Des 85 000 hectares de terres agricoles à l’île Maurice, prés de 85% est occupé par la canne à sucre, le reste étant composé de maraîchage et des cultures fruitières. Pour assurer sa pérennité et sa viabilité économique à long terme, l’industrie cannière s’appuie dans son programme de réforme sur une revalorisation de ses sous produits en développant une industrie d’éthanol à partir de la mélasse et en utilisant plus efficacement la bagasse durant la période de récolte pour produire l’électricité. Cependant ces deux filières génèrent beaucoup de déchets (400 000 T/an de vinasse durant la distillation d’éthanol, et 40 000 T/an de la cendre de charbon/bagasse durant la production d’énergie électrique), qu’il faudrait valoriser et gérer avec le moins d’effet néfaste possible sur l’environnement. Parmi les moyens disponibles pour la gestion de ces déchets, le recyclage agricole semble être le plus attrayant du point de vue agronomique et également sous l’aspect de protection de l’environnement. Dans ce contexte pour valider cette pratique de recyclage agricole à l’Île Maurice, une étude a été entreprise pour connaître les effets de l’épandage de fortes doses de vinasse et des cendres de bagasse/charbon sur les sols, la culture de la canne à sucre et sur la qualité des ressources en eau. L’analyse de la vinasse et de la cendre de charbon et de bagasse échantillonnées à intervalle régulier de trois mois entre 2005 et 2008 a montré que leur composition chimique est très variable. Néanmoins la caractérisation de la vinasse a confirmé qu’avec sa teneur en K (moyenne de 9.37 g/L), elle est utile principalement comme engrais potassique quoiqu’à un taux de 100 m3/ha son apport en termes d’azote (moyenne de 122 kg N/ha) et en matière organique (8-15% de matière sèche) sera aussi appréciable. Des métaux lourds (Cu, Zn, Ni, Mn, Pb) étaient également présents dans la vinasse mais leurs concentrations étaient négligeables et ne dépassaient souvent pas la limite de détection du spectrophotomètre d’absorption atomique utilisé pour la mesure (5 mg/kg pour le Cu, Zn, Ni, Pb, 10 mg/Kg pour le Mn) A l’opposé de la vinasse qui est acide (pH de 4.5 en moyenne), la cendre de bagasse ou de charbon possède un pH alcalin variant entre 7.5 à 11.5, et peut de ce fait, être utilisée comme amendement pour corriger l’acidité dans les sols. Appliquée à un taux de 100 T/ha, la cendre de charbon représenterait une source importante de potassium (moyenne de 139 kg K/ha) et surtout de phosphore (moyenne de 298 kg P/ha) à la canne à sucre. Contenant très peu de métaux lourds (Cu, Zn, Ni, Mn, Pb et Hg) et en général pas de micropolluants organiques, la cendre de charbon ne risque pas d’accentuer la présence de ces polluants organiques ou inorganiques dans le sol, dans la canne à sucre ou dans la nappe phréatique. Les études au laboratoire ont par contre démontré que la cendre de bagasse/charbon était capable de fortement immobiliser par adsorption, les herbicides atrazine et hexazinone avec des valeurs de Km (coefficients de sorption) de 0.13 pour atrazine et 0.32 pour hexazinone, rendant minime le risque de transfert de ces herbicides vers la nappe souterraine. Les analyses de sol ont confirmé que l’apport de la vinasse baissait le pH (de 5.9 à 5.4 en moyenne), mais cette baisse n’était que temporaire et pas assez significative pour affecter la croissance de la canne. Le pH du sol retournait à sa valeur initiale peu de temps après l’épandage de 100 m3/ha de la vinasse. La cendre de charbon avait eu un effet inverse en augmentant le pH du sol quoique cette hausse ne fût également pas significative pour la culture de la canne. Epandues à 100 m3/ha et à 100 T/ha la vinasse et la cendre de charbon, respectivement, avaient tendance à hausser la salinité du sol qui restait toutefois bien en dessous du seuil de 1700 RS/cm acceptable pour la culture de la canne à sucre. Si la vinasse à 100 m3/ha augmentait le carbone organique dans certains sols, tel ne fut cependant pas le cas pour la cendre de charbon à 100 T/ha. La vinasse comme la cendre de charbon avait un effet positif sur le niveau de calcium et de magnésium échangeables dans le sol. Ainsi à 100 T/ha la cendre de charbon augmentait dans le sol de Pamplemousses le Ca échangeable de 3.40 à 6.61 cmol+/kg après 12 mois, tandis que durant cette même période la vinasse à 100 m3/ha, et malgré sa forte teneur en potassium, portait le Ca échangeable de 1.66 à 1.83 cmol+/kg dans le sol de Union Park. Les essais aux champs établis dans quatre localités avec des doses croissantes de vinasse (25, 50 et 100 m3/ha) ont montré que le rendement de la canne à sucre que ce soit sous forme de canne ou de sucre n’était pas affecté de façon négative par ce déchet. Au contraire les résultats obtenus durant les trois années d’étude, qui ont permis de récolter une canne vierge et deux repousses, ont démontré que la vinasse avait donné un meilleur rendement en canne (moyenne de 84.9 T/ha annuellement pour les quatre sites) que le traitement recevant NPK uniquement sous forme d’engrais minéraux (moyenne de 77.3 T/ha annuellement pour les quatre sites). Puisque tous les traitements avaient reçu le même taux d’azote et de phosphate, ce rendement