Le lac Saint-Augustin (Québec) étant en état d’eutrophisation avancée, plusieurs options de traitement ont été évaluées à l’été 2009 lors d’un projet pilote de traitements in situ en enclos : (i) coagulation/floculation à l’alun, (ii) recouvrement actif des sédiments par une couche de calcaire, (iii) combinaison de ces deux traitements alun+calcaire, et (iv) enclos témoin. Les enclos Témoin et Alun ont atteint de hautes concentrations en phosphore soluble (0,58 à 1,05 mg/l). L’enclos Alun+Calcaire a montré une forte réduction en phosphore soluble par rapport au Témoin (83 à 90%), suivi par l’enclos Calcaire (65 à 76%). Les indices trophiques de Carlson montrent que l’enclos Alun+Calcaire a offert la meilleure performance avec des indices (49 à 81) près du lac (42 à 73). La forte présence des escargots Cipangopaludina chinensis dans les sédiments a pu jouer un rôle important comme agent de bioturbation, ce qui expliquerait l’hypereutrophie dans les enclos. / A pilot project has been conducted for the remediation of eutrophicated Saint-Augustin lake (Quebec) during the summer of 2009. The efficiency of several restoration techniques has been accessed during an in situ experiment in four isolated water enclosures: (i) alum coagulation/flocculation, (ii) active capping of sediments using limestone, (iii) combination of those methods (Alum+Limestone), and (iv) control enclosure. The control and alum enclosures reached high soluble P concentrations (0.58 to 1.05 mg/l). The Alum+Limestone enclosure presented the strongest reduction in P concentrations compared to the control enclosure (83 to 90%), followed by limestone only (65 to 76%). Carlson’s trophic status indices (TSI) calculations show the best option to be Alum+Limestone with TSI (49 to 81) closest to the lake (42 to 73). Infestation of the sediments by Cipangopaludina chinensis snails observed before experimentation might have served as a strong bioturbation agent, possibly explaining the hypereutrophic state of the enclosures.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 février 2024) / Dans la vallée du Fraser en Colombie-Britannique, l'élevage intensif de vaches laitières produit d'importantes quantités de fumier. Le maïs ensilage (*Zea mays* L.), cultivé en rotation avec d'autres plantes fourragères telles que le ray-grass (*Lolium perenne* L.), représente la principale source d'aliments pour cet élevage intensif. Cet agroécosystème permet de recycler le fumier riche en nutriments comme le phosphore (P). Cependant, la culture du maïs ensilage dans la vallée du Fraser implique d'importantes applications de fumier et d'engrais de démarrage. Ceci entraine une accumulation de P dans les sols, augmentant le risque de perte de P vers les sources d'eau. De plus, le risque de mobilisation et de transport de P peut aussi être accéléré par les conditions hydriques des sols, notamment l'engorgement en eau, du fait des fortes précipitations qui s'accumulent dans les parcelles agricoles à cause du mauvais drainage des sols. Cette thèse, qui se déroule sur un sol riche en P dans la zone humide de la vallée du Fraser en Colombie Britannique, a pour objectif d'évaluer l'impact de régime d'humidité du sol, de la fertilisant en P sous forme de lisier de vache laitière, et de l'ajout de nitrate de fer sur (i) les rendements du raygrass et les exportations de P, (ii) la réduction de Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$ et la solubilité et la mobilité du P, (iii) les activités microbiennes et les émissions de gaz à effet de serre, (iv) les activités enzymatiques, et (v) les pertes de P par lessivage. Dans les sols engorgés, le rendement en matière sèche du raygrass et l'exportation du P étaient inférieurs par rapport aux sols à capacité au champ. Une baisse du potentiel redox dans les sols engorgés a réduit le Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$, entrainant une augmentation du pH du sol en 120 jours. Cette augmentation du pH est due à la consommation des ions H$^\textup{+}$ pendant la réduction microbienne des cations métalliques. Cette réduction de Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$ dans les sols engorgés a libéré du P, du carbone organique dissous et de l'azote total dissous, reflétée par la diminution du P extractible à l'eau (Pw), du P extractible à la solution Mehlich-3 (P$_\textup{M3}$) et de l'indice de saturation en phosphore, mais une augmentation de la biomasse microbienne du C, du N (avant 120 jours) et des émissions de CO₂ et N₂O. L'ajout de nitrate de Fe$^\textup{3+}$ a inhibé la réduction de fer tout en stimulant les émissions de N₂O, indiquant la préférence du NO₃$^\textup{-}$ sur le Fe$^\textup{3+}$ comme accepteur d'électrons en conditions inondées. La réduction du fer et la libération des éléments tels que le P et le Fe dans les sols engorgés étaient plus marquées à la surface du sol qu'en profondeur. La libération accrue de carbone organique dissous et d'ions phosphatés dans les sols engorgés a diminué la demande en enzymes de 399 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ pour la β-glucosidase et de 1646 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ pour la phosphomonoestérase acide à la surface du sol (0-5 cm). Les conditions de l'engorgement ont cependant augmenté l'activité de la N-acétyl-β-glucosaminidase de 50.