Cette étude propose une analyse intégrée de biomarqueurs moléculaires de sols, depuis leur site de production jusqu'à leur archivage sédimentaire lacustre. Un inventaire des lipides neutres est d'abord réalisé sur des sols d'usages contrastés : prairies/pâtures et forêts. Globalement, cette approche permet de distinguer (1) des composés linéaires ubiquistes, et (2) des composés (poly-)cycliques, généralement spécifiques. Parmi ces derniers figurent les acétates de triterpényle et les méthoxyserratènes, respectivement biomarqueurs d'Astéracées et de Pinacées. La persistance de l'empreinte moléculaire d'un ancien usage des sols est aussi démontrée. Ensuite, l'analyse multi-proxy d'une carotte sédimentaire couvrant les 6700 dernières années révèle l'impact prépondérant des activités humaines sur le fonctionnement hydrologique du lac, depuis l'époque gallo-romaine. Les assemblages moléculaires précédemment définis dans les sols sont globalement retrouvés, associés à un nouveau biomarqueur spécifique du chanvre, d'intérêt paléoenvironnemental. Une tentative de reconstitution des anciennes occupations des sols apparaît conforme aux données historiques et paléoenvironnementales antérieures. / This study proposes an integrated analysis of molecular biomarkers of landuse, from their genesis in soils to their archiving in the lacustrine sediment. An inventory of neutral lipids is realized on soils of two contrasted landuses: grassland/pasture and forest. This approach globally allows to distinguish (1) ubiquist linear compounds and (2) (poly-)cyclic compounds, generally specific. Among these ones, triterpenyl acetates and methoxyserratenes are detected and are respectively biomarkers of Asteraceae and Pinaceae. The persistence of a molecular imprint of an ancient landuse is also demonstrated. Then, the multi-proxy analysis of a sedimentary core, covering the last 6700 years, shows the prominent impact of human activities on the hydrologic functioning of the lake since the gallo-roman period. Molecular assemblages previously defined in soils are globally detected in sediments, associated with a new specific biomarker of hemp, of palaeoenvironmental interest. Hypotheses for the reconstitution of past landuses appear to be consistent with previous historical and palaeoenvironmental data.

Dans le contexte d'augmentation de la pression démographique et des risques liés aux changements climatiques, la question de l'érosion est de plus en plus cruciale. La gestion actuelle des milieux des montagnes méditerranéennes, particulièrement affectés par ces phénomènes, repose sur une bonne connaissance de leurs sensibilités à l'érosion et de leurs trajectoires à long terme. Une approche rétrospective des trajectoires des environnements a été menée par l'étude de trois archives sédimentaires lacustres prélevées dans les Alpes du Sud (lacs Petit, Vens et Allos). L'étude multidisciplinaire (sédimentologie, géochimie, palynologie) a permis de caractériser les dynamiques érosives et végétales depuis 14000 ans. À Allos et Vens, le début de l'Holocène est marqué par la maturation des écosystèmes, l'altération chimique des sols et la progression altitudinale des forêts. Ces dynamiques environnementales conduisent à la stabilisation progressive des écosystèmes, suivie d'un optimum bio-pédologique, d'une ouverture des paysages et d'une déstabilisation des sols respectivement datées de 12000-8000 cal. BP, 8000-6000 cal. BP, 6000-1900 cal. BP et de 1900 cal.BP à aujourd'hui. Cette dernière période de déstabilisation des sols intervient plus tôt au Lac Petit, à 4200 cal. BP.Les dénominateurs communs au déclenchement de l'érosion sont à chaque fois une période de précipitations fréquentes sur un milieu fragilisé : l'impact des sociétés a provoqué un abaissement du seuil de sensibilité des milieux aux perturbations, particulièrement à l'agressivité des précipitations. / Within the context of increasing demographic pressures and hazards related to climate change, the problems posed by landscape erosion have become particularly crucial. The current management of Mediterranean mountain environments, which are highly exposed to erosion hazards, needs to be supported by a thorough understanding of their susceptibility to these hazards and their long-term trajectories.A retrospective analysis of environmental trajectories has been conducted from the study of three lacustrine sedimentary archives in the Southern Alps (Lakes Petit, Vens and Allos). This multi-disciplinary study, based on sedimentology, geochemistry and palynology, has enabled characterization of the dynamics of erosion and changes in plant cover over the last 14,000 years.In Lakes Allos and Vens, the start of the Holocene is marked by the maturing of ecosystems, by chemical weathering of soils and by forest encroachment at higher altitudes. These environmental changes resulted in progressive ecosystem stabilization, followed by a bio-pedological optimum, and subsequently by more open landscapes, and then soil destabilization. These four successive phases have ben dated, respectively, at 12,000-8000 cal. BP, 8000-6000 cal. BP, 6000-1900 cal. BP, and 1900 cal. BP to Present. The last of these phases occurred earlier, at 4200 cal. BP, in Lake Petit.The triggering of soil erosion has systematically been hinged on periods of heavy precipitation affecting landscapes rendered vulnerable, by human societies, to the effects of such perturbations.

