Dissertations / Theses on the topic 'Cycle biogéochimique du radium'

Ce travail porte sur le comportement du Ra au sein d’un écosystème forestier (Montiers, Meuse). Il s’appuie sur la mesure de plusieurs traceurs isotopiques (déséquilibres radioactifs, rapports 228Ra/226Ra et 87Sr/86Sr) dans les différents compartiments du système eau-sol-plante. Les objectifs étaient : 1) d’étudier la mobilité du Ra et ses ascendants radioactifs entre les fractions minérales séparées d’un profil de sol, 2) d’évaluer le transfert du Ra vers les compartiments eau-plante de l’écosystème, 3) de caractériser le transfert du Ra et son temps de résidence dans la végétation, 4) de réaliser le bilan du cycle biogéochimique du Ra. Ce travail montre une forte redistribution de U, Th et Ra en fonction de leurs affinités respectives avec les différentes fractions minérales du sol. Bien que le Ra soit très fortement associé à la fraction fine (&lt; 2µm) du sol, la végétation (hêtres) semble prélever le Ra des oxydes de fer du sol. Le transfert ultérieur de ce nucléide depuis les racines vers les parties aériennes de l’arbre est moins important que celui des autres alcalino-terreux, aboutissant à un temps de résidence dans la végétation de l’ordre de quelques années (2.6 ± 1.6 ans). Enfin, le cycle biogéochimique du Ra est caractérisé par un flux de dégradation de la litière souterraine plus important que celui lié à la litière de surface, par un apport atmosphérique en Ra négligeable et par un flux d'altération très important, ce dernier ne transitant pas par les solutions de sols gravitaires. Le Ra présent dans ces dernières provient presque exclusivement de la dégradation de la litière<br>This work investigates the behaviour of Ra within a forest ecosystem (Montiers, Meuse). It is based on the quantification of several isotopic tracers (U- and Th- series disequilibria, isotopic ratios of 228Ra/226Ra and 87Sr/86Sr) in the different compartments of the water-soil-plant system. The research goals were : 1) to study the mobility of Ra and its radioactive ascendants in the separated mineral fractions of a soil profile, 2) to evaluate the transfer of Ra to the water-plant system, 3) to characterise the transfer of Ra and its residence time onto the vegetation, 4) to realise an account of the biogeochemical cycle of Ra. This work shows a strong redistribution of U, Th and Ra depending on their respective affinities with the different mineral fractions of the soil. Despite being predominantly concentrated in the clay fraction (&lt;2 µm) of the soil, our findings indicate that trees (beeches) mostly extract Ra from the soil’s iron oxides. The subsequent transfer of this nuclide from the roots to the foliage is lesser than that of other alkaline-earth metals, leading to a vegetal residence time on the order of a few years (2.6 ± 1.6 years). Finally, the biogeochemical cycle of Ra is characterised by the degradation flux of fine-roots rather than that of leaves, by a negligible atmospheric input and by a strong weathering rate. Ra presents in the latter originates almost uniquely from litter degradation and does not pass through gravitational soil solutions

En raison de leur accumulation possible dans la glande thyroïde, les radio-isotopes de l'iode, 131I (t1/2 = 8,07 jours) et 129I (t1/2 = 15,7 106 ans), sont préoccupants pour la santé humaine. En raison de sa longue demi-vie, 129I est également d’une importance radio-écologique majeure du fait de son intégration potentielle au cycle biogéochimique naturel de son isotope stable (127I). Les forêts dont la surface couvre près du tiers du territoire en France et en Europe, se caractérisent par leur longévité, un haut niveau de recyclage de la biomasse et une forte influence sur les cycles hydrologiques et des nutriments. La végétation forestière peut intercepter puis recycler et accumuler les polluants et radionucléides émis dans l’environnement. Dans ce contexte, des axes de recherche ont été développés dans cette thèse afin de décrire qualitativement et quantitativement le cycle de l’iode et améliorer les prédictions à long-terme du comportement de 129I dans les écosystèmes forestiers.Les pluies constituent une source majeure d’iode pour les sols et la végétation forestière, les quantités apportées dépendant de la distance côtière et de la pluviométrie. La végétation modifie les quantités et la spéciation de l’iode apporté par les pluies. L'humus représente un compartiment d'accumulation provisoire d'iode associé à la matière organique. Ce compartiment constitue également une zone de réémission possible de l’iode par lessivage lors d’évènements pluvieux et/ou par volatilisation. Cette thèse a montré que les teneurs d'iode dans les sols forestiers dépendaient à la fois des apports atmosphériques et des chutes de biomasse, mais également de la capacité du sol à fixer l'iode. Ainsi, les conditions environnementales conduisant à une accumulation de matière organique et la présence d’(hydr)oxydes métalliques dans les sols favorisent la rétention de l’iode. A l’échelle de la placette forestière, le sol constitue le principal réservoir en iode (~99,9%). Du fait de la proportion d'iode au sein des arbres (&lt; 0,03% du stock total en iode), les quantités d’iode recyclées par la végétation sont faibles, l’iode n’étant pas un oligo-élément pour les végétaux. Ainsi ces travaux de thèse ont permis de combler le manque de données relatives d’une part à la répartition de l’iode au sein des écosystèmes forestiers et d’autre part, aux processus de réémissions (lessivage et volatilisation) liés à la dégradation de la matière organique. Les données générées par cette thèse permettent de mieux appréhender la modélisation du cycle de l’iode dans cet écosystème forestier<br>As radioisotopes of iodine may concentrate in thyroid gland, 131I (t1/2 = 8.07 days) and 129I (t1/2 = 15.7 106 years) are of health concern. 129I is of major radioecological importance because it can potentially integrate natural biogeochemical cycle of its stable isotope (127I) due to its long half-life. Forests, characterized by their longevity, a high biomass turnover and a strong influence on hydrological and nutrients cycles, can intercept, recycle and accumulate a significant amount of pollutants and radionuclides released into environment. In this context, research developed in this thesis had the purpose of correct long-term prediction of iodine behaviour in forest ecosystems.Rainfall appears to be a significant input flux of iodine in forest soils and vegetation, depending on coastal distance and precipitation amount. Forest canopy modifies quantities and speciation of iodine initially present in rainfall. Humus would act as temporary iodine accumulation layer through its association with organic matter. However, humus layer also behaves as potential iodine mobilisation source by leaching and/or volatilization. This thesis has demonstrated that iodine levels in soils depend both on its atmospheric and litterfall inputs, but also on the soil's ability to fix iodine. Thus, environmental conditions characterized by organic matter accumulation and presence of metal (hydr)oxides in soils promote iodine retention. Thereafter, soil is the main iodine reservoir at the forest plot scale (~99.9%). Given small amounts of iodine in the trees (&lt;0.03% of the total iodine stock), recycling of iodine by vegetation is low, iodine being not an essential element for vegetables.This thesis contributes to fill some gaps in the knowledge of iodine distribution within forests and on the processes of iodine reemission related to organic matter degradation. Data generated by this thesis help to better understand the modeling of iodine cycle in this forest ecosystem

Les objectifs de cette thèse sont de comprendre la distribution du manganèse dans les eaux de surface (0 - 200 m) de la Méditerranée Nord-occidentale et d'étudier l'impact de l'apport atmosphérique sur sa distribution. L'eau de mer et les échantillons de particules en suspension ont été collectés à deux sites dans la mer Ligure au cours de dix campagnes d'échantillonnage entre mai et octobre 1988. Les pièges à particules ont opéré aux mêmes sites à 200 m de profondeur pendant cette période. A la station située à 20 km de Calvi, le flux atmosphérique de 1987, mesuré par d'autres chercheurs, était suffisant pour être considéré comme la source majeure de l'aluminium particulaire (traceur des aluminosilicates) et du manganèse réfractaire mesurés dans les pièges à particules. A des échelles de temps plus courtes, la relation entre la fonction d'entrée (atmosphère) et de sortie (pièges à particules) varie selon les dynamiques temporelles propres de chaque flux. Le flux de particules dans la colonne d'eau dépend principalement de l'activité biologique. La concentration en manganèse dissous varie de presque trois ordres de grandeur de 1986 à 1988. La source dominante du manganèse dissous est l'ensemble des processus d'advection-diffusion à partir de la côte. La partition entre manganèse dissous et particulaire est gouvernée par la quantité de particules et le temps de contact entre les phases. Les apports atmosphériques importants sont caractérisés par un accroissement significatif de la phase particulaire. Au site de Villefranche (35 km au large), un apport atmosphérique majeur de poussières sahariennes a causé un accroissement notable des concentrations de manganèse particulaire et dissous dans les eaux de surface. L'accroissement en manganèse dissous a disparu en dix jours, tandis que les concentrations en manganèse particulaire sont restées élevées pendant plus de trois semaines. Nous montrons aussi que cette disparition rapide du manganèse des eaux de surface est due à l'adsorption (scavenging) sur du matériel particulaire qui sédimente, plutôt qu'à des mélanges verticaux des masses d'eau.

Le but de ce travail est de déterminer le cycle biogéochimique du sélénium, et plus particulièrement des sélénites, dans un environnement proche de la surface. Pour cela, nous avons réalisé des études de sorption sur différentes phases minérales en système mono et multi-phasiques. Nous avons également réalisé des expériences pour étudier le devenir du sélénium dans un système-sol_plantes_microorganismes. (i) Les expériences de sorption des sélénites sur différentes phases minérales ont validé la méthode dite des « membranes de dialyse » et ont montré qu'il n'y avait pas d'additivité des capacités de sorption dans des systèmes à plusieurs phases minérales. La présence de Si aqueux relâché par la bentonite réduit la sorption du Se sur la goethite en occupant les sites de sorption. (ii) L'étude de l'influence des substances humiques (HA, FA) sur les capacités de sorption des différentes phases minérales vis-à-vis des sélénites a montré que ces substances diminuent la sorption du Se sur la goethite. De plus, ces expériences ont montré que les HA/FA ne complexent pas le sélénium. (iii) Les expériences « rhizoplants » nous ont permis de calculer des facteurs de transfert du Se des sols vers le ray-grass. Une application de ces facteurs de transfert dans un scénario de migration et de transfert du Se à partir d'un site de stockage des déchets HAVL, a donné une dose effective annuelle vers l'Homme comprise entre2,3 x 10-6 et 5,9 x 10-6 Sv. An-1<br>The aim of this work is to determine the biogeochemical cycle of selenium, especially selenites, in a subsurface environment. To do so, we studied Se sorption on different mineral phases in single or multi-phase systems. We also conducted experiments to investigate the fate of selenium in a soil-plants microorganisms system. (i) Sorption experiments of selenites on different mineral phases validated the « dialysis membranes » method and showed that there was no additivity of the sorption capacity in systems composed of several minerals phases. The presence of aqueous Si released by bentonite reduced Se sorption on goethite by occupying the sorption sites. (ii) The study of the influence of humic substances (HA, FA) on the sorption capacities of different mineral phases has shown that these substances decrease Se sorption on goethite. Moreover, these experiments have shown that HA/FA do not complex selenium. (iii) « Rhizoplants experiments allowed us to calculate transfer factors of soil Se toward rye-grass. In a scenario of migration and transfer of Se from a radioactive waste disposal, the application of these transfer gave an annual effective dose to Humans comprised between 2,3 x 10-6 and 5,9 x 10-6 Sv. Y-1

Une etude du cycle biogeochimique du selenium a l'interface ocean-atmosphere a ete realisee. La speciation des formes volatiles du selenium dans les eaux marines a pu etre mis en uvre par le developpement et l'utilisation d'une technique analytique de piegeage et separation moleculaire thermique couplee a un detecteur atomique specifique (absorption, fluorescence). Le role de la productivite biologique et de la reactivite photochimique dans la zone euphotique sur la distribution des composes volatiles du selenium a ete aborde par des mesures en milieu marin et des experimentations au laboratoire. Enfin, les flux de selenium de l'ocean a l'atmosphere ont pu etre determines pour deux cosystemes marins (mediterranee orientale, gironde). Une generalisation des resultats obtenus montre que les emissions marines en phase gazeuse representent certainement la source majeure de selenium atmospherique. Ces processus de volatilisation contribuent ainsi de maniere significative a l'elimination du selenium des environnements aquatiques

Le cycle biogéochimique du silicium en milieu océanique a été étudié dans l’Océan Austral sur le plateau des îles Kerguelen naturellement fertilisé en fer (programme KEOPS) et en Atlantique nord-est dans une zone frontale de transition des régimes de production (programme POMME). Les données acquises dans le cadre du programme KEOPS concernent les stocks et les flux de production de la silice biogénique attribuables aux diatomées dans la couche de surface. L’impact du fer sur l’utilisation du silicium par les populations naturelles de diatomées est analysé. Les résultats obtenus mettent en évidence le rôle du fer sur l’absorption d’acide silicique par les diatomées. Dans la zone naturellement fertilisée, les diatomées présentent des affinités plus élevées pour l’acide silicique leur permettant d’exploiter efficacement des concentrations faibles et limitantes de ce sel nutritif. Par ailleurs, ce travail permet d’observer l’impact du fer sur les compositions spécifiques et les compositions élémentaires des communautés de diatomées. Dans la zone fertilisée, les diatomées sont, comparativement à la zone HNLC du large, composées d’espèces plus faiblement silicifiées et présentent des rapports de production ρSi:ρC et ρSi:ρNO3 relativement typiques de diatomées en conditions nutritionnelles favorables. Néanmoins, l’analyse à l’échelle saisonnière de la consommation des sels nutritifs témoigne d’une très faible utilisation des nitrates. Les résultats montrent que le bloom de diatomées utilise en grande partie de l’ammonium comme source azotée, produit par une communauté hétérotrophe active. Les données acquises dans le cadre du programme POMME concernent les flux d’exportation de la silice biogénique et lithogénique dans la zone mésopélagique de part et d’autre d’une zone frontale séparant deux régimes de productions distincts (i. E. Mésotrophie versus oligotrophie). Les résultats permettent d’obtenir un bilan des flux annuels d’exportation de BSi/LSi dans cette zone du bassin nord-est de l’Atlantique. Il apparaît que les flux d’exportation de BSi sont relativement faibles en relation avec la limitation de la production siliceuse en surface. D’autre part, la variabilité spatiale observée des flux d’exportation de BSi va à l’encontre du gradient de production en surface ; des processus d’advection sont évoqués pour expliquer ces observations. De façon globale, le fonctionnement des systèmes KEOPS et POMME est décrit à partir d’une analyse combinée de la structure des réseaux trophiques et des flux biogéochimiques dans ces systèmes. En particulier, le devenir de la matière produite est discuté pour comprendre les caractéristiques de la pompe biologique. Ce travail, en combinaison avec une analyse du bilan de production et d’exportation de silice biogénique dans l’Océan global permet de discuter du rôle des diatomées dans la pompe biologique de carbone. On a pu mettre en évidence que si les diatomées jouent un rôle important dans l’exportation quantitative de matière (i. E. Intensité de la pompe biologique), elles ne sont pas pour autant efficaces dans ce processus d’exportation par rapport à leur production (i. E. Efficacité de la pompe biologique)<br>The oceanic biogeochemical silicon cycle was studied in the Southern Ocean on the naturally iron enriched Kerguelen plateau (KEOPS program) and in the northeast Atlantic in a frontal zone of production regime transition (POMME program). Data obtained as part of the KEOPS program are stocks and production fluxes of biogenic silica attributable to diatoms in the surface layer. The impact of iron on silicon utilization by natural diatom populations is analysed. Results underscore the role of iron on silicic acid uptake by diatoms. In the naturally iron-enriched area, diatoms have higher affinities for silicic acid which allows them to efficiently exploit low and limiting concentrations of this nutrient. In addition, this work provides evidence of the iron impact on the specific and elemental composition of diatom communities. By contrast with the HNLC offshore area, the diatom assemblage of the naturally iron enriched area is composed by more lightly silicified species and has Si:C and Si:NO3 uptake ratios quite typical of diatoms growing in favourable nutritional conditions. However, on a seasonal basis analysis of nutrient utilization shows that nitrate utilization is very low. Results show that the diatom bloom utilizes predominatly ammonium as its nitrogen source, which is produced by an active heterotrophic community. Data obtained as part of the POMME program are the export fluxes of biogenic and lithogenic silica in the mesopelagic layer from each part of the frontal zone dividing two distinct production regimes (i. E. Mesotrophy versus oligotrophy). Results provide an annual estimate of BSi/LSi export in this area of the northeast Atlantic Basin. BSi export fluxes are relatively low in relation to the limitation of silica production at the surface. Moreover, the spatial variability of BSi export flux is contrary to the gradient of productivity at the surface ; advective processes are hypothesised to explain these observations. Globally, the KEOPS and POMME system functionning is described from a combined analysis of the food web structure and the biogeochemical fluxes in these systems. The fate of produced matter is discussed to understand the biological pump characteristics. This work, in combination with an analysis of biogenic silica production and export in the Global Ocean puts in perspective the role of diatoms in the carbon biological pump. We found that if diatoms play an important role in the quantitative export of matter (i. E. The biological pump intensity), they are not as efficient in the export process as compared to their production (i. E. The biological pump efficiency)

