Devant la complexité du cycle de l’azote (N) et la variété de ses formes disponibles dans le sol, la planification de la fertilisation de cet élément repose sur des calculs et considérations complexes. La fertilisation biologique a de particulier que l’N est apporté sous forme organique, alors que les plantes le prélèvent principalement sous forme minérale. La disponibilité de l’N repose donc sur une minéralisation efficace des amendements. Cette situation peut mener des producteurs à surfertiliser, entraînant des pertes financières et d’N dans l’environnement. Parvenir à une meilleure synchronisation de la minéralisation de l’N avec les besoins de la plante est donc crucial pour le développement de la serriculture biologique, où les besoins en azote des cultures sont de loin plus élevés qu’au champ. De plus, la capacité de certaines plantes à prélever directement l’N sous forme organique est souvent considérée négligeable en agriculture, mais pourrait être plus importante qu’on ne le croit, contribuant ainsi substantiellement au bilan d’N de la plante. Les objectifs généraux de ma thèse étaient de : (1) évaluer les taux de minéralisation de fertilisants biologiques couramment utilisés en culture légumière sous serre au Québec ; (2) étudier l’impact de différentes sources fertilisantes sur la biodiversité des bactéries du sol ; (3) étudier la capacité du concombre à prélever l’N directement sous forme organique ; et (4) développer et valider un outil de gestion de la fertilisation biologique azotée. Une expérience d’incubation de cinq fertilisants biologiques d’usage commun en serriculture biologique a été menée. La minéralisation de l’N a plafonné dans un sol minéral et un substrat tourbeux à, respectivement, 41 et 63 % de l’N appliqué pour le fumier de poule granulé, 56-93 % pour la farine de sang, 54-81 % pour la farine de plume, 34-43 % pour la farine de luzerne et 57-73 % pour la farine de crevette. Dans un sol minéral, la biodiversité bactérienne alpha (indice Shannon) a été augmentée par l’apport de farine de luzerne, alors que dans un substrat organique à base de tourbe, ce sont la farine de crevette et le fumier de poule granulé qui l’ont le plus augmentée. En se basant sur ces résultats, le modèle NLOS a été adapté à la serriculture biologique pour produire le nouveau modèle NLOS-OG. Cet outil a été validé en serres expérimentales et commerciales et a permis une prédiction satisfaisante de la disponibilité d’N minéral pour une culture en sol minéral, ainsi que de la minéralisation cumulative de fertilisants appliqués dans un sol ou un substrat tourbeux. Par contre, de la recherche spécifique à la dynamique de l’eau dans les cultures biologiques en contenants sera nécessaire afin de prédire adéquatement la disponibilité de l’azote dans ce système. Une interface web est disponible pour les agronomes et producteurs (https://exchange.iseesystems. com/public/pierrepauldion/nlos-og/). Le contenu en C et N solubles du substrat biologique d’une culture de concombre en serre biologique a été positivement corrélé au contenu en C et N organiques de la sève du xylème et aux solides solubles du fruit, suggérant un prélèvement et un transfert de C et N organiques vers les parties aériennes et les fruits. Dans une seconde expérience, en milieu contrôlé, de jeunes plants de concombre ont été exposés à une solution d’alanine enrichie en 13C et 15N. En combinant l’utilisation de molécules marquées à une position spécifique (Position-specific labelling) et l’analyse isotopique spécifique au composé (Compound-specific isotopic analysis), nous avons développé une approche innovatrice permettant de suivre le métabolisme de l’assimilation de l’N issu d’un acide aminé prélevé par les racines. Nous avons ainsi démontré que les racines peuvent prélever et assimiler l’N sous forme organique, surtout en situation de rareté de l’N. Elles ont toutefois une nette préférence pour les formes inorganiques (nitrate et ammonium). Les contributions scientifiques découlant de cette étude doctorale sont : (1) une meilleure connaissance de la minéralisation des fertilisants biologiques azotés ; (2) l’intégration de ces taux de minéralisation dans un outil de gestion de l’N applicable en serriculture biologique; et (3) une meilleure compréhension du prélèvement et de l’assimilation de l’azote organique par des plants de concombre. Ces connaissances permettront une meilleure planification de la fertilisation à base de matière organique, et par conséquent un accroissement de la durabilité de la serriculture biologique. / Because of the complexity of the nitrogen (N) cycle and the diversity of its molecule forms in the soil, N fertilization management is based on complex calculations and considerations. For organic farming, N is provided via organic amendments and biological fixation. However, lack of precise tools that predict the N mineralization rate of N sources leads some producers to over-fertilize, resulting in the buildup of salinity, N leaching and possible loss of profits. Consequently, better knowledge of N availability following organic fertilization, to improve synchronization of N supply with crop N demand, is crucial to advance sustainable organic horticulture. In addition, the capacity of plants to take up N directly as organic molecules is seldom considered in agriculture and could be higher than previously thought, contributing significantly to the plant’s N budget. The objectives of this thesis were to: (1) evaluate the mineralization rates from organic fertilizers commonly used in greenhouse vegetable horticulture in Quebec; (2) study the impact of different fertilizer sources on soil bacterial diversity; (3) study the capacity of cucumber plants to take up and assimilate N directly