Dissertations / Theses on the topic 'Zones tampons humides artificielles'

Les contaminants d'origine agricole, incluant les pesticides et les nitrates, peuvent être transférés jusqu'à l'hydrosphère, et ainsi avoir des effets néfastes sur les organismes et sur les écosystèmes aquatiques. Les Zones Tampons Humides Artificielles (ZTHAs) peuvent être implantées dans le paysage agricole pour réduire le transfert des contaminants d'origine agricole dans l'hydrosphère grâce à des propriétés épuratoires naturelles. Cependant, bien que leur but premier soit de réduire la pollution du milieu aquatique, paradoxalement, les ZTHAs peuvent constituer des milieux intercepteurs et concentrateurs de pesticides et nitrate, avec les répercussions négatives que ces contaminants peuvent engendrer sur les organismes aquatiques, faisant des ZTHAs des potentiels pièges écologiques pour la faune aquatique. Par l'étude d'un site pilote situé en Seine-et-Marne (France) et sujet à un suivi de la qualité de l'eau depuis 2012, la présente thèse vise à évaluer le potentiel pour une ZTHA agricole à agir comme un piège écologique pour les amphibiens et les invertébrés aquatiques autochtones.Au travers d'un ensemble de suivis écologiques et écotoxicologiques multi-niveaux et in situ, les résultats obtenus tendent à montrer que le risque induit par les flux de contaminants d'origine agricole dans la ZTHA est important pour les amphibiens, et que des effets négatifs sub-cellulaires, comportementaux, et écologiques s'exercent sur la faune aquatique. Ce travail permet de mieux comprendre les impacts potentiels des flux de contaminants d'origine agricole sur la faune aquatique dans les ZTHAs
Agrochemicals, including pesticides and nitrates, can be transferred to the hydrosphere, with adverse effects on organisms and aquatic ecosystems. Constructed wetlands (CWs) can be implemented in the agricultural landscape to reduce the transfer of agrochemicals to the hydrosphere through their natural purification properties. However, although their primary aim is to reduce pollution of the aquatic environment, paradoxically, CWs can act as interceptors and concentrators of pesticides and nitrates, with the negative repercussions that these contaminants can have on aquatic organisms, making CWs potential ecological traps for aquatic fauna. By studying a pilot site located in Seine-et-Marne (France) and subject to water quality monitoring since 2012, the present thesis aims to assess the potential for an agricultural CW to act as an ecological trap for amphibians and aquatic invertebrates.Through a series of multi-level, in situ ecological and ecotoxicological monitoring studies, the results obtained tend to show that the risk induced by agrochemical fluxes in the CW is notable for amphibians, and that negative sub-cellular, behavioral, and ecological effects are exerted on aquatic fauna. This work provides a better understanding of the potential impacts of agricultural contaminant fluxes on aquatic fauna in CWs

En Lorraine, le drainage fréquent des sols argileux favorise les transferts des intrants agricoles (pesticides et engrais) vers les eaux de surface. Dans ce cas, les bandes enherbées réglementaires (BCAE de la PAC) installées en bordure de cours d’eau sont court-circuitées et ne jouent plus leur rôle épurateur vis-à-vis des eaux de surface. Ainsi, des zones tampons humides artificielles (ZTHA) sont préconisées pour prendre le relais des bandes enherbées. Généralement, ces ZTHA sont installées à l’échelle du bassin versant ou du groupe de parcelles et sont donc de taille conséquente, les rendant concurrentielles de la surface agricole utile (SAU). L’objectif de ce projet de recherche est donc d’évaluer l’efficacité de deux ZTHA de taille réduite, installées dans la bande enherbée entre la parcelle drainée et le ruisseau. Pour cela, une approche multi-échelles intégrant des expériences de laboratoire en batch, des suivis dynamiques en bacs pilotes et un monitoring à la parcelle a été mise en place. Afin d’évaluer l’efficacité des ZTHA au cours des saisons de drainage 2012/13 et 2013/14, le suivi des teneurs en nitrate et de 79 pesticides a été réalisé dans les eaux en entrée et en sortie des ZTHA, ainsi que dans diverses matrices environnementales (sols, sédiment, paille, végétaux). Pour les deux dispositifs, la réduction du flux de nitrate s’est montrée stable, comprise entre 5,4 et 10,9 %, alors que la réduction du flux de pesticides s’est montrée très variable, comprise entre -618,5 et 100 %. Cette variabilité a été expliquée par quatre comportements distincts des molécules. Les fortes valeurs négatives d’efficacité ont été expliquées par une contamination des dispositifs à la suite d’épisodes de ruissellement connexes pour des molécules solubles telles que le 2,4-MCPA ou l’isoproturon. Pour ces deux molécules, l’étude de sorption a montré leur faible affinité avec les matrices environnementales, facilitant leur transport par les eaux de ruissellement et de drainage. D’autres molécules, telles que le boscalide ou l’OH-atrazine, ont présenté des abattements proches de 0. Pour le boscalide, ce comportement a été montré au laboratoire, en accord avec ses fortes capacités d’adsorption et de désorption observées lors des études de sorption et en bacs pilotes. Enfin, certaines molécules ont montré des abattements, allant de 9,9 à 100 %, en lien avec leur faible persistance (2,4-MCPA, clopyralid, mésosulfuron-méthyl,…) ou leur forte affinité pour les matrices environnementales (diflufenicanil, propiconazole, propyzamide,…). Ces ZTHA de taille réduite, installées dans les bandes enherbées, sont donc efficaces pour limiter la contamination des eaux de surface par les eaux de drainage agricole. Ainsi, la multiplication de ces dispositifs à l’échelle de la parcelle dans le paysage agricole permettrait de réduire la contamination des eaux de surface par les pesticides et les nitrates tout en préservant la SAU. Toutefois, l’efficacité de ces ZTHA restant limitée vis-à-vis de certains pesticides présentant un Koc faible et une DT50 élevée, leur installation ne doit pas remettre en cause la réduction en amont des apports phytosanitaires sur les parcelles
In Lorraine, the drainage of clay soils contributes to transfer of agricultural inputs (pesticides and fertilizers) towards surface waters. In this case, the regulatory grass strips (CAP regulation) installed along rivers are bypassed and no longer effective in purifying surface water. Thus, constructed wetlands (CWs) are recommended to take over grass cover bands. Generally, these CWs are installed at watershed scale or at that of several plots and they are therefore quite huge, making them competitive in the cultivated land. The objective of this project is to assess the effectiveness of two small CW, installed in the grass cover band between the drained plot and the river. For this, a multi-scale approach was set up integrating laboratory experiments in batch, pilot study taking into account the water dynamics and monitoring at field scale. The effectiveness of CW was assessed during the 2012/13 and 2013/14 drainage seasons. The nitrate and 79 pesticides concentrations were monitored at inlet and outlet of CWs and in various substrates (soils, sediment, straw and plants). For both devices, the removal efficiencies measured for nitrate were stable and ranged from 5.4 to 10.9 % of inlet amounts while the reduction of pesticide flows was very variable, ranging from -618.5 to 100 %. This variability was explained by four distinct behaviors. The high negative efficiency values were attributed to neighboured runoff events after heavy rains, for soluble molecules such as 2,4-MCPA or isoproturon. For both molecules, the sorption study showed low affinity for environmental substrates, facilitating their transport by runoff and drainage water. Other molecules such as boscalid or OH-atrazine showed effectiveness close to 0 %. For boscalid, this behavior has been observed in laboratory sorption and pilots studies, in agreement with its strong adsorption and desorption capacities. Finally, some molecules have shown reductions ranging from 9.9 to 100 %, in agreement with their low persistence (2,4-MCPA, clopyralid, mesosulfuron-methyl, ...) or their high affinity for environmental substrates (diflufenican, propiconazole or propyzamide). These small CWs, located in the grass cover bands, are effective in minimizing the contamination of surface waters by agricultural drainage water. Thus, multiplying the number of these devices at the plot scale in the agricultural landscape would reduce the contamination of surface waters by pesticides and nitrates while preserving the cultivated land. However, the effectiveness of these CWs are limited for pesticides with a low Koc and a long DT50; thus their installation in plot must not call into question the reduction in the use of pesticides