plus élevé de la vinasse était A part une meilleure nutrition potassique, probablement dû à une amélioration de la qualité du sol grâce aux matières organiques apportées par la vinasse. D’autre part, la cendre de charbon à 100 T/ha était définitivement néfaste à la canne à sucre comme indiqué par le rendement en canne plus faible (moyenne de 67.5 T/ha annuellement pour les quatre sites). A 50 T/ha, l’effet de la cendre de charbon sur le rendement dépendait du type de sol, étant plus affecté dans les sols lessivés comme à Belle Rive que dans les sols moins lessivés de la zone sous humide comme à Pamplemousses. En raison de leur faible teneur en métaux lourds, la vinasse aussi bien que la cendre de charbon n’ont pas d’effet sur la concentration des métaux lourds présents dans la canne à sucre. Pour connaître l’effet de l’épandage de 100 m3/ha de vinasse et de 100 T/ha de cendre de bagasse sur la qualité des eaux souterraines, l’eau percolant après chaque grosse pluie à un mètre de profondeur sous des lysimètres établis sur deux sites avec une pluviométrie différente (1500 mm/an à Réduit et plus de 3500 mm/an à Belle Rive) avait été recueillie et analysée durant la période 2005 à 2008. Les résultats ont montré que la vinasse à 100 m3/ha n’accentuait pas les pertes d’azote sous forme de nitrate. Les métaux lourds les plus mobiles en l’occurrence le cuivre, le zinc et le nickel ont également été retrouvés dans les percolâts mais leurs teneurs restaient bien en dessous des seuils recommandés pour l’eau potable préconisé par l’Organisation Mondiale de la Santé , c'est-à-dire, 1mg Cu/L, 5mg Zn/L et 0.02 mg Ni/L. Les résultats de quenching de fluorescence de la matière organique dissoute de la vinasse et de ses fractions (issues de la dialyse) avec le cuivre ont confirmé une bonne complexation entre cette matière organique dissoute et le cuivre. La cendre de bagasse n’avait pas engendré une présence plus prononcée des métaux lourds et des micropolluants organiques dans les eaux drainant à un mètre de profondeur des lysimètres. La seule différence remarquée entre la vinasse et la cendre de bagasse, était une capacité accrue de cette dernière à mobiliser le nitrate dans le sol. Ainsi suite à l’apport de 100 T/ha de cendre de bagasse, la concentration du nitrate dans les percolâts avait durant la période de novembre 2005 à février 2008 dépassé en de nombreuses occasions à Belle Rive et Réduit respectivement, le seuil de 10 mg N-NO3- /L recommandé pour l’eau potable par l’Organisation Mondiale de la Santé. En conclusion, cette étude a donné des résultats forts intéressants et valables qui indiquent que si l’épandage des fortes doses de vinasse peut être accepté, celle de la cendre de charbon est à éviter puisqu’elle n’est pas sans conséquence nuisible pour les sols ou les cultures et même les eaux souterraines. En effet, les fortes doses de cendre de charbon dans les champs de canne à l’île Maurice, conduiraient à une baisse de production et à une pollution plus accentuée de la nappe souterraine par le nitrate / Of the 85 000 hectares of arable land in Mauritius, sugar cane occupies some 85% of that area, the remainder is made up mostly of vegetables and fruit trees. To ensure its economic viability and long term sustanainability, the sugar cane industry through a reform program is striving to add value to its by-products by producing ethanol from molasses and by optimizing energy production from bagasse during the harvest season. However these two avenues generate considerable wastes (400 000 T/yr of vinasse during ethanol distillation and 40 000 T/yr of coal/bagasse ash during the production of electricity), which have to be judiciously disposed of with a minimum of risk to the environment. Among the disposal means for these wastes, the application of vinasse and coal/bagasse ash to agricultural land is believed to represent the most sensible economic option from both the agronomic and environmental point of view. In this context before recommending elimination of the wastes through disposal on agricultural lands, a study has been conducted to determine the effects of high doses of vinasse and coal/bagasse ash on soil quality, on the sugar cane plant and on groundwater quality. Analyses of vinasse samples collected at regular intervals of three months during 2005 to 2008 showed that its chemical composition was very variable. However these analyses also showed that as vinasse contained on average 9.37 g/L of K, its fertilization value was mostly as a source of potassium. Nevertheless at an application rate of 100 m3/ha vinasse, it can in addition represent a significant source of N (average of 122 kg N/ha) and of organic matter (average of 8-15 % dry matter). Vinasse also contained heavy metals (Cu, Zn, Ni, Mn, Pb) but their concentrations were negligible and were well below the detection limit of the atomic absorption spectrophotometer (5 mg/kg for Cu, Zn, Ni, Pb and 10mg/kg for Mn). As opposed to vinasse which is acidic in nature (an average pH of 4.5), coal or bagasse ash is alkaline with a pH varying between 7.5 and 11.5 and can therefore be used to amend soil acidity. When applied at 100 T/ha coal ash would represent a significant