L’émergence des bactéries photosynthétiques oxygéniques (BPO), ou cyanobactéries, est probablement l’évènement le plus important de l’histoire de la Terre, depuis l’apparition de la vie elle-même. Par la libération d’O2 dans l’environnement, les BPO ont conduit à l’oxygénation de notre planète, jusqu’alors anoxique, et au développement de la vie complexe. Cependant, cette évolution n’est toujours pas datée. Dans cette étude, j’ai cherché à identifier des signatures chimiques spécifiques aux BPO, in situ à l’échelle du μm, dans des tapis microbien fossiles datant de 3,45 à 1,88 Ga, recouvrant ainsi une période allant de la Terre anoxique à la Terre oxygénée après le « Great Oxidation Event » (GOE). Nous avons utilisé la microscopie optique, la spectroscopie Raman, le MEB/EDX, l’EPMA, la μ-XRF à rayonnement synchrotron (SR-XRF), et des analyses isotopiques. Une nouvelle méthode de quantification élémentaire pour SR-XRF, ainsi qu’une nouvelle méthodologie de préparation d’échantillons ont été developpés. Les résultats obtenus par EPMA et μ-XRF montrent que, dans certains contextes de déposition, un enrichissement en lanthanides (par exemple La, Sm, Gd) de cellules fossiles, et un enrichissement en Cu de pyrites diagénétiques formées en association avec des BPO, pourraient représenter des signatures chimiques spécifiques aux BPO. Suite à ces résultats, je propose que les BPO ont évolué entre 3,33 et 2,98 Ga. Je propose que les techniques élémentaires telles que l’EPMA et la μ-XRF sont les techniques les plus appropriées pour trouver des signatures chimiques spécifiques aux BPO et contraindre leur émergence dans le temps. / The evolution of oxygenic photosynthetic bacteria (OPB) is probably the most important biological event of Earth’s history since the emergence of life itself. The release of their by-product O2 in the environment, which was globally anoxic, fundamentally changed the face of the Earth and led to the development of complex life. However, the specific timing of this evolutionary step remains unclear. This study is based on the search for in situ chemical signatures of OPB at the microbial (μm) scale, within fossilized microbial photosynthetic mats in Archean and Paleoproterozoic sediments dated between 3.45 Ga and 1.88 Ga, i.e. spanning the anoxic Earth to the aftermath of the GOE. We used optical microscopy, Raman spectroscopy, SEM/EDS, EPMA, synchrotron radiation μ-XRF, and isotope analytical techniques. The μXRF results were improved by the use of a new sample preparation method and a new quantification method, both developed during this study.Results obtained by EPMA and μXRF show that, under certain depositional contexts, enrichment in lanthanides (such as Sm, La and Gd) in individual OPB cells, as well as a Cu enrichment in diagenetic pyrites formed in association with OPB, may represent chemical signatures of OPB. I propose that OPB evolved sometime between 3.33 Ga and 2.98 Ga. Also, I argue that elemental techniques such as EPMA and μ-XRF are the most suitable techniques to find chemical signatures of OPB and constrain the timing of their emergence.

L'objectif de cette thèse est d'évaluer les modifications du métabolisme secondaire des plantes contaminées aux éléments trace métalliques (ETM) et leurs conséquences sur les communautés bactériennes rhizosphériques associées incluant des bactéries présentant des phénotypes de MultiDrug Résistance (MDR). Nous nous sommes focalisés sur deux contextes de sols exposés aux métaux : la phytoremédiation de sites miniers au Vietnam et la reconversion de sols agricoles contaminés par la re-déposition atmosphérique d'activités métallurgiques en France. Nos résultats ont mis en évidence que la contamination par différents types de métaux (dont Cu et Pb principalement) a conduit à une altération de la production des métabolites secondaires des racines, tiges et feuilles de la plante hyperaccumulatrice Pteris vittata et que concernant les racines des tendances similaires dans les changements métaboliques ont pu être observés dans un autre type de contexte de pollution (Zn et Pb plus particulièrement). De même, les profils métaboliques des parties souterraines (racines et rhizomes) de Miscanthus x giganteus ont été modifiés par les concentrations en Pb, Cd et Zn des sols agricoles. Pour les deux plantes examinées des dérivés de l'acide chlorogénique ont été retrouvés en proportions augmentées dans les racines malgré des contextes de nature des sols et de pollutions métalliques très contrastés. Cependant, les dérivés de tanin catéchiques sont spécifiquement trouvés en proportions plus élevées dans les racines de P. vittata sous pression métallique. Ces polyphénols sont connus pour leur capacité à piéger les radicaux libres et leur pouvoir antioxydant et pourraient donc être impliqués dans l'adaptation de ces plantes au stress métallique en contribuant à limiter le stress oxydatif généré par les ETM. Au niveau des parties aériennes, nous n'avons étudié que le changement pour P. vittata et avons mis en évidence une proportion plus élevée de dérivés flavonoïdiques pour les plantes contaminées. Nos résultats de métagénomique nous permettent de conclure également sur un effet des ETM sur la diversité et la richesse spécifique des communautés bactériennes des sols étudiés : une forte contamination en Cu (10 fois la limite autorisée) a diminué la diversité et la richesse bactérienne, alors que pour des niveaux en ETM plus modérés incluant Cu, Pb et Zn, la diversité des communautés bactériennes rhizosphériques semble plus influencée par la plante ou la saison plutôt que par l'effet des ETM. Cet effet sur la composition bactérienne de la rhizosphère de P. vittata se traduit par un enrichissement de certains genres connus comme pathogènes opportunistes de l'homme, notamment Ralstonia, Acinetobacter, Burkholderia et Mycobacterium. En outre, le genre Cupriavidus, connu comme très résistant aux ETM est le seul genre spécifiquement associé à P. vittata qui ait été augmenté au sein de la communauté rhizosphérique pour les deux sites miniers étudiés