Les teneurs en pesticides mesurées dans les eaux de drainage agricole peuvent atteindre 10 µg/L voire 395 µg/L. En Lorraine, des Zones Tampons Végétalisées Agricoles (ZTVA) ont été installées en sortie de drains agricoles afin de limiter le transfert de ces eaux de drainage vers la rivière. L’objectif de ce travail était d’évaluer l’influence de l’hydraulique sur l’épuration des pesticides et métabolites en phases dissoute et particulaire des eaux de drainage, en discriminant les processus associés. Pour cela, une approche multi-échelle intégrant des expérimentations au laboratoire en batch et en bacs pilotes ainsi qu’un monitoring pluriannuel de deux ZTVA sur le terrain (un fossé et une mare) a été mise en place. Les expériences de traçages in-situ ont montré que quel que soit le débit, la ZTVA peut être divisée en différentes zones hydrauliques : un chenal principal et des zones isolées, qui se comportent différemment vis-à-vis de l’épuration. Les efficacités d’épuration dans les deux ZTVA varient de (i) -1176% à 96% pour les pesticides dissous, (ii) -20% à 3% pour les métabolites (chloroacétanilides) à l’état dissous, et (iii) -580% à 79% pour les pesticides sous forme particulaire. L’adsorption sur les sédiments permet l’épuration des pesticides à l’état dissous dont le coefficient d’adsorption (Koc) varie de 364 à 1424 L/g (entre 7 et 65% d’épuration), et est favorisé au sein des zones isolées. Cependant, ce processus est réversible et la désorption peut expliquer les efficacités négatives mesurées sur le terrain. Par ailleurs, les pesticides plus hydrophiles (Koc varie de 54 à 401 L/g) et les métabolites (Koc varie de 0 à 0.77 L/g) sont peu épurés (entre -20 et 8% d’épuration). Enfin, les pesticides entrant dans la ZTVA sous forme particulaire sont épurés via la sédimentation des matières en suspension, plus importante dans les zones isolées que le chenal principal. Ce processus est réversible, pouvant conduire à la resuspension des sédiments. Par ailleurs, les débits entrants vont fluctuer au cours de l’année, pouvant entrainer une variation de l’épuration des pesticides. En effet, les études en batch et en bacs pilotes ont permis de souligner l’influence de l’hydrodynamique (débits, etc) sur l’épuration des pesticides à l’état dissous. Ces ZTVA jouent donc un rôle de puits (adsorption, sédimentation) et de source (désorption, resuspension) vis-à-vis de certains pesticides à l’état dissous ou particulaire, en lien avec l’hydrodynamique de la ZTVA
Pesticides amounts measured in agricultural drained water can reach 10 µg/L up to 395 µg/L. In Lorraine, Constructed Wetlands (CW) were set up between drained fields and the river to limit pesticide release. The aim of this study was to evaluate the influence of hydraulic on the mitigation of pesticides and metabolites in both dissolved and particulate phases of drained water, by discriminating associated processes. To do so, a multi-scale approach was performed by integrating both laboratory experiments, such as batch and dynamic conditions in pilots, and a plurennial monitoring of two different ZTVA (ditch and pond). In-situ tracing experiments highlighted that the volume of CW was not homogeneous, independently of the flow rate. CW are divided in two hydraulic zones: a main channel and isolated areas. Moreover, these two zones behave differently regarding pesticides mitigation. Annual mitigation efficiency in both of the CW studied, vary between (i) -1176 % and 96 % for dissolved pesticides, (ii) -20 % and 3 % for dissolved metabolites (chloroacetanilides), and from (iii) -580 % to 79 % for particulate pesticides. Adsorption on sediments allows the mitigation of dissolved pesticides whose adsorption coefficient (Koc) varied from 364 to 1424 L/g (mitigation ranging from 7 to 65 %), and occurred mainly in isolated areas. However, this process is reversible and desorption can explain negative efficiency measured on the field. Additionally, hydrophilic pesticides (Koc between 54 and 401 L/g) and metabolites (Koc between 0 and 0.77 L/g) are few or not mitigated (mitigation ranging from -20 and 8 %). Finally, pesticides entering CW under particulate phase are mitigated through sedimentation of total suspended solids, higher in isolated areas than in main channel. This process is also reversible, leading to sediments resuspension. Otherwise, inlet flow rates vary throughout the year, which could allow a variation of pesticide mitigation. Indeed, batch and pilots studies highlighted the influence of hydrodynamic (flow rate, etc) on mitigation of dissolved pesticides. CW act as a sink (adsorption and sedimentation) and a source (desorption and resuspension) towards specific dissolved or particulate pesticides and related to hydrodynamic of CW

Les teneurs en pesticides mesurées dans les eaux de drainage agricole peuvent atteindre 10 µg/L voire 395 µg/L. En Lorraine, des Zones Tampons Végétalisées Agricoles (ZTVA) ont été installées en sortie de drains agricoles afin de limiter le transfert de ces eaux de drainage vers la rivière. L’objectif de ce travail était d’évaluer l’influence de l’hydraulique sur l’épuration des pesticides et métabolites en phases dissoute et particulaire des eaux de drainage, en discriminant les processus associés. Pour cela, une approche multi-échelle intégrant des expérimentations au laboratoire en batch et en bacs pilotes ainsi qu’un monitoring pluriannuel de deux ZTVA sur le terrain (un fossé et une mare) a été mise en place. Les expériences de traçages in-situ ont montré que quel que soit le débit, la ZTVA peut être divisée en différentes zones hydrauliques : un chenal principal et des zones isolées, qui se comportent différemment vis-à-vis de l’épuration. Les efficacités d’épuration dans les deux ZTVA varient de (i) -1176% à 96% pour les pesticides dissous, (ii) -20% à 3% pour les métabolites (chloroacétanilides) à l’état dissous, et (iii) -580% à 79% pour les pesticides sous forme particulaire. L’adsorption sur les sédiments permet l’épuration des pesticides à l’état dissous dont le coefficient d’adsorption (Koc) varie de 364 à 1424 L/g (entre 7 et 65% d’épuration), et est favorisé au sein des zones isolées. Cependant, ce processus est réversible et la désorption peut expliquer les efficacités négatives mesurées sur le terrain. Par ailleurs, les pesticides plus hydrophiles (Koc varie de 54 à 401 L/g) et les métabolites (Koc varie de 0 à 0.77 L/g) sont peu épurés (entre -20 et 8% d’épuration). Enfin, les pesticides entrant dans la ZTVA sous forme particulaire sont épurés via la sédimentation des matières en suspension, plus importante dans les zones isolées que le chenal principal. Ce processus est réversible, pouvant conduire à la resuspension des sédiments. Par ailleurs, les débits entrants vont fluctuer au cours de l’année, pouvant entrainer une variation de l’épuration des pesticides. En effet, les études en batch et en bacs pilotes ont permis de souligner l’influence de l’hydrodynamique (débits, etc) sur l’épuration des pesticides à l’état dissous. Ces ZTVA jouent donc un rôle de puits (adsorption, sédimentation) et de source (désorption, resuspension) vis-à-vis de certains pesticides à l’état dissous ou particulaire, en lien avec l’hydrodynamique de la ZTVA
Pesticides amounts measured in agricultural drained water can reach 10 µg/L up to 395 µg/L. In Lorraine, Constructed Wetlands (CW) were set up between drained fields and the river to limit pesticide release. The aim of this study was to evaluate the influence of hydraulic on the mitigation of pesticides and metabolites in both dissolved and particulate phases of drained water, by discriminating associated processes. To do so, a multi-scale approach was performed by integrating both laboratory experiments, such as batch and dynamic conditions in pilots, and a plurennial monitoring of two different ZTVA (ditch and pond). In-situ tracing experiments highlighted that the volume of CW was not homogeneous, independently of the flow rate. CW are divided in two hydraulic zones: a main channel and isolated areas. Moreover, these two zones behave differently regarding pesticides mitigation. Annual mitigation efficiency in both of the CW studied, vary between (i) -1176 % and 96 % for dissolved pesticides, (ii) -20 % and 3 % for dissolved metabolites (chloroacetanilides), and from (iii) -580 % to 79 % for particulate pesticides. Adsorption on sediments allows the mitigation of dissolved pesticides whose adsorption coefficient (Koc) varied from 364 to 1424 L/g (mitigation ranging from 7 to 65 %), and occurred mainly in isolated areas. However, this process is reversible and desorption can explain negative efficiency measured on the field. Additionally, hydrophilic pesticides (Koc between 54 and 401 L/g) and metabolites (Koc between 0 and 0.77 L/g) are few or not mitigated (mitigation ranging from -20 and 8 %). Finally, pesticides entering CW under particulate phase are mitigated through sedimentation of total suspended solids, higher in isolated areas than in main channel. This process is also reversible, leading to sediments resuspension. Otherwise, inlet flow rates vary throughout the year, which could allow a variation of pesticide mitigation. Indeed, batch and pilots studies highlighted the influence of hydrodynamic (flow rate, etc) on mitigation of dissolved pesticides. CW act as a sink (adsorption and sedimentation) and a source (desorption and resuspension) towards specific dissolved or particulate pesticides and related to hydrodynamic of CW

