La Zone Critique de la Terre désigne la fine pellicule recouvrant sa surface, à l’interface du cycle de l’eau, de lithosphère et de la biosphère. Cette couche est produite à sa base par altération chimique et détruite à son sommet par érosion mécanique. Parce que le lithium et ses isotopes ont la particularité de se partager entre la phase dissoute et la phase solide au cours des réactions d’interactions eaux-roches, nous explorons, dans cette thèse, le potentiel des isotopes du lithium dissous dans les rivières comme traceurs des processus d’altération chimique des continents. Nous nous sommes focalisés, dans un premier temps, sur le Bassin Congolais. Cette étude met en évidence le caractère équivoque de la réponse de la composition isotopique du Li (δ7Li) dissous des rivières aux topographies plates (et aux intensités d’altération élevées). Deux valeurs extrêmes de δ7Li dissous sont, en effet, produites dans le bassin du Congo, qui tracent deux styles d’altération continentale distincts, dans lesquels les processus d’altération chimique sont différents. D’autre part, nous proposons une nouvelle estimation du flux moyen de Li et de sa composition isotopique moyenne exportés à l’océan par les rivières aujourd’hui (5,5×1010 g.an−1 et 19±2‰, respectivement). Nous montrons que le δ7Li dissous dans les grands fleuves est contrôlé, au premier ordre, par la réincorporation du Li dans les minéraux secondaires (dans les sols et les plaines d’inondation) et, d’une manière équivoque, de l’intensité d’altération. En outre, l’étude des δ7Li dissous dans les rivières drainant les îles volcaniques (Islande, Java, Martinique, Sao Miguel et Réunion) montre que l’hydrothermalisme continental, générant des eaux très concentrées en Li avec une valeur basse de δ7Li (car très peu fractionnée par rapport à la roche mère basaltique), influence le δ7Li dissous des rivières des îles volcaniques et peut avoir un impact significatif sur le flux de Li (et son δ7Li) transféré(s) à l’océan à l’échelle globale. Enfin, nous proposons une interprétation de l’augmentation de l’ordre de 9‰ qu’a connue la signature isotopique du Li de l’eau de mer au cours du Cénozoïque à l’aide d’un modèle de boîtes simple de l’océan et au regard de nos résultats. Il émane de ce travail de thèse que les isotopes du Li dissous dans les rivières prouvent là encore leur capacité à être de bons traceurs des régimes d’altération des roches silicatées continentales (et ce, même en contexte anthropisé, comme le montre notre étude du bassin de l’Orgeval, en Seine-et-Marne). Le Li et ses isotopes constituent donc des traceurs prometteurs de la Zone Critique de la Terre et des paléo-processus d’altération chimique ainsi que de l’évolution géodynamique des continents voire des grands mouvements verticaux affectant la lithosphère continentale / The Critical Zone of the Earth is the layer covering its surface, at the interface between the water cycle, the lithosphere and the biosphere. This layer is produced at its base by chemical weathering and destroyed at its top by mechanical erosion. We explore the potential of lithium isotopes dissolved in rivers as tracers of continental chemical weathering processes as lithium and its isotopes are highly fractionated between the dissolved and solid phases during water-rock interaction processes. First, we are focused on the Congo Bassin. This study demonstrates the equivocal response of the isotopic composition of the riverine dissolved Li isotope compositions (δ7Li) to flat topography (and high weathering intensities). Two extreme values of dissolved δ7Li are produced in the Congo Basin, which trace two distinct continental weathering styles in which chemical weathering processes are different. On the other hand, we refined the mean flux of Li and its average isotopic signature exported to the ocean by rivers today (5.5×1010 g. an-1 et 19±2‰, respectively). We show that dissolved δ7Li in large rivers is controlled, at first-order, by the re-incorporation of Li into secondary weathering minerals (in soils and floodplains) and in, an equivocal way, of the weathering intensity. Moreover, the study of dissolved δ7Li in rivers draining volcanic islands (Iceland, Java, Martinique, Sao Miguel and Reunion) shows that continental hydrothermal activity, producing waters with high Li concentration with low value of δ7Li (as low fractionated towards the basaltic bedrock), influences the dissolved δ7Li in rivers of volcanic islands and can have an impact on the Li flux (and its δ7Li) transferred to the ocean on a global scale. Finally, by using a simple box model of the ocean and our results, we suggest an interpretation of the 9‰ increase of seawater δ7Li during the Cenozoic. This thesis highlights that riverine dissolved Li isotopes confirm once again their capacity to be powerful tracers of the weathering regimes of continental silicate rocks (even in anthropized context, as showed by our study of the Orgeval catchment, in Seine-et-Marne). Li and its isotopes are thus promising tracers of the Critical Zone of the Earth and the chemical weathering paleo-processes as well as the long-term geodynamic evolution of the continents or even the large vertical movements affecting the continental lithosphere

Les effets du changement climatique sur la biodiversité à l’échelle du globe sont maintenant sans équivoque. Parmi les écosystèmes affectés, les cours d’eau sont particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat. Les modifications de structure et de composition des communautés aquatiques constituent alors un signal intégrateur des réponses écologiques à ces changements climatiques. Dans certaines circonstances, ce signal peut également être exacerbé, modéré ou potentiellement masqué par d’autres variations abiotiques.L’objectif de ce travail de thèse était donc d’évaluer l’effet relatif de différents facteurs de forçage sur les tendances d’évolution à long-terme des communautés de macroinvertébrés benthiques de grands cours d’eau, dans un contexte de changement climatique global. Nos investigations ont ciblé plus spécifiquement la Loire moyenne car, en tant que grande rivière de plaine, elle est particulièrement concernée par les problèmes liés aux stress