source of potassium (average of 139 kg K/ha) and of phosphorus (average of 298 kg P/ha) to the sugar cane crop. Due to its low contents of heavy metals (Cu, Zn, Ni, Mn, Pb, and Hg) and to the absence of organic micro pollutants, coal ash is unlikely to enhance the levels of these contaminants in the soil, in the sugar cane crop or in the groundwater. Laboratory studies had demonstrated that coal and bagasse ash were able to strongly adsorb the herbicides atrazine and hexazinone with a sorption coefficient (km) of 0.13 for atrazine and 0.32 for hexazinone. They would thereby act to decrease the movement of these herbicides to groundwater. Analyses of the soils at the study sites showed that the application of vinasse lowered soil pH from an average of 5.9 to 5.4, but this decrease was only temporary and was not significant enough to affect sugar cane growth. In fact the soil pH returned to its initial value shortly after the application of the 100 m3/ha vinasse. On the other hand, coal ash raised soil pH but this rise in pH was likewise not significant to crop growth. Vinasse and coal ash applied at the high rates of 100 m3/ha and 100 T/ha respectively raised the electrical conductivity of the soil, but in spite of this increase, the electrical conductivity remained below the threshold value of 1700 RS/cm recommended for sugar cane. Furthermore if an application rate of 100 m3/ha of vinasse did increase the organic carbon content of certain soils, it was not observed with coal ash at 100 T/ha. Both vinasse and coal ash improved the level of exchangeable calcium and magnesium in the soils. Thus, 12 months after its application at 100 T/ha coal ash raised the level of exchangeable calcium from 3.40 to 6.61 cmol+/kg in the soil at Pamplemousses, whereas during that same period with vinasse at 100 m3/ha, the level of exchangeable calcium rose only from 1.66 to 1.83 cmol+/kg at Union Park, despite the high K content of the vinasse. Field trials laid down in four different agroclimatic zones provided evidence that increasing application rates of vinasse (25, 50 and 100 m3/ha) did not affect cane or sugar yield. On the contrary, results obtained during the three year study period which covered a plant cane crop and two ratoons, had shown that vinasse gave a higher cane yield (an average of 84.9 T/ha/yr for the four sites) than NPK fertilizers alone (an average of 77.3 T/ha/yr for the four sites). As all the treatment plots received the same rate of N and P, this increase in cane yield was in all probability due to a better K nutrition as well as to an improvement in soil organic matter status brought about by the vinasse. On the other hand, coal ash at 100 T/ha definitely impaired cane yield (an average of 67.5 T/ha/yr for the four sites). When it was applied at 50 T/ha, the effect of coal ash on yield was dependent on soil type, being more severe in the highly leached soils of the super humid region at Belle Rive, and less damaging in the soils having undergone less leaching in the humid region of Pamplemousses. Additionally because of their low heavy metal concentrations, vinasse as well as coal ash did not increase the heavy metal contents in the sugar cane plant. To determine the effects of spreading 100 m3/ha of vinasse and 100 T/ha of bagasse ash on groundwater quality, lysimeter studies were conducted at two sites differing in rainfall regimes (3500 mm/yr at Belle Rive and 1500 mm/yr at Réduit). Drainage water percolating at one metre depth was collected after each heavy rainfall event. Analyses of the leachates showed that the vinasse at 100 m3/ha did not enhance loss of N in the form of nitrate. If, as expected, the heavy metals (Cu, Ni and Zn) known to be mobile had been detected in drainage water, their concentrations remained well below the drinking water limits proposed by the World Health Organization (1 mg/L for Cu, 5 mg/L for Zn and 0.02 mg/L for Ni). Fluorescence quenching studies of the dissolved organic matter in vinasse and of its dialysis fractions with copper confirmed the formation of complexes of the dissolved organic matter with copper. As expected, bagasse ash did not increase the levels of heavy metals and organic micropollutants in the drainage water. But bagasse ash as opposed to vinasse moved significantly more nitrate into the groundwater. In fact the limit of 10 mg/L N-NO3- recommended by World Health Organization for drinking water, was exceeded on many occasions during the study period of November 2005 to February 2008 at both Belle Rive and Réduit lysimeters. To conclude, this study has provided some pertinent and very valuable data. Whereas the disposal of high rates of vinasse on agricultural land under sugar cane is acceptable, the same cannot be stated for coal ash which must be avoided as it is would represent a hazard to the sugar cane crop and to groundwater. Indeed, high application rates of coal ash to sugar cane fields in Mauritius will eventually lead to a decrease in sugar cane productivity and to an increase in nitrate contamination of groundwater

