Dynamique et transfert du carbone dans le bassin versant de la Loire : Traçage par les isotopes du carbone.

This thesis focuses on carbon cycle in the Loire River and its major tributaries. It aims to (1) use isotopic composition (14C and 13C) to describe the sources, the nature and the age of the Dissolved Inorganic and Organic Carbon (DIC, DOC) and of the Particular Organic Carbon (POC) sampled during four campaigns in 2013 and 2014; and (2) to use anthropogenic 14C found in the liquid releases of the 5 Nuclear Power Plants (NPP) operating in the basin as a tool to track carbon transfer between the different phases.Archaeologists demonstrated that 14C ages of samples coming from bones or non-human material (potteries, ceramics, sediments,…) are not in balanced with the atmosphere of the time they were created and thus need to be corrected. This bias stems from the age of water (as beverage or raw material), and more precisely the DIC age, also known as reservoir age. In the Loire River and its tributaries, DIC mainly comes from erosion and dissolution of the geological substratum. DIC concentrations are higher in the carbonated areas located in the middle Loire. As the reservoir ages are directly related to the DIC content, their values present a wide spatial variability (from 135 to 2251 yr 14C BP) because the Loire River and its tributaries cross areas with variable content of carbonates among their geological formations.Also, DIC is mainly absorbed during photosynthetic processes that produce algal POC. Algal POC and detrital POC form the particulate organic matter (OM). POC concentrations follow a temporal cycle with higher values during Spring time. Algal carbon marking depends on the DIC isotopic signature used by the chlorophyll synthesis. Reservoir ages calculated from POC values range from 306 to 1597 14C years, with the same spatial and temporal variation as the DIC. Algal carbon ratio, ranging from 2 to 100%, depends on the river, and climatic and hydrologic conditions. However, no systematic pattern can be found. The detrital fraction of POC has an activity close to the activity of POC and algal POC involving that the component is not of geological origin and thus, it is not refractory.The decomposition of this particular OM, the metabolic activity of organisms (lysis and exudation) and the input of old OM from the river, the soil or the groundwater are all sources for DOC production. Thus, DOC concentrations follow the same seasonal pattern as the POC. However, DOC contents are higher than the POC ones, and increase a bit from upstream to downstream (±1mg/L). It can be aged if POC and/or exported OM are old. Thus reservoir ages in the DOC range from 101 to 2494 14C years in April 2013, with older ages in agricultural areas.Not only did the use of anthropogenic 14C made it possible to visualize transfers between different phases, but also it confirmed the emission of enriched 14CDIC and unconfirmed the emission of 14CPOC and 14CDOC by the NPP. However, the 14CDIC activity does not represent the complete activity of the release because of water-atmosphere exchange involving 14C outflow. The marked POC records the initial NPP liquid release activity using the DIC from the NPP. The POC being isolated from the atmosphere, the POC measured activity is close to the originate activity in the release.All these data combined to the understanding of the transfers processes between DIC, POC and DOC will make it possible to improve the existing prediction model and, eventually, to anticipate the behavior of this radionuclide in the river from its emission to its arrival in the estuary and then in the Atlantic Ocean.Cette thèse présente une étude du cycle du carbone dans la Loire et ses principaux affluents dans le but (1) de décrire, en s’appuyant sur la composition isotopique (14C et 13C), les sources, la nature et l’âge du Carbone Inorganique et Organique Dissous (CID, COD) et du Carbone Organique Particulaire (COP) prélevés lors de quatre missions en 2013-2014 et (2) d’utiliser le carbone 14 anthropique, présent dans les rejets liquides des 5 Centres Nucléaires de Production d’Electricité (CNPE) en service sur le bassin, comme traceur de transfert de carbone entre les différentes phases.Les archéologues ont mis en évidence que les âges radiocarbone déterminés sur des échantillons d’os ou de matériels non-humains (poteries, céramiques, sédiments…) ne sont pas à l’équilibre avec l’atmosphère de l’époque et nécessitent une correction. Ce biais provient de l’âge de l’eau ingérée ou utilisée et plus précisément de l’âge du CID appelé âge réservoir. Dans la Loire et ses affluents, le CID est principalement issu de l’érosion et de la dissolution du substrat géologique. Les concentrations en CID sont plus élevées en terrain sédimentaire carbonaté localisé en Loire moyenne. Les âges réservoirs étant directement corrélés à la teneur en CID, ils présentent une grande variabilité spatiale (de 135 à 2251 années 14C) du fait de la traversée de zones géologiques plus ou moins carbonatées par la Loire et ses affluents.Par ailleurs, ce CID est principalement consommé lors des processus photosynthétiques pour produire le COP algal. Ce COP algal est l’une des deux composantes de la matière organique (MO) particulaire avec le COP détritique. Les concentrations en COP suivent un cycle temporel très marqué avec des teneurs plus élevées au printemps. Le marquage du carbone algal dépend de la signature isotopique du CID utilisé lors de la synthèse chlorophyllienne. Les âges réservoirs déterminés dans le COP varient alors entre 124 et 1597 années 14C avec une variation spatio-temporelle identique à celle observée dans le CID. La proportion de carbone algal, variant entre 2 et 100%, dépend de la rivière et des conditions climatiques et hydrologiques sans qu’il soit possible d’énoncer une règle générale. La composante détritique du COP possède un marquage proche du COP et du COP algal impliquant que ce carbone détritique n’est pas d’origine géologique et donc qu’il n’est pas réfractaire.La décomposition de cette MO particulaire est une source de COD au même titre que l’activité métabolique des organismes (lyse et exsudation) et l’apport de vieille MO par la rivière, le lessivage des sols ou les nappes souterraines. Les concentrations en COD suivent donc les mêmes cycles saisonniers que le COP. Cependant, les teneurs sont plus élevées que celles du COP et augmentent peu le long des rivières (±1mg/L). Il peut être âgé si le COP et/ou la MO exportée sont anciens. Ainsi, les âges réservoirs dans le COD sont compris entre 101 et 2494 années 14C en avril 2013 avec des âges plus vieux en zone agricole.L’utilisation du radiocarbone anthropique a permis, outre la visualisation des transferts entre les différentes phases, de confirmer l’émission de 14C enrichi (ou actif) sous la forme CID par les CNPE et infirmer celle d’une composante 14C anthropique actif dans le COP et le COD. Cependant, l’activité 14C du CID ne représente pas l’activité totale du rejet en raison des échanges eau-atmosphère induisant un flux sortant de 14C. Le COP marqué enregistre l’activité initiale du rejet liquide en utilisant le CID émis par les CNPE. Le COP étant isolé de l’atmosphère, l’activité mesurée dans le COP est proche de son activité d’origine dans le rejet.L’acquisition de toutes ces données et la compréhension des processus de transferts entre CID, COP et COD permettra d’améliorer le modèle de prédiction existant et à terme, d’anticiper le comportement de ce radionucléide dans le milieu récepteur de son émission à son arrivée dans l’estuaire puis dans l’Océan Atlantique