Dans le cadre du projet européen LIFE ArtWET (06 ENV/F/000133), deux zones tampons (ZTs), une zone humide artificielle (ZHA) et une zone tampon forestière (ZTF), situées à Bray (France), ont été évaluées pour leur efficacité à réduire la pollution par les pesticides venant d'un bassin versant agricole drainé de 46 ha. Traiter l'ensemble des volumes n'étant pas possible, une bonne stratégie de traitement semble être de cibler les volumes les plus concentrés en pesticides. Les trois ans de données indiquent en moyenne une réduction d'au moins 40 % des concentrations et des charges en pesticides dans les deux ZTs, bien qu'une forte variabilité ait été notée. L'isoproturon, un herbicide mobile, a donné les résultats les plus contrastés. Des expérimentations de traçage ont permis d'estimer le temps de rétention hydraulique à 66.5 h dans la ZHA. Les retards observés sur le transfert des pesticides à travers des ZTs semblent dus à l'adsorption, bien que des phénomènes de désorption soient aussi suspectés. Des sédiments et des plantes de la ZHA ainsi que du sol et de la litière de la ZTF ont été prélevés. Sur ces substrats, des molécules marquées au 14C ont permis de suivre la dégradation de l'époxiconazole (fongicide) en systèmes eau/substrats ainsi que l'adsorption et la désorption de l'isoproturon, du metazachlore (herbicide) et de l'époxiconazole. A part pour les plantes, les coefficients d'adsorption (Koc) des trois molécules sont dans les valeurs hautes des gammes de valeurs publiées indiquant un fort potentiel des substrats de ces ZTs pour la rétention des pesticides. La désorption est très faible pour l'epoxiconazole, mais assez élevée pour le metazachlore et l'isoproturon. La minéralisation de l'epoxiconazole est faible et lente mais des métabolites ont été observés, indiquant une dégradation partielle. L'adsorption-desorption semble être un phénomène important, notamment pour les ZTs où le temps de résidence est faible, laissant ainsi peu de temps pour la dégradation des molécules.

Ces travaux contribuent à caractériser des compartiments environnementaux (i.e. eau, sol et solution du sol, substrat, macrophytes à l’échelle individuelle et des communautés) et leur fonctionnement pour in fine améliorer l’efficacité de zones humides construites (CW) à décontaminer une masse d’eau contaminée en cuivre. Les connaissances sur le maintien de l’homéostasie de Cu chez les végétaux ainsi que sa phytotoxicité aux expositions élevées sont résumées. Les principaux mécanismes physico-chimiques et biologiques intervenant en phytoremédiation d’eaux contaminées en Cu en CW sont également discutés. Plusieurs solutions de phytoremédiation de type phytostabilisation aidée ont été évaluées en lysimètres in situ sur un site de traitement du bois contaminé au Cu, afin d’établir le potentiel de certains amendements à sorber Cu dans le substrat des CW. Les concentrations en éléments traces potentiellement toxiques (PTTE, dont Cu) et macroéléments des lixiviats migrants vers les horizons aquifères ont été quantifiées. Un laitier sidérurgique de type Linz-Donawitz enrichi en P (LDS, 1%) a permis le meilleur développement de Lemna minor L., utilisé ici comme bioindicateur, exposée aux lixiviats. En parallèle, les communautés de macrophytes ont été suivies le long du parcours de la Jalle d’Eysines, une rivière urbaine contaminée en Cu et autres PTTE. Les concentrations en PTTE ont été déterminées dans le sol, l’eau, l’eau interstitielle et les feuilles de 7 espèces de macrophytes. Un modèle statistique multivarié (analyse discriminante linéaire, LDA) a ensuite été élaboré sur la base des concentrations foliaires en PTTE pour biosurveiller l’exposition des macrophytes. Des populations de macrophytes ont aussi été prélevées sur des zones humides de contamination croissante en Cu en Europe (France, Espagne, Portugal et Italie), Biélorussie et Australie. La production de racines chez les macrophytes exposées pendant 3 semaines à des concentrations croissantes en Cu (0,08 ; 2,5 ; 5 ; 15 et 25 µM Cu) montre une variabilité intra-spécifique de la tolérance au Cu pour des populations de Juncus effusus, Schoenoplectus lacustris et Phalaris arundinacea. A l’inverse, une réponse similaire à une tolérance constitutive a été obtenue chez Typha latifolia et Iris pseudacorus, deux espèces à forte production de rhizomes. L’importance des rhizomes est discutée. Phragmites australis produit également des rhizomes, mais a présenté une variabilité intra-spécifique dans sa production racinaire en réponse à une exposition au Cu. En CW, à l’échelle du mésocosme (110 dm3), jusqu’à 99% du Cu de la masse d’eau (concentration initiale: 2.5µM Cu) ont été éliminés dans les trois modalités plantées de Juncus articulatus, P. arundinacea et P. australis, ainsi que dans le contrôle non planté. Les rôles du biofilm microbien, du substrat et des macrophytes en CW ainsi que leurs interactions sont discutés. La sélection d’écotypes de macrophytes tolérants aux PTTE pour leur utilisation en zone humide construite ainsi que les mécanismes moléculaires impliqués dans la variabilité intra-spécifique de cette tolérance, notamment chez P. australis, sont deux thèmes de recherche à promouvoir
This work aims at characterizing environmental compartments (i.e. water, soil and soil pore water, substrate, macrophytes at the individual and community scale) and their functioning to in fine improve the effectiveness of constructed wetlands (CW) for cleaning Cu-contaminated waters. Knowledge on the homeostasis of Cu in plants and its phytotoxicity at medium and high exposures are summarized. The main physico-chemical and biological mechanisms involved in the phytoremediation of Cu-contaminated water in CW are discussed. Several aided-phytostabilisation options were in situ evaluated in lysimeters at a Cu-contaminated wood preservation site to assess the potential of four amendments to sorb Cu in a CW substrate. Concentrations of potentially toxic trace elements (PTTE, including Cu) and macronutrients of leachates migrating from the root zone to the aquifers were quantified. Based on the responses of Lemna minor L. used as a bioindicator, exposed to the leachates,.Linz-Donawitz slag spiked with P (LDS, 1%) best performed to sorb labile Cu in the root zone. In parallel, macrophyte communities were monitored along the Jalle Eysines River, an urban river slightly contaminated by Cu and other PTTE. The PTTE concentrations were determined in the soil, water, soil pore water, and in the leaves of seven macrophyte species. A multivariate statistical model was developed based on the foliar PTTE concentrations for biomonitoring macrophyte exposures. Populations of macrophytes were also collected in wetlands displaying an increasing Cu contamination in Europe (France, Spain, Portugal, and Italy), Belarus and Australia. Root production of macrophytes exposed for 3 weeks at increasing Cu concentrations (0.08, 2.5, 5, 15 and 25 µM Cu) shows an intra-specific variability of Cu tolerance in populations of Juncus effusus, Schoenoplectus lacustris and Phalaris arundinacea. In contrast, a similar response to constitutive tolerance occurred for Typha latifolia and Iris pseudacorus, two species with high production of rhizomes. The rhizome influence is discussed. Phragmites australis also produces rhizomes but showed intra-specific variability in response to Cu exposure. In a CW at mesocosm scale (110 dm3), up to 99% of Cu in water (initial concentration: 2.5μM Cu) was removed after 2 weeks in the three modalities planted with Juncus articulatus, P. arundinacea and P. australis, and in the unplanted control. The influences of microbial biofilms, the substrate, and the macrophyte species and their interactions in CW are discussed. The selection of PTTE-tolerant macrophytes for their used in CW and the understanding of molecular mechanisms underlying the intra-specific variability in PTTE- tolerance, i.e for P. australis, require further investigations

La rivière Essonne est influencée quantitativement et qualitativement par la nappe de Beauce. L'eau de cette nappe possède des concentrations en nitrates élevées et qui continuent d'augmenter, représentant ainsi une menace croissante pour la qualité du cours d'eau. Des cressonnières (zones humides artificielles où le cresson de fontaine [Nasturtium officinale R. Br.] est cultivé) étaient autrefois très nombreuses entre ces deux masses d'eau, mais sont aujourd'hui massivement abandonnées. Or, ces zones humides jouent potentiellement un rôle épurateur vis-à-vis des nitrates, et pourraient contribuer au bon état du cours d'eau en limitant les transferts de ces nutriments (zones tampons) de la nappe vers la rivière. Ce travail a donc pour objectif d'étudier l'élimination des nitrates dans les cressonnières, mais également l'évolution de ces zones humides après l'abandon de la culture du cresson, et ses conséquences sur l'épuration. Pour cela, nous nous sommes basés sur l'étude d'un site expérimental (Maisse, 91, France) comprenant plusieurs stades d'abandon et sur des expérimentations en laboratoire (bioréacteurs). Les successions de macrophytes après l'abandon de la culture ont été étudiées sur le site expérimental et dans 14 autres sites de la vallée de l'Essonne. Après l'abandon de la culture, le cresson ne se maintient pas dans les fosses. On observe alors une évolution progressive vers un milieu terrestre, avec la colonisation successive par des hydrophytes pionnières ou invasives (Lemna minuta Kunth.), puis par des hélophytes pionnières (Epilobium hirsutum L., Typha latifolia L., Phragmites australis (Cav.) Steud.). Enfin, il s'établit une roselière avec l'apparition d'espèces arbustives et ligneuses (Salix sp), qui s'accompagne d'un comblement des fosses et qui semble constituer une transition vers une forêt alluviale. Au cours du passage de l'eau dans les fosses du site expérimental, une partie des nitrates a été éliminée. Les fosses cultivées ont été les plus efficaces avec un taux moyen de 1770 mg NO3-/m²/jour au cours des trois années de suivi. En comparaison, les fosses abandonnées ont montré des taux d'élimination largement inférieurs allant de 550 à 750 mg NO3-/m²/jour. Toutefois, ces taux n'ont permis qu'une faible diminution des concentrations (approximativement 44 mg/L en entrée à 42 mg/L en sortie) à cause de temps de séjour trop courts de l'eau dans les fosses. Les taux d'élimination des nitrates ont varié de façon saisonnière, avec un maximum en été et un minimum en hiver. L'ampleur des variations saisonnières a cependant été beaucoup plus forte dans les fosses cultivées que dans les fosses abandonnées. L'estimation des prélèvements par les macrophytes a montré que la dénitrification est la voie majoritaire de l'élimination des nitrates (70 à 85% de l'élimination totale). Des mesures de dénitrification potentielle en bioréacteurs ont montré que ce processus était limité par la disponibilité du carbone organique. Or, le cresson des fosses cultivées représente une source de carbone très disponible, par rapport aux hélophytes (Phragmites australis) qui dominent les cressonnières abandonnées. L'effet des cressonnières sur les concentrations en nitrates de la rivière Essonne est actuellement limité, mais peut être amélioré par la gestion des sources de carbone et des temps de séjour de l'eau dans ces zones humides.