Les premieres distributions de silice biogenique jamais etablies dans les secteurs indien et atlantique de l'ocean antarctique ont ete realisees respectivement pendant l'ete et l'automne. La silice en phase particulaire presente tres frequemment des valeurs elevees dans les eaux de fond ou les concentrations peuvent atteindre celles de la couche de surface. Des mesures in vitro de constantes de vitesse de dissolution de frustules de diatomees antarctiques provenant soit de population naturelle, soit de culture specifique, ont conduit a des valeurs d'un ordre de grandeur inferieur a celles determinees par la methode isotopique. Ce resultat peut provenir de la non prise en comptre de la fraction nanoplanctonique des diatomees. Une simulation du devenir des particules de silice biogenique en milieu advectif confirme qu'au sein de la divergence antarctique, les petites particules ont tendance a rester confiner apres leur mort dans la couche superficielle si elles echappent au broutage par le zooplancton et au processus d'agglomeration. Ces particules seraient responsables de la fraction significative et variable (18% a 58%) qui est regeneree dans les cent premiers metres. Malgre de grandes quantites de silice dissoute dans les eaux antarctiques superficielles, la production de materiel biogenique demeure faible; les taux de division estimes pour les diatomees sont inferieurs a leur valeur optimale et presentent une grande variabilite mettant en avant la diversite de fonctionnement de cet ecosysteme dont la production automnale de materiel silicieux pourrait representer 38 a 58% de la production annuelle

L'oxysulfure de carbone a un role tres important dans la chimie de l'atmosphere. Cependant il peut exister un desequilibre entre l'intensite de ses sources et de ses puits. On determine la source oceanique du sulfure de carbone et son nettoyage atmospherique par les pluies et la vegetation

La biogéochimie de l’Océan austral joue un rôle crucial dans la régulation de la production primaire marine globale en contrôlant la disponibilité des nutriments dans les eaux de surface des basses latitudes. Les variations du cycle du silicium (Si) sont nombreuses et son couplage avec les autres éléments n’est pas encore bien compris dans cet océan. Les résultats issus de deux approches isotopiques différentes suggèrent qu’une pompe de Si active est rapidement initiée au printemps par la transition d’un mode de production de silice biogénique régénéré à une production dite « nouvelle ». L’évolution saisonnière de la composition isotopique naturelle du Si (δ30Si) est principalement contrôlée par l’équilibre entre les rapports « dissolution/production » et « Si-supply/Si-uptake » qui découplent la dynamique isotopique des réservoirs de Si dissout et particulaire (respectivement DSi et BSi). Nous avons également utilisé les mesures de δ30Si pour retracer les flux saisonniers de BSi vers l’océan profond. Ces résultats confirment que le δ30Si n’est pas altéré durant la sédimentation des particules. L’évolution saisonnière du δ30Si a permis de quantifier pour la première fois certains processus contrôlant la production des diatomées et leur devenir, tels que les évènements de mélange alimentant la ML en nutriments, ou l’évolution saisonnière de la vitesse de sédimentation des particules. Ces résultats confirment que le δ30Si du DSi et de la BSi, combinés aux techniques isotopiques de mesure des flux dans la ML, sont des outils prometteurs dans l’amélioration de nos connaissances du cycle du Si et apportent des informations nouvelles à intégrer aux modèles biogéochimiques<br>Southern Ocean biogeochemistry plays a crucial role on global marine primary production by impacting the nutrient availability even in low latitude surface water. Variations in the silicon (Si) cycle are large and its coupling to other nutrient biogeochemical cycles is still not well understood in this ocean. Results of two different isotopic approaches suggested that a strong silicon pump was quickly initiated in spring by a switch from regenerated to new biogenic silica production. The seasonal evolution of natural Si isotopic composition (δ30Si) was mainly driven by the balance between the “dissolution to production” and “Si-supply to Si-uptake” ratios that decoupled the isotopic dynamics of particulate and dissolved Si-pools (DSi and BSi, repectively). We also used δ30Si measurements to track seasonal flows of BSi to the deep sea with. These results confirmed that the δ30Si is well preserved during particles settling. The seasonal evolution of δ30Si signal allows for the first time to quantify important features about the processes controlling the diatoms’ productivity and its fate, such as mixing events that bring nutrient in the ML or the seasonal evolution of particles sinking velocities. These insights confirm that the δ30Si of DSi and BSi, combined to isotopic technics to measure Si fluxes in the ML, are promising tools to improve our understanding on the Si-biogeochemical cycle and provide new constraints for application to biogeochemical models

Cette étude expérimentale a consisté dans un premier temps en la caractérisation de la réactivité et des propriétés physico-chimiques de microparticules d'opales biogènes appelées phytolithes, pour plusieurs espèces de plantes terrestres provenant de milieux différents. Pour ce faire, une approche combinant plusieurs techniques complémentaires telles que, mesures de solubilité, cinétiques de dissolution, mesures électrophorétiques et titrages acido-basiques, a été menée sur ces phytolithes ce qui a permis de mieux quantifier le cycle biogéochimique du silicium (Si) à travers les plantes terrestres. Dans un second temps et afin de mieux contraindre ce cycle biogéochimique, cette étude a aussi porté sur les interactions de litières de plantes terrestres avec les solutions aqueuses en combinant cette fois des expériences de dégradation de litières dans des réacteurs fermés et dans des réacteurs à circulation. Les résultats démontrent une très forte réactivité des phytolithes et des litières de plantes vis-à-vis du relargage de Si, qui sont au minimum de un à deux ordres de grandeur plus élevés que les minéraux. La quantification du contrôle des phytolithes et des litières de plantes sur le relargage de Si à partir de ces réservoirs solides, démontre la possibilité d'un fort impact des plantes sur le cycle biogéochimique du silicium dans la plupart des environnements terrestres.

La premiere partie de ce travail porte sur le developpement de nouveaux concepts pour l'analyse de speciation du mercure dans les matrices environnementales. L'utilisation de l'extraction chimique assistee sous champ micro-ondes permet la preparation rapide des echantillons biologiques ou solides tout en preservant l'integrite moleculaire des formes chimiques a analyser. L'etape de determination est realisee par des techniques couplees en ligne faisant intervenir le piegeage cryogenique et la spectrometrie atomique, apres derivation en phase aqueuse par generation d'hydrure ou ethylation des composes du mercure (mercure inorganique, methyle-mercure). Une procedure de controle qualite et assurance a permis de verifier que ces methodes sont justes et precises. Le deuxieme volet de ce travail a permis d'appliquer ces methodes analytiques a l'etude du cycle biogeochimique du mercure dans les milieux estuariens dans le cadre d'un programme europeen (projet biogest). L'etude d'une carotte, realisee dans des sediments fluides (creme de vase) de l'estuaire de la gironde, demontre que le developpement de ces formations sedimentaires entraine la mobilisation du mercure dissous dans la colonne d'eau et contribue a la methylation du mercure dans cet estuaire. Les resultats obtenus sur la speciation et la distribution du mercure dans les phases dissoute et particulaire de trois estuaires europeens macrotidaux (gironde, rhin, escaut) etablissent que le regime hydrodynamique et le temps de residence des particules de ces systemes controlent la disponibilite chimique, et donc les processus de transfert et de transformation du mercure. Ces processus engendrent une production significative de methyle-mercure dans les estuaires macrotidaux qui peut avoir des repercussions sur les ecosystemes marins cotiers.

La connaissance des cycles biogéochimiques dans les écosystèmes, et celle des processus biologiques responsables de la mobilité des éléments dans les sols reste encore aujourd’hui un challenge. Un certain nombre de travaux montrent bien le rôle important des plantes sur l’altération des minéraux et la mobilisation des éléments dans l’environnement. Cependant, l’identification et la quantification des mécanismes biologiques à l’origine de la dynamique du cycle des éléments restent encore à améliorer. A l'échelle globale, ou même à celle, plus petite, d'un bassin versant, l'impact des plantes sur les flux d'éléments dissous transportés par les rivières demeure difficile à quantifier. L'objectif de cette thèse était de développer, puis d'exploiter un nouveau traceur isotopique pour permettre une identification plus précise des phases minérales altérées et des processus biologiques impliqués. Parmi les éléments dont on peut, depuis peu, caractériser la signature isotopique de façon précise, le magnésium (Mg) a été choisi (1) en raison de son lien avec le cycle du carbone, et (2) parce qu’il représente un macroélément essentiel pour les organismes vivants : il est particulièrement très important pour la croissance des plantes. Ainsi, la dynamique du cycle du magnésium va dépendre des mécanismes biologiques et physico-chimiques mis en oeuvre pour le mobiliser ou l’assimiler. La première partie de cette thèse a été consacrée au développement d'un protocole chimique et analytique pour l'analyse des isotopes du Mg, dans une large gamme d'échantillons. Ce protocole a été validé par la mesure des compositions isotopiques en Mg de divers matériaux de références incluant des roches typiques de la croûte continentale, des plantes et des eaux. Il a ensuite été appliqué à l'étude du rôle de la végétation sur le cycle biogéochimique du Mg. Une première étude a permis de quantifier les fractionnements isotopiques du Mg lors de la croissance en conditions contrôlées de plantes réalisée avec deux espèces végétales et deux sources de Mg différentes (disponible (en solution) ou peu (dans la structure de minéraux). Les deux espèces de plantes sont systématiquement enrichies en isotopes lourds par rapport aux sources de nutriments. Au sein de la plante, les isotopes légers migrent préférentiellement depuis les racines vers les feuilles. Ce fractionnement, lors de la translocation du Mg à l’intérieur de la plante, semble d’autant plus fort que la source est pauvre en Mg, suggérant un rôle clé du milieu de croissance. Pour la première fois, des analyses isotopiques en Mg de plantes naturelles sont réalisées, et affichent une gamme non significativement distincte de celle des roches et eaux de la croûte continentale. Une étude menée sur un petit bassin versant silicaté vosgien (Nord-Est de la France) démontre que la composition isotopique en Mg des végétaux de la strate herbacée ou de jeunes épicéas s’explique par les mêmes fractionnements isotopiques que ceux identifiés expérimentalement. Pendant la saison de végétation, la composition isotopique du Mg des solutions de sol dans les horizons de surface n’est pas le résultat d’un simple mélange et s'explique par le rôle essentiel du prélèvement et du recyclage biologique. La composition isotopique du ruisseau fluctue avec le débit. Elle est alimentée, soit par les eaux de ruissellement, soit par des eaux ayant un trajet plus long reflétant les interactions eau-roche en profondeur, et qui masquent, sur ce site d'étude, l'éffet de la végétation observé dans les horizons supérieurs du sol. L'ensemble de ces études démontre l'intérêt d'exploiter ce nouveau traceur isotopique à l'échelle d'un sol ou d'un écosystème, mais met également en évidence ses limites à plus grande échelle<br>The knowledge of biogeochemical cycles in ecosystems and the biological processes responsible for the mobility of elements in soil is still a challenge. Some studies show the important role of plants on mineral weathering and mobilization of elements in the environment. However, identification and quantification of biological mechanisms behind the dynamics of the elements are still improving. On a global scale, or even a smaller scale such as a watershed, the impact of plants on dissolved elements carried by rivers is difficult to quantify. Therefore, the objective of this thesis was to develop and use a new isotopic tracer to allow identification of altered mineral phases and biological processes involved. Among the elements for which it is now possible to characterize accurately the isotopic signatures, magnesium (Mg) has been chosen (1) because of its link with the carbon cycle, and (2) because it represents a macronutrient essential for living organisms: it is particularly important for plant growth. Thus, the dynamics of Mg will depend on the biological and physico-chemical mechanisms implemented to its mobilization and/or assimilation. The first part of this thesis has been devoted to the development of a protocol for chemical and analytical analysis of Mg isotopes in a wide range of samples. This protocol was validated by measuring the Mg isotope compositions of various reference materials including typical continental crust rocks, plants and waters. It was then applied to study the role of vegetation in the biogeochemical cycling of Mg. A first study was carried out under controlled conditions to quantify the Mg isotope fractionation during plant growth, using two plant species and two different sources of Mg (directly available for plant nutrition (in solution) or not (in the structure of minerals). Both plant species are systematically enriched in heavy isotopes relative to Mg initial sources. Within the plant, the light isotopes preferentially migrate from roots to leaves. This fractionation during the translocation of Mg within the plant seems even stronger the source is poor in Mg, suggesting a key role in the growth environment. For the first time, Mg isotope compositions of natural plants were analyzed, and show a range not significantly different from that of the continental rocks and silicate rivers. A study conducted on a small silicate watershed in Vosges (Northeast of France) shows that the Mg isotope compositions of the herbaceous plant or young spruce reflects the same sense of fractionation than those identified experimentally. During the growing season, the Mg isotopic composition of soil solutions in the surface horizons cannot be explained by a simple mixture and reflect the essential role of Mg uptake by plant and biological recycling via litter degradation. The isotope composition of Mg of the stream varies with the discharge. The streamwater results from either soil surface runoff or water, with a long residence time in the saprolith reflecting water-rock, precipitation-dissolution, interactions. All these studies demonstrate the interest to exploit this new tracer isotope at a soil or ecosystem scale, but also highlight its limits on a larger (continental) scale

Ce travail presente un modele du cycle du phytoplancton en manche, a travers l'etude des cycles de l'azote, du phosphore et du silicium. Ces elements ont ete choisis car ils limitent potentiellement la production primaire dans cette zone. Le modele final est issu d'un couplage entre un modele physique et un modele biologique, qui represente ces elements sous les formes inorganique dissoute, phytoplanctonique, detritique et organique benthique. Le modele physique horizontal initial est issu d'un schema en boites, auquel a ete couple un modele vertical bicouche thermo-halin. Une simulation a l'aide d'un modele tri-dimensionnel a maillage fin est egalement presentee en fin de these. Les resultats mettent en evidence l'importance de la stratification dans la date d'apparition du bloom planctonique et des concentrations en sels nutritifs dans l'intensite du pic. Neanmoins, la simulation de la periode 1978-1992 montre que les fluctuations interannuelles des conditions meteorologiques prevalent sur celles des apports terrigenes en sels nutritifs quant au controle de la production primaire en manche. Par ailleurs, les plus fortes productions primaires sont observees dans les zones brassees et peu turbides du centre de la manche orientale

L'objectif de cette these est d'etudier la dynamique du phyoplancton dans les ecosystemes cotiers macrotidaux, en relation avec l'hydrodynamique et avec le cycle biogeochimique du silicium. Deux sites ateliers ont ete frequemment visites au cours du printemps 1992, la rade de brest et le secteur homogene de la manche occidentale. Dans ces deux ecosystemes cotiers macrotidaux, le declenchement des diverses floraisons est etudie sous l'angle de la theorie des ergoclines, afin de comprendre la difference observee dans la reponse du phytoplancton aux apports d'energie auxiliaire variant en relation avec l'alternance vives eaux/mortes eaux. Le role du silicium est egalement essentiel dans les premiers stades de la succession. Une methode a ete mise au point pour determiner les teneurs en silice biogenique en s'affranchissant de l'interference minerale due a la presence, dans les eaux cotieres, de nombreux mineraux silicates. Cette methode a permis (1) de mettre en evidence une limitation de la croissance des diatomees par les silicates dans les deux ecosystemes et (2) d'etablir pour l'ecosysteme rade de brest un bilan complet des flux de silicium dissous et particulaire (biogenique). La mesure directe des apports de silicates a la rade, comparee avec une estimation indirecte de la production de silice biogenique, a permis de mettre en evidence l'importance de la regeneration du silicium dans la colonne d'eau et a l'interface eau-sediment

L'atmosphère des hautes latitudes sud demeure très peu documentée à l'heure actuelle. Or, la compréhension des systèmes biogéochimiques à ces latitudes est nécessaire tant pour l'interprétation des archives glaciaires que pour évaluer l'importance de ces régions dans le climat actuel et futur, en liaison notamment avec les émissions océaniques de diméthylsulfure (DMS). Des études de distributions en taille de l'aérosol sur la base côtière antarctique de Dumont d'Urville ont permis de mieux cerner les problèmes de fractionnement de l'aérosol marin par rapport à la composition de l'eau de mer. En hiver, un déficit de sulfate par rapport au sodium ou au chlore est observé. La chronologie et l'ampleur de ce phénomène ont pu être précisés, dans le but de quantifier le nss-sulfate hivernal. Un second phénomène de fractionnement du sel de mer, lié à la remobilisation de HCI et traduit par un déficit de chlore par rapport au sodium, se révèle peu marqué sur le site suite à la combinaison de plusieurs paramètres, parmi lesquels l'influence locale d'émissions ornithogéniques alcalines. Depuis fin 1998, des mesures de DMS et de DMSO complètent les prélèvements d'aérosols continus depuis 1991. Après trois années de mesures, il apparaît une très grande variabilité interannuelle des teneurs en DMS liée à une variabilité importante de la source océanique locale en été. Si les niveaux de DMS paraissent fortement dépendants de cette source à une échelle locale, les espèces oxydées (MSA, sulfate) sont plutôt représentatives en été des émissions océaniques à une échelle régionale. En hiver, leurs teneurs sont très faibles (15 à 20 ng/m3 de nss-sulfate, hors perturbation volcanique, dont une moitié serait d'origine biogénique). Enfin, des études de photochimie en été ont confirmé l'importance d'un puits hétérogène du DMSO qui semble avoir une dépendance photochimique et s'inscrit comme étant une voie de production privilégiée de MSA particulaire.

