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Cette étude repose sur une analyse comparative des distributions d’éléments traces (ET) dans les podzols de deux forêts adjacentes qui se distinguent principalement par leur régime de perturbation. La forêt du site de l’Île a été protégée des perturbations majeures pendant plusieurs siècles, tandis que le site du Versant a subi un feu majeur il y a 100 ans. Bien qu’ils aient évolué à partir du même matériel parental et sous les mêmes conditions climatiques et topographiques, les sols de ces deux sites présentent des différences marquées au niveau de leur morphologie et de leurs propriétés chimiques. Notamment, le sol de l’Île, qui est dominée par des conifères, a un pH significativement plus faible dans l’entièreté du profil, un horizon B podzolique qui contient significativement plus d’oxydes de fer cristallin et des horizons organiques quatre fois plus épais en comparaison au sol du Versant, un peuplement de feuillus. L’objectif de ce projet de recherche était alors de démontrer comment les différentes conditions biogéochimiques affectent la rétention et la mobilisation des ET et plus spécifiquement, comment l’âge des forêts affecte le cycle des ET à travers son influence sur la pédogénèse. Dans chacun des deux sites, quatre pédons ont été creusés puis tous leurs horizons de sol ont été échantillonnés (total de 79 échantillons) afin de mesurer leurs concentrations extraites à l’acides et solubles dans l’eau en As, Cd, Cu, Pb, V et Zn. Les différences majeures entre les deux sites se trouvaient surtout dans les horizons organiques, où les concentrations totales de tous les ET étaient significativement plus élevées sur le Versant. Un cyclage biologique accru sur le Versant, par la présence de feuillus, dont Betula alleghaniensis, explique en partie les concentrations élevées dans la couche d’humus, particulièrement pour le Cd, le Cu et le Zn, dont les concentrations étaient jusqu’à 5 fois plus élevées dans l’horizon F du Versant. Cependant, le pourcentage d’ET en solution était significativement plus élevé sur l’Île pour tous les ET, à l’exception de l’As. Le très faible pH de l’Île a contribué à la mobilisation de ces ET. La rétention de Cd et de Zn était plus sensible à la variation de pH que les autres ET. Une quantité significative de Zn a été lessivée en dehors du profil de la forêt non-perturbée, car le stock total du profil de sol en Zn (mg/m2 par cm d’épaisseur) y est 4.5 fois plus faible que sur le Versant. Cette étude soulève l’impact direct et indirect de la dynamique de la végétation sur la pédogénèse et sur le cycle des ET dans les podzols., This study is based on a comparative analysis of the distribution of trace elements (ET) in the podzolic soils of two adjacent forested sites that distinguish themselves based on their disturbance regime. The Island site was sheltered from major disturbances for several centuries, whereas a stand-replacing wildfire burned the area 100 years ago on the Hillslope site. Even though the soils of both sites developed from the same parent material and under the same climatic and topographic conditions, they display major morphological and chemical differences. The Island is a coniferous stand that has a significantly lower soil pH through the entire profile, a podzolic B horizon that contains significantly more crystalline iron oxide and organic horizons that are four times thicker than at the Hillslope, a deciduous stand. The objective of this research is to demonstrate how different biogeochemical conditions affect the retention and mobilisation of TE and more specifically how stand age influences the cycling of TE in soils through its impact on pedogenesis. In each site, four soil profiles were dug and all their horizons were sampled (total of 79 samples) in order to measure their acid-extracted and water-soluble concentrations of As, Cd, Cu, Pb, V and Zn. Major differences between the two sites are mainly found in organic horizons, where acid-extracted TE concentrations were significantly greater on the Hillslope. The enhanced biocycling caused by deciduous trees including Betula alleghaniensis contributed to the high concentrations in the humus layer of the Hillslope, especially of Cd, Cu and Zn, which were 5 times higher in the F horizon compared to the Island. Also, a higher percentage of TE was soluble on the Island for all TE, except for As. The solubilisation of TE was associated to the low soil pH of the older stand. Cd and Zn retention were more sensible to pH variation than other TE. A significant quantity of Zn was leached outside of the soil profile on the Island since the summed Zn content of the entire profile (mg Zn /m2 surface /cm thickness) was 4.5 times lower than on the Hillslope. This study highlights the direct and indirect impacts of vegetation on soil genesis and TE cycling in podzols.

The irrigation schedule in arid areas has to be efficient in order to reduce losses due to evaporation and deep infiltration. Irrigation optimization poses the need to establish with precision the value of actual evapotranspiration (ETa), and the crop coefficient (Kc). The water soil availability can be increased using hydrogel and organic matter amendments, and their effects could vary ETa and Kc. The aim of this study was to determine the ETa, and Kc of an experimental site with lysimeters on the Spanish Mediterranean coast cropped with a turf grass variety, Agrostis stolonifera ‐L‐93, under field conditions, and amended with hydrogel and organic matter. Reference evapotranspiration (ET0) was determined from meteorological data (FAO‐Penman‐Monteith equation). ETa was calculated from the water balance, and Kc was obtained by dividing ETa by ET0. Kc was calculated and compared on a yearly, monthly and daily basis. In summer, the differences between amendments become manifest:Unamended lysimeter (100% sand) had Kc values (0.92‐1.16), similar to organic matter amended lysimeter (0.99‐1.17). Maximum and minimum Kc values for the hydrogel amended lysimeters (1.04‐1.52) were higher than those from the other because of the ability of this compound to retain water, which facilitated evapotranspiration. Finally, hydrogel helped to maintain the turf grass quality.