Afin d'estimer les potentialités des sédiments lacustres à enregistrer la sismicité dans le temps et l'espace, différentes archives sont étudiées : remplissages endokarstiques, dépôts lacustres anciens exondés et récents en fond de lacs actuels. Ces recherches sont entreprises dans les cadres sismotectoniques des Alpes et du Tien-Shan. Différents types de perturbations synsédimentaires attribuables à des séismes, selon le type de sédiment et d'environnement de sédimentation, peuvent ainsi être distingués et corrélés, dans certains cas, à des séismes historiques. La Grotte " Sous les Sangle " (Ain, France) montre que I'endokarst peut être favorable à ce type d'étude, pour le Pléistocène notamment. Plusieurs petits lacs alpins d'altitude à proximité de l'épicentre du séisme historique (1905) d'Emosson (Alpes, Suisse) sont étudiés. lis montrent deux types de sédimentation, dont un semble favorable à l'enregistrement des phénomènes sismiques, mais aussi climatiques, majeurs. Dans le lac d'Anterne, sur deux siècles de sédimentation échantillonnée, les quatre plus gros séismes régionaux sont enregistrés sous forme de dépôts caractéristiques. Une corrélation entre l'épaisseur de ces dépôts, la magnitude macrosismique et la distance à l'épicentre est proposée, permettant d'entrevoir une méthode de localisation et d'estimation des paléo séismes antéhistoriques. Le bassin tectonique lacustre d'Issyk-Koul (Kirghizstan), étudié à l'affleurement, par sismique réflexions et carottages, présente des indices sédimentaires de paléo sismicité, à terre (séismites) et en fond de lac sous forme de dépôts de type homogénite L'un d'eux est reconstitué par un modèle numérique d'écoulement d'avalanche. Il apparait cependant que les plus forts séismes historiques régionaux ne sont pas tous enregistrés. Les relations entre sismicité et sédimentation lacustre sont ainsi précisées, permettant de définir les conditions propices aux études de paléo sismicité par les archives lacustres.

