Le travail présenté dans cette thèse concerne la réalisation et l'étude d'un bio-hybride nanotubes/protéines photosynthétiques pour des applications en optoélectronique et potentiellement en photovoltaïque. En effet, les protéines photosynthétiques sont des supers colorants dont les propriétés optoélectroniques ont été optimisées par la nature. Nous avons donc décidé de vérifier la viabilité de l'intégration de ces protéines dans un dispositif électronique en utilisant les nanotubes de carbone comme nano-sonde des propriétés de la protéine. Au cours de nos travaux, le problème de la fabrication de transistors à effet de champ à base de nanotubes de carbone performants s'est posé. Pour résoudre ce problème, nous avons opté pour la fonctionnalisation chimique spécifique par un diazonium qui rassemble tous les pré-requis pour une potentielle application à grande échelle. En effet, la fonctionnalisation des nanotubes par un diazonium est sélective envers les nanotubes métalliques mais pas suffisamment pour pouvoir réaliser des séparations. Il était donc nécessaire d'augmenter cette sélectivité et pour cela, nous avons décidé d'étudier le mécanisme du couplage nanotube-diazonium qui était jusque là encore méconnu. A l'aide d'une étude cinétique complète, nous avons montré que la réaction passe par un mécanisme radicalaire en chaine. Parallèlement, nous avons identifié les intermédiaires radicalaires en les détectant soit directement par résonance de spin électronique soit indirectement par piégeage de radicaux. Et surtout, cette thèse détermine enfin l'origine précise de la sélectivité de cette réaction et donne les voies possibles d'amélioration. Grâce à l'expertise acquise lors de la compréhension du mécanisme, nous avons amélioré la sélectivité de cette réaction en utilisant une base de Lewis. En effet, l'ajout d'une base de Lewis permet de former un diazoester qui augmente significativement la sélectivité envers les nanotubes métalliques. Nous avons ensuite réalisé grâce à cette technique une grande quantité de transistors à effet de champ à base de nanotubes avec de bonnes modulations. De plus, cette méthode innovante a été protégée par un brevet. Enfin, concernant la photosensibilisation des nanotubes de carbone par une protéine photosynthétique, le photosystème I, des résultats prometteurs ont été obtenus. En effet, nous avons vu que la création photo-induite d'un moment dipolaire dans la protéine modifie les caractéristiques électriques du transistor à effet de champ. Les performances de la protéine, optimisées par la nature, permettent accroître la sensibilité optique d'un tel dispositif. Mais surtout, cette thèse montre que, malgré l'apparente fragilité de la protéine, il est possible d'intégrer une protéine photosynthétique à un dispositif électronique. En effet, même dans des conditions non optimales, l'effet optoélectronique c'est-à-dire l'activité de la protéine est un phénomène robuste dans le temps. Enfin, cette thèse ouvre la voie à l'intégration de protéines photosynthétiques dans des dispositifs électroniques ou photovoltaïques.

Les objectifs de ce travail de thèse étaient : (i) identifier les principaux compromis et covariations d'un ensemble de traits foliaires relatifs à l'acquisition du carbone et (ii) caractériser la variabilité de ces traits en réponse à l'éclairement (plasticité phénotypique) et la diversité interspécifique de cette plasticité chez des espèces de forêt tropicale humide. Les mesures ont été réalisées sur des semis de 13 espèces d'arbres élevés en conditions contrôlées dans 3 traitements d'éclairements relatifs distincts. Une analyse coût-bénéfice des traits du bilan de carbone foliaire a été centrée sur les coûts de construction du métamère (CCmetm), le temps de retour sur investissement (PBT) et la mesure des durées de vie des feuilles (LLS). Une forte diversité interspécifique a été observée pour l'ensemble des traits étudiés. Les espèces se répartissent le long d'un axe opposant durée de vie des feuilles et LMA (masse surfacique) d'un côté, aux capacités photosynthétiques (Asat), PNUE (Asat/N), respiration (Rd) et teneurs en azote (Nm) de l'autre. Ces résultats sont en adéquation avec le schéma universel d'acquisition des ressources proposé par Wright et al. (2004). Les relations entre LLS et PBT sont faibles et l'ensemble des espèces amortissent très largement leur CCmetm. De manière générale, le classement des espèces est maintenu d'un traitement à l'autre et, à l'exception des coûts de construction, seuls de faibles effets d'interaction ont été observés entre espèces et traitements. Le calcul d'un indice de plasticité a également permis de montrer qu'en dépit d'une certaine diversité interspécifique de la plasticité phénotypique, aucune espèce n'était globalement plus « plastique » que les autres sur l'ensemble des traits considérés. Enfin, si les espèces pionnières se distinguent nettement par leurs attributs, leur degré de plasticité n'est pas différent de celui des espèces de sous-bois.

