Le krill est un crustacé macrozooplanctonique qui joue un rôle clé dans l'écosystème marin pélagique. Il représente une plateforme trophique entre les producteurs primaires planctoniques et les niveaux supérieurs de la chaine alimentaire. Dans un contexte de changements environnementaux, la compréhension des impacts de la variabilité naturelle du forçage physique sur la physiologie du krill et la dynamique des populations apparait essentielle pour mieux appréhender la dynamique, l’évolution et la gestion des écosystèmes marins subarctiques. Dans l'estuaire et le golfe du Saint-Laurent (EGSL), les communautés de krill sont dominées par deux espèces sympatriques, Meganyctiphanes norvegica et Thysanoessa raschii. L'objectif principal de ce projet de recherche était d'étudier, à travers le développement de modèles biophysiques, les effets de la variabilité environnementale sur la distribution, la reproduction et la croissance de ces deux espèces. Le projet nous a permis i) de construire un modèle physiologique spécifique à l'espèce (IBM) pour le stade adulte des deux espèces de krill et de le valider avec les données disponibles ; ii) d'identifier spatiotemporellement les zones de croissance et de reproduction potentielles de l'EGSL pour les deux espèces iii) d'étudier le rôle de la variabilité interindividuelle sur la dynamique de production de T. raschii face à la variabilité environnementale. Dans le premier chapitre, nous avons construit un modèle physiologique basé sur l'individu et spécifique à chaque espèce représentant de manière réaliste le cycle de vie annuel des deux espèces à la station Rimouski située dans l'estuaire du Saint-Laurent. Nous avons montré que la dynamique de production des individus de M. norvegica et de T. raschii était fortement liée à l'environnement alimentaire. Cependant, les deux espèces ont montré des trajectoires de croissance et de reproduction bien différentes, T. raschii montrant une saison de production estivale, alors que M. norvegica montrait une saison de production plutôt automnale. Le modèle a permis de mettre en évidence comment la compréhension et la mise en oeuvre des processus d'alimentation étaient essentielles pour une représentation précise de la dynamique de croissance de chacune des espèces. Dans le deuxième chapitre, nous avons couplé le modèle physiologique développé au chapitre 2 à un modèle de circulation générale 3D et à un modèle biogéochimique de type NPZD, afin d'étudier la dynamique de production à l'échelle de l'EGSL dans son ensemble. Les résultats ont montré une forte saisonnalité du potentiel de croissance et de reproduction des deux espèces, étroitement liée à la dynamique du phytoplancton et du zooplancton, représentant leur champ de proies. Bien que les connaissances soient limitées au nord-est du golfe, les résultats de notre modèle ont montré l'émergence de zones de forte production, dans l'estuaire, dans la région du détroit de Belle Isle, le long de la côte ouest de Terre-Neuve et le long de la côte nord. Notre étude a également mis en évidence l'existence d'un circuit cyclonique de production du krill longeant les rives de l'ensemble de l'EGSL, de la péninsule d'Avalon, au sud de Terre-Neuve, à la rive nord du Québec en traversant le détroit de Belle Isle, durant la saison de production (avril à octobre). Dans le troisième chapitre, nous nous sommes intéressés à quantifier la contribution relative de la variabilité environnementale interannuelle (2003 et 2006) et celle de la variabilité interindividuelle sur la dynamique de production de T. raschii dans le système EGSL. Nos résultats ont montré qu'environ 15% de la variabilité totale des variables d'état du modèle IBM pouvait être expliquée par la variabilité interindividuelle simulée ajoutée au modèle IBM. Les résultats montrent également que l'inclusion de la variabilité interindividuelle n'a pas modifié significativement la réponse de la population en réponse à l’environnement : les mesures de centralité des variables d'état obtenues entre 2003 et 2006 sont restées similaires dans les simulations avec et sans variabilité interindividuelle. Cependant, il en est résulté un élargissement des distributions de fréquence des variables d'état. De plus, une augmentation des réponses positives des variables d'états lors des simulations avec variabilité interindividuelle a également émergé des résultats du modèle pour l'année 2003, évoquant une résistance de la population face à la variabilité de l'environnement. Les résultats de cette thèse fournissent des données importantes pouvant être intégrées dans un plan de gestion écosystémique et constituent une base pour l'étude de la variabilité interannuelle et la compréhension de l'évolution future de la dynamique de production pour les deux espèces. / Krill are macrozooplanktonic crustaceans play a key role in the pelagic marine ecosystem. They represent a crucial trophic platform between planktonic primary producers and the upper food-web levels. In a context of environmental changes, understanding the impacts of the natural variability of physical