multiples. En ce qui concerne le choix du compartiment biologique, la faune benthique a été sélectionnée pour son intérêt reconnu en bioévaluation des cours d’eau, notamment grâce à une grande diversité de réponses potentielles aux perturbations environnementales et à un certain nombre d’avantages méthodologiques.Dans un premier temps, nous nous sommes appliqués à caractériser les modifications temporelles de dix paramètres abiotiques majeurs sur trois décennies (1977-2008). Nous avons notamment mis en évidence le réchauffement graduel de la Loire (c. +1,2°C en moyenne annuelle sur les trois décades), couplé à une réduction significative du débit moyen (c. -25%), les deux tendances étant exacerbées en période chaude (mai-août). Dans le même temps, alors que ces modifications étaient susceptibles de provoquer une augmentation du niveau trophique du fleuve, nous avons souligné l’existence d’un effet confondant de l’amélioration des traitements d’épuration (i.e. réduction des apports en phosphore), se traduisant principalement par la baisse des concentrations en phosphates et la limitation des organismes phytoplanctoniques.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux réponses structurelles et fonctionnelles long-terme (i.e. 30 ans) des invertébrés de la Loire à ces deux évolutions concomitantes majeures. En premier lieu, nous avons constaté que le réchauffement et, dans une moindre mesure, la réduction du débit sont impliqués dans la disparition ou le déclin progressif de taxons rhéophiles et psychrophiles (e.g. Chloroperlidae). En parallèle, ces modifications hydroclimatiques expliquent une majeure partie de l’apparition et de la colonisation de taxons limnophiles et thermophiles, comprenant certaines espèces invasives (e.g. Corbicula sp.). En termes de réponses fonctionnelles, ces changements s’illustrent par une évolution adaptative des profils de traits biologiques cohérente avec les prédictions a priori qu’il est possible de faire dans un cadre théorique. Toutefois, cette dérive progressive vers un assemblage généraliste et polluotolérant est partiellement confondue par l’amélioration de la qualité d’eau, qui explique l’apparition de nouveaux taxons polluo-sensibles lors des dernières années (e.g. Philopotamidae). Bien qu’aucune résilience taxonomique ou fonctionnelle ne soit constatée, cette tendance se manifeste, via les traits biologiques, par un transfert probable des ressources trophiques depuis les organismes phytoplanctoniques vers des biofilms épibenthiques et des macrophytes.Pour finir, nous avons exploré la variabilité spatiale multi-sites de ces tendances biotiques et abiotiques et montré que l’ensemble de ces résultats, qui corrobore déjà un certain nombre d’observations en Europe, constitue également un patron homogène le long de la Loire moyenne (sur près de 300 km) et entre différents hydrosystèmes (e.g. Loire, Seine, Meuse). / Evidence for climate change effects on biodiversity at global scale is now unequivocal. Among impaired ecosystems, running waters are particularly vulnerable to climate fluctuations. Changes in aquatic community structure and composition are then considered as integrative signals of the ecological responses to these climate changes. Under certain circumstances, these signals can be also exacerbated, confounded or potentially obscured by other abiotic variations.Therefore, the aim of this PhD was to assess the relative effect of different drivers on longterm trends in benthic macroinvertebrate communities, in the context of global climate change. Our investigations were focused more precisely on the Middle Loire River since, as lowland large river, it is particularly concerned by the potential impact of multiple stressors. Regarding the choice of the biological model, benthic fauna has been selected according to its acknowledged interest in bioassessment of running waters, especially thanks to a great diversity of potential responses to environmental disturbances and a number of methodological advantages.First, we investigated the temporal changes of ten major abiotic parameters over three decades (1977-2008). We highlighted the gradual warming of the Loire River (c. +1.2°C in the mean annual temperature over the three decades), coupled with a significant drop in mean discharge (c. -25%), both trends being exacerbated during the warm period (May-August). In the same time, although these changes were expected to induce a rise in the trophic level of the river, we emphasized a confounding effect of the wastewater treatment improvement (i.e. phosphorus input reduction), leading mainly to a drop in phosphate concentrations and a phytoplankton limitation.Second, we assessed the long-term structural and functional responses (i.e. over a 30-year period) of invertebrates of the Loire River to both major concomitant trends. On the one hand, we highlighted that water warming and to a lesser extent discharge reduction were significantly involved in the disappearance or decrease in rheophilic and psychrophilic taxa (e.g. Chloroperlidae). On the other hand, they explained also a major part of the appearance and increase of limnophilic and thermophilic taxa, including invasive species (e.g. Corbicula sp.). In terms of functional responses, these changes were illustrated by an adaptive evolution of the biological trait profiles in agreement with a priori predictions that is possible to make in a theoretical framework. However, this shift towards a generalist and pollution tolerant assemblage was partially confounded by improvement in water quality, explaining the settlement of new pollution-sensitive taxa during the last years (e.g. Philopotamidae). Although no taxonomic or functional resilience was observed, this trend was translated, via biological traits, into a probable transfer of trophic resources from phytoplankton to periphytic biofilms and macrophytes.Finally, we explored the multi-site spatial variability of these biotic and abiotic trends and we showed that our results as a whole, which supported already a number of observations in Europe, exhibited also a strong homogeneous pattern along the Middle Loire River (on nearly 300 km) and among different hydrosystems (e.g. Loire, Seine, Meuse).