Les lacs au Québec ont été soumis à une influence anthropique importante depuis l'établissement des colonies européennes, il y a quatre cents ans. Les apports anthropiques du défrichage, de l'agriculture et de l'urbanisation ont plusieurs conséquences variables pour la limnologie des lacs à travers la province. L'augmentation des températures et les périodes sans glace plus longue due aux changements climatiques au long du dernier siècle auraient pu occasionner des impacts additionnels sur la limnologie des lacs. Les rapports sur l'eutrophisation au Québec sont en croissance, mais des données limnologiques à long terme ne sont pas disponibles. L'étude présente a adopté une approche paléolimnologique afin de fournir une meilleure compréhension des changements a long terme dans les lacs du sud du Québec. Spécifiquement, ce projet a utilisé les pigments biomarqueurs prélevés dans les sédiments des lacs pour examiner la variation historique des communautés phytoplanctoniques. Les pigments photosynthétiques identifiés par chromatographie liquide de haute performance (HPLC) ont été la chlorophylle a (et ces dérivés) et les caroténoïdes d'algues, soient β, β-carotène, alloxanthine, crocoxanthine, diadinoxanthine, fucoxanthine, lutéine, vaucheriaxanthine, échinénone, zéaxanthine et canthaxanthine. L'âge des sédiments a été déterminé par les radio-isotopes 210Pb et 14C, et la concentration de matière organique a été déterminé par perte-au-feu. Une analyse HPLC détaillée d’une carotte de sédiment du Lac Saint-Augustin a montré trois périodes majeures de l’eutrophisation qui correspondent aux augmentations d’activité anthropique dans le lac. Les concentrations de chlorophylle a ont augmenté de 2,35 mg g-1 OM-1 en 1682 à 55,4 mg g-1 OM-1 en 2011. Les biomarqueurs spécifiques des pigments fossiles ont été utilisés pour décrire l’historique de la biomasse phytoplanctonique dans le lac et a indiqué la première occurrence de floraison de cyanobactéries à la fin des années 1860. Une étude de dix lacs québécois a examiné la variabilité de l’ampleur de l’eutrophisation de la région et le synchronisme des réponses à l’enrichissement des lacs. Les résultats ont montré que les populations des cyanobactéries et des autres phytoplanctons ont augmentés à des niveaux sans précédent dans les dernières décennies. Par rapport aux conditions avant la colonisation par les Européens, il y a eu une augmentation générale de pigments et de dominance des cyanobactéries, ce qui souligne l’impact du développement anthropique sur l’eau douce de la région. / Quebec lakes have been subjected to substantial anthropogenic influence since the establishment of European colonies four hundred years ago. Anthropogenic inputs from land clearing, agriculture and urbanization have resulted in variable impacts on the limnology of lakes across the province. Rising temperatures and longer ice-free periods as a result of changing climate over the past century may have resulted in additional impacts on the limnology of these lakes. Reports of eutrophication in the province of Quebec are increasing, but long-term limnological data are not available. The present study adopted a paleolimnological approach to provide an improved understanding of long term change in the lakes of southern Québec. Specifically, the project employed pigment biomarkers from lake sediments to examine the historical variations in phytoplankton communities. The photosynthetic pigments identified by high performance liquid chromatography (HPLC) were chlorophyll a (and its derivatives) and the algal carotenoids β, β-carotene, alloxanthin, crocoxanthin, diadinoxanthin, fucoxanthin, lutein, vaucheriaxanthin, echinenone, zeaxanthin and canthaxanthin. Sediment age was determined by 210Pb and 14C, and organic matter concentration was determined by loss-on-ignition. The detailed HPLC analysis of a sediment core from Lac Saint-Augustin revealed three major periods of enrichment corresponding to increases of anthropogenic activity in the lake. Chlorophyll a concentrations increased significantly from the base of the core to present day, rising from 2.35 mg g-1 OM-1 in 1682 to 55.4 mg g-1 OM-1 in 2011. Specific fossil pigment biomarkers were used to describe the history of phytoplankton biomass in the lake, and indicated the first occurrence of cyanobacterial blooms in the 1860s. A study of ten Quebec lakes addressed the variability in magnitude of eutrophication in this region, and the synchronicity in timing and responses to enrichment among lakes. The results showed cyanobacterial and associated phytoplankton populations have risen to unprecedented levels over the last few decades of ongoing development. Relative to pre-European settlement conditions, there was an overall increase in pigments and cyanobacterial dominance, highlighting the overall impact of anthropogenic development on the freshwater resources of this region.