Litter-feeding soil animals are notoriously neglected in conceptual and mechanistic biogeochemical models. Yet, they may be a dominant factor in decomposition by converting large amounts of plant litter into faeces. Here, we assess how the chemical and physical changes occurring when litter is converted into faeces alter their fate during further decomposition with an experimental test including 36 combinations of phylogenetically distant detritivores and leaf litter of contrasting physicochemical characteristics. We show that, across litter and detritivore species, litter conversion into detritivore faeces enhanced organic matter lability and thereby accelerated carbon cycling. Notably, the positive conversion effect on faeces quality and decomposition increased with decreasing quality and decomposition of intact litter. This general pattern was consistent across detritivores as different as snails and woodlice, and reduced differences in quality and decomposition amongst litter species. Our data show that litter conversion into detritivore faeces has far-reaching consequences for the understanding and modelling of the terrestrial carbon cycle., By performing an ecologically relevant experiment with variety in litter composition and detritivore species, Joly et al. find that litter conversion into faeces has a profound effect on organic matter lability and decomposition. These findings have implications for biogeochemical models of carbon cycling.

International audience; The potential contributions of exogenous organic matters (EOMs) to soil organic C and mineral N supply depend on their C and N mineralization, which can be assessed in laboratory incubations. Such incubations are essential to calibrate decomposition models, because not all EOMs can be tested in the field. However, EOM incubations are resource-intensive. Therefore, easily measurable EOM characteristics that can be useful to predict EOM behaviour are needed. We quantified C and N mineralization during the incubation of 663 EOMs from five groups (animal manures, composts, sewage sludges, digestates and others). This represents one of the largest and diversified set of EOM incubations. The C and N mineralization varied widely between and within EOM subgroups. We simulated C and N mineralization with a simple generic decomposition model. Three calibration methods were compared. Individual EOM calibration of the model yielded good model performances, while the use of a unique parameter set per EOM subgroup decreased the model performance, and the use of two EOM characteristics to estimate model parameters gave an intermediate model performance (average RMSE-C values of 32, 99 and 65 mg C g(-1) added C and average RMSE-N values of 50, 126 and 110 mg N g(-1) added N, respectively). Because of the EOM variability, individual EOM calibration based on incubation remains the recommended method for predicting most accurately the C and N mineralization of EOMs. However, the two alternative calibration methods are sufficient for the simulation of EOMs without incubation data to obtain reasonable model performances.

Micrometeorites are submillimeter extraterrestrial particles that represent the major source of interplanetary material accreted by the Earth each year. The analysis of micrometeorites allows to study the diversity of small bodies of the solar system (asteroids and comets). This thesis is about the study of micrometeorites from the Concordia collection, developed over the last 20 years thanks to a program carried out at the Dome C station (Antarctica). The first part of the work presented concerns a quantitative study of the flow of interplanetary matter arriving on Earth. The study based on more than 2000 micrometeorites from the Concordia collection shows that the flux of micrometeorites is ~10 μg/m²/year, which corresponds to a global annual flux of 5200 ± 1500 tons on our planet. The obtained results allow to better constrain the mass distributions of the particles in the size range below 300 μm and their comparison with the theoretical predictions indicate that the majority of the particles have most probably a cometary origin. The second part of the presented work concerns the study of a rare type of micrometeorites, rich in organic matter: the Ultra-Carbonaceous Antarctic MicroMeteorites (UCAMM). Isotopic analysis of UCAMMs by nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) reveals isotopic heterogeneities in H, N and C of the organic matter of UCAMMs at the scale of several microns. The third part presents experiments of ice irradiations by heavy ions, carried out with the IGLIAS device during three experimental sessions at the Large Heavy Ion National Accelerator (GANIL). These experiments have simulated the interaction of the Galactic cosmic rays on mixtures of nitrogen- and carbon-rich ices at low temperature (10K). A solid organic residue is obtained after sublimation of the volatile species at the end of the irradiation of the ice film. The results obtained show that isotopic heterogeneities present in initially adjacent layers of irradiated ice can be transmitted to the organic residue produced. NanoSIMS ion imaging analysis of the organic residue shows the formation of isotopic heterogeneities in the organic residue, which are comparable to those observed in UCAMMs. These isotopic heterogeneities depend on the chemical nature of the irradiated ice mixture. All the results obtained on UCAMMs and the irradiation experiments carried out at GANIL are put in perspective and compared to data on other interplanetary materials of asteroidal and cometary origin. The work carried out confirms that these exceptional interplanetary particles most probably come from the surface of icy bodies, rich in nitrogen, having evolved in the outer regions of the solar system. They confirm that the isotopic signatures in light elements (H, N and C) of UCAMMs can, in part, be inherited from gaseous parent reservoirs present in the protoplanetary disk. Finally, I will present possible future studies on UCAMMs to better constrain the surface composition of icy bodies present at large heliocentric distances., Les micrométéorites sont des particules extraterrestres submillimétriques qui représentent