forcing on krill physiology and population dynamics appears essential to better apprehend the dynamics, evolution and management of subarctic marine ecosystems. In the Estuary and Gulf of St. Lawrence (EGSL), krill communities are dominated by two sympatric species, names Meganyctiphanes norvegica and Thysanoessa raschii. The main objective of this research project was to study, through the development of biophysical models, the effects of environmental variability on the distribution, reproduction and growth of these two species. The project allowed us i) to build a species-specific physiological based model (IBM) for adult stage of both krill species and to validate it with available data; ii) to identify spatio-temporally the potential growth and reproduction areas in the EGSL for both species iii) to study the role of the intraspecific variability on T. raschii population dynamics facing the environmental variability. In the first chapter we built a physiological species-specific based model representing realistically the annual adult life cycle for both dominant species at the Rimouski station located in the St. Lawrence River Estuary. We showed that the production dynamics of M. norvegica and T. raschii individuals were strongly linked to the feeding environment. However, both species exhibited well different growth and reproductive trajectories, T. raschii showing a summer production season, while M. norvegica an autumnal production season. The model highlighted how understanding and implementing feeding processes was essential for accurate representation of the growth dynamics of each species. In the second chapter, we coupled the physiological model developed in Chapter 2 with a 3D general circulation model and a biogeochemical model of the NPZD type, in order to study the production dynamics at the EGSL scale. The results showed a strong seasonality of the growth and reproduction potential of both species, closely related to the dynamics of phytoplankton and zooplankton, representing their prey field. Although knowledge was limited in the northeastern Gulf, model results showed the emergence of high production areas in the Estuary, in the Strait of Belle Isle, along the western coast of the Newfoundland and along the North Shore. Our study also highlighted the existence of a larger cyclonic circuit of krill production and transport that runs along the shores of the whole EGSL, from the Avalon Peninsula in the south of Newfoundland to the North Shore of Québec across the Strait of Belle Isle, and back to the Estuary upstream during the production season (April to October). In the third chapter, we are interested in quantifying the relative contribution of interannual environmental variability (2003 and 2006) and inter-individual variability on the production dynamics of T. raschii in the EGSL system. Our results showed that about 15% of the variability of IBM model state variables could be explained by the level of simulated inter-individual variability. Results also showed that inclusion of inter-individual variability did not significantly modify the system's response at the population level in response to the environment: the centrality measures of the state variables obtained between 2003 and 2006 remained similar in the simulations with and without inter-individual variability. However, this has resulted in an expansion of the frequency distributions of the state variables. Moreover, an increase in the positive responses of the state variables during simulations with inter-individual variability also emerged from the results of the model for the year 2003, evoking a resistance of the population to the variability of the environment. These results provide important data to integrate in fully ecosystem-based management plan. They represent a baseline to the study of the inter-annual variability and the understanding of the future production dynamics evolution for the both species.

La dynamique des Matières en Suspension (MES) dans les estuaires macrotidaux est fortement variable à la fois spatialement (du compartiment fluvial à l'embouchure de l'estuaire) et temporellement (de la seconde à plusieurs années), mais reste primordiale pour comprendre et quantifier la dynamique sédimentaire des environnements estuariens. Avec le développement croissant des réseaux de mesures haute-fréquence à l'échelle internationale, l'objectif principal de cette étude est de qualifier et de valoriser les mesures de turbidité acquises par un réseau de mesures haute fréquence (réseau SYNAPSES) implanté d'amont en aval sur l'estuaire de la Seine (France) à la fois (i) en matière de suivi de la dynamique des MES du compartiment fluvial au bouchon vaseux et (ii) en matière d'estimation des flux de MES sur différentes échelles spatio-temporelles de l'estuaire de la Seine. Les données acquises à partir du réseau SYNAPSES et des campagnes in situ (81 journées de 12 h - OBS-3+/YSI/LISST 100X-C/ADCP 600 kHz) sur quatre stations réparties de l'estuaire fluvial à la zone du bouchon vaseux, constituent un set de données