La rivière Essonne est influencée quantitativement et qualitativement par la nappe de Beauce. L'eau de cette nappe possède des concentrations en nitrates élevées et qui continuent d'augmenter, représentant ainsi une menace croissante pour la qualité du cours d'eau. Des cressonnières (zones humides artificielles où le cresson de fontaine [Nasturtium officinale R. Br.] est cultivé) étaient autrefois très nombreuses entre ces deux masses d'eau, mais sont aujourd'hui massivement abandonnées. Or, ces zones humides jouent potentiellement un rôle épurateur vis-à-vis des nitrates, et pourraient contribuer au bon état du cours d'eau en limitant les transferts de ces nutriments (zones tampons) de la nappe vers la rivière. Ce travail a donc pour objectif d'étudier l'élimination des nitrates dans les cressonnières, mais également l'évolution de ces zones humides après l'abandon de la culture du cresson, et ses conséquences sur l'épuration. Pour cela, nous nous sommes basés sur l'étude d'un site expérimental (Maisse, 91, France) comprenant plusieurs stades d'abandon et sur des expérimentations en laboratoire (bioréacteurs). Les successions de macrophytes après l'abandon de la culture ont été étudiées sur le site expérimental et dans 14 autres sites de la vallée de l'Essonne. Après l'abandon de la culture, le cresson ne se maintient pas dans les fosses. On observe alors une évolution progressive vers un milieu terrestre, avec la colonisation successive par des hydrophytes pionnières ou invasives (Lemna minuta Kunth.), puis par des hélophytes pionnières (Epilobium hirsutum L., Typha latifolia L., Phragmites australis (Cav.) Steud.). Enfin, il s'établit une roselière avec l'apparition d'espèces arbustives et ligneuses (Salix sp), qui s'accompagne d'un comblement des fosses et qui semble constituer une transition vers une forêt alluviale. Au cours du passage de l'eau dans les fosses du site expérimental, une partie des nitrates a été éliminée. Les fosses cultivées ont été les plus efficaces avec un taux moyen de 1770 mg NO3-/m²/jour au cours des trois années de suivi. En comparaison, les fosses abandonnées ont montré des taux d'élimination largement inférieurs allant de 550 à 750 mg NO3-/m²/jour. Toutefois, ces taux n'ont permis qu'une faible diminution des concentrations (approximativement 44 mg/L en entrée à 42 mg/L en sortie) à cause de temps de séjour trop courts de l'eau dans les fosses. Les taux d'élimination des nitrates ont varié de façon saisonnière, avec un maximum en été et un minimum en hiver. L'ampleur des variations saisonnières a cependant été beaucoup plus forte dans les fosses cultivées que dans les fosses abandonnées. L'estimation des prélèvements par les macrophytes a montré que la dénitrification est la voie majoritaire de l'élimination des nitrates (70 à 85% de l'élimination totale). Des mesures de dénitrification potentielle en bioréacteurs ont montré que ce processus était limité par la disponibilité du carbone organique. Or, le cresson des fosses cultivées représente une source de carbone très disponible, par rapport aux hélophytes (Phragmites australis) qui dominent les cressonnières abandonnées. L'effet des cressonnières sur les concentrations en nitrates de la rivière Essonne est actuellement limité, mais peut être amélioré par la gestion des sources de carbone et des temps de séjour de l'eau dans ces zones humides
River Essonne is quantitatively and qualitatively influenced by groundwater. Nitrate concentrations of this groundwater are high and are still increasing, threatening the quality of the watercourse. In the past, watercress farms (artificial wetlands where watercress [Nasturtium officinale R. Br.] is cultivated) were numerous between this groundwater and the river, but they are nowadays massively abandoned. These wetlands potentially play the role of buffer zones, and could contribute to maintain the quality of surface water with respect to nitrate. This study aims to assess nitrate mitigation in watercress farms, but also the changes occurring in these wetlands after watercress cropping has been abandoned and their consequences on nitrate removal. This work is based upon the study of an experimental site (Maisse, France) including several stages of abandon, and on laboratory experiments (bioreactors). Macrophytes succession after the abandonment of watercress farms has been assessed at the experimental site and in 14 other abandoned sites of the Essonne valley. After the abandonment of the crop, watercress do not maintain in the beds. The wetlands progressively evolve towards a terrestrial ecosystem, being successively colonized by pioneer or invasives hydrophytes (Lemna minuta Kunth.) and by pioneer helophytes (Epilobium hirsutum L., Typha latifolia L., Phragmites australis (Cav.) Steud.). To finish with, the vegetation consists in reed beds, with the appearance of shrubby and woody species (Salix sp) which seems to indicate an evolution towards an alluvial forest. Nitrates were partially removed from the water between the inflow and the outflow of our experimental site. Cultivated beds were the most efficient with a mean removal rate of 1770 mg NO3-/m²/day during this 3-years survey. In comparison, abandoned beds exhibited lower removal rates ranging from 550 to 750 mg/m²/day. In spite of these rates, the effects on nitrate concentrations in water were limited (approximately 44 mg/L at the inflow and 42 mg/L at the outflow), because the residence times were short. Nitrate removal rates varied seasonally, and were highest in summer and lowest in winter. The amplitude of these variations was higher in cultivated beds than in abandoned beds. The estimate of nitrate uptake by macrophytes revealed that denitrification could account for 70 to 85% of nitrate removal. Measurement of potential denitrification in bioreactors showed that organic carbon availability limited denitrification in watercress farm sediments. Watercress is a readily available source of carbon, in contrast with helophytes which dominate abandoned beds such as Phragmites australis.The effects of nitrate mitigation in watercress farms on nitrate concentrations in the river Essonne are very limited, but can be improved with the management of carbon sources and hydraulic residence time in these wetlands

Une expérimentation a été menée en mésocosmes pour simuler un marais artificiel à flux vertical pour traiter une boue biologique provenant d’une usine agroalimentaire. Un substrat organique (tourbe et écorces de pin) a été utilisé et trois espèces hélophytes (Phragmites australis Cav. , Typha latifolia L. Et Iris pseudacorus L. ) ont été testées. L’étude confirme la faisabilité de l’utilisation du substrat organique, sans colmatage à déplorer. Mais des matières organiques solubles sont libérées et présentent un risque d’enrichissement pour les eaux en sortie. Le système montrent des performances satisfaisantes : réduction hydrique entre 25% et 65%, élimination supérieure à 90% pour MES et DCO, et supérieure à 80% pour NTK. Phragmites est l’espèce la plus efficace en termes de traitement, suivie par Typha puis Iris, tous devant le système sol nu. Ceci met en avant le rôle positif du végétal et la variabilité entre les espèces. Le principal processus épuratoire est la filtration. Les plantes ont des effets positifs sur le traitement. De façon indirecte, le système racinaire intensifie la filtration et stimule les activités microbiennes ; les racines exsudent des substances organiques, telles que peroxydases, qui peuvent participer à la dégradation des contaminants. De façon directe, les plantes absorbent des éléments puis les stockent dans la biomasse; ce rôle direct des plantes est mineur mais non négligeable. Phragmites est l’espèce la plus efficace en raison de ses caractères les plus appropriés au traitement, comme par exemple une évapotranspiration forte, une forte capacité d’absorption, un système racinaire dense, extensif et profond et une forte activité enzymatique
We performed an experiment using a vertical-flow wetland system to treat a liquid sewage sludge from a food industry (producing soft drinks from fruit concentrates). An organic substrate (peat/crushed pine bark, 1/1) was used as growing medium and three helophyte species (Phragmites australis Cav. , Typha latifolia L. , and Iris pseudacorus L. ) were tested. Results confirmed that the organic substrate can be used in treatment system, without clogging observed. However, the substrate released soluble organic matter, which enriched outflow water. The treatment system showed high performance: water reduction varied from 25% to 65%; removal efficiency was more than 90% for MES and COD, and more than 80% for TKN. Overall, the system planted with Phragmites had the highest performance, followed by Typha and then by Iris, all beyond unplanted system. This highlights positive role of plants in the treatment and differences between species. The main purifying process was filtration of particles by substrate. Plants had positive impacts on treatment. Indirectly, plant root system strengthened filtration effect of substrate and enhanced microbial activity; roots released organic substances, such as peroxidises, which can participate in the degradation of organic contaminants. Directly, plants took up elements and stored them in their biomass; this direct role of plants was minor while not negligible. Phragmites was the species the most efficient because of its characteristics suitable for treatment, such as high evapotranspiration, high uptake capacity of nutrients, dense, extensive and deep root system and more active enzymes