La compréhension des déterminants de la biodisponibilité du cuivre (Cu) dans les sols agricoles recevant des apports de produits résiduaires organiques (Pro) est un enjeu écotoxicologique majeur dans l’optique de préserver la fertilité des sols. La spéciation de Cu dans la solution du sol est classiquement considérée en écotoxicologie prédictive comme le principal déterminant chimique de la biodisponibilité de Cu pour les organismes du sol. Étant donné la forte affinité de Cu pour la matière organique dissoute (MOD), la spéciation de Cu dans la solution du sol est fortement conditionnée par la complexation de Cu avec la MOD. Les modèles de spéciation classiquement utilisés en écotoxicologie prédictive tiennent compte de la variabilité de la concentration en MOD mais sont paramétrés par défaut pour ce qui est des propriétés de complexation (densité et affinité des sites) de la MOD. Pourtant, les apports de Pro et les activités racinaires dans la rhizosphère semblent en mesure de modifier à la fois la concentration et les propriétés de complexation de la MOD. Mes travaux se sont donc proposés (i) de mettre en évidence la variabilité des propriétés de complexation de la MOD dans les systèmes sol-plante recevant des apports de Pro et (ii) d’évaluer l’impact de cette variabilité sur la prédiction de la spéciation de Cu en solution. / Understanding copper (Cu) bioavailability determinants in agricultural soils amended with organic waste (OW) is a major ecotoxicological issue in order to preserve soil fertility. Copper speciation in soil solution is conventionally considered in predictive ecotoxicology as the main chemical determinant of Cu bioavailability for soil organisms. Considering the high affinity of Cu for dissolved organic matter (DOM), Cu speciation in soil solution is highly influenced by its complexation with DOM. The speciation models conventionally used in predictive ecotoxicology take into account the variability of DOM concentration but are parameterized by default regarding DOM complexing properties (density and site affinity). However, OW inputs and root activities in the rhizosphere appear able to alter both DOM concentration and its complexing properties. My PhD work proposed (i) to demonstrate the variability in DOM complexing properties in soil-plant systems amended with OW and (ii) to evaluate the impact of this variability on Cu speciation prediction in soil solution.A very wide variability in DOM complexing properties was observed between the 55 soils studied. Plants induced strong changes in DOM complexing properties. The contributions of OW to soil induced an almost systematic increase in DOM complexing properties. Besides considering changes in DOM concentration, pH and total Cu concentration in soil solution, the consideration of variability in DOM complexing properties has substantially improved the Cu speciation prediction in soil solution in comparison with WHAM default setting.

Mercury (Hg) is a global contaminant of ecosystems and human health risk, with complicated biogeochemical processes. Mercury sulfide (HgS) dissolution has been suggested as a key process in Hg cycling, as it could potentially increase the pool of inorganic Hg (iHg) for the production of methylmercury (MeHg). Despite previous sporadic observations of enhanced HgS dissolution under certain conditions, much remains unclear on mechanisms of HgS dissolution. The objective of my research was to advance the mechanistic understanding of HgS dissolution, concerning re-adsorption of released Hg, effects of thiol-ligands, and Hg speciation. Considering the lack of feasible techniques to differentiate dissolution and re-adsorption processes, I first developed an efficient method using isotope tracer and isotope dilution techniques to investigate the re-adsorption of released Hg during HgS dissolution. The HgS dissolution rate with consideration of re-adsorption was two times the rate calculated from detecting Hg alone in the presence of O2, indicating the importance of Hg re-adsorption during HgS dissolution. I further examined the role of Hg-ligand complexation in HgS dissolution and Hg(II) re-adsorption using a thermodynamic adsorption method, selecting L-cysteine (Cys) as a model compound for low molecular weight ligands and Waskish fulvic acid (FA) for natural dissolved organic matter (DOM). My results suggest that the presence of Cys enhanced HgS dissolution through the decreased re-adsorption of Hg-Cys complex, whereas Waskish FA inhibited HgS dissolution, possibly because of the adsorption of FA on HgS surface that covered dissolution sites. I further employed a geochemical modeling method to study Hg speciation and the relation of iHg speciation to MeHg, aiming to provide a methodological example for potentially evaluating the implications of Hg species distribution during HgS dissolution on MeHg production. I applied geochemical model PHREEQC to the Florida Everglades, a well-studied wetland with model input parameters available, to determine the distribution of iHg in surface water at different sites. The modeling results suggest that sulfide and DOM govern iHg speciation, and the Hg-sulfide and Hg-DOM species are related to MeHg in environmental media but not fish, suggesting the importance of iHg speciation in MeHg production and the complexity of Hg bioaccumulation.