as organic molecules; and (4) develop and validate a N management tool for organic fertilization. An incubation experiment with five organic fertilizers commonly used in organic greenhouse horticulture was performed. Nitrogen mineralization plateaued for a mineral soil and a peat substrate at respectively 41 and 63% of applied N for pelleted poultry manure, 56-93% for blood meal, 54-81% for feather meal, 34-53% for alfalfa meal, and 57-73% for shrimp meal. Organic fertilizers supported markedly contrasted bacterial communities, closely linked to soil biochemical properties, especially mineral N, pH and soluble C. Alfalfa meal promoted the highest alpha diversity (Shannon index) in the mineral soil, whereas shrimp meal and pelleted poultry manure increased it in the peat-based growing medium. Based on those results, we adapted the NLOS model to organic greenhouse horticulture and developed the new model NLOS-OG. This tool was validated in commercial and experimental greenhouses. It yielded a satisfying prediction of mineral N availability in a greenhouse crop grown in native mineral soil, and for the cumulative mineralization of fertilizers applied in a soil or organic substrate. However, further research should focus on water dynamics in containerized organic crops in order to achieve a precise prediction of N availability in that cropping system. A free web interface for NLOS-OG is now available for agronomists and growers (https://exchange. iseesystems.com/public/pierrepauldion/nlos-og/).In a greenhouse experiment, the C and N content of soil solution was positively linked to the xylem sap C and N content of mature cucumber plants and appeared to contribute to the accumulation of soluble solids in cucumber fruits, suggesting uptake and transfer of soil soluble organic N and C to the shoot and fruits. In a second experiment, in a growth chamber, young cucumber plants were exposed to 13C- and 15N-labelled alanine. By combining two methods, i.e., the use of Position-specific labelling (PSL) of alanine and Compound-specific isotopic analysis (CSIA) of free amino acids, we developed a novel approach allowing the study of the mechanism of the assimilatory metabolism of an amino acid taken up by the roots. We demonstrated that their roots can take up and assimilate N as organic molecules, although they showed a preference for inorganic N forms (nitrate and ammonium). The scientific contributions from this doctoral study are: (1) a better knowledge of the nitrogen release from nitrogen organic fertilizers; (2) the integration of mineralization rates into a N management tool adapted to organic greenhouse horticulture; and (3) a better understanding of the uptake and assimilation of organic N by cucumber plants. This knowledge will contribute to a better planning of N fertilization based on organic matter, thus increasing the sustainability of organic greenhouse horticulture.

Les antibiotiques, notamment la chlorotétracycline (CTC), sont souvent utilisés dans la production animale à titre prophylactique et comme promoteurs de croissance. Cependant, les effets de la CTC sur la minéralisation de l'azote (N), plus particulièrement sur la production de nitrate (NO3), dans les sols agricoles amendés avec des composts de fumiers de ferme sont encore mal connus. En agriculture, la nitrification (i.e., production de nitrate) est un indicateur de l'état de la fertilité des sols agricoles. En général, les travaux portant sur les effets des antibiotiques sur les microorganismes du sol sont rares et parfois contradictoires. L'objectif de la présente étude était d'évaluer la minéralisation de N organique, plus particulièrement la production de NO3-N, dans deux sols agricoles de texture contrastante, un sol limono-argileux et un sol sableux, amendés avec deux composts à base de fumiers de bovins en présence et en l'absence de CTC. Les deux composts de fumiers de bovins contenaient de la paille (CP) ou des copeaux de bois (CB). La minéralisation de N a été évaluée en laboratoire durant une incubation aérobie de 160 jours, sous des conditions de température et d'humidité. Des échantillons de sols seuls ou mélangés avec trois doses de chaque compost sur une base de N total (0, 15,4 et 30,9 g CP/kg de sol ou 0, 12,5 et 25,0 g CB/kg de sol). Les doses de CTC étaient 0, 0,45 et 2,24 mg CTC/kg de substrat. Les traitements ont été répétés trois fois. L'essai d'incubation des sols en aérobie a montré que l'ajout des deux composts de fumiers de bovins (CB et CP) aux deux sols (limono-argileux et sableux) a engendré une augmentation des quantités de NO3-N en fonction du temps d'incubation. La production de NO3-N dans le substrat a été significativement affectée par le type de sol, le sol limono-argileux ayant produit une quantité de NO3-N plus élevée que le sol sableux. En termes de quantités nettes de NO3-N produites, c'est le compost pailleux (CP) qui a généré de quantités nettes de NO3-N les plus élevées durant les périodes d'incubation. Dans les conditions expérimentales utilisées et selon les résultats obtenus, il ressort que la minéralisation du N organique a été peu ou pas affectée par la présence de CTC dans les 11 substrats. D'une part, l'absence d'une période de latence et de ralentissement brutal de la nitrification et d'autre part, l'augmentation de la production de NO3-N avec le temps d'incubation dans l'ensemble des échantillons indiquent que les micro-organismes associés aux processus de minéralisation du N organique ont été peu ou pas affectés par les concentrations de CTC fraîchement ajoutées aux substrats. D'une manière générale, les résultats indiquent que la présence de CTC aurait tendance à abaisser légèrement les quantités de NO3-N produites dans l'ensemble des échantillons.