Algues et champignons ont formés par association symbiotique les lichens qui, de par leur amplitude écologique, ont pu coloniser tous les milieux. Nous proposons d'appeler " hydrophiles ", les lichens soumis à des périodes d'immersion par les eaux d'un cours d'eau Les compositions floristiques des communautés lichéniques hydrophiles ont été définies par leur durée annuelle d'immersion. Les groupements subhydrophiles sont immergés pendant moins de trois mois, les groupements mésohydrophiles pendant plus de trois mois et moins dix mois et enfin les groupements hyperhydrophiles sont immergés plus de dix mois de l'année. Sur la base de trois cent relevés effectués par la méthode de prélèvement intégral, un schéma phytosociologique a été construit. Les lichens présents aux différents niveaux de noyage et d'altitude des cours d'eau forment une classe au sein de laquelle sont identifiés les trois ordres phytosociologiques caractérisés par la durée annuelle d'immersion. Dans chacun de ces ordres, deux alliances sont définies par l'étage bioclimatique. Pour chacune de ces six alliances, des associations de plusieurs lichens existent et sont définies par leurs caractéristiques biotiques. Du fait de leur fréquence dans un niveau d'immersion et de l'importance de leur recouvrement, quatre lichens " modèles " ont été retenus (une espèce aérienne et trois hydrophyles). Pour la première fois concernant des lichens hydrophiles, les flux de CO2 et d'O2 ont été quantifiés sous différents éclairements, en milieux aquatique et aérien. Les pigments photosynthétiques ainsi que l'ergostérol ont été estimés ; la réponse du potentiel photochimique ( PSII) au taux d'hydratation a été caractérisée. L'activité photosynthétique et respiratoire des lichens hydrophiles est comparable à celle de la littérature pour les lichens aériens. Les lichens hydrophiles démontrent des cinétiques rapides d'hydratation-déshydratation lors des transitions immersion-exondation.  PSII s'avère très sensible à ces transitions. Pour toutes les fonctions étudiées, des différences significatives apparaissent entre les lichens hyper et subhydrophile alors que les lichens mesohydrophiles se comportent de façon intermédiaire. Nos résultats constituent la première caractérisation écologique et fonctionnelle des lichens hydrophiles. Ils pourront certainement être exploités et développés pour permettre une meilleure compréhension du rôle des lichens dans la colonisation des terres émergées par les phanérogames.

L'ingénierie de la photosynthèse est une voie prometteuse en vue de produire à la fois des vecteurs énergétiques et des molécules plateformes pour palier la raréfaction des ressources fossiles. Le défi à relever est de taille car il faut réussir à mettre au point des procédés solaires de production de biomasse à constante de temps courte (quelques jours), là où une centaine de millions d'années a été nécessaire à la formation du pétrole. Cet objectif pourrait être atteint en cultivant des micro-organismes photosynthétiques dans des photobioréacteurs dont les performances cinétiques en surface et en volume seraient optimales. Une telle optimisation nécessite avant tout une analyse fine des transferts radiatifs au sein du procédé. L'analyse radiative des photobioréacteurs qui est ici proposée s'ouvre sur la détermination des propriétés d'absorption et de diffusion des suspensions de micro-organismes photosynthétiques, à partir de leurs caractéristiques morphologiques, métaboliques et structurales. Une chaîne de modélisation est construite, mise en oeuvre et validée expérimentalement pour des micro-organismes de formes simples ; à terme, la démarche développée pourra directement être étendue à des formes plus complexes. Puis, l'analyse du transfert radiatif en diffusion multiple est introduite et illustrée par différentes approximations qui apparaissent pertinentes pour une conceptualisation des photobioréacteurs, menant ainsi à la construction d'un intuitif nécessaire à leur optimisation. Enfin, la méthode de Monte Carlo est mise en oeuvre afin de résoudre rigoureusement la diffusion multiple en géométries complexes (géométries qui découlent d'une conception optimisée du procédé) et afin de calculer les performances cinétiques à l'échelle du photobioréacteur. Ce dernier calcul utilise une avancée méthodologique qui permet de traiter facilement le couplage non-linéaire du transfert radiatif à la cinétique locale de la photosynthèse (et qui laisse entrevoir de nombreuses autres applications dans d'autres domaines de la physique du transport). Ces outils de simulation mettent à profit les développements les plus récents autour de la méthode de Monte Carlo, tant sur le plan informatique (grâce à une implémentation dans l'environnement de développement EDStar) que sur le plan algorithmique : formulation intégrale, algorithmes à zéro-variance, calcul de sensibilités (le calcul des sensibilités aux paramètres géométriques est ici abordé d'une manière originale qui permet de simplifier significativement sa mise en oeuvre, pour un ensemble de configurations académiques testées). Les perspectives de ce travail seront d'utiliser les outils d'analyse développés durant cette thèse afin d'alimenter une réflexion sur l'intensification des photobioréacteurs, et d'étendre la démarche proposée à l'étude des systèmes photoréactifs dans leur ensemble.