Black carbon (BC) is a complex mixture of polycondensed aromatic compounds produced by the incomplete combustion of biomass during events such as wildfires and the burning of fossil fuels. Black carbon was initially considered to be a refractory form of organic matter. However, recent studies have shown that BC can be quite mobile and reactive in the terrestrial environment. Black carbon can be translocated from soils and sediments in the form of dissolved BC (DBC). A global correlation between DBC and bulk dissolved organic carbon (DOC) has been established for fluvial systems where DBC comprises approximately 10% of the total DOC pool, which suggests that DBC may be a significant contributor to the global carbon cycle. The primary objective of this thesis was to further characterize DBC and elucidate some of the specific physical and chemical processes that promote its transfer to the aqueous phase and drive the DBC-DOC relationship. The molecular composition and qualitative distribution of DBC was assessed using Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Black carbon in both dissolved and particulate (PBC) phases was quantified by the benzenepolycarboxylic acid method. Dissolved BC was found to contain considerable amounts of nitrogen and the export of this dissolved black nitrogen was linked to watershed land use in global rivers. The riverine flux of PBC, a previously unstudied BC removal mechanism, was significantly increased by local wildfire activity. However in-stream DBC did not appear to be affected by short-term fire events. Once translocated to surface waters, DBC is susceptible to photodegradative processes. Dissolved BC in high molecular weight DOC fractions was more photoreactive than DBC associated with lower molecular weight fractions. In the coming decades, wildfire frequency is expected to increase with climate change and natural lands will continue to be altered for anthropogenic use. These processes have already been shown to significantly impact the composition of DOC and associated DBC exported to inland waters. The quality of DBC influences its stability in soil and resistance to degradation. Therefore, it is essential that we aim to fully understand DBC dynamics in natural systems in order to assess its contribution to global carbon cycling.

Les matières organiques dissoutes (MOD), en tant que sources de nutriments ou potentiels vecteurs de pollution, sont impliquées dans de nombreuses problématiques environnementales. Bien qu'elles fassent l'objet de nombreuses études depuis plusieurs décennies, les mécanismes gouvernant leur solubilisation et leur transfert depuis les sols vers les systèmes aquatiques demeurent sujets à discussion. En s'appuyant sur l'étude de la composition moléculaire des MOD par hydrolyse et méthylation assistée par température et couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse (HMT-CPG-SM), cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension de leurs mécanismes de solubilisation et de transfert à l'échelle d'un bassin versant agricole. Ce travail s'est appuyé sur le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement AgrHys) afin d'observer les processus mis en jeux à deux échelles temporelles différentes. A l'échelle de la crue, ce travail a permis de préciser l'impact des conditions hydrologiques spécifiques sur la dynamique des MOD. A l'échelle annuelle, l'utilisation conjointe de la signature isotopique du carbone (δ13C) et de la composition moléculaire des MOD a permis de préciser les mécanismes de transfert de MOD impliqués à l'échelle du versant. L'utilisation de la HMT-CPG-SM s'est avéré un outil adéquat pour l'étude de la dynamique des MOD. L'ensemble des résultats ainsi obtenus ont permis de souligner l'importance des conditions hydrologiques et en particulier de la dynamique de nappe dans les processus de solubilisation et de transfert des MOD. / Dissolved organic matter (DOM), as sources of nutrient or pollutant dissemination pathway are implied in numerous environmental issues. Although DOM have been the subject of numerous studies for several decades, the mechanisms implied for their solubilization and their transport from soils to aquatic systems are still a matter of discussion. Based on DOM molecular composition determined using thermally assisted hydrolysis and methylation –gas chromatography – mass spectrometry (THM-GC-MS), this thesis aims to provide a better understanding of their solubilization and transfer mechanisms at the scale of an agricultural headwater catchment. This work was conducted on the experimental headwater catchment of Kervidy-Naizin (France, Environmental Research Observatory AgrHys) in order to determine the processes implied at two temporal scales. At the scale of a rain event, this work has clarified the impact of hydrological conditions on the DOM dynamics. At annual scale, the use of carbon isotope signature (δ13C) and DOM molecular composition allowed to clarify the DOM transfer mechanisms at the slope scale. The use of THM-GC-MS appears to be a suitable tool for the study of DOM dynamics. The results thus obtained allowed to highlight the role of hydrological conditions and in particular the water-table level in the solubilization and transfer of DOM.