d13C des biomarqueurs indique que le Corg est dominé par les apports terrigènes. Par conséquent, l'efficacité d'enfouissement du Corg terrigène est proche de 100 %. Dans le système himalayen, nous estimons les flux d'enfouissement de Corg récent et fossile à respectivement 3.1±0.3 × 1011 mol/an et 0.9±0.4 × 1011 mol/an. L'enfouissement de Corg représente donc ~ 80 % de la consommation de CO2 engendrée par l'érosion de l'Himalaya. De manière générale, les orogènes actifs se caractérisent probablement par un enfouissement efficace de Corg / In the Ganga-Brahmaputra system, TOC linearly increases with the relative proportion of philosilicates and fine grain minerals. The proportion of fossil Corg in the suspended and bed sediments is respectively ~ 20 % and > 50 % of the TOC. During the Gangetic floodplain transit, more than 50 % of recent Corg derived from the Himalaya is oxidised and is replaced by Corg derived from the floodplain. The Corg loadings of river and recent Bengal Fan sediments are comparable. Biomarker abundance and ð13C show that Corg is dominated by terrestrial inputs. Consequently, the terrestrial Corg burial efficiency must be around 100 %. In the Himalayan basin, we estimate the burial fluxes or recent and fossil Corg to be respectively 3.1±0.3 × 1011 mol/yr and 0.9±0.4 × 1011 mol/yr. Corg burial therefore account for ~ 80 % of atmospheric CO2 consumption generated by Himalayan erosion. Efficient burial of Corg is likely a characteristic of high physical erosion typical of active orogenic systems

L'évolution de la législation en matière de valorisation des déchets organiques incite au développement de filières de valorisation, parmi lesquelles le compostage présente un intérêt d'amendement pour les sols, lié notamment à la présence de substances humiques. La matière organique (MO) est une composante importante du sol en raison de son rôle dans les équilibres physiques, chimiques et biologiques, ainsi que par son implication dans le comportement des métaux et métaux traces (MMT). Les objectifs de cette thèse étaient de développer une approche méthodologique afin de caractériser la MO du sol (MOS) et étudier son évolution spatio-temporelle suite à l’apport d’un compost sur une année et 2 profondeurs, et d'approcher son impact sur le comportement des MMT. Une procédure d’extraction séquentielle en 4 étapes (eau, acide, soude, pyrophosphate) a été réalisée afin de fractionner la MOS. Des analyses quantitatives et qualitatives, ont été effectuées sur les extraits. La procédure de fractionnent chimique a permis de distinguer plusieurs catégories de composés organiques (labiles, fulviques et humiques plus ou moins aromatiques). Les analyses quantitatives et les réponses spectrales sur les extraits ont révélé un effet compost essentiellement les trois premiers mois après l’épandage et en été, avec un impact des paramètres climatiques au cours de l'année, mais pas au-delà de 15 cm. Le compost peut apporter au sol une charge supplémentaire en MMT, notamment potentiellement mobilisables, avec un risque de contamination modéré, mais non négligeable lié aux effets potentiels d’accumulation et de concentration sur le long terme. / The evolution of the legislation regarding the valorization of biowaste (green manure) induces the development of valorization chains, among which amending soils with compost is of particular interest, due to the presence of humic substances. Organic matter (OM) is an important component of the soil due to its physical, chemical and biological participation, and its implication in the behaviour of metals and trace metals (MTM).The aims of this thesis were to develop a methodological approach to characterize OM of soil (SOM) and to study its spatiotemporal evolution over one year at two different depths following the addition of compost, and its impact on the behaviour of MTM. A 4-step sequential extraction procedure (water, acid, sodium hydroxide, pyrophosphate) was used to the SOM fractionation. Quantitative and qualitative analysis were applied on extracts. Solubilization kinetics of MTM was also carried out to refine the study of their mobility.The chemical fractionation procedure allowed distinguishing several classes of organic compounds (labile, fulvic and humic with various aromaticity). Quantitative analyzes and spectral responses of the extracts revealed an effect of the compost (organic carbon, metals, aromaticity and molecular weight compounds) essentially during the first three months after spreading and during the summer period, with a climate parameter effect during the year, but not beyond 15 cm of depth. Compost can bring to the soil an additional load of MTM, including potentially mobilized forms, with a moderate, but not negligible risk of contamination, due to the potential effects of accumulation and concentration over the long term.

