Les activités anthropiques génèrent une contamination à de faibles doses des boues de station d'épuration par des micropolluants organiques persistants tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorobiphényles et le nonylphénol. Cette étude porte sur la détermination de l'influence des microorganismes au cours de la méthanisation sur le devenir de ces trois familles de micropolluants. Un protocole spécifique a été mis au point pour extraire des microorganismes de leur écosystème d'origine tout en conservant la singularité structurelle et fonctionnelle des communautés. Trois communautés, au passif de pollution différent, ont ainsi été soumises à la même pression de sélection (substrat et disponibilité en micropolluant) dans des bioréacteurs continus de méthanisation. Ces trois écosystèmes se sont alors distingués parfaitement via les caractéristiques de leurs communautés et la réalisation de fonctions diverses de digestion. Or, la dégradation des micropolluants a convergé dans ces 3 systèmes, démontrant l'absence de lien direct entre méthanogenèse et dégradation de ces molécules et une absence de spécialisation des communautés pour cette dégradation. En outre, il a été observé que la répartition des micropolluants au sein de la boue est influencée par les voies métaboliques des communautés. Plus le degré de digestion est avancé, plus les micropolluants sont abondants dans le compartiment aqueux et sorbés à la matière dissoute et colloïdale. Des fonctions, spécifiques de la dégradation des micropolluants, ont été étudiées (i) en suivant l'assimilation de phénanthrène marqué au 13C en culture batch, source principale de carbone, ce qui n'a pas permis d'observer sa minéralisation et (ii) en recherchant la présence de gènes fonctionnels ce qui n'a pas permis la détection des fonctions ciblée. Des activités œstrogéniques, androgéniques, dioxin-like et HAP-like, l'activité HAP-like est la plus exprimée dans les réacteurs à l'équilibre. Le degré de digestion, via une modification de la répartition des HAP, explique l'augmentation de l'activité HAP-like dans le compartiment aqueux des boues les plus digérées (et sa diminution dans le compartiment particulaire). L'activité HAP-like n'est pas entièrement expliquée par le dosage des HAP, ce qui suggère la présence d'intermédiaires métaboliques ayant une activité biologique et dont la nature différerait suivant le métabolisme exprimé par les communautés microbiennes. / Due to anthropogenic activity the sludge of wastewater treatment plants are contaminated by organic micropollutants like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated biphenyls and nonylphenol. This study focuses on the influence of microbial communities on the fate of these three micropollutant families during the anaerobic digestion process. A specific protocol was developed to extract microorganisms from their native ecosystem while maintaining their structural and functional singularity. Three communities, with different pollution history, were thus extracted and subjected to the same selection pressure (availability of substrate and micropollutant) in continuous anaerobic digesters. These three ecosystems can be perfectly identified through the characteristics of their microbial communities and their global metabolism. However, our results show also that the degradation of micropollutant converged in these 3 systems, demonstrating no direct link between methanogenesis and micropollutant degradation and no specialization of the microbial communities toward this degradation. In addition, the distribution of micropollutants in sludge is influenced by the metabolic pathways of those communities. The more the digestion is advanced, the greater the micropollutants are abundant in the aqueous compartment and adsorbed to the dissolved and colloidal matter. Specific functions for micropollutant degradation were studied (i) by following the 13C-labeled phenanthrene assimilation as main carbon source, which did not allow observing its mineralization and (ii) by exploring the presence of functional genes, which did not allow the detection of the targeted functions. Among the estrogenic, androgenic, dioxin-like and PAH-like activities, PAH-like activity is more expressed in all reactors at the steady state. The different degrees of digestion, through a change in PAH distribution, explain the increase in PAH-like activity in the aqueous compartment of the most digested sludge (and its decrease in the particulate compartment). PAH-like activity is not fully explained by PAH quantification, suggesting the presence of by-products with biological activity and which could be different depending on the metabolic pathway of the microbial communities.