L’objectif de cette thèse est d’établir et comprendre le cycle biogéochimique du bore et de ses isotopes au sein d’un écosystème forestier. Dans ce contexte, beaucoup de questions subsistent à propos du cycle biogéochimique du bore dans les écosystèmes terrestres, à savoir : • Quelles sont les sources majeures de bore dans les écosystèmes forestiers ? • Quelles sont les types de transfert entre les différents compartiments de l’environnement ? • Quels mécanismes contrôlent ces échanges ? Pour établir ce cycle, nous allons quantifier les différents stocks (végétation, sol) et flux (apports atmosphériques dissous et particulaires, pluviolessivats, ruissellements de tronc, litières, profils de sol et drainage) de bore dans le site atelier de l’OPE situé dans la forêt domaniale de Montiers-Sur-Saulx (Meuse). Il est important de noter que nous utiliserons les isotopes du bore (11B et 10B) afin de comprendre la dynamique de son cycle biogéochimique ainsi que les échelles de temps des échanges ayant lieu entre les différents compartiments environnementaux. Au final, cette thèse se divise en quatre parties distinctes : 1. Une première partie de développement analytique, visant à la mise en place, l’extraction, la purification et la mesure du bore et de ses isotopes au sein des matrices végétales. 2. Une seconde partie focalisée sur les origines et mécanismes qui contrôlent les apports atmosphériques dissous et particulaires sur le site atelier de Montiers. 3. La troisième partie vise à établir les différents transferts de bore dans le système sol plante sur deux sols distincts : un rendisol, basique ainsi qu’un alocrisol, acide. Le but de cette démarche est d’évaluer dans un premier temps l’influence des composantes du cycle biogéochimique sur les transferts de bore puis, dans un second temps, d’évaluer l’influence des propriétés d’un sol sur la dynamique du cycle biogéochimique d’un écosystème. 4. La dernière partie vise à établir un modèle d'évolution du bore et de ses isotopes dans le système sol-plante. Ce modèle est principalement basé sur les observations réalisées durant l'année 2012<br>This thesis aims at establishing and understanding the biogeochemical cycle of boron and its isotopes within a forest ecosystem. In that context, many questions remain concerning the dynamics of boron within terrestrial ecosystems: • What are the major sources of boron? • What type of transfer occurs between the compartments of the environment? • What mechanisms are controlling those transfers? In order to establish this biogeochemical cycle, we quantified the different stocks (vegetation, humus and soil) and fluxes (atmospheric dust and dissolved deposition, throughfalls, stemfloxs, litterfall and drainage) of boron in the study site of Montiers. The use of boron isotopes will give us insight concerning the mechanisms controlling the dynamics of boron. This thesis is divided in 4 main parts: 1. The first part aims at establishing a new method of extraction, purification and measurement of boron and its isotopes within vegetation samples. 2. The second part focuses on the sources and mechanisms controlling boron within atmospheric dust and dissolved deposition on the study site of Montiers. 3. The third part aims at establishing the stocks and fluxes of boron on two distinct soils: a rendisoil (basic pH) and an alocrisoil (acid pH). The goal is to determine the influence of different soil properties on boron dynamics within its biogeochemical cycle. 4. The last part aims at establishing a model of boron and boron isotopes dynamics in the soil plant system. This model is mainly based of the measurement made in 2012

L'objectif de ce travail est de comprendre la cinétique de dissolution de l'apatite lors des interactions eau-roche dans le milieu naturel. La vitesse de dissolution de l'apatite a été mesurée dans un système ouvert et fermé en fonction de la composition chimique de la solution et de la température. La réactivité de l'apatite est très importante en milieu acide et se traduit par des concentrations élevées en phosphore et en fluor. La dissolution et la précipitation du rhabdophane en présence d'apatite sont rapides, ce qui influence la signature des TR dans les eaux de surface. En présence de Pb, la dissolution de l'apatite est inhibée par la précipitation rapide d'une phase de phosphate de plomb. La présence des bactéries et des acides organiques augmente la vitesse de dissolution de l'apatite. La vitesse de dissolution du quartz et des feldspaths alcalins mesurée augmente en fonction de l'augmentation de la concentration du fluor dans la solution. A cause de sa grande réactivité, la présence d'apatite, même en faible quantité, peut avoir un effet considérable sur les cycles biogéochimiques<br>The goal of this study is to understand the kinetics of apatite-water interaction in natural systems. Towards this goal steady-state dissolution rates of apatite have been measured in closed and open system as a function of aqueous solution composition and temperature. Apatite has a high reactivity in strongly acidic medium resulting in high concentrations of both aqueous phosphorous and fluoride. The dissolution and precipitation of rhabdophane in the presence of apatite are sufficiently rapid such that this process controls REE concentration and influence REE spectra of many near surface waters. In the presence of apatite, lead phosphate precipitates rapidly in supersaturated solutions and inhibits further apatite dissolution. The presence of bacteria and organic acids increase apatite dissolution rate. Measured quartz and alkali-feldspar dissolution rates are found to increase with increasing aqueous fluoride concentration. Due to its high reactivity the presence of even small amounts of apatite in soils may thus influence many important biogeochemical cycles

Le cobalt est un métal de transition essentiel pour la croissance du phytoplancton, et en particulier pour les cyanobactéries qui ont un besoin absolu pour cet élément. En étant l'atome central de la cobalamine (vitamine B12), le cobalt est aussi indirectement essentiel aux eucaryotes marins qui ne synthétisent pas cette vitamine. Cet élément peut se substituer au zinc et au cadmium au sein de la carbonique anhydrase, l’enzyme permettant la fixation du dioxyde de carbone dans la cellule phytoplanctonique. Il pourrait intervenir également dans l’activation de l’alcaline phosphatase. De par ses implications biologiques, le cobalt pourrait jouer un rôle important dans le cycle océanique du carbone. Cependant, les connaissances du cycle biogéochimique du cobalt en milieu marin sont encore largement limitées. Ce travail de thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre du programme international GEOTRACES au sein duquel le cobalt y est désigné comme un élément clé de la biogéochimie marine. Au cours de ces travaux, l’un des plus larges jeux de données, rapporté à ce jour, incluant les différentes fractions du cobalt (soluble, dissous, particulaire, spéciation organique) a été produit. Les données recueillies proviennent d’échantillons collectés au sein de domaines océaniques contrastés. Une stratégie de prélèvement à haute résolution et à grande échelle a été mise en place dans diverses régions océaniques du monde lors de campagnes à la mer. Ainsi pour la première fois, une cartographie du cobalt dissous (DCo) et particulaire (PCo) a pu être définie pour l’ensemble de l’Atlantique Ouest, ainsi que des bassins Méditerranéens et de la Mer Noire. Ce jeu de données a pu être produit par l’utilisation de différentes techniques d’analyses (Flow-Injection-Analysis and Chemiluminescence detection ; Voltamétrie, SF-ICP-MS) aux limites de détections basses permettant la détermination de cet élément, présent dans l’eau de mer à des concentrations de l’ordre du pico-molaire (10-12 M). Le cobalt est en effet l’un des micro-nutritifs le moins abondant dans l’eau de mer. Les concentrations les plus faibles en DCo ont été observées dans les eaux oligotrophes de l’Atlantique Ouest (&lt; 15 pM) alors que les plus élevées sont enregistrées dans la couche supérieure des eaux sulfidiques de la Mer Noire (&gt; 5 nM). La distribution verticale du cobalt dissous variait selon les systèmes biogéochimiques. Ainsi, le profil vertical est de type nutritif comme les phosphates dans les eaux de surface de l’océan Atlantique. Les concentrations y augmentent avec la profondeur, jusqu’à un maximum relatif dans les eaux intermédiaires, puis décroissent dans l’océan profond. Ce comportement contraste avec le profil observé pour l’ensemble des bassins de la Mer Méditerranée. Dans cette mer, les fortes concentrations en DCo mesurées en surface (100-300 pM) diminuent en effet avec la profondeur. En Mer Noire, la distribution verticale varie selon les conditions d’oxygénation des eaux. Les concentrations y sont extrêmement élevées par comparaison aux autres systèmes marins. […]<br>No

Ce travail se propose d’évaluer l’impact de la plante invasive Spartina alterniflora sur l’écosystème de la Rade de Brest. Cette espèce, originaire de la côte Est nord-américaine où elle est trouvée dans les marais maritime, a récemment colonisé la Rade de Brest. Les résultats obtenus au cours de ce travail reposent à la fois sur l’écologie, écophysiologie et biogéochimie, ils sont exposés an trois parties. La première partie est dédiée à l’étude de l’écologie de la plante invasive. S. Alterniflora a envahi la Rade de Brest où elle se développe des marais salés jusqu’aux marais tidaux d’eau douce. Le manque de compétiteur lui a même permis de se développer jusqu’en haut du schorre. Il en résulte une homogénéisation de la composition spécifique de la végétation des marais. Afin de mieux comprendre les distributions de S. Alterniflora dans la Rade de Brest, nous avons mesurés les variations des densités, des tailles, et des productions primaires en fonction de l’hydrodynamisme, de la salinité et de la durée de l’immersion. Les productions primaires les plus importantes ont été mesurées chez les plantes soumises à un faible hydrodynamisme, de faibles salinités et des durées d’immersion intermédiaires. La valeur moyenne de la production primaire calculée pour la Rade de Brest est de 1034 g poids sec m-2 an-1. Ce résultat est en accord avec d’autres valeurs estimées pour des spartines dans leurs milieux d'origine et ainsi que dans d’autres sites envahis. La seconde partie porte sur les effets de l’accumulation du silicium chez les plantes sur les mécanismes de résistance aux stress environnementaux. Les phanérogames représentent une composante sous étudiée du cycle du silicium, elles peuvent absorber le silicium sous forme dissoute (dSi) et le stocker sous forme biogénique (bSiO2). Le Si est connu pour sa capacité à réduire l’effet de stress environnementaux de type physique, chimique, et biologique comme les tempêtes, les fortes salinités, la toxicité des métaux lourds, le broutage et certaines maladies. Les objectifs de cette partie étaient de déterminer (1) dans quels organes et quand la bSiO2 est accumulée au cours du cycle de vie de la plante, (2) de savoir si cette accumulation varie en fonction de l’hydrodynamisme, de la salinité, et de la durée de l'immersion, et (3) de savoir si l’accumulation est limitée par la disponibilité en dSi dans les sédiments des marais. Un suivi terrain de 2 ans nous a permis d’échantillonner des plantes dont les contenus en silicium ont été mesurés. Des échantillons de sédiment ont été prélevés à l’échelle saisonnière, et les concentrations en dSi des eaux interstitielles ont été mesurées de O à 10 cm de profondeur. Les résultats permettre de montrer que la bSiO2 s’accumule plus dans les feuilles matures des spartines que dans les autres organes. Nous avons observé une relation linéaire entre les concentrations en bSiO2 et la longueur des plantes. Les concentrations en bSiO2 dans les plantes décroissent avec l’augmentation de l’exposition aux facteurs abiotiques testés. Nous n’avons pas observés de différences entre les disponibilités en dSi de tous les sites étudiés. Les profils de dSi n’ont pas montré de fortes pertes ducs à l’absorption par les racines. Nos résultats suggèrent que la disponibilité en dSi n’est pas un facteur limitant pour l’espèce étudiée. Nous avons montré que chez S. Alteniflora la concentration en bSiO2 n’augmente pas avec l’exposition aux stress, mais à l’inverse qu’elle augmente en corrélation avec la croissance dc la plante. II semble donc que S. Alterniflora a du développer d’autres stratégies pour lutter contre l’effet des stress abiotiques, cependant, cela n’exclut pas le fait que l’accumulation de Si par les plantes peut avoir un effet positif dans la résistance aux stress. Ce travail soulève des questions intéressantes sur les mécanismes d’absorption du Si par les plantes, la disponibilité du Si dans les sédiments et sur son rôle dans la croissance des plantes. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l’étude de l’impact de cette plante invasive sur la rétention du silicium dans les marais maritimes. Le silicium (Si) est le second élément le plus important composant la croûte terrestre. Les principaux apports de Si à l’océan proviennent du lessivage des sols cn milieu terrestre et sont véhiculés par les rivières. La silice dissoute (dSi) est bioassimilable par de nombreux organismes aquatiques, marins et terrestres aussi divers que les plantes, les microalgues, les champignons et les bactéries. Les plantes accumulent de la silice biogénique (bSiO2) sous forme de phytolithes qui représentent une part importante des apports fluviaux de Si le long du continuum terre-mer. Le rôle des phanérogames et de leurs phytolithes dans le cycle du Si est encore mal connu. Les activités anthropiques peuvent avoir un impact important sur les apports fluviaux de Si. L’eutrophisation, la construction de barrage et le développement d’espèces invasives peuvent modifier significativement la rétention du Si dans les estuaires. Nous avons étudié les variabilités temporelles et spatiales des profils de dSi et bSiO2 dans les sédiments des marais envahis ou non par la spartine. Nous avons aussi comparé les concentrations annuelles en dSi et bSiO2 des sédiments des marais envahis en fonction de la salinité et de la durée d’immersion. De plus, nous avons réalisé des expériences de dissolution de la bSiO2 dans la litière de spartine et dans les sédiments des marais afin de calculer des constantes de dissolution (kdiss). Dans la seconde partie de cc travail, nous avons utilisé les données obtenues dans la seconde partie de ce travail pour établir des bilans de Si pour des marais envahis et non envahis Nous avons pu observer une tendance saisonnière dans les profils de dSi dont les concentrations augmenteraient du printemps jusqu’à l’automne. Les moyennes annuelles des concentrations en bSiO2 et en dSi dans les sédiments augmentent avec la diminution de la salinité le long du gradient estuarien. A l’inverse, les constantes de dissolution de la bSiO2 augmentent avec la salinité, et la bSiO2 dans la litière de spartine se dissout 5 fois plus vite que celle des sédiments. En comparant les bilans des marais envahis et non envahis, nous avons estimé que la rétention de Si est 2 fois plus importante dans le marais envahis (8 %) que dans le marais non envahis (4 %). L’enfouissement de bSiO2 augmente de 50% dans les marais envahis. Les différences observées peuvent s’expliquer par le fait que S. Alterniflora est une espèce bioingénieure qui augmente la sédimentation. L’effet de l’invasion de S. A1ternlora sur la rétention du Si dans les marais semble plus dû à des processus physiques que biologiques puisque le flux d’absorption de la plante ne représente que 0,1 % de l’apport total de Si dans les rivières<br>The aim of this study was to evaluate the impact of the invasive plant Spartina alterniflora on the ecosystem of the Bay of Brest. This species is a tidal marsh plant originating from the East coast of North America, and that have recently colonized the Bay of Brest. This work was performed by coupling studies of ecology, ecophysiology, and biogeochemistry. The first part of this work is dedicated to the ecology of this invasive plant. S. Alterniflora has invaded the Bay of Brest and can now be found from salt marshes to freshwater tidal marshes. The lack of apparent competitors on the high marsh allowed S. Alterniflora to colonize higher tidal elevations and resulted in a homogenization of plant diversity in tidal marshes. To better understand cordgrasses large distribution in the diverse environments of the Bay of Brest (France), we measured stem densities and lengths, and above-ground living and dead biomass at sites differing in their hydrodynamics, soil and water column salinities, and durations of immersion. Low wave energy, low salinity, and intermediate levels of flooding were associated with relatively high levels of growth and primary production determined from calculations of net aerial primary production (NAPP). The mean NAPP value for S. Alterniflora in the Bay of Brest was 1034 g DW m-2 y-1, agreeing with similar estimates from the east coast of the USA and other invaded sites. The second part of this work focused on the effect of the accumulation of silicium and the alleviation of environmental stresses in S. Alterniflora. Vascular plants are an understudied component of the global silicon cycle; they can absorb silicic acid (dSi) and store it as biogenic silica (bSiO2). S. Alterniflora is a Si-accumulating plant in such species Si is believed to alleviate physical, chemical, and biological stresses such as storms, high salinity, heavy metal toxicity, grazing, and disease. Our objectives were to determine (1) in which organ and when bSiO2 accumulates in the plant during its life cycle, (2) whether this accumulation varies with abiotic factors: wave action, estuarine salinity, and duration of immersion, and (3) if the accumulation was limited by dSi availability in marsh porewater. A 2 years field survey allowed to sample plants which were analyzed for there bSiO2 concentrations. Sediment cores were sampled seasonally and the dSi concentrations in the porewater were measured from 0 to 10 cm. BSiO2 accumulated more in mature leaves than in other organs. There was a strong linear relationship between bSiO2 concentration and plant length. BSiO2 concentration did not increase, but rather decreased as a function of exposure to the three abiotic factors tested. DSi availability was not significantly different for each of the tested sites and dSi profiles did not exhibit huge losses in the root zone Our evidence suggests that dSi availability did not seem to be a limiting factor in this case. We showed that bSiO2 did not increase with increasing abiotic stresses but was strongly correlated with growth Hence, S. Alterniflora is likely to have other adaptive strategies for dealing with environmental stressors but it did not exclude the possible role of Si m alleviating these stresses If this is the case, further work is needed to better understand Si uptake, its availability, and its role in silicification and growth in this species. The last part of this work is deals with the impact of the invasive plant on the retention of Si in tidal marshes. Silicon (Si) is the second most import element composition the terrestrial crust. Through weathering, the main inputs of Si to oceans come from lands and are delivered by rivers. Dissolved silica (dSi), is bioavailable for number of aquatic, marine and terrestrial organisms as diverse as terrestrial plants, micro algae, fungi and bacteria. Plants accumulate biogenic silica (bSiO2) as phytoliths, which represents an important component of the riverine Si input along the land-ocean continuum. The role of vascular plants and their phytoliths in the Si cycle remains unclear. Anthropogenic activities have an important impact on riverine nutrient inputs. Eutrophication, dam constructions, and invasive species can significantly modify the retention of Si in estuaries. In this part of the study we investigated temporal and spatial variability and studied the effect of salinity and duration of immersion on the concentration of bSiO2 and dSi measured in sediments of an invaded and non-invaded marsh. In addition, we realized a dissolution experiment of Spartina litter and of marsh sediment in order to estimate the dissolution constant (kdiss). We finally calculated Si budgets m an invaded marsh and in a non-evaded marsh from previously obtained results. This work showed a possible seasonal trend in dSi concentrations increasing from spring to fall. The bSiO2 and the dSi annual mean concentrations m sediment increase with decreasing salinities along the estuarine gradient. We also showed that bSiO2 dissolution rate increase with salinity and that the bSiO2 in S. Alteniflora litter dissolve 5 times faster than in marsh sediments. Comparing the budgets of the invaded and the non-invaded marsh, we observed that the j retention of Si is two times higher in the invaded marsh (8 %) than in the non-invaded marsh (4%). Burial increases by 50 % in the invaded marsh. These differences are explained by the fact that S. Alteniflora is a bioengineer species that increases sediment deposition. The impact of the invasive S. Alterniflora on the retention of bSiO2 seems to be more due to physical than biological processes as uptake of the invasive plant itself represent only 0. 1% of the total Si input