la majeure source de matière interplanétaire accrétée par la Terre chaque année. L’analyse des micrométéorites permet d’étudier la diversité des petits corps du système solaire (astéroïdes et comètes). Cette thèse porte sur l’étude de micrométéorites provenant de la collection Concordia, constituée depuis 20 ans grâce à un programme réalisé auprès de la station de Dôme C (Antarctique). La première partie du travail présenté porte sur une étude quantitative sur le flux de matière interplanétaire arrivant sur Terre. L’étude basée sur plus de 2000 micrométéorites de la collection Concordia montre que le flux de micrométéorites est de ~10 μg/m²/an, qui correspond à un flux global annuel de 5200 ± 1500 tonnes sur l’ensemble de notre planète. Les résultats obtenus permettent de mieux contraindre les distributions en masse des particules dans le domaine en taille inférieure à 300 μm et leur comparaison avec les prévisions théoriques indiquent que la majorité des particules ont très probablement une origine cométaire. La seconde partie du travail présenté porte sur l’étude d’un type rare de micrométéorites, riches en matière organique : les micrométéorites antarctiques ultra-carbonées (UCAMM - Ultra-Carbonaceous Antarctic MicroMeteorites). L’analyse isotopique par spectrométrie de masse des ions secondaires à résolution nanométrique (NanoSIMS) révèle des hétérogénéités isotopiques en H, N et C de la matière organique des UCAMMs à l’échelle de plusieurs microns. La troisième partie présente des expériences d’irradiations de glaces par des ions lourds, menées à l’aide du dispositif IGLIAS durant trois sessions expérimentales auprès du Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL). Ces expériences ont permis de simuler l’interaction du rayonnement cosmique Galactique sur des mélanges de glaces azotées et carbonées à basse température (10K). Un résidu organique solide est obtenu après sublimation des espèces volatiles à la fin de l’irradiation du film de glace. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible de transmettre au résidu organique produit des hétérogénéités isotopiques présentes dans des couches initialement adjacentes de glaces irradiées. L’analyse par imagerie ionique NanoSIMS des résidus organiques montre la formation d’hétérogénéités isotopiques dans le résidu organique, qui sont comparables à celles observées dans les UCAMMs. Ces hétérogénéités isotopiques dépendent de la nature chimique du mélange de glaces irradiées. L’ensemble des résultats obtenus sur les UCAMMs et les expériences d’irradiation menées à GANIL sont mis en perspective et comparés aux données sur d’autres matériaux interplanétaires d’origine astéroïdale et cométaire. Les travaux menés confirment que ces particules interplanétaires exceptionnelles proviennent très probablement de la surface de corps glacés, riches en azote, ayant évolués dans les zones externes du système solaire. Ils confirment que les signatures isotopiques en éléments légers (H, N et C) des UCAMMs peuvent, en partie, être héritées de réservoirs parents gazeux présents dans le disque protoplanétaire. Je présenterai enfin de futures études possibles sur les UCAMMs permettant de mieux contraindre la composition de la surface des corps glacés présents à de grandes distances héliocentriques.

In the soil, the living take over. Interview conducted and edited by Bernard Paillard For biologists, the soil terminates where the rock prevails, in a layer where life thrives. Bacteria, fungi, and, to a lesser extent, the small soil fauna (pedofauna) play a considerable role. They take control of the physico-chemical processes they accelerate : by decomposing rocks, they produce soils, shape, organize and stabilize them. They even preside over their evolution. They elaborate the nourishing components of the plants, nitrogen, phosphate, etc. Decomposing these organic materials, they recycle them, making them assimilable once more. Our societies are accountable for pass soils in good condition on to future generations. It is crucial to become aware that humans are absolutely incapable of producing what has resulted from interactions and interdependencies between living beings over millennia., Dans le sol, les vivants prennent la main. Entretien réalisé et annoté par Bernard Paillard Pour le biologiste, le sol s’arrête là où commence la roche, dans une couche où l’on trouve en abondance de la vie. Les bactéries, les champignons et, dans une moindre mesure, la petite faune terricole (pédofaune) y jouent un rôle considérable. Ils prennent la main sur les processus physico-chimiques qu’ils accélèrent : décomposant les roches, ils produisent les sols, les façonnent, les organisent et les stabilisent. Ils président même à leurs évolutions. Ils élaborent les composants nourriciers des plantes, azote, phosphate, etc. Décomposant ces matières organiques, ils les recyclent, les rendant de nouveau assimilables. Nos sociétés ont la responsabilité de transmettre en bon état leurs sols aux générations futures. Elles doivent prendre conscience que les humains sont incapables de produire ce qui résulte d’interactions et d’interdépendances entre vivants durant des millénaires., En el suelo, los hacen todo el trabajo. Entrevista realizada y anotada por Bernard Paillard Para el biólogo, el suelo termina donde comienza la roca, en una capa donde hay abundancia de vida. Las bacterias, los hongos y, en menor medida, la pequeña fauna del suelo (pedofauna) desempeñan un papel considerable. Se hacen cargo de los procesos físico-químicos y los aceleran : al descomponer las rocas, producen suelos, los modelan, organizan y estabilizan. Incluso gobiernan su evolución. Elaboran los nutrientes de las plantas, nitrógeno, fosfato, etc. Descomponiendo estos materiales orgánicos, los reciclan, haciéndolos asimilables de nuevo. Nuestras sociedades son responsables de transmitir sus suelos en buen estado a las generaciones futuras. Deben ser conscientes de que los humanos son incapaces de producir algo que resulta de milenios de interacción e interdependencia entre los seres vivos., Selosse Marc-André. Dans le sol, les vivants prennent la main. Entretien réalisé et annoté par Bernard Paillard. In: Communications, 110, 2022. Vivantes interactions. pp. 41-55.

