Du fait des activités industrielles anciennes et du recyclage croissant des produites résiduaires organiques d’origine urbaine dans les sols agricoles, des composés organiques persistants, parmi lesquels les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) se retrouvent présents dans les sols français. Dans le cadre de la gestion des sites et sols pollués et de l'évaluation des risques associés aux HAP dans l'environnement, une meilleure connaissance du comportement, de la dissipation, du transfert ou de l’accumulation des HAP dans les sols est alors indispensable. Dans ce but, il est utile de développer une nouvelle génération de modèles numériques basés sur le couplage flexible de l’ensemble des processus majeurs contrôlant la dynamique des HAP dans le sol. Notre travail repose sur la mise en œuvre, dans le cadre de la plateforme VSoil de l’INRA (https://www6.inra.fr/vsoil/The-Project), d'un modèle global interdisciplinaire de dynamique des HAP dans les sols, applicable à l’échelle du terrain et couplant des modules décrivant les principaux processus physiques, biochimiques et biologiques. Ce modèle associe d’une part des modules déjà publiés simulant la décomposition des matières organiques exogènes apportées, le transfert d'eau, le transfert de chaleur et le transport de solutés dans des conditions climatiques réelles, et d’autre part, un nouveau modèle représentant spécifiquement la réactivité des HAP.La démarche numérique adoptée dans ce travail a alors été de i) calibrer le modèle de terrain en utilisant des paramètres déterminés à partir de données expérimentales obtenues au laboratoire et complétées avec une partie des données de terrain obtenues sur une courte période, ii) tester et valider le modèle calibré au terrain à l'aide des données de terrain complémentaires sur des périodes plus longues, iii) tester différentes hypothèses de variation de disponibilité et scenarios climatiques ou d’apports répétés de différents composts sur le devenir de HAP dans le sol. Nos résultats montrent que le modèle peut prédire de manière satisfaisante le devenir des HAP dans le sol sur une gamme de contamination allant de parcelles agricoles amendées avec des matières organiques faiblement contaminées jusqu’à d’anciens sites industriels fortement contaminés et permettent alors de mieux appréhender les processus contrôlant la dynamique des HAP dans ces différents systèmes. / Due to former industrial activities and the increasing recycling of organic waste products from urban areas in agricultural soils, increasing amounts of persistent organic compounds, among them polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), are to be found in French soils. In the framework of the management of polluted sites and soils and the risk assessment of PAH transfer in the environment, it is essential to better understand the behavior, dissipation, transfer or accumulation of PAH in soils. For this purpose, there is a need to develop a new generation of numerical models based on the flexible coupling between the processes describing PAH dynamics in soil. Our work presents the development and assessment of such model. It is based on the implementation of an interdisciplinary global model, and applicable at the field scale, for PAH in soil by coupling modules describing the major physical, biochemical and biological processes influencing the fate of PAH in soil, with modules that simulate water transfer, heat transfer, solute transport, and organic matter transformation under real climatic conditions. The coupling is performed using the «VSoil» modeling platform of INRA (https://www6.inra.fr/vsoil/The-Project). The steps of our modelling study are the following: i) calibrate the model at the field scale using previously estimated parameters at the lab-scale and completed with field data on a short period of time, ii) test and validate the calibrated model using field experimental data on mid term periods, iii) test different hypotheses of variation of availability and climatic scenarios or repeated applications of different composts on the fate of PAH in soil. Our results show that the model can adequately predict the fate of PAH in soil over a wide range of contamination ranging from agricultural plots amended with weakly contaminated composted organic wastes to old industrial sites heavily contaminated. This new tool allows, therefore, a better understanding of the processes controlling the dynamics of PAH in these different systems.

Malgré les tests d’homologation des pesticides et métaux, des teneurs alarmantes de ces produits sont relevées dans l’environnement. Une meilleure connaissance des processus subis par ces produits dans les agrosystèmes est nécessaire afin de réduire les pollutions liées à leur utilisation. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de la transformation et du transport des pesticides et métaux pas l’étude détaillée de ces polluants dans les sols agricoles durant 200 jours, en fonction des conditions hydro-climatiques et l’analyse isotopique des pesticides (par composés spécifiques, CSIA) et des métaux. Ces travaux révèlent l’importance de la matière organique sur la spéciation des polluants, les relations entre les conditions, la dissipation et les mécanismes de transformation des pesticides, mais aussi le contrôle de l’infiltration des polluants par la durée et la fréquence des pluies. Ces résultats permettent d’améliorer la prédiction du transport des polluants dans les agrosystèmes. / Despite homologation tests of pesticides and metals, alarming concentrations are measured in the environment. A better knowledge of the transformation processes undergone by these products in agrosystems is needed to predict and limit the pollution. This PhD. thesis allowed to understand the transformation and transport of pesticides and metals in agricultural soils during 200 days and with respect to different hydro-climatic conditions using sequential extraction and isotopic fractionation of pesticides (compound specific isotopic analyses, CSIA) and metals. This work revealed the relevant of soil organic matter on the speciation of pollutants, the relationship between hydro-climatic conditions, the dissipation and the transformation mechanisms of peticides, and how pollutant infiltration is controlled both by rainfall length and frequency. These resuls will improve the transport models of pesticides in agrosystems.