Dans les écosystèmes littoraux, les communautés microphytobenthiques sont soumises à des conditions environnementales qui peuvent être extrêmes en particulier en ce qui concerne l'intensité lumineuse. Les mécanismes de protection mis en place dépendent étroitement du type d'habitat où se développent ces communautés et cette thèse a pour objectifs d'analyser les caractéristiques de l'activité photosynthétique et les mécanismes de protection développés par des assemblages microphytobenthiques dans deux écosystèmes littoraux très différents : les vasières intertidales atlantiques de la Baie de L'Aiguillon (France) et la lagune côtière non tidale de Puck Bay dans la Mer Baltique (Władysławowo, Pologne). Pour réaliser ces objectifs, trois études ont été réalisées : (1) la description des communautés microphytobenthiques, (2) la caractérisation de leur activité photosynthétique et (3) l'analyse des mécanismes de photoinhibition et de photoprotection.La structure taxonomique du microphytobenthos a été décrite en se basant sur des observations en microscopie optique et sur la mesure des caractéristiques des pigments photosynthétiques par chromatographie liquide à haute performance (HPLC). L'activité photosynthétique a été étudiée par des méthodes de microrespirométrie volumétrique et de spectrofluorométrie de la chlorophylle a. Les mécanismes de photoinhibition et de photoprotection ont été étudiés par fluorométrie en modulation d'amplitude pulsée (PAM).Les résultats obtenus nous ont permis de montrer que :1) Les communautés atlantiques sont fortement dominées par des diatomées épipéliques, alors que le microphytobenthos de la Mer Baltique est plus diversifié et comporte, outre des diatomées, une large part de cyanobactéries,2) Les microphytobenthos atlantique est bien acclimaté à des valeurs d'intensités lumineuses plutôt faibles, alors que les communautés de la Mer Baltique ont encore une bonne activité photosynthétique à de fortes irradiances,3) Les diatomées atlantiques présentent une plus forte photoinhibition que les microalgues de la Baltique,4) L'activité photosynthétique des communautés microphytobenthiques non perturbées montre un des rythmes circadien et tidal, qui semblent être contrôlés par des facteurs endogènes, qui mettent en jeu des adaptations comportementales comme la migration verticale pour les diatomées atlantiques,5) En ce qui concerne le microphytobenthos de la Mer Baltique, qui n'a pas de capacité migratoire, la photoprotection est assurée en premier lieu par la mise en jeu de processus physiologiques. Nous avons pu montrer la très grande flexibilité du photsystème PSII qui est capable de suivre très rapidement les changements à court terme de lumière ambiante. / The scope of this thesis includes the characteristics and comparison of photosynthetic activity and photoprotection mechanisms of microphytobenthos assemblages inhabiting the Atlantic intertidal mudflats of Aiguillon Bay (Esnandes, France) and the littoral zone of the Baltic Sea in non-tidal Puck Bay (Władysławowo, Poland). In order to accomplish the main aims of the work the following tasks were carried out: (1) characterization of microphytobenthic assemblages; (2) characterization of their photosynthetic activity and (3) description of photoinhibition and photoprotective mechanisms. The structure of microphytobenthos was described based on observation of the material in light microscope (LM) and through the characteristics of photosynthetic pigments using high performance liquid chromatography (HPLC). Photosynthetic activity was described using various methods including classical (volumetric micro-respirometer) and modern (chlorophyll a fluorescence) ones. In addition, the measurements of variable fluorescence were also used to study photoinhibition and photoprotective mechanisms. Based on the obtained results it was stated that:1.) the Atlantic assemblages were strongly dominated by epipelic diatoms, while the Baltic microphytobenthos was more diverse and cyanobacteria, next to diatoms, were also very important component,2.) it was shown that the Atlantic microphytobenthos was well acclimated to rather low light intensities, while the Baltic assemblages showed good utilization of higher irradiance,3.) the Atlantic diatoms were more susceptible to photoinhibition than the Baltic microalgae,4.) the photosynthetic activity described for the undisturbed microphytobenthos communities revealed circadian and circatidal rhythms, which seemed to be controlled by endogenous factors, supporting diatoms’ behavioural adaptations i.e., vertical migration,5.) in case of the Baltic microphytobenthos, the lack of the ability to move caused their physiological processes the first line of defence against excess irradiances. The analysis revealed extreme flexibility of PSII which was able to follow rapidly the short-term changes in ambient light