Plastics are the third most-produced material on Earth and a significant proportion (>25%) ends up in the environment. To elucidate the risks that this contamination can cause, it is necessary to track the sources, transport pathways, and sinks of plastic debris in the environment. This has proven difficult since plastic degrades into particles that are too small to sample and quantify. In particular, nanoplastics (, Résumé : Les plastiques sont le troisième matériau le plus produit sur Terre et une importante fraction (>25%) se retrouve dans l'environnement. Pour évaluer les risques liés aux débris plastiques, il est nécessaire de comprendre les sources, et les mécanismes de transport et d’accumulation des débris plastiques dans l'environnement. Ceci s'avère difficile car le plastique se dégrade en particules qui sont trop petites pour être échantillonnées et quantifiées. En particulier, les nanoplastiques (< 1 μm), qui sont des particules colloïdales, pourraient constituer une fraction importante du budget global de débris plastiques. L’objectif de ce travail est d’examiner les possibles lieux d’accumulation des nanoplastiques en étudiant des processus physicochimiques lors d’expérimentations. Une attention particulière a été accordée à la pertinence environnementale des modèles de nanoplastiques utilisés. D'abord, l'agrégation des nanoplastiques est étudiée car c’est un processus clé dans le transport des colloïdes. Ensuite, ce travail se focalise sur le transfert des nanoplastiques à travers deux interfaces environnementales. Celles-ci présentent des gradients physico-chimiques soupçonnés de contrôler le devenir des nanoplastiques : les milieux poreux (qui représentent des sols, sédiments et aquifères) et l'interface entre l'eau salée et la glace (qui représente l’interface eau de mer/banquise). Cette étude montre que les différents comportements des nanoplastiques modèles sont principalement attribuables à leurs tailles, formes et propriétés de surface qui influencent leurs comportements hydrodynamiques et leurs énergies d’interaction.

International audience

International audience

How to analyse a complex organic sample? This general question seems simple at first glance but requires a closer look at the notion of complexity to be able to understand and justify the means used to characterise it. In planetology, and more widely in astrophysics, all the observations and observables indicate that the matter that makes up extraterrestrial objects is composed of a mixture of various molecules, and this mixture is more or less diverse and dense depending on the object. Observations and models are routinely done to try to understand these objects and to constrain their evolutionary processes, or to try to investigate their origin.Characterising the molecular complexity of such objects requires state-of-the-art instruments, which are difficult to adapt to space industry constraints in order to be placed on a probe, and this requires that the object under study can be sampled. However, most objects of interest cannot be reached in a reasonable time. Therefore, another way to study these objects is needed: laboratory astrophysics. Many experiments attempt to simulate the objects and environments in which they evolve and analyse the evolution of matter subjected to these constraints. Part of the challenges of these experiments lies in the chemical characterisation of the samples, and more particularly in their molecular characterisation.As part of this thesis, we proposed to use high-resolution mass spectrometry (HRMS) and high-performance liquid chromatography (HPLC) to characterise complex organic samples. To do so, the entire analytical chain was studied, from the data acquisition to its use. Thus, we proposed an optimisation of the data acquisition in Orbitrap, as well as the systematic processing of the data resulting from the analysis done by ESI-HRMS as well as for the analysis done by LDI-ICR. Chromatography coupled with mass spectrometry is a powerful tool for accessing the molecular structure of samples and requires developing methods that are suited to the samples analysed. Therefore we offered two HPLC methods for sample analysis, which have been developed and validated for the analysis of complex samples. However, no currently available commercial software allowed for the unsupervised analysis of such samples. Software to allow the processing of this data has now been developed and allows the molecular diversity of samples to be revealed without supervision. The identification of the detected molecules is not an easy process since it then requires having all the possible isomers for each molecule detected as standards for reference. To reduce the number of possibilities, a tool for predicting retention times was proposed. This was based on knowledge of the physico-chemical properties of known compounds to predict their theoretical retention time on the methods used.Lastly, this work presents the application of all the developments carried out during these three years on a set of samples of synthetic atmospheric aerosol analogues modelling exoplanets of the super-Earth and mini-Neptunes type. From the analysis of their soluble matter to the comparison between soluble, insoluble, and total phase, analysis by mass spectrometry indicates a great diversity and important differences between samples. This indicates processes of formation and evolution related to the composition of the reactive mixture. Finally, chromatographic analysis of one of these samples indicates multiple isomers, some of which may be labelled as biological molecules, potentially involved in the process of the origin of life., Comment analyser un échantillon organique complexe ? Cette question générale semble simple de prime abord, mais requiert de s’intéresser de plus près à la notion de complexité afin de pouvoir comprendre et justifier les moyens utilisés pour la caractériser. En planétologie, et plus largement en astrophysique, l’ensemble des observations et observables indiquent que la matière qui compose les objets extraterrestres est composée d’un mélange de diverses molécules, et ce mélange est plus ou moins divers en fonction de l’objet. Observations et modélisations sont effectuées couramment pour tenter de comprendre ces objets et de contraindre leurs processus évolutifs.Caractériser la complexité moléculaire de tels objets nécessite des instruments de pointe, qui sont difficilement adaptables aux contraintes spatiales pour être placés sur une sonde, et cela requiert que l’objet étudié puisse être échantillonné. Or, la très grande majorité des objets d’intérêt ne peuvent pas être atteints dans un temps raisonnable. Dès lors, il faut un autre moyen d’étudier ces objets : c’est l’astrophysique de laboratoire. De nombreuses expériences tentent de simuler les objets et environnements dans lequel ils évoluent, et analysent l’évolution de la matière soumise à ces contraintes. Une partie des défis de ces expériences réside dans la caractérisation chimique des échantillons, et plus particulièrement dans leur caractérisation moléculaire.Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d’utiliser la spectrométrie de masse haute résolution (HRMS) et la chromatographie en phase liquide haute performance (HPLC) pour caractériser des échantillons organiques complexes. Pour se faire, l’ensemble de la chaine analytique a été étudiée, depuis l’acquisition des données jusqu’à leur exploitation. Ainsi, nous proposons une optimisation de l’acquisition des données en Orbitrap, ainsi que des systématiques de traitement des données issues des analyses effectuées ESI-HRMS ainsi que pour des analyses effectuées en LDI-ICR. La chromatographie couplée à la spectrométrie de masse est un outil puissant pour accéder à la structure moléculaire des échantillons, et nécessite de développer des méthodes qui soient adaptés aux échantillons analysés. Nous proposons ainsi deux méthodes HPLC pour l’analyse des échantillons, qui ont été développées et validées pour l’analyse d’échantillons complexes. Cependant, aucun logiciel commercial ne permet l’analyse non supervisée de tels échantillons : un logiciel qui permette le traitement de ces données a ainsi été développé et permet de révéler la diversité moléculaire des échantillons sans supervision. Mais l’identification des molécules ainsi détectées n’est pas un processus aisé puisqu’il nécessite alors de posséder l’ensemble des isomères possibles pour chaque molécule détectée. Pour réduire cet espace des possibles, un outil de prédiction des temps de rétention est proposé qui se base sur la connaissance des propriétés physico-chimiques de composés connus afin de prédire, pour ces mêmes composés, leur temps de rétention théorique sur les méthodes utilisées.Ce travail présente dans une dernière partie l’application de l’ensemble des développements effectués au cours de ces trois années sur un jeu d’échantillons d’analogue d’aérosols atmosphériques de synthèse modélisant des exoplanètes de type super-Terres et mini-Neptunes. Depuis l’analyse de leur matière soluble, jusqu’à la comparaison entre phase soluble, insoluble et totale, l’analyse par spectrométrie de masse indique une grande diversité et des différences importantes entre échantillons, indiquant des processus de formation et d’évolution directement liés à la composition du mélange réactif. Enfin, l’analyse par chromatographie d’un de ces échantillons indique de multiples isomères, dont certains pouvant être annotés comme étant des molécules biologiques, potentiellement impliquées dans le processus de l’origine de la vie.

In water treatment systems described as "nature-based solutions" the retention of suspended solids can lead to the formation of a surface deposit layer. Both from the point of view of its capacity to interact with the pollutants during its presence on the treatment unit, and during its reuse, notably in land application after curing, pollutants speciation within the deposits and their prossess of remobilization are questioned. The objectives of this work was to better describe the organo-mineral assemblage of these deposits and to provide a better understanding of the influence of colloidal phases on the remobilization of major and trace elements in order to be able to provide predictive models on the remobilization of pollutants from deposits subjected to pH variations. A vertical flow constructed wetland sludge deposit was subjected to different pH conditions and the colloidal phases were studied. Remobilization of organic colloidal phases was found to be particularly sensitive to pH changes. In the acidic pH range, small organic molecules (< 3 kDa) are predominantly remobilized from the deposits. For near-neutral and alkaline pH, large organic colloids (>30 kDa) prevail in solution. This release of organic matter seems to favor the remobilization of iron and aluminum oxides within organo-mineral colloids. The nature and quantity of the remobilized colloidal phases have a large influence on the release of major and trace elements from the constructed wetland’s sludge deposits. However, the affinity of the elements for these colloidal phases is also controlled by the chemical class of the element considered, its oxidation state and the pH of the solution. The use of these experimental data allowed the development and calibration of a multi-surface geochemical model able to reproduce the release and speciation of a wide range of elements (Fe, Al, P, Ca, Mg, Cu, Cd, Cr, Zn, Pb, As) retained within a reed filter sludge. Due to the high concentration of organic matter measured in the sludge and their importance in the release and speciation of elements, the modeling of metal complexation on organic matter by WHAM-ModelVII has been the subject of numerous experiments. The modeling tests combined with the ultrafiltration results allowed to obtain a ratio of active organic matter allowing to improve the prediction of the elemental concentrations. In order to evaluate the robustness of the methodology used on this first sludge, the modeling strategy was applied to other samples. The multisurface models developed in this thesis have all shown their efficiency in calculating the release of many elements whatever the pH conditions and despite very variable initial constitutions. The information provided by this thesis have been fundamental in understanding the risks associated with the emission of trace metals in particular. In time these models could therefore be part of the decision supporting tools available to managers of these solid deposits., Dans les systèmes de traitement des eaux qualifiés de « solutions fondées sur la nature » la rétention des particules en suspensions peut conduire à la formation d’une couche de dépôts de surface. Tant du point de vue de sa capacité à interagir avec les polluants lors de sa présence sur l’unité de traitement, que lors de sa réutilisation notamment en épandage après curage, la spéciation des