Le fer, élément majeur de la croûte terrestre, présente une très forte réactivité grâce à son caractère rédox sensible, sa capacité à être utilisé par les organismes vivants et ses capacités de sorption d'un certain nombre d'éléments traces. L'objectif de cette étude est d'évaluer le rôle de l'activité biologique et des réactions non métaboliques dans le contrôle cinétique des transformations minéralogiques et des transferts de fer et des contaminants associés. Les cibles principales de cette étude sont les oxydes de fer ubiquistes dans les sols et les eaux. Ils se comportent comme des puits ou des sources d'éléments traces en fonction des conditions rédox du milieu. Ce travail est centré sur les zones humides, fragiles mais d'intérêt environnemental majeur. Ces dernières sont de véritables réacteurs biogéochimiques, siège d'alternances rédox susceptibles de stabiliser ou déstabiliser les oxydes de fer et où les activités bactériennes sont catalysées par la présence de quantités importantes de matière organique et de nutriments. Cette étude est divisée en deux volets (bio-oxydation et bio-réduction). Le premier volet concerne donc l'oxydation du Fe(II) en présence des bactéries et la biominéralisation. Les résultats obtenus ont montré que les bactéries retardaient l'oxydation du Fe(II) plutôt que de la catalyser par des processus passifs (réactions non métaboliques). Les observations microscopiques couplées avec des analyses chimiques ont montré la capacité des bactéries à adsorber les ions Fe2+, Fe3+ et oligomères de Fe(III), mais aussi à inhiber l'oxydation des ions Fe2+ en les bloquant à leurs surfaces, qui s'oxydent ensuite avec le temps. Cette oxydation du fer adsorbé à la surface est fortement dépendante de pH, et donc du processus d'adsorption ou de désorption si l'oxydation a lieu en solution. Les analyses minéralogiques ont montré une formation en présence des bactéries d'oxydes de fer amorphes et des oxydes de fer cristallisés dans les systèmes abiotiques. Le deuxième volet concerne l'étude in situ de la bio-réduction d'oxyhydroxydes de fer synthétiques (ferrihydrite et lépidocrocite) dopés ou non en As(V). L'étude a permis de développer une méthodologie originale de suivi qualitatif et quantitatif in situ (zone humide du bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin, Bretagne) et ex situ (colonne du sol) de la dissolution réductrice de ferrihydrite et lépidocrocite dopées ou non en arsenic. Les résultats du suivi in situ de la dissolution de la ferrihydrite et la lépidocrocite pures et dopées en arsenic ont montré des taux de dissolution proches de ceux qui ont été mesurés dans des études de laboratoire avec des réducteurs biologiques ou chimiques. Par contre, les taux de dissolution observés ex situ ont montré des valeurs plus élevées que ceux reportés dans la littérature pour des données de laboratoire et de terrain. La majeure partie des phases néoformées est composée de sulfures de fer qui sont formés tardivement sur les plaquettes dans la dissolution réductrice. La libération de l'arsenic est plus importante dans le cas de la dissolution de la lépidocrocite que dans celle de la ferrihydrite, à cause de l'indisponibilité ou de la destruction des sites à la surface de la lépidocrocite réduite, alors qu'une partie de l'arsenic se réadsorbe à la surface de la ferrihydrite réduite. Dans tous les cas, le rôle majeur de la colonisation bactérienne a été montré.