La connaissance des sources primaires (combustion des énergies fossiles, combustion de la biomasse, éruptions des volcans, etc.) et secondaires (oxydation des composés organiques volatils (COV) suivie de la condensation formant des composés organiques particulaires) de l'aérosol organique ainsi que la caractérisation et la quantification de sa composition chimique restent un défit majeur, en particulier dans la région du Moyen Orient où les études de caractérisation de l'aérosol organique n'existent pas jusqu'à présent. Le Liban, un pays du Moyen Orient qui se situe au bord du bassin méditerranéen, représente un bon exemple pour la caractérisation des aérosols organiques dans cette région. Les travaux menés durant cette thèse s'inscrivent dans un objectif de l'étude de la qualité de l'air à Beyrouth (la capitale du Liban) en se concentrant plus spécifiquement sur les aérosols organiques. Tout d'abord, cette thèse a permis le développement d'un inventaire des émissions pour les gaz et les particules pour le Liban avec une résolution spatiale de 5 km x 5 km et pour la capitale Beyrouth avec une résolution spatiale de 1 km x 1 km. Les résultats obtenus indiquent que le transport routier est la source majoritaire responsable des émissions de monoxyde de carbone (CO), d'oxydes d'azote (NOX) et de composés organiques volatils non méthaniques (COVNM), tandis que les industries et les centrales électriques sont les principaux émetteurs des émissions de dioxyde de souffre (SO2) et des particules primaires. Ensuite, afin de caractériser les concentrations des polluants et plus spécialement la fraction organique des particules, deux campagnes de mesures intensives de 15 jours chacune ont été menées sur un site semi-urbain situé dans la banlieue de Beyrouth. Une première campagne estivale s'est déroulée en juillet 2011 et une deuxième campagne hivernale en février 2012. Ces campagnes, qui s'inscrivent dans le cadre du projet ECOCEM (Emission and Chemistry of Organic Carbon in East Mediterranean Beirut) ont permis une spéciation moléculaire et une catégorisation des sources en été et en hiver de l'aérosol organique au site de mesures où les campagnes ont été menées. En été, les précurseurs biogéniques tels que les monoterpènes et les sesquiterpènes qui aboutissent à la formation des aérosols organiques secondaires biogéniques sont la principale source à cause de l'insolation intensive et les températures élevées qui favorisent les émissions et les réactions de photo-oxydations. En hiver, la combustion de la biomasse est la principale source en raison de la combustion du bois dans le secteur résidentiel pour le chauffage. Enfin, les concentrations ambiantes des polluants à Beyrouth ont été simulées durant le mois de juillet 2011 à partir de données de l'inventaire des émissions développé dans le cadre de cette thèse en utilisant le modèle de chimie-transport Polyphemus/Polair3D. Les concentrations de polluants simulées avec le modèle ont été comparées aux concentrations mesurées durant la campagne estivale afin d'évaluer le modèle. Les résultats obtenus révèlent que le modèle est capable de simuler de manière satisfaisante les concentrations d'ozone (O3), de NOX et la plupart des composés présents dans les particules fines. Les différences entre le modèle et les mesures peuvent résulter des incertitudes dans les données d'entrée qui ont une très grande influence sur les sorties du modèle. Pour cela, une réduction des incertitudes engendrées par les données d'entrée et plus spécifiquement celles liées à l'inventaire des émissions est nécessaire. Par ailleurs, des mesures chimiques sur plusieurs sites sont aussi nécessaires dans le futur afin de mieux évaluer les simulations des concentrations de polluants / The chemical composition of PM2.5 includes both organic and inorganic compounds. Organic compounds, which constitute a significant fraction of the PM2.5 mass, can be emitted directly as primary aerosol from sources such as fossil-fuel combustion, biomass burning, and natural biogenic emissions, or formed in the atmosphere via chemical reactions leading to secondary organic aerosol (SOA) formation. SOA, which account for 20 – 80 % of total organic aerosol, are currently a major source of uncertainty in air quality modeling. The identification and quantification of the chemical composition of the organic fraction of PM2.5 and its source apportionment are of great interest, especially in the Middle East region where data on organic aerosols are currently lacking. Lebanon, a small developing country in the Middle East region located on the eastern shore of the Mediterranean basin represents a good example for characterizing organic aerosols in this region. To address this issue, the air quality in Beirut (the capital city of Lebanon) was investigated with a focus on organic aerosols. First, an air pollutant emission inventory was developed for Lebanon with a spatial resolution of 5 km x 5 km and for Beirut with a spatial resolution of 1 km x 1 km. The results obtained show that the road transport sector is the major contributor to carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and non-methane volatile organic compounds (VOC) emissions, whereas fossil fuel-fired power plants and large industrial plants are the major contributors to sulfur dioxide (SO2) and primary particulate matter (PM) emissions. Then, two intensive 15-day measurement campaigns were conducted at a semi-urban site located in a Beirut suburb to characterize air pollutant concentrations. The first measurement campaign took place in July 2011 and the second in February 2012. Measurements included PM2.5, organic carbon (OC) and elemental carbon (EC) mass concentrations as well as a molecular characterization of organic aerosols. Using these data, a source apportionment of organic aerosols was conducted for summer and winter. In summer, biogenic precursors such as monoterpenes and sesquiterpenes were the major source of OC due to intensive solar radiation and high ambient temperatures that promote biogenic VOC emissions and photo-oxidation reactions. In winter, biomass burning was the major source of organic aerosols because of the intensive use of wood burning for heating. Finally, air pollutant concentrations in Beirut were simulated for July 2011 with the Polyphemus/Polair3D chemical-transport model (CTM). The emission inventory mentioned above was used as input to the model. Meteorological simulations were conducted with the Weather Research and Forecasting model (WRF) using different configurations and the configuration leading to the best agreement with the observations was used to drive the air quality simulations. The simulated air pollutant concentrations were compared to the measured concentrations collected during the summer measurement campaign. The results show that the model reproduces satisfactorily the concentrations of ozone (O3), nitrogen dioxide (NO2), carbon monoxide (CO), and the major components of PM2.5. The differences obtained between the modeled and measured air pollutants concentrations are due in part to uncertainties in input data. Future studies should address the reduction of uncertainties such as those of the emission inventory. In addition, measurement campaigns involving several sites are needed to better characterize air pollution in Beirut and provide a more complete database to evaluate simulated air pollutant concentrations

Pour une meilleure compréhension en gestion de la qualité de l’environnement le dosage des contaminants dans les différents compartiments naturels reste un premier pas vers l’élucidation de la dynamique des polluants et de leurs impacts sur les écosystèmes. Cependant les stratégies d’échantillonnage usuellement utilisées n’ont pas changé depuis l’avènement de la chimie analytique. Ces techniques consistent en général à prélever une certaine quantité de l’échantillon (eau, air, solide) afin d’en extraire les substances d’intérêt pour les doser. La question de la représentativité de telles pratiques se pose alors ; en effet pour un site donné la contamination peut être très variable au cours du temps et sur de faibles distances. La compréhension fine de la contamination d’un milieu en utilisant de telles techniques impose alors la multiplication des prélèvements dans le temps et l’espace.Depuis les années 80 mais surtout depuis le début des années 2000, des outils d’échantillonnage passif ont été mis au point dans de nombreux domaines permettant d’avoir un suivi de la contamination intégré dans le temps à moindre coût. Ces nouvelles approches consistent à prélever l’échantillon en continu et in-situ sans apport d’énergie, fournissant ainsi une valeur moyenne de la contamination.Afin de pouvoir utiliser ces dispositifs, un certain nombre de développements en laboratoire doivent être au préalable menés afin de déterminer les constantes cinétiques nécessaires pour déduire la contamination du milieu échantillonné à partir des résidus séquestrés par les échantillonneurs. Ainsi, dans le cadre de ces travaux, une sélection d’échantillonneurs existants ont été testés et adaptés en laboratoire puis évalués en conditions réelles sur divers sites environnementaux.Les développements en laboratoire ont eu pour objet de mettre au point différentes configurations d’outils dans le but d’être applicables au plus grand nombre de molécules et ce de la manière la plus quantitative possible. A titre d’exemple, des dispositifs adaptés ont été mis au point pour l’échantillonnage de molécules très polaires qui auparavant n’étaient pas efficacement échantillonnées par les dispositifs existants. Sur site, les outils d’échantillonnage ont principalement été mis en œuvre dans le cadre de programmes de recherche plus vastes et ont à ce titre pu être testés sur de grands terrains d’étude (Bassin d’Arcachon et Estuaire de la Gironde) et être comparés aux techniques d’échantillonnage ponctuels qui font actuellement référence. Les résultats fournis par les outils sont proches de ceux obtenus par échantillonnage ponctuel. Cependant l’aspect quantitatif apparaît probablement encore améliorable soit par l’usage de nouveaux composés référence de performance soit par mise au point de dispositifs plus robustes et faiblement impactés dans leurs performances par les conditions environnementales. / For a better understanding and management of the environmental quality, contaminant analysis in the various compartments is a natural first step in the understanding of the dynamics of pollutants and of their impacts on ecosystems. However sampling strategies commonly used have not changed since the advent of analytical chemistry. These techniques in general consist of taking a certain amount of sample (water, air, solid) to extract the substances of interest to assay. The issue of representativeness of such sampling practices arises since for a given site the contamination can vary over time and over short distances. Detailed understanding of the contamination of an ecosystem using such sampling techniques requires the multiplication of samples over time and space.Since the 80’s and more especially the beginning of 2000, passive sampling tools have been developed in many areas. They provide an integrated monitoring of contamination over time at low cost. These new approaches are based on the fact that the sample are taken continuously in-situ and without energy supply, thus providing an average value of the contamination.To use these devices, a number of laboratory developments must first be conducted to determine the kinetic constants to deduce the necessary characteristics of the environmental contamination. Thus, as part of this work, a selection of existing samplers has been tested and adapted in laboratory experiments and evaluated in real conditions at various environmental sites.Laboratory developments have been conducted to develop different configuration tools in order to be used for a wide range of pollutants with the best quantitative capacity. For example, suitable devices have been developed for sampling highly polar molecules which previously were not strongly sampled by existing devices.On-site, sampling tools were mainly implemented in the framework of broader research programs and consequently have been tested during large field studies (Bassin d'Arcachon, Gironde Estuary) to compare their performance to grab sampling techniques. The results provided by the tools are similar to those obtained by grab sampling. However, the quantitative aspect appears still improvable either by the use of new performance reference compounds or by using devices more robust and slightly affected in their performance by environmental conditions.