Le méthane, un des principaux gaz à effet de serre, est majoritairement produit et consommé par l'activité métabolique de microorganismes affiliés aux domaines des Archaea et des Bacteria. Afin d'appréhender le cycle biogéochimique du méthane, il est essentiel d'identifier l'ensemble des acteurs impliqués dans ce dernier ainsi que les facteurs environnementaux modulant leurs activités. Les lacs d'eau douce constituent une source importante de méthane, car, dans ces écosystèmes, les conditions environnementales favorisent la méthanogenèse au détriment d'autres processus terminaux de la dégradation anaérobie de la matière organique. Au cours de cette thèse, les études sur les communautés impliquées dans le cycle biogéochimique du méthane ont été conduites dans la colonne d'eau et les sédiments anoxiques du Lac Pavin (Auvergne), unique lac méromictique de France. Cet écosystème a été choisi comme site d'étude en raison des fortes concentrations en méthane présentes dans sa couche d'eau profonde qui contrastent avec les faibles émissions de ce gaz vers l'atmosphère. Ces observations géochimiques suggèrent une intense activité de production et de consommation du méthane, offrant un cadre pertinent pour l'étude des communautés ciblées. Les approches moléculaires visant à caractériser la structure spatiale, la composition, les zones d'activité et les facteurs (ascendants et descendants) potentiellement impliqués dans la régulation des communautés de méthanogènes et de méthanotrophes ont été, au cours de ce travail, systématiquement associées à des approches culturales et microcalorimétriques afin d'acquérir des données sur la physiologie des microorganismes impliqués dans le cycle du méthane. Les résultats obtenus mettent en évidence que les communautés de méthanogènes sont distribuées sur l'ensemble de la colonne d'eau anoxique et dans la strate superficielle des sédiments profonds. Ce groupe métabolique, essentiellement représenté par des espèces affiliées aux Methanosaetaceae et aux Methanoregulaceae, est particulièrement actif dans la zone benthique qui constituerait la source principale de méthane dans cet écosystème. Une nouvelle espèce méthanogène, Methanobacterium lacus, a été isolée de ces sédiments et décrite, et vient enrichir le faible nombre d'espèces méthanogènes isolées à ce jour à partir des lacs d'eau douce. L'étude écophysiologique de cette souche suggère que la température pourrait en partie expliquer la faible représentativité des Methanobacteriales dans cet écosystème. Une partie du méthane semble être directement consommée dans la zone anoxique (pélagique et benthique). L'existence de ce processus d'oxydation anaérobie, soutenu par les approches microcalorimétriques, pourrait être, dans les sédiments profonds, sous la dépendance de lignées candidates archéennes dont la physiologie reste encore énigmatique. Le remplacement progressif des méthanogènes par 2 lignées candidates d'archaea (MBG-D et MCG) le long du profil sédimentaire suggère qu'elle se développe dans des niche contrastées. La régulation putative des communautés archéennes par les virus a été analysée. Cette étude est la première à rapporter la présence de particules virales de type "archaeovirus" dans un environnement non-extrême (en termes de température, pH et salinité) ainsi que des particules virales pouvant représentées de nouvelles familles de virus. Une activité virale intense est suggérée dans ces sédiments par le nombre important de cellules infectées, comparativement à d'autres sédiments, et par le changement concomitant de la structure de la communauté virale et procaryotique avec la profondeur. Bien qu'une partie du méthane soit probablement oxydée en anaérobiose, la consommation de ce métabolite est principalement dépendante de l'activité de méthanotrophes aérobies dominées par des espèces affiliées au genre Methylobacter, un des principaux genres de méthanotrophes rencontré en milieu d'eau douce. (...)

En période d'exploitation minière, le cycle de surface des métaux est perturbé. L’analyse des carottes de sédiments lacustres démontre que le cycle géochimique de surface de la région de Schefferville a été perturbé durant la période de l’exploitation minière, et que le régime naturel pré-industriel n’est toujours pas atteint plus de 30 ans après la fin des activités minières. L’analyse des lichens épiphytes démontre que la ville de Schefferville et les activités anthropiques liées à l’exploitation minière relâchent du Pb dans l’atmosphère. La valeur moyenne ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb des lichens épiphytes est de 1.153 et correspond à la valeur des émissions atmosphériques canadiennes provenant des industries (²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb = 1.150; Carignan et Gariépy, 1995). Les analyses isotopiques en Pb du minerai et déblais minier démontrent que le Pb retrouvé en période minière dans les sédiments des lacs Oksana et Dauriat pourrait provenir du minerai. Quatre sources de sédimentations ont été identifiées durant les différentes périodes minières (pré-mine, mine et post mine) dans deux lacs de la région.