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ et accru l'azote total dissous de 9.1 mg kg$^\textup{-1}$ à travers toutes les profondeurs. L'apport de lisier au sol engorgé a diminué les activités enzymatiques extracellulaires, suggérant un apport suffisant en C, N, et P. Les activités enzymatiques et la biomasse microbienne étaient principalement confinées dans la couche superficielle du sol qui a été plus affectée par l'engorgement par rapport à la couche profonde. En conclusion, les conditions d'engorgement dans les sols entraînent des changements significatifs dans la chimie du P dans le sol et l'activité microbienne, conduisant à une diminution du rendement des cultures, à une modification de la dynamique des nutriments, et à une augmentation des pertes de nutriments et des émissions de gaz à effet de serre. La diminution des activités enzymatiques dans les sols engorgés et lors de l'application de lisier souligne la nécessité d'une gestion intégrée des nutriments et de l'eau dans les pratiques agricoles. / In the Fraser Valley of British Columbia (BC), intensive dairy farming produces large amount of manure. Silage corn (*Zea mays* L.), grown in rotation with other forage plants such as ryegrass (*Lolium perenne* L.), is the primary feed source for this intensive farming. This agroecosystem allows the recycling of nutrient-rich manure, like phosphorus (P). However, growing silage corn in the Fraser Valley involves significant applications of manure and starter fertilizers. This results in a buildup of P in the soils, increasing the risk of P loss to water sources. Additionally, the risk of mobilization and transport of P might be accelerated by soil water conditions, especially waterlogging, due to heavy rainfall accumulating in farmland because of poor soil drainage. This thesis, conducted on a P-rich soil in the humid area of the Fraser Valley, BC, aims to evaluate the impacts of soil moisture regime, P fertilizer levels in the form of dairy slurry, and iron nitrate addition on (i) ryegrass yields and P uptake, (ii) reduction of Fe$^\textup{3+}$to Fe$^\textup{2+}$and P solubility and mobility, (iii) microbial activities and greenhouse gas emissions, (iv) soil enzyme activities, and (v) P leaching. In waterlogged soils, ryegrass dry matter yield and exportation of P were lower compared to field capacity soils. A decrease in redox potential in the waterlogged soils reduced Fe$^\textup{3+}$ to Fe$^\textup{2+}$, leading to an increase in soil pH in 120 days. This increase in soil pH is due to the consumption of H$^\textup{+}$ ions during microbial reduction of metallic cations. This reduction of Fe$^\textup{3+}$ to Fe$^\textup{2+}$ in waterlogged soils released P, dissolved organic carbon (DOC), and total dissolved nitrogen (TDN), reflected by a decrease in water-extractable P (Pw), Mehlich-3 extractable P (P$_\textup{M3}$), and P saturation index (PSI) but an increase in microbial biomass C, N (before 120 days), and CO₂ and N₂O emissions. The addition of Fe$^\textup{3+}$ nitrate inhibited iron reduction while stimulating N₂O emissions, indicating the preference of NO₃$^\textup{-}$ over Fe$^\textup{3+}$ as an electron acceptor under waterlogged conditions. Iron reduction and the release of elements such as P and Fe in waterlogged soils were more pronounced at the topsoil than subsoil. The increased release of dissolved organic carbon and phosphate ions in waterlogged soils decreased the enzyme demand by 398.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ for β-glucosidase and by 1646.1 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ for acid phosphomonoesterase at the topsoil (0-5 cm). Waterlogged conditions on the other hand increased the activity of N-acetyl-β-glucosaminidase by 50.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ and raised the total dissolved nitrogen by 9.1 mg kg$^\textup{-1}$ across all depths. The application of slurry to waterlogged soil decreased extracellular enzymatic activities, suggesting a sufficient supply of C, N, and P. The activities of soil enzyme and microbial biomass were primarily confined to the topsoil, which was more affected by waterlogging compared to the subsoil. In conclusion, waterlogged conditions in soils lead to significant shifts in soil P chemistry and microbial activity, resulting in decreased crop yield, altered nutrient dynamics, and increased nutrient losses and greenhouse gas emissions. The decreased enzymatic activities under waterlogged soils and upon slurry application emphasize the need for integrated nutrient and water management in agricultural practices.