Les pesticides utilisés pour améliorer la qualité des produits agricoles, sont une source de pollution diffuse qui affecte la qualité des ressources en eaux et des habitats aquatiques. Nombreuses études ont montré que les zones humides naturelles (ex. lacs, mares, et tourbières) ou construites (ex. étangs, réservoir d’irrigation, et fossé de drainage) qui interceptent les eaux agricoles, peuvent dissiper contamination par les pesticides. Cette thèse a pour objectif d’étudier le devenir des pesticides dans les zones humides artificielles (pond en anglais). Les ponds sont initialement construits pour stocker les eaux de pluie et issues du drainage agricole pour assurer l’approvisionnement d’eau pour le bétail et l’irrigation. Cependant, plusieurs travaux de recherche ont démontré d’avantages atouts environnementaux des ponds. En plus d’offrir un habitat aux organismes vivants, ils peuvent dissiper la concentration de pesticides contenus dans les eaux agricoles. Quand les pesticides séjournent dans les ponds ils subissent un ensemble de processus physicochimiques qui réduisent leur concentration. Par la suite, quand les ponds sont remplis, l’eau qui est déchargée pour rejoindre les sources d’eau de surface et souterraines est moins chargée en pesticides. Par conséquent, en complément à la réglementation d’application de pesticides, les ponds s’avèrent une technique efficace pour réduire le transfert de pesticides vers les ressources d’eau en aval des parcelles agricoles. Bien que de nombreuses études sur le potentiel de dissipation des ponds portent sur les nitrates et les sédiments en suspension, on sait très peu de choses sur le comportement des pesticides. De plus, la plupart des études évaluent un processus de dissipation individuellement sans mettre l'accent sur son interaction éventuelle avec d'autres processus. Encore moins d'articles proposent des formulations mathématiques pour les processus de dissipation pour développer des modèles de prévisions. Un premier objectif de la thèse est d’étudier et évaluer les interactions et la contribution de multiples processus physicochimiques à la dissipation de pesticides dans les ponds ainsi que leurs formules mathématiques et leurs principaux facteurs de contrôle. La quantification de la contribution de chaque processus à la dissipation des pesticides dans les ponds a permis de construire des hypothèses d’hiérarchisation de processus. Dans un second temps, les résultats de cette étude de processus et les formulations mathématiques retenues ont été utilisés pour développer un modèle conceptuel du devenir des pesticides dans les ponds. Le modèle intègre les différents processus de transport, transfert et transformation au sein des principaux compartiments des ponds (eau et sédiments) pour prédire la dynamique des pesticides. Une étude de sensibilité a permis de ressortir les processus les plus impliqués dans la dissipation des pesticides et qui sont la sorption, la transformation par microorganismes, et la photolyse. Ensuite, le modèle a été appliqué sur un pond type des milieux agricoles drainés (Rampillon, France) où les pesticides sont majoritairement transportés en forme dissoute dans le bassin versant. Les résultats de cette application ont permis de visualiser l’évolution temporelle de la répartition des pesticides dans le pond et la contribution de chaque processus à leur dissipation. Le modèle a été appliqué sur autre pond (Auradé, France) représentatif des milieux érosifs pour caractériser le comportement des pesticides sous forme particulaire. Les résultats de la modélisation et les conclusions retenues de l’analyse de sensibilité permettent d’avoir une vision détaillée du fonctionnement des ponds. Ces résultats préparent la voie au ingénieurs pour définir des critères de dimensionnement permettant d’optimiser l’efficacité environnementale des zones humides artificielles
Pesticides used to improve the quality of agricultural products are a source of non-point source pollution that affects the quality of water resources and aquatic habitats. Several studies have evidenced that natural (e.g., lakes, ponds, and bogs) or constructed wetlands (e.g., ponds, irrigation reservoirs, and drainage ditches) that intercept agricultural waters can dissipate pesticide contamination. Thus, this thesis aims to study the fate of pesticides in constructed wetlands (ponds). Ponds were originally constructed to store rainwater and agricultural drainage water to provide water for livestock and irrigation. However, several research studies have demonstrated the environmental benefits of ponds. In addition to providing a habitat for living organisms, they can dissipate the concentration of pesticides contained in agricultural waters. When the pesticides remain in the ponds, they undergo a series of physicochemical processes that reduce their concentration. Subsequently, when the ponds are filled, the water is discharged to the surface, and groundwater sources are less pesticide-loaded. Therefore, as a complement to pesticide use regulations, ponds are an effective tool for reducing pesticide transfer to water resources downstream of agricultural plots. Although many studies of the dissipation potential of ponds focus on nitrates and suspended sediments, very little is known about the behavior of pesticides. Furthermore, most studies evaluate a dissipation process individually without focusing on its potential interaction with other processes. Even fewer papers present mathematical formulations for dissipation processes to develop predictive models. The first objective of the thesis is to study and assess the interactions and contribution of multiple physicochemical processes to pesticide dissipation in ponds, as well as their mathematical formulations and main controlling factors. The quantification of the contribution of each process to pesticide dissipation in ponds allowed the construction of primary process hierarchization hypotheses. In the second phase, the findings of this process investigation and the selected mathematical formulations were used to develop a conceptual model of pesticide fate in the ponds. The model integrates the different processes of transport, transfer, and transformation within the main compartments of the ponds (water and sediments) to predict the dynamics of the pesticides. A sensitivity analysis was performed to identify the most involved processes in pesticide dissipation: sorption, transformation by microorganisms, and photolysis. The model was then applied to a typical agricultural pond in a drainage area (Rampillon, France) where pesticides are mostly transported in a dissolved form in the catchment. The application results enabled to display of the temporal distribution of pesticides in the pond and the contribution of each process to the dissipation of pesticides. The model was also applied to another pond (Auradé, France) representing erosive media to characterize pesticides' particle form behavior