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017 / La Ville de Victoriaville fait face à des problèmes d’ensablement du réservoir Beaudet, source d’eau potable pour la moitié de ses habitants. En collaboration avec Agriculture et Agroalimentaire Canada ainsi qu’avec l’University of Manitoba, une étude de traçage des sédiments a été mise sur pied afin d’évaluer la contribution de différentes sources de sédiments à la problématique. En comparant les propriétés physiques et géochimiques des particules, la technique de traçage permet d’estimer la contribution des sources de sédiments, soit les sols forestiers, les sols agricoles et les berges de rivière dans le bassin versant de la rivière Bulstrode, à la charge sédimentaire en suspension. L’analyse spatiale de la taille des particules indique que les sédiments des sources et en suspension sont de plus en plus fins en allant de l’amont vers l’aval du bassin versant. L’analyse temporelle de la taille des particules montre, quant à elle, que le transport des sédiments varie en fonction des saisons étudiées, soit le printemps et l’automne. L’empreinte des sédiments nécessaire à l’estimation de la contribution des différentes sources est composée du radionucléide 137on et des coefficients de couleur x, y, X, Y, Z, L, b, v, c, h, R, G et B. Aucun élément géochimique n’a été retenu dans la suite finale des traceurs. La modélisation par la méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov réalisée à partir de ces traceurs indique que la source majeure des sédiments en suspension passe des sols forestiers à l’amont du bassin versant aux berges de rivière à l’embouchure de la rivière Bulstrode. À cet endroit, les berges de rivière contribuent à entre 75.7 et 86.9 % de la charge sédimentaire échantillonnée et représentent donc la source principale de sédiments dans la problématique d’ensablement du réservoir Beaudet. Des mesures de contrôle de l’apport de sédiments au cours d’eau sont cependant recommandées pour l’ensemble du bassin versant, en fonction des sources prédominantes dans chaque secteur étudié. / The city of Victoriaville faces sedimentation problems in Beaudet reservoir, the drinking water source for half of town’s population. A sediment fingerprinting study has been launched in collaboration with Agriculture and AgriFood Canada and University of Manitoba. Comparing the particles’ physical and geochemical properties, a fingerprinting technique can estimate the contribution of each sediment source - forested fields, agricultural fields and streambanks - in Bulstrode river watershed case, to the suspended sediment load. Particle size spatial analysis indicates that source particles and suspended sediment become finer moving downstream in the watershed. Particle size temporal analysis indicates that sediment transport changes according to the season, here spring and fall. The sediment fingerprint used to estimate the source contributions comprises radionuclide 137Cs and color coefficients x, y, X, Y, Z, L, b, v, c, h, R, G and B. No geochemical element has been kept in the final sediment fingerprint. MonteCarlo Markov chain modeling based on that fingerprint shows that the major sediment source is forested soils in the upstream part of the watershed and switches to river banks at the Bulstrode river outlet. At that location, streambanks represents 75.7 to 86.9 % of the sampled suspended load and are therefore the main sediment source in the sedimentation problems occurring at the Beaudet reservoir. Sediment control practices are however recommended to be implemented all across the watershed, based on the major sources identified at each site.

L’analyse de photographies de la région de la rivière Boniface (Nunavik) a montré une forte expansion du couvert arbustif entre 1957 et 2008. L’objectif principal de ce projet était de déterminer si cette expansion est observable dans les assemblages polliniques récents des sédiments lacustres de cette région. Pour ce faire, une analyse pollinique à fine résolution temporelle a été effectuée sur les sédiments de deux lacs. Les pourcentages polliniques du bouleau glanduleux, la principale espèce responsable de la densification du couvert arbustif, sont plus élevés dans les sédiments récents de ces lacs. De plus, les influx polliniques calculés à l’aide de la datation au 210Pb montrent une augmentation des genres Betula et Alnus depuis environ 1975. Ces influx polliniques doivent toutefois être interprétés avec prudence en raison de difficultés liées à l’élaboration de la chronologie des sédiments. L’analyse pollinique à fine résolution semble néanmoins permettre de détecter l’expansion récente des arbustes.