Ce travail s’inscrit dans la problématique d’évaluation de sûreté préalable au possible stockage de déchets radioactifs HAVL en couches géologiques profondes. Afin de consolider les modèles de prédiction à longue terme des risques associés à une contamination potentielle de la biosphère par le 79Se, la biogéochimie du sélénium stable a été explorée, en visant dans un premier temps un éclairage sur la dynamique du cycle global de Se dans un écosystème forestier en terme de stock et flux annuels. Suite aux résultats de la première partie, qui suggèrent l’importance du sol et son pool organique dans le cycle global de Se, deux études basées sur l’utilise des traceurs isotopique stables ont été ensuite menées afin de clarifier les processus impliqués (i) dans la rétention et la réactivité de Se dans les sols et (ii) dans la bio-incorporation de Se inorganique dans la biomasse des plantes au sein d’une fraction organique<br>This work was performed in the frame of the safety assessment program prior to the possible construction of an underground repository for nuclear waste (HAVL). To consolidate risk assessment models associated to a potential 79Se biosphere contamination, biogeochemistry of stable selenium was investigated, aiming firstly to highlight the dynamics of Se cycling in a forest ecosystem, in terms of inventories and annual fluxes. Consequently to these first results, which suggest a clay role of soil and its organic pool in the global Se cycle, two studies based on the use of isotopically enriched tracers were further carried out in order to clarify the processes involved in (i) Se retention and reactivity in soils and (ii) incorporation of inorganic Se within organic pool of vegetal biomass

La silice est un constituant essentiel de la lithosphere. Le comportement du silicium a travers l'alteration supergene, le role du silicium dans l'intercation sol/plante et les differentes formes de cet element dans les eaux de circulation du sol ont ete abordes dans ce travail. Pour cela, nous avons choisi d'etudier le manteau d'alteration developpe aux depens de cendres trachytiques du versant ouest du piton des neiges de l'ile de la reunion. La redistribution du silicium au cours de l'alteration supergene des cendres trachytiques est marquee par un transfert de cet element de phases primaires de verres volcaniques et de feldspaths a des phases secondaires cristallisees a courte distance d'imogolite (32 000 ans), puis a des phases secondaires cristallisees a courte distance d'allophanes alumineux et siliceux (44 000 ans) et enfin a des phases secondaires plus cristallisees d'halloysite (70 000 ans). Cette redistribution s'accompagne avec le temps d'une perte en silicium. La partie superieure du manteau d'alteration comprend un horizon (e) constitue a 90% d'opale biogenique (phytolithes). Ces phytolithes sont issus d'une vegetation de nastus borbonicus (bambous) et l'horizon e, appele egalement mascareignite, s'est forme au cours du dernier millenaire. Le developpement de forets de bambous est lie aux incendies intensifies dans cette zone par l'arrivee de l'homme sur l'ile a partir du 17#i#e#m#e siecle. L'accumulation de phytolithes confere un caractere podzolique a la partie superieure du manteau d'alteration alors qu'en profondeur celui-ci a les caracteristiques d'un andosol. Le silicium est, apres le carbone, l'element majoritaire des colloides des eaux de circulation du sol. Ces colloides siliceux sont precurseurs des composes solides du sol. Dans le systeme podzolique il s'agit de proto-imogolite (al/si proche de 2) precurseur d'imogolite. Dans le systeme andosolique il s'agit de precurseurs siliceux pour les composes cristallises a courte distance d'imogolite et d'allophanes et des precurseurs silico-alumineux (al/si proche de 1) pour les composes cristallises d'halloysite. L'histoire du silicium eclaire particulierement le fonctionnement des manteaux d'alteration en environnement tropical, ainsi que les empreintes successives des perturbations naturelles et anthropiques.

La pratique du «semis direct» ou no-till (NT) se développe rapidement comme méthode de conservation des sols. Cette pratique modifie nombre de propriétés du sol comme, par exemple, la répartition du phosphore (P) dans le profil du sol. L’objectif de cette thèse est d’analyser les impacts après plusieurs décennies sous la gestion de NT sur le cycle biogéochimique du P et d’intégrer ces effets dans un modèle de fonctionnement. Nous avons utilisé un essai au champ de longue durée sous maïs-soja (L’Acadie, Québec, Canada) implanté sur un sol argilo-limoneux. Le dispositif était un split-plot à 4 blocs avec le labour conventionnel ou « mouldboard plough » (MP) et sans labour (NT) en parcelles prioncipales et 3 doses de fertilisation en P minéral [0 (0P), 17.5 (0.5P), 35 (1P) kg P ha⁻¹] apportées sur le maïs et localisées à 5 cm de profondeur et à 5 cm du rang de maïs, en sous-parcelles. La concentration en ions phosphates dans le sol (Cp) était relativement uniforme dans la couche labourée (0-20 cm) (0.08 mg P L⁻¹), puis baissait légèrement dans la couche 20-30 cm (0.05 mg P L⁻¹) et davantage au-delà (0.01 mg P L⁻¹). Sous les traitements [NT, 0.5P] et [NT, 1P] traitements, le Cp était plus élevé dans la couche 0-10 cm (0.28 et 0.19 mg P L⁻¹) que dans la couche labourée mais baissait rapidement avec la profondeur. Cette stratification verticale sous NT était également observée pour les teneurs en P-Olsen, P-M3 et autres nutriments comme C, N et K. Après 23 et 24 années d’essai, il y avait tendanciellement moins de racines du maïs sous NT (-14%) que sous MP, probablement à cause de la présence plus importante d’adventices sous NT. Pour le soja, il y avait beaucoup plus de racines dans la couche 0-10 cm sous NT (44% de longueur total) que sous MP (21%) et inversement dans la couche 10-20 cm. Ces différences de distribution des racines sous NT et MP correspondaient à la stratification de N, P, et K. Ce jeu de données sur la distribution des racines et du phosphore a été utilisé pour i) évaluer un modèle 1D décrivant la dynamique du P dans la couche labourée du sol sur plusieurs décennies, ii) proposer un mode d’estimation de la distribution du prélèvement dans le profil de sol, et iii) développer un modèle spatialisé 2D décrivant la dynamique du P pour le traitement sans labour. Ce modèle permet de simuler l’évolution de la disponibilité en P du sol sur le long terme quelque soient les modes de préparation du sol et le régime de fertilisation P. Même si le modèle surestime parfois la disponibilité en P à proximité de la zone fertilisée, il permet de prédire la stratification du P du sol en NT et ses conséquences sur le prélèvement de P en relation avec les propriétés du sol et le développement du système racinaire. Il contribue à améliorer le raisonnement de la fertilisation phosphatée dans le contexte du sans-labour. Mots clés : labour, sans-labour, semis direct, agriculture de conservation, fertilisation phosphatée, agrosystèmes, stocks et flux, interception racinaire, sol, fertilité, bilan.<br>The no-till (NT) is gaining great attention for soil preparation. This practice modifies number of soil properties such as the distribution of phosphorus (P) in the soil profile. This work aims to analyze the impacts on the biogeochemical P cycle after decades of NT and to incorporate those effects in an operational model. We used a long-term field experiment under corn-soybean rotation established on a clay loam soil (L’Acadie, Quebec, Canada). The design was a split-plot plan with 4 blocks under moldboard plough (MP) and NT as main plots, subdivided by 3 doses of P [0 (0P), 17.5 (0.5P), 35 (1P) kg P ha⁻¹] applied in corn phase and localized to 5-cm deep and 5-cm from the corn row, as sub-plots. The phosphate ion concentration under MP was relatively constant (0.08 mg P L⁻¹) in the tilled layer (0-20 cm), slightly lower in 20-30 cm (0.05 mg P L⁻¹) and much lower below (0.01 mg P L⁻¹). In [NT, 0.5P] and [NT, 1P] plots, Cp was higher (0.28 et 0.19 mg P L⁻¹) in the 0-10 cm layer compared to the tilled layer in MP, but decreased sharply with depth. This vertical stratification in NT was also observed for P-Olsen, P-M3 and other nutrients as C, N, and K. After 23- and 24-year of experimentation, maize roots tended to be fewer (-14%) under NT than MP, probably because of increased weed infestation under NT. For soybean, more roots accumulated in the 0-10 cm layer under NT (44% of total length) than MP (21%) and vice versa for the 10-20 cm layer. Those differences in root distribution under NT and MP corresponded to the stratification of N, P, and K. This data set on the distribution of roots and phosphorus was used i) to develop a 1D model describing P dynamics over several decades in MP, ii) to test a method to assess the spatial P uptake distribution according local root length density and soil P availability, and iii) to develop a spatial 2D model describing P dynamic in NT. This model simulates the soil P availability dynamic on long term according soil properties and crop root distribution within the soil profile for different soil preparation regimes and P fertilization rates. Although the model overestimates the P availability near the localized P fertilizer, it can predict soil P stratification in the NT treatment and its consequences on crop P uptake. This new model will be a useful tool to improve P fertilization management in context of no-till practices. Keywords: tillage, no-till, direct drilling, conservation agriculture, phosphate fertilizer, agro-systems, stocks and flows, root interception, soil fertility, P budget.

La pratique du «sans labour» (NT) se développe dans le cadre de l’agriculture de conservation des sols. Cette pratique modifie nombre de propriétés du sol comme, par exemple, la répartition du phosphore (P) dans le profil du sol. L’objectif de cette thèse est d’analyser les impacts après plusieurs décennies du NT sur le cycle biogéochimique du P et d’intégrer ces effets dans un modèle de fonctionnement. Nous avons utilisé un essai au champ de longue durée sous maïs-soja (L’Acadie, Québec, Canada) implanté sur un sol argilo-limoneux. Le dispositif était un split-plot à 4 blocs avec mouldboard plough (MP) et sans labour (NT), subdivisés par 3 doses de fertilisation en P minéral [0 (0P), 17.5 (0.5P), 35 (1P) kg P ha-1] apportées sur le maïs et localisées à 5 cm de profondeur et à 5 cm du rang de maïs.La concentration des ions phosphates du sol (Cp) test était relativement uniforme dans la couche labourée (0-20 cm) (0.08 mg P L-1), puis baissait légèrement dans 20-30 cm (0.05 mg P L-1) et davantage au-delà (0.01 mg P L-1). Sous les traitements [NT, 0.5P] et [NT, 1P] traitements, le Cp était plus élevé dans la couche 0-10 cm (0.28 et 0.19 mg P L-1) que dans la couche labourée mais baissait rapidement avec la profondeur. Cette stratification verticale sous NT était également observée pour les teneurs en P-Olsen, P-M3 et autres nutriments comme C, N et K. Après 23 et 24 années d’essai, il y avait tendanciellement moins de racines du maïs sous NT (-14%) que sous MP, probablement à cause de la présence plus importante d’adventices sous NT. Pour le soja, il y avait beaucoup plus de racines dans la couche 0-10 cm sous NT (44% de longueur total) que sous MP (21%) et inversement dans la couche 10-20 cm. Ces différences de distribution des racines sous NT et MP correspondent à la stratification de N, P, et K.Cet ensemble de données sur la distribution des racines et du phosphore a été utilisé pour i) évaluer un modèle 1D décrivant la dynamique du P sur plusieurs décennies dans la couche labourée du sol, ii) proposer un mode d’estimation de la distribution du prélèvement dans le profil de sol, et iii) développer un modèle spatialisé 2D décrivant la dynamique du P pour le traitement sans labour. Ce modèle permet de simuler l’évolution de la disponibilité en P du sol sur le long terme quels que soient les modes de préparation du sol et le régime de fertilisation P. Même si le modèle surestime parfois la disponibilité en P à proximité de la zone fertilisée, il permet de prédire la stratification du P du sol en NT et ses conséquences sur le prélèvement de P en relation avec les propriétés du sol et le développement du système racinaire. Il pourra contribuer à améliorer le raisonnement de la fertilisation phosphatée dans le contexte du sans-labour<br>The no-till (NT) is gaining great attention for soil preparation. This practice modifies number of soil properties such as the distribution of phosphorus (P) in the soil profile. This work aims to analyze the impacts on the biogeochemical P cycle after decades of NT and incorporate those effects in an operational model. We used a long-term field experiment under corn-soybean rotation established on a clay loam soil (L’Acadie, Quebec, Canada). The design was a split-plot plan with 4 blocks under moldboard plough (MP) and NT, subdivided by 3 doses of P [0 (0P), 17.5 (0.5P), 35 (1P) kg P ha-1] applied in corn phase and localized to 5-cm deep and 5-cm from the corn row.The phosphate ion concentration in MP was relatively constant (0.08 mg P L-1) in the tilled layer (0-20 cm), slightly lower in 20-30 cm (0.05 mg P L-1) and much lower below (0.01 mg P L-1). In [NT, 0.5P] and [NT, 1P] plots, Cp was higher (0.28 et 0.19 mg P L-1) in the 0-10 cm layer compared to the tilled layer in MP, but decreased sharply with depth. This vertical stratification in NT was also observed for P-Olsen, P-M3 and other nutrients as C, N, and K. After 23- and 24-year of experimentation, maize roots tended to be fewer (-14%) under NT than MP, probably because of increased weed infestation under NT. For soybean, more roots accumulated in the 0-10 cm layer under NT (44% of total length) than MP (21%) and vice versa for the 10-20 cm layer. Those differences in root distribution under NT and MP corresponded to the stratification of N, P, and K.This set of data on the distribution of roots and phosphorus was used i) to develop a 1D model describing P dynamics over several decades in MP, ii) to test a method to assess the spatial P uptake distribution according local root length density and soil P availability, and iii) to develop a spatial 2D model describing P dynamic in NT. This model simulates the soil P availability dynamic on long term according soil properties and crop root distribution within soil profile for different soil preparation regime and different P fertilization rate. Although the model overestimates the P availability near the localized P fertilizer, it is able to predict the soil P stratification in NT treatment and its consequences on crop P uptake. This new model will be a useful tool to improve P fertilization management in context of no-till practices

A l'interface des échanges sol-plante-atmosphère, la couche supérieure du sol contient la plus grande réserve de carbone organique (Corg) et d'azote (N) potentiellement disponible pour la croissance des plantes, elle joue un rôle fondamental dans la nutrition et l'équilibre de la planète.Dans les sols Tunisiens, une première quantification de N, faisant suite à celle de Corg, nous a permis de mettre en évidence une fragilité des réserves, et la nécessité de managements préservatifs des terres et des pratiques agricoles. Nous nous sommes alors rapprochés des nombreuses études de modélisation des variations de stocks de Corg et N suite à des changements d'usage. Cependant, la majorité des références publiées concernait les évolutions globales à moyen ou plus long terme (de plusieurs années à plusieurs décades) et manquaient de précision sur la prédiction mécaniste des transferts journaliers entre les plantes, les compartiments du sol et l'atmosphère. Selon nous et d'autres auteurs, ces études ne prenaient pas suffisamment en compte le rôle crucial des micro-organismes dans les échanges. Ceci nous a orientés vers le modèle MOMOS centré sur l'écologie fonctionnelle de la biomasse microbienne (BM), avec des paramètres pour sa croissance, sa mortalité, et sa respiration étroitement liés aux conditions climatiques, édaphiques, et culturales.L'objectif était d'étudier à court terme les cycles Corg et N dans les systèmes complexes de production céréalière intensifiés par couplage avec des légumineuses à graines fixatrices d'azote en milieu méditerranéen. Il comportait deux défis : (i) coupler les équations de décomposition avec des modules d'eau du sol, et de production végétale vers un nouvel outil pour l'agro-écologie et le changement global (ii) faire tourner l'ensemble en milieu méditerranéen calcaire, avec des équations proposées et validées en milieu tropical acide.Le dispositif agronomique comportait des associations comparées à des rotations blé dur-féverole en culture biologique sans fertilisation depuis treize ans. Les simulations ont été trouvées en bonne concordance avec les données mesurées et celles de la littérature. Croissances végétales et fonctionnement microbien apparaissent prédits par les mêmes fonctions climatiques et co-limités par la température en hiver et l'humidité en été. Dans les parcelles expérimentales peu fertiles, la plus grande part de Corg photo synthétisé était modélisée comme allouée aux racines et perdue pour les parties aériennes et le rendement des récoltes. Ces pertes étaient simulées vers la respiration de croissance des racines de céréales, probablement pour la recherche des nutriments, et la mortalité des racines de légumineuses alimentant la croissance des décomposeurs et peut-être des symbiotes fixateurs d'azote. Au total, le système de culture associée était modélisé comme un puits de plus 4 Mg Corg ha-1 durant la saison culturale, mais uniquement dans Corg labile d'origine microbienne. Ce compartiment était aussi simulé comme la principale réserve de N potentiellement disponible pour les organismes vivants, très supérieure à celle des micro-organismes, elle-même supérieure à celle de la céréale et égale à celle de la légumineuse. La modélisation des échanges microbiens avec N minéral montrait une immobilisation nette d'azote juste compensée par la fixation symbiotique. Elle a permis de mieux comprendre les flux de Corg et N entre atmosphère, légumineuse, micro-organismes et céréale et de proposer des solutions agronomiques pour l'amélioration des systèmes de culture en association ou rotation<br>At the interface of soil-plant-atmosphere exchanges, the top layer of soil contains the largest part of organic carbon (Corg) and nitrogen (N) potentially available for plant growth; this soil layer plays a fundamental role in nutrition and equilibrium of earth.In Tunisians soils, a first quantification of N, following that of Corg, has allowed us to highlight the fragility of the reserves, and the need of conservation managements of lands and improvement of agricultural practices.Many studies of literature data try to model the changes of Corg and N stocks due to land use changes. However, most of the published references concern overall trends at medium or longer term (several years to several decades) and lack of precision in mechanistic prediction of daily transfers between plants, soil compartments and the atmosphere. Conjointly with other authors we think that the published studies do not take sufficient account of the crucial role of microorganisms in the exchange modelling. This directed us to the MOMOS model centered on the functional ecology of microbial biomass (MB), with parameters for growth, mortality and respiration of MB, closely related to climate, soil conditions and the quality of organic inputs.Our objective was to study the Corg and N cycles during a cropping season in complex cereal-legume systems for intensification by symbiotic N fixation in the Mediterranean environment. It included two challenges: (i) to couple the equations of decomposition with a model of soil water and modules of quantitative and qualitative vegetal production toward a new tool for agro-ecology and the global change (ii) to run this tool in Mediterranean calcareous conditions, with equations proposed and validated in tropical acid areas.The agronomic experiment included an intercropping of durum wheat and faba bean compared with pure cropping both managed in organic farming without any fertilizer addition during the last thirteen years. The model predicted ecophysiological parameters in accordance with published references and simulated accurately the measured data. Plant growth and the microbial functioning appear linked to the same climate equations and co-limited by temperature in winter and availability of water in summer. In these unfertile plots, the largest part of Corg photo-synthesized was modelled as allocated to roots and lost for the aerial parts and grain yields. These losses were simulated mainly (i) to increase root respiration of cereal, probably as energy source for root growth in order to find nutrients, and (ii) to increase the mortality of legume roots as energy source for the growth of decomposers and perhaps the growth of symbiotes for fixation of atmospheric N. Overall, the intercropping system was modeled as a sink of over 4 Mg ha-1 of Corg during the growing season, but only in the compartment labile of microbial origin. This compartment was also simulated as the main reserve of N potentially available for living organisms, much higher than N stock of microorganisms, which is itself higher than N stored in the cereal and similar to N stored in the legume. The modeling of microbial exchange with inorganic N showed a net immobilization of N just compensated by the symbiotic fixation. It helped to better understand the flows of Corg and N between atmosphere, legume, microorganisms and cereal, and to propose solutions for improving agricultural cropping systems in combination or rotation