extrêmement riche et unique sur les domaines estuariens. La variabilité des relations, établies entre les mesures de turbidité [NTU] et les mesures de concentrations en MES [g.L-1] sur chacune des campagnes de l'échelle tidale à annuelle, met en évidence l'effet (i) de la technologie interne du capteur et (ii) de la variabilité des propriétés optiques inhérentes des particules (diamètre médian D50), densité sèche rhô et efficacité de diffusion Qc) sur la sensibilité des différents capteurs optiques. L'analyse conjointe des données in situ et des données SYNAPSES a permis de calibrer les mesures de turbidité en concentration massique, avec une relation validée sur le cycle annuel, spécifique à chacune des stations et des incertitudes minimisées. Après une étude de la représentativité des stations du réseau vis-à-vis de la section, les flux instantanés de MES sont estimés (i) à partir des données de concentrations en MES et de débits acquis par l'ADCP sur l'intégralité de la section et (ii) à partir des concentrations ponctuelles en MES du réseau SYNAPSES couplées au modèle hydrodynamique MARS-3D. Les comparaisons des flux de MES in situ par rapport à ceux estimés par la combinaison SYNAPSES/MARS-3D permettent de proposer un coefficient spécifique à chacune des stations du réseau SYNAPSES, dans le but d'ajuster les flux instantanés de MES estimés, avec leurs incertitudes, à partir du réseau SYNAPSES à la réalité in situ. Les outils et les démarches développés dans la thèse sur l'estuaire de la Seine pauvent être appliqués à d'autres estuaires macrotidaux pour estimer les flux sédimentaires. / The dynamics of Suspended Particulate Matter (SPM) in macrotidal estuaries is highly variable both spatially (from the fluvial compartment to the estuary mouth) and temporally (from the second to several years), but it is essential to understand and quantify the sedimentary dynamics of estuarine environments. With the development of high-frequency measurement networks around the world, the main objective of this study is to qualify the turbidity measurements acquired by a high-frequency measurement network (SYNAPSES network) located on the Seine estuary (i) in terms of monitoring the SPM dynamics from the fluvial compartment to the turbidity maximal zone (TMZ) and (ii) in terms of estimation of the SPM fluxes on different spatio-temporal scales of the Seine estuary. Data acquired from the SYNAPSES network and complementary in situ campaigns (81 days of 12 h - OBS-3+/YSI/LISST 100X-C / ADCP 600 kHz) on four stations from the fluvial estuary of the Seine Estuary to the turbidity maximal zone, are an extremely rich and unique dataset on estuarine environments. The variability in the relationship between turbidity measurements [NTU] and SPM concentration measurements [g.L-1] on each campaign, reveals the effect of (i) the internal sensor technology and (ii) the variability of the particle inherent optical properties (median diameter D50, dry density rho and scattering efficiency Qc) on the sensitivity of different optical sensors. The analysis of the in situ and the SYNAPSES data allowed to calibrate the turbidity measurements in mass concentration, with a validated relationship on the annual cycle, specific to each of the stations and reduced uncertainties. After a study of the SYNAPSES station representativeness across the section, the instantaneous fluxes of SPM are estimated (i) from the SPM concentration and liquid flow data acquired by the ADCP on the global section and (ii) from the SPM concentrations of the SYNAPSES network coupled to the hydrodynamic model MARS-3D (estimation of the liquid flow). Comparisons of SPM fluxes in situ to those estimated by the combination SYNAPSES/MARS-3D allow to propose a specific coefficient for each of the SYNAPSES network stations, xith the aim of adjusting the SPM instantaneous fluxes estimated from the SYNAPSES network to the in situ reality, with reasonable uncertainties. the tools and approaches developed in the PhD thesis on the Seine estuary can be applied to other macrotidal estuaries to estimate sedimentary fluxes.

La réponse de la communauté de crustacés zooplanctoniques de l'estuaire de l'Escaut à l'amélioration de la qualité de l'eau a été étudiée (1996-2009). A partir de 2007, on observe un déplacement des calanoïdes de l'eau saumâtre vers l'eau douce, associée à une forte diminution des cyclopides en eau douce. Contrairement aux cyclopides et aux cladocères, la distribution spatio-temporelle des calanoïdes a répondu positivement à une amélioration de la qualité de l'eau. Nos résultats suggèrent un basculement du régime trophique d'Eurytemora affinis des organismes autotrophes vers des organismes hétérotrophes. Enfin, en vue de tester un modèle de sélectivité trophique en milieu estuarien dans un écosystème benthique, le comportement sélectif des rotifères du périphyton de la Garonne (France) a été analysé. Les résultats ont suggéré une sélection positive envers les cyanobactéries qui, en notre connaissance, a été mise en évidence pour la première fois dans ce milieu.