L'utilisation du procédé d'oxydation avancée électrochimique est un moyen simple et économique d'obtention des radicaux hydroxyles (OH*) fortement oxydants. Au cours de ce travail les radicaux ont été utilisés pour la dégradation du chlortoluron, du carbofurane et du bentazone en solution aqueuse. La méthodologie de la recherche expérimentale a été utilisée pour étudier l'influence de quelques paramètres (concentration du chlortoluron, l'intensité du courant et la durée du traitement, etc.) sur la vitesse de dégradation et pour déterminer les conditions optimale de minéralisation. L'évolution de la concentration des pesticides en fonction du temps de traitement montre une cinétique de pseudo-premier ordre (kabs = 4,92 × 109, 3.24 × 109 et 2.63 × 109 mol-1.L.s-1 respectivement pour le chlortoluron, le carbofurane et le bentazone). Dans nos conditions expérimentales optimales (I = 300 mA, [pesticide]0 = 0,125 × 10-3 mol.L-1 et t = 8 h), nous obtenons un taux de minéralisation supérieur à 90% pour les trois pesticides. Dans le cas des molécules étudiées, il a été montré que le taux de minéralisation par le procédé photo-Fenton (UV/Fe3+/H2O2) est fonction des doses des réactifs utilisés et de la concentration initiale des pesticides à traiter. Une comparaison des performances de minéralisation par les différents procédés étudiés (électro-Fenton (BDD), électro-Fenton (PT), oxydation anodique et photo-Fenton) a montré que les procédés photo-Fenton et électro-Fenton (BDD) permettent d'atteindre des taux de minéralisation très important (≈ 90% au bout de 2 h). La comparaison du coût du traitement montre que le procédé photo-Fenton coûte beaucoup plus chère que le procédé électro-Fenton (BDD). Le plasma d'air humide a été utilisé pour la dégradation du chlortoluron. Différents catalyseurs (Fe2+, Fe3+ et TiO2) ont été étudiés pour améliorer les performances du glidarc. La combinaison entre TiO2 et Fe2+ permet d'aboutir à 96%de la dégradation du chlortoluron au bout de 3 h.

Les procédés dits d'oxydation avancés (POA) permettent la dégradation totale (minéralisation) en milieu aqueux des polluants organiques persistants et/ou toxiques pour l'homme et pour l'environnement. Cette étude porte sur l'application de deux POA principaux : électro-Fenton et photo-Fenton, au traitement des eaux polluées par des colorants de textile. La particularité de ces procédés tient à la génération dans le milieu d'entités oxydantes très réactives, les radicaux hydroxyles (..OH) qui sont capables d'oxyder n'importe quelle polluant organique ou organométallique jusqu'au stade ultime d'oxydation, c'est-à-dire la minéralisation (transformation en CO2 et H2O). Dans le cas des colorants étudiés (BB41, BR46 et BY28), il a été montré que le taux de minéralisation par le procédé électro-Fenton dépend des paramètres expérimentaux tels que la concentration du catalyseur, l'intensité du courant appliqué, le pH du milieu, etc.. Cette étude a montré que l'électrolyse du colorant suit une cinétique de pseudo premier ordre. Dans les conditions expérimentales optimales (I = 225 mA et [Fe3+]0 = 0,1 mM), les taux de minéralisation obtenus pour des solutions aqueuses des trois colorants étudiés étaient de 93, 82 et 73% pour le BB41, BR46 et BY28 respectivement après 6 h de traitement. Le taux de minéralisation par le procédé photo-Fenton (UV/Fe3+/H2O2) est fonction des doses des réactifs utilisés et des rapports R = [H2O2]/[Fe3+] et R' = [Fe3+]/[substrat]. Ainsi, les taux de minéralisation obtenus sont de l'ordre de 93% pour le BB41, 85% pour le BR46 et de 95% pour le BY28 pour une durée de traitement de 5 heures avec des rapports R = 10 et R' = 40. L'étude de la dégradation du colorant BB41 sur une unité pilote utilisant le rayonnement solaire a montré que le procédé hélio-photo-Fenton est très efficace. Ce procédé s'inscrit dans une perspective de développement durable et son fonctionnement est basé sur une énergie renouvelable. Une comparaison des performances de minéralisation d'un mélange de colorants par les deux procédés étudiés par l'estimation de l'énergie électrique consommée a montré que les procédés photo-Fenton et électro-Fenton permettent d'atteindre des taux de minéralisation très importants et que le procédé électro-Fenton semble être favorisé avec non utilisation de réactifs chimiques et une faible consommation d'énergie électrique.