éléments au sein de ces dépôts et les mécanismes de remobilisation des polluants interrogent. Ce travail avait pour objectifs de mieux décrire l’assemblage organo-minéral de ces matrices et de fournir une meilleure compréhension de l’influence des phases colloïdales sur la remobilisation d’éléments majeurs et traces afin de pouvoir fournir des modèles de prédictions sur la remobilisation de polluants des dépôts soumis à des variations de pH. Un dépôt de surface de filtre planté de roseaux à écoulement vertical a été soumis à différentes conditions de pH et les phases colloïdales ont été étudiées. La remobilisation de phases colloïdales organiques s’est montrée particulièrement sensible aux variations de pH. Dans la gamme de pH acide, de petites molécules organiques (< 3 kDa) sont majoritairement remobilisées des dépôts. Pour des pH proches de la neutralité et alcalins, les gros colloïdes organiques (> 30 kDa) prévalent en solutions. Ce relargage de matière organique semble favoriser la remobilisation d’oxydes de fer et d’aluminium au sein de colloïdes organo-minéraux. La nature et la quantité des phases colloïdales remobilisées exercent une large influence sur le relargage d’éléments majeurs et traces depuis les dépôts de filtre planté de roseaux. Cependant, l’affinité des éléments pour ces phases colloïdales est aussi contrôlée par la classe chimique de l’élément considéré, son état d’oxydation ainsi que le pH de la solution. L’utilisation de ces données expérimentales a permis le développement et la calibration d’un modèle géochimique multi-surfacique capable de reproduire la spéciation d’une large gamme d’éléments (Fe, Al, P, Ca, Mg, Cu, Cd, Cr, Zn, Pb, As) contenue au sein d’une boue de filtre planté et ainsi de reproduire le relargage de ces éléments. De par la concentration importante en matière organique mesurée dans la boue et leur importance dans le relargage et la spéciation des éléments, la modélisation de la complexation des métaux sur la matière organique par WHAM-ModelVII a fait l’objet d’un développement particulier. Afin d’évaluer la robustesse de la méthodologie employée sur cette première boue, la stratégie de modélisation a été appliquée à d’autres échantillons. Les modèles multisurfaciques développés dans cette thèse ont tous montré leur efficacité à calculer le relargage de nombreux éléments quel que soit les conditions de pH et malgré des concentrations initiales en élément majeurs et traces très variables.

Carbon is an essential component of plant biomass and soil organic matter which constitute the most important terrestrial sinks. It is generated in the soil generally by the decomposition of plants debris. The decomposition process is influenced by several biotic and abiotic factors. The aim of this study is to see the relationship between the 5 forest carbon sinks: soil, litter, herbaceous vegetation, trees and shrubs and the influence of the following factors (sand, silt, clay, density of fine particles and content of N, P, K, Ca, Mg, Fe, Na, Ec, CEC, pH, soil depth, slope, exposure, precipitation and altitude). The study was carried out on 50 sample plots in Nahr Beirut watershed. Data collection involves measuring trees and shrubs and sampling herbaceous vegetation, litter and soil from each plot. After fieldwork and data analysis in the laboratory, the results show on average that the MO% is 4.9%, the soil organic carbon is 54 tC ha-1, litter carbon is 5.9 tC ha-1, herbaceous carbon is 1.6 tC ha-1, trees and shrubs carbon is 85.1 tC ha-1. The results show a positive correlation between the MO% on one hand and the clay percentage (0.74), the silt percentage (0.49), the exchangeable Ca (0.820) on the other hand, and a negative correlation between the MO% on one hand and the percentage of sand (-0.78) and the mass of soil in t ha-1 (-0.62) in other hand. This thesis allowed to establish an allometric equation which estimates percentage of SOM by integrating the variables of the sand %, clay % and exchangeable Ca (ppm). (R2 = 0.678) estimates 68% of MO with an error of 1.326. We have spatialized the carbon stock of trees in forests of the watershed which is 859 000 tonnes, 436 000 tonnes in the pinewood stratum and 423 000 tonnes in the other types of forests stratum., Le carbone est un composant essentiel de la biomasse végétale et de la matière organique du sol qui constitue les plus importants puits terrestres. Il résulte dans le sol principalement par la décomposition des débris de végétaux. Ce processus de décomposition est influencé par plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. L’objectif de cette étude est d’analyser les relations entre les 5 stocks de carbone forestiers : le sol, la litière, la végétation herbacée, les arbres et les arbustes et l’influence de la localisation et des caractéristiques des stations et des sols. L'étude a porté sur 50 placettes d’échantillonnage dans le bassin versant de Nahr Beyrouth dans lesquelles les arbres et arbustes ont fait l’objet de mesures systématiques et où la végétation herbacée, la litière et le sol de chaque placette ont été systématiquement échantillonné. Les résultats des mesures sur le terrain puis des analyses de laboratoire montrent que le taux moyen de MO est de 4,9%, alors que l’importance des différents compartiments de stockage par ordre croissant est la suivante : la végétation herbacée (1,6 tC ha-1) la litière (5,9 tC ha-1), le sol (54 tC ha-1) puis les arbres et arbustes (85,1 tC ha-1). Afin d’expliquer les variations en MO des différentes placettes, les analyses statistiques montrent une corrélation positive entre la MO% d’une part et le taux d’argile (0,74), le taux de limon (0,49), la teneur en Ca échangeable (0,820) d’une autre part. Inversement, nous observons une corrélation négative entre la MO% d’une part et le taux de sable (-0,78) et la masse du sol en t ha-1 (-0,62) d’une autre part. Finalement, notre recherche propose d’établir une équation allométrique qui estime les taux de MO% en intégrant les variables de la litière, l’altitude, la pente, les précipitations moyennes, le taux de sables, de limon et d'argile, la masse du sol et la conductibilité. Cette équation présente une bonne corrélation entre les différents facteurs (R2 = 0,678) et estime 68% de MO avec une erreur de 1,326. Enfin, nous avons spatialisé le stock de carbone des arbres dans les forêts du BV qui est de 859 000 tonnes, 436 000 tonnes dans les formations à pins pignons et de 423 000 tonnes dans les autres types de forêts.

