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Anaerobic digestion allows the transformation of organic matter into biogas. In the current context of ecological transition towards renewable energies and the reduction of greenhouse gas emissions, the development of the sector is encouraged in Europe and the sector is growing fast. On an industrial scale, this bioprocess is implemented in concrete structures that are in direct contact with the biowastes being digested and undergo biodeterioration phenomena. Indeed, the liquid medium contains a wide variety of metabolites produced during digestion (volatile fatty acids, NH4+, dissolved CO2) whose concentrations can reach several grams per litre, as well as the microorganisms themselves, colonizing the surface of the concrete in the form of biofilm.This thesis, carried out within the framework of the ANR project BIBENdOM, aimed at (i) analysing the mechanisms of biogeochemical interactions between cementitious materials made from different types of binders, biowaste in digestion, and biofilm in the anaerobic digestion environment and (ii) providing a thorough experimental and numerical understanding of the mechanisms of alteration of cementitious materials in order to tend towards the prediction of the durability of concrete in these complex and variable environments.On one hand, the experimental work was carried out on complete environments in laboratory and highlighted local scale interaction mechanisms between a panel of materials (CEM I, CEM III/B, CAC, alkali-activated metakaolin and alkali-activated slag) and two substrates being digested (cattle manure and maize breakage) allowing to vary the composition and the aggressiveness of the environment toward the materials (during 5 digestion cycles, or about 6 months per experience). The anaerobic digestion process was monitored and analysed in terms of composition of the liquid medium and biogas production, microbial populations and microstructural, chemical and mineralogical modifications of the materials. On the other hand, the individual actions and combined effects of the chemical compounds metabolised during the digestion were finely studied in order to characterise the kinetics and thermodynamic equilibria governing degradation, with a view to proposing a model tending towards the prediction of deterioration in media of varied compositions. For this purpose, aggressive solutions were analysed (cation and anion concentrations) over time and the degradation of cementitious materials was characterised (mass loss, structural, mineralogical and chemical modifications).The work has shown that the presence of materials in the liquid phase only impacts the digestion process in the short term and on a local scale only. The use of substrates of agricultural origin generated environments rich in dissolved CO2 (1000 - 2000 mg.L-1) and favoured the carbonation of the materials, which seems to play a major role in the deterioration mechanisms of Portland based cements, ahead of those of other metabolites (organic acids, ammonium, phosphate salts...). Among the materials used, alkali-activated metakaolin stands out for its very good behaviour and low degradation. It is also the material that has had the greatest impact on digestion, in terms of the composition of the medium (NH4+), digestion kinetics and pH as well as the microbial populations developed. Finally, the experiments carried out on chemical metabolites alone have enabled the development of a thermodynamic model applied to the interactions between cement pastes and aggressive agents, allowing to predict the chemical evolution of the solid phase during degradation and as a function of the metabolite studied.; La méthanisation, ou digestion anaérobie, permet la transformation de la matière organique en biogaz. Dans le contexte actuel de transition écologique vers des énergies renouvelables et de diminution des émissions de gaz à effet de serre, le développement de la filière est plébiscité en Europe et le secteur est en pleine croissance. A l’échelle industrielle, ce bioprocédé est mis en œuvre dans des structures en béton qui sont en contact direct avec les biodéchets en digestion et subissent des phénomènes de biodétérioration. En effet, le milieu liquide contient une grande variété de métabolites produits lors de la digestion (acides gras volatils, NH4+, CO2 dissous) dont les concentrations peuvent atteindre plusieurs grammes par litre, ainsi que les microorganismes eux-mêmes, colonisant la surface du béton sous forme de biofilm.Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet ANR BIBENdOM, visait à (i) analyser les mécanismes d’interactions biogéochimiques entre les matériaux cimentaires constitués à partir de différents types de liants, le biodéchet en digestion, et le biofilm dans le milieu de la méthanisation et (ii) apporter une compréhension approfondie expérimentale et numérique des mécanismes d’altération des matériaux cimentaires et cela afin de tendre vers la prédiction de la durabilité du béton dans ces environnements complexes et variables.Le travail expérimental a été mené d’une part sur des milieux complets en laboratoire et a mis en évidence des mécanismes d’interactions à échelle locale entre un panel de matériaux (pâtes à base de CEM I, CEM III/B, CAC, métakaolin alcali-activé et laitier alcali-activé) et deux substrats en digestion (fumier bovin et brisure de maïs) permettant de faire varier la composition et l’agressivité du milieu vis-à-vis des matériaux (durant 5 cycles de digestion, soit environ 6 mois par expérience). Le processus de digestion anaérobie a été suivi et analysé en termes de composition du milieu liquide et production de biogaz, de populations microbiennes et de modifications microstructurales, chimiques et minéralogiques des matériaux. D’autre part, les actions individuelles et effets combinés des composés chimiques métabolisés lors de la digestion ont été finement étudiés afin de caractériser les cinétiques et équilibres thermodynamiques régissant les dégradations, et cela en vue de proposer un modèle tendant vers la prédiction de la détérioration dans des milieux de compositions variées. Pour cela, les solutions agressives ont été analysées (concentrations en cations et anions) au cours du temps et les dégradations des matériaux cimentaires ont été caractérisées (suivi de masse, modifications structurales, minéralogiques et chimiques).Le travail a permis de démontrer que la présence des matériaux en phase liquide n’impacte le processus de digestion que sur le court terme et à l’échelle locale uniquement. L’utilisation des substrats d’origine agricole a engendré des milieux riches en CO2 dissous (1000 – 2000 mg.L-1) et favorisé les phénomènes de carbonatation des matériaux, qui semblent jouer un rôle majeur dans les mécanismes de détérioration des ciments à base de Portland, devant ceux des autres métabolites (acides organiques, ammonium, sels de phosphate…). Parmi les matériaux utilisés, le métakaolin alcali-activé se démarque par son très bon comportement et sa faible dégradation. C’est aussi le matériau ayant eu le plus d’impact sur la digestion, en termes de composition du milieu (NH4+), de cinétiques de digestion et de pH ainsi que de populations microbiennes développées. Enfin, les expériences menées sur les métabolites chimiques seuls ont permis le développement d’un modèle thermodynamique appliqué aux interactions entre les pâtes de ciment et les agents agressifs permettant de prédire l’évolution chimique de la phase solide au cours de la dégradation et en fonction du métabolite étudié.