L’estuaire de la Gironde est affecté par une pollution polymétallique historique provenant de son bassin versant (affluent du Lot). L’analyse de 320 échantillons de sédiments couvrant l’ensemble de la surface estuarienne nous a permis d’établir les premières cartographies à haute résolution spatiale de la contamination métallique des sédiments de surface. Elles révèlent des zones d’accumulation préférentielle des ETM au niveau de la zone des îles en amont de l’estuaire et du chenal nord en aval de l’estuaire. Le facteur de contrôle dominant cette répartition est la granularité des sédiments.L’estimation des stocks métalliques potentiellement re-mobilisables, des facteurs d’enrichissement et de la toxicité potentielle du cocktail des ETM prioritaires nous ont permis d’évaluer un risque de toxicité faible à moyen des ETM vis-à-vis du biota. La contamination en ETM des bassins versants affluents de l’estuaire de la Gironde inclus dans le périmètre du SAGE Estuaire a été appréhendée en couplant sous SIG les caractéristiques typologiques de 57 bassins versants et la géochimie des sédiments prélevés à l’exutoire de ces bassins.Les anomalies les plus importantes concernent les bassins proches de l’agglomération bordelaise et correspondent au cortège des « traceurs urbains » : Ag, Cd, Cu, Hg, Sb et Zn, ainsi que Cu pour les bassins viticoles. L’étude des variations temporelles et spatiales des concentrations en ETM sur les chenaux drainant deux bassins versants agricoles montre des apports ponctuels ou chroniques en Ag,As, Cu et U attribués aux activités anthropiques. Les zones de marais jouent un rôle important dans la spéciation des ETM en lien avec les transformations de la matière organique (e.g. As). Des expérimentations de laboratoire ont permis de caractériser les processus affectant les ETM issus des sols agricoles lors de leur transfert et de leur transport dans les systèmes aquatiques. Les phénomènes de relargage à long terme de Cu soulignent le rôle important des colloïdes organiques dans la mobilité et la biodisponibilité potentielle de cet élément. / The Gironde estuarine system is impacted by historic polymetallic pollution due to mining and smelting activities in the upper watershed. Based on a high spatial resolution sampling strategy, wepropose the first maps of trace element (TE) contamination in the surface sediment at the estuarine scale. The highest TE concentrations occurred in the North Channel in the downstream estuary and inthe island zone in the upper estuary. Estimation of potentially releasable TE fraction, of enrichment factors and a comparison between measured TE concentrations and sediment quality guidelines allow us to class a major part of the estuary as a low to medium priority zone in terms of potential toxicityfor aquatic organisms.The TE contamination in the intra-estuarine watersheds included in a project of water quality management of the Gironde estuary (SAGE), was assessed for 57 watersheds by coupling into GIS,typological characteristics of the watersheds and geochemical analyses of stream sediments. Highest anomalies were found for urban watersheds for which urban tracers were identified as Ag, Cd, Cu, Hg,Sb and Zn, and for vineyard watersheds with Cu. A study of temporal and spatial variations of TEconcentrations in two small agricultural watersheds lead us to identify inputs from point and diffusive sources, especially for Ag, As, Cu and U related to anthropogenic activities. Marsh areas also play an important role in TE reactivity mainly due to organic matter transformations. In laboratory experiments simulating the transportation of TE from agricultural soils to aquatic systems and the maturing process of soil particles in the stream help us to identify processes responsible for TE release in the environment. Long term release of copper was mainly attributed to organic colloid transformation which implies an increase in the mobility, and consequently, the potential bioavailability/toxicity of Cu for aquatic organisms.