Le lac Saint-Augustin (Québec) est un lac montrant une eutrophisation avancée. L'eutrophisation, qui est un vieillissement accéléré d'un plan d'eau, est causée par l'apport excessif de phosphore (P) en provenance des sédiments qui sont contaminés en P et en métaux lourds. L'alimentation du lac est principalement souterraine ce qui contribue au relargage du P dans les eaux du lac. Un recouvrement actif est envisagé pour contrer le relarguage du phosphore. Ce recouvrement est constitué de calcite qui a la capacité d'adsorber le phosphore. Une étape préliminaire est envisagée afin de diminuer la teneur de phosphore dans la colonne d'eau par un traitement de coagulation/floculation avec de l'alun. Le projet de maîtrise vise à estimer la performance du recouvrement actif en essais en colonnes de grande taille. Ces essais reproduisent les conditions de terrain en laboratoire dans deux colonnes de près de trois mètres de hauteur. Les méthodes de réhabilitation y sont appliquées. Les deux colonnes sont différentes car seulement l'une des deux subit le prétraitement à l'alun à raison de 20 mg/l d'alun dans la colonne d'eau. Par contre, les deux colonnes contiennent la couche de recouvrement qui a une épaisseur de 15 cm de calcite surmontée d'une couche de 15 cm de sable (pour protéger et maintenir la calcite en place). Les essais en colonnes ont duré six mois. La calcite a montré une capacité élevée de rétention du phosphore avec une adsorption moyenne de 317 ± 106 mg de Pextractibie/kg calcite dans la colonne sans alun. La colonne avec alun n'a pas été aussi efficace, probablement à cause d'une vitesse de percolation plus rapide due à une perméabilité des sédiments trop élevée. Les conditions d'opération n'ont pas donné les résultats escomptés en terme de performance mais ont permis de démontrer le bon potentiel d'une couche de calcaire comme recouvrement actif pour contrer l'eutrophisation du lac Saint-Augustin.

Les proliférations de cyanobactéries nocives dans les écosystèmes d’eau douce font l’objet d’une préoccupation grandissante dans la population et dans le milieu scientifique. Une meilleure compréhension des facteurs qui contrôlent ces proliférations est essentielle pour en améliorer leur prédiction et leur gestion. L’objectif général de cette thèse est de comprendre les changements dans la structure de la communauté cyanobactérienne d’un réservoir d’eau douce. Le réservoir du lac Saint-Charles constitue une importante source d'eau potable pour la ville de Québec (Canada) et le signalement d’efflorescences de cyanobactéries y est de plus en plus fréquent depuis l’automne 2006. La collecte de données physiques, chimiques et biologiques pendant 5 années consécutives (2007-2011) a tout d’abord permis d’identifier l’état mésotrophique du lac et de mettre en évidence les importantes variations interannuelles des variables limnologiques, fournissant des conditions intermittentes favorables à la dominance des cyanobactéries. De larges variations spatiales – sur un gradient nord/sud – mais aussi interannuelles ont été révélées, à la fois en terme de concentrations observées et d’espèces dominantes (Microcystis aeruginosa, Anabaena flos-aquae et Aphanocapsa/Aphanothece sp.). Ces résultats ont souligné l’existence de contrôles environnementaux contrastés (phosphore, température, stabilité de la stratification) agissant sur les différents taxons de cyanobactéries et la forte sensibilité aux changements environnementaux des réservoirs à écoulement rapide tels que le lac Saint-Charles. L'analyse détaillée des sédiments du lac indique le faible potentiel d’inoculum sous forme de cellules en dormance. Cette observation contraste avec le cas de nombreux lacs touchés par les efflorescences de cyanobactéries et indique le potentiel d’une réponse rapide au contrôle de l’apport en sels nutritifs provenant du bassin versant. L’ensemble de ces recherches a permis de mettre en évidence la nature hautement dynamique des réservoirs d’eau douce, leur sensibilité à l’eutrophisation malgré un court temps de résidence, et la nécessité d'une surveillance continue afin de détecter au mieux l'apparition des taxons responsables pour les proliférations de cyanobactéries / The occurrence of harmful blooms of cyanobacteria in freshwater