Europäische große Flüsse wurden über Jahrhunderte entscheidend verändert und zu Wasserstraßen für die Schifffahrt ausgebaut. Flussregulierung, Begradigung und Hochwasserschutz tragen zu multiplen Stressoren bei, wobei die Schifffahrt bislang keine Beachtung als potentieller zusätzlicher Einflussfaktor (Stressor) fand. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit befasste sich mit der Rolle der Schifffahrt zwischen multiplen Stressoren und deren Auswirkungen auf die Fischgemeinschaften großer Flüsse. Hierzu wurde die „Large River Fish Database“ (LRDB), ein weltweit einzigartiger Datensatz zusammengestellt, der 2693 Befischungen an 358 Probestellen in 16 europäischen großen Flüssen enthält. Die Probestellen sind durch verschiedene Einflussfaktoren (Stressoren) und Schiffsverkehr beschrieben. Um ein für große Flüsse repräsentatives Abbild der Fischgemeinschaften zu erhalten, wurden zunächst die angewendeten Fischfangmethoden analysiert. Mit der Elektrofischerei wurden die höchsten Fischdichten und die höchste Biodiversität erfasst. Die Elektrofischerei ist daher für eine repräsentative Erfassung der Fischgemeinschaften großer Flüsse geeignet und wurde für weitere Analysen ausgewählt. Die kommerzielle Frachtschifffahrt trat als einer der einflussreichsten Stressoren hervor, zusammen mit erhöhter Fließgeschwindigkeit und dem Verlust von Überschwemmungsflächen. Dichten von insbesondere Habitat-sensitiven Fischen sanken bereits ab acht Frachtschiffen pro Tag signifikant ab. Darüberhinaus hatte auch die Freizeitschifffahrt (Flusskreuzfahrten und motorisierte Sportboote) deutliche und zu Frachtschiffen unterscheidbare ökologische Konsequenzen. Die Wirkungen der Schifffahrt sind ebenso verheerend wie die der hydromorphologischen Degradierung und benötigen eine gesonderte Beachtung im Flussmanagement und der Flussrevitalisierung. Freizeitboote und Flussdampfer wirken der Flussrenaturierung kleinerer Wasserstraßen entgegen und gefährden den ökologischen Erfolg des Blauen Bandes. / European large rivers have been tremendously modified over centuries and transformed into waterways for inland navigation. Extensive river modifications such as river regulation, channel straightening and flood protection have resulted in multiple pressures. However, inland navigation has not been considered as a potential pressure yet. This thesis aimed to assess the role of inland navigation among the most prevailing pressures in large rivers under field conditions. A worldwide unique and complementary dataset, the Large River Fish Database (LRDB) was compiled. The LRDB consists of 2693 fish samples assessed at 358 sampling sites in 16 European large rivers. Sites were characterized by various pressure variables and frequencies of ship traffic. To derive representative samples of large rivers fish assemblages, performance of various fishing gears applied was assessed. Electrofishing samples represented highest densities of fish and highest overall biodiversity. Therefore, electrofishing is suitable for fish-based assessments of large rivers and only electrofishing samples were selected to assess multiple pressures and inland navigation. Commercial cargo navigation appeared as the most influential pressures on large rivers fish assemblages among increased velocities and the loss of floodplains. Starting at already eight passing vessels per day, densities of particularly habitat-sensitive spawners significantly declined. Moreover, recreational navigation such as river cruises and motorized sport boats had distinct ecological consequences to those of cargo vessels. Inland navigation is as detrimental as the hydromorphological degradation of the river channel and requires specific attention in river management and rehabilitation. Pleasure boating (river cruises and sport boats) will counteract river rehabilitation also in smaller waterways and delimit ecological success of the Blue Band initiative in Germany.