Antimoine (Sb) et tellure (Te), sont des contaminants peu étudiés (isotopes stables) et leurs radionucléides artificiels peuvent être rejetés dans le milieu aquatique lors des accidents nucléaires. La connaissance de leurs comportements biogéochimiques respectifs est nécessaire à l'évaluation du risque radiologique post-accidentel.Ce travail présente des données originales sur le comportement biogéochimique de Sb et de Te dans les systèmes de transition continent-océan, tels que l'estuaire de la Gironde et la rivière du Rhône. Un suivi de 14 ans et des campagnes océanographiques dans le bassin versant de l’estuaire de la Gironde ont permis d’identifier des concentrations, des flux, et des réactivités (variabilités spatio-temporelles et distribution solide/liquide) plus élevés pour Sb que pour Te, mettant en évidence un comportement additif pour Sb et de soustraction pour Te le long des gradients de salinité et de turbidité estuariennes. Des expériences couplant l’adsorption d’isotopes marqués sur des matières en suspension (MES) et des extractions sélectives des phases porteuses, suggèrent que les formes apportées de Sb et de Te sont plus mobiles et potentiellement plus biodisponibles que leurs équivalents naturels. De plus, l’observation de la bioaccumulation non-négligeable de Sb et de Te naturels dans les huîtres sauvages à l’embouchure de l’estuaire permet d’envisager une absorption potentielle de leurs homologues radioactifs.Ainsi, le développement de scenarios de dispersion de radionucléides rejetés dans les zones de transition dépendra (i) de la position géographique de la source (Rhône) et/ou de la zone de turbidité maximale (ZTM; système fluvio-estuarien de Gironde), (ii) de la situation hydrologique pendant et post accident, ainsi que (iii) de la réactivité biogéochimique et des temps de demi-vies des radionucléides. Les premiers scénarios de dispersion de radionucléides dans l'estuaire de la Gironde suggèrent (i) un transport préférentiel de Sb dissous vers la zone côtière, et (ii) une forte rétention de Te radioactif dans la ZTM si la dernière est présente en aval du site d’accident, impliquant le risque de migration saisonnière de la radioactivité vers la ville de Bordeaux pendant l’étiage suivant. Ainsi, la dynamique intra estuarienne (marée, débit et migration de la ZTM) sera le facteur prédominant dans le devenir de Te radioactif, depuis son rejet jusqu’à sa désintégration complète en iode radioactif. L’ensemble de ce travail met en évidence la nécessité d’une évaluation plus approfondie de la radiotoxicité potentielle de Sb et Te lors de leurs rejets en milieu aquatique. / Antimony (Sb) and tellurium (Te) are relatively uncommon contaminants (stable isotopes) and may form short-lived fission products (radionuclides) released into the environment during nuclear power plants accidents. Little is known about their respective biogeochemical behaviours, necessary for general contamination studies and post-accidental radiological risk assessment.This work provides original knowledge on Sb and Te biogeochemical behaviour in highly dynamic continent-ocean transition systems: the Gironde Estuary and the Rhône River. Concentrations, spatial/temporal variations, solid/liquid partitioning (Kd), and fluxes are studied from long-term records at the watershed scale. Four estuarine sampling campaigns during contrasting hydrological conditions show higher Sb solubility and Te particle affinity in the estuary than in the upstream fluvial reaches. Historical records (1984-2017) in wild oysters from the estuary mouth do not show clear trends of past or recent contamination, but measurable bioaccumulation suggests that potential uptake of radionuclides is likely to occur. Combined adsorption experiments using isotopically-labelled (spiked) Sb and Te, and subsequent selective extractions of carrier phases from suspended particulate matter (SPM) suggest that spiked Sb and Te are more mobile and potentially bioaccessible than their environmental (inherited) equivalents. Radiotracer adsorption experiments using environmentally representative concentrations of both Gironde and Rhône systems underpin that highly soluble elements may show contrasting reactivity between inherited and spiked forms.Radionuclide dispersion will greatly depend on (i) the geographical position of the source (Rhône) and/or the maximum turbidity zone (MTZ; Gironde fluvial-estuarine system), (ii) the succession of hydrological situations during and after the accident, and (iii) the biogeochemical reactivity and half-lives of the radionuclides. First scenarios on hypothetical dissolved radionuclide dispersion in the Gironde Estuary suggest (i) low sorption of Sb to the SPM, implying a transport of radionuclides in dissolved phase towards the coast, and (ii) high retention of Te within the MTZ, especially for accidental releases during flood conditions, linking the fate of radioactive Te to long estuarine SPM residence times (1-2 years). Potential upstream migration of Te radionuclides in the MTZ towards the city of Bordeaux during the following summer season and Te decay into radioactive iodine warrants further evaluation of the associated potential radiotoxicity.