L'ingénierie de la photosynthèse est une voie prometteuse en vue de produire à la fois des vecteurs énergétiques et des molécules plateformes pour palier la raréfaction des ressources fossiles. Le défi à relever est de taille car il faut réussir à mettre au point des procédés solaires de production de biomasse à constante de temps courte (quelques jours), là où une centaine de millions d'années a été nécessaire à la formation du pétrole. Cet objectif pourrait être atteint en cultivant des micro-organismes photosynthétiques dans des photobioréacteurs dont les performances cinétiques en surface et en volume seraient optimales. Une telle optimisation nécessite avant tout une analyse fine des transferts radiatifs au sein du procédé. L'analyse radiative des photobioréacteurs qui est ici proposée s'ouvre sur la détermination des propriétés d'absorption et de diffusion des suspensions de micro-organismes photosynthétiques, à partir de leurs caractéristiques morphologiques, métaboliques et structurales. Une chaîne de modélisation est construite, mise en oeuvre et validée expérimentalement pour des micro-organismes de formes simples ; à terme, la démarche développée pourra directement être étendue à des formes plus complexes. Puis, l'analyse du transfert radiatif en diffusion multiple est introduite et illustrée par différentes approximations qui apparaissent pertinentes pour une conceptualisation des photobioréacteurs, menant ainsi à la construction d'un intuitif nécessaire à leur optimisation. Enfin, la méthode de Monte Carlo est mise en oeuvre afin de résoudre rigoureusement la diffusion multiple en géométries complexes (géométries qui découlent d'une conception optimisée du procédé) et afin de calculer les performances cinétiques à l'échelle du photobioréacteur. Ce dernier calcul utilise une avancée méthodologique qui permet de traiter facilement le couplage non-linéaire du transfert radiatif à la cinétique locale de la photosynthèse (et qui laisse entrevoir de nombreuses autres applications dans d'autres domaines de la physique du transport). Ces outils de simulation mettent à profit les développements les plus récents autour de la méthode de Monte Carlo, tant sur le plan informatique (grâce à une implémentation dans l'environnement de développement EDStar) que sur le plan algorithmique : formulation intégrale, algorithmes à zéro-variance, calcul de sensibilités (le calcul des sensibilités aux paramètres géométriques est ici abordé d'une manière originale qui permet de simplifier significativement sa mise en oeuvre, pour un ensemble de configurations académiques testées). Les perspectives de ce travail seront d'utiliser les outils d'analyse développés durant cette thèse afin d'alimenter une réflexion sur l'intensification des photobioréacteurs, et d'étendre la démarche proposée à l'étude des systèmes photoréactifs dans leur ensemble. / Photosynthesis engineering is a promising mean to produce both energy carriers and fine chemicals in order to remedy the growing scarcity of fossil fuels. This is a challenging task since it implies to design process for solar biomass production associated with short time constant (few days), while oil formation took hundred million of years. This aim could be achieved by cultivating photosynthetic microorganisms in photobioreactors with optimal surface and volume kinetic performances. Above all, such an optimization necessitate a careful radiative study of the process. A radiative analysis of photobioreactors is here proposed that starts with the determination of the absorption and scattering properties of photosynthetic microorganisms suspensions, from the knowledge their morphological, metabolic and structural features. A model is constructed, implemented and validated for microorganisms with simple shapes ; the extension of this approach for the treatment of complex shapes will eventually be straightforward. Then, multiple scattering radiative transfer analysis is introduced and illustrated through different approximations that are relevant for the conceptualization of photobioreactors, leading to the construction of physical pictures that are necessary for the optimization of the process. Finally, the Monte Carlo method is implemented in order to rigorously solve multiple scattering in complex geometries (geometries that correspond to an optimized design of the process) and in order to calculate the kinetic performances of the reactor. In this trend, we develop a novel methodological development that simplies the treatment of the non-linear coupling between radiative transfer and the local kinetic of photosynthesis. These simulation tools also benefit from the most recent developments in the field of the Monte Carlo method : integral formulation, zero-variance algorithms, sensitivity evaluation (a specific approach for the evaluation of sensitivities to geometrical parameters is here developed and shown to correspond to a simple implementation in the case of a set of academic configurations that are tested). Perspectives of this work will be to take advantage of the developed analysis tools in order to stimulate the reflexion regarding photobioreactor intensification, and to extend the proposed approach to the study of photoreactive systems engineering in general.