La reconstitution des paléoenvironnements et la compréhension des dynamiques géomorphologiques sont de plus en plus appréhendées au regard des recherches archéologiques. Toutefois, en Indonésie, cette approche est encore peu usitée. L’étude du site de Kota Cina (Sumatra Nord, Indonésie) entreprise dans le cadre de cette thèse, est un travail pionnier qui vise à comprendre les changements environnementaux à l’interface Homme/Nature, dans le but d’une reconstitution paléogéographique. Cet ancien comptoir commercial portuaire du Détroit de Malacca, actif entre les XIème et XIVème siècles AD, se trouve aujourd’hui à 7 km du rivage. Afin de s’interroger sur les variables de contrôle naturelles et anthropiques de l’évolution paysagère de la région, des investigations ont été menées à Kota Cina et dans la vallée de Deli. Deux approches ont été privilégiées : (1) une approche géomorphologique qui permet de reconstituer les dynamiques hydro-sédimentaires du site et de sa vallée ; (2) une approche biogéographique à travers une analyse du contenu phytolithiques des dépôts de Kota Cina, afin de renseigner l’évolution de la végétation du site. Cette étude met en exergue des évolutions paléoenvironnementales notables, en réponse à des forçages singuliers. Le volcanisme pré-holocène de la région a engendré par son détritisme un remplissage majeur de la vallée. La réponse hydro-sédimentaire holocène a modifié la géomorphologie de la région par une forte incision et un important transfert sédimentaire. Enfin, à l’époque historique, une nouvelle transformation paysagère a eu lieu avec l’anthropisation du milieu, notamment à partir du XIXème siècle avec l’essor des plantations coloniales. / Paleoenvironment reconstructions and geomorphological dynamics understanding are increasingly being considered with regards to archaeological research. However, in Indonesia, this approach remains unusual. The present study of Kota Cina site (North Sumatra, Indonesia) is a pioneering work that aims to understand environmental changes dynamics at the human/nature interface for the purpose of paleogeographic reconstruction. Kota Cina is an ancient trade harbour of the Strait of Malacca. It was active between the XIth and the XIVth centuries AD. Nowadays, the site is located at 7 km from the coast. In order to examine the implication of natural and anthropogenic factors in the landscape changes of the region, investigations were carried out at Kota Cina and the Deli Valley. Two approaches were developed: (1) a geomorphological approach to reconstitute the hydro-sedimentary dynamics of Kota Cina site and its valley; (2) a biogeographical approach to reconstruct the vegetation changes at Kota Cina from a phytolith analysis of the site deposits. This work highlights important paleoenvironment changes as response to unique forcings. The pre-Holocene volcanism of the region generated a major filling of the valley by its detritism. The Holocene hydro-sedimentary response has altered the geomorphology of the region through a strong incision and significant sediment transfer. Finally, during the historical period, new landscape changes took place with the environment anthropisation, especially from the XIXth century with the development of colonial plantations.

Depuis la fin du 19ème siècle, le traitement des vignes par des fongicides cupriques a engendré une augmentation de la teneur en cuivre (Cu) dans les sols viticoles, ainsi que dans les écosystèmes aquatiques en aval. Cette thèse vise à mieux comprendre le devenir de ce Cu dans un agrosystème basé sur l’étude du fractionnement isotopique du 65Cu/63Cu. Les résultats montrent que durant 4 à 5 décennies de culture de vignes, les sols en surface se sont enrichis en Cu de 9 à 28 fois par rapport au fond géochimique et que les minéraux argileux jouent un rôle important dans l’accumulation du Cu. Lors des événements pluvieux, ~1% du Cu appliqué est mobilisé, essentiellement lié à des argiles. Le bassin d’orage récoltant les lames ruisselantes retient en moyenne 68% du Cu dissous et plus de 92% du Cu particulaire. Les ratios isotopiques du Cu dans le bassin indiqueraient la sorption du Cu dissous dans les sédiments, ainsi que la réduction du Cu(II) in situ due à des processus biogéochimiques. / Since the end of the 19th century, the use of copper (Cu)-based fungicides has resulted in increased Cu concentrations in vineyard soils, but also in downstream aquatic ecosystems. The aim of the thesis was to better understand the fate of this Cu in an agrosystem based on assessing Cu isotope fractionation (65Cu/63Cu). The results have shown that the surface vineyard soils have become enriched in Cu from 9 to 28 times compared to the background level during 4 to 5 decades of vine-growing and that clay minerals were the major Cu sorbing phases in the soils. During rainfall, runoff mobilized ~1% of the applied Cu during the, mainly associated with clays. The stormwater wetland collecting the runoff retained in average 68% of the dissolved and more than 92% of particulate Cu. Cu isotope ratios measured in the wetland suggested dissolved Cu sorption to the sediments and in situ reduction of Cu(II) due to biogeochemical processes.