Bacterial interactions are ubiquitous in the environment. For a long time, microbiologists have been considering mostly negative interactions (mainly competition) between microorganisms as the natural selection would only select the most adapted bacteria in the environment. But nowadays, bacterial cooperation is starting to attract more and more attention as microbiologist realize that a significant number of microorganisms are auxotroph for one or more biomolecules and need the presence of other microorganisms in order to grow. This new field of microbiology has been mostly developing thanks to lab controlled co-cultures. Thus we face now the challenge to try to validate the acquired knowledge from the wet lab experiments in the environment.In this thesis, we wanted to validate some observations that had been made in lab controlled co-cultures at the level of an environmental bacterial community. We considered the effect of organic acids (a carbon source) and hypothesized that an increase of organic acids would increase bacterial competition and that bacterial cooperation would drop at the same time. To test this hypothesis we selected two methods to assess bacterial interactions in order to strength our observations. First, we tracked genes reported as being proxy of cooperation (plasmids) or competition (antibiotics resistance genes =ARG) in metagenomes. We used also co-variance networks of 16S rRNA to assess bacterial interactions. This hybrid approach was then used on a bacterial community from the Arctic snow. We decided to study this community because the Arctic snow environment is reported as being highly dynamic and a seasonal increase of organic acids had been previously reported.During our first study, carried out on a time series of snow, we applied successfully our methodology to track bacterial interactions and how it was impacted by the increase of organic acids. In the snow metagenomes, we observed that the ARGs were retrieved in higher abundance in the snow samples having a higher organic acids load, supporting an increase of competition when organic acids were more abundant. At the opposite, the plasmids backbone genes were retrieved in higher abundance in the snow metagenomes from samples having a low organic carbon concentration, supporting the fact that when organic acids increased cooperation decreased. The co-variance networks showed supporting trends with a decrease of connectivity in the networks of high organic acids concentration compared to the network of low organic acids concentration snow samples. Due to these promising results, we decided to validate further our observations by carrying out a time series experiment in lab-controlled snow microcosms amended with one of the most abundant organic acids found during our previous study (acetate). In parallel, we developed a custom pipeline to process our metagenomes in a more accurate way for the function annotation of the reads that couldn’t be assembled in our samples. We managed to quantify more accurately the degree of accuracy of such read annotation (with an error rate of 5%) and improve our annotation accuracy by learning the e-value threshold used for annotation based on its distribution observed on the assembled reads. Using this new method for the annotation on our snow microcosms metagenomes we repeated our methodology to track the bacterial interactions. We managed to confirm the fact that organics acids triggered bacterial competition in our microcosms but we didn’t observe a clear trend concerning a possible effect on bacterial collaboration. We deduced that the increase of organic acids was mainly affecting bacterial competition but had no or little effect on bacterial collaboration. Despite those encouraging results, this work highlighted the difficulties to interpret unequivocally the genes reported as proxies of cooperation or competition and suggests that more effort is still needed to build a reference database for such genes., Les interactions positives entre microorganismes ont longtemps été minoritairement étudiées par les microbiologistes. Mais aujourd’hui, la coopération entre bactéries gagne en importance depuis qu’il a été mis en évidence qu’un grand nombre de bactéries sont auxotrophes et nécessitent la présence d’autres microorganismes pour se développer. Ce nouveau domaine d’étude s’est principalement développé grâce à des co-cultures de microorganismes en laboratoire. Dans cette thèse, nous désirions valider certaines prédictions issues de ces études en laboratoire en les testant sur une communauté bactérienne d’un environnement naturel. Nous nous sommes focalisés sur l’impact des acides organiques et avons émis l’hypothèse qu’une augmentation de la concentration en acide organique causerait une augmentation de la compétition entre bactéries tout en diminuant la coopération dans cette communauté bactérienne. Afin de tester cette hypothèse, nous avons d’abord utilisé le séquençage métagénomique afin de détecter les gènes rapportés dans la littérature scientifique comme étant un indice de coopération (plasmides) ou de compétition (gènes de résistance aux antibiotiques) entre bactéries. De plus, nous avons également évalué les interactions bactériennes en construisant des réseaux de co-variance basés sur des données issues du séquençage 16S rRNA. Cette approche hybride fut ensuite appliquée sur une communauté bactérienne de neige arctique. Au cours de notre première étude, réalisée sur une série temporelle de neige, nous avons pu appliquer avec succès notre méthode afin d’étudier l’impact des acides organiques sur les interactions bactériennes dans la neige. Nous avons mis en évidence que les échantillons présentant une concentration plus importante en acides organiques présentaient également un nombre plus important de gènes de résistance aux antibiotiques. Ce résultat supporte l’hypothèse qu’une augmentation de la concentration d’acides organiques dans la neige augmente la compétition entre bactéries. A l’inverse, les échantillons de neige possédant de fortes concentrations d’acides organiques présentaient un plus faible nombre de gènes structuraux de plasmides dans leurs métagénomes. Ceci étaye ainsi l’hypothèse qu’une augmentation de la concentration d’acides organiques dans la neige diminue également la coopération. La comparaison des réseaux de co-variance a conforté cette interprétation. Suite à ces résultats encourageants, nous avons décidé de valider de manière plus minutieuse notre hypothèse en tentant de reproduire nos résultats dans des microcosmes de neiges amendés au moyen d’un des acides organiques majoritairement identifié dans notre précédente étude (acétate). En parallèle, nous avons également développé un pipeline personnalisé pour traiter nos métagénomes en améliorant la fiabilité de l’annotation fonctionnelle des séquences qui ne peuvent pas être assemblées en déduisant une valeur seuil d’annotation suivant sa distribution observée dans les séquences assemblées. En utilisant cette nouvelle méthode d’annotation pour traiter nos métagénomes, nous avons reproduit la même approche hybride pour étudier les interactions bactériennes. Nous avons pu confirmer le fait que l’augmentation de la concentration d’acides organiques augmentait la compétition entre bactéries mais nous n’avons pas observé d’impact significatif sur la coopération qui ne différait pas beaucoup du niveau observé dans les microcosmes contrôles. Nous en avons déduit que la concentration d’acides organique dans la neige affectait principalement la compétition entre bactéries mais n’avait pas ou peu d’effet sur la collaboration dans la communauté bactérienne de la neige arctique. Malgré ces résultats encourageants, le présent travail a également mis en lumière la difficulté de pouvoir interpréter de manière univoque les gènes qui participent aux interactions bactériennes et suggère la mise en place d’une base de données spécialement dédiée à ce type de gènes.

3-hydroxypropionic acid (3-HP) is a platform molecule targeted for its acrylated derivatives and polyesters. Its production through biological pathways is widely studied in order to make them bio-based. However, in such processes, 3-HP is diluted in fermentation broths containing many impurities. Moreover, the accumulation of the acid in the broths generates a strong inhibition towards the producing microorganisms. We suggest here a process aiming at extracting 3-HP selectively as soon as it is produced in order to reduce its accumulation and have it purified continuously. 3-HP properties as well as the current best fermentation conditions made us identify reactive liquid-liquide extraction in membrane contactors as promising technique. First, we elucidated the reaction mechanism of extraction in our system and then modeled the associated thermodynamic equilibria as a function of operating paramaters. Several back-extraction methods were tested and it allowed the coupling of the extraction and back-extraction steps in a semi-continuous process mimicking a biological production. The dynamic modeling of this operating mode made possible the accurate prediction of experimental results. The aqueous phase were then made more and more complex in order to better describe an actual fermentation broth and identify the influence of each component on the process efficiency in terms of yield, kynetics and selectivty.; L’acide 3-hydroxypropionique (3-HP) est une molécule plate-forme, particulièrement visée pour ses dérivés acrylés et les polyesters. Sa production par voie biotechnologique fait l’objet de nombreuses études, afin de les obtenir de manière biosourcée. Cependant, dans ces procédés, le 3-HP est dilué dans des milieux de fermentation contenant de nombreuses impuretés. De plus, l’accumulation de l’acide dans les milieux crée une forte inhibition sur les microorganismes producteurs. Nous proposons alors un procédé visant à extraire sélectivement le 3-HP du milieu de fermentation en même temps qu’il est produit afin de limiter son accumulation et de le purifier en continu. Les propriétés du 3-HP ainsi que les meilleures conditions de fermentation actuelles ont permis d’identifier l’extraction liquide-liquide réactive en contacteur membranaire comme une technique de choix. Nous avons tout d’abord élucidé le mécanisme réactionnel impliqué dans le système puis modélisé les équilibres associés afin de pouvoir prédire les rendements d’extraction en fonction de paramètres opératoires. Plusieurs méthodes de désextraction ont été testées, ce qui a permis de coupler les étapes d’extraction et de désextraction dans un procédé semi-continu mimant une production fermentaire. La modélisation dynamique de ce mode de fonctionnement a permis de prédire précisément les résultats expérimentaux. Les milieux ont alors été complexifiés afin de mieux représenter la réalité d’un milieu biologique en identifiant l’impact de chaque constituant.