The objective of this thesis is the analysis of extraterrestrial dust collected in Antarctica: chondritic Antarctic micrometeorites (AMMs) and ultracarbonaceous micrometeorites (UCAMMs). Models predict that 80% of the dust that falls to Earth is of cometary origin. AMMs share many characteristics with the cometary dust reported by the Stardust space mission, and the characteristics of UCAMMs suggest formation at very low temperatures, far from the early sun. Micrometeorites therefore offer an opportunity to understand the mechanisms of cometary dust formation. UCAMMs are mostly composed of an organic matrix containing small mineralogical assemblages. The large amount of organic matter (OM) present in UCAMMs allows its analysis without using the classical extraction methods used to extract insoluble organic matter (IOM) from meteorites. Analyses of the AMMs by Raman and infrared microspectroscopy indicate a polyaromatic OM with a high degree of disorder, with characteristics close to those of the cometary grains reported by the Stardust mission. The variability of the OM spectral parameters is however more important for hydrated chondritic AMMs than for those without phyllosilicates. The mid- and far-infrared spectra show that the non-hydrated AMMs contain pyroxene and olivine silicates and that the aqueous phases of the hydrated AMMs are mainly phyllosilicates. Infrared and Raman analyses of the UCAMMs show a relatively large amount of nitrogen in the organic matter, and the occasional presence of nitrile groups. Spatially resolved X-ray transmission microscopy (STXM-XANES) analyses of the OM show the presence of 3 organic phases of distinct compositions within the UCAMM OM. The nitrogen present in the UCAMMs is carried by only one of these three phases, which has N/C atomic ratios up to 0.2. The inorganic phases contained in the UCAMMs were analysed by transmission electron microscopy. They exist as isolated phases, or as small mineral assemblages in the organic matrix, or as aggregates of different minerals, often cemented by a silicon-rich matrix. A mineral with a texture similar to that of a phyllosilicate was observed in one of the UCAMMs analysed. The similarity between the organic matter of UCAMMs and that of cometary particles suggests that these objects were formed in the outer regions of the protoplanetary disk. The joint presence of high-temperature-forming minerals and hydrated minerals within this organic matter implies a transport mechanism from the inner to the outer regions of the protoplanetary disk. The observation of a potential phyllosilicate in UCAMMs also raises the question of the possibility of aqueous alteration directly on cometary surfaces. However, the presence of hydrated phases within cometary material could also result from the accretion of already altered grains on a previous parent body. Micrometeorites in general thus offer a unique tool for the study of the asteroid-comet continuum highlighted since the return of the Stardust mission samples, and for a better understanding of the relationships between the different objects of the young solar system and the space weathering mechanisms they have undergone., L’objectif de cette thèse est l'analyse de poussières extraterrestres collectées en Antarctique : les micrométéorites antarctiques chondritiques (AMMs) et les micrométéorites ultracarbonées (UCAMMs). Les modèles prédisent que 80% de la poussière qui tombe sur Terre est d'origine cométaire. Les AMMs partagent de nombreuses caractéristiques avec les poussières cométaires rapportées par la mission spatiale Stardust, et les caractéristiques des UCAMMs suggèrent une formation à très basse température, loin du soleil primitif. Les micrométéorites offrent donc une opportunité de comprendre les mécanismes de formation des poussières cométaires. Les UCAMMs sont majoritairement constituées d'une matrice organique contenant de petits assemblages minéralogiques. La grande quantité de matière organique (MO) présente dans les UCAMMs permet son analyse sans faire usage des méthodes d'extraction classiques utilisées pour extraire la matière organique insoluble (IOM) des météorites. L'analyse des AMMs par microspectroscopie Raman et infrarouge indique une MO polyaromatique présentant un fort degré de désordre, avec des caractéristiques proches de celles des grains cométaires rapportés par la mission Stardust. La variabilité des paramètres spectraux de la MO est cependant plus importante pour les AMMs chondritiques hydratées que dans celles ne contenant pas de phyllosilicates. Les spectres dans l'infrarouge moyen et lointain montrent que les AMMs non hydratées contiennent des silicates de type pyroxènes et olivines et que les phases aqueuses des AMMs hydratées sont principalement des phyllosilicates. Les analyses infrarouge et Raman sur les UCAMMs montrent une quantité relativement importante d'azote dans la matière organique, et la présence ponctuelle de groupements nitriles. Des analyses de la MO résolue spatialement par microscopie X en transmission (STXM-XANES) montrent la présence de 3 phases organiques de compositions distinctes au sein de la MO des UCAMMs. L'azote présent dans les UCAMMs n'est porté que par une de ces trois phases, qui présente des rapports atomiques N/C allant jusqu'à 0,2. Les phases inorganiques contenues dans les UCAMMs ont été analysées par microscopie électronique en transmission. Elles existent