par rapport aux sols rhizosphériques non pollués. Ce genre pourrait donc être impliqué dans le processus d'adaptation de cette plante au stress métallique. Quant aux communautés rhizosphériques de Miscanthus x giganteus, la sélection de Stenotrophomonas et Pseudomonas dans les sols agricoles contaminés a été observée. Dans le cadre de cette thèse nous avons également mis au point une méthode rapide pour tester l'impact de métabolites végétaux sur des souches pathogènes d'origine clinique et environnementale et également évaluer leur activité inhibitrice de pompes à efflux (IPE) de la famille des RND. Nos données ont ainsi permis de mettre en évidence des activités intéressantes et comparables à celle de l'inhibiteur de pompe à efflux PAßN pour des composés testés qui étaient extraits des racines de Fallopia x bohemica ou des dérivés de ces derniers. / The objective of this thesis is to evaluate the modification of plant secondary metabolism production contaminated with metallic trace elements (MTE) and its consequences on the associated rhizospheric bacterial communities including bacteria presenting MultiDrug Resistant (MDR) phenotypes. We have focused on two contexts of metals exposure: the phytoremediation of mining sites in Vietnam and the reconversion of agricultural soils contaminated by the atmospheric re-deposition of metallurgical activities in France. Our results highlighted that contamination by different types of metals (mainly Cu and Pb) has led to an alteration in the production of secondary metabolites in the roots, stems and leaves of the hyper-accumulating Pteris vittata and for roots, a similar trend in the metabolic changes could be observed in another type of pollution context (Zn and Pb more particularly). Similarly, the metabolic profiles of the underground parts (roots and rhizomes) of Miscanthus x giganteus were modified by the concentrations of Pb, Cd and Zn in agricultural soils. For the two plants examined chlorogenic acid derivatives have been found in increased proportions in the roots despite soil type and pollution context were highly contrasted. However, catechic tannin derivatives are specifically found in higher proportions in the roots of P. vittata under metal pressure. These polyphenols are known for their ability to scavenge free radicals and their antioxidant properties and thus could be involved in the adaptation of these plants to metallic stress by helping to limit the oxidative stress generated by MTE. At the level of the aerial parts, we studied only the change for P. vittata and evidenced higher proportions of flavonoid derivatives for contaminated plants. Our metagenomic results allow us to conclude also on the effect of MTE on the diversity and the specific richness of the bacterial communities of the studied soils: a high contamination of Cu (10 times the allowed limit) decreased dramatically bacterial richness and diversity, while for more moderate MTE levels including Cu Pb and Zn, the diversity of rhizosphere bacterial communities was more explained by plant or season effect rather than an effect of MTE. This effect on P.vittata rhizosphere bacterial composition is reflected by an enrichment in genera known as opportunistic human pathogens, including Ralstonia, Acinetobacter, Burkholderia and Mycobacterium. In addition, Cupriavidus, known as a highly resistant genus, is the only P. vittata specifically associated genus found in increased proportions at both mining sites compared to non-contaminated rhizosphere soils. This genus could then be involved in the adaptation process of this plant with metal stress. As for the rhizospheric communities of Miscanthus x giganteus, the selection of Stenotrophomonas and Pseudomonas in agricultural soils contaminated with MTE was observed. As a part of this thesis, we have also developed a rapid method for testing the impact of plant metabolites on pathogenic strains of clinical and environmental origin and their efflux pump inhibition (EPI) activity of RND family. Our data thus showed interesting and notable EPI activities comparable to that of the efflux pump inhibitor PAßN for tested compounds issued from Fallopia x bohemica roots or for their derivatives.

L’objectif de cette thèse est d’utiliser la géochimie des spéléothèmes à travers une étude multi-proxy afin de reconstituer des changements environnementaux et climatiques dans le Sud-Ouest de l’Europe au cours de l’Holocène. Ce travail basé sur trois sites répartis entre l’Espagne et la France couvre les 14 000 dernières années. Cette région du sud-ouest de l’Europe, située à la confluence des hautes et des basses latitudes en fait une région particulièrement sensible à la fois à l’influence climatique de la région Nord-Atlantique mais également des régions Méditerranéenne et subtropicales Africaines et Asiatiques. Ce contexte particulier permet d’étudier idéalement l’impact des différents mécanismes climatiques agissant sur les modifications de son environnement. La répartition des sites d’étude a pour but de comparer les sites sous influence majeure Atlantique (Candamo, Nord Espagne), Méditerranéenne (Salamandre, SE France) ou sous influence mixte (Nerjà, sud Espagne). La compréhension des comportements géochimiques d’éléments clés, a constitué la première partie de cette étude. Après avoir établi un cadre temporel bien contraint (14C, U/Th), la géochimie élémentaire (éléments traces et terres rares) a été couplée à l’étude isotopique (87Sr/86Sr, d18O, d13C). Le rapport 87Sr/86Sr traditionnellement utilisé comme traceur de sources du Sr a été couplé à l’étude des variations élémentaires des éléments alcalins (Li, Rb, Cs) afin de déterminer des changements de sources des éléments (roche-mère ou de sol) dans les spéléothèmes. Le comportement de ces alcalins s’est également révélé lié à des modes de transports différents (particulaire, dissous ou liés à des complexes organiques) et l’utilisation du d13C et des terres rares (fractionnement terres rares légères et terres rares lourdes et anomalie en cerium) a permis de confirmer ou non ces hypothèses. La