Suite à leur utilisation, les médicaments sont souvent partiellement métabolisés; ainsi ces substances pharmaceutiques et/ou leurs métabolites sont rejetés continuellement dans les eaux usées. Leur présence et accumulation dans les eaux naturelles constituent une pollution émergente conduisant à la perturbation des écosystèmes et l'accroissement de mal fonctionnement de la reproduction des espèces aquatiques telles que les poissons. Parmi les polluants pharmaceutiques, les antibiotiques méritent une attention particulière parce qu'ils sont utilisés en grande quantité d'une part et constituent des molécules biologiquement actives pouvant interagir avec des cibles biologiques spécifiques conduisant à l'apparition du phénomène de résistance des micro-organismes potentiellement pathogènes tels que les bactéries (vis-à-vis de ces médicaments employés pour les combattre). Une action préventive est donc indispensable pour réduire leur présence dans les milieux aquatiques naturels.Dans ce travail nous avons appliqué le procédé électro-Fenton (EF), une méthode indirecte d'oxydation électrochimique très performante, à la dégradation des polluants pharmaceutiques sélectionnés, trois antibiotiques couramment utilisés : le sulfaméthoxazole (SMX), l'amoxicilline (AMX) et sulfachloropyridazine (SCP). Le traitement des solutions aqueuses de ces antibiotiques été réalisé en milieux aqueux acide à l'aide des radicaux hydroxyles générés électrochimiquement. Les radicaux hydroxyles sont produits in situ à courant constant dans une cellule électrochimique non divisée, munie d'une cathode tridimensionnelle de grande surface spécifique (feutre de carbone) et d'une anode de Pt ou de BDD afin de suivre la cinétique d'oxydation avec les radicaux hydroxyles et la minéralisation de leurs solutions aqueuses. Ces radicaux sont générés à travers la réaction de Fenton :H2O2 + Fe2+ + H+ → Fe3+ + H2O + •OHdans laquelle les réactifs générés (H2O2) ou régénéré (Fe2+ en tant que catalyseur) électrocatalytiquemment. L'influence des différents paramètres sur la cinétique de dégradation des antibiotiques et sur la cinétique de minéralisation des solutions d'antibiotiques a été étudiée. L'effet co-catalytique des ions Cu2+ a été aussi examiné. Les radicaux hydroxyles formés sont des oxydantes très puissants et réagissent sur les antibiotiques en question conduisant à leur minéralisation. L'étude cinétique montre que la dégradation oxydative des trois antibiotiques suit une cinétique de réaction du pseudo-premier ordre, avec des temps de dégradation assez courts. Par exemple, avec une anode de Pt, l'oxydation complète des molécules SMX, AMX et SCP a été achevée en moins de 15 min à 300 mA.Afin d'établir les voies de dégradation avec les radicaux hydroxyles, les intermédiaires aromatiques, les acides carboxyliques formés ainsi que les ions inorganiques libérés dans la solution lors du traitement ont été identifiés et leur évolution dans le temps a été suivie. Les valeurs des constantes de vitesse des réactions entre les •OH et les antibiotiques et leurs intermédiaires ont été déterminés par la technique de cinétique de compétition à l'aide d'un composé de référence, l'acide p-hydroxybenzoϊque. L'efficacité du procédé d'oxydation anodique (OA) avec une anode Pt et BDD à titre comparatif avec le procédé électro-Fenton a été aussi étudiée. L'efficacité de minéralisation des solutions aqueuses d'antibiotique à été évaluée par mesure du carbone organique total (COT). Le suivi de la toxicité lors du traitement des solutions d'antibiotiques par la méthode Microtox®, (une méthode basée sur la mesure de la luminescence des bactéries marines Vibrio fischeri) a montré la formation des intermédiaires plus toxiques que les molécules mères.L'ensemble des résultats obtenus confirme l'efficacité du procédé électro-Fenton pour la dépollution des effluents aqueux chargés d'antibiotiques / After their use, the drugs used in human or veterinary are partially metabolized during their use and then the non metabolized drugs and/or their metabolites are continuously released into the wastewater. Their presence and accumulation in natural waters of these substances constitutes an emerging pollution leading to the disruption of ecosystems and increased malfunction in the reproduction of aquatic species such as fish. Among the, pharmaceuticals pollutants, the antibiotics deserve special attention because they are used in very large quantities and are biologically active molecules that can interact with specific biological targets leading to emergence of the phenomenon of microorganism's resistance towards the potential pathogens such as bacteria. It is therefore important to develop efficient treatment methodologies for limiting the presence of pharmaceutical contaminants in aquatic environments.In this work we applied the electro-Fenton process (EF), an indirect advanced electrochemical oxidation process, to the oxidative degradation of selected three antibiotics largely used: sulfamethoxazole (SMX), amoxicillin (AMX) and sulfachloropyridazine (SCP). The treatment of aqueous solutions of these antibiotics was achieved in aqueous medium thank to the electrochemically generated hydroxyl radicals. The hydroxyl radicals are produced in situ at constant current in an undivided electrochemical cell, equipped with a