Le comportement des éléments traces métalliques (ETM) a été étudié dans deux systèmes aquatiques très différents, mais fortement contaminés par d’anciennes activités minières et métallurgiques. Le premier site d’étude se situe dans deux rivières Norvégiennes (Raubekken et Vorma). Les concentrations en Cu, Fe et Zn dans deux rivières ont été déterminées par voltamétrie à l’aide d’un système automatisé développé par le NTNU (Norwegian University of Science and Technology). Le résultat le plus marquant de cette étude est la variabilité journalière de ces trois métaux dans la Vorma, avec des maxima de concentrations décalés dans le temps. Le second site d’étude se situe dans le canal de la Deûle à proximité de l’ancienne usine Métaleurop. Bien que les particules en suspension et les sédiments soient fortement contaminées en plomb, zinc et cadmium, ilapparaît globalement que la qualité de l’eau filtrée est bonne. A l’interface eau-sédiment, l’oxydation de la matière organique biodégradable et la réduction conjointe des oxydes de fer et de manganèse conduisent à une libération importante des ETM dans les eaux interstitielles de surface. Pour autant, les valeurs des flux diffusifs et benthiques des ETM du sédiment vers la colonne d’eau restent faibles par rapport à leurs variations journalières de concentration constatées dans la colonne d’eau. En hiver, le suivi continu du zinc a montré que l’augmentation des concentrations survient plusieurs heures après la remise en suspension de sédiments alors qu’au printemps, les variations de température entre le jour et la nuit ainsi que celles de l’activitéphytoplanctonique sont probablement à l’origine de cycles journaliers. / Trace-metals behaviour had been studied in two different aquatic systems contaminated by mining and metallurgical activities. The first study site is situated in two Norwegian rivers (Raubekken and Vorma). Cu, Fe and Zn concentrations in both rivers were measured by voltammetry by means of an automatic monitoring system developed by the NTNU (Norwegian University of Science and Technology). The most significant result of this study was the daily variability of these three metals in Vorma, with noticeable shifts of metal-content maxima detected. The second study site is situated in Deûle river, close to the ancient smelter Metaleurop. Although suspended particles and sediments were strongly contaminated by Pb, Zn and Cd, the global quality of the filtered water was found to be good. As for the water-sediment interface, the oxidation of biodegradable organic matter and the reduction of iron and manganese oxides result in an important release of trace metals in interstitial waters from surface sediments. Nevertheless, measured and calculated diffusive and benthic fluxes of trace metals from the sediment to the water column were weak with respect to daily metal-concentrations variations in the water column. During monitoring campaigns in winter, it was shown that an increase of dissolved zinc occurred in the water column a few hours after sediment resuspension events, whereas in spring this phenomenon is more dependent upon temperature variations between day and night and phytoplankton activity as key parameters of daily cycles.

La macrofaune benthique joue un rôle majeur dans le fonctionnement biogéochimique et trophique des sédiments côtiers. Ce travail avait pour but d’évaluer le rôle de la macrofaune dans les échanges métaboliques (oxygène/ammonium) à l’interface eau-sédiment au sein de deux grandes communautés macrobenthiques présente en Manche: la communauté des sables fins à Abra alba et la communauté des graviers à Ophiothrix fragilis. Les résultats montrent que les flux d’oxygène et d’ammonium présentent des variations spatiales et saisonnières liées principalement à la granulométrie, à la température et à la modification de la quantité/qualité de la matière organique. Les flux d’irrigation obtenus (sans effet de la température et de la matière organique) sont corrélés aux caractéristiques de la macrofaune et trois hypothèses de fonctionnement s’applique au sein de ces deux communautés: diversité-stabilité, rivet-pop et idiosyncrasie. Les analyses isotopiques réalisées ont montré que les organismes benthiques assimilent le même type de matière organique et que le fonctionnement trophique de ces deux communautés est similaire. La variabilité des flux d’irrigation observée sur les sites étudiés semble être due à la présence de différentes espèces numériquement dominantes ou suffisamment bien représentées au sein des deux communautés. Il est par conséquent difficile d’établir une loi unique de fonctionnement du compartiment macrobenthique de cet espace Manche. En termes de bilan de carbone, la respiration de ces deux communautés macrobenthiques et de la communauté des sables fins à moyens propres (Ophelia borealis) représentent environ 40% de la production primaire pélagique. / Benthic macrofauna plays a major role in the trophic and iogeochemical functioning of coastal sediments. This dissertation aimed to assess the role of benthic macrofauna in metabolic changes (oxygen and ammonium) at the sediment-water interface in two major macrobenthic communities of Eastern English Channel: the fine sand Abra alba and the sandy gravels community with patches of Ophiothrix fragilis. All along the study, oxygen and ammonium fluxes presented a spatial and seasonal variability mainly related to the particle size of the sediments, to seasonal temperature increase and to changes in the quantity/quality of the organic matter.Irrigation fluxes obtained (without effect of temperature and organic matter) are correlated with macrofaunal characteristics and three functioning hypothesis may apply within these two communities: diversity-stability, pop-rivet and idiosyncrasy. Isotope analysis performed showed that benthic organisms assimilate the same type of organic matter and that the trophic functioning is similar in these two communities. The variability of irrigation fluxes could be attributed to the presence of a few numerically dominant species or adequately represented in the two communities. It is therefore difficult to establish a single law in the functioning of the macrobenthic compartment for the whole Channel area. In terms of carbon budget, the respiration of these two macrobenthic communities and medium-fine sands (Ophelia borealis) is approximately 40% of pelagic primary production.