deuxième partie de ce travail a été d’appliquer ces mécanismes géochimiques à la détermination des processus hydrologiques et environnementaux et de les replacer dans le cadre climatique propre à chaque site d’étude. Ainsi, les éléments alcalins (Li, Rb, Cs) se sont révélés de bons indicateurs de phénomènes d'altération pouvant être liés à des changements climatiques (comme la transition entre le Bölling-Alleröd et le Younger-Dryas dans le site de la Salamandre), et/ou environnementaux (période de déforestation ou de mise en place de végétation à l’Holocène moyen dans le cas du site de Nerjà ou de Candamo). Ces événements pouvant donc se dérouler en contexte très différents (climat sec, déforestation, apports détritiques en climat humide par lessivage), le couplage à d’autres proxis est alors nécessaire pour préciser les conditions d'enrichissement de ces éléments alcalins. / The purpose of this thesis is to use speleothem geochemistry through a multi-proxy study to reconstruct environmental and climatic variations in southwestern Europe during the Holocene. This work, based on three sites distributed between Spain and France, covers the last 14,000 years. Due to its location at the confluence of the high and low latitudes, this region of south-western Europe is especially sensitive to both the influence of the North Atlantic climate but also the Mediterranean and subtropical African and Asian climate. This particular context allows to study ideally the impact of the different climatic mechanisms driving the modifications of its environment. The choice of the study sites’ distribution aims to compare sites with main Atlantic influence (Candamo, N Spain), Mediterranean (Salamandre cave, SE France) and mixt one (Nerjà, S Spain). The understanding of geochemical behavior was the first part of this study. After the establishment of a chronological frame (14C, U/Th), elemental geochemistry (trace elements and rare earth elements) and isotopic (87Sr/86Sr, d18O, d13C) was coupled. The 87Sr/86Sr isotope ratio, traditionally used as a source tracer for Sr, has been coupled to the study of elementary variations of alkali elements (Li, Rb, Cs) in order to determine changes in the contribution of bedrock and soil in speleothems. The behavior of these alkalis has also been shown to be related to different modes of transport (particulate dissolved or bound to organic complexes) and the use of d13C and rare earths (light rare earth and heavy rare earth fractionation and cerium anomaly) made it possible to confirm or not these hypotheses. The second part of this work was to apply these geochemical mechanisms to the determination of the hydrological and environmental processes and to place them in the specific climatic context of each study site. Thus, the alkali elements (Li, Rb, Cs) have proved to be good indicators of weathering phenomena that may be related to climate change (such as the transition between Bölling-Alleröd and Younger-Dryas in the Salamandre site), and/or environmental changes (period of deforestation or establishment of vegetation in the Middle Holocene in the case of the sites of Nerjà or Candamo). These events can thus take place in very different contexts (dry climate, deforestation, detrital inputs during wet climate by leaching) the coupling to other proxis is then necessary to specify the conditions of enrichment of these alkali elements.

Les éléments volatils libérés de la plaque plongeante lors de la subduction jouent un rôle fondamental durant la formation des magmas d'arc dans le coin mantellique. Depuis quelques années, les développements des techniques d'analyse par sonde ionique ont permis l'analyse de ces éléments, en particulier F et Cl, dans les magmas d'arc, et notamment dans les magmas d'arc primaires grâce aux avancées des études sur les inclusions magmatiques. Une récente étude des inclusions magmatiques du Mont Shasta (E. U.) (Le Voyer et al., 2010) a montré que le fractionnement du F et du Cl apportait des informations sur la genèse des magmas d'arc. Afin de caractériser la source de ces magmas, j'ai étudié les coefficients de partage du fluor et du chlore. Dans cette étude, je présente les premiers coefficients de partage du F et du Cl, entre des liquides de fusions silicatés anhydres et hydratés et des minéraux mantelliques tels que olivine, orthopyroxène, clinopyroxène, plagioclase, grenat ainsi que pargasite et phlogopite. Les valeurs sont issues de 300 mesures dans 24 expériences de fusion, réalisées entre 8 et 25 kbars et, 1180 et 1430˚C. Les faibles concentrations en F et Cl dans les minéraux ont été analysées par la sonde ionique Cameca IMF 1280 de WHOI en utilisant le mode d'ions secondaires négatifs. Les résultats montrent que DOpx/meltF varient de 0.123 à 0.021 et DCpx/meltF de 0.153 à 0.083, tandis que DOpx/meltCl varient de 0.002 à 0.069 et DCpx/meltCl de 0.008 à 0.015. De plus, DOl/meltF de 0.116 à 0.005 et DOl/meltCl de 0.001 à 0.004 ; DGrt/meltF de 0.012 à 0.166 et DGrt/meltCl de 0.003 à 0.087 avec l'augmentation de la teneur en eau et la diminution de la température dans les expériences. Je montre aussi que le F est compatible dans la phlogopite (DPhl/meltF >1.2) alors qu'il est incompatible dans la pargasite (DAmp/meltF de 0.36 à 0.63). A l'inverse, Cl est plus incompatible dans la phlogopite (DPhl/meltCl en moyenne 0.09±0.02), que dans la pargasite (DAmp/meltCl de 0.12 à 0.38). Cette étude démontre que F et Cl sont substitués dans des sites spécifiques de l'oxygène, ce qui les rend plus sensibles que les éléments traces aux variations de chimie des cristaux et de la quantité d'eau, et donc aux conditions de fusion. En utilisant ces nouveaux coefficients de partage, j'ai modélisé la fusion de lithologies potentielles du manteau sub-arc permettant de 1) déterminer la quantité de fluide aqueux impliqué dans la fusion, 2) distinguer la fusion induite par apport de fluides de la fusion d'une source à minéraux hydratés et 3) la fusion d'une lithologie à pargasite de celle à phlogopite, et montre que la source de certains magmas primaires