Les zones humides sont soumises à de nombreuses menaces telles que l’eutrophisation, la perturbation de leur hydrologie par les activités humaines et le changement climatique. Des travaux de restauration des sites naturels et la création de zones humides artificielles sont réalisés par les gestionnaires territoriaux afin de préserver les services écosystémiques qu’elles abritent : support de la biodiversité, épuration des nutriments et stockage de carbone. Les zones humides de tête de bassin versant sont donc particulièrement importantes car elles influencent la qualité de l’eau en aval et la biodiversité des écosystèmes aquatiques d’une grande partie du bassin hydrographique en aval. Le bassin versant des lacs médocains est un territoire très anthropisé, dédié à la culture de pins et l’agriculture. Il abrite de nombreux milieux humides naturels, les lacs de Carcans-Hourtin et de Lacanau, des marais, des cours d’eau et de nombreuses mares temporaires forestières, reliquats de la zone marécageuse ayant existé avant l’expansion de la sylviculture sur le plateau Landais. Ces dernières sont soumises aux risques d’eutrophisation et d’assèchement ; leur nombre diminue chaque année. A ces milieux naturels s’ajoutent des fossés creusés entre les parcelles sylvicoles, et des Zones Tampons Humides Artificielles (ZTHA), construites en aval des exploitations agricoles afin d’abattre les flux de nutriments provenant du lessivage des champs. L’étude de ces zones humides naturelles et artificielles est donc un point stratégique de la gestion territoriale. Dans ce travail de thèse, la physico-chimie de 12 mares temporaires et de 3 ZTHA a été suivie pendant environ 2 ans. Des carottes sédimentaires ont été prélevées dans des ZTHA afin de quantifier les flux de nutriments à l’interface eau-sédiment en lien avec les processus d’abattement des nutriments. Pour les mares temporaires, un bilan du carbone a été établi grâce à des mesures de flux de CO2 et de CH4 aux interfaces eau-atmosphère et sédiments exposés à l’air-atmosphère, à l’aide de chambre à flux, et à des mesures de taux d’accumulation du carbone grâce à la datation au 210Pb dans des carottes sédimentaires. L’identification de ceintures de végétation et des récoltes de biomasses ont été réalisées sur 6 mares temporaires. Les résultats de ce travail de thèse montrent que les ZTHA sont, à l’heure actuelle, trop petites pour abattre efficacement le nitrate provenant de la fertilisation des champs. Cependant, les processus de dénitrification et de séquestration du phosphore dans les sédiments sont bien présents. Les travaux d’agrandissement et la construction de nouvelles zones devraient permettre de réduire efficacement les flux de nutriments à l’avenir. Les mares temporaires étudiées sont acides et majoritairement oligotrophes. Un phénomène de nitrification a cependant été mesuré lors de la remise en eau de mares longuement asséchées pendant l’été et une contamination au nitrate a été identifiée dans plusieurs mares situées en aval des zones agricoles. Les sites en bon état de conservation ou ayant subi les travaux de restauration les plus récents, consistant en un reprofilage des berges et la sauvegarde de la banque de graines des sédiments, ont été identifiés comme des puits de carbone, contrairement aux sites ayant été sur-creusés dans le passé, et présentent une végétation plus dense et diversifiée. Un gradient de stockage du carbone a été identifié dans les mares : les zones centrales, le plus longtemps immergées, ont des taux de carbone plus élevés que les zones externes. ii Les techniques de restauration des zones humides naturelles utilisées actuellement et les travaux d’agrandissement prévus pour les ZTHA semblent donc être des méthodes efficaces pour préserver une bonne qualité de l’eau et un maintien des milieux humides sur le bassin versant du lac de Carcans-Hourtin.[...]
Wetlands are subject to numerous threats such as eutrophication, disruption of their hydrology by human activities and climate change. Restoration of natural sites and the creation of artificial wetlands are carried out by territorial managers to preserve the ecosystem services they provide: support for biodiversity, nutrient remediation and carbon storage. Headwater wetlands are particularly important as they influence downstream water quality and the biodiversity of aquatic ecosystems in much of the downstream watershed. The watershed of the lacs Médocains is a highly anthropized territory, dedicated to pine cultivation and agriculture. It is home to several natural wetland environments, including the Carcans-Hourtin and Lacanau lakes, marshes, watercourses and many temporary forest ponds, remnants of the marshy area that existed before the expansion of forestry on the Landes plateau. These environments are at risk of eutrophication and drying up; their number decreases every year. Some Agricultural Artificial Wetlands (AAW) are constructed downstream of agricultural exploitations to reduce nutrient flows from field runoff. The study of these natural and artificial wetlands is thus a strategic point in territorial management. In this thesis work, the physico-chemistry of 12 temporary ponds and 3 AAW was monitored for about 2 years. Sediment cores were taken from the AAW to quantify nutrient fluxes at the water-sediment interface and define nutrients depletion processes. Within temporary ponds, a carbon budget was established through measurements of CO2 and CH4 fluxes at the water-atmosphere and exposed sediment-air interfaces using flux chambers, and through measurements of carbon burial rates using 210Pb dating in sediment cores. Identification of vegetation belts and biomass harvesting were carried out on 6 temporary ponds. The results of this thesis show that AAW are currently too small to effectively reduce nitrate coming from field fertilization. However, denitrification and phosphorus precipitation processes in the sediments are indeed occurring. The enlargement of surface of existing AAW and the creation of new artificial wetlands should be recommended in order to effectively reduce nutrient flows in the future. The temporary ponds studied resulted acidic and mostly oligotrophic. However, nitrification was measured during the re-watering of ponds that had dried up for a long time during the summer, and nitrate contamination was identified in several ponds located downstream of agricultural areas. Sites in good conservation status or having undergone recent restoration works, consisting of bank re-profiling and sediment seed bank conservation, were identified as carbon sinks and had the highest vegetation biomass and diversity. On the opposite, ponds that had been over-excavated in the past, resulted as carbon sources and present less biodiversity. A carbon storage gradient was identified in the ponds: central areas, which were immersed the longest, had higher carbon rates than external areas. iv The current restoration techniques used for natural wetlands and the planned enlargement works for the artificial ones therefore appear to be effective methods for maintaining good water quality and sustaining wetlands in the Carcans-Hourtin lake watershed. However, it is still necessary to monitor the evolution of these environments in the context of climate change

Les eaux de ruissellement routier constituent une problématique due principalement à la circulation routière. Dans certains pays des sels de déglaçage sont répandus sur les routes pendant l’hiver et ceci ajoute d’autres contaminants à cette problématique. Pour traiter ces eaux de ruissellement il a été proposé d’utiliser un marais épurateur construit (MEC) couplé à un lit filtrant. Étant donné le taux de salinité élevé de ces eaux, il a également été suggéré de se servir d’espèces halophytes (plantes qui accumulent les sels) pour le MEC. Le lit filtrant serait composé de calcite, un minéral qui adsorbe le phosphore. L’un des objectifs de cette étude est de déterminer la faisabilité d’un traitement par MEC avec des espèces halophytes en évaluant d’abord les conditions optimales nécessaires pour la croissance des espèces sélectionnées (Atriplex patula, Salicornia europaea, Spergularia canadensis, Typha augustifolia), et leur capacité d’accumulation des sels. Des essais-pilotes menés en serres sont ensuite réalisés à partir des valeurs optimales de ces facteurs. L’autre objectif est d’étudier la capacité d’adsorption par la calcite en fonction de la concentration de phosphore initiale, du temps et de la présence ou non de métaux dans l’eau. Ces caractéristiques nous permettent de définir les paramètres d’essais d’adsorption menés dans des colonnes qui nous permettront de formuler des recommandations quant à la conception du lit filtrant. Les essais-pilotes ont permis d’atteindre des taux d’enlèvement de chlorure et de sodium allant jusqu’à 97 % selon l’espèce halophyte considérée. Les plus hauts taux d’enlèvement ont été constatés dans le cas des unités pilotes d’Atriplex patula. Il a été observé que les adsorptions de phosphore par la calcite ont atteint 1,7 mg P/g de calcite. Les résultats des essais en colonne ont présenté des réductions des concentrations allant jusqu’à 64 %. Cependant le traitement pourrait être meilleur à grande échelle. Des suggestions de recherches futures pour l’amélioration de ces traitements sont présentées en conclusion.
Road runoff is a worldwide problematic, mainly due to metals and hydrocarbon released by cars. Certain Nordic countries like Canada add other contaminants to this chemical mixture by spreading de-icing salts on their roads during winter. With the goal of treating high salt concentration road runoff, it has been proposed to use a constructed wetland coupled with a packed bed filter. Halophytic plants (plants able to accumulate salts) have been suggested as the constructed wetland vegetation. The packed bed filter would be filled with calcite, a phosphorus adsorbant material. The first objective of this thesis was to determine the feasibility of a treatment by constructed wetlands with halophytic plants. Our methodology consisted in evaluating the optimal conditions (1) for the growth of the selected species (Atriplex patula, Salicornia europaea, Spergularia canadensis and Typha augustifolia) and (2) for NaCl accumulation. Those results have been used to design 16 pilot tests by our laboratory. The second objective was to study the phosphorus adsorption capability of calcite as a function of the initial phosphorus concentration, time, temperature and the presence of metals. Adsorption was then tested in column tests. Constructed wetland pilots resulted in chloride and sodium reduction rates from 0 to 97 % depending on the species. The calcite presented adsorptions of active phosphorus up to 1.7 P/g mg of calcite. The results of the column tests allowed a 64 % removal of phosphorus. Saturation of calcite has been reached in a few hours. Treatment could be improved on a large scale device. It is recommended to place the packed bed filter after the MECA and to the follow the design parameters: 1) nutrition complement in the substrate, 2) water level close to the soil surface, 3) a residence time of one week and 4) different basins to be able to optimize the phytoremediation capabilities of the selected species. Packed bed filter should have a residence time of two hours and a calcite of 0.317 cm granulometry. Suggestions for future research to improve treatment system are presented in the conclusion section.