Le principal objectif de cette thèse est d'étudier les interactions entre l'océan côtier et l'océan ouvert dans la zone de l'upwelling du Benguela, située au large des côtes d'Afrique du Sud et de Namibie, à l'aide d'un outil numérique et de données satellites et in-situ. Un modèle biogéochimique adapté à la zone d'étude (BioBUS ; Biogeochemical model for the Benguela Upwelling System), prenant en compte les processus caractéristiques des systèmes d'upwelling de bord Est et des zones de minimum d'oxygène associées a été développé, puis couplé au modèle hydrodynamique ROMS, afin de mettre au point une configuration réaliste centrée sur le système de l'upwelling de Namibie (sous-système Nord du Benguela), zone d'étude de cette thèse. Ces travaux de thèse ont permis d'améliorer notre compréhension des systèmes d'upwelling de bord Est (EBUS), notamment leurs impacts locaux et régionaux, ainsi que les couplages physiques/biogéochimiques dans ces systèmes. A l'issue de ces travaux de thèse, les apports d'azote depuis la zone de l'upwelling vers le gyre oligotrophe de l'océan Atlantique Sud ont été estimés (0. 38 molN. M-2. Yr-1) et sont comparables aux autres sources d'azote (dépôts atmosphériques, fixation biologique,. . . ) possibles de soutenir la production primaire dans le gyre subtropical (de 0. 01 à 0. 24 molN. M-2. Yr-1). Les pertes d'azote par dénitrification et anammox liées à la zone de minimum d'oxygène (2. 2 108 molN. Yr-1) sont du même ordre de grandeur que les pertes par émission de N2O vers l'atmosphère (5. 5 108 molN. Yr-1), mais sont sous-estimées par rapport aux quelques estimations in-situ dont nous disposons. Les flux de N2O à l'interface océan-atmosphère dans cette région sont clairement significatifs pour le budget atmosphérique de N2O. En effet, même si la surface de la zone ne représente pas plus de 1. 2% des EBUS, ces émissions de N2O contribuent à 4% des émissions de N2O dans les EBUS. Enfin, ces travaux de thèse montrent l'importance des processus à mésoéchelle dans le transport total d'azote au large du plateau continental Namibien<br>The main objective of this PhD thesis is the study of the shelf/offshore interactions in the Benguela upwelling system, off South African and Namibian coasts, using a numerical model as well as satellite and in-situ data. A Biogeochemical model adapted for the Benguela Upwelling System (BioBUS), taking into account the main processes linked with eastern boundary upwelling systems and associated oxygen minimum zones, has been developed and coupled with the ROMS hydrodynamical model, in order to implement a realistic configuration in the Namibian upwelling system (Northern Benguela), the studied area of this PhD thesis. This PhD thesis contributes to the improvement of the physical/biogeochemical couplings as well as the understanding of the Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS) and their local and regional impact. Nitrogen inputs from the upwelling area to the South Atlantic oligotrophic gyre were estimated (0. 38 molN. M-2. Yr-1) and are of the same order as other possible N sources (such as atmospheric deposition, biological fixation,. . . ) sustaining primary production in the subtropical gyre (from 0. 01 to 0. 24 molN. M-2. Yr-1). Nitrogen losses by denitrification and anammox processes linked with the oxygen minimum zone (2. 2 108 molN. Yr-1) have the same order of magnitude than N2O outgasing to the atmosphere (5. 5 108 molN. Yr-1), however they are underestimated when compared with in-situ estimations. Air-sea N2O fluxes are clearly significant in this area for the atmospheric N2O budget. Indeed, even if this area represents 1. 2% of the EBUS, its estimated N2O emission contributes to 4% of the EBUS emissions. Furthermore, this PhD thesis shows the important role of mesoscale processes in the nitrogen total transport off the Namibian continental shelf

Le soufre existe dans l’hydrosphère dans des état d’oxydation allant des sulfates (+VI) aux sulfures (-II) et incluant de nombreuses espèces à des états d'oxydation intermédiaires, telles que le soufre élémentaire (0), les thiosulfates (-I, V) et les sulfites (IV). Ces espèces en particulier sont considérées comme des intermédiaires importants dans les réactions biologiques et abiotiques qui transforment (oxydent, réduisent ou dismutent) le soufre et sont fréquemment couplées aux cycles biogéochimiques du carbone, de l’azote, de l'oxygène et du fer.Les processus du cycle du soufre sont étudiés en mesurant les concentrations des différentes espèces contenant du soufre (analyse de spéciation) et en mesurant leur rapport isotopique respectif (analyse isotopique). Des difficultés analytiques sont fréquemment rencontrées, car les espèces soufrées, notamment celles de valence intermédiaire, sont présentes en faibles concentrations et sont difficiles à isoler. Ainsi, les rapports isotopiques des espèces de valence intermédiaire sont rarement déterminés. Les études des processus du cycle du soufre gagneraient grandement à l'amélioration des méthodes de mesure des rapports isotopiques des espèces de soufre inorganiques, en particulier des espèces intermédiaires les moins abondantes.Dans ce contexte, ce travail de thèse s’est consacré à l’élaboration de stratégies analytiques combinant spéciation et isotopie du soufre, afin de réaliser la mesure des rapports isotopiques du soufre de plusieurs espèces inorganiques présentes simultanément dans des échantillons liquides. Une méthode de spéciation permettant de quantifier les sulfites, les sulfates et les thiosulfates par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse à plasma à couplage inductif haute résolution (LC-HR-ICP-MS) a tout d’abord été mise en place. Ensuite, une approche hors-ligne a été développée pour l’analyse isotopique des sulfures, des sulfates et des thiosulfates. Elle consiste en une préparation d’échantillon par précipitation séquentielle des espèces soufrées, suivie de leur analyse par analyseur élémentaire couplé à un spectromètre de masse à rapport isotopique (EA-IRMS). Cette méthode permet de déterminer les valeurs de δ34S des sulfures, des sulfates et des thiosulfates avec des incertitudes de mesure inférieures à 0,5 ‰ pour des échantillons d’eau contenant au moins 27 µg de soufre. Cette méthode a été appliquée à l’étude d’eaux de source et d’eaux d’un aquifère profond et au suivi du fractionnement isotopique du soufre dans une culture de bactéries sulfato-réductrices.Un couplage entre séparation anionique et détection par spectromètre de masse à plasma à couplage inductif multicollecteur (LC-MC-ICP-MS) a été mis au point pour la détermination en ligne des valeurs de δ34S des sulfites, des sulfates et des thiosulfates. Cette méthode nous a permis de déterminer δ34S des sulfites, des sulfates et des thiosulfates pour des échantillons d’eau contenant 1 µg de soufre par espèce avec des incertitudes de mesure inférieures à 0,6 ‰<br>Sulfur is present in the hydrosphere at oxidation states ranging from sulfate (+VI) to sulfide (-II) and including many species at intermediate oxidation states, such as elemental sulfur (0), thiosulfate (-I, V) and sulfite (IV). These species in particular are considered as important intermediates in biological and abiotic reactions (oxidation, reduction or disproportionation) involving sulfur and are frequently coupled to the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen, oxygen and iron.Sulfur cycle processes are studied by measuring the concentrations of different species containing sulfur (speciation analysis) and by measuring their respective isotope ratios (isotopic analysis). Analytical difficulties are frequently encountered because sulfur species, especially intermediate valence species, are present in low concentrations and are difficult to isolate. Thus, the isotope ratios of intermediate valence species are rarely determined. Methods for measuring isotope ratios of inorganic sulfur species, particularly the least abundant intermediate species, would be a great assistance in deciphering sulfur cycle processes.In this context, this thesis work was devoted to the development of analytical strategies combining speciation and isotopic analysis of sulfur, in order to measure sulfur isotope ratios of several inorganic species that can be simultaneously present in liquid samples. First, a speciation method for quantifying sulfite, sulfate and thiosulfate by liquid chromatography coupled to high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer (LC-HR-ICP-MS) was set up. Then, an off-line approach was developed for the isotopic analysis of sulfide, sulfate and thiosulfate. It consisted of a sample preparation by sequential precipitation of the sulfur species, followed by elemental analyzer coupled to isotope ratio mass spectrometer (EA-IRMS) analysis. This method made it possible to determine the δ34S values of sulfide, sulfate and thiosulfate with measurement uncertainties below 0.5 ‰ for water samples containing at least 27 µg of sulfur. This method has been applied to the study of spring waters and deep aquifer waters and the monitoring of isotopic fractionation of sulfur in a culture of sulfate-reducing bacteria.Moreover, an on-line analytical method coupling anionic separation and detection by multicollector inductively coupled plasma mass spectrometer (LC-MC-ICP-MS) has been developed for the determination of δ34S values of sulfite, sulfate and thiosulfate. This method allowed us to determine δ34S of sulfite, sulfate and thiosulfate for water samples containing as little as 1 µg of sulfur per species with measurement uncertainties below 0.6 ‰

Les plateaux continentaux et les marges océaniques, à l'interface entre les continents et les océans, constituent une zone clé d'échange d'éléments chimiques et de matière. Ces éléments chimiques sont apportés par les fleuves, potentiellement relâchés par les sédiments déposés sur les marges ou apportés par les résurgences sous-marines (ou plus globalement par les SGD, " Submarine Groundwater Discharge "), puis sont transmis à l'océan ouvert. De nombreuses transformations chimiques ont également lieu au-niveau de cet interface (précipitation, adsorption, désorption, floculation, diffusion depuis les sédiments etc...) qui font que l'interface continent-océan constitue une source et/ou un puits pour les éléments chimiques. Les flux d'éléments chimiques (sels nutritifs, éléments limitants, contaminants) échangés entre la côte et le large ont un impact sur la composition chimique de l'océan ainsi que sur les écosystèmes (planctoniques et benthiques). Ces échanges ont notamment un impact sur le développement du phytoplancton qui constitue une pompe biologique du carbone. Ces flux exercent donc un contrôle sur le cycle du carbone et par conséquent sur le climat. Pour étudier ces zones d'échanges clés, nous utilisons des traceurs géochimiques tels que les isotopes du radium (223Ra, 224Ra, 226Ra, 228Ra) et l'actinium-227 (227Ac). Ces isotopes portent de nombreuses informations essentielles et difficiles à obtenir par d'autres biais. Au contact des sédiments peu profonds, les masses d'eau s'enrichissent en ces isotopes au niveau des marges. Ces radioéléments permettent donc de tracer l'advection de masses d'eau qui sont entrées en contact avec les marges (où elles se sont enrichies en de nombreux éléments chimiques). Une fois que la masse d'eau se détache des sédiments, l'activité radium décroit, ce qui fournit un chronomètre destiné à estimer le temps de transit des masses d'eau ou encore l'âge des masses d'eau. Le radium permet donc également de tracer l'enrichissement potentiel d'une masse d'eau en certains éléments essentiels qui - comme le radium - diffusent depuis les sédiments (ex : fer, élément limitant pour la biomasse phytoplanctonique). Tandis que ces éléments (ex : fer) disparaissent souvent rapidement de la colonne d'eau (réactions chimiques, absorption par le phytoplancton), le radium reste dans la colonne d'eau et se comporte comme un traceur conservatif. Le mélange diffusif (horizontal ou vertical) redistribue également ces radioéléments - ainsi que d'autres éléments chimiques - au sein de l'océan qui permettent ainsi de quantifier les coefficients de mélange diffusifs Kh et Kz, paramètres essentiels pour contraindre les flux d'énergie et d'éléments chimiques dans l'océan. Les isotopes du radium et l'227Ac présentant des périodes radioactives variées (224Ra : 3.7 jours ; 223Ra : 11.4 jours ; 228Ra : 5.8 ans ; 226Ra : 1600 ans ; 227Ac : 21.8 ans), ils permettent d'étudier les processus d'advection et de mélange sur différentes échelles de temps (quelques jours à quelques années) et donc d'espace (depuis la côte jusqu'à l'océan ouvert). Enfin, les décharges d'eau souterraine étant enrichies en radium, ce radioélément a été largement utilisé pour détecter les sites de résurgences sous-marines ou les SGD et pour quantifier les flux d'eau associés à ces systèmes. Depuis 2002, j'ai conduit des études dans différents océans du globe pour fournir au niveau de régions clés - notamment au moyen des isotopes du radium et de l'227Ac - ces informations essentielles qui permettent de contraindre aussi bien les échanges côte-large que le transfert de matière au sein de la colonne d'eau. Dans ce manuscrit, j'ai choisi de présenter avec plus de détails les résultats obtenus au-niveau de régions où les échanges entre la côte et le large se faisaient par des voies différentes : nous avons travaillé dans des régions où les éléments chimiques étaient transmis à l'océan via (i) la libération par les sédiments des marges (ex : Plateau de Kerguelen, projet KEOPS), (ii) l'apport par les fleuves et réactions chimiques dans l'estuaire (ex : estuaire de l'Amazone, projet AMANDES) ou encore via (iii) l'apport par les décharges d'eau souterraine (ex : littoral français méditerranéen, projet CYMENT). Au large des îles Kerguelen, le projet KEOPS a montré que le développement du phytoplancton en pleine région HNLC (" High Nutrient Low Chlorophyll ") pouvait s'expliquer par la fertilisation en fer apporté par les sédiments du Plateau de Kerguelen (Blain et al., 2007). Nous avons contribué à montrer par une approche multitraceur que le fer, élément limitant dans cette région, était transmis dans les eaux de surface du Plateau de Kerguelen par le mélange vertical associé aux ondes de marée et par l'advection d'eau entrée en contact avec les sédiments des marges de l'île Heard, au sud du plateau. Grâce au projet AMANDES mené au large du Brésil et de la Guyane française, nous avons pu chronométrer au moyen des quatre isotopes du radium le temps de transit du panache de l'Amazone depuis l'estuaire jusque dans l'Océan Atlantique et ainsi estimer le temps de résidence de ces eaux sur le plateau continental brésilien (collaboration avec J. De Oliveira, IPEN Sao Paulo, Brésil, financement de l'AIEA). Nous avons également étudié les échanges de radium entre les phases particulaire et dissoute le long du gradient de salinité. Les isotopes du radium étant largement utilisés pour étudier les décharges d'eau souterraine en mer, nous avons travaillé au niveau de plusieurs résurgences d'eau douce le long du littoral Méditerranéen français (étang de La Palme, étang de Salses-Leucate, étang de Thau, Calanques de Marseille) et utilisé nos outils géochimiques pour détecter les résurgences sous-marines, étudier le devenir de ces eaux une fois dispersées en mer ou dans les étangs, quantifier les flux d'eau associés à ces systèmes et tenter d'estimer le temps de résidence des eaux des étangs (collaboration avec T. Stieglitz, JCU Australie, Poste Rouge OMP). Ces études ont pu être menées à bien grâce à des développements analytiques que nous avons conduits en amont. Nous avons notamment créé en 2007 le laboratoire souterrain de mesure des faibles radioactivités LAFARA, localisé à Ferrières dans l'Ariège (Pyrénées). Ce laboratoire est désormais reconnu comme une plateforme d'analyses de l'OMP et fait partie du réseau européen de laboratoires souterrains CELLAR. Le bruit de fond obtenu par les deux spectromètres gamma en fonctionnement dans ce laboratoire est particulièrement bas, ce qui nous permet d'analyser la très faible radioactivité présente dans nos échantillons. De plus, nous nous sommes équipés d'un RaDeCC (Radium Delayed Coincidence Counter) qui nous permet d'analyser les activités 223Ra, 224Ra et 227Ac de nos échantillons. Les analyses de l'227Ac, élément particulièrement rare dans l'océan, ont été conduites en collaboration avec W. Geibert (Université d'Edimbourg, projet d'échange ALLIANCE). Grâce à ces développements, nous avons pu participer aux exercices internationaux d'intercalibration GEOTRACES pour les isotopes 223Ra, 224Ra, 226Ra et 228Ra. Cette capacité analytique nous a également permis d'effectuer des comparaisons entre des analyses réalisées au moyen de différents instruments (226Ra : MC-ICP-MS versus spectrométrie gamma ; 223Ra et 224Ra : RaDeCC versus spectrométrie gamma). Ces différents exercices ont permis de valider les mesures que nous effectuons. Enfin, bien que le radium soit largement utilisé pour tracer les masses d'eau, étudier le mélange et les SGD, ou encore comme outil de datation, le cycle du radium n'est pas encore totalement compris. En particulier, très peu d'études ont été menées jusqu'à présent sur la phase particulaire susceptible d'incorporer du radium dans l'océan. Nous avons donc cherché à étudier le radium porté par cette phase particulaire, en analysant à la fois les particules en suspension et les particules collectées par les pièges à particules. Nous avons ainsi pu apporter des informations nouvelles sur les échanges de radium entre la phase dissoute et les particules dans l'océan. Dans les différents bassins océaniques que nous avons étudiés, nous avons notamment caractérisé le rôle potentiel des Acanthaires dans le cycle du radium. Enfin, les informations que nous avons obtenues dans l'océan actuel - notamment en ce qui concerne le rapport 226Ra/Ba - sont importantes car elles permettent de mieux contraindre les outils que nous utilisons pour étudier l'océan actuel et l'océan passé (ex : datation par le rapport 226Ra/Ba).