d'arc, par exemple d'Italie, contient de la pargasite et de la phlogopite, tandis d'autres magmas primaires d'arc résultent d'une fusion par apport de fluides. / Volatile elements released from the subducting slab play a fundamental role during the formation of arc magmas in the mantle wedge. Advances of melt inclusion studies enlarged the data on volatile abundance in arc magmas, and it is now possible to characterize some volatile contents in arc primary magmas, in particular F and Cl. A recent study of Mt Shasta melt inclusions (LeVoyer et al., 2010) shows that fractionation of F and Cl potentially contains information about arc magma genesis. In order to trace the source of arc magmas, fluorine and chlorine partitioning was investigated. Here, I present new experimental determinations of Cl and F partition coefficients between dry and hydrous silicate melts and mantle minerals: olivine, orthopyroxene, clinopyroxene, plagioclase, garnet and also pargasite and phlogopite. The values were compiled from more than 300 measurements in 24 melting experiments, conducted between 8 and 25 kbars and between 1180 and 1430˚C. The low abundance F, Cl measurements in minerals were done by Cameca IMF 1280 at WHOI using the negative secondary ion mode. The results show that DOpx/meltF ranges from 0.123 to 0.021 and DCpx/meltF ranges from 0.153 to 0.083, while Cl partition coefficient varies from DOpx/meltCl from 0.002 to 0.069 and DCpx/meltCfrom 0.008 to 0.015, as well. Furthermore, DOl/meltF ranges from 0.116 to 0.005 and DOl/meltCl from 0.001 to 0.004; DGrt/meltF ranges from 0.012 to 0.166 and DGrt/meltCl from 0.003 to 0.087 with the increasing water amount and decreasing temperature. I also show that F is compatible in phlogopite DPhl/meltF > 1.2) while DAmp/meltF is incompatible in pargasite DAmp/meltF from 0.36 to 0.63). On the contrary, Cl is more incompatible in phlogopite (DPhl/meltCl > 1.2 on average 0.09 ± 0.02), than in pargasite (DPhl/meltCl from 0.12 to 0.38). This study demonstrates that F and Cl are substituted in specific oxygen site in minerals that lead then to be more sensitive than trace elements to crystal chemistry and water amount variations thus melting conditions. Using those new partition coefficients, I modelled melting of potential sub-arc lithologies with variable quantity aqueous-fluid. This model is able to decipher 1) amount of aqueous-fluid involved in melting, 2) melting induced by fluid or melting of an hydrous mineral-bearing source and 3) melting of either pargasite-bearing lithology or phlogopite-bearing lithology and shows that sources of some primitive melts, for instance from Italy, bear pargasite and phlogopite, while some primitve melts seem to be the results of fluid-induced melts.

Les objectifs de cette thèse ont été de contribuer à l'évaluation des niveaux de contamination en éléments traces métalliques et métalloïdes (ETMM) des sols du site de l'ancienne fonderie de plomb de l'Escalette (sud-est de Marseille), d'en approcher les processus de transport et transfert dans l'environnement en particulier leurs mobilités dans le sol et leurs transferts aux plantes. La contribution à l'établissement d'une cartographie de la contamination sur un périmètre plus vaste que celui de l'usine (zone des Calanques) a permis de mettre clairement en évidence l'impact de cette dernière. Sur le site industriel, les formes et niveaux de contamination des sols diffèrent d'une zone à l'autre. Les sols formés en surface des crassiers se caractérisent par leurs fortes teneurs en Cu, Zn et Pb, dont les fractions mobilisables sont notables (2 à 30%), l'influence des scories est nette. Les sols prélevés à proximité de la cheminée présentent les plus fortes contaminations en Pb, Sb et As, avec de 10 à 30% de fractions mobilisables. Cette contamination est liée aux émissions anciennes via la cheminée rampante mais aussi à la dégradation de cette dernière. Le potentiel de libération des éléments As et Sb des sols de ces 2 zones conduirait à leurs stockages dans des décharges pour déchets dangereux. Les essais de solubilisation en milieu acide ont mis en évidence des risques pour la santé par ingestion concernant Pb et As. Les zones en proche périphérie de l'usine sont moins impactées mais sont néanmoins considérées comme fortement contaminées. G. alypum et R. officinalis, présentes sur le site, sont tolérantes aux ETMM et peuvent les accumuler. / The overall objective of this thesis was to contribute to the assessment of the level of contamination by trace metals and metalloids (TMM) on the site of Escalette (a former lead smelter in southeastern Marseille). The study of TMM transfer and transport processes on this site, taking into account their mobility in the soil and their transfer to plants, was a specific objective. The mapping of TMM contamination in an extended area around the factory site (on Calanques zone) has clearly highlighted the impact of the former industry. So, on the Escalette site, forms and levels of soil contamination differ from one area to another. Soils formed on the surface of the slag deposits are characterized by high levels of Cu, Zn and Pb, whose mobilizable fractions are significant (2-30%), showing a clear influence of slag. Soils collected near a chimney creeping uphill the slope, present the highest contamination levels in Pb, Sb and As, with from 10 to 30 % of mobilizable fractions. This contamination is linked to emissions through the damaged chimney but also to the degradation of this latter. The potential release of As and Sb from the soils of these two areas requires that these soils must be disposed of in landfills for hazardous wastes and their solubilization in acid medium have highlighted the health risks by ingestion for Pb and As. On areas in near periphery of the smelter, soils are less affected but must be still considered heavily contaminated. G. alypum and R. officinalis were observed on the site. They are tolerant and can accumulate TMM. Concentrations in roots were significantly correlated with the concentrations in soils, except for Cu.