Les travaux de cette thèse présentent le design et la synthèse de matériaux organiques/hybrides électro-photo modulables. La première partie détaille l’influence de groupements fluorés, attracteurs d’électrons, sur les mécanismes de transfert de charges au sein de triphénylamines : une nouvelle famille de molécules émissives, dont les longueurs d’onde d’émission couvrent une large gamme du visible est présentée. De plus, l’hydrophobicité induite par les atomes de fluor doit faciliter la préparation de nanobâtonnets préparés par mouillage d’une matrice d’alumine. Le reste du manuscrit s’intéresse à un second fluorophore organique, la tétrazine. Cette molécule possède une émission de fluorescence jaune qui peut être éteinte en présence de polluants riches en électrons. Immobilisée à la surface de nanoparticules de silice, la tétrazine conserve ces propriétés photophysiques et permet la préparation d’un dispositif solide capable de détecter des polluants aminés. L’incorporation au cœur de la nanoparticule d’un second fluorophore naphtalimide permet d’améliorer le rendement quantique de fluorescence et d’obtenir des nano-objets émettant une fluorescence blanche. Les propriétés photophysiques de ces objets sont décrites dans le manuscrit. Un dernier aspect détaille la synthèse et les études préliminaires de nouvelles dyades tétrazine-diacétylène. Les polydiacétylènes obtenus par polymérisation photo-induite possèdent plusieurs couleurs différentes. Cette partie vise à traiter l’influence des changements de phase du polymère sur l’émission de la tétrazine. / This Ph-D work deals with the design and the preparation of photo and electro-tunable materials. The first part of the manuscript deals with the influence of a fluorinated substitution onto a triarylamine moiety. The electron withdrawing fluorines modify the charge transfer process and customize the emission wavelength. In addition, the fluorinated groups increase the hydrophobic character of the material. This should be useful for the formation of organic nanorods via a template assisted method. The rest of the manuscript focuses on the tetrazine fluorophore which exhibits a yellow fluorescence that can be quenched in the presence of electron rich pollutants. A new methodology to covalently link a tetrazine derivative onto the surface of silica nanoparticle is discussed. The particles have similar photophysical properties as the tetrazine in solution allowing the use of this material as a solid sensing device. The incorporation into the silica core of a naphtalimide dye improves the overall fluorescence quantum yield of the system and provides nanoobjects emitting a white fluorescence. The photophysical phenomena involved in those particles are detailed in the manuscript. Finally, the synthesis and the photophysical properties of tetrazine-diacetylene dyads are discussed. Poly-diacetylenes prepared via a photopolymérisation process display different phases characterized by different colours. This part presents the preliminary results to understand the influence of the phase changes of the polymer on the tetrazine emission.

Cette thèse est consacrée à l’étude fondamentale et au développement de micro-sources lasers en matériaux organiques, susceptibles de débouchés dans les technologies de l’information et les biotechnologies. Nous avons exploré l'aspect tridimensionnel (3D) de ces lasers, tant en termes de fabrication que de caractérisation. Concernant la fabrication, nous avons fait évoluer la géométrie des microlasers, auparavant quasi-bidimensionnelle (2D, issue de films fins) vers une géométrie 3D (comme des cubes). Des procédés de lithographie UV épaisse ou d’écriture directe au laser par photo-polymérisation à 2 photons ont été adaptés pour réaliser des formes sur mesure de micro-résonateurs optiques incluant un colorant. Afin d'étudier l'émission très anisotrope de ces lasers, nous avons conçu et développé un outil original, appelé scanner à angle solide (SAS), permettant de collecter l'émission d’un microlaser dans toutes les directions du demi-espace qui le surplombe, avec une grande précision. Le SAS a permis de constater que les microlasers 2D émettent principalement hors-plan. Un modèle a été développé pour expliquer cet effet et émettre des prédictions. D’autre part, différentes formes de microlasers 2D ont été analysées, à partir de leurs directions et spectres d’émission, grâce au formalisme semi-classique des orbites périodiques. En particulier, une orbite diffractive a été observée dans les triangles, ce qui ouvre la voie à une étude systématique de la diffraction par un coin diélectrique. Nous apportons également une explication à la directionalité de l’émission par des microlasers carrés. Pour finir, les premières caractérisations 3D de micro-lasers 3D ont été réalisées. / We investigate in this thesis fundamental and applied properties of solid-state laser micro-sources made of organic materials, with possible applications to information and biosensing technologies. We explored three-dimensional features pertaining both to fabrication and characterization of such lasers. Regarding the fabrication, we extended the geometry of organic microlasers, previously restricted to quasi-two-dimensional (2D) as from thin film patterning, onto full 3D structures such as cubes. Deep UV lithography and direct laser writing with