three-dimensional cathode (carbon felt) and a Pt or BDD anode. These radicals are generated through the Fenton reaction in homogeneous medium:H2O2 + Fe2+ + H+ → Fe3+ + H2O + •OHwith the electrochemical generation of H2O2 (from 2-electrons reduction of dissolved O2) and regeneration of Fe2+ ions (from one-electron reduction of Fe3+ ions formed by Fenton reaction).The effect of some parameters on the oxidative degradation of antibiotics and on the mineralization of their aqueous solutions was investigated. The co-catalytic effect of Cu2+ was also studied. Hydroxyl radicals formed in aqueous medium are very powerful oxidizing agents and lead to mineralization of antibiotic under study. The kinetics study shows that oxidative degradation of the three antibiotics follows a pseudo-first order, with relatively short degradation time. For example, with a Pt anode, the complete oxidation of antibiotics SMX, AMX and SCP was achieved in less than 15 min at 300 mA. The absolute rate constant of hydroxylation reactions of antibiotics under study and their several aromatic intermediates was determined by competition kinetics method using the p-hydroxybenzoic acid as reference compound. The identification and monitoring of aromatic oxidation products, short-chain carboxylic acids and released inorganic ions during the treatment, allow use to propose a general mineralization reaction pathway for antibiotics degradation by hydroxyl radicals. The efficiency of anodic oxidation (AO) with a BDD anode and Pt was also studied comparatively. The efficiency of mineralization of aqueous solutions of antibiotics was evaluated by measuring total organic carbon (TOC). The evolution of toxicity during the treatment of antibiotic solutions by Microtox® method based on the inhibition measurements of the luminescence of marine bacteria Vibrio fischeri showed the formation of intermediates more toxic than of starting molecules. The overall results confirm the efficiency of electro-Fenton method for remediation of wastewater contaminated with antibiotics

Afin de garantir une gestion durable du massif forestier des Landes de Gascogne (maintien de la fertilité et production élevée), des études sont nécessaires sur la biodisponibilité du phosphore (P) qui est un facteur limitant. Une évaluation fiable de la biodisponibilité du P passe par la quantification des processus d’acquisition par les plantes, à savoir l’interception racinaire, le transport dans la solution et la mobilisation à l’interface solide-solution d’ions phosphates. Dans ce contexte, l’objectif général de la thèse était de faire un bilan biogéochimique de la biodisponibilité du P dans les sols forestiers des Landes de Gascogne, c'est-à-dire une analyse quantitative et comparative des processus physico- chimiques (diffusion) et biologiques (minéralisation et reminéralisation) de réapprovisionnement de la solution en ions phosphates ainsi qu’une caractérisation du système de prélèvement (racines fines) du Pin maritime. Les résultats ont montré une déficience en P pour l’ensemble des sols étudiés. Ils ont également montré une importance variable, en fonction de la profondeur et du type de lande (humide à sèche), des différents processus biologiques et physico-chimiques dans le réapprovisionnement de la solution. Le rôle des micro-organismes, via la minéralisation du P organique du sol et en tant que source (reminéralisation) et puits (immobilisation) de P, est particulièrement important dans les sols peu réactifs vis-à-vis du P comme les litières ou certains sols minéraux de surface. L’étude du système de prélèvement (racines fines, ectomycorhizes) suggère que le prélèvement de P par le Pin maritime concerne aussi bien les horizons de surface que ceux du sous-sol. / In order to guarantee a sustainable management of the forest range the “Landes de Gascogne” (maintaining fertility and elevated productivity), the bioavailability of phosphorus (P), a growth limiting factor, needs to be studied. An accurate evaluation of P bioavailability implies the quantification of plant acquisition processes such as root interception, soil solution transport and the mobilisation of phosphate ions at the soil-soil solution interface. The main objective of the PhD study was to assess a biogeochemical balance of the P bioavailability in the forest soils of the “Landes de Gascogne”, i.e. to carry out an quantitative and comparative analysis of the physical-chemical (diffusion) and biological (mineralization and remineralization) processes of replenishing the soil solution with phosphate ions, as well as the characterisation of the tree uptake system (fine roots) of maritime pine. The results have shown that all of the soils studied are very deficient in P. They have further shown a varying importance of the different biological and physical-chemical processes in supplying P to the soil solution according to the site class (humid to dry moorlands). The role of the microorganisms, via the mineralization of organic P, as a source (remineralization) or a sink (immobilization) of P, is particularly important in the litter and top mineral layers featuring a very low reactivity versus P. The study of the uptake system (fine roots and ectomycorrhizae) suggests that uptake of P by maritime pine takes place both in top soil horizons and in deeper soil horizons.