Les cherts, roches siliceuses, sont souvent considérés comme des marqueurs des conditions environnementales de la Terre primitive. Ces roches sont constituées de quartz sous différentes formes dont le quartz microcristallin ou microquartz est la forme majoritaire. Le but de cette thèse est d'étudier à l'échelle micrométrique les compositions isotopiques de l'oxygène et du silicium des différentes formes de silice dans des cherts d'âges variés, allant de 3,5 à 1,9 Ga afin de mieux comprendre l'origine et le mode de formation de ces roches et d'essayer d'améliorer les reconstructions des températures océaniques du Précambrien. Les mesures isotopiques, réalisées à la sonde ionique ims 1270, ont une précision meilleure que 0,2 ‰ pour le [delta]18O et de l'ordre de 0,3 ‰ pour le [delta]30Si. Ces analyses isotopiques ont été combinées avec l'analyse des éléments traces (B, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Fe) avec la sonde ionique 3f, avec une étude pétrographique détaillée du microquartz et avec l'analyse des inclusions fluides des veines de quartz. Le résultat principal est la mise en évidence de grandes gammes de variation du [delta]18O (entre 1 ‰ et 14?‰) et du [delta]30Si (entre 2 ‰ et 5 ‰) à l'échelle micrométrique dans le microquartz. La gamme de variation du [delta]18O a pu être interprétée dans les échantillons datés de 1,9 Ga comme témoignant de l'histoire diagenètique de ces roches. Cette gamme permet, en corrigeant de l'effet de la diagenèse, de reconstruire des températures océaniques à 1,9 Ga entre 37 et 52°C, ce qui laisse suggérer un océan assez chaud au Précambrien si ces échantillons sont représentatifs de conditions globales. Dans le cas des échantillons datés à 3,5 Ga, les variations de [delta]30Si et de concentrations en éléments traces apportent des informations sur les origines variées des cherts. Enfin, l'effet des circulations fluides sur les compositions isotopiques du microquartz a été caractérisé par l'analyse isotopique du [delta]18O et du [delta]30Si et par l'étude des inclusions fluides. Il est démontré que dans certains cas le [delta]18O du microquartz peut être entièrement rééquilibré avec les fluides hydrothermaux ou métamorphiques. L'approche développée dans cette thèse devra dans le futur être appliquée systématiquement à l'étude des cherts aux fins de reconstructions paléo-environnemantales / Cherts, which are siliceous rocks, are considered as possible proxies of paleo-environmental conditions of the Early Earth. These rocks contain various forms of quartz, microquartz being the predominant one. The study of oxygen and silicon isotopic composition in the various forms of silica in cherts of different ages, from 3,5 Ga to 1,9 Ga, allowed to better understand the origin and the formation of these rocks and allowed to try to reconstruct paleo-temperatures for Precambrian seawater. Isotopic measurements were obtained with the ims 1270 multicollector ion microprobe with a precision better than 0,2 ‰ for [delta]18O and of ˜ 0,3 ‰ for [delta]30Si. These analyses were combined with the measurement of traces elements concentrations (B, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Fe) with the ims 3f ion microprobe, with a petrographical study of microquartz and with the study of fluid inclusions in quartz veins. The major result is the existence at a micrometer scale of a large range of variations for [delta]18O (between 1 ‰ to 14?‰) and [delta]30Si (between 2‰ to 5‰). In the Gunflint cherts, the range of [delta]18O variation has been interpreted as due to diagenesis and has been used to reconstruct oceanic paleo-temperatures. The calculated temperatures range from +37°C to +52°C, suggesting an hot ocean during the Precambrian era if Gunflint cherts are representative of global environmental conditions. The [delta]30Si variations associated with that of trace elements concentrations allow to constrain the various origins of these cherts. The effect of fluid circulations on the isotopic compositions has been characterized by [delta]18O and [delta]30Si analyses and by fluid inclusions study. It is shown that in some cases the [delta]18O value of microquartz can be totally re-equilibrated with the hydrothermal or metamorphic fluids. The approach developed in this thesis will be decisive in future studies of Archean cherts for paleotemperature reconstructions

La cigarette électronique est installée sur le marché depuis plusieurs années et jouit aujourd’hui d’une forte notoriété. Les données scientifiques existantes tendent à considérer l’e-cigarette comme moins toxique que son homologue principal, la cigarette conventionnelle. Cependant, l’impact intrinsèque du vapotage sur la santé humaine, à court et long terme, n’est pas précisément connu et est actuellement au coeur de nombreux débats de Santé Publique.Depuis 2014, nous menons un projet dont l’objectif principal est d’étudier l’impact sanitaire de la cigarette électronique au moyen d’une approche pluridisciplinaire combinant entre autres l’analyse physicochimique et la toxicologie expérimentale. Dans le cadre de ce projet, mes travaux ont porté sur la caractérisation physicochimique des e-liquides, d’une marque commerciale, et de leurs e-vapeurs, basée en particulier sur l’identification et la quantification de composés potentiellement toxiques pour l’Homme. En l’absence de méthodes de référence, cette analyse requiert un niveau élevé de maîtrise et de robustesse de l’ensemble de la chaîne de mesure, allant de la génération à l’analyse, notamment pour les e-vapeurs.Les éléments traces métalliques (ETM) étant des composés à impact sanitaire potentiel, nos travaux ont débuté par le développement et la validation d’une méthode de dosage simultané de 15 ETM dans les e-liquides par ICP-MS. Il s’avère que l’e-liquide, matrice organique visqueuse, est source d’effets de matrice non négligeables qu’il est nécessaire de corriger par l’ajout de matrice dans le calibrant, en proportion adaptée. La méthode a été entièrement validée selon les recommandations du Comité français d’accréditation et de l’US Environmental Protection Agency et a démontré des paramètres de robustesse satisfaisants.Six e-liquides et leurs e-vapeurs respectives, générées par une machine à fumer/vapoter, ont été ensuite analysés pour la recherche et la quantification de leurs ingrédients principaux (propylène glycol, glycérol et nicotine) et de différents polluants potentiellement toxiques (15 ETM, 50 pesticides, 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et 3 composés carbonylés). Les e-liquides avaient une composition conforme à celle annoncée par le fabricant et contenaient quelques rares polluants, à l’état de traces. Dans les e-vapeurs, 3 composés carbonylés, 2 HAP et 4 ETM (Sb, Cd, Cr et Pb) ont été retrouvés à des concentrations 7 à 6126 fois inférieures à celles mesurées dans la fumée de la cigarette