1-Contexte et objectifs
La matière organique joue un rôle de premier plan dans les écosystèmes aquatiques compte tenu de la diversité des processus biogéochimiques dans lesquels elle est impliquée. Ce rôle dépend de sa teneur dans le milieu et de sa nature chimique. Mélange complexe et rapidement évolutif, la matière organique naturelle peut être d’origine allochtone (issue de plantes terrestres ou de l’érosion des sols) ou autochtone (production in situ de biomasse aquatique). D’autre part – c’est en particulier le cas en milieu fortement urbanisé – les activités humaines engendrent des apports importants de matière organique dans les systèmes aquatiques, provenant notamment des rejets de stations de traitement des eaux usées et des déversements accidentels d’eaux non traitées.
La présence de matière organique dans un milieu aquatique favorise l’activité bactérienne, qui peut consommer une proportion très significative du dioxygène dissout dans la colonne d'eau et conduire au phénomène d’hypoxie ([O2]dissout < 2 mg/L), avec des conséquences délétères pour la vie aquatique environnante. Des épisodes hypoxiques sont notamment régulièrement observées dans différentes zones de l’estuaire de la Loire [Schmidt et coll., 2019 ; Boukortt, 2024], en particulier en été en aval de Nantes. Ce phénomène, dont l’origine est multifactorielle, est très probablement pour partie dû aux fortes teneurs en matière organique labile, rapidement biodégradable, présente dans les effluents des stations d’épuration et dans les rejets urbains de temps de pluie [Even et coll., 2007 ; Lanoux et coll., 2013 ; Lajaunie-Salla et coll., 2017].
L’objectif de ce projet doctoral sera de quantifier et de déterminer l’origine (anthropique ou naturelle) et la biodégradabilité de la matière organique présente dans des échantillons d’eau prélevés dans la partie estuarienne de la Loire influencée par la métropole nantaise. D’autres échantillons seront également prélevés en sortie de station d’épuration ainsi que dans des petits cours d’eau urbains qui se jettent dans la Loire au niveau de l’agglomération nantaise, et qui pour certains peuvent recevoir d’importants déversements d’eaux non traitées lors d’événements pluvieux majeurs [Nantes Métropole, 2023]. En combinant caractérisation de la matière organique et expériences d’incubation permettant de mesurer l’évolution temporelle de la teneur en dioxygène dissout dans ces échantillons, la relation entre la quantité / nature de la matière organique et la concentration en dioxygène dissous dans la colonne d'eau sera établie. On s’attachera en particulier à évaluer l’impact de la matière organique anthropique issue des effluents urbains sur la cinétique de décroissance de [O2]dissout. Les relations obtenues seront ensuite intégrées dans un modèle biogéochimique simplifié de la colonne d’eau, couplé à une modélisation unidimensionnelle du fonctionnement hydrodynamique de l’estuaire de la Loire.
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Ce projet doctoral s’inscrit dans le contexte général qui suit : l’impact des rejets urbains de temps de pluie sur la qualité de l’eau des estuaires ira probablement croissant durant les prochaines décennies, en particulier en été. La température moyenne de l’eau sera en effet plus élevée, la salinité de ces masses d’eau va augmenter sous l’effet de la montée du niveau de la mer et les débits d’étiage vont très probablement décroître. D’autre part, il est possible que les événements pluvieux estivaux intenses soient de plus ou plus fréquents et/ou intenses. Ainsi, la solubilité du dioxygène dissout va diminuer, le volume des rejets urbains de temps de pluie va probablement augmenter en période estivale et ils vont se déverser dans des masses d’eau dont la capacité de dilution sera vraisemblablement moindre qu'à l'heure actuelle. Ces rejets contiennent en particulier beaucoup de matière organique d’origine anthropique, facilement biodégradable, qui peut contribuer à déclencher des épisodes hypoxiques.
Les résultats issus de ce projet doctoral permettront d’évaluer, en temps présent, sur un cas d’étude (la Loire estuarienne), l’impact des rejets urbains de temps de pluie sur la désoxygénation d’un milieu estuarien soumis à une forte pression anthropique et pourront par la suite être utilisés pour étudier la vulnérabilité du système assainissement / milieu estuarien anthropisé dans un contexte de changement climatique, qui est l’un des enjeux ciblés par la DERU2 (révision de la directive-cadre européenne sur les eaux résiduaires urbaines). Ce projet doctoral entretient par ailleurs des liens étroits avec un projet de recherche financé par l'ANR, EstUrbi, dont les membres de l’équipe d’encadrement de ce projet de thèse font partie (P.-E. Peyneau comme porteur, G. Maillet comme responsable de tâche et E. Metzger comme participant), focalisé sur l’impact des apports de matière organique anthropique issus des rejets urbains de temps de pluie sur la Loire estuarienne, en temps présent et futur.