La pollution en As dans le monde et son impact sont tels qu'il est essentiel de comprendre les processus de contrôle de sa dynamique, notamment dans les zones humides identifiées comme source potentielle. L'objectif de cette thèse a été d'étudier les produits de réoxydation du sol d'une zone humide et la spéciation associée de l'As. La spéciation de l'As a tout d'abord été étudiée dans les produits d'oxydation collectés dans un sol de zone humide (Naizin-Kervidy, France). Les analyses en spectroscopie d'absorption aux RX (XAS) ont montré que l'As était partiellement oxydé. La persistance de l'As (III) a été expliquée par le contrôle de la MO sur les phases de Fe porteuses de l'As, responsables de son oxydation. Le Fe forme des nano-oxydes, des petits polymères, et monomères de Fe complexés aux molécules organiques ce qui limite la densité de sites oxydants. Une deuxième partie a portée sur les produits de réoxydation avant agrégation. Les composants particulaires, colloïdaux et solubles ont été fractionnés et les éléments associés déterminés (XAS, HPLC-ICP-MS, THM-GC-MS). L'As est majoritairement sous forme d'As(V) inorganique et organique (DMA et arsénobétaine). Ces dernières sont produites des processus biologiques de détoxification. La fraction riche en nano-oxydes, petits polymères/monomères de Fe liés à la MO est très réactive vis-à-vis de l'As. La composition de la MO varie, d'une MO d'origine végétale moins complexante dans les grosses fractions elle passe à de la MO humique très complexante favorisant la formation de petites structures de Fe. Un bilan de masse montre que 90 % de l'As est présent dans les fractions particulaires très peu mobiles. La fraction colloïdale Fe-MO est critique car les concentrations en As sont substantielles et elle est facilement mobilisable. Les agrégats Fe-MO contrôlent donc la mobilité de l'As en solution et il est essentiel de mieux appréhender l'influence de la structure physique sur les processus d'adsorption de l'As. Des agrégats Fe/MO ont été synthétisés pour des rapports croissants Fe/MO. Le Fe forme des agrégats fractals. Une bille primaire constitue des agrégats intermédiaires qui eux-mêmes forment des agrégats secondaires. Ces derniers sont constitués d'une partie Fe et d'une partie MO qui correspond à un agrégat sphérique dense. Avec l'augmentation du ratio Fe/MO, la taille des composantes Fe et MO augmentent et la structure des gros agrégats devient moins dense suite à l'augmentation des forces de répulsion entre les agrégats intermédiaires. Le recouvrement de la MO sur les agrégats de Fe diminue. Ces changements de structure permettent d'augmenter l'adsorption de l'As car la disponibilité des sites de sorption augmentent. Ces résultats sont intéressants à mettre en perspective avec les solutions naturelles où les rapports Fe/OC varient temporellement et spatialement. / Regards to the extent of the As pollution in the world and its impact on human health, the processes controlling its dynamic had to be investigated, especially in wetlands, recently recognized as potential As source for groundwater. The objective of this work was to study the oxidation products of a wetland and the associated As speciation. In a first part, natural oxidation products collected in a wetland soil (Naizin-Kervidy, France) were studied. The solids analyzed by XAS showed that As was partially oxidized. The As (III) persistence was explained by the control exercised by MO on the Fe bearing phases of As responsible also for its oxidation. Iron formed nano-oxides, small polymers or monomers complexed to organic molecules. The small size of Fe phases limits the density of the As oxidizing sites. In the second part, the reoxidation products before their aggregation in soil were studied. Particulate, colloid and