de référence 3R4F, analysée dans des conditions comparables (à l’exception du Cr et du Sb non présents dans la fumée de la 3RF4).Le profil de vapotage, qui repose essentiellement sur le volume, la durée et la fréquence des bouffées, semble contribuer à la large variabilité de la composition chimique des e-vapeurs observée entre les différentes données de la littérature. En se focalisant sur l’analyse d’une seule famille de composés à impact sanitaire probable, nous avons montré, d’une part, que le profil de vapotage a une influence certaine sur la composition de l’e-vapeur en composés carbonylés et, d’autre part, que les profils de vapotage ne sont pas adaptés à tous les modèles d’e-cigarette.Les travaux de cette thèse ont participé à améliorer les connaissances actuelles sur la caractérisation physicochimique des émissions de cigarette électronique. Globalement, les e-cigarettes et e-liquides testés émettent et/ou génèrent quelques rares composés potentiellement toxiques, à des concentrations inférieures à celles observées dans la fumée de cigarette conventionnelle. Les résultats de nos travaux répondent en partie à l’urgente nécessité d’optimiser et d’harmoniser les pratiques analytiques dans le domaine de l’e-cigarette et de ses émissions. Ils devraient ainsi contribuer à l’établissement de méthodes de référence qui faciliteront et autoriseront l’interprétation et la comparaison des données, actuellement très disparates dans la littérature. / The electronic cigarette has been on the market for several years and enjoys a strong reputation. Existing scientific data tend to consider the e-cigarette as less toxic than its main counterpart, the conventional cigarette. However, the intrinsic impact of vaping on human health, in the short and long term, is not precisely known and is currently part of many Public Health debates.Since 2014, we have undertaken a project whose main objective is to study the health impact of the electronic cigarette using a multidisciplinary approach comprising physicochemical analysis and experimental toxicology. As part of this project, my work focused on the physicochemical characterization of e-liquids, from a unique commercial source, and their e-vapors, mainly based on the identification and quantification of potentially-toxic compounds. Regarding the current lack of reference methods, this analysis requires a high level of control and robustness of the entire measurement chain, from generation to analysis methods, especially for e-vapor study.Considering the potential health impact of metallic trace elements (MTEs), we first developed and validated a method allowing the simultaneous dosage of 15 MTEs in e-liquids by ICP-MS. The e-liquid, a viscous organic matrix, is a source of significant matrix effects which must be corrected by the addition of matrix in the calibration step, in a suitable proportion. The method was fully validated according to the recommendations of the French Accreditation Committee and the US Environmental Protection Agency and demonstrated satisfactory robustness parameters.Six e-liquids and their respective e-vapors, generated via a smoking/vaping machine, were then analysed to detect and quantify their main ingredients (propylene glycol, glycerol and nicotine) and various potentially-toxic pollutants (15 MTEs, 50 pesticides, 16 polycyclic aromatic hydrocarbons and 3 carbonyl compounds). Each e-liquid composition was in accordance with that announced by the manufacturer and contained few pollutants, at trace levels. In the e-vapors, 3 carbonyl compounds, 2 polycyclic aromatic hydrocarbons and 4 MTEs (Sb, Cd, Cr and Pb) were found at concentrations 7 to 6126-fold lower than those measured in the mainstream smoke of the reference cigarette 3R4F, analysed under comparable conditions (except for chromium and antimony which were not detectable in the 3R4F smoke).The vaping regimen, that is mainly based on the volume, the duration and the frequency of puffs, is strongly suspected to participate to the large observed variability of the e-vapor chemical composition between different published data. Through focusing on the analysis of a unique family of compounds with health impact, we demonstrated, on the one hand, that the vaping regimen has some influence on the carbonyl composition of e-vapors and, on the other hand, that vaping regimens are not all suitable for any type of e-cigarette models.This work has contributed to improve the current knowledge on the physicochemical characterization of e-cigarette emissions. Globally, the e-cigarettes and e-liquids tested emit and/or generate few potentially-toxic compounds, at concentrations lower than those observed in conventional cigarette smoke. Our findings satisfy partly the urgent need of optimization and harmonization of the analytical practices used to study e-cigarettes and their emissions. They should thus contribute to the establishment of reference methods that will allow and facilitate the interpretation and comparison of data, which vary significantly across the literature.

La problématique de la contamination des sols urbains et agricoles par les éléments traces métalliques (ETM) est un enjeu majeur en termes de santé publique et de protection de l’environnement. Dans le contexte de l’expansion de l’agriculture urbaine et des jardins communautaires souvent localisés sur des sites contaminés, il existe un intérêt fort pour le développement de méthodes de décontamination moins coûteuses que les méthodes de remédiation conventionnelles et qui préservent l’intégrité et la fertilité du sol. La phytoextraction est une technique écologique de remédiation des sols contaminés en ETM qui repose sur l’utilisation de plantes accumulatrices de métaux pour diminuer les concentrations en ETM dans le sol. La crucifère européenne Noccaea caerulescens (tabouret calaminaire), hyperaccumulatrice de zinc (Zn), cadmium (Cd) et nickel (Ni), s’est imposée comme plante phytoextractrice modèle vu ses étonnantes capacités d’accumulation in natura. Cependant, les conditions de culture optimales de N. caerulescens sont largement méconnues.L’optimisation de la phytoextraction du Cd et du Zn avec N. caerulescens a donc constitué l’objectif principal de ce travail. Nous avons mené des essais de terrain à Bruxelles sur des sites dont les sols sont modérément contaminés en ETM. Le premier objectif était de comparer l’efficacité d’extraction des populations calaminaires du Sud de la France (CAL-SF) et des populations non-métallicoles luxembourgeoises (NMET) de N. caerulescens. En parallèle, un deuxième objectif était de tester l’effet de plusieurs pratiques de culture sur la croissance et l’accumulation afin de développer un itinéraire technique performant. Un dernier objectif était d’étudier l’influence des paramètres édaphiques sur l’efficacité de la phytoextraction. Nous avons mis en évidence pour la