ecosystems is subject to growing public as well as scientific concern. An improved understanding of the factors controlling the proliferation of bloom-forming taxa is an essential requirement for the adequate prediction and management of this water quality problem. The overall objective of this thesis was to understand the cyanobacterial community dynamics of a north-temperate reservoir. The Lake St. Charles reservoir is a major source of drinking water for Quebec City, Canada, and cyanobacterial blooms have appeared episodically in the lake since autumn 2006. Physical, chemical and biological variables were measured over 5 consecutive summers (2007-2011). This confirmed the mesotrophic status of the lake, and underscored the large interannual variation in limnological conditions that provided intermittently favorable conditions for cyanobacterial growth and dominance. There were pronounced variations in cyanobacterial community biomass and structure among the 5 years, including in the dominant species (Microcystis aeruginosa, Anabaena flos-aquae and Aphanocapsa/ Aphanothece sp.). In addition, large differences in community biomass and composition were observed spatially, with significantly higher cyanobacterial concentrations in the north relative to south. These results indicated that there were contrasting environmental controls (phosphorus, temperature, stability of the stratification) acting on the different taxa of cyanobacteria. This large spatial and temporal variability also reflects the dynamic nature of high through-flow reservoirs such as Lake St. Charles. In situ sediment mapping implied that benthic resting cells, if present, were mostly below detection at all sites. This low potential to inoculate the water column from sediments contrasts with many lakes affected by cyanobacteria blooms and indicates the potential for a rapid response to nutrient loading control in the Lake St. Charles watershed. This research has highlighted the markedly dynamic nature of freshwater reservoirs, their potential sensitivity to eutrophication despite a short hydraulic residence time, and the need for continuous monitoring in order to detect the appearance of bloom-forming cyanobacteria.

Une action au niveau des sédiments du lac Saint-Augustin est essentielle pour contrôler le principal apport interne en phosphore qui accélère l’eutrophisation du lac. Plusieurs scénarios combinant dragage hydraulique, dragage mécanique, inactivation du phosphore à l’alun et recouvrement actif des sédiments ont été élaborés sur les zones les plus fortement contaminées du lac. L’utilisation de méthodes multicritères d’aide à la décision permet de hiérarchiser les scores de performances de ces scénarios sur la base de critères technique, économique, environnemental et social. L’inactivation du phosphore par l’alun suivie de la mise en place d’un matériau de recouvrement actif de pierre calcaire sur l’ensemble des zones fortement contaminées de même que le dragage hydraulique de ces zones avec polymérisation et filtration des boues pompées à travers un sac filtrant sont les deux scénarios les plus performants. Les scénarios de dragage mécanique des sédiments contaminés arrivent bons derniers et derrière l’option statu quo. / Remediation actions scoped on the contaminated sediments of Lake Saint-Augustin are essential to control the main internal phosphorus intake that accelerates the eutrophication of the lake. Several restoration scenarios combining hydraulic and mechanical dredging, phosphorus inactivation with alum treatment and active capping using limestone are developed on the most heavily contaminated areas of the lake. The use of multicriteria methods for decision support helps to assess the best restoration scenario on the basis of technical, economic, environmental and social criteria. The inactivation of phosphorus by alum followed by the application of a limestone cap on the most heavily contaminated areas of the lake as well as the hydraulic dredging of these areas with polymerisation and filtration of pumped sediments through a filter bag appear to be the two most efficient scenarios to implement at Lake Saint-Augustin on a large scale. Mechanical dredging scenarios come last, even behind the do-nothing option.