comme phases isolées, ou sous forme de petits assemblages minéraux dans la matrice organique, ou comme d’agrégats de différents minéraux, souvent cimenté par une matrice riche en silicium. Un minéral présentant une texture similaire à celle d'un phyllosilicate a été observé dans une des UCAMM analysées. La similarité entre la matière organique des UCAMMs et celle des particules cométaires suggère une formation de ces objets dans les régions externes du disque protoplanétaire. La présence conjointe de minéraux se formant à haute température et de minéraux hydratés au sein de cette matière organique implique un mécanisme de transport des régions internes vers les régions externes du disque protoplanétaire. L'observation d'un phyllosilicate potentiel dans les UCAMMs soulève aussi la question de la possibilité d'altération aqueuse directement sur les surfaces cométaires. Cependant, la présence de phase hydratées au sein de matériel cométaire pourrait également résulter de l'accrétion de grains déjà altérés sur un précédent corps parent. Les micrométéorites en général offrent donc un outil unique pour l'étude du continuum astéroïde-comète mis en évidence depuis le retour des échantillons de la mission Stardust, et pour mieux comprendre les relations entre les différents objets du système solaire jeune ainsi que les mécanismes d'altération qu'ils ont subis.

Les barrages au fil de l’eau devraient tripler dans la prochaine décennie en réponse à la transition mondiale vers les énergies renouvelables. Or, contrairement aux barrages à réservoir dont les impacts sur le cycle du mercure (Hg) sont bien connus, très peu d’études ont évalué l’impact des barrages au fil de l’eau sur la mobilisation et la transformation du Hg en méthylmercure (MeHg), une neurotoxine bioaccumulable et bioamplifiable le long de la chaîne trophique. Malgré la surface limitée d’inondations créée par ces petits ouvrages comparés aux barrages avec réservoirs, les retenues d’eau créées en amont pourraient tout de même contribuer à créer des conditions propices à la méthylation du Hg. Cette étude a été conduite sur la rivière St.Maurice (QC, Canada) présente dans un paysage soumis à la construction récente de deux barrages au fil de l’eau et de milieux humides artificiels et à la présence concomitante de perturbations du paysage: un feu de forêt et de la coupe de bois. Les résultats montrent une augmentation du pourcentage de méthylmercure (%MeHg) de 2 à 3 fois dans les zones inondées comparées aux sites références ou en aval des barrages. De plus, une augmentation des concentrations en mercure total (THg) et en matière organique (MO) est observée dans ces mêmes zones inondées soumises aux perturbations du paysage. Cela suggère que les feux de forêt et la coupe de bois auraient contribué au transfert de MO lié au Hg en provenance du bassin versant vers la rivière, comme indiqué par la corrélation positive entre le ratio C/N et le % MeHg. L’accumulation de MO et Hg dans les retenues d’eau créées par les barrages au fil de l’eau seraient alors des lieux propices à la stimulation de la communauté procaryotique méthylatrice dont le gène marqueur hgcA a été détecté à tous les sites avec une composition très diverse, dominée par les méthanogènes, les sulfato-réducteurs et les fermenteurs dans ce système. A la lumière de ces résultats, nous proposons que les futures études concernant les barrages au fil de l’eau intègrent le paysage dans son ensemble et établissent un suivi des concentrations de Hg avant, pendant et après la construction., Run-of-river dams (RoRs) are expected to triple in the next decade in response to the global transition to renewable energy. However, unlike reservoir dams whose impacts on the mercury (Hg) cycle are well known, very few studies have evaluated the impact of RoRs on the mobilization and transformation of Hg into methylmercury (MeHg), a bioaccumulative and bioamplifiable neurotoxin along the trophic chain. Despite the limited area of flooding created by these small structures compared to reservoir dams, the pondages created upstream could still contribute to creating conditions conducive to the methylation of Hg. This study was carried out on the St. Maurice River (QC, Canada) located in a riverscape recently influenced by to the recent construction of two RoRs and artificial wetlands and to the concomitant presence of disturbances in the landscape. The results show an increase in the percentage of methylmercury (% MeHg) from 2 to 3 times in the flooded areas compared to the reference sites or downstream sites. In addition, an increase in total mercury (THg) and organic matter (MO) concentrations are observed in these same flooded areas subject to landscape disturbances: forest fire and logging. It suggests that forest fires and logging are contributing to the transfer of MO bound to Hg from the watershed to the river, as indicated by the positive correlation between the C / N ratio and % MeHg. The accumulation of MO and Hg in the pondages are likely favorable to the stimulation of the prokaryotic methylating community whose hgcA marker gene was detected at all sites with a very diverse composition, dominated by methanogens, sulfate-reducers and fermenters in this system. In the light of these results, we suggest that future studies on RoRs integrate the landscape as a whole and establish a monitoring of Hg concentrations before, during and after construction.