première fois sur le terrain que les populations NMET sont nettement plus efficaces pour l’extraction du Zn que les populations CAL-SF et qu’elles combinent à la fois une meilleure production de biomasse et une plus grande résistance aux herbivores et aux pathogènes. Ce travail de thèse souligne que le cycle de vie – annuel ou bisannuel – est un déterminant important de la vitesse de croissance, du rendement d’extraction et du cycle de culture à privilégier. Nos résultats montrent que l’itinéraire technique le plus performant est celui d’un repiquage à l’automne de plantules à cycle bisannuel à densité élevée (100-120 plantes m-²), suivi d’une longue saison de culture (12 mois), tandis que pour des plantes annuelles il faut favoriser une installation au printemps. Enfin, la croissance de N. caerulescens est essentiellement stimulée par des hautes teneurs en matière organique, une faible densité apparente, une texture limoneuse et un bon apport en azote. Ce dernier élément entraîne cependant une baisse des concentrations en ETM dans les plantes quand sa teneur augmente dans le sol. La fertilisation azotée ne devrait donc être utilisée qu’en cas de forte carence azotée.Ce travail a permis de démontrer qu’une culture de N. caerulescens pouvait extraire jusqu’à 18 % du Cd total (CAL-SF) et 10 % du Zn total (NMET) dans les 20 premiers cm de sols modérément contaminés (jusqu’à 10 mg Cd kg-1 et 1000 mg Zn kg-1). À condition d’augmenter et de stabiliser les rendements de biomasse aérienne, la phytoextraction du Cd avec N. caerulescens pourrait donc être une technique pour décontaminer des sols modérément contaminés en Cd tels que les sols agricoles ou les sols urbains. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La prise de conscience grandissante de la contamination des cours d'eau a entraîné l'établissement de réglementations de plus en plus strictes concernant les rejets urbains et la fixation d'objectifs de qualité à atteindre pour les milieux aquatiques. Cependant, l'échantillonnage ponctuel reste une limite importante dans l'estimation des flux de contaminants, et le besoin de suivis en continu est présent dans le milieu naturel et dans les réseaux d'assainissement urbains. Cette étude porte sur la quantification de la part des rejets urbains de l'agglomération grenobloise dans les flux totaux de matières en suspension (MES), nutriments (azote, phosphore), carbone organique et éléments traces métalliques (ETM) du milieu récepteur Isère (une rivière alpine). Ce travail s'est appuyé sur un réseau de mesures en continu de débits (Q) et de MES (par turbidimétrie) à l'amont et à l'aval de l'agglomération et sur une sonde spectrométrique à l'amont, associé à des campagnes de prélèvements réguliers et renforcés pendant les épisodes de crues. Des campagnes de mesures détaillées sur les principaux sous bassins du réseau d'assainissement ont été réalisées durant la période d'étude dans le cadre du schéma directeur d'assainissement de l'agglomération grenobloise. Le croisement de ces deux approches a permis de confronter les variations spatio-temporelles des MES, nutriments, carbone organique et ETM du réseau et du milieu récepteur en 2011 et 2012. Les flux sur ces deux années ont été établis afin de déterminer la contribution des rejets urbains dans les flux du milieu récepteur. La contamination en mercure a fait l'objet d'un suivi particulier du fait de la présence d'une source significative de mercure dans la région. Enfin, une réflexion sur l'amélioration des calculs de flux par l'utilisation de relations entre les ETM/carbone organique particulaire (COP) et un paramètre mesurable en continu (MES, Q) a été menée en parallèle de l'exploitation de ces résultats. Mots-clés : Matières en suspension ; Dynamique des flux ; Nutriments ; Eléments traces métalliques ; Mercure ; Rejets urbains (par temps de pluie et temps sec), sondes de turbidité et spectrométrique. / The growing awareness of the contamination of rivers has led to the establishment of more rigorous regulations related to urban waste, and to the setting of water quality objectives to be achieved for aquatic environment. However, grab sampling remains an important limitation for the estimation of contaminant flux, and the need for constant monitoring is present in both natural environment and urban sanitation. This study focuses on the quantification of the proportion of urban waste in the Grenoble area to the total flux of 1) suspended solids (TSS), 2) nutrients (nitrogen and phosphorus), 3) organic carbon and 4) metals trace element (MTE) of the receiving environment; the Isère (an alpine river). This work was supported by a network of continuous discharge measurements (Q) and TSS (turbidimetry), both upstream and downstream of Grenoble associated with regular sampling campaigns, with a higher measurement frequency during flood events. A spectrometric probe upstream was also placed upstream. Detailed measurement campaigns on major sub-basins of the sewerage network were performed during the study period as part of the sanitation master plan of Grenoble. The combination of these two approaches allowes to relate the spatio-temporal variations of TSS, nutrients, organic carbon and MTE in the urban water network of Grenoble and in the receiving environment (the Isère) for the years 2011 and 2012. Flows of the traced parameters have been established to determine the contribution of urban waste flows in the receiving environment, over these two years. Finally, a study on how to improve the flow calculations by the use of relations between MTE / particulate organic carbon (POC ) and a continuous measurable parameter (MES, Q ) was conducted in parallel with these results. Key words: suspended solids, Nutrients, metals trace element; Mercury; urban waste; turbidimetry and spectrometric probe

The rapid urbanization and industrialization has led to an increase of disposal petroleum hydrocarbons (PHC) and trace elements (TE) into the environment. These pollutants are considered as the most toxic contaminants in the world due to their persistence in the environment, and the long range of toxicological effects for living beings when their concentrations exceed critical thresholds. Recent concerns regarding the environmental contamination have initiated the development of several remediation technologies, including physico-chemical, biological and Dig and Dump approaches. In my thesis, gentle soil remediation options (GRO) were investigated at different scales for the reclamation of PHC and TE co-contaminated soil. In the first part of my thesis, laboratory experiments were performed to characterize PHC and TE contaminated soil as well as the indigenous microorganisms (bacteria and fungi) present in these contaminated soils. It was found that the studied aged contaminated soil had a negative effect on earthworm’s development and Lepidium