2-Verrous scientifiques
Le travail du ou de la doctorante permettra de relever les défis suivants :
· Quantifier le carbone organique dissout et le carbone organique particulaire dans les eaux prélevées, tout en précisant l’origine et la biodégradabilité de la matière organique, à l’aide d’une méthode simple, robuste et rapide ;
· Etablir le lien existant entre la quantité et la nature de la matière organique dans les eaux de l’estuaire de la Loire et l’évolution de la concentration en dioxygène dissout dans la colonne d’eau ;
· Proposer une modélisation simple, couplant fonctionnement hydrodynamique de la Loire et modélisation biogéochimique de la colonne d’eau, et intégrant les apports ponctuels en matière organique issue des rejets urbains de temps de pluie.
3-Déroulement de la thèse
3.1 Démarche de travail
Ce projet doctoral comportera trois volets distincts, qui correspondent aux trois défis listés dans la section 2.
Le premier volet (de T+3 à T+15) sera consacré à la quantification des teneurs en carbone organique dissout (COD) et en carbone organique particulaire (COP) dans les échantillons d’eau qui seront prélevés. Il s’agira également de préciser l’origine et d’évaluer la labilité de la matière organique correspondante. La quantification des teneurs en COD et COP ne pose pas de problème particulier et s’effectue traditionnellement par COT-métrie. Des essais classiques (demande chimique en oxygène DCO et demande biologique en oxygène DBO5) permettent quant à eux d’estimer la biodégradabilité de la matière organique. La détermination de l’origine de la matière organique est en revanche plus délicate. Néanmoins, de nombreuses études montrent que la spectrofluorescence est une technique intéressante à cet égard [Goffin et coll., 2025] : méthode particulièrement sensible – avantage indéniable compte tenu du taux de dilution des effluents urbains dans la Loire – rapide et peu onéreuse, elle repose sur la fluorescence de la matière organique dissoute (MOD) présente dans les échantillons. La nature des signaux obtenus étant fonction de l’origine de la MOD [Coble, 1996], la mesure du spectre de fluorescence 3D (matrice d’excitation-émission) suivie d’un traitement PARAFAC – méthode chimiométrique couramment employée dans le domaine de la spectrofluorescence – permet de déconvoluer le signal mesuré et de déterminer ses différentes composantes [Murphy et coll., 2013]. Le nombre de fluorophores déterminés par une analyse PARAFAC dépend du site considéré et les paires de longueurs d’onde excitation/émission ne sont pas nécessairement les mêmes d’un site à l’autre. Un travail dédié, focalisé sur l’estuaire de la Loire, ses affluents soumis à une forte pression anthropique et les effluents qui y sont rejetés, est donc requis pour établir les paires de longueur d’onde associées à des fluorophores qui constituent des marqueurs des rejets urbains de temps de pluie pour le cas d’étude considéré. Le spectre de fluorescence d’un échantillon constitue en outre un bon proxy pour un certain nombre de paramètres tels que le COD, la DBO5 [Goffin et coll., 2018] et la DCO [Goffin et coll., 2019] ; associé à une mesure de turbidité, il permet également d’estimer la teneur en COP. Après une calibration préalable, les seules données spectrofluorimétriques et turbidimétriques pourraient dont se révéler suffisantes pour estimer convenablement les teneurs en COD et en COP : le ou la doctorante s’assurera que c’est effectivement le cas pour le cas d’étude considéré.
Le second volet (de T+12 à T+24) de ce projet doctoral concerne l’établissement de la relation existant entre matière organique issue des rejets urbains de temps de pluie et évolution de la teneur en dioxygène dissout dans la colonne d’eau. Deux types d’approches seront mises en œuvre :
· Incubations en laboratoire : suivi temporel de la teneur en dioxygène dans un réacteur maintenu à température constante (20 °C) contenant de l’eau prélevée dans la Loire, saturée en dioxygène dissout avant le démarrage du suivi. Mesure de la matrice d’excitation-émission des échantillons avant et après incubation afin de déterminer l’influence de l’origine de la matière organique (un suivi à haute fréquence de la fluorescence 3D à l’aide d’un spectrofluorimètre de paillasse connecté à l’incubateur au moyen d’une sonde à fibre optique pourrait également être envisagé).