two-photon-polymerization processes have been adapted in order to fabricate customized shapes, which incorporate a laser dye. To study the highly anisotropic emission from these lasers, we conceived a new set-up, called solid angle scanner (SAS), allowing for high angular accuracy detection of the emission from a micro-laser in all directions in space. When applied to 2D micro-lasers, SAS measurements allowed us to observe that they emit mainly out of their plane. We developed a model to account for this effect and infer predictions. Moreover, various shapes of 2D micro-lasers have been investigated, through the angular and spectral features of their emission, with experiments satisfactorily connected to a semi-classical theoretical approach of periodic orbits. We paid special attention to triangular shapes, for which a diffractive orbit was observed, opening the way to the study of diffraction by a dielectric corner. We also propose an explanation for the directionality of the emission by square micro-lasers. Finally, 3D characterizations of solid state 3D organic micro-lasers are presented for the first time to our knowledge.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la spintronique moléculaire. Elle s’intéresse plus précisément aux nouvelles opportunités de façonnage de la polarisation de spin qui découlent de l'hybridation métal ferromagnétique/molécule à l'interface : le nouveau concept de « spinterface ».Dans une première partie nous présentons l’étude de nanojonctions tunnel magnétiques à base de monocouches auto-assemblées (SAMs). Ce système est un des plus prometteur dans l’optique de moduler les propriétés des dispositifs de spintronique par ingénierie chimique, tel un LEGO moléculaire. Nous y présentons la fonctionnalisation de la manganite demi-métallique (La,Sr)MnO3 (LSMO) avec des SAMs d’acides alkylphosphoniques et la fabrication de nanojonctions LSMO/SAMs/Co avec une surface de quelque 10 nm2. Une magnétorésistance de 30% à 50% est observée dans la majorité des dispositifs avec une magnétorésistance tunnel (TMR) jusqu'à 250 % à basse température. Un point remarquable est aussi le comportement très robuste du signal avec la tension: environ 20% de TMR est encore observée au-dessus d’une tension de 1 V. L'influence de la longueur de la chaîne moléculaire a été aussi étudiée et représente un premier pas vers la modulation des dispositifs au niveau moléculaire. Dans une deuxième partie nous présentons l’étude des dispositifs organiques à base de métaux ferromagnétiques à haute TC (température de Curie) et semi-conducteurs organiques. Nous avons réalisé des vannes de spin de Co/Alq3/Co avec des sections de 50 ou 100 µm et fabriquées in-situ par « shadow mask ». Des mesures à température ambiante ont permis d’observer -4% de magnétorésistance (MR) dans une vanne de spin Co/Alq3/Co et +8% MR dans une vanne de spin de Co/MgO/Alq3/Co. Le rôle des deux interfaces sur les propriétés de polarisation de spin des dispositifs est aussi étudié et détaillé. Une forte hybridation métal/molécule dépendant du spin à l'interface inferieure de Co/Alq3, présentant un effet de spinterface (inversion de la polarisation en spin), est observée. Ces études montrent que les effets de spinterface, comme l’inversion de la polarisation de spin, peuvent persister dans un dispositif jusqu’à température ambiante. / This thesis targets the field of molecular spintronics and more particularly the new spin polarization tailoring opportunities, unachievable with inorganic materials, which arise from the ferromagnetic metal/molecule hybridization at the interface.: the new concept of Spinterface.In a first part we investigate Self-Assembled Monolayers (SAMs) based magnetic tunnel nanojunctions. This system appears to be a highly promising candidate to engineer the properties of spintronics devices at the molecular level since SAMs are the equivalent of a molecular LEGO building unit. We present the functionalization of the half-metallic manganite (La,Sr)MnO3 (LSMO) with alkyl phosphonic acids SAMs and the fabrication of LSMO/SAMs/Co magnetic tunnel nanojunctions with an area of few 10 nm2. MR of 30% to 50% is observed in most of the devices, while we report even up to 250% tunnel magnetoresistance (TMR) at low temperature. The most striking point is the robustness of the signal with bias voltage with still 20% TMR observed in the volt range. The influence of the molecular chain length is also investigated and represents a first step towards achieving molecular tailoring.In a second part we develop organic spintronics devices relying on high Curie temperature metallic ferromagnetic electrodes and standard organic semiconductor such as Co/Alq3/Co organic spin valves (OSVs). Junctions have a large area (section of 50 or 100 µm) and are fabricated in-situ by shadow mask. Magnetoresistance (MR) effects at room temperature are investigated with -4% MR observed in Co/Alq3/Co OSVs and +8% MR in Co/MgO/Alq3/Co OSVs. The role of the two interfaces on the spin polarization properties of the devices is also investigated. A stronger spin-dependent hybridization is found to occur at the bottom Co/Alq3 interface inverting the spin polarization on the first molecular layer. The observation of spin polarization inversion at room temperature demonstrates that spinterface effects can strive up to room temperature.