Les prairies permanentes sont reconnues pour les nombreux services agronomiques et environnementaux qu’elles fournissent. Cependant, elles sont aujourd’hui encore retournées ou menacées de l’être au profit de productions plus rentables, ou abandonnées dans le cas des prairies humides où les conditions d’exploitation sont soumises à de nombreuses contraintes. Concilier objectifs de production et environnementaux afin de maintenir une activité agricole extensive au sein des prairies temporaires s’avère alors indispensable. Dans ce contexte, des études multi-services ont été réalisées au sein des prairies humides du Parc Naturel Régional (PNR) des marais du Cotentin et du Bessin (Normandie) ainsi que dans des prairies mésophilesaux conditions pédoclimatiques contrastées situées en Normandie, en Lorraine et en Auvergne. L’étude s’est focalisée sur 3 catégories de services écosystémiques (SE) telles que définis par le Millenium Ecosystem Assessment: la diversité floristique et fonctionnelle comme services de support, la qualité et la production du fourrage comme services d’approvisionnement et les stocks de carbone organique et les teneurs en carbone soluble du sol comme services de régulation. Afin de mettre en évidence la part du fonctionnement des communautés végétales dans le déterminisme des SE, la mesure de traits fonctionnels foliaires a été réalisée à l’échelle de l’espèce et/ou de la communauté végétale. Une partie de ces travaux se focalise sur les relations entre le fonctionnement des communautés végétales et la qualité du fourrage ainsi que l’impact des conditions hydriques du solsur les teneurs en micronutriments des espèces dans les prairies humides.Les résultats ont mis en évidence, qu’en fonction du groupe fonctionnel considéré, le SLA ou le LDMC étaient de bons proxies de la digestibilité des fourrages des prairieshumides. Les dicotylédones ont des teneurs en micronutriments plus élevées que les monocotylédones. Nos résultats montrent que l’inondation influence plus la composition élémentaire des espèces intolérantes aux inondations que les espèces adaptées et qu’elle n’a pas incidence sur la production de biomasse. De manière générale, le fonctionnement des communautés végétales n’explique pas à lui seul les relations entre les SE. La qualité du fourrage est liée au fonctionnement des communautés végétales ainsi qu’à la diversité floristique et fonctionnelle mais seulement en prairies humides. En prairies mésophiles, l’historique de la gestion ou la structure du paysage pourrait être déterminants. Par ailleurs, nos résultats montrent que les stocks de C organique dans le sol des prairies mésophiles et humides sont étroitement liés à sa nature.Les indicateurs des SE combinent les prairies humides en 4 groupes distincts en selon la nature du sol et la gestion (fauche ou pâturage). Globalement, les bouquets de services rendus par les prairies humides sont mieux équilibrés que ceux rendus par les prairies mésophiles, ces derniers ne se distinguant pas les uns des autres selon la localisation géographique des prairies mésophiles. Les prairies gérées de manière extensive fournissent de meilleurs services environnementaux que des prairies gérées de manière intensive et une qualité fourragère équivalente. / Permanent grasslands are recognized for the many agronomic and environmental services they provide. However, they are still plowed or threatened to be in favor of more productive cultures, or abandoned in the case of wet grasslands, where the conditions of exploitation are subjected to many constraints. Reconciling production and environmental objectives in order to maintain extensive agricultural activities is therefore essential in permanent grasslands. In this context, multi-service studies have been carried out in the wet grasslands of the Regional Natural Park (PNR) of the Cotentin and Bessin marshes (Normandy, France) as well as in a set of mesophilous grasslandsofcontrasting pedoclimatic conditions located in Normandy, Lorraine and Auvergne. The study focused on 3 categories of Ecosystem Services (ES) as defined by the Millennium Ecosystem Assessment: floristic and functional diversity as support services, quality and forage production as supply services and stocks of organic carbon and soluble carbon soil contents as regulatory services. In order to analyzethe role of plant community functioning in the ES determinism, the measurement of leaf functional traits was carried out at the species and/or the plant community scales. Part of this work focuses particularly on the relationships between plant communities functioning and forage quality, and soil moisture conditions impact on micronutrient contents of species in wet grasslands. The results showed that, depending on the functional group, SLA or LDMC were good proxies for the digestibility of wet grassland forages. Dicots have higher micronutrient contents than Monocots. Our results show that flooding influences the elemental composition of flood-intolerant species more than adapted species and does not affect biomass production. In general, the plant community functioning does not explain all the relationship between ESs. Forage quality is linked to the plant community functioning as well as thefloristic and functional diversity but only forwet grasslands. In mesophilic grasslands, the history of management or the landscape structure could be important drivers. In addition, our results show that organic C stocks in the soil of wet and mesophilic grasslands are closely related to soil nature. ESs indicators have brought together 4 distinct groups of wet grasslands according to soil nature and management practices (mowing or grazing). Overall, the ESs packages offered by wet grasslands are better balanced than those provided by mesophilic grasslands, the latter being indistinguishable from another according to the geographical location. Extensively managed grasslands provide better environmental services than intensively managed grasslands and equivalent forage quality.