Même si l'océan ne représente que moins de 1% de la biomasse liée aux plantes sur la terre, il est responsable de près de la moitié de la photosynthèse nette de la biosphère. Cette biomasse est par conséquent un élément essentiel dans la régulation du climat à travers par exemple le cycle océanique du carbone. Il est donc nécessaire d'estimer correctement cette biomasse ainsi que les processus qui l'affectent. A l'aide de données satellites altimétriques et couleur de l'eau et d'un modèle couplé physique/biogéochimie (MERCATOR-OPA / NPZDDON), les ondes de Rossby et leur influence sur cette biomasse sont spécifiquement étudiées dans l'océan Atlantique Nord. Leurs propriétés et leur influence sur les concentrations en chlorophylle de surface sont analysées. Au travers des mécanismes mis en jeu identifiés, nous estimons que ces ondes peuvent entraîner une augmentation locale comprise entre 60% et 150% de la production primaire estimée<br>The marine phytoplankton in the ocean represents only less than 1% of global biomass. Phytoplankton performs half of all photosynthesis. This autotrophic biomass in ocean is then an essential element in the climate regulation through processes as carbon dioxide absorption during the photosynthesis. Therefore, we need to estimate precisely this biomass as well as the processes which affect it. Using remotely sensed data (altimetry and ocean colour) and a coupled physical/biogeochemical model (MERCATOR-OPA/NPZDDON), Rossby waves and their influence on phytoplankton biomass are specifically studied in the North Atlantic Ocean. Their features and their influences on surface chlorophyll concentrations were analysed. Through the different mechanisms identified, we estimated that these waves can induce local increases from 60% to 150% of the estimated primary production

Dans un contexte de changement climatique et de production de bois énergie, une amélioration de la compréhension du fonctionnement des hêtraies de plaine dans leur aire de répartition actuelle semble nécessaire. Ces travaux de recherche apparaissent primordiaux notamment sur les hêtraies à faible fertilité minérale, celles-ci étant par définition plus sensibles aux perturbations extérieures. La hêtraie de Fougères (35-France), caractérisée par une faible fertilité minérale, a été étudiée au cours de ce travail. L'objectif général de ce travail est de réaliser un état des lieux du fonctionnement minéral de la hêtraie de Fougères, sur l'ensemble d'une révolution forestière. Une approche par chronoséquence à été utilisée, les âges des peuplements étudiés couvrant l'ensemble de la révolution forestière (8 ans , 25 ans, 80 ans et 145 ans). Une approche par bilan de fertilité a par ailleurs été retenue, ces bilans constituants un des outils pertinents pour le diagnostic global de l'évolution d'un système. Le calcul des bilans de fertilité minérale et l'étude des cycles d'éléments nutritifs au sein de l'écosystème ont été réalisés sur chaque peuplement pour des segments temporels de 7 ans (1998-2004). Les substrats de Fougères sur lesquels les sols se sont développés sont pauvres et s'ensuit donc une fourniture limitée d'éléments nutritifs par altération. Les flux de K et le Mg libérés par altération sont néanmoins élevés sur l'ensemble du profil et particulièrement les flux de Mg dans la zone de mélange arène-limons. La quantité estimée de Ca et P libérée par altération des minéraux sur la tranche 0-120 cm des sols est quand à elle très faible. Les apports atmosphériques sont un des piliers majeurs de la durabilité de cet écosystème à faible fertilité minérale, notamment pour un élément limitant comme le Ca. La majorité des apports atmosphériques d'éléments nutritifs sont en baisse sur la période 1998-2004 et cette baisse est également visible sur la quantité d'éléments en circulation dans les sols de Fougères. Si cette tendance se prolonge dans le temps, la fertilité de l'écosystème pourrait en pâtir. Les pertes de nutriments par drainage, à la profondeur de 120 cm, sont relativement similaires quelque soit l'âge du peuplement. Nous avons montré par ailleurs que l'effet de l'âge des peuplements de hêtre sur les stocks disponibles présents dans les humus et les sols de Fougères n'est pas significatif. Le faible niveau de fertilité minérale de l'écosystème de Fougères pourrait expliquer ces constats. Les bilans de fertilité minérale sont positifs pour les éléments Mg, K et P, quelque soit l'âge des peuplements de la chronoséquence. Pour le Ca, les bilans de fertilité minérale sont positifs dans les jeunes peuplements (8 ans et 25 ans) et négatifs dans les peuplements les plus vieux (81 ans et 145 ans). Les pertes liées à la récolte de biomasse, qui augmentent fortement avec l'âge des peuplements, sont responsables du bilan négatif de Ca dans les peuplements âgés de plus de 50 ans. Les bilans de fertilité minérale calculés montrent que les pertes liées à la récolte de biomasse expliquent majoritairement l'évolution des bilans de fertilité avec l'âge des peuplements.

Les cycles océaniques du carbone et des principaux nutriments sont mal connus car ils sont affectés par de nombreux puits et sources physiques, chimiques ou biologiques difficiles à estimer par des mesures directes. Une manière de mieux contraindre ces processus importants est d’utiliser l’information contenue dans des traceurs plus simples : les proxies. Le radium 228 (228Ra), émis par les plateaux continentaux, est utilisé comme proxy des flux d’eau et d’éléments minéraux de la côte vers l’océan ouvert. Il permet en particulier d’estimer les flux d’eau souterraine ou SGDs (Submarine Groundwater Discharge). Le thorium 234(234Th), insoluble, permet quant à lui de contraindre la dynamique des particules par lesquelles il est adsorbé. Il est régulièrement utilisé pour estimer la pompe biologique du carbone (PBC), c’est-à-dire le flux de carbone de la surface vers l’océan profond.Au cours de cette thèse, un modèle numérique à une résolution de 2° a été construit pour chacun de ces deux radio-isotopes, en s’appuyant sur la circulation du modèle NEMO-OPA et les champs de particules du modèle PISCES. Plusieurs paramètres inconnus des modèles ont été contraints par des observations dans le cadre d’une méthode inverse.La modélisation inverse du 228Ra a permis d’estimer les flux de 228Ra venant de 38 régions côtières. En revanche, l’estimation des SGDs est imprécise, car les SGDs sont difficiles à distinguer d’une autre source de 228Ra: la diffusion par les sédiments.La modélisation inverse du 234Th a permis d’estimer les coefficients de partage du 234Th, qui représentent l’affinité de différents types de particules pour cet isotope. Elle a aussi permis d’estimer les erreurs associées à quelques simplifications courantes dans les études de la PBC fondées sur le 234Th<br>The oceanic cycles of carbon and the main nutrients are poorly known since they are affected by many physical, chemical or biological sources and sinks that are difficult to estimate by direct measurements.One way to better constrain these important processes is to use the information contained in more simple tracers called "proxies". As radium 228 (228Ra) flows from the continental shelves, it is used as a proxy of water and mineral elements fluxes from the coast to the open ocean. In particular, it is often used to estimate the SGD (Submarine Groundwater Discharge). For its part, thorium 234 (234Th), an insoluble radio-isotope, is used to constrain the dynamics of the solid particles onto which it is adsorbed. The carbon flux from the surface to the deep ocean, called "biological carbon pump" (BCP), is often estimated by a 234Th-based method.During this PhD, a numerical model with a resolution of 2°, based on the circulation of the NEMO-OPA model and the particle fields of the PISCES model, was built for each of the two radioisotopes.Several unknown model parameters were constrained by observations using an inverse technique.The inverse modeling of 228Ra was used to constrain 228Ra fluxes from 38 coastal regions.However, the SGD fluxes are poorly constrained by this method, because SGD can be confused with another source of 228Ra: diffusion from sediments.The inverse modeling of 234Th produced estimates of partition coefficients, representing the affinity of different particle types for this isotope. It was also used to estimate the errors associated with some common simplifications made in 234Th-based BCP studies

Cette thèse est une contribution à l’étude du cycle biogéochimique du phosphate en milieu oligotrophe marin. Une méthode de double marquage isotopique du C et du P a été optimisée pour étudier l’assimilation simultanée du C et du P par les espèces planctoniques dans les environnements marins. La procédure a été mise en pratique avec succès dans les milieux contrastés du Pacifique Sud-Est dans le cadre de la mission BIOSOPE. Le gyre ultraoligotrophe du Pacifique Sud-Est (SPG) est un milieu hyper-oligotrophe aux eaux extrêmement claires et appauvries en éléments nutritifs sauf en phosphate (&gt;100 nM). En allant des bords vers le centre du SPG, le rapport C:P d’assimilation dévie par rapport aux valeurs canoniques de 106 et de 50, pour le phytoplancton et les bactéries, respectivement. Ces déviations soulignent les adaptations potentielles des microorganismes dans ce milieu particulier. Pouvoir prédire les taux de croissance (µ) des bactéries hétérotrophes et du phytoplancton est d’un grand intérêt scientifique. Ce travail montre que le P particulaire (PartP) peut être utilisé pour estimer la biomasse et que le rapport entre l’uptake de P et la concentration en PartP peut être employé pour évaluer µ. Contrairement aux autres méthodes utilisant le C, cet estimateur ne fait pas intervenir de facteur de conversion et fournit une évaluation de µ pour à la fois les organismes autotrophes et hétérotrophes. Les estimations de µ basées sur le P attribuées aux fractions 0. 2-0. 6 µm et 0. 6-2 µm sont relativement faibles (0. 11 ± 0. 07 j-1 et 0. 14 ± 0. 04 j-1, respectivement) dans le gyre, suggérant que la communauté microbienne se renouvelle relativement lentement. La fraction 0. 2-0. 6 µm représente presque un tiers de l’assimilation de P tout au long du transect et les taux de synthèse des phospholipides (lipides membranaires) varient entre moins de 5 % et plus de 22% du taux d’assimilation de P total, suggérant que les bactéries hétérotrophes sont des acteurs importants du cycle du P dans le Pacifique Sud-Est. Dans le gyre, les taux de production primaire particulaire atteignent la valeur minimale sous des conditions d’oligotrophie sévère (150 mg C m-2 j-1). Néanmoins, la production bactérienne y est du même ordre de grandeur que celle obtenue dans d’autres milieux oligotrophes subtropicaux et tempérés. Le déséquilibre du couplage entre production primaire et production bactérienne est tel qu’il ne peut pas exister dans cette zone loin de tout apport externe et implique de remettre en question les méthodes. Des méthodes de marquage ELF ont également été développées pour étudier la limitation en P des bactéries marines en milieu oligotrophe. Avec la méthode de détection du ELF par microscopie, alors que le marquage ELF est imposant pour les cultures en condition de limitation en P (26-100 % de cellules marquées selon la souche), la fraction des bactéries marquées n’est que de 0. 01 % dans les échantillons de mer Méditerranée prélevés en période de limitation par le P. Cette méthode n’est donc pas assez sensible dans un environnement oligotrophe limité en P comme la Méditerranée. La méthode de détection du ELF par cytométrie en flux permet de détecter des marquages significatifs en Méditerranée lorsque l’activité globale est supérieure à 7 nM h-1. Les applications in situ dans les eaux de lacs ou en mer montrent des variations significatives de la proportion de bactéries marquées au ELF et de la fluorescence relative médiane des cellules marquées au ELFA avec la profondeur. L’application de cette méthode permettra d’améliorer notre compréhension de la réponse physiologique des bactéries hétérotrophes à la limitation en P. L’affinité des phosphatases extracellulaires pour le ELF-P a été étudiée dans divers environnements, indirectement, à travers sa capacité à inhiber l’hydrolyse du MUF-P. Le ELF-P a un effet prononcé sur le paramètre Km des cinétiques de saturation du MUF-P, alors que son effet sur le paramètre Vmax est faible. Ce comportement est compatible avec la supposition de l’interaction compétitive entre le MUF-P et le ELF-P<br>This thesis is a contribution to the study of the phosphate biogeochemical cycle in marine oligotrophic environments. A dual labelling method using 33P and 14C was optimized to study P and C assimilation by planktonic species in marine environments. The procedure was successfully applied in contrasted environments of the Southeast Pacific during the BIOSOPE cruise. The ultraoligotrophic gyre of the Southeast Pacific (SPG) is a hyper-oligotrophic area with extremely clear and nutrient depleted waters, except for phosphate (&gt;100 nM). Going from the edges to the centre of the SPG, the C:P incorporation rates diverged from canonical values of 106 and 50 for phytoplankton and bacteria, respectively. These deviations underline potential adaptations of microorganisms in this particular area. Predicting heterotrophic bacteria and phytoplankton growth rates (µ) is of great scientific interest. This work showed that the particulate P (PartP) concentration can be used to estimate biomass and that the P uptake to PartP ratio can be used to evaluate µ. Contrary to other C-based methods, this estimator doesn’t need conversion factor and provides an evaluation of µ for both autotrophic and heterotrophic organisms. The P-based estimation of µ attributed to the 0. 2-0. 6 µm and 0. 6-2 µm fractions were relatively low (0. 11 ± 0. 07 d-1 and 0. 14 ± 0. 04 d-1, respectively) in the gyre, suggesting that the microbial community turns over very slowly. The 0. 2-0. 6 µm fraction represented almost one third of the P incorporation all over the transect, and phospholipids (membrane lipids) synthesis rates varied between less than 5% to more than 22% of the total P incorporation rate, suggesting that heterotrophic bacteria are important actors of the P cycle in the Southeast Pacific. In the gyre, the particulate primary production rates reached the minimum value under severe oligotrophic conditions (150 mg C m-2 d-1). Nevertheless, bacterial production was in the range of those found in other subtropical and temperate oligotrophic areas. The disequilibrium between primary and bacterial production coupling being impossible in this area far from external inputs, it implies to question about methods. ELF labelling methods have been developed to study P limitation of marine bacteria in oligotrophic areas. With the method of detection by microscopy, while the ELF labelling was imposing in cultures under P limited conditions (26-100 % of labelled cells according to species); the fraction of labelled bacteria was only of 0. 01 % in Mediterranean samples under P limitation periods. The method of detection by flow cytometry allowed detecting significant labelling in Mediterranean when bulk activity was greater than 7 nM h-1. In situ applications in marine or lake waters showed significant variations of the proportion of ELF labelled cells and of the median relative fluorescence of ELFA labelled cells with depth. The application of this method will allow improving our understanding of the physiological response of heterotrophic bacteria to P limitation. The affinity of Extracellular phosphatase for ELF-P was studied in various environments, indirectly, through its capacity to inhibit MUF-P hydrolysis. ELF-P has a strong effect on the Km parameter of the saturation kinetics of MUF-P, while its effect on the Vmax parameter is low. This behaviour is compatible with the assumption of a competitive interaction between MUF-P and ELF-P