Comme dans les pays du Nord riches, il y a également une augmentation de la production de déchets organiques dans les pays du Sud moins avancés. Connues sous l'appellation de Matières Organiques Exogènes (MOEx), les déchets organiques peuvent être valorisables comme engrais ou amendement pour les sols agricoles ou bien une nouvelle source de biomasse pour la production d'énergie. L'utilisation raisonnée d'une MOEx exige toutefois une connaissance scientifique approfondie de leur nature et de leurs impacts sur l'environnement. Des analyses conventionnelles en laboratoire et des expérimentations doivent être effectués pour maîtriser leur structure complexe liée à leurs propriétés physiques, chimiques et biochimiques. Celles-ci sont généralement longues et onéreuses. Dans notre étude, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) a été choisie comme une alternative aux méthodes classiques pour la caractérisation de ces MOEx en milieu tropical humide. Les objectifs de notre travail sont (1) de montrer que la SPIR est une méthode appropriée pour la prédiction des caractéristiques de MOEx, (2) pour caractériser les MOEx en termes de leur potentiel agronomique et leur potentiel énergétique et (3) pour élaborer une typologie, construite à partir des données prédites par la SPIR, qui prend en compte quelques impacts négatifs liés à l'utilisation des MOEx. L'ensemble des données a inclus plus de 2000 échantillons de MOEx couvrant une large gamme de MOEx fraîches ou transformées issues de l'élevage, de la ville et des agroindustries. Le spectre SPIR de chaque EOM a été acquis. En plus des caractérisations classiques de laboratoire (les dosages de carbone, azote, phosphore, potassium, etc.), d'autres expérimentations ont été conduites en vue d’évaluer (1) les potentiels « positifs » des MOEx : (i) suivi de la minéralisation du carbone et de l'azote mesurée dans des conditions contrôlées pour une valorisation agronomique, (ii) détermination du pouvoir calorifique et du potentiel méthanogène pour une valorisation énergétique ; et (2) les potentiels « négatifs » des MOEx : (i) dénitrification potentielle et (ii) phytotoxicité en présence d’éléments trace métallique. Pour élaborer la typologie, la méthode SIRIS (Système d'Ingration des Risques par Interaction des Scores) a été appliquée pour formaliser les étapes d'une procédure logique menant à une classification des MOEx selon l'objectif de l'orientation de recyclage. La diversité des MOEx est illustrée à titre d'exemple par une large gamme des teneurs en (i) C (de 2 à 64 gC.100g-1MS), (ii) N (de 0,2 à 14gN.100g-1MS), (iii) P total (0,01 à 16gP.100g-1MS), K total (0,04 à 30 gK.100g-1MS). En prenant en compte l'ensemble des MOEx, les étalonnages des modèles SPIR sont acceptables pour la prédiction des teneurs en C, en N, en P et en K. Pour les potentiels « positifs » des MOEx (1) suivant les types de MOEx 102 à 955 kgMO.t-1MOEx pourraient être stockées dans le sol pour le maintien de la fertilité, (2) les pouvoirs calorifiques des MOEx varient de 7 à 28 MJ.kg-1MS et les potentiels méthanogènes vont de 69 à 488 NmlCH4.g-1MO. Quant aux potentiels négatifs, que ce soit pour les émissions de N2O ou pour la phytotoxicité des ETM, une forte interaction entre les propriétés du sol (pH, texture, …) avec les MOEx masque souvent certains effets. La méthode SIRIS a permis de classifier les MOEx selon un processus simple basé sur le classement de critères et de scores d'auto-pénalisation. Cette approche est intéressante en l'absence de données précises qui sont souvent difficiles à obtenir. L'aide des prédictions par la SPIR nous a été utile pour cette démarche d'orientation de la valorisation agronomique et/ou énergétique des MOEx. Des approches socio-économiques devraient compléter notre étude pour aboutir à l'orientation finale de valorisation des MOEx. / As observed in northern/rich countries, there is an increase in the production of organic wastes in southern/less advanced countries. So called, Exogenous Organic Matter (EOM), they can be a valuable fertilizer or amendment for agricultural soils or a new supply for energy production. The safe utilisation of EOM requires an in-depth scientific knowledge of their nature and impacts on the environment. Laboratory analysis and experiments have to be carried out in order to know their complex structure related to their physical, chemical and biochemical properties. These techniques represent a relatively high cost and are time consuming. In this study, the near infrared spectroscopy (NIRS) was chosen as an alternative to classical methods for laboratory characterisations of tropical EOM. The objectives of this study are (1) to show that NIRS is a suitable method for predicting EOM characteristics (2) to characterize EOM in terms of their agronomic potential and/or energetic potential, and (3) to elaborate a typology, build with predicted parameters by NIRS, taking into account some environmental impacts of the different utilisations of EOM.The dataset included more than 2000 EOM samples covering a broad range of fresh and transformed organic materials. Each EOM was scanned using a NIR spectrometer from 1100nm to 2500nm. In addition to the classical laboratory characterisations (dosages of total carbon, nitrogen, phosphorus, potassium), other experiments have been carried out: (1) for “positive” potentials: (i) C and N mineralization measured in controlled conditions (for an agronomic use), (ii) determination of High Heating Value and Biochemical Methane Potential (for an energetic use) and (2) for “negative” potential or risk: phytotoxicity assessment due to trace elements, and the determination of potential nitrous oxide emission. To elaborate the typology, the SIRIS method (System of Integration of Risk with Interaction of Scores) was carried out in order to formalize the steps of a logical procedure, leading to a decision according to objective of the recycling orientation.Diversity of EOM is illustrated by the variability of (i) C contents (from 2 to 64 gC.100g-1DM); (ii) N contents (from 0.2 to 14gN.100g-1DM); (iii) total P contents (from 0.01 to 16gP.100g-1DM),(iv) total K contents (from 0.04 to 30 gK.100g-1DM). When taking into account all EOM without regarding their nature, acceptable predictive models were obtained with NIRS calibration for estimating C, N, total P and total K contents for EOM.“Positive” potential assessment provided information about (1) remaining organic carbon might be stocked into soil after applying EOM (from 102 to 955 kg.t-1TOM) (2) High Heating Value of EOM when recycling as a supply of small scale combustion or thermo chemical conversion (from 7 to 28 MJ.kg-1DM), (3) Biochemical Methane Potential after EOM anaerobic digestion (from 69 to 488 NmlCH4.g-1TOM). Both “negative” potential which took into account phytotoxicity due to trace elements and nitrous oxide emissions were highly interacted on the soil properties (pH, texture). The SIRIS method appeared to be an efficient decision-making tool in this study. It made it possible to classify the EOM according to a simple process based on the ranking of criteria and a self-penalization scoring system. This approach can be used in the absence of accurate, reliable data, which are often difficult to obtain. The help of NIR prediction was useful for better orientate the EOM valorization between soil fertilization and energy production. Further concern will be focused on socio-economical approach in order to complete the final destination of EOM re-use.