Development of innovative biodegradable, edible and functionalized material comes from a triple socio-economic expectation in the field of sustainable development (decrease in synthetic non-biodegradable polymers), of natural solutions for food preservation (trend of “clean label” by food protection through active and smart packaging to avoid over-use of food additives) and of food safety (microbiological safety and traceability). Development in that field, started few decades ago is slowed down by production process (wet process), which is not an easy scale up process. However, a few years ago industrial process technique as extrusion started developing. In the present work, the twin-screw extrusion process was successfully applied to produce polymer based on protein raw material: acid casein, rennet casein and sodium caseinate. Extracted from caw milk, these three caseins own different characteristics, which affect material properties (mechanical, water sensitive properties). Matrix functionalization through organic acid addition bring an interesting antimicrobial response against Escherichia coli. Blending hydrophobic molecules as waxes (beeswax, candelilla wax and carnauba wax) creates a complex composite material which increases the range of available properties as improved water vapor barrier allowed by beeswax addition. Water sensitive properties are key points to consider at each step of material development and to understand relationships between the different ingredients (protein, plasticizer, waxes, antimicrobial agents). This manuscript shows the feasibility in the development of casein based material as biodegradable, edible and antimicrobial material, to apply and use in the food packaging industry or other industries; Une triple attente socio-économique dans les domaines du développement durable (réduction des matières synthétiques non biodégradables), des solutions naturelles de conservation des aliments (tendance du « clean label » par la protection des denrées par des emballages actifs et intelligents évitant des additifs à outrance dans les aliments) et de la sécurité alimentaire (sécurité microbiologique et traçabilité) est à l’origine du développement de nouveaux matériaux à la fois biodégradables, comestibles et fonctionnalisés. Cette recherche commencée quelques décennies plus tôt est freinée par un mode de production difficilement industrialisable (voie solvant). Cependant, depuis quelques années des procédés applicables à l’échelle industrielle sont développées (voie fondue/extrusion). Dans le travail présenté ici, la technologie d’extrusion bivis a été appliquée avec succès sur différentes matières premières protéiques : la caséine acide, la caséine présure et le caséinate de sodium. Extraites toutes trois du lait de vache, ces caséines montrent des caractéristiques différentes qui affectent les propriétés du matériau (mécaniques, sensibilité aux molécules d’eau). La fonctionnalisation de la matrice par l’ajout d’acides organiques offre un potentiel antimicrobien intéressant contre Escherichia coli. Une complexation supplémentaire du matériau par incorporation de molécules hydrophobes telles que des cires (cires d’abeille, de candelilla et de carnauba) permet d’élargir une fois de plus l’éventail des propriétés disponibles pour ces matériaux composites, comme l’amélioration de la propriété barrière à la vapeur d’eau apportée par la cire d’abeille. La sensibilité aux molécules d’eau de ce type de matériau étant un critère à considérer à chaque étape de développement et de compréhension des interactions inter-ingrédients (protéine, plastifiant, cires, composés antimicrobiens). Ce manuscrit expose le potentiel de développement de matériaux à base de caséine, biodégradables, comestibles et antimicrobiens, qu’il s’agit d’appliquer en emballage agroalimentaire tout comme dans bien d’autres secteurs

The latest IPCC report clearly confirms the climate projections for increasing temperaturesand their variability at the end of the 21st century. The effects of climate changes in fruit yield andquality have been studied in a project funded by INRA (project CAQ40, Metaprogramme ACCAF).Experiments carried out on potted peaches placed in different climates (control, +2 ° C and + 5 ° C),allowed the identification of the processes (phenology, development, growth, photosynthesis,metabolism) most sensitive to rising temperatures and their consequences on the development andcomposition of fruits and the sustainability of production.Higher temperature has increased the demand for water, leading to a decrease in the waterpotential of the trees, which may have led to a concentration of the compounds of interest in thefruit. The reduction of leaf photosynthesis under high temperature conditions was related to theinhibition of photosynthesis by high temperatures and stomatal control related to water status.After flowering, the rise in temperature accelerates the vegetative growth, triggering a more rapidestablishment of leaf area. This early vegetative growth resulted in: (i) very rapid dynamics ofelongation of the axes in long shoot (ii) a more pronounced apical dominance, (iii) a decrease in theaxillary axial branching. In contrast the later heat treatment had an adverse effect on the initiationand differentiation of floral buds reducing the production potential in the following year.In addition, the increase in temperature after flowering resulted in a marked shortening ofthe fruit growth period, with an expected harvest date almost 3 weeks earlier. This shortening offruit growth duration has led to a decrease in the flow of carbon entering the fruit, penalizing itsgrowth and quality. The very different climates between the two experimental years resulted in ahigh variability in fruit composition between the two years of experimentation. In 2014, increasedtemperature during the early stage of fruit development or continuously led to the harvest ofsmaller fruit with higher concentrations and higher sucrose content. In 2015, the time durationbetween flowering and maturity was even shorter than in 2014, which could be linked to thewarmer climate of 2015. In 2015 fruits were less sweet and acidic than those of 2014. However, therise of temperatures at the end of fruit development in 2015 increased the levels andconcentrations of hexoses and sorbitol; this increase was partially due to a concentration effect butalso to an effect on fruit metabolism. Increased temperatures in the middle and at the end of fruitdevelopment also favoured the accumulation of malic and citric acid. The high temperatures did nothave much effect on vitamin C and either increased or decreased the levels of phenolic compounds.The effects of an increase in temperature on the metabolism are therefore very dependent on thestage of fruit development.The use of a Fruit‐scale model and a tree‐level (QualiTree) model could simulate both the effect ofthe environment and cultural practices on the growth and quality of the fruit, and give a moreintegrated view of the plant's functioning under environmental constraints., Le dernier rapport du GIEC confirme clairement des projections climatiques prévoyant une augmentation des températures et de leur variabilité à la fin du XXIème siècle. Les effets de ces changements sur la production et la qualité des fruits ont été étudiés dans le cadre du projet CAQ40(INRA). Les expérimentations menées sur des pêchers en pot placés sous différents climats (témoin,+2°C et +5°C), ont permis d’identifier les processus (phénologie, développement, croissance,photosynthèse, métabolisme) les plus sensibles à l’élévation des températures et leurs conséquences sur le développement et la composition des fruits et la pérennité de la production.L’élévation de température a augmenté la demande climatique entraînant une diminution du potentiel hydrique des arbres, ce qui a pu entrainer une concentration des composés d’intérêt dans le fruit. La réduction du taux de photosynthèse des feuilles dans des conditions de forte température est liée à une inhibition de la photosynthèse par les températures élevées et à un contrôle stomatique lié au statut hydrique.Après floraison, l’élévation de température accélère la croissance végétative, induisant une mise en place de la surface foliaire anticipée. Cette croissance végétative précoce a eu pour conséquence (i) une dynamique très rapide d’élongation des axes en pousse longue (ii) une dominance apicale plus marquée, (iii) une diminution de la ramification des axes axillaires,contrairement aux traitements thermiques plus tardifs qui ont eu un effet défavorable sur l’initiation et la différenciation des bourgeons floraux réduisant le potentiel de production l’année suivante.En outre, l’augmentation de température après floraison a entraîné un raccourcissement très marqué de la durée de croissance du fruit, avec une date de récolte anticipée de près de 3semaines. Ce raccourcissement de la durée de croissance du fruit a entraîné une diminution du flux entrant de carbone dans le fruit, pénalisant sa croissance et sa qualité. Le climat très différent entre les deux années expérimentales a entrainé une forte variabilité de la composition des fruits entre les deux années d’expérimentation. En 2014, une élévation de température précoce ou continue a conduit à récolter des fruits de petites tailles ayant des concentrations et des teneurs en saccharose plus importantes. En 2015, la durée de développement entre floraison et maturité était encore plus courte qu’en 2014 ce qui pouvait être lié au climat plus chaud de 2015 et les fruits ont été moins sucrés et plus acides que ceux de 2014. Toutefois, l’élévation des températures en fin de développement en 2015 a augmenté les teneurs et les concentrations en hexoses et en sorbitol liées à un effet concentration mais également à un effet sur le métabolisme. L’élévation des températures en milieu et en fin de cycle a également favorisé l’accumulation d’acide malique et citrique. Les fortes températures n’ont pas eu beaucoup d’effet sur la vitamine C et ont soit augmenté ou diminué les teneurs en composés phénoliques. Les effets d’une élévation de la température sur le métabolisme sont donc très dépendants du stade de développement du fruit.L’utilisation de modèle à l’échelle du fruit (Virtual Fruit) et à l’échelle de l’arbre (QualiTree)pourrait permettre de simuler à la fois l’effet de l’environnement et des pratiques culturales sur la croissance et la qualité du fruit, et donner une vision plus intégrée du fonctionnement de la plante sous contraintes environnementales.