soluble fractions and their associated elements were analyzed by XAS, HPLC-ICP-MS, THM-GC-MS. The As was predominantly as inorganic As (V) and organic As (V) (Arsenobetaine and DMA) the latter being produced by biological detoxification process. The fraction enriched in Fe nano-oxides or small polymers/monomers bound to the OM was highly reactive against As. The composition of the OM varied from fresh vegetal and less complexing OM in particulate fraction to humic and highly complexing OM in lower fractions. In mass proportion, more than 90% of As was in the few mobile particulate fractions. The colloidal fraction remained however critical regards its substantial As concentration and its strong mobility potential. The Fe-OM aggregates seem to control As dynamics in solution, studying the influence of the aggregate structure on the As sorption processes is therefore critical. Aggregates of Fe/OM at increasing Fe/OM ratio were synthetized. Iron forms fractal aggregates. Primary beads formed intermediate aggregates (both being bound to diffuse organic molecules), themselves forming (or not) larger secondary aggregates. This latter was composed of a Fe part corresponding to the aggregated intermediate aggregates and an OM part organized as a spherical dense aggregate. With the increasing Fe/OM ratio, Fe and OM part increased and large aggregates become less dense with the increasing repulsion forces between each intermediate aggregates. The coating of the OM on Fe intermediate aggregates within the secondary aggregates decreased. These structural changes led to an increase of the As binding in response to the increasing availability of the binding site.

Ce sujet de recherche vise mieux comprendre les processus de bio remédiation qui participent à la réduction des charges en polluants dans les écosystèmes aquatiques du type zones humides, en tant que question d'actualité en ingénierie écologique. L'efficacité des processus de phytoremédiation a été largement démontrée par des applications individuelles sur le sol et les sédiments. Cette thèse a pour objectif de démontrer la participation d'une population d'invertébrés dans l'efficacité de la réduction de polluants des sédiments aquatiques en combinant le processus de bioturbation avec la phytoremédiation. Les hypotheses de recherche ont été testée expérimentalement en conditions de laboratoire à l'aide d'une série de microcosmes reproduisant chacun une portion d'interface eau/ sédiments similaire aux conditions en zones humides. Dans nos expériences, la bioturbation est réalisée par une population d'oligochètes Tubificidae bien connue comme un ingénieur écologique. La phytoremédiation associée est effectuée par une plante aquatique Typha latifolia connue pour sa capacité à extraire les polluants organiques et inorganiques des sédiments par l'accumulation dans leur biomasse. L'influence de cette biodiversité sur les flux et bilan de masse de polluants modèles, a été démontré à l'aide de 2 expériences de laboratoire mettant en oeuvre des séries de microcosmes contaminées avec du Cadmium en tant que métal trace avec une concentration initiale de 20 µg.L-1, dans l'eau surnageante, et de l'atrazine marquée avec une concentration de 5 µg.g-1 de sédiment frais en tant que micropolluant organique persistant et herbicide. Les résultats de ces expériences démontrent que le bio-transport créé par la population de tubificidae ainsi que la bioremédiation sont toujours actifs en présence de contamination ce qui confirme le potentiel de dévelopement de ces organismes en ingénierie écologique. La bioadvection du sédiment et des contaminants par les tubificidae est quantifiée grâce à l'utilisation de luminophores (traceurs particulaires). [...] / The development of efficient bioremediation techniques to reduce