Le projet de thèse s’inscrit dans le Projet Investissement d’Avenir (PIA) DEMETERRES, dont l’objectif est le développement de méthodes et de technologies pour la décontamination et la remédiation des sols et effluents contaminés après un accident nucléaire. L’objectif de cette thèse est de mieux appréhender les interactions de 137Cs et 90Sr avec les différentes composantes des terres agricoles et ainsi être capable de prédire l’état chimique dans lequel ces éléments se trouveraient dans les sols en cas d’accident nucléaire. Une base de données dans le formalisme des échangeurs d’ions multi-sites a été mise en place, représentant les comportements d’adsorption de Cs+ et Sr2+ dans les illites et smectites (deux des principaux minéraux argileux) vis-à-vis des cations majeurs environnementaux H+, Na+ et Ca2+. Cette base de données a par la suite été utilisée pour tenter de prédire le comportement d’adsorption de Cs+ et Sr2+ dans des échantillons de sols agricoles français (Pusignan, Etoile-sur-Rhône et Herqueville). De bonnes simulations du comportement d’adsorption de Cs+ et Sr2+ ont été obtenues sur Pusignan et Etoile-sur-Rhône. Dans le cas d’Herqueville, la suppression de la MON n’a pas amélioré l’accord entre les simulations et les expériences, tandis que l’élimination de l’aluminium échangeable a lui permis une meilleure simulation de l’adsorption de Sr2+, mais pas de Cs+. Ces travaux permettent de simuler efficacement le comportement d’adsorption de Cs et Sr dans des sols et ainsi d’appuyer les stratégies de décontamination et remédiation après un accident nucléaire / This study is part of the DEMETERRES project, which aims to develop new methods and technologies in the field of decontamination and remediation of contaminated soils and effluents after a nuclear accident. The objective of this PhD is to obtain a better knowledge of 137Cs and 90Sr interactions onto agricultural soils and to better predict the chemical state of these elements in soils after a nuclear accident. A database in the multi-sites ion exchanger formalism has been built, reflecting the adsorption behaviours of Cs+ and Sr2+ onto illite and smectite (two major clay minerals) with regards to major environmental cations: i.e. H+, Na+, and Ca2+. It was used to predict the adsorption of Cs+ and Sr2+ onto French agricultural soil samples (Pusignan, Etoile-sur-Rhône and Herqueville). Good simulations of the adsorption of Cs+ and Sr2+ onto Pusignan and Etoile-sur-Rhône are obtained. In the case of Herqueville, the removal of NOM does not improve the agreement between experimental results and simulations, but the removal of exchangeable aluminum allows a better representation of the adsorption results of Sr2+ onto Herqueville, but not for Cs+. This work allows efficiently simulating the adsorption of Cs and Sr onto soils and support decontamination and remediation strategies after a nuclear accident

La télédétection radar a déjà montré son fort potentiel dans la caractérisation des états de surface et des processus hydriques. La connaissance de ces paramètres est d'un intérêt fondamental pour mieux quantifier et prévoir la répartition des pluies ainsi que pour modéliser l'érosion des sols. Plusieurs modèles ont déjà été développés (empiriques, analytiques, numériques) mais présentent encore des limitations dans la compréhension du comportement du signal radar. L'objectif de cette thèse est d'apporter des améliorations dans la modélisation de la rétrodiffusion et la description des sols agricoles nus, à l'aide de mesures terrain et d'images radar SAR. Nous avons considéré un profil d'humidité en introduisant un aspect multicouche et utilisé le modèle IEM. Nous avons montré qu'une humidité constante sur les premiers centimètres de la surface ne reflète pas la réalité terrain. Nous avons ensuite pris en compte les poches d'air présentes dans la structuration du sol en redéfinissant la constante diélectrique par l'introduction d'un composé air/sol. Ces développements ont permis de contribuer à l'amélioration des résultats de la simulation, de mieux comprendre le comportement du signal radar et les variations du coefficient linéaire liant le coefficient de rétrodiffusion à l'humidité du sol. Enfin, nous avons effectué une représentation plus réaliste des sols agricoles en incluant des mottes de terre sur les profils. A partir d'un modèle de diffusion électromagnétique numérique, basé sur la méthode des moments, nous avons étudié leur influence sur le coefficient de rétrodiffusion.