sativum biomass. Moreover, a high respiration of microorganisms attributed to the transformation/ mineralization of organic matter or/and organic pollutants was observed. This presence of viable microorganisms suggested an adaptation of microorganisms to the contaminant. Further results showed that the long-term exposure of soil microorganisms to high PHC concentration and the type of isolation culture media did not influence the ability of isolates to effectively degrade PHC. However, phylogenic affiliation had a strong effect on PHC biodegradation. In the second part of my thesis, preliminary studies in greenhouse trials were performed to investigate the ability of Medicago sativa assisted by compost in the greenhouse aided-phytoremediation of PHC and TE. The results clearly showed that compost amendment into the soil promoted PHC degradation, M. sativa growth and survival, and phytoextraction of TE. Residual risk assessment after the phytoremediation trial also showed a positive effect of compost amendment on plant growth and earthworm development. Pilot-scale ecopile experiment carried out in the third part of this thesis allow a reduction of up to 80% of PHC and 20% of metals after 17 months. My thesis showed that alfalfa (M. sativa) and sunflower (Helianthus annus) plants were suitable for phytodegradation of PHC and phytoextraction of TE. The outcomes of my thesis can be extend to other plants and they bring a new level of understanding that can be helpful for further full-scale phytoremediation studies. / L'urbanisation rapide et les activités industrielles ont abouti à la contamination de l’environnement par les hydrocarbures pétroliers (HP) et les éléments traces (ET). Ces composés sont particulièrement toxiques en raison de leur persistance dans l'environnement, et de leurs effets toxicologiques sur les êtres vivants quand les concentrations de ceux-ci dépassent des seuils critiques. Les préoccupations de plus en plus croissantes sur la contamination de l'environnement ont favorisé le développement de plusieurs technologies de remédiation des sites contaminés par les approches biologiques, physico-chimiques et par l’excavation et l’entreposage. Dans cette thèse, des options douces d'assainissement des sols (ODA) ont été utilisées à différentes échelles pour la remédiation des sols contaminés par des mélanges des HP et des ET. Dans la première partie de ma thèse, des expériences en laboratoire ont été effectuées dans le but de caractériser les sols contaminés et les micro-organismes autochtones (bactéries et champignons) qu’ils contiennent. Malgré la contamination ancienne du sol, les résultats obtenus montrent des effets négatifs des contaminants sur le développement des lombrics et la biomasse de Lepidium sativum. En outre, une respiration élevée de microorganismes, attribuée à la transformation / minéralisation de la matière organique et / ou des polluants organiques a été observée. Cette présence de micro-organismes viables dans les sols contaminés suggère leur adaptation aux contaminants. Toutefois, d'autres résultats ont montré que l'exposition à long terme des microorganismes du sol à de fortes concentrations en HP et le type de milieu de culture utilisé pour l'isolation n'influencent pas la capacité des isolats microbiens à dégrader efficacement les HP. Cette capacité de biodégradation des HP est liée à la phylogénie des microorganismes. Dans la deuxième partie de cette thèse, les études préliminaires en serre ont été réalisées dans le but d’évaluer l’efficacité de phytoremédiation en utilisant Medicago sativa assistée par l’ajout du compost. Les résultats ont montré dans cette expérience que l’ajout du compost dans le sol favorise la dégradation des HP, la croissance et la survie de M. sativa, ainsi que la phytoextraction des ET. L’évaluation des risques résiduels après la phytoremédiation a également montré un effet positif de l'amendement du sol en compost sur la croissance des plantes et le développement des lombrics. L’expérience pilote réalisée sur le terrain dans la troisième partie de ma thèse a permis une réduction de 80% des HP et de 20% des ET après 17 mois. Ma thèse a démontré que la luzerne (M. sativa) et le tournesol (Helianthus annus) sont des choix judicieux de plantes pour la phytodégradation des HP et pour la phytoextraction des ET. Les résultats qui en résultent sont utiles pour d’autres études de phytoremédiation à grande échelle. / Den snabba urbaniseringen och industrialiseringen har lett till en ökning av petroleumkolväten (PHC) och olika spårämnen (TE) i miljön. Dessa föroreningar anses vara de mest giftiga föroreningarna i världen på grund av att de stannar kvar i miljön samt att de har toxikologisk påverkan på levande varelser. På senare tid har oron för dessa miljöföroreningar lett till utvecklingen av flera saneringstekniker, såsom fysiska, kemiska och biologiska metoder. I denna avhandling undersöktes enkla marksaneringsalternativ (GRO) på olika nivåer, för återvinning av PHC och TE från förorenad jord. I den första delen av denna avhandling, utfördes laboratorieförsök för att karakterisera PHC- och TE-förorenad jord samt av de inhemska mikroorganismerna (bakterier och svampar) som förekommer i dessa förorenade jordar. Det konstaterades att den studerade förorenade jorden hade en negativ inverkan på daggmaskars utveckling och biomassan av L. sativum. Dessutom kunde den höga respirationen bland mikroorganismerna tillskrivas omvandlingen och mineraliseringen av organiskt material och/eller de organiska föroreningar som observerades. Denna närvaro av livsdugliga mikroorganismer antydde att mikroorganismerna anpassat sig till föroreningssituationen på platsen. Ytterligare resultat visade dock att den långvariga exponeringen av höga PHC-koncentrationer i isolerade odlingsmedier, för mikroorganismer i jorden, inte påverkade förmågan för dessa att effektivt bryta ned PHC. Dock hade den fylogenetiska tillhörigheten en stark påverkan på bionedbrytning av PHC. I den andra delen av denna avhandling genomfördes preliminära studier i växthus där förmågan hos M. sativa undersöktes, med hjälp av kompost, gällande den växthusstödda fytosaneringen av PHC och TE. Resultaten visade att inblanding av kompost i jorden främjade nedbrytningen av PHC, tillväxten och överlevnadsgraden av M. sativa och fytoextraktion av Pb. Återstående riskbedömning efter fytosaneringen visade också en positiv effekt, när komposten användes, på växternas tillväxt och daggmaskarnas utveckling. Ett experiment med eco-bädd utfördes för den tredje delen av avhandlingen. Denna studie visade på en minskning på upp till 80% av PHC och 20% av metallerna. Denna avhandling visar att M. sativa och H. annus var lämpliga för nedbrytning av PHC och fytoextraktion av Pb och Cu. Resultaten från denna avhandling förväntas vara användbara för ytterligare studier av fytoremediering i fullskala.