UPThèses

Ce travail a porté sur l'étude de la structure et, par conséquent, de la dynamique des bio(géo)macromolécules de la tourbière ombrotrophe de Frasne (Jura, France) par de nouvelles stratégies de dégradations chimiques. Une première partie a été consacrée à l'application de la méthode "Derivatization Followed by Reductive Cleavage" (DFRC) à la tourbe et aux substances humiques correspondantes. Impliquant la rupture des liaisons β-aryl éthers et affectant les motifs glycérols présents dans les biopolymères végétaux, elle permet l'analyse des monomères ligneux et des lipides macromoléculaires. Une comparaison avec les méthodes classiques d'analyse de la lignine, l'oxydation alcaline en présence d'oxyde de cuivre (II) et la thermochimiolyse en présence d'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH) a confirmé la capacité de la méthode DFRC à tracer la lignine dans différents sols et sédiments. Une seconde partie a tout d'abord porté sur la capacité de la thermochimiolyse préparative en présence de TMAH à analyser la cellulose et les sucres libres. Compte-tenu des différents mécanismes impliqués dans chaque procédé, elle apparaît comme une méthode complémentaire de l'hydrolyse acide, méthode courante pour l'analyse des sucres. Enfin, un nouveau procédé de thermochimiolyse multi-shot a été mis en place. Impliquant deux thermochimiolyses successives, la première en présence d'hexaméthyldisilazane à 300 °C et la seconde en présence de TMAH à 400 °C, il semble être un outil intéressant pour différencier certains composés "libres" de ceux plus intimement liés à la matrice organique complexe du sédiment étudié.

L'utilisation de carbone fossile à des fins énergétiques est une des principales causes d'émission de gaz à effet de serre. L'utilisation de sources d'énergie alternatives telles que les biocarburants permet de limiter ces émissions. La deuxième génération de biocarburants représente une perspective intéressante mais nécessite une étape d'hydrodésoxygénation très consommatrice en hydrogène. L'objectif de ce travail était de valoriser la biomasse lignocellulosique par un procédé original associant conversions biochimique (destructuration) et thermochimique (hydroliquéfaction catalytique). La matière organique a été caractérisée au cours de la destructuration par des techniques d'analyse physico-chimiques (DRIFTS, ATD/ATG), ainsi qu'à l'échelle moléculaire par des techniques couplées à la spectrométrie de masse (headspace, pyrolyses, thermochimiolyse). L'étude des biomarqueurs lipidiques a permis de montrer que l'activité biologique évolue rapidement avant de se stabiliser vers 36 jours. La biomasse lignocellulosique déstructurée a été convertie en biohuile par hydroliquéfaction catalytique. La température et le temps de réaction ont été optimisés. L'influence du solvant, du catalyseur et de la déstructuration ont été étudiés. Le fractionnement chimique (IHSS) a mis en évidence la part importante de la fraction réfractaire, "l'humine". Cette fraction semble être la plus intéressante pour la liquéfaction en termes de quantité et de qualité de biohuile formée.

Ce travail s'inscrit dans la lutte contre les changements climatiques et plus particulièrement la réduction de la concentration en CO2 atmosphérique. L'objectif est de comprendre les mécanismes de stabilisation du carbone dans les horizons profonds des sols. L'influence de la végétation, des minéraux et d'un apport de matière organique anthropique (compost) sur la dynamique du carbone a aussi été étudiée. Quatre sols représentatifs des principaux modes d'occupation (prairie, forêt et culture) ont été caractérisés. Dans les sols sous prairie et sous forêt, les apports de matière organique fraîche étant limités en profondeur, la quantité de matière organique diminue tout en devenant plus réfractaire. Son taux reste cependant élevé ce qui est probablement lié à la forte quantité d'argiles et à la diminution de l'activité biologique. Les différents modes d'occupation influencent la quantité de matière organique mais modifient peu sa qualité. En effet, si les taux de carbone et les quantités de lipides sont plus importants dans les sols cultivés que dans les sols à végétation permanente, l'étude structurale de la matière organique révèle peu de différences. Enfin, l'étude de la matière organique associée aux minéraux a montré un remaniement bactérien plus important dans les fractions granulométriques les plus fines. L'apport de matière organique sur un sol cultivé modifie l'activité biologique et entraîne une amélioration de la stabilité structurale. Le changement de répartition des différentes formes de matière organique associé à la présence de marqueurs moléculaires du compost dans les lipides et les substances humiques montre une incorporation du carbone exogène.

L'objet de ce travail a consisté en un suivi à la fois spatial et temporel de l'évolution des constituants organiques d'un compost de déchets verts et bio-déchets épandu sur un sol sous prairie. Trois quantités de compost ont été apportées sur le sol : 50, 100 et 150 t/ha. L'évolution de la matière organique des sols amendés a été étudiée après divers fractionnements chimiques et physiques. La dynamique spatiale de cette MO a été appréhendée par l'analyse de marqueurs moléculaires lipidiques contenus dans la matière organique dissoute. Les différents échantillons de sol ont été analysés de manière globale par analyse élémentaire, ATD-ATG et IRTF. Ces analyses ont mis en évidence une augmentation de la quantité de MO après apport de compost, mais également une meilleure conservation des lipides et des sucres lors d'épandages successifs des plus faibles doses. Cet apport de composés bio-disponibles favorise une augmentation de l'activité biologique dans le sol. Il en résulte un accroissement de la stabilité structurale du sol dès un an, probablement dû à l'agrégation des particules organo-minérales fines. D'autres différences lors de l'incorporation de la matière organique déchet ont été mises en évidence par l'étude des échantillons en thermochimiolyse (en présence de TMAH). En effet, les fractions granulométriques ont montré une incorporation préférentielle des composés issus du bois, après 7 mois, et des graminées après 13 mois. En ce qui concerne les substances humiques, le phénomène opposé a été observé dans les acides humiques et l'humine, alors que les acides fulviques ont montré essentiellement une MO dérivant des graminées.