Development of innovative biodegradable, edible and functionalized material comes from a triple socio-economic expectation in the field of sustainable development (decrease in synthetic non-biodegradable polymers), of natural solutions for food preservation (trend of “clean label” by food protection through active and smart packaging to avoid over-use of food additives) and of food safety (microbiological safety and traceability). Development in that field, started few decades ago is slowed down by production process (wet process), which is not an easy scale up process. However, a few years ago industrial process technique as extrusion started developing. In the present work, the twin-screw extrusion process was successfully applied to produce polymer based on protein raw material: acid casein, rennet casein and sodium caseinate. Extracted from caw milk, these three caseins own different characteristics, which affect material properties (mechanical, water sensitive properties). Matrix functionalization through organic acid addition bring an interesting antimicrobial response against Escherichia coli. Blending hydrophobic molecules as waxes (beeswax, candelilla wax and carnauba wax) creates a complex composite material which increases the range of available properties as improved water vapor barrier allowed by beeswax addition. Water sensitive properties are key points to consider at each step of material development and to understand relationships between the different ingredients (protein, plasticizer, waxes, antimicrobial agents). This manuscript shows the feasibility in the development of casein based material as biodegradable, edible and antimicrobial material, to apply and use in the food packaging industry or other industries, Une triple attente socio-économique dans les domaines du développement durable (réduction des matières synthétiques non biodégradables), des solutions naturelles de conservation des aliments (tendance du « clean label » par la protection des denrées par des emballages actifs et intelligents évitant des additifs à outrance dans les aliments) et de la sécurité alimentaire (sécurité microbiologique et traçabilité) est à l’origine du développement de nouveaux matériaux à la fois biodégradables, comestibles et fonctionnalisés. Cette recherche commencée quelques décennies plus tôt est freinée par un mode de production difficilement industrialisable (voie solvant). Cependant, depuis quelques années des procédés applicables à l’échelle industrielle sont développées (voie fondue/extrusion). Dans le travail présenté ici, la technologie d’extrusion bivis a été appliquée avec succès sur différentes matières premières protéiques : la caséine acide, la caséine présure et le caséinate de sodium. Extraites toutes trois du lait de vache, ces caséines montrent des caractéristiques différentes qui affectent les propriétés du matériau (mécaniques, sensibilité aux molécules d’eau). La fonctionnalisation de la matrice par l’ajout d’acides organiques offre un potentiel antimicrobien intéressant contre Escherichia coli. Une complexation supplémentaire du matériau par incorporation de molécules hydrophobes telles que des cires (cires d’abeille, de candelilla et de carnauba) permet d’élargir une fois de plus l’éventail des propriétés disponibles pour ces matériaux composites, comme l’amélioration de la propriété barrière à la vapeur d’eau apportée par la cire d’abeille. La sensibilité aux molécules d’eau de ce type de matériau étant un critère à considérer à chaque étape de développement et de compréhension des interactions inter-ingrédients (protéine, plastifiant, cires, composés antimicrobiens). Ce manuscrit expose le potentiel de développement de matériaux à base de caséine, biodégradables, comestibles et antimicrobiens, qu’il s’agit d’appliquer en emballage agroalimentaire tout comme dans bien d’autres secteurs

Le problème grandissant de l’antibiorésistance remet en question plusieurs pratiques reliées à l’utilisation des antibiotiques, dont l’usage à grande échelle pour des fins de promotion de la croissance chez les animaux de consommation. Depuis 2006, le retrait des antibiotiques dans les élevages de poulets de chair en Europe a été associé à la résurgence d’entérite nécrotique, une maladie intestinale causée par la bactérie Clostridium perfringens. Alors que la pathogénie de la maladie semblait bien comprise, le retrait des antibiotiques a montré que peu de solutions de remplacement sont disponibles afin de prévenir cette maladie. Très peu d’études se sont intéressées à mieux caractériser la dynamique des populations de C. perfringens dans les élevages avicoles et l’effet que pouvait avoir le retrait des antibiotiques sur l’évolution de ces populations. La présente étude a évalué l’impact du remplacement des antibiotiques promoteurs de croissance et des anticoccidiens pendant une période de 14 mois, dans huit élevages commerciaux de poulets de chair au Québec. Un protocole d’élevage alternatif, combinant des stratégies telles que des produits à base d’huiles essentielles, des acides organiques et inorganique, une vaccination contre la coccidiose ainsi qu’une amélioration des conditions de démarrage des poussins, a été utilisé en remplacement des antimicrobiens. Les performances zootechniques, la santé digestive ainsi que l’occurrence d’entérite nécrotique pour les lots de poulets soumis au protocole d’élevage alternatif ont été comparées avec celles de lots de poulets de chair recevant une ration conventionnelle. Des analyses moléculaires basées sur la PCR et le PFGE ont été utilisées afin de documenter l’impact de la mise en place du protocole d’élevage alternatif sur les populations de C. perfringens. Les résultats obtenus montrent qu’aucune différence entre les groupes soumis aux deux types de protocoles n'est observée en ce qui a trait à la viabilité en élevage, à l'âge d'abattage et aux taux de condamnations à l'abattoir. Toutefois, les lots soumis au traitement alternatif ont eu des performances moindres pour le poids moyen à l'abattage, le gain moyen quotidien et la conversion alimentaire. Un peu plus de 27% des lots soumis au protocole alternatif ont connu un épisode d’entérite nécrotique clinique. Les analyses ont aussi montré que l’un ou l’autre des protocoles ne semble pas exercer d’influence particulière sur la dynamique temporelle des populations de C. perfringens. Pour les lots soumis au protocole d’élevage alternatif, une forte diversité génétique pour C. perfringens a été liée à un risque augmenté de vivre un épisode d’entérite nécrotique. À l’opposé, les lots alternatifs ayant vécu des épisodes récurrents de la maladie ont montré une diminution significative de la diversité génétique, ainsi qu’une augmentation marquée du nombre de souches de C. perfringens transportant plusieurs gènes de virulence. La présente étude a permis de mieux documenter, d’un point de vue économique et scientifique, la production de poulets de chair élevés sans antibiotiques ni anticoccidiens au Québec. Cette étude est la seule du genre s’étant intéressée à la caractérisation et à la comparaison dans le temps des flores de C. perfringens retrouvées dans les deux types d’élevages. Elle a révélé que la production à grande échelle de poulets de chair élevés sans antibiotiques ni anticoccidiens est possible au Québec, mais que celle-ci présente des impacts sur les performances zootechniques des oiseaux, sur leur santé digestive et sur la dynamique des populations de C. perfringens. Mots-clés : poulets de chair, antibiotiques, huiles essentielles, acides organiques, vaccination coccidiose, performances zootechniques, santé digestive, entérite nécrotique, Clostridium perfringens, dynamique populationnelle, In view of the increasing problem of antibiotic resistance, the large-scale use of growth promoting antibiotics in food-producing animals is being questioned. The voluntary ban of these compounds since 2006 in Europe, has been associated with a resurgence of necrotic enteritis, an intestinal disease of broiler chickens caused by Clostridium perfringens. Unfortunately, few alternatives are available and the pathogenesis of necrotic enteritis is yet to be fully understood. Surprisingly, there is a paucity of scientific papers on C. perfringens population diversity in broiler chicken flocks as well as on the effects of antimicrobial withdrawal on this bacterial population dynamics. The current study evaluated the impact of replacing antibiotic growth promoters and anticoccidials, over a 14-month period, on eight commercial broiler chicken farms in Québec. A drug-free rearing protocol, combining essential oil-based products, organic and inorganic acids, anticoccidial vaccination and chick brooding conditions improvement, was used in place of antimicrobials. Zootechnical performances, digestive health