Les Bactéries sulfato-réductrices (BSR) représentent un groupe fonctionnel majeur dans les habitats aquatiques en intervenant dans les processus de minéralisation de la matière organique. En plus de leur implication dans le cycle du carbone et du soufre, les BSR sont considérées comme les principaux producteurs de méthylmercure en milieu côtier, un composé neurotoxique extrêmement bioaccumulable dans les réseaux trophiques. Dans ce contexte, la diversité des BSR dans les sédiments et le panache de l'estuaire de l’Adour (France) a été évaluée par une approche polyphasique incluant le clonage des gènes dsrAB et une méthode de culture haut-débit en microplaques 384 puits. Ces deux techniques ont fourni des données très complémentaires et donc, une meilleure représentation de la diversité sulfato-réductrice réellement présente dans l’estuaire. La réduction des volumes de culture à raison de 100 µL a permis d’améliorer significativement l’efficacité d’isolement des BSR. Près de 200 souches ont été isolées et identifiées à partir des sédiments et du panache de l’estuaire, et plusieurs d'entre elles ont constitué de nouveaux taxons cultivés. En parallèle, un biosenseur luminescent sensible spécifiquement au méthylmercure a été appliqué pour l’étude de la méthylation du mercure par les BSR. Cet outil simple et rapide constitue une bonne alternative aux méthodes de détection chimique traditionnellement utilisées pour évaluer les potentiels de méthylation du mercure des micro-organismes. L’analyse de la production de méthylmercure chez 21 BSR affiliées à la famille des Desulfobulbaceae a permis d’identifier des souches méthylantes, dont certaines ont été identifiées comme abondantes dans les sédiments de l’estuaire. À long terme, l’utilisation du biosenseur pour l’analyse des capacités de méthylation du mercure chez les BSR ou d’autres groupes fonctionnels permettra de mieux connaître la distribution phylogénétique des micro-organismes méthylants et d'appréhender le déterminisme génétique de ces transformations. / Sulfate-Reducing Bacteria (SRB) represent a significant part of the standing microbial communities living in coastal sediments. This functional group is involved in the decomposition and the mineralization of organic matter as well as in the sulfur cycle. In addition, production of methylmercury was shown to be mainly driven by SRB in aquatic ecosystems. Environmental methylation of inorganic mercury constitutes a human health issue due to its neurotoxic effect and its biomagnification in aquatic food webs. In this context, sulfate-reducing diversity was evaluated in anoxic sediments, as well as in the water plume of the Adour estuary. SRB were characterized through a polyphasic approach including dsrAB genes analysis and high throughput isolations in 384-well microplates. As a result, the microplate approach contributed to assess a significant part of the sulfate-reducing community and provided complementary results to the molecular approach. High-throughput SRB isolation permitted a rapid access to numerous but also original strains and around 200 SRB were isolated and identified from the estuarine sediments and the estuarine plume. Beside, the mercury methylation potentials of 21 sulfate reducing strains were determined using a bacterial sensor. All strains were related to the Desulfobulbaceae family and the capacity to produce methylmercury varied a lot. This work permit to identify some methylating strains identified as abundant in the Adour estuarine sediments. On the long view, the use of the biosensor to assess the mercury methylation potential will offer a better knowledge on the distribution of methylating bacteria among the SRB and other functional groups and could help to identify the molecular determinism beside these transformations.

La présence de résidus de médicaments a été évaluée dans des eaux superficielles et des effluents de huit stations d'épuration (quatre rejetant dans l'estuaire de Seine dans le cadre du projet Medseine financé par le GIP Seine- Aval, quatre dans le cadre du projet Toxstep financé par l'Anses (ex-Afsset). Une centaine de molécules a été systématiquement recherchée dans les deux types d'eaux en appliquant des méthodologies analytiques impliquant une extraction solide liquide suivie une analyse par LC-MS/MS. Un suivi saisonnier des rejets de médicaments a été effectué également. Des résidus de médicaments ont été systématiquement quantifiés dans les deux types d'eaux. Les concentrations mesurées dans des eaux de surface sont significatives pour certains composés : de 1 à 108 ng/L pour diclofénac, de 2 à 324 ng/L pour ibuprofène. Pour d’autres, les valeurs sont beaucoup plus faibles : de 2 à 13 ng/L pour sulfapyridine, de 1 à 5 ng/Lpour nordiazépam. Dans les effluents de STEP, les anti-inflammatoires, les β-bloquants, les macrolides et les fluoroquinolones sont plus souvent détectés. Leurs concentrations peuvent varier fortement : de 62 ng/L à 10 μg/L pour sotalol, de 39 ng/L à 8 μg/L pour aténolol et plus particulièrement de 32ng/L jusqu’à 127 μg/L pour paracétamol. Par ailleurs, la stabilité des résidus de médicaments vis à vis des rayonnements lumineux a été évaluée. Des irradiations UV (à 254 nm) pouvant potentiellement être utilisés en étape finaleavant rejet dans des zones particulièrement sensibles ont été appliquées (avec des doses