L’eutrophisation et la contamination des sédiments (ex : métaux, nutriments, etc.) sont des problèmes majeurs pour la protection des écosystèmes aquatiques et la protection des ressources d’eau douce. Le lac Saint-Augustin (Québec, Canada) est aux prises avec ces deux problèmes. Depuis 2001, plusieurs épisodes de fleurs d’eau de cyanobactéries sont rapportés durant la saison estivale (P > 70 µg/L). Galvez et collaborateurs ont proposé une méthode de restauration pour ce lac consistant : (I) à réduire la teneur en phosphore de l’eau du lac par coagulation/floculation avec du sulfate d’aluminium et (II) à effectuer un recouvrement actif de roche calcaire et de sable afin d’isoler le floc d’Al, le P et les autres contaminants (ex., métaux) et permettre la recolonisation par le benthos. L’objectif des présents travaux était d’évaluer l’écocompatibilité de cette méthode. Deux approches écotoxicologiques ont été employées : (I) essais de toxicité monospécifiques (croissance de l’algue Pseudokirchneriella subcapitata et de la lentille d’eau Lemna minor; survie et reproduction de la daphnie Daphnia magna et de l’amphipode Hyalella azteca, survie, croissance et émergence de l’invertébré Chironomus riparius ainsi que survie des larves de tête-de-boule Pimephales promelas et des alevins de truites arc-en-ciel Oncorhynchus mykiss) et (II) essai en microcosmes de 2 litres tel qu’adapté par Triffault-Bouchet. La toxicité de l’aluminium et l’impact de la roche calcaire ont été étudiés séparément : d’abord avec eau et sédiments artificiels et ensuite avec eau et sédiments du lac Saint-Augustin. Les résultats démontrent que les algues et les daphnies sont affectées par l’application d’alun. Aucun effet n’a été observé chez les autres organismes. Ceux-ci ont eu la capacité de recoloniser les milieux traités avec l’alun ou avec la technique complète. Ces résultats tendent à démontrer que la méthode de restauration est prometteuse. L’écocompatibilité de la technique ne pourra cependant être démontrée que par des essais in situ et après un suivi étroit du phytoplancton et du zooplancton dans le lac. Toutefois, dans le cadre des présents travaux, l’efficacité des traitements (en terme de déphosphatation) n’a pas permis d’atteindre le critère de qualité du MDDEP (20 µg/L). Ces paramètres devront être étroitement suivis lors des essais in situ. Mots clés : Eutrophisation, sédiments contaminés, restauration de lac, aluminium, recouvrement actif, évaluation écotoxicologique, bioessais monospécifique, microcosmes. / Eutrophication and contaminated sediments (e.g.: nutrients, metals, etc.) are preoccupying issues in aquatic ecosystems and water resource protection. Saint-Augustin Lake (Quebec, Canada) is affected by both problems in addition to the presence of de-icing salts. This small shallow lake has low renewal time and receives an intensive phosphorus transfer from bottom sediments to the water column. Since 2001, the lake presents cyanobacteria blooms every summer (P > 70 μg/L). Galvez and collaborators has proposed a remediation method for this lake that consists of (i) the precipitation of phosphorus present in the water column by the addition of alum, in association with the deposition of (ii) an active capping layer (limestone + sand) to isolated P, Al and other contaminants (e.g., metals) within bottom sediments and allow recolonisation by benthos. The objective of this study is to assess the ecotoxicological impact of that remediation method. Two ecotoxicological approaches are used to assess the impact of this method: (I) single-species bioassays (algae Pseudokirchneriella subcapitata and duckweed Lemna minor growth; daphnid Daphnia magna and amphipod Hyalella azteca survival and reproduction, invertebrate Chironomes riparius survival, growth and emergence, fathead minnow P. promelas and rainbow trouts O. mykiss survival) and (II) a 2-L microcosm as adapted by Triffault-Bouchet. Alum toxicity and limestone impact were studied separately in laboratory: first with artificial water and sediments and then using actual lake overlying water and sediments. The results show that algae and daphnids are sensitive to alum treatment. No significant effects were observed on the other organisms. These organisms had the ability to recolonize the treated media either with alum treatment or with complete treatment. These results suggest that the restoration method is promising. The environmental compatibility of the technique, would be demonstrated after testing in situ with a close monitoring of phytoplankton and zooplankton in the lake. However, the results of this study showed that the treatments dephosphatation efficacity was not enought to reach the MDDEP quality criteria (20 µg/L). Also, the concentration of residual aluminum after treatments was still over the MDDEP quality criteria after treatments. Keywords : Eutrophication, contaminated sédiments, lake restauration, aluminum, active capping, écotoxicological évaluation, monospécific bioessais, microcosms.