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2015-12-02T16:59:05Z No. of bitstreams: 1 michaelaladeirademelo.pdf: 987332 bytes, checksum: b090c8cbfcdee51ae5a4874c6a656f2a (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2015-12-03T11:29:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 michaelaladeirademelo.pdf: 987332 bytes, checksum: b090c8cbfcdee51ae5a4874c6a656f2a (MD5) / Made available in DSpace on 2015-12-03T11:29:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 michaelaladeirademelo.pdf: 987332 bytes, checksum: b090c8cbfcdee51ae5a4874c6a656f2a (MD5) Previous issue date: 2015-02-20 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Com o objeto de avaliar o papel do metabolismo bacteriano para a dinâmica da matéria orgânica (MO) na região de confluência dos rios Negro e Solimões, foram estimadas em escala espacial: o metabolismo bacteriano - produção bacteriana (PB), respiração bacteriana (RB), demanda bacteriana de carbono (DBC) e eficiência de crescimento bacteriana (ECB), além de variáveis físicas e químicas, como nutrientes inorgânicos, carbono orgânico dissolvido (COD), razões estequiométricas dos nutrientes, condutividade elétrica e turbidez. Um experimento foi realizado para estimar a contribuição do metabolismo bacteriano e dos processos de adsorção da MO para o decaimento de COD na região de mistura das águas. As taxas metabólicas apresentaram variabilidade longitudinal e lateral ao longo da região de confluência dos rios Negro e Solimões, entretanto, não foi observado incremento das taxas metabólicas com o aumento da mistura das águas em condições in situ. A PB variou de 0,03 a 0,56 μgC L-1 h-1 e a RB de 38,8 a 78,73 μgC L-1 h-1, refletindo em baixos valores de ECB, em média 0,236%, ou seja, as bactérias heterotróficas alocam a maior parte da MO disponível para os processos catabólicos das células, o que resulta na rápida remineralização de carbono e nutrientes nestes sistemas. De uma maneira geral, os nutrientes e a qualidade e quantidade da MO parecem ter sido os fatores com maior influência sobre o metabolismo bacteriano na região estudada. O metabolismo bacteriano mostrou-se como principal componente para o decaimento de carbono, porém a adsorção da MO é de grande importância no processamento da MO, principalmente na zona de mistura das águas. Os resultados do presente estudo mostraram que as bactérias planctônicas contribuem significativamente para a transformação da MO, sendo que as altas taxas de RB destacam o importante papel das bactérias planctônicas para a remineralização de carbono e nutrientes na zona de confluência dos rios Negro e Solimões. / In order to evaluated the role of bacterial metabolism for the organic matter (OM) dynamics on the confluence zone of Negro and Solimões rivers, it was estimated in spatial scale: bacterial production (BP), bacterial respiration (BR), bacterial carbon demand (BCD), bacterial growth efficiency (BGE), in addition, chemical and physical variables, such as inorganic nutrients, dissolved organic carbon (DOC), stoichiometric ratio of nutrients, conductivity and turbidity. An experiment was conducted to estimate the contribution of bacterial activity and sorption process of OM to the DOC decay on the mixing waters. The metabolic rates showed longitudinal and lateral variability along Negro and Solimões rivers. However, it was observed in the metabolic rates with the increase of mixing waters in situ. The BP ranged between 0,03 and 0,56 μgC L-1 h-1 and the BR between 38,8 and 78,73 μgC L-1 h-1, reflecting in low BGE rates, average 0,236%, which means the heterotrophic bacteria allocated major part of OM available to the cells catabolic process, resulting in a quick remineralization of carbon and nutrients on these systems. In general, the nutrients and the quality and quantity of OM were the factors that most contributed to bacterial metabolism in the studied site. The bacterial metabolism showed as major component to the DOC decay, however, the OM sorption process is very important to the OM processing, mainly on water mixing zone. The results of this study showed that planktonic bacteria significantly contributed to the processing of OM, and high BR rates highlight the important role of planktonic bacteria for the carbon and nutrient remineralization on the confluence zone of the Negro and Solimões rivers.