allantjusqu'à 1500 J/m2. Par ailleurs, compte tenu du fait que les effluents sont ensuite majoritairement rejetés dans des eaux superficielles, ils sont soumis aux rayonnements solaires et cette exposition a également été évaluée. Le phénomène de photodégradation à 254 nm a été bien observé sur certains composés comme diclofénac, kétoprofène (> 90% dégradé), ciprofloxacine,norfloxacine (jusqu’à 75% dégradé). L’azithromycine, la clarithromycine, la carbamazépine et l’aténolol... sont des composés plus stables avec les rayonnements lumineux. En exposant sous lumière solaire simulée, le diclofénac, la kétoprofène, la ciprofloxacine et la norfloxacine sontaussi des composés sensibles (> 90% dégradé) après 24 h d’exposition (172,8 kJ/m2). La carbamazépine, la sulfaméthoxazole, l’aténolol, bisoprolol et métoprolol sont des composés plus stables observés. / The presence of pharmaceuticals was evaluated in Seine surface waters and in eight wastewater treatment plants (WWTP) effluents (4 WWTP within MEDSEINE - GIP Seine – Aval project and 4 WWTP within TOXSTEP – ANSES project. A hundred molecules was systematically reseached in both types of waters by applying the analytical methodologies (SPE solid phase extraction followed by LC-MS/MS analysis). A seasonal monitoring of pharmaceutical residues was also carried out. The pharmaceutically residues have been systematically quantified in this both types of water. The concentrations in suface of waters are significative for some molecules: 1 – 108 ng/L for diclofenac, 2 – 324 ng/L for ibuprofen and the values are weakly for some molecules: 2 – 13 for sulfapyridine, 1 – 5 for nordiazepam. Non steroidal anti-inflammatory drugs, β-blockers, macrolides and fluoroquinolones are mostly founded in the effluents of WWTP. Their concentrations were measured in the range: 62 ng/L – 10 µg/L for sotalol, 39 ng/L – 8 µg/L for atenolol, 32 ng/L – up to 127 µg/L for paracetamol.Moreover, the stability of pharmaceuticals was evaluated with light radiation . UV irradiation (at 254 nm) potentially used in the final WWTP before discharge in particularly areas have been applied (with a dose up to 1500 J/m2). Sunlight simulations have also been done. The phenomenon of photodegradation at 254 nm has been observed for some molecules such as : diclofenac, ketoprofen (>90% degraded), ciprofloxacine, norfloxacine (up to 75% degraded). Azithromycinem clarithromycine, carbamazepine and atenolol are most stable molecules observed. Exposing under simulated sunlight, diclofenac, ketoprofen, ciprofloxacine and norfloxacine are also sensitive molecules (>90 % degraded) after 24 hours of exposure (172.8 kJ/m2). Carbamazepine, sulfamethoxazole, atenolol, metoprolol and bisoprolol are most stable molecules observed.

Le concept de réseau d'interactions est central en Écologie et différents modèles et méthodes ont été utilisés. Ce travail de thèse met en relation deux approches développées par des courants séparés : l'étude des matrices de communauté et les analyses entrée-sortie. Il confronte leurs hypothèses aux propriétés fondamentales des écosystèmes estuariens. Il précise explicitement les liens entre les différentes matrices, ainsi que la signification des mixed trophic impacts. Les matrices de la storage et de la throughflowanalyses sont reliées à des jacobiennes de modèles à compartiments dont les flux sont contrôlés par les compartiments donneurs ou receveurs. Contrairement à ce qui est le plus souvent présenté dans la littérature, l'analyse des mixed trophic impacts est ici interprétée en terme de présence-absence du compartiment considéré. Avec les données disponibles sur les réseaux trophiques de cinq estuaires européens, des matrices qualitatives et quantitatives sont construites afin de réaliser des analyses de sensibilité. Ces premières explorations montrent des niveaux d'incertitudes très élevés, et ceci même pour le signe des prédictions. Par ailleurs, ce travail de thèse approfondit les possibilités d'étude de dynamiques transitoires à partir de la matrice de communauté. Il souligne des éléments importants qu'il est nécessaire de prendre en compte lorsque ces approches sont choisies. / Networks are a key concept in ecology and a number of models and methods have been used. This PhD dissertation links two approaches, the community matrix and input-output analyses, which have been developed by separate streams of theory. It compares their assumptions with important features of estuarine systems. It explicitly analyses the links between the matrices and the significance of the mixed trophic impacts analysis. Matrices of storage and throughflow analyses are linked to Jacobian matrices of donor or recipient controlled compartment models. Unlike most of what can be seen in the litterature, here the mixed trophic impacts are interpreted as the effects of a compartment being present or absent. Using available data in the case of five European estuaries, qualitative and quantitative matrices are built in the aim of performing sensitivity analyses. First explorations reveal high levels of uncertainties, even in the sign of the predictions. Furthermore, this work examines in more details the possibilities to explore transient dynamics from the community matrix. This PhD dissertation emphasises important features which are necessary to consider when choosing such approaches.