Le lien entre la macrofaune et les communautés bactériennes benthiques a été déterminé selon deux approches : (1) une approche expérimentale à l’échelle de l’individu ciblée sur les effets de l’activité et de la bioturbation du polychète déposivore de surface Melinna palmata sur la distribution des communautés bactériennes des premiers millimètres de l’interface eau-sédiment ; (2) une approche in situ à l’échelle de la communauté de mise en corrélation des patrons spatiaux de distribution des communautés de macrofaune et de bactéries.Melinna palmata appartient à un nouveau groupe fonctionnel de bioturbation décrit pour la première fois, convoyeur de surface. L’utilisation de ce nouveau modèle biologique a permis de mettre en évidence que les activités de prospection et d’égestions modifient significativement la distribution des communautés bactériennes de la couche oxique de l’interface eau-sédiment. Ce lien est à la fois influencé par l’apport de matière organique de différentes qualités, et impacte la consommation et la minéralisation de cette matière organique.Le lien entre les patrons spatiaux de distribution des communautés de macrofaune et de bactéries a été étudié in situ, dans la vasière Ouest-Gironde. Les deux compartiments ont évolué le long d’un gradient avéré de teneur en matière organique et de taille des particules dans cette vasière.La corrélation des matrices biologiques n’a cependant pas été statistiquement significative et nécessite d’être approfondi. / The link between benthic macrofauna and bacterial communities was assessed with two different approaches: (1) an experimental approach at the individual scale, focused on the effects of behaviour and bioturbation of the deposit feeder polychaete Melinna palmata on the bacteria lcommunity distribution on the very sediment-water interface; (2) an in situ approach at the scale of the community, focused on the correlation between spatial distribution patterns of the two biological compartments. Melinna palmata belongs to a new functional group of bioturbation described for the first time: surface conveyor. Its use allowed determining that prospection and egestion induced a significant change of bacterial communities on the sediment-water interface. This link was influenced by organic matter enrichment while influencing its fate. In a second part, the link between spatial distribution patterns of the communities was assessed in situ in the West-Gironde mud patch. Both macrofauna and bacteria changed along a gradient of organic matter quantity and quality and of particles size described in this system. However, the correlation between matrices was not statistically significant and needs to be more developed.

La pollution des rejets urbains de temps de pluie est liée aux dépôts des réseaux dassainissement unitaires et notamment aux stocks de matière organique situés à linterface eau/sédiment. Lobjectif de cette thèse est daméliorer les connaissances vis-à-vis des stocks organiques à l'interface eau/sédiment. Deux méthodes d'observation ont été utilisées :<br />- un endoscope a permis d'identifier et de localiser deux types d'interface organique (une couche immobile à Paris et à Marseille, et des solides en déplacement près du fond à Dundee et à Hildesheim)<br />- une boite d'observation encastrée dans un collecteur parisien a permis de montrer que la couche organique immobile située à l'interface eau/sédiment est hétérogène, quelle abrite une activité biologique, quelle se forme rapidement par temps sec puis se stabilise, quelle subit des remaniement locaux en surface et enfin, que, lors daugmentations de débit, elle est partiellement érodée et transportée par suspension et par charriage.