· Campagnes expérimentales en Loire estuarienne : le doctorant pourra profiter des campagnes mobilisant des moyens nautiques qu’organise régulièrement le GIP Loire Estuaire pour collecter des données dans la colonne d’eau (transects tous les 3-4 points kilométriques le long du chenal) à l’aide d’une sonde multi-paramètres permettant d’établir les profils verticaux de salinité, turbidité, température et teneur en dioxygène dissout. Des bouteilles de prélèvement de type « Niskin » seront également utilisées pour échantillonner dans la colonne d’eau à différentes profondeurs.
Une fois cerné le rôle de la matière organique d’origine anthropique sur la désoxygénation d’un prélèvement d’eau, le troisième volet (de T+15 à T+33) de ce travail sera consacré à l’implémentation des relations obtenues dans un modèle biogéochimique de la colonne d’eau. Par ailleurs, dans un milieu dynamique tel qu’un estuaire, l’eau présente en un point donné ne constitue pas un système fermé analogue à celui pouvant être étudié par le biais d’expériences de laboratoire en incubateur, mais un milieu largement ouvert, sous influence de l’amont (débit du cours d’eau) ou de l’aval (marées). Le temps de résidence de l’eau joue ainsi un rôle crucial. Il s’agira donc de coupler le modèle biogéochimique retenu à un modèle simplifié (unidimensionnel) du fonctionnement hydrodynamique de l’estuaire de la Loire, capable de prendre en compte les différentes sources de matière organique d’origine anthropique véhiculée par les rejets urbains de temps de pluie de la métropole nantaise. L’intérêt que revêt une modélisation simplifiée, unidimensionnelle, réside essentiellement dans la rapidité des temps de calcul : à temps de calcul donné, on peut en effet tester plus de scénarios, procéder à des simulations pendant une durée plus longue ou encore mener une analyse de sensibilité plus poussée qu’à deux ou trois dimensions d’espace, tout en tenant compte d’un nombre conséquent de phénomènes physiques en jeu. Différents codes open source pourraient permettre de mener à bien ce travail, par exemple Mage pour la modélisation hydrodynamique unidimensionnelle d’une rivière tidale comme l’estuaire de la Loire [Camenen et coll., 2024], AdisTS pour le transport de la matière organique [Launay et coll. 2019] et RIVE pour la biogéochimie [Wang et coll., 2024]. D’autres solutions logicielles libres sont également envisageables. Le ou la doctorante devra mener une réflexion approfondie, en concertation avec son équipe encadrante, avant de fixer son choix.
3.2 Ressources nécessaires
Le ou la doctorante aura accès aux moyens suivants :
· Moyens expérimentaux :
o À l’Université Gustave Eiffel : spectrofluorimètre (Cary Eclipse, Agilent), analyseur de carbone (TOC-L avec les modules ASI-L, OCT-L, TNM-L et SSM-5000A, Shimadzu), turbidimètre (Partech) ;
o À l’Université d’Angers : incubateurs pour suivre l’évolution de [O2]dissout dans des prélèvements d’eau.
· Ressources logicielles :
o Pour l’analyse des spectres de fluorescence 3D : PARAFAC ;
o Pour la modélisation hydrodynamique et le transport 1D : Mage, AdisTS (codes libres développés par l’unité de recherche RiverLy d’INRAE), HEC-RAS, … (les données bathymétriques seront fournies par le GIP Loire Estuaire) ;
o Pour la modélisation biogéochimique : RIVE, C-GEM, …
Le ou la doctorante bénéficiera en outre de l’environnement du projet ANR EstUrbi.
3.3 Organisation
Cette thèse sera co-dirigée par Pierre-Emmanuel Peyneau et Édouard Metzger, et co-encadrée par Grégoire Maillet. Pierre-Emmanuel Peyneau travaille sur des thématiques relevant de la physique de l’environnement : il apportera son expertise en matière de traitement des données, de gestion des eaux pluviales en milieu urbain et de modélisation. Édouard Metzger est biogéochimiste et s'intéresse aux systèmes littoraux : il apportera son expertise en matière de transformation de la matière organique en milieu esturien. Grégoire Maillet est quant à lui géomorphologue et sédimentologue, spécialiste des milieux estuariens et deltaïques : ses compétences seront précieuses en matière de mesures en Loire, de prélèvement d’échantillons d’eau et d’incubations en laboratoire.