Ces dernières décennies, les plantations à croissance rapide sont apparues comme un moyen de répondre à la demande croissante en produits forestiers ligneux et comme une alternative à l'exploitation des forêts naturelles en zone tropicale. Un enjeu majeur est aujourd'hui de garantir la durabilité de ces plantations souvent installées sur sols pauvres et avec de fortes exportations de biomasse tous les 6-7 ans. Les litières présentes à la surface des sols peuvent jouer un rôle crucial sur la fertilité minérale et organique des sols qui conditionnent la productivité à court et long terme de ces écosystèmes tropicaux. L'objectif de ce travail était de comprendre par quels mécanismes le retrait ou l'ajout de litières influencent le développement de plantations d'Eucalyptus. En parallèle de mesures de croissance des arbres, la dynamique de minéralisation d'azote (N) au cours de la décomposition des rémanents a fait l'objet de plusieurs expérimentations. Les flux de nutriments en solution ont été comparés aux stocks initiaux dans les différents compartiments de l'écosystème et à la minéralomasse des arbres à la fin de l'étude. Un bilan de recouvrement de 15N apporté sous forme de rémanents lors de la plantation a été réalisé à l'échelle de la plantation. L'impact de la manipulation des litières sur les stocks de MO du sol a été évalué à partir d'analyses de sol ainsi que d'un partitionnement complet des sources de CO2 émis à la surface du sol. Les résultats de cette thèse montrent que la rétention des rémanents doit être optimisée et l'exportation de biomasse ligneuse compensée par l'apport de fertilisants, la pratique du brûlage doit être prohibée et les feux sauvages évités / In the last decades, fast-growing plantations have emerged as an important option to supply a growing share of the increasing demand for woody forest products and as an alternative to reduce the pressure on tropical rainforests. A major stake is nowadays to ensure the sustainability of these plantations often established on poor soils with large amounts of biomass exported every 6-7 years. Aboveground litters may play a crucial role on the mineral and the organic soil fertility which drive short- and long-term productivity in these tropical ecosystems. The main objective of our study was to identify the mechanisms involved in the Eucalyptus growth response to aboveground litter removal or addition over the two first years after planting. Apart from measurements of tree growth, the dynamic of nitrogen (N) mineralization in decomposing harvest residues has been studied in several experiments. Nutrient fluxes in soil solutions were compared to nutrient stocks initially contained in ecosystem compartments and to nutrient content within trees at age two years. A complete recovery budget of 15N brought within residues at the harvest was made at the stand scale. The long-term impact of aboveground litter manipulations on soil OM stocks was also assessed. Standard soil analyses (C&N) as well as a complete partitioning of soil CO2 efflux were carried out. The qualitative and quantitative dynamics of dissolved OM received special attention. The results show that the rapid release of potassium and the more progressive release of N contained in aboveground litter largely explain tree growth differences observed among OM management treatments. Eucalyptus tree considerably benefit from the nutrient released throughout litter decomposition since losses by deep drainage were very low as a consequence of soil depth and of the very fast development of roots both in the deep soil layers and in the organic layer. Our study also highlighted the large contribution of the topsoil OM (0-15 cm) for the production of nitrate and dissolved OM in gravitational soil solutions. The use of 15N labelling demonstrated that N is initially retained within the organic layer probably by microbial immobilization; transferred in simultaneous and balanced ways between organic residues components (leaves, barks and branches); and finally transported in particulate OM toward the mineral topsoil layer by gravitational water, supplying thus the soil OM pool on which the soil fertility relies. The retention of aboveground litter contributed to maintain soil OM stocks after the clear-cutting while its removal led to an initial decrease in soil OM stocks at the beginning of the rotation, which seemed to be balanced thereafter by litterfall inputs. The addition of litter led to an increase in dissolved OM fluxes in the first 15 centimeters of the soil profile which remained insignificant in comparison with soil OM stocks and exhibited low interactions with soil OM. Despite the rapid recovery of the soil OM pool, some nutrients might limit the productivity of these plantations after several rotations, as a result of repeated biomass exportation. Consequently, the retention of organic residues at the harvest should be optimized and the exportation of woody biomass must be compensated by fertiliser addition, burning of organic residues must be prohibited and wild fires prevented