Ce projet de thèse vise à étudier les processus géochimiques de l'aluminium dans les sols acides à sulfates. Les résultats obtenus avec le dispositif de dialyse de Donnan montrent que l'aluminium dans la solution du sol est presque exclusivement (> 98%) présent sous forme de complexes de charge négative, vraisemblablement des organo-complexes d'aluminium. Les concentrations d'aluminium isotopiquement échangeables (valeurs-E) et les concentrations obtenues par extractions chimiques révèlent qu'une solution de 1 M KCl sous-estime systématiquement les valeurs E. Une méthode d'extraction séquentielle a révélé qu'une quantité importante de minéraux primaires (initialement présents dans les sols) a déjà été dissoute, comme en témoignent les concentrations élevées d'aluminium présentes en tant que minéraux secondaires d'aluminium. Ces études permettent de mieux comprendre la géochimie de l'aluminium dans les sols CLASS et de pouvoir intégrer ces connaissances dans la gestion des sols. / The aim of this thesis was to further understanding on Al geochemistry in coastal lowland acid sulfate soils (CLASS). It was observed that Al was present almost solely (> 98%) as negatively charged complexes in CLASS pore-waters, presumably with natural organic matter. Isotopically exchangeable concentrations (E-values) of Al and extraction solutions used to estimate the exchangeable pool showed that 1 M KCl always underestimated isotopically exchangeable Al concentrations in these soils and that 0.2 M CuCl2 improved agreement between both methodologies but sometimes overestimated corresponding E values. A sequential extraction procedure showed that substantial amounts of Al have already been dissolved from primary aluminosilicates initially present in the soils and remain in the soils mostly as reactive secondary Al minerals. The outcomes of this thesis significantly further our understanding of Al geochemistry in CLASS environments and how this knowledge can be incorporated into land management practices.

L’utilisation de nano-objets luminescents en milieu biologique est devenue très répandue, notamment en vue d’applications biomédical est elles que l’imagerie, la thérapie et le diagnostic. Jusqu’à récemment, les principaux travaux réalisés dans ce domaine concernaient les nanoparticules de silice dopées ou fonctionnalisées avec des molécules organiques, les nanoparticules d’or et les nanoparticules semi-conductrices (quantum dots, i.e., QDs). Toutefois, un certain nombre de limitations demeurent pour les applications dans le domaine du vivant, en lien notamment avec des problèmes de stabilité, de biocompatibilité et de toxicité ou encore de biodégradabilité. En parallèle,un certain nombre de molécules organiques fluorescentes non-toxiques ont été utilisées comme sondes fluorescentes en milieu biologique, mais leur brillance demeure limitée. L’idée directrice de la thèse est de concevoir et synthétiser de nouveaux chromophores organiques présentant une émission modulable (du visible au proche infrarouge) et adaptés à la préparation de nanoparticules organiques fluorescentes (FONs) combinant à la fois une brillance extrêmement élevée, une excellente stabilité colloïdale et une photostabilité adaptée à leur utilisation en imagerie in vitro et in vivo. De tels nanoobjets ultra-brillants pourraient alors représenter une alternative très intéressante aux nanoparticules actuellement les plus utilisées en imagerie de fluorescence du vivant (QDs). Le manuscrit décrit la synthèse et les propriétés de plusieurs classes de molécules fluorescentes spécifiquement conçues pour former des telles FONS par auto-assemblage dans l’eau. La préparation de ces FONs est présentée et leurs propriétés étudiées et discutées. Enfin des applications concrètes en bio-imagerie sont présentées. / Nowadays the use of bright luminescent nano-objects in biological environment is a topic that is gaining more and more importance, especially for biomedical applications such as imaging, the rapyand diagnostic. So far, numerous studies have been conducted with gold nanoparticles, silica nanoparticles (doped or functionalized with organic molecules), as well as semiconductor nanoparticles (quantum dots, i.e., QDs). However, most of these nanoparticles suffer from drawbacks (in terms of stability, biocompatibility, eco-toxicity or degradability). On the other hand, several nontoxic fluorescent molecular probes have been widely used, but most of the time their brightness remain modest in biological environments compared to QDs. Our idea is to engineer new organicchromophores with tunable emission wavelength (from visible to near infrared) for further preparation of organic fluorescent nanoparticles (so called FONs) that display giant one-photon and two-photonbrightness, as well as good colloidal and chemical stability, and suitable photostability for in vitro andin vivo imaging. As such, these FONs would represent interesting alternatives to QDs for use in bioimaging. This manuscript describes the synthesis and characterization of new classes of fluorescent molecules specifically engineered as building blocks for the fast preparation of such nanoparticles byself-aggregation in water. The FONs were fully characterized from both morphological and photophysical points of view and further used in bioimaging.