parameters and necrotic enteritis occurrence were compared between conventional and drug-free flocks involved in this study. Molecular approaches such as PCR and PFGE were used to monitor the impact of both rearing protocols on C. perfringens populations. Results show that livability, age at time of slaughter and total condemnations were not affected by the drug-free program. However, the drug-free flocks showed a decrease in mean live weight and in the daily weight gain, while feed conversion ratio was increased for drug-free flocks. Nearly 27% of the drug-free flocks experienced a clinical necrotic enteritis outbreak. Molecular analysis showed that C. perfringens temporal dynamics seems to be little affected by both rearing protocols. For the drug-free flocks, an initially greater genotypic diversity was linked with an increased risk of experiencing necrotic enteritis. On the other hand, recurring outbreaks of the disease in affected flocks caused a significant decrease of this genotypic diversity, as well as an increase in the number of C. perfringens strains carrying multiple virulence genes. The current study allowed us to better document the economical and scientific aspects of a drug-free broiler chicken production in Québec. A limited number of scientific papers relative to the comparison of the influence of different rearing protocols on C. perfringens populations have been published so far. Results showed that drug-free broiler chicken production in Québec is economically feasible, though impacting the zootechnical and health performances, as well as C. perfringens population temporal dynamics. Key words : broiler chickens, antibiotics, essential oils, organic acids, anticoccidial vaccination, zootechnical performances, digestive health, necrotic enteritis, Clostridium perfringens, population dynamics

Among inherited metabolic diseases, organic acidemia (OA) or organic aciduria is characterized by urinary excretion of abnormal amounts or types of organic acids. OA is mostly associated with genetic conditions resulting in a specific step of amino acid catabolism dysfunction. Such alterations can produce disease states that range from mild to lethal neurological involvement. Gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS) remains the most used analytical technique for detecting specific urinary organic metabolites related to OA. However, after analyzing more than 1,000 urine samples collected from children with neurological disorders, by this technique less than 0.5% of them were positive. Thus, the discovery of new biomarker candidates for other metabolic diseases is urgently needed. The main objective of this thesis was to evaluate a new method using two-dimensional gas chromatography coupled to mass spectrometry (GCxGC-MS) for the both qualitative and quantitative metabolic profiling of children’s urine. As compared to GC-MS, GCxGC-MS shows great resolution power and high peak capacity. For this purpose, we first developed a GCxGC-MS method with an appropriate sample preparation protocol for urinary organic acids profiling. Applied to urine samples of healthy children and children with neurological disorders, the proposed method showed high sensitivity and peak capacity thus opening new possibilities for the characterization of new biomarker candidates. For instance, by this technique, we were able to detect in urines samples more than ninety additional compounds, which are not detected by a conventional GC-MS method. However, taken together the obtained results show that while the GCxGC technique has unmatched power to separate compounds in a complex mixture, the sample preparation protocol remains a limiting step for the precise quantification of the detected compounds. On another hand, in order to reduce the sample preparation step, we evaluated the direct analysis in real time (DART) method for the urinary organic acids screening. The obtained results are very promising.; La chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse simple quadripolaire (GC-qMS) est la technique la plus utilisée dans l’exploration des acides organiques urinaires dans le cadre du diagnostic des aciduries organiques (AO). Cependant, après analyse par GC-MS de plus de 1000 échantillons d'urines recueillis auprès d'enfants atteints de troubles neurologiques, moins de 0,5% d'entre eux ont reçu un diagnostic positif. Ceci témoigne de l’urgence de rechercher de nouveaux biomarqueurs dans le domaine des troubles neurologiques associés à des erreurs innées du métabolisme (EIM).L'objectif principal de cette thèse a été de développer une nouvelle méthode d’analyse des échantillons urinaires par chromatographie bidimensionnelle couplée à la spectrométrie de masse (GCxGC-qMS) et d'évaluer son apport dans le profilage métabolique de ces échantillons. Par ailleurs, dans le cadre du diagnostic des AO, dans un objectif de simplification de la procédure de préparation de l’échantillon, nous avons évalué une autre approche d’analyse directe en temps réel couplée à la spectrométrie de masse « DART-MS » des acides organiques urinaires. La première étape de notre travail a été de développer un protocole de préparation de l’échantillon compatible avec une méthode de séparation bidimensionnelle. Puis, grâce à l’étude systématique des différentes conditions de séparation, nous avons développé une méthode par CGxCG-qMS parfaitement adaptée à la séparation des composés extraits.Après validation analytique, la méthode proposée a été ensuite évaluée par le profilage des composés organiques présents dans des échantillons urinaires prélevés chez des volontaires sains. Par rapport aux profils obtenus par une méthode par GC-qMS classique, optimisée, les profils chromatographiques obtenus par la méthode proposée présentent une sensibilité et une résolution nettement plus élevées. Ceci se traduit par la détection en GCxGC-qMS de nombreux composés supplémentaires, jusqu’à 92, selon les échantillons. Parmi les composés supplémentaires détectés et caractérisés, certains sont d’un intérêt diagnostic reconnu.Malgré les difficultés liées à l’étape de préparation de l’échantillon et au traitement des données, l’ensemble des résultats obtenus par la méthode proposée sur de nombreux échantillons urinaires a confirmé les potentialités et la nécessité d’utiliser la chromatographie bidimensionnelle dans le domaine de la découverte de candidats biomarqueurs. Il s’agit maintenant de poursuivre l’identification des composés supplémentaires détectés dans les échantillons urinaires étudiés et d’appliquer la méthode proposée à un plus grand nombre d’échantillons témoins et pathologiques afin d’essayer d’identifier des candidats biomarqueurs.Enfin, les essais préliminaires par la technique DART-MS, effectués dans un laboratoire de la Direction des Applications Militaires (DAM) du CEA, ont été axés sur la détection d’un panel d’acides organiques représentatifs des différentes anomalies rencontrées lors des AO. Malgré les effets de suppression ionique qui restent à éliminer, les résultats obtenus montrent que cette approche mérite d’être approfondie.

L’acidose lactique du Saguenay-Lac-St-Jean, ou syndrome de Leigh de forme canadienne-française (LSFC), est une maladie mitochondriale neurodégénérative causée par des mutations du gène LRPPRC et caractérisée par des crises d’acidose menant au décès en bas âge. On ne comprend pas encore les causes exactes de ces crises, et aucun traitement n’est actuellement disponible. L’objectif de cette étude a été de comparer le profil des métabolites sanguins et urinaires chez des sujets LSFC et des témoins, avant et après un repas, par une approche métabolomique ciblée. Le projet s’inscrit dans une démarche à long terme visant l’identification de biomarqueurs prédictifs des crises, permettant d'intervenir plus rapidement afin d’éviter le décès. Les échantillons biologiques ont été prélevés chez 9 sujets atteints du LSFC et 9 témoins appariés, à jeun et 90 minutes après un repas standardisé. Les analyses incluent un bilan biochimique et hormonal, un profil des acides aminés, des acides gras, des acides organiques et des acylcarnitines. Les métabolites significativement modifiés chez les patients peuvent être classés en deux catégories : (i) le reflet d’une dysfonction mitochondriale, et plus particulièrement de l’accumulation d’équivalents réduits en amont de la chaîne respiratoire, et (ii) des indices de risque cardiométabolique, qui s’observent davantage chez les patients adultes malgré leur jeune âge. Ainsi, il serait intéressant d’inclure au traitement des stratégies visant la diminution des facteurs de risque cardiométabolique, notamment par une modification des habitudes de vie. Notre étude démontre la pertinence d’avoir recours à la métabolomique dans l’étude des désordres de la phosphorylation oxydative.