L'objectif de la thèse était de développer un système de phytoépuration par marais artificiels permettant le traitement simultané de micropolluants organiques (MPO) et d'éléments traces métalliques et métalloïdes (ETMM) en milieu méditerranéen, en vue de traiter les rejets émis par un bassin versant industrialisé, et favoriser la résilience d'une zone humide protégée. Une étude en microcosmes a été conduite sur cinq hélophytes (Alisma lanceolatum, Carex cuprina, Epilobium hirsutum, Iris pseudacorus, et Juncus inflexus) natives du marais des Paluns (Marignane, 13). La croissance et le développement des plantes ont été suivis pendant 113 jours d'exposition à des mélanges de MPO et/ou d'ETMM, à des concentrations maximales dix fois plus élevées que les seuils de rejets réglementaires. Les concentrations en ETMM dans les parties souterraines et aériennes des plantes ainsi que les communautés bactériennes de la rhizosphère ont été analysées à la fin de l'étude. Les résultats ont confirmé l'efficacité épuratoire du système et ont permis de mieux comprendre les interactions entre plantes, substrat, polluants et microorganismes. Les résultats encouragent l'utilisation de C. cuprina pour la phytoaccumulation et la phytostimulation, et d'E. hirsutum pour la bioindication. Afin de faciliter l'intégration du marais artificiel au sein du territoire industrialisé, un outil de bioindication a été développé, en complément d'une approche sociologique. La thèse a abouti à la mise en place de trois éco-filtres expérimentaux, en amont du marais des Paluns, permettant de tester en conditions réelles les outils développés et de constituer un site pilote pour le bassin méditerranéen
The thesis aimed at developing a constructed wetland for simultaneous phytoremediation of organic micropollutants (OPM) and trace metals and metalloids (MM) in Mediterranean environment, for treating chronical and accidental releases from an industrialized catchment, and enhancing the resilience of a protected wetland. A greenhouse study was conducted in microcosms with pozzolan substrate, with five native helophytes (Alisma lanceolatum, Carex cuprina, Epilobium hirsutum, Iris pseudacorus, and Juncus inflexus) from the "Les Paluns" wetland (Marignane, 13). Plant growth and development parameters were monitored during 113 days of exposure to mixtures of OPM and/or MM, with the maximum concentrations ten times over the limits of European quality standards. MM concentrations in belowground and aboveground plant parts and rhizosphere bacterial communities were analyzed at the end of the study. Results confirmed the system depurative efficiency and provided an insight into the interactions between plants, substrate, pollutants and microorganisms, and an assessment of their effects on phytoremediation processes. Results encourage the use of C. cuprina for MM phytoaccumulation and for phytostimulation, and of E. hirsutum as a bioindicator in constructed wetlands. Finally, a bioindication tool was created to assist the constructed wetland integration in the industrialized territory, as a complement of a sociological approach. The thesis led to the implementation of three experimental eco-filters upstream from the Les Paluns wetland, in order to test in naturae the tools developed and to have a pilote site for the Mediterranean basin

Malgré la réglementation, la pollution anthropique (azote, phosphore, éléments-traces métalliques (ETM), produits pharmaceutiques, coliformes fécaux, etc.) liée aux rejets urbains (stations de traitement des eaux urbaines (STEU) et rejets urbains par temps de pluie (RUTP)) n'est pas négligeable car elle fragilise les écosystèmes aquatiques et peut nuire à la santé humaine. Pour améliorer cette situation, la quantité de polluants se trouvant dans les eaux usées traitées ou de ruissellement urbain doit être amoindrie. Les zones humides sont des merveilles de la nature et sont souvent qualifiées de rein de la Terre du fait de leurs facultés à filtrer les polluants ; elles seraient donc de bonnes candidates pour épurer ces eaux urbaines. Malheureusement, elles sont en fort déclin depuis quelques siècles (13 % des zones humides du 17ème siècle persistaient au début du 21ème siècle). C'est pourquoi en 2011 est né le projet AZHUREV (Aménagement d'une Zone Humide à Reims pour l'Épuration et le Vivant). Ce projet a permis la construction d'une zone humide artificielle (ZHA) ou zone de rejet végétalisée (ZRV) de grande taille (6 ha) (mise en eau en 2017) à la sortie de la STEU du Grand Reims (capacité de 470000 équivalents habitants). Elle est composée de trois bassins de 2 ha alimentés en parallèle, par une partie des effluents de la STEU (10 %), ou des RUTP (25 %) lors d'événements pluvieux, pour améliorer la qualité de ces eaux avant leur rejet dans l'environnement. Initialement ce qui différenciait ces bassins étaient la quantité et le type de végétaux émergés plantés (Phragmites australis, Glyceria maxima, Scirpus lacustris). Dorénavant ce n'est plus le cas car la proportion de végétaux plantés a drastiquement diminué, P. australis étant la seule espèce toujours présente, au profit d'espèces opportunistes (submergées ou flottantes). Ces bassins ont la capacité de réduire la concentration de nombreux composés via différents processus tels que l'oxydation/réduction (azote, ETM), la précipitation/coprécipitation avec les carbonates et le sulfure d'hydrogène (ETM), la biodégradation (produits pharmaceutiques), la photolyse (produits pharmaceutiques, coliformes fécaux) l'adsorption sur les sédiments (ETM et produits pharmaceutiques) ou encore l'assimilation des végétaux (azote et phosphore). La plupart de ces mécanismes sont dépendants à la fois des bactéries et des végétaux aquatiques. De ce fait la capacité d'épuration des bassins est supérieure en été grâce aux températures élevées et aux jours plus longs. L'activité bactérienne a un effet direct sur les polluants et les genres bactériens retrouvés à la sortie de la ZRV font partie du cycle de l'azote, du soufre et du carbone. L'effet des végétaux est quant à lui indirect en promouvant le développement bactérien (source de carbone et d'énergie, support pour le biofilm) et en apportant de la matière organique dans les sédiments lors de la sénescence (site d'adsorption pour les polluants). Ces végétaux sont aussi une source de nourriture, une zone d'habitat et/ou de nidification pour de nombreux animaux sauvages qu'ils soient considérés comme « nuisibles » (rat musqué ou ragondin) ou non (cygne, foulque, canard, grèbe, grenouille, libellule, demoiselle, gammare, limnée, etc.). L'intérêt environnemental de cette ZRV est double, car elle améliore la qualité des eaux urbaines avant leur rejet dans le milieu récepteur tout en fournissant le gîte et le couvert pour de nombreuses espèces animales dépendantes de ce type de milieu. L'interconnexion des multiples variables mesurées a été retranscrite sous la forme d'un modèle conceptuel. Ces résultats sont encourageants pour une éventuelle extension de la ZRV
Despite regulations, the anthropic pollution (nitrogen, phosphorus, trace elements (TE), pharmaceuticals, faecal coliforms, etc.) related to urban wastewater (wastewater treatment plant (WWTP) and urban stormwater runoff (USR)) is not negligible because it weakens aquatic ecosystems and it can be harmful for human health. In order to minimize its impact, the amount of pollutants must be reduced. Wetlands are wonders of nature and are often describe as Earth's kidney due to their capacity to filter pollutants, so they would be interesting candidates. Unfortunately, they have been in decline for several centuries (13 % of 17th century wetlands still remain at the beginning of the 21th century. This is why in 2011 the AZHUREV project (Aménagement d'une Zone Humide à Reims pour l'Épuration et le Vivant) was born. This project allowed the implementation of a large scale (6 ha) surface-flow constructed wetland (CW) (first water supply in 2017) at the outlet of the Grand Reims WWTP (capacity of 450,000 population equivalents). It is composed of three basins of 2 ha fed in parallel, by part of the effluents of the WWTP (10%), or by the USR (25 %) during rainy events, to improve the quality of these waters before their discharge into the environment. Initially these basins were different because of the quantity and type of emergent vegetation planted (Phragmites australis, Glyceria maxima, Scirpus lacustris). Today, there is no more difference because the proportion of planted plants has drastically decreased, P. australis being the only species still present, to the benefit of opportunistic species (submerged or floating). These basins were able to reduce the concentration of many compounds through various processes, oxidation/reduction (nitrogen, TE), precipitation/coprecipitation with carbonates and hydrogen sulphide (TE), biodegradation or photodegradation (pharmaceuticals, faecal coliforms), adsorption to sediments (TE and pharmaceuticals), or uptake by plants (nitrogen and phosphorus). Bacteria and aquatic plants are responsible for most of these mechanisms. Thus, the basins are better able to remove pollutants in summer due to the higher temperatures and longer days. Bacterial activity has a direct effect on pollutants and the bacterial genera found at the outlet of the CW take part in the nitrogen, sulphur and carbon cycles. Whereas the effect of plants is more indirect by promoting bacterial development (source of carbon and energy, support for the biofilm) and by bringing organic matter (adsorption site for pollutants) into the sediment during senescence. These plants are also a source of food (submerged or floating plants), a habitat and/or nesting area (emergent plants) for many wild animals, whether they are considered "harmful" (muskrat or coypu) or not (swan, coot, duck, grebe, frog, dragonfly, damselfly, gammarid, snail, etc.). Therefore, this CW offers two advantages: it improves the quality of urban water before it is discharged into the receiving environment and it provides food and shelter for many animal species that depend on this type of environment. The interconnection of the multiple variables measured has been transcribed into a conceptual model. These results are encouraging for a possible extension of the CW

Ce projet vise à améliorer l’efficacité des marais à éliminer les éléments minéraux présents dans les effluents provenant de cultures de tomates hors sol. Selon nos résultats, les ssh végétalisés de Typha latifolia et combinés avec un apport en carbone ont rendu plus efficace le traitement des effluents de cultures en serre. De plus, parmi les trois types de marais à l’étude (ssh, ssv et sh), les ssh semblent être les mieux adaptés pour traiter des effluents très chargés en éléments minéraux. Toutefois, les émissions de GES ne sont pas à négliger dans les ssh. Afin d’accroître la performance de traitement en terme de charge polluante ionique, des marais en série devraient être utilisés. Selon l’un de nos essais, le traitement des effluents par trois ssv en série a éliminé efficacement les différents minéraux en dessous de la limite permise au Québec.