L’utilisation du chlordécone (CLD) pour éradiquer les populations de charançon noir dans les bananeraies des Antilles françaises (Guadeloupe et Martinique) entre 1972 et 1993 a conduit à la contamination des sols et de l’environnement. Cet insecticide organochloré très hydrophobe persiste dans les sols d’où il transfère lentement vers les ressources en eau et vers les biotes terrestre et aquatique (plantes, animaux, poissons, crustacées). Réputé « indégradable », le CLD résiste à la photolyse, à l’hydrolyse et à la biodégradation. A ce jour, il n’existe pas de méthode pour remédier les 20 000 hectares de sols pollués avec cet insecticide. Compte-tenu de l’étendue de la pollution avec le CLD, les procédés biologiques de décontamination paraissent appropriés au contexte antillais. Les objectifs de mon travail de thèse étaient d’explorer les possibilités de transformation microbienne du CLD et l’impact écotoxicologique du CLD sur la communauté microbienne des sols. Mes travaux reposent sur l’hypothèse selon laquelle des populations microbiennes exposées de manière chronique au CLD se seraient adaptées à sa dégradation pour détoxifier leur environnement ou éventuellement pour l’utiliser comme source d’énergie pour leur croissance. Pour cela, j’ai développé une méthode d’analyse du CLD dans les sols et les cultures microbiennes basée sur l’isotopie stable. J’ai conduit des expériences d’enrichissement à partir de sols de Guadeloupe pollués avec le CLD. Une centaine de souches fongiques et près de 200 souches bactériennes ont été isolées. Aucunes souches bactériennes dégradantes n’ont pu être mises en évidence bien que certaines formaient un halo de dissolution du CLD sur milieu gélosé. Parmi les isolats fongiques, seul F. oxysporum sp. MIAE01197 se développait sur un milieu minéral contenant le CLD comme seul source de carbone et dissipait 40% du CLD. Cet isolat était deux fois plus tolérant au CLD qu’un isolat de référence jamais exposé au CLD. Cet isolat minéralisait très peu le 14C-CLD, formait très peu de 14C-métabolites, mais le 14C-CLD s’adsorbait sur les parois fongiques, suggérant que l’adsorption était le principal mécanisme impliqué dans la dissipation du CLD. L’analyse de trois autres isolats appartenant au genre Aspergillus a confirmé que l’exposition au CLD était un des paramètres améliorant la tolérance des souches fongiques au CLD et que la biomasse fongique était capable d’adsorber le CLD dans des proportions proches de celles obtenues avec du charbon actif utilisé pour traiter l’eau potable aux Antilles. L’évaluation de l’impact écotoxicologique du CLD sur la communauté microbienne et les fonctions qu’elle supporte a été menée sur deux sols aux propriétés physicochimiques contrastées n’ayant jamais été exposés au CLD. L’analyse de la structure globale (évaluée par RISA), de l’abondance et de l’activité de la communauté microbienne du sol argilo-limoneux n’étaient pas affectées par le CLD. En revanche, la composition taxonomique (qPCR) et l’activité respiratoire de la communauté microbienne étaient affectées par le CLD dans le sol sableux. Ces résultats montrent que la toxicité du CLD pour la communauté microbienne dépend des propriétés physicochimiques du sol qui conditionne sa biodisponibilité. Des études complémentaires devront être menées pour évaluer la toxicité possible du CLD sur des fonctions écosystémiques des sols des Antilles. / The use of chlordecone (CLD) to eradicate the weevil populations in the banana plantations in the French West Indies (Guadeloupe and Martinique) between 1972 and 1993 led to the contamination of the soil and the environment. This very hydrophobic organochlorine insecticide persists in the soil where it slowly transfers not only to the water resources but also to terrestrial and aquatic biota (plants, animals, fishes, shellfishes). Deemed “non-degradable”, CLD is resistant to photolysis, hydrolysis and biodegradation. To date, there is no method to remediate the 20,000 hectares of polluted soil with this insecticide. Given the extent of CLD pollution, biological decontamination processes appear appropriate to the Caribbean context. The objectives of my thesis were to explore the possibilities of microbial transformation of CLD and to assess the ecotoxicological impact of CLD on the soil microbial community. My work is based on the hypothesis that microbial populations chronically exposed to CLD would be adapted to its degradation to detoxify their environment or possibly for use as an energy source for growth.To do so, I developed an analysis method in soils and microbial cultures based on the use of stable isotope to trace CLD. I conducted enrichment experiments with CLD polluted soils from Guadeloupe yielding in the isolation of one hundred fungal strains and nearly two hundred bacterial strains. No degrading bacterial strains have been identified although few of them formed dissolution halo of CLD on solid media. Among the fungal isolates, only