Les réservoirs hydroélectriques contribuent à la remise en suspension du mercure (Hg) inorganique terrestre et de la matière organique suite à l’inondation des terres lors de la construction d’un barrage. Le développement de zones anoxiques dû à l’augmentation de la colonne d’eau et à la dégradation de matière organique inondée est une condition propice pour la méthylation du Hg par les communautés bactériennes aquatiques, le rendant neurotoxique et bioamplifiable. Les résultats de cette étude, conduite dans le complexe de réservoirs hydroélectriques de la rivière Romaine, démontrent que le pourcentage du mercure total (THg) étant du méthylmercure (MeHg) retrouvé dans les zones inondées est en moyenne 10 fois plus élevé que dans les systèmes naturels avoisinants et dans la portion de la rivière en amont de la série de barrages. Les concentrations en MeHg demeurent toutefois relativement faibles comparativement à d’autres réservoirs au Québec et ailleurs dans le monde. Des patrons de l’amont vers l’aval ont pu être observés, où le MeHg augmente de façon concomitante au dioxyde de carbone (CO2) à travers les réservoirs, les deux ayant des valeurs plus élevées au printemps, suite à la fonte des glaces, qu’en été, suggérant qu’une production sous la glace est probable due à une anoxie partielle avant que le retrait des glaces ne revienne oxygéner la colonne d’eau. De plus, les concentrations de mercure total ainsi que les patrons des composantes de matière organique dissoute et du carbone organique dissous demeurent très peu variables entre les sites inondés et naturels. Cela suggère que les réservoirs hydroélectriques agissent plutôt comme réacteurs de transformation du mercure inorganique terrestre en méthylmercure que comme mobilisateurs de mercure nouvellement importé dans le système, et que les processus opérant des centaines de kilomètres en amont et des mois auparavant sont importants pour les dynamiques de carbone et de mercure observées dans ce système hautement connecté. / Following the flooding of soil during the construction of hydroelectric reservoirs, terrestrial inorganic mercury (Hg) and organic matter typically increase in concentrations in the aquatic environment. The anoxia developed due to the deepening of the water column and the degradation of organic matter due to aquatic microbial communities create new conditions in the system that are prone to the methylation of mercury into its neurotoxic and bioaccumulative form : methylmercury (MeHg). Results from this study, led in the hydroelectric complex of reservoirs of the Romaine River, showed that the percentage of total mercury which is methylmercury in the flooded area is on average 10 times higher than in surrounding natural systems from the watershed and in the upstream section of the river. MeHg concentrations in the Romaine River, however, remain relatively low when compared to other reservoirs in Quebec and worldwide. Upstream to downstream patterns have been observed, where MeHg increases along with carbon dioxide (CO2) throughout the series of reservoirs and where both showed higher values in June than in August, following the snowmelt and the melting of the ice cover. Concentrations were lower in the summer campaign, suggesting there was under-ice production due to the development of partial anoxia before the water column is mixed and oxygenated in spring. Moreover, the distribution of total mercury concentrations, dissolved organic carbon and dissolved organic matter components remained stable between flooded and natural sites. This suggests that hydroelectric reservoirs act as reactors for the transformation of terrestrial inorganic Hg in MeHg rather than as mobilizers of newly imported Hg and that processes occurring several kilometers upstream and months prior to sampling affect the carbon and Hg dynamics of this inter-connected system.

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Organic matter (OM) is often considered the “currency” for ecosystem processes, such as respiration and primary production. OM in aquatic ecosystems is derived from multiple sources, and is a complex mixture of thousands of different chemical constituents. Therefore, it is difficult to identify all the sources of OM that enter and exit aquatic ecosystems. As humans develop undisturbed land, the rate at which terrestrial OM (e.g.soil and plants) and associated nutrients (e.g.nitrogen) enters rivers has increased. Increased nutrients may lead to increased primary production from aquatic plants and algae, potentially causing eutrophication and harmful algal blooms. In this study, I identified and characterized different sources of OM in four watersheds of Northeastern Utah with multiple land covers such as cities, forests, and crops. I expected OM in watersheds with human-altered land cover would have more OM produced instream by algae and other primary producers, than OM in less disturbed watersheds, which typically have OM from terrestrial sources. I found that OM at river sites with high human impact had high amounts of OM from instream primary production, but there was also OM produced in-steam at sites with low human impact. The greatest differences in OM across watersheds was due to wastewater treatment effluent. I also measured microbial consumption rates of algal derived and terrestrially derived DOM in experimental streams to quantify how much faster algal derived OM was consumed than terrestrial OM. I found algal derived OM was consumed extremely fast, so fast that realistic measurements of its consumption in some river ecosystems may not be possible. It is important to identify and characterize sources of OM to rivers, so watershed manager scan devise effective OM reduction plans appropriate for the constituent of concern unique to that watershed or region. Constituents of concern associated with OM include pathogens affiliated with manure, toxins in harmful algal blooms, metals, and pharmaceuticals from wastewater treatment effluent. Each pollutant requires a unique mitigation strategy and therefore the first step to pollution mitigation is source identification.