Les Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) sont l'une des principales sources de rejet de résidus médicamenteux dans l'environnement. Depuis 2009, les Zones de Rejet Végétalisées (ZRV) sont mises en oeuvre entre le rejet de la STEU et le milieu récepteur, mais leurs capacités d'abattement sont encore peu étudiées. Pour combler ce manque, les performances d'épuration de 2 STEU et de leur ZRV, ont été évaluées pendant 2 années. Les résidus médicamenteux (86) ont eu une majorité de rendements d'épuration compris entre 30 et 70 % dans les ZRV et avec des maximums en été et des minimums en hiver. Relativement aux abattements observés sur les STEU en amont, la contribution des ZRV à l'épuration globale du site était inférieure à 30 % du flux entrant. Aussi, la réduction des volumes d'eau rejetés au milieu naturel a été corrélée avec une augmentation des concentrations en résidus médicamenteux. Par ailleurs, les plantes ont montré une capacité d'absorption des médicaments spécifique à l'espèce étudiée, alors que l'observation des concentrations dans les boues, a mis en évidence une tendance à une adsorption en été et un relargage en hiver des micro-polluants
Wastewater Treatment Plants (WWTP) are considered as one of the most important pharmaceutical compound discharges into the environment. Since 2009, French Water Agencies, promote Surface Flow Treatment Wetlands (SFTWs) at the outlet of WWTPs, between the WWTP and the receiving aquatic environment but their removal efficiencies are not well investigated. To overcome these lacks of knowledge, pollutant removal efficiencies of 2 WWTP and their SFTW were monitoring during 2 years. ln regard to pharmaceutical compounds (86), SFTW removal efficiency rates ranged from 30 to 70% with maximum values in summer and minimum values in winter. The SFTW removal efficiency contributions to WWTP were inferior to 30%. ln addition, SFTW inflow reductions were correlated with an increase of drug compound concentrations in the outflow. Furthermore, there was a specific absorption of these micro pollutants by plants whereas there were dynamic interactions between sampled mud and drugs residues with an adsorption during summer and a release during winter

Des analyses de sensibilité et des estimations de paramètres sont étudiées sur deux études de cas de transfert de masse en milieu poreux. La première partie est consacrée à la sensibilité des écoulements souterrains dans une modélisation des échanges drain-aquifère pour mettre en évidence les différences entre les deux méthodes de discrétisation mises en œuvre. La seconde partie est dédiée à la modélisation de l’écoulement en milieu poreux variablement saturé dans une zone humide artificielle, au calage des paramètres du modèle de van Genuchten-Mualem et à l’évaluation de son efficacité à reproduire des données piézométriques collectées sur le site de l’Ostwaldergraben. La variabilité temporelle des paramètres hydrodynamiques, incluant l’effet d’hystérésis, montre que ceux de la couche active du filtre changent au cours du temps. Ces deux études sont conduites à l’aide de la différenciation automatique
Sensitivity analyses and parameter estimation are applied to mass transfer in porous media for two remediation facilities. The first part is devoted to the sensitivity analysis of groundwater flows in a modeling of drain-aquifer exchanges to highlight the differences between the two implemented methods of discretization. The second part is dedicated to the modeling of the flow in a variably saturated porous medium in a stormwater constructed wetland, to the calibration of van Genuchten-Mualem parameters and to the evaluation of its efficiency in the reproduction of piezometric data collected on the Ostwaldergraben site. The temporal variability of the hydrodynamic parameters, including the hysteresis effect, shows that the characteristics of the filter layer alters along time. Both studies are carried using automatic differentiation

L’objectif de la thèse était de développer un procédé de traitement des lisiers de porc par zone humide artificielle (ZHA) adapté aux contraintes du climat méditerranéen ainsi qu’à celles des éleveurs porcins. Le lisier de porc présentant des teneurs en ammonium (NH4+) toxiques pour les espèces végétales, il a été nécessaire de prétraiter le lisier. Des expérimentations sur le prétraitement du lisier de porc par aération continue (30 jours) à petite (12 litres) et moyenne échelles (300 litres) ont donc été conduites, et ont permis une diminution des concentrations en NH4+ en dessous des seuils de tolérance végétale. Cependant, la volatilisation de l’ammoniac semble avoir été le processus majoritairement à l’origine des abattements observés (phénomène d'ihnibition). Afin d’améliorer la diminution du NH4+, des produits d’ensemencement microbiens commerciaux ont été utilisés sans que leur effet n'ait pu être mis en évidence. Lors des expérimentations à moyenne échelle, le lisier prétraité a été amendé en ZHA (mésocosmes constitués d’un filtre à écoulement vertical suivi d’un filtre à écoulement horizontal). La forte variabilité phénotypique en système expérimental des macrophytes sélectionnés et prélevés dans le milieu naturel environnant (Carex hispida, Typha latifolia, Carex cuprina, Iris pseudacorus, Alisma lanceolatum et Juncus effusus), a été illustrée. Lors des apports en lisier dans la ZHA, les espèces végétales ont répondu différement, soulignant l’intérêt des cortèges multi-spécifiques. Les premiers résultats épuratoires ont été probants. Cependant l’étude des processus épuratoires a mis en lumière la problématique de leur durabilité
The aim of the thesis was to develop a treatment process of pig manure by constructed wetland (CW) and designed in order to be adapted to the Mediterranean climate constraints and those of pig farmers. However hog manure has concentrations above 2 g.l-1 of ammonium (NH4+), toxic to the plants. It is therefore necessary to establish a slurry pre-treatment step. The thesis has included experiments including pre-treatment of pig slurry by continuous aeration (30 days) to small (12 liters) and medium scale (300 liters). Commercial products for microbial seeding were also used. The results showed that the aeration of pig manure did allow lower concentrations of NH4+ below plant tolerance threshold. However, the ammonia volatilization process appears to be the leading cause behind the observed reductions (inhibition phenomenom). No effect could be demonstrated for microbial treatments. During meso-scale experiments, the CW was amended with the pre-treated slurry (mesocosms made of a vertical flow filter followed by a horizontal flow filter). As a first step, the high phenotypic variability of macrophytes (taken from the natural environment) in experimental system was illustrated and discussed. After manure application, the selected plant species (Carex hispida, Typha latifolia, Carex cuprina Iris pseudacorus, Alisma lanceolatum and Juncus effusus) have presented different responses, emphasizing the importance of multi-species selection for the CW. Finally, the first purifying results were conclusive. However the study of the underlying purifying processes has highlighted the issue of sustainability of these phenomena

Les Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) sont l'une des principales sources de rejet de résidus médicamenteux dans l'environnement. Depuis 2009, les Zones de Rejet Végétalisées (ZRV) sont mises en oeuvre entre le rejet de la STEU et le milieu récepteur, mais leurs capacités d'abattement sont encore peu étudiées. Pour combler ce manque, les performances d'épuration de 2 STEU et de leur ZRV, ont été évaluées pendant 2 années. Les résidus médicamenteux (86) ont eu une majorité de rendements d'épuration compris entre 30 et 70 % dans les ZRV et avec des maximums en été et des minimums en hiver. Relativement aux abattements observés sur les STEU en amont, la contribution des ZRV à l'épuration globale du site était inférieure à 30 % du flux entrant. Aussi, la réduction des volumes d'eau rejetés au milieu naturel a été corrélée avec une augmentation des concentrations en résidus médicamenteux. Par ailleurs, les plantes ont montré une capacité d'absorption des médicaments spécifique à l'espèce étudiée, alors que l'observation des concentrations dans les boues, a mis en évidence une tendance à une adsorption en été et un relargage en hiver des micro-polluants
Wastewater Treatment Plants (WWTP) are considered as one of the most important pharmaceutical compound discharges into the environment. Since 2009, French Water Agencies, promote Surface Flow Treatment Wetlands (SFTWs) at the outlet of WWTPs, between the WWTP and the receiving aquatic environment but their removal efficiencies are not well investigated. To overcome these lacks of knowledge, pollutant removal efficiencies of 2 WWTP and their SFTW were monitoring during 2 years. ln regard to pharmaceutical compounds (86), SFTW removal efficiency rates ranged from 30 to 70% with maximum values in summer and minimum values in winter. The SFTW removal efficiency contributions to WWTP were inferior to 30%. ln addition, SFTW inflow reductions were correlated with an increase of drug compound concentrations in the outflow. Furthermore, there was a specific absorption of these micro pollutants by plants whereas there were dynamic interactions between sampled mud and drugs residues with an adsorption during summer and a release during winter