F. oxysporum sp. MIAE01197 grew on a mineral medium containing CLD as sole carbon source and dissipated 40% of the CLD. This isolate was twice more tolerant than the reference isolate which had never been exposed to CLD. This isolate mineralizes 14C-CLD very lowly, formed very few 14C-metabolites, but the 14C-CLD was adsorbed on the fungal cell walls, suggesting that the adsorption was the main mechanism involved in the dissipation of the CLD. Analysis of three other isolates belonging to the genus Aspergillus confirmed that exposure to CLD was one of the parameters improving the tolerance of fungal strains to CLD and fungal biomass was capable of adsorbing the CLD in proportions close to those obtained with activated carbon used to treat drinking water in the French West Indies.The assessment of the CLD ecotoxicological impact on the microbial community and functions it supports was carried out on two soils never exposed to CLD showing contrasting physicochemical properties. The analysis of the overall structure (evaluated by RISA), the abundance and the activity of the microbial community of the silty-clay soil were not affected by the CLD. However, the taxonomic composition (evaluated by group specific qPCR) and respiratory activity of the microbial community were affected by the CLD in the sandy soil. These results showed that the toxicity of CLD for microbial community depends on the physicochemical properties of the soil which may determine its bioavailability. Further studies are needed to evaluate the possible toxicity of the CLD on Caribbean soil ecosystemic functions.

Les sols agricoles sont la principale source du gaz à effet de serre N₂O. Ces émissions sont caractérisées par une variabilité spatiale et temporelle considérable, ce qui rend très difficile leur quantification. L’UR SOLS étudie depuis 2008 les émissions de N₂O dans une zone agricole du Centre de la France. Spécifiquement, nous avons étudié au laboratoire l’effet de la température sur ces émissions et développé une méthode permettant l’estimation des émissions de N₂O à l’échelle du paysage. De façon surprenante, nous avons observé que les émissions de N₂O n’augmentent pas systématiquement avec la température. L’indicateur Q₁₀ est apparu, pour les émissions de N₂O, variable avec le temps. L’utilisation de l’acétylène, inhibiteur de la réduction de N2O, a révélé que les processus biologiques de production et de consommation de N₂O répondent différemment à la température. Les émissions de N₂O mesurées au champ à l’aide de différentes techniques ont permis d’obtenir des résultats cohérents, avec des moyennes de 43 μg N- N₂O m⁻² h⁻¹ pour la méthode par eddy covariance, 37 μg N- N₂O m⁻² h⁻¹ pour la méthode de fast-box et 71 μg N- N₂O m⁻² h⁻¹ pour la méthode des chambres automatiques sur un blé fertilisé. Des méthodes d’attribution des flux ont été développées pour déterminer de façon exhaustive les variations spatiales et temporelles des émissions de N₂O avec élaboration de cartes originales d’émissions à l’échelle du paysage. L’ensemble de ces résultats pourra être utilisé pour le développement de modèles de fonctionnement des écosystèmes. Ils vont contribuer à quantifier les émissions de N₂O aux échelles adaptées pour les inventaires et les stratégies d’atténuation. / The greenhouse gas N₂O is mainly emitted by soils. Soil emissions are characterized by considerable spatial and temporal variabilities that make their quantification very difficult. While soil N₂O emissions are studied on an agricultural area in the Central France by the UR SOLS since 2008, we specifically studied in the laboratory the effect of temperature on these emissions and also developed a method for upscaling N₂O emissions from the plot to the landscape scales. Surprisingly, N₂O emissions were observed not to increase with temperature. Q₁₀ values, describing N₂O emission sensitivity to temperature, were observed to change over time. The use of acetylene for inhibiting N₂O reduction has revealed that the biological processes involved in the N₂O production and its consumption respond differently to temperature variations. N2O fluxes measured in the field using several methods covering different scales of the landscape gave consistent results. The mean measured N₂O fluxes were 43 μg N- N₂O m⁻² h⁻¹ for the eddy covariance mast, 37 μg N- N₂O m⁻² h⁻¹ for the fast-box over a similar area, while it was 71 μg N- N₂O m⁻² h⁻¹ by the automatic chambers over a fertilized wheat field. Flux attribution methods were developed to determine both the spatial and temporal variability of the N₂O flux over a 1-km landscape, resulting in original maps of N₂O emissions at the landscape scale. All these results could be further used for developing ecosystem models. Both these ecosystems models and the methodologies hereby proposed for upscaling N₂O emissions will help in soil N₂O emission quantification at large scales, relevant to the inventories and mitigation strategies.