pollutant loads in aquatic ecosystems is a challenging research question for ecological engineering. The accuracy of phytoremediation processes has been primarily demonstrated by individual applications on soils or water sediments. The present Ph.D. aims to demonstrate the interest of additional bioturbation combined to phytoremediation processes for the improvement bioremediation efficiency of aquatic sediments. This strategy benefits are tested experimentally in controlled laboratory conditions with a serie of microcosms reproducing each a portion of water/sediment interface such as in wetland areas. In our experiments, bioturbation was carried out by a conveyor-belt invertebrate population, the tubificidae oligochaetes Tubifex tubifex, well known as an active ecological engineer. The phytoremediation was conducted by the riparian plant Typha latifolia known for its ability to remove organic and inorganic pollutants from sediments by accumulation into its biomass. The experiments were managed to demonstrate the effects of this biological influence (plant and inveterbrate) on the mass balances and fluxes of one metal and one pesticide as models of pollutants. Cadmium as a heavy, inorganic and conservative metal pollutant was introduced as a pulse input in the overlying water of the contaminated microcosms, with a cadmium concentration of 20 µg.L-1 in at the initial time of the experiment that lasted one month. In a second experiment, atrazine was mixed in the whole sediment column at the initial time in order to reach a concentration of 5 µg.g-1 of fresh sediment as a source of organic micropollutant and herbicide in the microcosms. The pesticide was radiolabeled with 14C. Fluxes from water to sediment, and from sediment to plants were assessed in experimental conditions with several treatments (+/- plants, +/- bioturbation, +/- pollutants) allowing to demonstrate the effects of the biological influence. Our results indicated that the tubificids and the related bioremediation influences are still efficient under cadmium and atrazine contaminations in aquatic systems. Biotransport due to tubificids changed the distribution of cadmium across the sediment column and enhanced the pumping of cadmium from the water to surface sediment and then to the anoxic underlying sediment surrounding the plant roots. [...]

L'objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension du fonctionnement hydraulique d'un système de nappe superficielle de fond de vallée, alimentée par un versant et drainée par un fossé en régime transitoire. Ceci doit aboutir à terme à un outil de modélisation permettant de tester des scénarios de gestion ou d'aménagements de ces zones humides. Le parti (pari ?) choisi a été de fonder les efforts de modélisation sur l'approche " saturée 1D " (équation de Boussinesq), tout en utilisant des modèles plus sophistiqués (Laplace, Richards) afin de servir de référence lors de la discussion et l'élaboration des hypothèses simplificatrices. En particulier, certaines conditions aux limites ont été étudiées : (i) hétérogénéité de la recharge de la nappe ; (ii) déterminisme des phénomènes de surface de suintement ; (iii) l'affleurement ; (ij) une condition aval transitoire. Des expérimentations ont été menées sur modèle physique au laboratoire (maquette MASHyNS) et sur le terrain (bassin versant du Ru de Cétrais, Loire Atlantique). Un modèle (SIDRA 2+), fondé sur une résolution numérique de l'équation de Boussinesq, a été utilisé et adapté à la prise en compte des conditions aux limites particulières évoquées. Le modèle a été calé et validé à partir des données expérimentales et a permis de prédire avec une excellente précision la position de la surface libre de la nappe à différentes distances du ru de Cétrais, en période hivernale.