Campylobacter jejuni est l’agent causal de la campylobactériose, infection bactérienne importante en santé publique. Un des vecteurs de transmission de C. jejuni pour l’humain est le poulet via la chaîne alimentaire. Les mécanismes impliqués dans colonisation caecale commensale des oiseaux par C. jejuni sont toujours peu caractérisés, bien qu’une meilleure compréhension de ces mécanismes puisse apporter des solutions pour le contrôle du pathogène à la ferme. Cette étude avait pour buts de caractériser les propriétés phénotypiques et les facteurs génétiques impliqués dans la colonisation du poulet par C. jejuni et d’identifier de nouveaux mécanismes impliqués dans cette association. Des souches, issues d’élevages conventionnels échantillonnés en 2003 et en 2008 ainsi que d’élevages biologiques, ont été caractérisées afin d’obtenir leur profil de résistance aux antibiotiques, leur autoagglutination et leur chimiotactisme. Les souches des élevages conventionnels ont de plus été caractérisées pour leur capacité à adhérer et envahir une culture primaire de cellules caecales de poulet. Une puce à ADN a été développée pour détecter la présence de 254 gènes et variants associés à la colonisation des poulets ainsi qu’à la résistance aux antibiotiques chez les souches issues d’élevages conventionnels. Les propriétés phénotypiques et la présence de certains gènes chez les souches ont par la suite été comparées. Finalement, des souches ayant des caractéristiques différentes ont été utilisées dans un modèle de colonisation du poulet pour évaluer l’efficacité d’un nouvel additif alimentaire à base d’acides organiques et d’huiles essentielles sur le contrôle de C. jejuni. Les propriétés phénotypiques des souches étaient très variées et n’étaient pas corrélées entre elles, à l’exception de l’adhésion et de l’invasion. L’analyse génétique a révélé que le contenu en gènes des souches était variable, notamment au niveau des gènes de l’enveloppe bactérienne, au flagelle, aux récepteurs du chimiotactisme et à la résistance à l’arsenic. Les souches de 2003 et de 2008 étaient semblables lorsque leur contenu en gènes ainsi que leurs propriétés phénotypiques étaient comparés. Des gènes possiblement associés à un fort ou un faible potentiel de colonisation ont été identifiés. L’additif alimentaire a diminué la contamination des carcasses bien qu’une augmentation de la colonisation intestinale ait été observée pour certaines souches. La moitié des lots de poulets d’origine biologique étaient positifs pour C. jejuni. Les souches issues de ce type d’élevage étaient peu résistantes aux antibiotiques et possédaient des phénotypes variés. Cette étude a permis de mieux définir les caractéristiques importantes de C. jejuni qui sont associées à la colonisation intestinale du poulet. Elle a établi pour la première fois au Canada la présence du pathogène dans les élevages de poulets biologiques. Cette étude fait partie des quelques études qui décrivent la présence des gènes de colonisation et de résistance aux antibiotiques dans une collection de souches issues uniquement du poulet. Elle a également remis en doute l’importance de certains gènes dans la colonisation. La caractérisation exhaustive des souches a également permis d’identifier de nouveaux gènes possiblement associés à la colonisation de poulet par C. jejuni. Finalement, elle a indiqué que l’utilisation d’un mélange d’huiles essentielles et d’acide organique encapsulés pouvait être efficace pour réduire la contamination des carcasses de poulet par C. jejuni et que son effet était souche-dépendant., Campylobacter jejuni is the bacterium responsible for campylobacteriosis. It is a human pathogen of concern for public health. One of the transmission routes of this bacteria to humans is by the food chain through poultry meat products. The mechanisms involved in the commensal caecum chicken colonization by C. jejuni are poorly characterized, despite that increasing the knowledge on these mechanisms would allow a better control of the pathogen at the farm. The objectives of this study were to characterize the phenotypic and genetic factors affecting chicken colonization by C. jejuni and to identify news mechanisms involved in this process. Isolates, recovered from chicken caecal content sampled from conventional farms in 2003 and in 2008 as well as originating from organic farms sampled in 2009, were used. All strains were characterized for their antibiotic resistance profiles (AMR), autoagglutination and chemotaxis properties. Strains originating from conventional farms were further characterized for adhesion/invasion of primary chicken caecal cells. A new microarray was created to detect the presence of 254 genes and variants, all associated with chicken colonization or AMR. An association was made between the strains phenotypic properties and their gene content. Finally, strains possessing different phenotypic and genetic properties were used in a chicken colonization model to assess the efficacy of a novel feed additive to control chicken colonization by C. jejuni. Strains had variable phenotypic properties and these properties were not correlated, with the exception of adhesion and invasion. The microarray analysis revealed that gene presence was highly variable among the strains, especially for genes involved in the bacterial envelope, the flagella, the chemotaxis receptors and arsenic resistance. The 2003 and 2008 strains had similar phenotypic and genetic properties. Some genes, present in strains possessing higher or lower chicken colonization potentials, were identified. The feed additive was successful in reducing chicken carcass contamination but it increased bacterial caecal counts for some strains. C. jejuni was isolated from half of the sampled organic farms and strains originating from this type of production had low AMR and variable phenotypic properties.

A thorough knowledge of the chemical properties of actinides is now required in a wide variety of fields: extraction processes involved in spent fuel reprocessing, groundwater in the vicinity of radioactive waste packages, environmental and biological media in the case of accidental release of radionuclides. In this context, the present work has been focused on the complexation of Am(III), Cm(III), Cf(III), Pu(IV) and Pa(V) with organic ligands: DTPA, NTA and citric acid. The complexation of pentavalent protactinium with citric and nitrilotriacetic acids was studied using liquid-liquid extraction with the element at tracer scale (CPa < 10-10M). The order and the mean charge of each complex were determined from the analysis of the systematic variations of the distribution coefficient of Pa(V) as function of ligand and proton concentration. Then, the apparent formation constants related of the so-identified complexes were calculated. The complexation of trivalent actinides with DTPA was studied by fluorescence spectroscopy (TRLFS) and capillary electrophoresis (CE-ICP-MS). The coexistence of the mono-protonated and non-protonated complexes (AnHDTPA– and AnDTPA²–) in acidic media (1.5 ≤ pH ≤ 3.5) was shown unambiguously. Literature data have been reinterpreted by taking into account both complexes and a consistent set of formation constants of An(III)-DTPA has been obtained. The experimental study was completed by theoretical calculations (DFT) on Cm-DTPA system. The coordination geometry of Cm in CmDTPA²- and CmHDTPA- including water molecules in the first coordination sphere has been determined as well as interatomic distances. Finally, a study on the complexation of Pu(IV) with DTPA was initiated in order to more closely mimic physiological conditions. A three-step approach was proposed to avoid plutonium hydrolysis: i/ complexation of Pu(IV) with (NTA) in order to protect Pu(IV) from hydrolysis (at low pH) ii/ increase of pH toward neutral conditions and iii/ competition between the complexation of Pu with NTA and with DTPA. The preliminary experiments performed with CE-ICP-MS in the pH range 1.5 - 3.5 tend to indicate kinetic effect or/and the presence of mixed complex.; L’acquisition de données structurales et thermodynamiques relatives à des systèmes actinides (An(III), Pu(IV) Pa(V))–acides organiques polyfonctionnels (citrique, NTA, DTPA), en solution aqueuse, vise à une meilleure compréhension des interactions actinides-ligands essentielle à l’optimisation de procédés de séparation, de décorporation, et également à l’évaluation de la sûreté des sites de stockage de déchets radioactifs. Le comportement du protactinium pentavalent à l’échelle des traces en présence des anions citrates et NTA a fait l’objet d’études systématiques par extraction liquide-liquide dans le système TTA/Toluène/HClO₄/NaClO₄/Pa(V)/ligands. Après avoir déterminé l’ordre limite des complexes (3 pour Pa(V)-Cit et 2 pour Pa(V)-NTA), les constantes de formation associées à chaque espèce ont pu être calculées. L’étude multi-technique (électrophorèse capillaire et spectrofluométrie laser) sur la complexation des An(III) par le DTPA, réalisée à plusieurs pH, a permis de mettre en évidence la coexistence des complexes mono-protoné (AnHDTPA–) et déprotoné. (AnDTPA²–) pour des solutions acides et faiblement acides. Une réinterprétation des données de la littérature, en considérant les deux complexes, a permis de faire converger les valeurs des constantes de complexation des espèces qui étaient jusqu’à maintenant dispersées. L’étude thermodynamique a ensuite été complétée par une étude théorique (calculs DFT). La structure des complexes protoné et non protoné et le mode de coordination du Curium ont ainsi été établis. L’étude exploratoire sur la complexation du Pu(IV) par le DTPA dans des conditions de pH proches du milieu biologique a nécessité le développement d’un protocole expérimental en trois étapes : protection de Pu(IV) contre l’hydrolyse avec NTA (pH faible), augmentation du pH vers des conditions neutres, compétition entre la complexation de Pu(IV) par le NTA et le DTPA. Les expériences préliminaires réalisées entre pH 1,5 et 3,5 par électrophorèse capillaire (EC-ICP-MS), semblent indiquer l’existence d’effet cinétique ou/et l’existence d’un complexe mixte. Les interprétations faites lors de cette étude exploratoire sont à confirmer.