Des levés géophysiques réalisés au lac du Bourget (nord-ouest des Alpes françaises) à l'aide d'un échosondeur multifaisceaux et d'un profileur acoustique de sous-surface ont permis d'obtenir un modelé à haute résolution du plancher lacustre. L'organisation de la couche superficielle du remplissage sédimentaire a également pu être précisée. Plusieurs mouvements de masse ont été identifiés et décrits. Des réflexions datées lors de précédentes études ont été utilisées afin de réaliser la première séquence des événements de mouvements de masse du lac du Bourget. Le déclenchement des mouvements de masse identifiés peut être lié à des facteurs géologiques, environnementaux et humains. Quatre séismes semblent à l'origine du déclenchement de mouvements de masse vers 9400 ans cal. BP, à la transition Holocène inférieur/Holocène moyen, vers 4500 ans cal. BP et en 1822 AD. La forme du lac et sa dynamique sédimentaire ont toutefois prédisposé le déclenchement de mouvements de masse. L'implantation d'infrastructures humaines a également influencé le déclenchement de mouvements de masse récents.

Cette étude a pour objectif d'identifier dans la matière organique (MO) archivée dans les sédiments lacustres de nouveaux marqueurs des climats passés. Le site d'étude est le Lac Caço, au nord-est du Brésil. Ce lac présente l'intérêt d'être situé dans une zone climatiquement sensible, à l'actuelle entrée de la Zone de Convergence Inter Tropicale dans le continent. La caractérisation globale du contenu organique sur une carotte de 6m a montré que la MO provient essentiellement de végétaux supérieurs. Les différences marquées dans l'état de préservation de cette MO indiquent des conditions climatiques contrastées depuis la fin du Dernier Maximum Glaciaire. De nouveaux marqueurs moléculaires spécifiques de végétaux supérieurs (onocérane I, éthers méthyliques de triterpènes pentacycliques) ont été identifiés. Ces molécules témoignent des associations botaniques qui ont peuplé le bassin versant et des conditions physico-chimiques qui prévalaient lors du dépôt du sédiment.

Le méthane, un des principaux gaz à effet de serre, est majoritairement produit et consommé par l'activité métabolique de microorganismes affiliés aux domaines des Archaea et des Bacteria. Afin d’appréhender le cycle biogéochimique du méthane, il est essentiel d’identifier l’ensemble des acteurs impliqués dans ce dernier ainsi que les facteurs environnementaux modulant leurs activités. Les lacs d’eau douce constituent une source importante de méthane, car, dans ces écosystèmes, les conditions environnementales favorisent la méthanogenèse au détriment d’autres processus terminaux de la dégradation anaérobie de la matière organique. Au cours de cette thèse, les études sur les communautés impliquées dans le cycle biogéochimique du méthane ont été conduites dans la colonne d’eau et les sédiments anoxiques du Lac Pavin (Auvergne), unique lac méromictique de France. Cet écosystème a été choisi comme site d'étude en raison des fortes concentrations en méthane présentes dans sa couche d'eau profonde qui contrastent avec les faibles émissions de ce gaz vers l'atmosphère. Ces observations géochimiques suggèrent une intense activité de production et de consommation du méthane, offrant un cadre pertinent pour l’étude des communautés ciblées. Les approches moléculaires visant à caractériser la structure spatiale, la composition, les zones d'activité et les facteurs (ascendants et descendants) potentiellement impliqués dans la régulation des communautés de méthanogènes et de méthanotrophes ont été, au cours de ce travail, systématiquement associées à des approches culturales et microcalorimétriques afin d’acquérir des données sur la physiologie des microorganismes impliqués dans le cycle du méthane. Les résultats obtenus mettent en évidence que les communautés de méthanogènes sont distribuées sur l’ensemble de la colonne d’eau anoxique et dans la strate superficielle des sédiments profonds. Ce groupe métabolique, essentiellement représenté par des espèces affiliées aux Methanosaetaceae et aux Methanoregulaceae, est particulièrement actif dans la zone benthique qui constituerait la source principale de méthane dans cet écosystème. Une nouvelle espèce méthanogène, Methanobacterium lacus, a été isolée de ces sédiments et décrite, et vient enrichir le faible nombre d'espèces méthanogènes isolées à ce jour à partir des lacs d'eau douce. L'étude écophysiologique de cette souche suggère que la température pourrait en partie expliquer la faible représentativité des Methanobacteriales dans cet écosystème. Une partie du méthane semble être directement consommée dans la zone anoxique (pélagique et benthique). L’existence de ce processus d’oxydation anaérobie, soutenu par les approches microcalorimétriques, pourrait être, dans les sédiments profonds, sous la dépendance de