Depuis quelques décennies, le labour, comme mode de travail du sol, tend à diminuer au profit de différents modes de préparation du sol, allant du travail du sol réduit sans retournement jusqu'au semis direct. De tels modes alternatifs de travail du sol méritent une étude approfondie avant leur diffusion en agriculture biologique (AB) car ils peuvent occasionner des problèmes de nutrition des cultures et une dégradation de la structure du sol au cours des premières années de leur application. L'objectif de ce travail a donc été d'étudier à court terme (< 5 ans) les modifications que génèrent l'adoption de différentes techniques de travail du sol en AB sur la structure du sol, la répartition des résidus de culture et des microorganismes au sein du profil cultural, puis d'en évaluer les conséquences sur la minéralisation potentielle du carbone et de l'azote. Pour cela, le travail s'est appuyé sur deux dispositifs agronomiques mis en place l'un sur sol alluvial sableux (Lyon), l'autre sur sol limoneux de Bretagne (Kerguéhennec) pour comparer les effets de quatre modes de travail du sol : labour traditionnel, labour "agronomique", travail réduit et superficiel. Dans chacun de ces sites, des prélèvements ont été réalisés à partir de l'observation des profils culturaux au sein de zones compactées (mottes delta) et non compactées (mottes gamma) à différentes profondeurs correspondant aux limites de travail des outils étudiés. Cette stratégie d'échantillonnage a permis de relier la structure du sol au fonctionnement microbien et de mieux comprendre les facteurs qui gouvernent l'organisation spatiale des microorganismes à une échelle macroscopique et ce, aussi bien d'un point de vue quantitatif (biomasse microbienne, activités de minéralisation) que qualitatif (structure des communautés microbiennes). Ainsi, dès les premières années de différenciation des traitements, la quantité, l'activité mais aussi la structure des communautés microbiennes sont influencées par la profondeur et le mode d'enfouissement des résidus puis, dans les horizons où la quantité de substrat disponible n'est pas limitante, par le tassement du sol généré par chaque technique. La prise en compte de l'hétérogénéité spatiale de la structure du sol permet de préciser l'effet de chaque technique étudiée sur le potentiel de minéralisation du carbone et d'azote des microorganismes. Ainsi, dans les conditions expérimentales de ce travail, il apparaît que l'adoption de techniques de travail du sol réduit ou superficiel ne limite pas le potentiel d'azote minéralisable total (sur l'ensemble de la couche de sol) par rapport au labour au cours des premières années de leur application.

Les procédés dits d'oxydation avancés (POA) permettent la dégradation totale (minéralisation) en milieu aqueux des molécules organiques toxiques pour l'homme et pour l'environnement. Le procédé Electro-Fenton qui fait partie des POA est appliqué dans le cadre de ce travail à la minéralisation des solution aqueuses d'herbicides chlorophénylurées. Les performances de ce procédé ont été comparés avec d'autres procédé POA fraisant intervenir les ions de fer (ferreux ou ferriques) tels que le réactif de Fenton et le procédé photo-Fenton.<br /><br />Dans le cas des molécules étudiées (diuron, monuron et fénuron), il a été montré que le taux de minéralisation par le procédé Fenton (Fe2+/H2O2) augmente avec l'augmentation des doses des réactifs et du temps de réaction. Dans le cas de la dégradation photochimique (irradiation UV), la vitesse de dégradation et le taux de minéralisation sont très faibles. La vitesse de dégradation des molécules mères et le taux de minéralisation des solutions d'herbicides étudiés peuvent être significativement augmentés par le couplage de la photochimie le réactif de Fenton (Fe2+/ H2O2). Ce couplage permet aussi de diminuer la durée d'irradiation et faire économiser d'énergie. Dans le cas du procédé Electro-Fenton, la cinétique de dégradation et de minéralisation dépend des paramètres expérimentaux tels que la concentration du catalyseur, l'intensité du courant appliqué, le pH du milieu, etc. <br /><br />La réactivité des chlorophénylurées vis-à-vis des radicaux hydroxyles varie en fonction du nombre d'atomes de chlore substitués sur le cycle aromatique. La vitesse de réaction de dégradation croît dans l'ordre suivant : diuron (2 Cl substitués), monuron (1 Cl substitué) et fénuron (sans Cl substitué. L'étude de la minéralisation de ces herbicides a montré que les taux d'abattement de carbone organique en terme de DCO dépassent les 90% pour une durée de traitement de 3 heures dans le cas du procédé Electro-Fenton. Le mécanisme de minéralisation des herbicides chlorophénylurées est initié par l'attaque des radicaux hydroxyles de la molécule de départ sur deux sites : le groupement N-terminal et le cycle aromatique générant des sous-produits. Plusieurs sous-produits de dégradation aromatiques qui sont principalement issus d'une oxydation du groupement N-terminal suivie d'une hydroxylation du cycle aromatique et de substitution d'atomes de chlore sur le cycle aromatique ont été identifiés. Des oxydations successives mènent à l'ouverture oxydante du cycle aromatique avec la formation des acides carboxyliques et ions minéraux.<br /><br />Une comparaison des performances de minéralisation par les différents procédés étudiés a montré que les procédés photo-Fenton et Electro-Fenton permettent d'atteindre des taux de minéralisation très important (de l'ordre de 93%). Le procédé Electro-Fenton semble être favorisé avec non utilisation de réactifs chimiques et une faible consommation d'énergie électrique.