A thorough knowledge of the chemical properties of actinides is now required in a wide variety of fields: extraction processes involved in spent fuel reprocessing, groundwater in the vicinity of radioactive waste packages, environmental and biological media in the case of accidental release of radionuclides. In this context, the present work has been focused on the complexation of Am(III), Cm(III), Cf(III), Pu(IV) and Pa(V) with organic ligands: DTPA, NTA and citric acid. The complexation of pentavalent protactinium with citric and nitrilotriacetic acids was studied using liquid-liquid extraction with the element at tracer scale (CPa < 10-10M). The order and the mean charge of each complex were determined from the analysis of the systematic variations of the distribution coefficient of Pa(V) as function of ligand and proton concentration. Then, the apparent formation constants related of the so-identified complexes were calculated. The complexation of trivalent actinides with DTPA was studied by fluorescence spectroscopy (TRLFS) and capillary electrophoresis (CE-ICP-MS). The coexistence of the mono-protonated and non-protonated complexes (AnHDTPA– and AnDTPA²–) in acidic media (1.5 ≤ pH ≤ 3.5) was shown unambiguously. Literature data have been reinterpreted by taking into account both complexes and a consistent set of formation constants of An(III)-DTPA has been obtained. The experimental study was completed by theoretical calculations (DFT) on Cm-DTPA system. The coordination geometry of Cm in CmDTPA²- and CmHDTPA- including water molecules in the first coordination sphere has been determined as well as interatomic distances. Finally, a study on the complexation of Pu(IV) with DTPA was initiated in order to more closely mimic physiological conditions. A three-step approach was proposed to avoid plutonium hydrolysis: i/ complexation of Pu(IV) with (NTA) in order to protect Pu(IV) from hydrolysis (at low pH) ii/ increase of pH toward neutral conditions and iii/ competition between the complexation of Pu with NTA and with DTPA. The preliminary experiments performed with CE-ICP-MS in the pH range 1.5 - 3.5 tend to indicate kinetic effect or/and the presence of mixed complex., L’acquisition de données structurales et thermodynamiques relatives à des systèmes actinides (An(III), Pu(IV) Pa(V))–acides organiques polyfonctionnels (citrique, NTA, DTPA), en solution aqueuse, vise à une meilleure compréhension des interactions actinides-ligands essentielle à l’optimisation de procédés de séparation, de décorporation, et également à l’évaluation de la sûreté des sites de stockage de déchets radioactifs. Le comportement du protactinium pentavalent à l’échelle des traces en présence des anions citrates et NTA a fait l’objet d’études systématiques par extraction liquide-liquide dans le système TTA/Toluène/HClO₄/NaClO₄/Pa(V)/ligands. Après avoir déterminé l’ordre limite des complexes (3 pour Pa(V)-Cit et 2 pour Pa(V)-NTA), les constantes de formation associées à chaque espèce ont pu être calculées. L’étude multi-technique (électrophorèse capillaire et spectrofluométrie laser) sur la complexation des An(III) par le DTPA, réalisée à plusieurs pH, a permis de mettre en évidence la coexistence des complexes mono-protoné (AnHDTPA–) et déprotoné. (AnDTPA²–) pour des solutions acides et faiblement acides. Une réinterprétation des données de la littérature, en considérant les deux complexes, a permis de faire converger les valeurs des constantes de complexation des espèces qui étaient jusqu’à maintenant dispersées. L’étude thermodynamique a ensuite été complétée par une étude théorique (calculs DFT). La structure des complexes protoné et non protoné et le mode de coordination du Curium ont ainsi été établis. L’étude exploratoire sur la complexation du Pu(IV) par le DTPA dans des conditions de pH proches du milieu biologique a nécessité le développement d’un protocole expérimental en trois étapes : protection de Pu(IV) contre l’hydrolyse avec NTA (pH faible), augmentation du pH vers des conditions neutres, compétition entre la complexation de Pu(IV) par le NTA et le DTPA. Les expériences préliminaires réalisées entre pH 1,5 et 3,5 par électrophorèse capillaire (EC-ICP-MS), semblent indiquer l’existence d’effet cinétique ou/et l’existence d’un complexe mixte. Les interprétations faites lors de cette étude exploratoire sont à confirmer.

The bacteria, through their diversity and activities play an important role in soil functioning. They are actively involved in the degradation of organic matter (OM) and this function is often used as an indicator of the biological quality of soils. The heterotrophic bacteria are also involved directly or not to the weathering of silicate minerals (group of primary and secondary minerals in soils). The silicate weathering controlled the leaching of essential major mineral elements (e.g. Fe, Mg) in solution, the neutralization of acids in soils (from atmospheric deposition, degradation of litter, biological activity) and the sequestration of atmospheric CO2. This step is therefore essential to maintaining soil fertility in terrestrial ecosystems. However, although the main weathering processes of silicates are well known in aerobic (i.e. the proton- and ligand-promoted dissolution), this function of bacterial weathering of silicate minerals has never been used as a biological indicator of soil fertility. In fact, there is no simple standardized method to identify these processes, especially when they can be accelerated or enhanced by more or less specific root and / or microbial activities. The first aim of this work was therefore to identify the process of weathering in two phyllosilicates (biotite, phlogopite) by heterotrophic bacteria and their variability. The originality of this work is to use an empirical model of silicates weathering based on the activity of protons and ligands to identify and study the interactions between bacteria and minerals. Tracing of weathering processes by isotopic approach using stable isotopes of magnesium has also been tested. The second aim of this work was to correlate the “silicate weathering” function of bacterial communities of various soils in field conditions. This study confirms that the partial oxidation of glucose to organic acids is the predominant mechanism by which bacteria accelerate the leaching of elements (Fe, Mg...) under aerobic conditions during the weathering of biotite and phlogopite especially at pH close to neutrality. The results demonstrate that bacteria secrete organic acids. The nature and quantity of these acids depend on the nature of limiting nutrients and more generally the experimental conditions of growth. The empirical model used has been adapted to compare the initial release rate of iron (and other elements) in bacterial and abiotic weathering of mica to identify the two major processes (i.e. the proton- and ligand-promoted dissolution) involved. This approach highlighted the identification of phenotypes according to the metabolism and the competence of the bacterial strains used. The study with stable isotopes of Mg as tracers of weathering showed no fractionation during the proton- and ligandpromoted dissolution. Two tendencies could however be highlighted and appear accentuated when the fraction of Mg leached increases: (1) where the dominant process is the the proton-promoted dissolution, Mg leach solution is enriched in heavy isotopes compared to the isotopic composition of phlogopite (2) when the dominant process is the ligand-promoted dissolution, Mg leach solution is enriched in light isotopes compared with phlogopite. Using the model in the second part of this work showed that the silicate weathering potential by microbial communities depends on their origin and in particular the contents of organic matter and nutrients (exchangeable cations) of soil horizons sampled. Two strategies of silicate weathering in these communities have been identified: (1) the bacterial communities isolated from organic and mineral nutrient-rich horizons released few organic acids, but very chelating. They have a slow metabolism (strategy = K) and very efficient, allowing a substantial release of iron, (2) communities isolated from organic and mineral nutrient-poor horizons release many low chelating organic acids. Their rapid metabolism (r = strategy) promotes the formation of new cells, but not an efficient release of iron. Finally, the interdisciplinary approach proposed in this work to identify and characterize the weathering of phyllosilicates by soil heterotrophic bacteria or communities in different environments. It provides a original and promising tool for identifying functional to evaluate the quality of natural soils or follow the restoration of anthropic soil., Les bactéries, via leur diversité et leurs activités, jouent un rôle important dans le fonctionnement des sols. Elles participent activement à la dégradation des matières organiques (MO) et cette fonction est souvent utilisée comme indicateur de la qualité biologique des sols. Les bactéries hétérotrophes participent aussi activement, directement ou indirectement, à l’altération des silicates, groupe prédominant de minéraux primaires et secondaires dans les sols. L’altération des silicates contrôle en partie la lixiviation d’éléments minéraux majeurs essentiels (Fe, Mg) en solution, la neutralisation d’acides dans les sols (issus des dépôts atmosphériques, de la dégradation des litières, de l’activité biologique), et la séquestration du CO2 atmosphérique. Cette étape clé est donc essentielle au maintien de la fertilité des sols dans les écosystèmes continentaux. Cependant, même si les principaux processus d’altération des silicates sont bien connus en milieu aérobie (i.e. l’acidolyse et la complexolyse), cette fonction