Pour protéger la ressource sol, il est nécessaire de prévoir les conséquences des activités humaines et du changement global sur l'évolution des sols notamment en modélisant cette dernière. Dans cette étude, nous avons démontré la sensibilité de SoilGen2.24 au climat, à l’usage des terres et à la réduction du travail du sol et identifié trois de ses principales limites, à savoir, certains processus trop simplifiés, certains processus manquants et une hypothèse de volume constant du sol. Ainsi, nous avons 1) construit le premier modèle d'évolution du sol entièrement modulaire, OC-VGEN, en intégrant dans VSoil, les processus du modèle SoilGen2.24; 2) testé différents formalismes pour certains des processus clés responsables de la distribution verticale de Corg, à savoir la distribution verticale des racines, la bioturbation et l'évolution verticale du taux de décomposition de Corg; 3) proposé un module mécaniste du changement de volume pour la modélisation de l'évolution du sol à court et moyen terme. OC-VGEN a été utilisé pour reproduire et projeter l’évolution, à l’échelle du siècle, de la distribution verticale de Corg pour des Luvisols ayant connu des historiques d'utilisation des terres et de travail du sol différents. Nous avons montré que 1) l'impact des processus de rétroaction sur la distribution verticale de Corg n'est pas négligeable; 2) l'usage des terres et le travail du sol influencent les rétroactions internes entraînant un impact indirect sur la dynamique de Corg; 3) le manque de connaissances sur les processus a une plus grande influence sur les trajectoires d’évolution des sols que les incertitudes sur les scénarios climatiques ou d'usage des terres. / Soil is a critical natural resource that inherently changes through time. To preserve the soil and protect it, it is necessary to predict the consequences of human activities and global change on soil evolution. This can be achieved using soil evolution modelling. In this study, we demonstrated the sensitivity of SoilGen to climate, land use and tillage reduction and identified three of its main limitations, namely some over-simplified processes, some missing processes and a simplifying assumption of constant soil volume. To overcome these limitations, we 1) built up the first fully modular soil evolution model, OC-VGEN, by using the process of SoilGen2.24 model in a modelling platform, VSoil; 2) tested different formalisms for some of the key processes responsible for the OC depth distribution, namely the root depth distribution, bioturbation and the depth evolution of the OC decomposition rate; 3) proposed a first, mechanistic approach to account for soil volume change in a short to medium time scale soil evolution modelling. OC-VGEN was used to reproduce and project the depth distribution of OC at a century time scale for Luvisols having experienced different histories of land use and tillage. We demonstrated that, at this time scale, 1) the impact of feedback processes on OC depth distribution are not negligible; 2) land use and tillage, beside their direct impact on the input of organic matter to soil, influence the internal feedbacks leading to an indirect impact on OC dynamics; 3) when projecting soil evolution, the lack of knowledge on the process definition has a larger influence on the projected trajectories than uncertainties on climate or land use scenarios.

Les réseaux trophiques jouent un rôle primordial dans la régulation des flux de matière et d’énergie au sein des écosystèmes. Dans le cadre des pratiques de recharge artificielle des aquifères, les biocénoses souterraines sont pleinement sollicitées et leur capacité à dégrader les flux de matière organique de surface conditionne le maintien de la qualité des eaux souterraines. L’objectif de ce travail est de déterminer l’influence d’une augmentation des flux de carbone organique dissous sur l’intensité des interactions trophiques entre les communautés microbiennes et les assemblages d’invertébrés au toit des nappes phréatiques rechargées artificiellement avec des eaux de ruissellement pluvial. A travers une approche expérimentale de terrain et de laboratoire, ce travail permet d’évaluer l’intensité des relations existant entre les flux de carbone organique dissous, les conditions environnementales, l’activité et la diversité de communautés microbiennes et l’abondance des communautés d’invertébrés. / Food webs play a crucial role in regulating the fluxes of matter and energy within ecosystems. Artificial recharge of aquifers relies heavily on the ability of groundwater biocenoses to degrade organic matter fluxes that is a condition to maintain the quality of groundwater. The objective of this work is to determine the impact of increased dissolved organic carbon supply on the trophic interactions between the microbial communities and invertebrate assemblages at the upper layers of groundwater artificially recharged with stormwater. Through a combined field and laboratory experimental approach, this work allows ranking the strength of relationship between dissolved organic carbon fluxes, environmental conditions, activity and diversity of microbial communities and abundance of invertebrate assemblages