Les propriétés fonctionnelles spécifiques des matériaux hybrides organique-inorganique dépendent de leur structure à l’échelle microscopique ainsi que de la nature de l’interface entre leurs composantes organique et inorganique. L’une des voies principales pour synthétiser ces matériaux, consiste à incorporer des blocs inorganiques à l’intérieur d’un polymère. En pratique les applications des matériaux hybrides sont souvent limitées par leur comportement mécanique. En effet, l’augmentation de la concentration de la composante inorganique, à priori souhaitable pour améliorer les propriétés fonctionnelles du matériau, entraine généralement une dégradation des propriétés mécaniques en limitant l’étendue de la polymérisation de la phase organique. La fabrication de matériaux hybrides offrant une combinaison optimale des propriétés mécaniques et fonctionnelles est un problème important auquel nous apportons quelques éléments de réponses dans cette thèse. Pour cela nous démontrons et étudions une nouvelle approche pour la synthèse de matériaux hybrides photosensibles pHEMA-TiO₂ (pHEMA=poly-(2-hydroxyéthyl)méthacrylate) dans lesquels des nanoparticules inorganiques sont dispersées dans un polymère. Le procédé que nous proposons est basé sur l’utilisation de hautes pressions (HP)pour provoquer la polymérisation de la phase organique en l’absence de tout initiateur chimique. Nous avons d’abord observé la polymérisation spontanée du HEMA sous pression statique. La réaction se produit dans un domaine de pression limitée 0.1-1.6 GPa, en dessous du seuil de transition vitreuse, et est très peu efficace puisque le taux de conversion des monomères n’excède pas 28 % après 41 jours. La réaction peut cependant être considérablement accélérée lorsque l’échantillon sous pression est irradié dans le domaine UV. Nous avons montré que cela résultait de l’excitation à un photon de l’état triplet HEMA (T1) rendue possible par la modification de la structure électronique du HEMA sous HP. Cette méthode ne pouvant être utilisée pour la synthèse de matériaux photosensibles dans le domaine UV, nous avons développé une approche originale basée un cycle de compression-décompression. Lors de la phase de compression (> 6.5 GPa) des biradicaux (HEMA)₂ sont formés à partir de monomères excités HEMA (T1). À cette pression les contraintes stériques empêchent la formation de plus longs oligomères. La polymérisation ne se produit que dans une seconde étape lorsque l’échantillon, décompressé entre 0.1 et 2 GPa, est en phase liquide. Le taux de conversion des monomères dépasse alors 90 % en moins de 5 min. Les mesures de chromatographie d’exclusion stérique montrent la formation de longues chaines polymère (45000g/mol) et soulignent l’absence des dimères (HEMA)₂ ayant servis d’initiateurs de polymérisation. Cette seconde méthode de polymérisation s’est révélée extrêmement efficace pour synthétiser des hybrides pHEMA-TiO₂. Par rapport aux hybrides obtenus par voie classique à pression atmosphérique en utilisant des initiateurs de polymérisation thermique ou photonique, l’approche HP mise au point dans cette thèse permet de multiplier par un facteur trois la concentration de nanoparticules sans détériorer l’état de polymérisation de matériau. La sensibilité photonique des hybrides est ainsi augmentée sans dégradation des propriétés mécaniques. L’étude des propriétés photochromiques des hybrides montre que le rendement quantique de séparation des charges photo-induites et la capacité de stockage des électrons atteignent respectivement 15 % et 50% / The specific functional properties of the organic-inorganic hybrid materials depend on their microstructure and the nature of the interface between their organic and inorganic components. The production of hybrid materials with an optimum combination of mechanical and functional properties is a major problem in hybrid materials science. In this thesis we adress this issue by studing and proposing a new approach for synthesizing of photosensitive pHEMA-TiO₂ hybrid materials in wich inorganic nanoparticles are dispersed in a polymer. The method that we propose is based on the high pressure (HP) induced polymerization of the organic phase in the absence of a chemical initiator. We first observed the spontaneous polymerization of HEMA under static pressure. The polimerization process takes place in pressure range below the glass transition point (0.1-1.6 GPa) and after 41 days monomer conversion yield (CY) does not exceed 28%. The reaction may be significantly accelerated when the pressurized sample is irradiated in the UV range. We then developed an original approach based on compression-decompression cycle. During the compression step (>6.5 GPa) the biradicals formed from the excited monomers HEMA (T1) lead to the formation of small oligomers. The polimerization occurs in the second step when the sample decompressed at pressures between 0.1 and 2 GPa. The CY of 90% in less than 5 min is achieved. The new HP approach allows multiply by a factor of 3 the contration of nanoparticles in hybrids without damaging of their polimerization state. These hybrids exhibit a quantum efficiency of photoinduced charge separation of 15% and an electron storage capacity of 50%.