Le lac Tchad étonne par sa singularité. Alors que le développement des autres grandes zones humides sahéliennes a reposé sur les périmètres irrigués, le sien a reposé sur la valorisation du mouvement des eaux par l'agriculture, l'élevage et la pêche, et par les mobilités. Quasi espace vierge dans les années 1940, le Lac est devenu une région densément peuplée et cosmopolite exportant des vivriers diversifiés sur les marchés urbains de la sous-région. À travers l'analyse des dynamiques agraires et territoriales de la fenêtre lacustre camerounaise, ce travail interroge les opportunités qu'offrent, dans un environnement incertain, le multiusage des ressources et les mobilités à l'intensification des processus productifs et à la densification démographique.Le renforcement des complémentarités et synergies entre activités dégage les voies d'une intensification écologique du mode d'exploitation et d'un développement territorial, créateurs de richesse et d'emplois. En favorisant l'émergence de rapports sociaux et d'institutions innovantes assurant l'accès aux ressources productives et aux marchés à une grande diversité de populations, le statut de marge territoriale de la fenêtre lacustre a été déterminant dans la dynamique d'intensification. L'incertitude hydro-écologique, économique et démographique a été intégrée au fonctionnement « normal » du système agraire et à celui de territoires qui se singularisent par leur mobilité. Aujourd'hui, c'est l'incertitude politique qui menace l'avenir du lac Tchad. Elle résulte des conflits de pouvoirs locaux constitutifs du rapport de l'État aux populations, et de l'action publique à travers les politiques agricoles et environnementales. / The Lake Chad is unique in the Sahelian band. Whereas large scale irrigated schemes has characterized the other wetlands, here the development of agriculture, cattle breeding and fishing has been based on the use of the water floods and on mobilities. Almost virgin until the 1940s, the Lake has become a highly populated and cosmopolitan area, exporting diversified foodstuffs to the urban markets of the sub-region. Through the analysis of agrarian and territorial dynamics of the Cameroonian lake shores, this research questions to which extent multi-use of the natural resources and mobilities may allow further agricultural intensification and population increase in such an uncertain environment.Closer complementarity and synergy between activities pave the way for ecological intensification and territorial development inducing wealth and job generation. Due to its marginal nature, the Cameroonian part of the Lake has been the place of continuous social innovations, ensuring to a great diversity of people the access to productive assets and markets. In this sense, it has been actually decisive for the dynamic of intensification. Hydro-ecological, economic and demographic uncertainty has been integrated into the “normal” functioning of the agrarian system and territory. Nowadays, the political uncertainty threatens the future of the Lake Chad. It results both from agricultural and environmental policies and from conflicts between local authorities, that are constitutives of the relation between the State and the populations.

Les tourbières remplissent une importante fonction de régulation des cycles biogéochimiques. Elles sont très sensibles aux modifications du régime hydrologique qui résultent du climat ou de pressions anthropiques. Le travail présenté dans cette thèse applique une approche interdisciplinaire en combinant hydrologie, géophysique, hydrochimie, biologie et modélisation numérique. Le site d'investigation est une prairie tourbeuse située dans la presqu'île du Cotentin, en Normandie. L'approche par datation des eaux souterraines a permis d'acquérir une compréhension conceptuelle de l'aquifère. La modélisation met en évidence les interactions entre l'aquifère et la zone humide et prédit un impact important d'un accroissement du pompage et du changement climatique sur les niveaux d'eau pouvant provoquer un assèchement de la tourbe et sur les débits des cours d'eau. L'étude confirme que la vulnérabilité biochimique de la tourbe aux changements environnementaux, tel que l'état d'aération, est très dépendante de la qualité de la tourbe. Une tourbe plus dégradée, où les teneurs en nutriments et biomasse sont plus faibles, est plus sensible aux processus d'oxydation, qui entraînent une acidification importante, un relargage de sulfates et un lessivage de cations. Les résultats confirment que des conditions anaérobies doivent être favorisées dans la gestion des tourbières, mais qu'une légère fluctuation des niveaux n'altère pas son fonctionnement.