Il est désormais établi que la disponibilité en fer (Fe) contrôle environ 50% de la production primaire des océans du monde. Cependant, les processus régissant l’intensité des puits et des sources du Fe ainsi que la prédominance relative de ces sources au sein des divers bassins océaniques, sont elles-mêmes peu contraintes. Par ailleurs, une fois entrées dans le système océanique, la disponibilité et l’accessibilité des diverses formes de Fe pour les organismes marins restent incertaines. La réactivité du Fe au sein de l’environnement marin dépend de son état d’oxydoréduction et de complexation. Le fer dissous (DFe) est souvent considéré comme la fraction la plus biodisponible pour le phytoplancton et les ligands organiques du Fe augmentent vraisemblablement le temps de résidence du Fe et permettent des concentrations de DFe bien plus élevées que sa solubilité inorganique ne le permet dans l’eau de mer (10 pmol L-1).Dans ce contexte et s’inscrivant dans le programme international GEOTRACES, cette thèse a pour but principal d’implémenter notre savoir du cycle biogéochimique du Fe dans l’océan et ses interactions avec la structure des communautés phytoplanctoniques, en particulier afin de mieux contraindre les formes biodisponibles du Fe. Ainsi, les objectifs de cette thèse reposent sur trois questions scientifiques : 1) Quelles sont les distributions, sources, et puits de Fe ? 2) Quel est le lien entre la structure des communautés phytoplanctoniques et les concentrations en DFe ? 3) Comment la spéciation organique du DFe impacte ses concentrations et sa biodisponibilité ? Ces trois questions ont été explorées sur de deux zones d’études contrastées : l’océan Nord Atlantique (GEOVIDE, GA01 GEOTRACES voyage, PIs G. Sarthou and P. Lherminier) étant occasionnellement et saisonnièrement appauvri en Fe et l’océan Austral (HEOBI, GIpr05 GEOTRACES voyage, PIs A. Bowie, T. Trull, Z. Chase) l’étant de manière permanente<br>It is now recognized that iron (Fe) availability dictates the efficiency of the global biological carbon pump such that any perturbation of Fe sources will lead to changes in the carbon cycles with consequences on both other major nutrient cycles and the climate system, controlling about 50% of the worldwide ocean primary production. However, the underlying processes themselves that affect the pathways releasing and trapping Fe, and the relative predominance of Fe sources among the different ocean basins are still poorly constrained. More importantly, the extent to which both the chemical and the physical speciation of Fe are available and accessible for marine organisms, once it enters the ocean, remains uncertain. The reactivity of Fe within the marine environment will depend on its redox and complexation state, with DFe generally considered the most bioavailable form for phytoplankton and Fe-binding organic ligands likely increasing the residence time of Fe that enables enhanced DFe concentrations way above its inorganic solubility in seawater (c.a. 10 pmol L-1).In this context and as part of the international GEOTRACES program, this thesis aims at improving our knowledge on Fe biogeochemical cycle in the ocean and its interactions with the phytoplankton community structure to better constrain the bioavailable forms of Fe. The objectives of this thesis revolve around three scientific questions: 1) What are the distributions, sources, and sinks of dissolved iron? 2) What is the link between the phytoplankton community structure and dissolved iron concentrations? 3) How the organic speciation of dissolved iron affects its concentrations and bioavailability for the phytoplankton community? These three questions were investigated through two contrasted areas: the North Atlantic Ocean (GEOVIDE, GA01 GEOTRACES voyage, PIs G. Sarthou and P. Lherminier) and the Southern Ocean (HEOBI, GIpr05 GEOTRACES voyage, PIs A. Bowie, T. Trull, Z. Chase) the former being occasionally seasonally depleted in Fe, the latter permanently

La formation du gypse (CaSO4.2H2O) dans les bassins marginaux méditerranéens au cours du Messinien est contrôlée par la restriction des bassins et par le cycle hydrologique local. La compétition entre l’évaporation et l’apport d’eau douce par les rivières, en association avec des échanges limites avec la Méditerranée, ont permis la mise en place de conditions chimiques favorables à la formation du gypse. La restriction des bassins entraine, de plus, l’augmentation de la consommation de l’oxygène par les microorganismes, l’anoxie, et la mise en place d’un cycle biogéochimique actif du soufre. Au cours de cette étude, j’utilise la composition isotopique stable du gypse en tant que traceur des cycles de l’eau et du soufre dans les bassins marginaux. Le but est de mieux comprendre les conditions hydrologiques et géochimiques qui ont mené à la précipitation du gypse. Ce problème se place dans un débat actuel de la communauté scientifique, particulièrement depuis que de récents travaux proposent qu’une partie du gypse dans les bassins marginaux aurait pu précipiter à partir d’une colonne d’eau à faible salinité (£ 35 PSU) - hypothèse qui peut sembler peu réaliste d’un point de vue géochimique. J’ai mené une analyse isotopique à haute-résolution des couches de gypse qui composent les alternances cycliques gypse-marnes dans les bassins messiniens de Caltanissetta (BC, Sicile) et du Piémont (BP, nord-ouest de l’Italie). Ces alternances gypse-marnes correspondraient à l’expression sédimentaire des cycles astronomiques de précession (~20 ka), pendant lesquels les bassins marginaux ont subi une alternance de conditions climatiques arides et humides. Le cycle hydrologique a été trace grâce aux mesures des compositions isotopiques de l’oxygène et de l’hydrogène de l’eau de cristallisation des gypses ; le cycle biogéochimique du soufre a quant à lui été trace en mesurent les compositions isotopiques du soufre et de l’oxygène des ions sulfates des gypses. J’ai pu observer que : (1) les isotopes de l’eau piégée dans les gypses sont nettement plus légers que ceux théoriquement attendus pour des gypses ayant précipite uniquement à partir d’une eau de mer, et (2) l’eau du BC est caractérisée par un plus fort déficit en deutérium - compare à sa teneur en 18O - que l’eau du BP. Combine a un modèle hydrologique numérique, ces observations impliquent que (1) la précipitation des gypses est réalisée sous l’influence d’un apport d’eau douce fluviatile important, particulièrement au nord du BP, et est donc caractérisée par de très faibles salinités (27-50 psu pour le BC et 10-42 psu dans le BP) ; (2) le contraste de déficit en deutérium entre les deux bassins résultant de la différence de teneur en deutérium des flux évaporais respectifs, est contrôlée par a une différence d’humidité atmosphérique : cela implique que l’atmosphère au-dessus du BC était plus sèche que celle au-dessus du BP. Nous pouvons alors proposer qu’un gradient latitudinal d’humidité relative similaire à l’actuel existait au Messinien, apportant la preuve d’un climat de type méditerranéen dans la région il y a 5.97 Ma. La composition isotopique des ions sulfate suggère globalement une formation de gypse sous influence marine. Cependant, des divergences observées avec la signature marine messinienne mettent en évidence un cycle biogéochimique du soufre actif, contrôlé par la réduction des sulfates et l’oxydation des sulfures. En particulier : (1) les sulfates du BP enrichis en 18O et 34S sont indicateurs d’une sulfato-reduction dans un système géochimique ouvert ou la perte de 32S est liée a la formation de minéraux soufres sédimentaires ; (2) l’enrichissement (BC) ou l’appauvrissement (BP) significatifs en 18O dans les échantillons alors que la teneur en 34S est la même que celle de l’eau de mer indique une reoxydation de sulfure dans un système géochimique ferme d’un bassin marginal soit évaporait (BC) soit dilue (BP)<br>The formation of gypsum (CaSO4.2H2O) in Messinian Mediterranean marginal basins is controlled by basin restriction and the local hydrological cycle. Acting together, evaporation, river input and restricted water exchange with the Mediterranean basin bring about the chemical conditions for gypsum formation. Basin restriction also leads to enhanced microbial oxygen consumption, anoxia, and the triggering of active biogeochemical sulfur cycling. In this work I use the stable isotopic composition of gypsum as a proxy of water and sulphur cycling in the marginal basins. The goal is to better understand the hydrological and geochemical conditions that lead to gypsum precipitation. This is an open question, especially since recent work has proposed that part of the gypsum in marginal basins precipitated from a low-salinity (£ 35 PSU) water column - a hypothesis that seems unrealistic based on simple geochemical considerations. I carried out a high-resolution isotopic study of gypsum layers composing gypsum-marl cycles in the Messinian Caltanissetta (Sicily) and Piedmont (north-western Italy) marginal basins (CB and PB, respectively). These gypsum-marl cycles are thought to be the sedimentary expression of astronomical precession cycles (~20 kyr), during which the marginal basins experienced a succession of arid and wet conditions. The hydrological cycle was tracked by measuring the oxygen and hydrogen isotope composition of the gypsum-bound water molecule; the biogeochemical sulfur cycle was tracked by measuring the sulfur and oxygen isotope composition of the gypsum sulfate ion. I observed that: (1) the isotopes of gypsum-bound water are considerably lighter than those expected for gypsum precipitated via evaporation of seawater, and (2) water in the Caltanissetta basin was characterized by a higher deuterium deficit - compared to its 18O content - than water in the Piedmont basin. In conjunction with a hydrological box-model, these observations imply that (1) gypsum precipitation takes place under the influence of large riverine freshwater fluxes, particularly in the North Piedmont basin, that result in very low salinities (27-50 psu in CB and 10-42 psu in PB) and (2) the contrast in deuterium deficit results from atmospheric humidity-drived difference in the deuterieum content of the evaporative flux, implying that the atmosphere over the CB was drier than that over the PB. Thus, a latitudinal relative humidity gradient similar to the modern one existed in the Messinian, providing evidence for a Mediterranean-like climate in the region 5.97 million years ago. The isotopic composition of the gypsum sulfate ion suggests that it originates from coeval sea water. Deviation from the Messinian marine signature, however, highlights an active biogeochemical sulfur cycle driven by sulfate reduction and sulfide oxidation. In particular, (1) 18O- and 34S-rich sulfate in the Piedmont basin indicates sulfate-reduction in a geochemically open system where 32S is lost to sedimentary sulfide minerals, and (2) significant 18O-enrichment (CB) or 18O-depletion (PB), in samples where the 34S concent is that of seawater, indicates re-oxidation of sulphide in a geochemically closed system of an evaporative (CB) or dilution (PB) marginal basin. A strong relation between the hydrological cycle and the biogeochemical cycle is thus highlighted in marginal Messinian basins

Les matières organiques dissoutes (MOD), en tant que sources de nutriments ou potentiels vecteurs de pollution, sont impliquées dans de nombreuses problématiques environnementales. Bien qu'elles fassent l'objet de nombreuses études depuis plusieurs décennies, les mécanismes gouvernant leur solubilisation et leur transfert depuis les sols vers les systèmes aquatiques demeurent sujets à discussion. En s'appuyant sur l'étude de la composition moléculaire des MOD par hydrolyse et méthylation assistée par température et couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse (HMT-CPG-SM), cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension de leurs mécanismes de solubilisation et de transfert à l'échelle d'un bassin versant agricole. Ce travail s'est appuyé sur le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement AgrHys) afin d'observer les processus mis en jeux à deux échelles temporelles différentes. A l'échelle de la crue, ce travail a permis de préciser l'impact des conditions hydrologiques spécifiques sur la dynamique des MOD. A l'échelle annuelle, l'utilisation conjointe de la signature isotopique du carbone (δ13C) et de la composition moléculaire des MOD a permis de préciser les mécanismes de transfert de MOD impliqués à l'échelle du versant. L'utilisation de la HMT-CPG-SM s'est avéré un outil adéquat pour l'étude de la dynamique des MOD. L'ensemble des résultats ainsi obtenus ont permis de souligner l'importance des conditions hydrologiques et en particulier de la dynamique de nappe dans les processus de solubilisation et de transfert des MOD<br>Dissolved organic matter (DOM), as sources of nutrient or pollutant dissemination pathway are implied in numerous environmental issues. Although DOM have been the subject of numerous studies for several decades, the mechanisms implied for their solubilization and their transport from soils to aquatic systems are still a matter of discussion. Based on DOM molecular composition determined using thermally assisted hydrolysis and methylation –gas chromatography – mass spectrometry (THM-GC-MS), this thesis aims to provide a better understanding of their solubilization and transfer mechanisms at the scale of an agricultural headwater catchment. This work was conducted on the experimental headwater catchment of Kervidy-Naizin (France, Environmental Research Observatory AgrHys) in order to determine the processes implied at two temporal scales. At the scale of a rain event, this work has clarified the impact of hydrological conditions on the DOM dynamics. At annual scale, the use of carbon isotope signature (δ13C) and DOM molecular composition allowed to clarify the DOM transfer mechanisms at the slope scale. The use of THM-GC-MS appears to be a suitable tool for the study of DOM dynamics. The results thus obtained allowed to highlight the role of hydrological conditions and in particular the water-table level in the solubilization and transfer of DOM

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. (...)

Des mesures réalisées pendant deux ans (piézométrie, limnimétrie, chimie des eaux de surface et souterraines) ont permis de définir les modalités du fonctionnement hydrodynamique d'un secteur de la plaine alluviale de la Meuse. Le contexte hydrogéologique particulier de la zone d'étude lui confère d'importantes potentialités dans la rétention des nutriments lors de l'infiltration des eaux de débordement. L'influence d'un couvert prairial sur l'hydrochimie de la nappe alluviale est examinée sur une période de trois ans par un suivi des différents compartiments de l'écosystème (sol, végétation, solution du sol, eaux souterraines). Les expérimentations sont menées dans deux sites qui diffèrent par la composition floristique et le niveau hydrique. Le premier site correspond à une prairie à séneçon aquatique et le second, plus humide, est représenté par une mégaphorbiaie à reine des près. Un réseau de 36 piézomètres permettant d'échantillonner la frange superficielle (1 m) et plus profonde (3 m) de l'aquifère a été mis en place au niveau de 5 micro parcelles qui reproduisent globalement les différentes pratiques culturales du secteur. L'intensification de la gestion agricole est étudiée à travers la fertilisation azotée (apport de 60 a 120 kg d'azote/ha) et le retournement des prairies en sol nu. Les résultats montrent : - le rôle primordial du facteur hydrologique dans le contrôle des processus responsables des transferts de nutriments aux interfaces sol-atmosphère, sol-racine et sol-nappe. - l'importance d'un couvert végétal sur les concentrations en éléments minéraux dans la nappe et dans le sol (stockage et exportation des nutriments par la fauche). - l'apparition d'un risque élevé de lixiviation des nitrates sur sol nu. - des concentrations en éléments biogênes plus faibles dans les eaux souterraines sous la mégaphorbiaie qui sont attribuées avant tout au niveau hydrique, et secondairement seulement, à la composition floristique

Les alkylphénol-polyéthoxylés et les substances pharmaceutiques appartiennent à la classe des contaminants émergents qui sont depuis peu étudiés dans les milieux naturels. Ces composés d’usage très répandu (aussi bien en termes d’applications qu’en termes de quantité) sont introduits dans le milieu aquatique, via les stations d’épuration, principalement et sont susceptibles d’engendrer des effets toxiques sur les organismes vivants dans ces milieux. La première partie de ce travail de thèse a consisté en le développement et la validation de différentes méthodologies d’échantillonnage (ponctuel et intégratif (POCIS)), de différents protocoles d’extraction (SPE, extraction assistée par micro-ondes) et d’analyse (CL/SM, CL/SM/SM), nécessaires pour un dosage fiable des alkylphénol-polyéthoxylés et des substances pharmaceutiques dans les différents compartiments des systèmes aquatiques (phases dissoute, particulaire et sédimentaire, organismes biologiques). Ensuite, un bilan de la contamination de différents systèmes aquatiques (le bassin de d’estuaire de Seine, la Garonne et la Gironde, la baie de la Vilaine, la baie de l’Authie, l’Adour, la rade de Marseille) a été dressé. Une contamination généralisée par ces composés a été mise en évidence pour l’ensemble des sites étudiés. Les concentrations mesurées apparaissent extrêmement variables selon la classe de molécule considérée, les sites et le temps avec des concentrations comprises entre le ng.l-1 et la dizaine de µg.l-1 pour les phases dissoutes et de la dizaine de ng.g-1 et la dizaine de µg.g-1 pour les phases solides (plusieurs centaines de µg.g-1 dans les boues d’épuration). Ces études ont également permis de documenter la présence et le devenir des molécules ciblées dans les stations d’épuration et ont permis d’en évaluer l’efficacité quant l’abattement des substances incriminées. Enfin, ces travaux ont également permis de mettre en évidence des phénomènes de partition entre les phases dissoutes et les phases solides ainsi que des phénomènes de transferts vers les organismes du milieu<br>Alkylphenol-polyethoxylates and pharmaceutical substances belong to the class of the emerging contaminants which have been recently studied in natural environments. These compounds of very widespread use (in terms of applications as well as in terms of quantity) are introduced into the aquatic environment, via the wastewater treatment plants, mainly, and are likely to generate toxic effects on the living organisms in these systems. The first part of this work consisted in the development and validation of various methodologies of sampling (grab sampling and integrative sampling (POCIS)), of various protocols of extraction (SPE, microwaves assisted extraction) and of analysis (LC/MS, LC/MS/MS), necessary for a reliable quantification of alkylphenol-polyethoxylates and pharmaceutical substances in the various compartments of aquatic systems (phases dissolved, particulate and sedimentary, biological organisms). Then, an assessment of the contamination of numerous aquatic systems (the catchment area of the Seine estuary, the Garonne and the Gironde, the bay of Vilaine, the bay of Authie, the Adour, the Mediterranean coast of Marseilles) was undertaken. A generalized contamination by these compounds was highlighted for all the studied sites. The measured concentrations appear to be extremely variable according to the class of molecule considered, the sites and time with concentrations ranging from the ng.l-1 to tens of µg.l-1 for the dissolved phases and from tens of ng.g-1 to tens of µg.g-1 for the solid phases (several hundreds of µg.g-1 in the clarification sludge). These studies also made it possible to document the presence and the fate of these molecules in the French wastewater treatment plant and made it possible to evaluate their effectiveness to remove the studied compounds. Lastly, this work also made it possible to highlight phenomena of partition between the dissolved phases and the solid phases as well as phenomena of transfers through the biological organisms