lignées candidates archéennes dont la physiologie reste encore énigmatique. Le remplacement progressif des méthanogènes par 2 lignées candidates d'archaea (MBG-D et MCG) le long du profil sédimentaire suggère qu'elle se développe dans des niche contrastées. La régulation putative des communautés archéennes par les virus a été analysée. Cette étude est la première à rapporter la présence de particules virales de type "archaeovirus" dans un environnement non-extrême (en termes de température, pH et salinité) ainsi que des particules virales pouvant représentées de nouvelles familles de virus. Une activité virale intense est suggérée dans ces sédiments par le nombre important de cellules infectées, comparativement à d'autres sédiments, et par le changement concomitant de la structure de la communauté virale et procaryotique avec la profondeur. Bien qu’une partie du méthane soit probablement oxydée en anaérobiose, la consommation de ce métabolite est principalement dépendante de l’activité de méthanotrophes aérobies dominées par des espèces affiliées au genre Methylobacter, un des principaux genres de méthanotrophes rencontré en milieu d’eau douce. (...) / Methane, a major greenhouse gas, is produced and consumed mainly by the metabolic activity of microorganisms affiliated to the domains Archaea and Bacteria. In order to understand the biogeochemical cycling of methane, it is essential to identify all the biological actors involved, as well as environmental factors modulating their activity. Freshwater lakes are a major source of methane because environmental conditions occurring in these ecosystems favor methanogenesis over other terminal processes of anaerobic degradation of organic matter. In this thesis, studies of communities involved in the biogeochemical cycling of methane were carried out in the water column and anoxic sediment of Lake Pavin (Auvergne), the unique French meromictic lake. This ecosystem has been selected as study site due to the high concentrations of methane in its deep water layer which contrast with the very low emission of this gas in the atmosphere. These geochemical observations suggest an intense activity of production and consumption of methane, providing an appropriate framework for studying the communities involved. Molecular approaches to characterize the spatial structure, composition, activity areas and factors (bottom-up and top-down) potentially involved in the regulation of methanogens and methanotrophs were, in this work, systematically associated to cultural and microcalorimetric approaches to acquire data on the physiology of microorganisms involved in the methane cycle. The results show that methanogens are distributed throughout the permanent anoxic water column (monimolimnion) and mainly in the superficial layer of the sediment situated under the monimolimnion. This metabolic group, mainly represented by species affiliated to Methanosaetaceae and Methanoregulaceae, is particularly active in the benthic zone which would be the main source of methane in this ecosystem. A new species of methanogen, Methanobacterium lacus, was isolated from these sediments and described. It enhances to the small number of methanogenic species isolated to date from freshwater lakes. The ecophysiological study of this strain suggests that the temperature could partly explain the low representation of Methanobacteriales in this ecosystem. A part of the methane appears to be directly consumed in the anoxic zone (pelagic and benthic). The existence of this process of anaerobic oxidation, supported by microcalorimetric approaches, could be in deep sediments, dependent on archaeal candidate lineages whose physiology remains enigmatic. The gradual replacement of methanogens by two archaeal candidate lineages (MBG-D and MCG) along the sedimentary profile suggests that they live in contrasted niche. The putative regulation of the archaeal communities by virus was analyzed. This study has reported the first observations of archaeovirus-like particles in a non-extreme environment (in term of temperature, pH and salinity) and virus-like particles which might represent new viral families. An intense viral activity in these sediments is suggested by i) the important number of visibly infected cells and ii) the concomitant change of the viral and prokaryotic communities with depth. While a fraction of methane is probably oxidized anaerobically, the consumption of this metabolite is mainly dependent on the activity of aerobic methanotrophs dominated by species affiliated to the genus Methylobacter, one of the main types of methanotrophs found in freshwater environments.These methanotrophs have a large area of activity, extending around both sides of the red/ox interface in the water column. This wide distribution may partly explain the low quantity of methane released by the Lake Pavin. (...)