Dans un contexte global d'augmentation de la population, les réserves en eau des nappes phréatiques sont de plus en plus sollicitées. Pour pallier à cette exploitation, des systèmes d’infiltration artificiels ont été mis en place pour recharger les nappes avec de l’eau de surface. Néanmoins, ces systèmes subissent des pertes d’efficacité liées au colmatage du support d’infiltration par des processus physiques, chimiques ou biologiques. Face à ce phénomène, le travail de thèse a pour but de tester la faisabilité d’une technique d’ingénierie écologique par introduction d’un gastéropode, V. viviparus, pour limiter le colmatage de l’interface eau/sédiment de bassins d’infiltration utilisés pour recharger artificiellement l’aquifère sous-jacent au Rhône. Par des approches expérimentales, deux volets ont été abordés, (1) la dynamique des interactions biofilm/brouteur et les conséquences sur l’état physiologique du gastéropode et (2) la dynamique des interactions biofilm/gastéropode et les conséquences sur les propriétés hydrauliques et écologiques de l’interface eau/sédiment. Les résultats ont mis en évidence que (1) V. viviparus pouvait se maintenir dans les bassins d’infiltration aux différentes saisons, (2) V. viviparus pouvait limiter le colmatage biologique de l’interface eau/sédiment soit par ses actions trophiques (broutage), soit par des actions physiques (déplacement, pelletisation) et (3) V. viviparus n’a pas eu d’effet positif sur l’infiltration lorsque le colmatage était chimique. Pour conclure, V. viviparus apparait comme un bon candidat pour des solutions d’ingénierie écologique visant à restaurer des interfaces eau/sédiment, colmatées par un biofilm phototrophe. Ce travail ouvre des perspectives sur l’utilisation de solutions basées sur la nature à plus large échelle spatiale (e.g. pilote) et à des milieux naturels comme les zones humides / With the global increase of the population, groundwater reserves are increasingly exploited. To circumvent this problem, managed aquifer recharge systems using surface water are used worldwide. Nevertheless, the hydraulic performance of these systems is often altered by physical, chemical or biological clogging. This work aim to test the sustainability of ecological engineering solution based on the introduction of the gastropod, V. viviparus, to attenuate the clogging of the water/sediment interface of infiltration basins use for the recharge of the Rhône river aquifer. Two sections have been addressed with experimental approaches, (1) dynamic of biofilm/grazer interaction and its consequences on the physiological state of the gastropod and (2) dynamic of biofilm/grazer interaction and its consequences on the hydraulic and ecological properties of the water/sediment interface. Results show that (1) V. viviparus is able to survive in the infiltration basins at contrasted seasons, (2) V. viviparus can attenuate the biological clogging of the water/sediment interface, ether by trophic interaction (grazing) or physical actions (crawling activity, pelletization), and (3) V. viviparus has no positive effect on infiltration in case of chemical clogging. To conclude, V. viviparus appears to be a good candidate for ecological engineering solutions aiming to preserve and restore water/sediment interface impacted by biological clogging. This work provides useful information for the study of natured based solutions at larger scale (experimental pilot) and in natural ecosystems as wetlands

Le couplage de l'Ablation Laser et de la Spectrométrie de Masse à Plasma Inductif Couplé (LA-ICP-MS) a été mis en œuvre pour la détermination quantitative des éléments traces dans des matrices de carbonate de calcium (CaCO3) grâce à l'utilisation de pastilles étalons de CaCO3 (concentrations en éléments traces: 0-500 µg.g-1). L'analyse quantitative des éléments traces le long des stries journalières de calcite des coquilles Saint Jacques Pecten maximus a conduit à la définition de profils chronologiques et à haute résolution temporelle. La signification de ces profils a ensuite été évaluée particulièrement pour la Rade de Brest (France). Les concentrations coquillières de fond sont directement liées aux concentrations de l'eau de mer en phase dissoute et aux constantes de solubilité dans les carbonates, traduisant ainsi les conditions environnementales et hydro climatiques moyennes. Des enrichissements récurrents, transitoires et/ou saisonniers ont été observés pour le molybdène (Mo), le baryum (Ba) et le manganèse (Mn). Les enrichissements du Mo et du Ba dans la coquille sont identifiés comme des indicateurs de la dynamique phytoplanctonique dans les environnements côtiers tempérés. Les enrichissements du Mn, observés spécifiquement pour les coquilles de la Baie de Seine, traduisent les apports fluviaux de la Seine et les oscillations des conditions rédox dans la colonne d'eau et à l'interface eau/sédiment. La micro chimie des éléments traces de la coquille est donc établie comme une archive à haute fréquence des changements des environnements côtiers tempérés, et permet aussi de mieux comprendre le cycle biogéochimique des éléments traces à l'interface eau - sédiment.