Des déplacements fréquents à Angers (au moins un par mois), ville facilement accessible depuis le campus nantais de l’Université Gustave Eiffel où se déroulera la majeure partie de la thèse, sont à prévoir dans le cadre de ce projet doctoral.
4-Caractère innovant
L’impact des rejets urbains de temps de pluie sur la qualité de la Loire estuarienne, et en particulier sur les teneurs en dioxygène dissout, n’a jamais été évalué. Des études de cette nature ont déjà été conduites dans l’estuaire de la Gironde sous influence de la métropole bordelaise [Lanoux et coll., 2013; Lajaunie-Salla et coll., 2017], mais une transposition directe des résultats obtenus sur la Loire estuarienne est inenvisageable [Schmidt et coll., 2019]. Une étude dédiée est donc requise. En outre, ce projet doctoral intégrera un volet modélisation hydrodynamique et biogéochimique simplifiée, développé de manière à pouvoir tester numériquement de nombreux scénarios d’évolution de la qualité de la Loire en temps futur, fonctionnalité importante dans le contexte du changement climatique et de la pression croissante (urbanisation) qu’exerce directement l’homme sur l’estuaire de la Loire.
5-Résultats attendus et valorisation
Les résultats issus du travail doctoral seront valorisés à travers la publication d’articles scientifiques et de présentations dans des conférences nationales ou internationales :
· Au moins deux publications dans des revues internationales à comité de lecture :
o Impact de la matière organique d’origine anthropique sur la désoxygénation des eaux d’un milieu estuarien : cas de la Loire sous influence de la métropole nantaise ;
o Modélisation 1D de l’impact des rejets urbains de temps de pluie issues d’une métropole sur la désoxygénation des eaux d’un estuaire ;
· Au moins une présentation à l’occasion de la conférence organisée chaque année par la société savante European Geosciences Union.
6-Références bibliographiques
[Boukortt, 2024] Boukortt, N. E. I. (2024). Biogéochimie d’un estuaire soumis aux hypoxies: processus de recyclage benthique des nutriments et des métaux associés dans la Loire (Thèse de doctorat, Université d'Angers).
[Camenen et coll., 2024] Camenen, B., Gerarduzzi, K., Kieffer, L., Terraz, T., do Amaral, F. R., Gratiot, N., & Pellarin, T. (2024). 1D Numerical Modelling of a Complex Tidal River: Case of the River Saigon. Advances in Hydroinformatics—SimHydro 2023 Volume 1: New Modelling Paradigms for Water Issues, 1, 257.
[Coble, 1996] Coble, P. G. (1996). Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy. Marine chemistry, 51(4), 325-346.
[Fallou, 2018] Fallou, H. (2018). Le réseau de mesures SYVEL : un outil performant et indispensable à la compréhension et au suivi du fonctionnement de l’estuaire de la Loire. La Houille Blanche, 104(1), 97–99.
[Goffin et coll., 2018] Goffin, A., Guérin, S., … & Varrault, G. (2018). Towards a better control of the wastewater treatment process: excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy of dissolved organic matter as a predictive tool of soluble BOD 5 in influents of six Parisian wastewater treatment plants. Environmental Science and Pollution Research, 25, 8765-8776.
[Goffin et coll., 2019] Goffin A., Guerin-Rechdaoui S., Rocher V., Varrault G. (2019) An environmentally friendly surrogate method for measuring the soluble chemical oxygen demand in wastewater: use of three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence spectroscopy in wastewater treatment monitoring. Environmental Monitoring and assessment 191 (7) 421.
[Goffin et coll., 2025] Goffin, A., Varrault, G., Musabimana, N., Raoult, A., Yilmaz, M., Guérin-Rechdaoui, S., & Rocher, V. (2025). Improving monitoring of dissolved organic matter from the wastewater treatment plant to the receiving environment: A new high-frequency in situ fluorescence sensor capable of analyzing 29 pairs of Ex/Em wavelengths. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 325, 125153.