Le phytomanagement de matrices contaminées en métaux couple leur réhabilitation écologique avec la production de biomasses végétales pour la bioéconomie. Un front de science est d’identifier des assemblages végétaux et d’optimiser leur production, aidée ou non par l’ajout d’amendements. Le phytomanagement de deux sols, l’un contaminé en Cu, l’autre en Cd, Pb et Zn, a été testé en conditions contrôlées. L’emploi conjoint de biochar et de grenaille d’acier diminue la phytotoxicité des 2 sols. En pots, sur 2 ans, cette combinaison d’amendements séquestre du carbone, diminue la phytotoxicité du sol contaminé en Cu et produit une biomasse d’Arundo donax L. et de Populus nigra L. non contaminée, utilisable par le secteur de l’énergie. Ces modalités de culture et d’amendement ont été installées pour un suivi à long terme sur le site contaminé en Cu. Parallèlement, en microcosmes, parmi 4 macrophytes utilisées en zone humide construite (CW) pour décontaminer des matrices aqueuses (i.e. Arundo donax L., Cyperus eragrostis Lam., Iris pseudacorus L. et Phalaris arundinacea L.), A. donax est la mieux adaptée pour fournir des racines à forte concentration en Cu utilisables pour produire un écocatalyseur riche en Cu. Le phytomanagement d’un effluent de bouillie bordelaise (EB, 69 μM Cu) par A. donax a été testé en CW pilote. Il est décontaminé en 48h, sa concentration en Cu respectant la réglementation du rejet d’effluent en réseau d'assainissement. Cependant, après un cycle de circulation, la concentration en Cu des racines d’A. donax (623 ± 140 mg Cu kg-1) est inférieure aux besoins de l’éco-catalyse, et le cycle serait à répéter pour atteindre les 1000 mg Cu kg-1 requis. / The phytomanagement of metal-contaminated matrices (soils and water) combines their ecological remediation and the production of non-food crops for the bioeconomy. One science frontier is to identify plant assemblage and to optimize their biomass production, aided or not by amendment addition and cultural practices. A Cu-contaminated soil and a Cd/Pb/Zn-contaminated one were phytomanaged in controlled conditions. The combination of biochar and iron grit reduced the phytotoxicity in both soils. In a 2-year pot experiment, this amendment combination decreased the phytotoxicity of the Cu-contaminated soil, enhanced soil C sequestration and produced an uncontaminated biomass of Arundo donax L. and Populus nigra L. adapted for bioenergy production. These combinations of culture and amendment are tested in field trial at the Cu-contaminated site. In parallel, in microcosm experiment, out of 4 macrophytes commonly used in constructed wetlands (CW) to clean up aqueous matrices (i.e. Arundo donax L., Cyperus eragrostis Lam., Iris pseudacorus L. and Phalaris arundinacea L.), A. donax was the best adapted to produce a high Cu-rich root mat potentially usable as Cu-ecocatalyst. Clean up of a Bordeaux mixture effluent (BME, 69 μM Cu) by A. donax was tested in a pilot-scale CW. The BME was decontaminated in 48 hours, its Cu concentration being in compliance for indirect discharge of chemical industry effluents. However, after one BME circulation cycle, root Cu concentration of A. donax roots (623 ± 140 mg kg-1) was lower than threshold value for Cu-ecocatalysts (1000 mg kg-1) and successive treatments must be repeated to achieve required Cu concentration.

Que l’on soit un simple promeneur ou un fin observateur, l’eau est présente partout. Pourtant, l’atout qu’elle représente pour les activités anthropiques cache souvent sa réalité environnementale, celle de son cycle. Ce constat se reflète dans l’appréhension juridique de l’eau laquelle est conçue comme un bien ou une chose. Cette qualification l’assigne donc à un statut juridique dont les manifestations révèlent la fonction utilitariste de la ressource. Or, l’émergence des problématiques environnementales confronte le statut juridique de l’eau à sa réalité physique. Ainsi, le droit et les exigences environnementales s’influencent réciproquement pour générer des règles protectrices de l’eau et des représentations juridiques du cycle hydrologique qui engendrent des évolutions du statut. Dès lors, ce dernier s’émancipe des catégories juridiques traditionnelles issues du droit des biens et s’habille d’une finalité protectrice dont les règles et les concepts, qui s’attachent à la fonction écologique de l’eau et à la réalité environnementale du cycle hydrologique, lui façonnent une autre condition juridique. / Along a simple stroll or through fine observations, you will always find water, wherever you go. However, the asset this resource represents for anthropogenic activities often hides its environmental reality, the one of its cycle. This is reflected in the legal definition of water which conceives it as property. This latter qualification assigns it to a judicial status which reveals the utilitarian function of the resource. Yet, the emergence of the environmental issues confronts water’s legal status to its tangible reality. Thus, the conflict between the law and water’s environmental demands makes way for protective regulations. Along with the hydrologic cycle’s legal representation, they both influence the evolution of water’s status. Consequently, the latter goes beyond property law traditional legal categories and arms itself with a protective purpose. Its rules and concepts are tied to the ecological function of water and to the environmental reality of the hydrologic cycle which shape yet another judicial condition for the water.