L’estuaire de Seine est un géosystème macrotidal présentant un hydrodynamisme fort lié à la combinaison des courants fluviatiles et tidaux. Ces phénomènes entrainent l’érosion et le dépôt des sédiments au niveau des vasières intertidales. Au sein des vasières, l’interface eau-sédiment est une zone importante car c’est à cet endroit que se réalise les échanges en nutriment (C, N, P) entre le sédiment et la colonne d’eau. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’impact des forçages hydrodynamiques, physiques et thermiques sur les flux de nutriment à cette interface en utilisant une double approche expérimentale de terrain et de modélisation. Dans ce but, une vasière d’embouchure et une vasière amont de l’estuaire sont échantillonnées au cours des mois de mars-avril 2017. Des échantillonneurs passifs ainsi que des instruments de mesure en continu sont implantés dans le sédiment. Les données obtenues sont ensuite intégrées en entrée dans des modèles de diffusion et d’advection afin d’estimer la contribution relative de la diffusion et des mouvements d’eau dans les flux de nutriment. Les résultats expérimentaux obtenus montrent les différences de fonctionnement hydrodynamiques des deux vasières du fait de leur localisation différente dans l’estuaire. Ils mettent aussi en avant l’hétérogénéité des sédiments des deux vasières d’un point de vue hydrodynamique, physique et biogéochimique. Enfin ils permettent de comprendre la dynamique de la température du sédiment en lien avec le cycle diurne et la marée. La partie modélisation de cette étude est divisée en deux parties distinctes : l’étude de la diffusion et de l’advection à l’interface eau-sédiment. La diffusion est étudiée de façon horizontale et verticale. Le facteur prépondérant de la dynamique de diffusion est la température, celle-ci est modulée par plusieurs paramètres. Les flux potentiels de diffusion sont aussi calculés pour les deux vasières. L’étude de l’advection au sein du sédiment est réalisée à l’aide de deux modèles : le modèle VFLUX et le modèle 1DTempPro. Les vitesses d’écoulement de l’eau interstitielle sont fonction du phasage-déphasage du cycle diurne avec celui de la marée. Ces résultats mettent en avant le rôle prédominant de l’advection par rapport à la diffusion dans la dynamique des flux de nutriment et permettent de proposer un modèle conceptuel des échanges thermiques et de l’advection-diffusion au sein des vasières intertidales / The Seine estuary is a macrotidal geosystem with a strong hydrodynamism linked to the combination of fluvial and tidal currents. These phenomena cause erosion and sediment deposition on the intertidal mudflats. Within the mudflats, the water-sediment interface is an important area because it is there that nutrient exchanges (C, N, P) take place between the sediment and the water column. The objective of this thesis is to evaluate the impact of hydrodynamic, physical and thermal forcing on nutrient fluxes at this interface using a dual experimental field and modelling approach. For this purpose, a mudflat situated at the mouth of the river and an upstream mudflat of the estuary are sampled during the months of March-April 2017. Passive samplers and continuous measuring instruments are implanted in the sediment. The resulting data are then integrated into diffusion and advection models to estimate the relative contribution of water diffusion and movement in nutrient fluxes.The experimental results show differences in the hydrodynamic functioning of the two mudflats due to their different location in the estuary. They also highlight the heterogeneity of the sediments of the two mudflats from the hydrodynamic, physical and biogeochemical points of view. Finally, they allow us to understand the dynamics of sediment temperature in relation to the diurnal cycle and the tide. The modelling part of this study is divided into two distinct parts: the study of diffusion and advection at the water-sediment interface. The diffusion is studied in a horizontal and vertical direction. The main factor of diffusion dynamics is temperature, which is modulated by several parameters. The potential diffusion fluxes are also calculated for the two mudflats. The study of advection within the sediment is performed using two models: the VFLUX model and the 1DTempPro model. Interstitial water flow velocities are a function of the phase-diphase shift of the diurnal cycle with that of the tide. These results highlight the predominant role of advection compared to diffusion in the dynamics of nutrient flows and allow to propose a conceptual model of heat exchange and advection-diffusion within intertidal mudflats.