d’altération bactérienne des silicates n’a jamais été utilisée comme indicateur biologique de la fertilité des sols. En fait il n’existe pas de méthode simple standardisée d’identification de ces processus surtout lorsque ceux-ci peuvent être accélérés ou amplifiés par des activités racinaires et/ou microbiennes plus ou moins spécifiques.Le premier objectif de ce travail de thèse a donc été d’identifier les processus d’altération de deux silicates modèles (biotite, phlogopite) par des bactéries hétérotrophes ainsi que leur variabilité. L’originalité de ce travail est d’utiliser un modèle d’altération empirique basé sur l’activité des protons et ligands pour identifier et étudier les interactions entre les bactéries et les minéraux. Le traçage des processus d’altération par une approche isotopique utilisant les isotopes stables du magnésium a également été testé. Le second objectif de la thèse a été de corréler la fonction d’altération de communautés bactériennes aux conditions naturelles rencontrées dans différents sols.Ce travail confirme que l’oxydation partielle du glucose en acides organiques est le mécanisme prédominant par lequel les bactéries amplifient la lixiviation d’éléments (Fe, Mg...) en condition aérobie lors de l’altération de la biotite et de la phlogopite, surtout pour des pH proches de la neutralité. Les résultats démontrent que les bactéries sécrètent des acides organiques dont la nature et la quantité sont fonction de la nature des nutriments limitants et plus généralement des conditions expérimentales de croissances. Le modèle empirique utilisé a été adapté pour permettre de comparer les taux de libération initiaux du fer (et d’autres éléments) lors de l’altération abiotique et bactérienne de micas afin d’identifier les deux processus majeurs (acidolyse et complexolyse) impliqués. Cette approche a permis de mettre en évidence des phénotypes d’altération en fonction du métabolisme et la compétence des souches bactériennes utilisées. L’étude menée avec les isotopes stables du Mg comme traceurs d’altération n’a pas montré de fractionnements signant chaque processus. Deux tendances ont pu cependant être mises en évidence et semblent accentuées lorsque la fraction de Mg lixivié augmente : (1) lorsquele processus dominant est l’acidolyse, le Mg lixivié en solution est enrichi en isotopes lourds par rapport à la composition isotopique de la phlogopite (2) lorsque le processus dominant est la complexolyse, le Mg lixivié en solution est enrichi en isotopes légers par rapport à la phlogopite. L’utilisation du modèle dans la seconde partie de ces travaux a permis de montrer que le potentiel d’altérationdes silicates par les communautés bactériennes dépend de leur origine et en particulier des teneurs en matière organique et en nutriments (cations échangeables) des horizons de sols échantillonnés. Deux stratégies d’altération des silicates par ces communautés ont pu être mises en évidence : (1) les communautés bactériennes isolées des horizons riches en MO libèrent peu d’acides organiques, mais très complexants. Elles ont un métabolisme lent (= stratégie K) et très efficace, permettant une libération importante de fer, (2) les communautés isolées d’horizons pauvres en MO libèrent beaucoup d’acides organiques avec un faible pouvoir complexant. Leur métabolisme rapide (= stratégie r) favorise la formation de nouvelles cellules, mais pas une libération efficace du fer.Pour conclure, l’approche interdisciplinaire proposée dans ce travail permet d’identifier et de caractériser les processus d’altération de phyllosilicates par des bactéries ou des communautés hétérotrophes du sol dans différents environnements. Elle offre un outil d’identification fonctionnel original et prometteur pour évaluer la qualité des sols naturels ou suivre la restauration des sols anthropisés.

PAHs are present in many industrial wasteland soils. Their remediation using biological techniques remains limited because of their low availability. This work identifies some of the factors controlling this availability in soil and proposes management strategies able to modify it, focusing on plant assisted treatment. First, we have shown that PAHs availability can be estimated by a 30 hours extraction using a Tenax® resin. The analysis of PAHs availability for three wasteland soils showed that the size of black carbon particles, which is the main PAHs reservoir, and the aggregation intensity are the two main availability controlling factors. Laboratory experimentation also showed that this availability can be influenced by rhizosphere parameters. Acidification of a calcareous soil, in dissolving the carbonated cement, can increase PAHs availability by desaggregation. Soil alkalinisation, in decreasing sorption forces between PAHs and the solid matrix, may also increase availability. Citric acid has an effect even more pronounced than the pH alone. Its chelating properties can increase PAHs availability by 40%. Some of these laboratory results have been confirmed by in situ experiments. Indeed, a white lupine culture was able to increase anthracene dissipation for one of the tested wasteland soil over a 5 months period, Les HAP contaminent de nombreux sols de friches industrielles. Leur dissipation par biodégradation est limitée par leur faible disponibilité. Nous avons étudié les facteurs contrôlant cette disponibilité dans les sols ainsi que les variables rhizosphériques qui la font varier. Nous avons préalablement défini que la disponibilité des HAP pouvait être estimée par une extraction en 30 heures sur une résine adsorbante, le Tenax®. Ce protocole a permis de comparer la disponibilité dans trois sols de friche et de déterminer les facteurs de contrôle de celle-ci. Le premier facteur est le diamètre des particules de black carbon qui sont la matrice porteuse de HAP. Ensuite, l'intensité d'agrégation par l'intermédiaire de ciments carbonatés est le deuxième facteur de contrôle important de la disponibilité des HAP. Des expériences de laboratoire ont montré que la disponibilité des HAP peut être influencée par des variables rhizosphériques. Ainsi, l'acidification d'un sol calcaire permet la dissolution des ciments carbonatés et augmente la disponibilité des HAP du fait de la désagrégation. L'alcalinisation quant à elle, augmente la disponibilité en diminuant les forces de sorption et parfois en décondensant la phase organique porteuse de HAP. En plus de son rôle acidifiant, l'acide citrique par ses propriétés complexantes permet d'augmenter la disponibilité des HAP de 40%. Les paramètres modifiés artificiellement au laboratoire ne sont pas toujours aussi facilement contrôlable in situ. Dans des expériences de terrain, nous avons vu qu'une alcalinisation artificielle du sol entraînait l'accroissement de la vitesse de dissipation des HAP. La culture de lupin blanc connu pour exsuder de l'acide citrique dans sa rhizosphère, a permis l'augmentation significative de la dissipation de l'anthracène, résultat très encourageant compte-tenu de la courte durée de culture et la relative phytotoxicité des sols étudiés

The use of wood in a cement material gives interesting properties to composites. However, dimensional instability and setting delay are two major problems. The aim of this work is to understand the interaction mechanism between wood and cement. We studied the influence of wood fiber and heat treated wood fiber on cement hydration. As wood chemical composition affects cement setting, data were first collected regarding wood species used (poplar) : hygroscopic properties, structural analysis, chemical analysis of the wood aqueous extracts and influence of thermal treatment on these properties.Wood fibers alter mainly hydration of silicate phases. High inhibition occurs on portlandite and CSH precipitation. These phenomena are due to the lack of hydroxide ions in the void solution. Ettringite is stabilized and her conversion into monosulfoaluminate is delayed by wood. Total dissolution of anhydrous cement is not affected by wood.The alkali media, imposed by cement, degrade hemicellulose, amorphous cellulose and lignin which induces a high production of organic acids in the void solution. They delay much more cement hydration than extractives do, L'utilisation de bois dans une matrice cimentaire confère des propriétés intéressantes aux composites. L'importance des variations dimensionnelles et des retards de prises du matériau sont deux problèmes majeurs. Le but de ce travail était de mieux comprendre les mécanismes d'interaction entre le bois et le ciment. Nous avons étudié l'influence, de la fibre de peuplier naturel et de la fibre de peuplier stabilisée dimensionnellement par traitement thermique, sur l'hydratation du ciment. Compte tenue du rôle de la composition chimique de bois sur la prise du ciment, l'étude a été consacrée à l'obtention de données concernant l'essence utilisée (peuplier) : propriété hygroscopique, analyse structurale, analyse chimique des extraits aqueux et influence du traitement thermique sur ces propriétés.La fibre végétale modifie essentiellement l'hydratation des phases silicatés. Une forte inhibition de la précipitation de la portlandite et des CSH est apparue. Cette dernière provient d'un déficit d'ions hydroxydes dans la phase interstitielle. En présence de bois, l'ettringite est stabilisée et sa conversion en monosulfoaluminate retardée. Il est apparut que le bois ne modifiait pas la dissolution totale des grains anhydres.Le milieu alcalin, imposé par le ciment, dégrade les hémicelluloses, les parties amorphes de la cellulose et les lignines du peuplier. Il en résulte une forte production d'acides organiques dans la phase interstitielle. Ces derniers présentent un effet retard sur l'hydratation nettement supérieur à celui généré par les extractibles.