La matière organique dissoute (MOD) joue un rôle clé dans le fonctionnement des rivières à titre de vecteur de carbone organique et d’énergie, tout en contribuant au transport de nutriments, de métaux et de divers contaminants. Elle est principalement dégradée à travers la minéralisation photochimique et la respiration bactérienne. La vitesse à laquelle se produit cette dégradation est influencée à la fois par la composition chimique et moléculaire de la MOD et par les conditions environnementales dans lesquelles elle est transformée. Toutefois, les études évaluant simultanément ces effets intrinsèques et extrinsèques sont rares en milieu fluvial et la plupart se concentrent sur un seul des processus de dégradation. De plus, les résultats de ces expériences sont rarement transposés à une colonne d’eau entière, ce qui limite l’évaluation de la réactivité écosystémique en rivière. Durant l’été 2019, nous avons échantillonné 40 sites le long d’un transect de 207 kilomètres sur le fleuve Saint-Laurent, une grande rivière tempérée dans laquelle s’écoulent côte-à-côte deux masses d’eau contrastées en termes de propriétés chimiques et physiques. En laboratoire, nous avons évalué la bio- et la photo-réactivité de la MOD au moyen d’incubations et d'expositions sous un simulateur solaire pour ensuite transposer ces données à l’écosystème en estimant pour tous les sites échantillonnés des taux surfaciques de dégradation in situ à partir de profils lumineux et bathymétriques. Nos résultats indiquent que la dégradation in situ de la MOD est essentiellement déterminée par la dégradation biologique. Cette dernière est généralement un à deux ordres de grandeur plus importante que la dégradation photochimique. Les taux surfaciques totaux de dégradation (calculés comme la somme des taux de dégradation photochimique et biologique) vont de 36,7 à 892,1 mg C m-2 j-1. Les taux surfaciques de dégradation photochimique sont principalement influencés par la photoréactivité de la MOD. En revanche, nous avons identifié un pool relativement constant de MOD bioréactive qui semble indépendant de la concentration initiale, de la composition ou des conditions environnementales. Des taux disproportionnellement élevés de biodégradation (2,5 à 4 fois la moyenne) ont été observés pour quelques sites peu profonds et situés près d’effluents urbains ou d’îles. Ces taux sont probablement stimulés par une combinaison de concentrations élevées en nutriments et une proportion plus importante de composantes protéiniques dans la MOD. Nos travaux fournissent l’une des rares démonstration expérimentale de la dominance de la dégradation biologique dans les grandes rivières, mais révèlent que la dégradation photochimique peut être d’importance comparable dans certaines zones de faible profondeur plus fortement connectées au milieu terrestre. En somme, ces observations suggèrent l’existence de points de contrôle écosystémiques pour la réactivité de la MOD dans les grandes rivières et laissent entrevoir de nouveaux questionnements quant à leur rôle dans l’export et le transport de matière terrestre. / Dissolved organic matter (DOM) is central to rivers functioning as it is a complex mixture composed of vast amounts of organic carbon and energy, also acting as a vector for nutrients, metals and various contaminants. Both the chemical and molecular composition of the DOM and the environmental conditions in which it is processed can influence its rate of removal from the water column, mainly through photochemical mineralization and bacterial respiration. Studies evaluating these intrinsic and extrinsic aspects simultaneously, particularly on both the biological and photochemical degradation are rare, particularly in large fluvial systems. During the summer of 2019, we sampled a 207 km transect of the St. Lawrence (SLR), a large temperate river in which flows two strikingly distinct water masses in terms of origin as well as chemical and physical properties. We then assessed DOM bio- and photo-reactivity at 40 sites along the river through a series of standardized incubations and exposure to simulated sunlight, and then used water irradiance and morphometric profiles to estimate in situ areal rates of processing across the river. We found that the in situ reactivity was mostly driven by biological degradation, which was typically one to two order of magnitude higher than photochemical degradation. Total daily processing (calculated as the sum of photochemical and biological degradation) across the whole water column ranged from 36.7 to 892.1 mg C m-2 d-1. In situ photochemical degradation was largely driven by DOM photoreactivity. In contrast, we found a relatively constant baseline pool of biolabile DOM that appeared to be independent from changes in concentration and environmental conditions. Disproportionately high biodegradation rates (2.5-4x the average) were found in a few shallower sites, near effluents or islands, potentially driven by a combination of local increases in nutrient concentration and compositional changes in the proportion of protein-like DOM. We provide rare experimental evidence for the often-assumed dominance of biodegradation over photodegradation in large rivers, but also emphasize that photodegradation can locally be just as important in terrestrially connected areas of low depth. In turn, these observations hint at the presence of ecosystem control points in large and heterogenous rivers with contrasting sources and composition of DOM, opening new research perspectives into the role of large rivers in the export and retention of terrestrial matter.