La gestion des milieux océaniques et côtiers nécessite des prédictions à court terme de leurs caractéristiques physiques et écologiques. Le succès des méthodes d'Assimilation de Données (AD) en météorologie montre que les données in-situ peuvent être incorporées dans des modèles dynamiques pour en améliorer les prédictions. <br /><p><br />Ce travail se focalise sur l'AD séquentielle (ADS), dérivée de la théorie de l'estimation statistique, en particulier le filtre de Kalman. Les obstacles auxquels se heurte l'application du filtre de Kalman aux systèmes océanographiques sont de deux sortes :<ul> <br /><li>des obstacles théoriques du fait de la non-linéarité des équations décrivant la dynamique physique et écologique du système alors que le filtre de Kalman est optimal pour des systèmes linéaires,<br /><li>des obstacles pratiques car les systèmes tridimensionnels sont discrétisés à haute résolution pour décrire précisément leur dynamique. On obtient des espaces d'état de l'ordre du million de paramètres, ce qui rend la méthode encombrante du point de vue de l'espace mémoire et des temps de calcul requis, cruciaux pour des applications en prédiction opérationnelle.</ul><br /><p><br />Dans le cas général il n'existe pas encore de solution qui réponde à ces deux exigences, mais des approximations classiques issues du filtre de Kalman sont utilisées, soit par un développement limité (Extended Kalman Filter EKF) soit par une méthode de Monte Carlo (Ensemble Kalman Filter EnKF). Puisque le filtre de Kalman et ses extensions EKF et EnKF utilisent une estimation linéaire pour la correction des résultats du modèle, formellement équivalente à un krigeage à moyenne connue, des modifications inspirées de la géostatistique sont proposées pour tenir compte des biais et des non linéarités. <br /><p><br />Deux méthodes courantes en ADS océanographique, le filtre de Kalman RRSQRT (déduit de l'EKF par approximation en valeurs propres dominantes) et l'EnKF, sont comparées dans un cas fictif de modèle écologique 1-D d'une colonne d'eau. Le filtre de Kalman RRSQRT est ensuite appliqué à l'ADS de hauteurs d'eau de la lagune de l'Oder dans le modèle hydrodynamique TRIM3D. L'estimation est améliorée en utilisant seulement trois stations et les temps d'initialisation du modèle sont considérablement réduits. Enfin, l'EnKF est appliqué à l'assimilation conjointe de hauteurs d'eau (5 stations) et de données de salinité (2 stations) de la lagune de l'Oder dans TRIM3D. Les difficultés liées à l'application de l'ADS aux modèles d'advection-diffusion sont mises en évidence.

La spéciation colloïdale des éléments traces métalliques (Cu, Pb et Cd) a été étudiée dans l'estuaire de la Penzé (Manche Occidentale, Bretagne) lors du cycle saisonnier. Cette étude a été réalisée afin de mieux comprendre les mécanismes responsables du transfert des métaux entre les différentes fractions (particulaire, colloïdale et réellement dissoute) lors du mélange des eaux. Deux techniques ont été utilisées : (i) l'ultrafiltration permettant le fractionnement en 7 fractions de taille différente et (ii) la chronopotentiométrie pour la détermination de la teneur en métal dans les différentes fractions. L'ultrafiltration a été choisie car c'est une méthode non destructive et de mise en oeuvre simple et peu coûteuse. Les limites de détection de la chronopotentiométrie ont été améliorées de façon à pouvoir doser les métaux dans les différentes fractions. Nos résultats ont montré une présence particulièrement importante des métaux (Cu, Pb, Cd) dans la fraction colloïdale. Si le Cd est trouvé dans la partie plutôt basse du spectre de taille colloïdal (<50 kDa), le Pb est par contre préférentiellement associé à des composés de haut poids moléculaire (>300 kDa). Quant au Cu, il présente une distribution intermédiaire. Lors du cycle saisonnier, deux phénomènes majeurs ont été identifiés : (i) une forte mobilisation des substances humiques depuis les sols du bassin versant à l'automne et (ii) la dégradation du matériel organique particulaire dans le compartiment benthique au printemps. Ces processus affectent non seulement la répartition colloïdale des éléments étudiés mais jouent également un rôle important dans les quantités et les formes transférées vers la zone côtière.