Le fer constitue un élément essentiel pour la croissance du phytoplancton en milieu marin. Il est en effet l'élément limitant pour la production primaire dans de nombreuses régions océaniques et, de fait, est impliqué dans le cycle du carbone de la planète. Pourtant, son cycle biogéochimique est encore très mal connu. Les poussières atmosphériques et les sédiments des marges continentales sont considérés à l'heure actuelle comme les deux principales sources potentielles de fer à l'océan ouvert de surface. Ces deux sources ayant montré des compositions isotopiques très contrastées, les isotopes du fer dans la colonne d'eau ont été pressentis comme un traceur prometteur de ces sources. Outre ces apports à l'océan, le fer subit une multitude de processus de transferts entre les différentes formes physico-chimiques sous lesquelles il est présent dans la colonne d'eau. Certains de ces processus étudiés in vitro semblent être à l'origine d'un fractionnement des isotopes du fer. Par conséquent l'étude des isotopes du fer dans la colonne d'eau pourrait aussi nous permettre de clarifier ces échanges. Au commencement de ma thèse, aucune mesure des isotopes du fer dissous dans l'océan n'avait encore été réalisée. Une telle mesure impliquait un réel défi analytique dans la mesure où les quantités de fer disponibles dans un échantillon d'eau de mer sont très faibles alors que la matrice salée dans laquelle il réside est très concentrée. Nous avons donc développé une méthode de mesure des isotopes du fer dissous dans des eaux de mer appauvries en fer, satisfaisant aux exigences requises, à savoir un bon rendement, un blanc de quelques ng, une élimination de la matrice et un moyen précis de corriger des fractionnements isotopiques tout au long de la procédure. Le succès de l'intercalibration du programme GEOTRACES constitue une validation supplémentaire de notre méthode. Cette méthode a permis d'obtenir les premières données de compositions isotopiques (CI) de fer dissous dans l'océan. Nous avons également documenté les particules en suspension, pour lesquelles aucune mesure de compositions isotopiques n'avait encore été réalisée. L'analyse des résultats de ces deux fractions montre des variations systématiques et significatives de δ56Fe, dont les valeurs sont comprises entre -0.71 et +0.58‰ avec une précision de ±0.08‰ (2σ), les plus grandes variations étant observées dans la phase dissoute. A travers des régions étudiées très contrastées, des tendances cohérentes (énoncées ci-après) ont permis de dégager des premières interprétations sur le cycle des isotopes du fer dans l'océan. En dessous de la couche de surface, les variations de CI observées sont à la fois cohérentes i) avec la circulation océanique, i.e., on retrouve des CI semblables dans une même masse d'eau échantillonnée à des sites distants de plusieurs milliers de km, mais semble aussi en cohérence avec ii) les propriétés biogéochimiques de la colonne d'eau. Nous suggérons l'existence de fractionnements isotopiques associés à l'activité phytoplanctonique, à la reminéralisation ainsi qu'aux échanges de sorption, chacun de ces fractionnements présentant une amplitude relativement faible par rapport à certains rapportés dans la littérature. Alors que le mécanisme sédimentaire délivrant du fer dans la colonne d'eau était jusqu'à présent supposé être principalement la dissolution par réduction bactérienne (caractérisé par Δdiss-part≈-3 to -1‰), nos résultats soulignent l'importance d'un autre processus sédimentaire : une dissolution non-réductrice du sédiment dans l'eau de mer, caractérisée par un fractionnement isotopique moyen de Δdiss-part≈+0.2‰, générant des signatures isotopiques lourdes dans la phase dissoute. Par ailleurs, nos mesures de δ56Fe dans les aérosols suggèrent que leur signature isotopique est plus variable qu'auparavant admis, et serait comprise entre la valeur crustale et 0.5‰. Enfin l'étude couplée des CI dans la phase dissoute et particulaire met en évidence la forte interaction qui existe entre ces deux phases, à la fois en milieux abrités d'apports lithogéniques où s'expriment les processus du cycle interne du fer, mais aussi après injection de particules lithogénique qui impriment une signature spécifique dans les masses d'eau. Ainsi les isotopes du fer dans la colonne d'eau constituent un outil très prometteur pour l'étude du cycle du fer dans l'océan.

Ce travail de recherche porte sur l'étude des compositions isotopiques du fer dans différents réservoirs naturels d'environnements tropicaux. Cette étude a été conduite afin d'évaluer le potentiel des isotopes stables du Fe comme nouvel outil géochimique quantitatif et dynamique de la pression anthropique sur les processus de transformation des sols et le transfert d'éléments des continents vers les océans. Les résultats obtenus montrent qu'un fractionnement isotopique du Fe important se produit dans les sols le long de toposéquences en zone forestière tropicale. L'altération chimique et la pédogénèse sont responsables de la mobilisation et de la perte en fer isotopiquement léger dans les sols de bas de versant. Après déforestation, l'érosion et le colluvionnement entrainent un rajeunissement apparent du sol de bas de versant se traduisant par une signature isotopique en fer différente du sol de forêt. Le Fe dissous des eaux de ruisseau, drainant les bassins versants étudiés, montre une signature en fer isotopiquement lourde en forêt. En revanche, les eaux de zones déforestées sont enrichies en Fe isotopiquement léger. Cette différence est due à une mobilité du FeIII complexé par la matière organique dans les eaux noires, riches en matière organique des forêts, et à des modifications géomorphologiques induisant des processus d'oxydoréduction qui peuvent fractionner les isotopes du Fe, après déforestation. Les activités humaines contribuent à des modifications de l'environnement qui influencent les compositions isotopiques en fer. Cette première étude comparative entre forêts tropicales et zones déforestées prouve l'intérêt de l'étude des isotopes stables du Fe puisqu'ils permettent clairement de mettre en évidence l'impact sur le système eau-sol-végétation des activités anthropiques en environnement tropical<br>This research work deals with iron isotope compositions from various natural reservoirs in tropical environments. The aim of this work was to evaluate whether or not stable Fe isotopes can be used as a new geochemical tool to trace soil transformations and mass transfers from continents to oceans. This will help quantifying the impact of anthropogenic activities like deforestation. Results show significant Fe isotope fractionation, occurring within soils along toposequences in tropical forest. Chemical alteration and pedogenesis are interpreted to be responsible for the preferential loss of light Fe isotopes in footslope soils. After deforestation, erosion and colluviation lead to an apparent rejuvenation of the soil valley that results into a different Fe isotope signature compared to the forest soils. Dissolved Fe from the rivers draining the studied watersheds show high isotopic signatures in forest. In contrast, waters originating from deforested areas appear enriched in light Fe isotopes. Such a difference is due to 1) FeIII mobility when complexed by organic ligands in black waters, the latter being enriched in organic matter from the forest, and 2) geomorphological modifications after deforestation leading to Fe isotope fractionation from redox processes. Human activities are actively contributing to environmental changes that generate significant variations in Fe isotopic compositions. This study is to date the first one that compares Fe isotopic signatures between tropical forests and deforested environments. It demonstrates here that Fe stable isotopes record significant variations in the water-soil-vegetation system in response to anthropogenic activities

Le 36Cl est utilisé dans les études hydrologiques en raison de son caractère conservatif. Il apparaît cependant que le Cl- participe à un cycle biogéochimique complexe associé au turnover de la matière organique. Le flux de 36Cl atmosphérique a été déterminé (suivi mensuel des eaux de pluie sur deux ans) et varie saisonnièrement avec des valeurs accrues au printemps - été. L'importance de la période d'échantillonnage a été mise en évidence indiquant qu'une période de 6 mois est recommandée afin de lisser les variations saisonnières et les pics sporadiques du flux de 36Cl. Le flux atmosphérique moyen du 36Cl à notre site, constituant le flux d'entrée majoritaire dans son cycle biogéochimique, est de (75±6) atoms.m-2.s-1.La distribution du Cl et du 36Cl a été étudiée dans l’écosystème forestier grâce au développement des protocoles adéquats. 72% du Cl et 80% du 36Cl sont présents sous forme organique dans le sol alors qu'ils sont principalement sous forme inorganique dans la végétation. Les rapports mesurés dans la végétation (~ 200 x 10-15 at.at-1) sont similaires à ceux provenant des apports atmosphériques (~ 180 x 10-15 at.at-1) et ceux mesurés dans le sol sont un ordre de grandeur supérieur. Ces derniers augmentent significativement à 5-15 cm dans la fraction organique du profil de sol alors que dans la fraction inorganique une faible augmentation apparaît à 15-30 cm. Nous attribuons ces observations au recyclage du 36Cl du pic nucléaire des années 1950-1960. Ces résultats indiquent que la distribution du 36Cl diffère de celle du Cl suggérant des processus dynamiques d’immobilisation et de remobilisation du 36Cl liés au renouvellement de la matière organique<br>36Cl is widely used in hydrological studies since it is considered as a conservative tracer. However it appears that Cl- participates in a complex biogeochemical cycle linked to the organic matter turnover. The 36Cl atmospheric fallout rate has been determined (monthly record of rainwater samples during two years) and varies seasonally with higher values during spring – summer. The sampling period should at least span 6 months to avoid any biais in the fallout rate determination due to the monthly variations or any sporadic bursts of 36Cl. The mean 36Cl fallout rate at our site, corresponding to the main input of its biogeochemical cycle, equals (75±6) atoms.m-2.s-1. The distribution of Cl and 36Cl has been studied into the ecosystem thanks to the development of appropriate protocols.72% of the Cl and 80% of the 36Cl are contained in the organic fraction in soil while they are mainly in inorganic form in the vegetation. 36Cl/Cl measured in vegetation (~200 x 10-15 at.at-1) are within the range of the ones measured in the rainwater samples (~180 x 10-15 at.at-1), while the 36Cl/Cl ratios are 10 times higher in soil. 36Cl/Cl in soil increase significantly at a depth of 5-15 cm in the organic fraction while a slight increase is observed in the inorganic fraction at 15-30 cm deep. This suggests that 36Cl originating from the massive input of 36Cl introduced in the atmosphere more than 50 years as a consequence of nuclear tests, might still be recycling.These results emphasize that the distribution of 36Cl and Cl are not similar suggesting a possible occurrence of dynamic processes of 36Cl accumulation and release associated with the turnover of the organic matter

Modifications dues à la substitution d'une plantation de pices abies à une forêt feuillue mélangée des Ardennes sur les sols (morphologie, caractéristiques physicochimiques, bilan isoquartz) et le cycle biogéochimique (flux en solution, variation des concentrations, redistribution par les eaux de gravité, bilan apports-pertes dans les écosystèmes feuillus et résineux)

Le phosphore (P) joue un rôle essentiel dans le contrôle des processus métaboliques, de la dynamique de la matière organique du sol et de la productivité des écosystèmes, affectant ainsi le bilan des gaz à effet de serre (GES) des écosystèmes terrestres. Un nombre croissant de modèles numériques d’écosystèmes terrestres (LSMs) ont incorporé le cycle du phosphore mais leurs prévisions des bilans de GES restent incertaines. Les raisons sont: (1) le manque de données de référence pour les processus clés liés au P, (2) le manque d’approche intégrée globale d'évaluation adaptée aux processus spécifiques à P et les intéractions entre le cycle de P et celui du carbone (C) et de l'azote (N), et (3) le calibrage insuffisant des modèle, limité par le coût de calcul élevé pour simuler des cycles CNP couplés sur des échelles de temps allant de quelques minutes à plusieurs millénaires. Pour remédier à ces goulots d'étranglement, j'applique une combinaison de méthodes statistiques (apprentissage automatique), de LSMs et de données d'observation à différentes échelles.Premièrement (chapitre 2), pour compléter les données de référence de l’évaluation des modèles. J'ai appliqué deux méthodes d'apprentissage automatique afin de produire des cartes spatiales de l'activité de la phosphatase acide (AP) à l'échelle continentale en extrapolant les observations sur sites de l'activité potentielle de la AP. Le AP sécrété par les mycorhizes, les bactéries et les racines des plantes joue un rôle important dans le recyclage du P du sol en transformant le P organique non disponible en phosphate assimilable. La méthode du réseau artificiel de rétropropagation (BPN) a expliqué 58% de la variabilité spatiale de AP et peut reproduire les gradients en AP le long de trois transects en Europe. Les éléments nutritifs du sol et les variables climatiques ont été détectés comme les principaux facteurs influençant les variations de la AP dans l'espace.Deuxièmement (chapitre 3), j'ai évalué les performances de la version globale du LSM ORCHIDEE-CNP (v1.2) en utilisant les données du chapitre 2 ainsi que des données issues de la télédétection, des réseaux de mesure au sol et des bases de données. Les composantes simulées du cycle N et P à différents niveaux d'agrégation sont en bon accord avec les estimations empiriques. Nous avons identifié des biais de modèle, sur la stoechiométrie des feuilles et du sol et de l'efficacité d'utilisation des plantes P, qui suggèrent une sous-estimation de la disponibilité de P aux hautes latitudes. Basé sur notre analyse, nous proposons des moyens de corriger les biais du modèle en donnant la priorité à une meilleure représentation des processus de minéralisation du P organique du sol et de la transformation du P inorganique du sol.Enfin (chapitre 4) j'ai conçu et testé une procédure basée sur l'apprentissage automatique (ML) pour l'accélération de l'équilibration des cycles biogéochimiques en réponse à des conditions aux limites stationnaires, un problème qui est la source d’une faible efficacité de calcul des LSMs représentants les couplages entre P et autres éléments. Cette approche d'accélération basée sur le ML(MLA) requiert de ne faire tourner qu'un petit sous-ensemble de pixels (14,1%) à partir desquels l'état d’équilibre des pixels restants est estimé par ML. La méthode de MLA prédit suffisamment bien l'état d'équilibre des stocks de C, N et P du sol, de la biomasse et de la litière C, N et P, comme l'indique l'erreur mineure introduite dans la simulation du bilan actuel du C terrestre. La consommation de calcul de MLA est un ordre de grandeur inférieure à l'approche actuellement utilisée, ce qui rend possible l’assimilation de données à l'aide des ensembles de données d'observation en constante augmentation.Dans les perspectives, je discute des applications spécifiques de l'approche MLA et des priorités de recherche futures pour améliorer encore la fiabilité et la robustesse des LSMs P-enabled<br>Phosphorus (P) plays a critical role in controlling metabolic processes, soil organic matter dynamics, plant growth and ecosystem productivity, thereby affecting greenhouse gas balance (GHG) of land ecosystems. A small number of land surface models have incorporated P cycles but their predictions of GHG balances remain highly uncertain. The reasons are: (1) scarce benchmarking data for key P-related processes (e.g. continental to global scale gridded datasets), (2) lack of comprehensive global evaluation strategy tailored for d P processes and interlinkages with carbon and nitrogen (N) cycles, and (3) insufficient model calibration limited by the high computation cost to simulate coupled CNP cycles which operate on timescales of minutes to millenia. Addressing those research gaps, I apply a combination of statistical methods (machine learning), LSMs and observational data among various scales.Firstly (Chapter 2), to address the lack of benchmarking data, I applied two machine-learning methods with the aim to produce spatial gridded maps of acid phosphatase (AP) activity on continental scale by scaling up scattered site observations of potential AP activity. AP secreted by fungi, bacteria and plant roots play an important role in recycling of soil P via transforming unavailable organic P into assimilable phosphate. The back-propagation artificial network (BPN) method that was chosen explained 58% of AP variability and was able to identify the gradients in AP along three transects in Europe. Soil nutrients (total nitrogen, total P and labile organic P) and climatic controls (annual precipitation, mean annual temperature and temperature amplitude) were detected to be the dominant factors influencing AP variations in space.Secondly (Chapter 3), I evaluated the performance of the global version of the land surface model ORCHIDEE-CNP (v1.2) using the data from chapter 2 as well as additional data from remote-sensing, ground-based measurement networks and ecological databases. Simulated components of the N and P cycle at different levels of aggregation (from local to global) are in good agreement with data-driven estimates. We identified model biases, in the simulated large-scale patterns of leaf and soil stoichiometry and plant P use efficiency, which point towards an underestimation of P availability towards the poles. Based on our analysis, we propose ways to address the model biases by giving priority to better representing processes of soil organic P mineralization and soil inorganic P transformation.Lastly (Chapter 4), I designed and tested a Machine Learning (ML)-based procedure for acceleration of the equilibration of biogeochemical cycles to boundary conditions (spinup) which is causing the low computational efficiency of current P-enabled LSMs. This ML-based acceleration approach (MLA) requires to spin-up only a small subset of model pixels (14.1%) from which the equilibrium state of the remaining pixels is estimated by ML. MLA predicts the equilibrium state of soil, biomass and litter C, N and P on both PFT and global scale sufficiently well as indicated by the minor error introduced in simulating current land carbon balance. The computational consumption of MLA is about one order of magnitude less than the currently used approach, which opens the opportunity of data assimilation using the ever-growing observation datasets.In the outlook, specific applications of the MLA approach and future research priorities are discussed to further improve the reliability and robustness of phosphorus-enabled land surface models

On se propose d'étudier l'influence de la roche-mère sur l'orientation de la biodynamique des horizons organo-minéraux superficiels et sur le bilan biogéochimique des éléments minéraux, ainsi que les modifications apportées par la culture du cacaoyer dans la biodynamique des humus forestiers. On effectue des observations morphologiques, micromorphologiques et ultrastructruales de l'organisation des horizons A#1 et A#1#1 et des différentes activités biologiques intervenant dans la transformation des litières et dans la structuration de l'horizon. Les méthodes d'étude des matières organiques sont le fractionnement physique et chimique, la détermination de la CEC et la minéralisation du carbone. On propose un modèle de fonctionnement des 2 écosystèmes forêt et cacaoyère