Caractérisation par spectroscopie de fluorescence haute-fréquence de la MOD d’origine urbaine dans les milieux aquatiques sous forte pression urbaine

Dans les milieux aquatiques, la matière organique dissoute (MOD) constitue un mélange extrêmement complexe et dynamique de composés organiques issus à la fois de sources naturelles et d’apports anthropiques. La MOD naturelle provient principalement de l’érosion et du lessivage des sols à l’échelle du bassin versant, ainsi que de l’activité biologique aquatique. Dans les systèmes fortement urbanisés, comme la Seine dans l’aire métropolitaine parisienne, les apports anthropiques de MOD par temps sec sont principalement liés aux rejets des stations de traitement des eaux usées (STEU). Dans les zones urbaines denses et anciennes, les réseaux d’assainissement sont principalement unitaires et collectent à la fois les eaux usées et les eaux pluviales. Lors des événements pluvieux, les capacités de traitement des STEU peuvent être dépassées, entraînant des rejets directs d’effluents non traités vers les cours d’eau par l’intermédiaire des déversoirs d’orage.

La MOD intervient dans de nombreux processus biogéochimiques au sein des systèmes aquatiques et joue un rôle déterminant dans le métabolisme des rivières (hétérotrophe ou autotrophe), influençant ainsi les émissions de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. La fraction biodégradable de la MOD favorise l’eutrophisation et l’appauvrissement en oxygène — pouvant aller jusqu’à provoquer des mortalités piscicoles — en stimulant la respiration microbienne. Les mécanismes à l’origine de ces processus dépendent non seulement de la concentration en MOD, mais aussi de sa composition moléculaire et de sa réactivité.

La MOD présente en rivière constitue également un enjeu majeur pour la production d’eau potable, dans la mesure où elle affecte l’efficacité des procédés de traitement, ainsi que la couleur, l’odeur et le goût de l’eau, et contribue à la formation de sous-produits toxiques de désinfection dans les réseaux de distribution. En outre, la présence de matière organique dissoute dans les eaux produites en sortie d’usine de potabilisation, en particulier de la fraction facilement assimilable par les microorganismes, peut favoriser la reviviscence bactérienne dans les réseaux de distribution d’eau potable et donc l’apparition de microorganismes pathogènes opportunistes, soulevant ainsi une véritable préoccupation de santé publique. Cette problématique est particulièrement critique dans le contexte actuel. En effet, de nombreux services d’eau dans le monde, dont le SEDIF, s’orientent vers une distribution d’eau sans chlore résiduel. En l’absence de désinfectant résiduel dans l’eau pour limiter la reviviscence bactérienne au sein du réseau, le contrôle de la croissance bactérienne repose sur l’élimination de la matière organique afin de priver les bactéries de nutriments. La MOD dans l’eau traitée en sortie d’usine constitue donc un paramètre à surveiller de près, en particulier la concentration en carbone organique assimilable, qui doit rester inférieure à 10 µg/L.

Cependant, malgré son importance, la chimiodiversité de la MOD, ses sources et ses voies de transformation demeurent encore mal comprises et nécessitent des investigations complémentaires dans les systèmes aquatiques soumis à une forte pression urbaine. En effet, les approches conventionnelles de suivi à basse fréquence (échantillonnage hebdomadaire ou mensuel) ne permettent pas de saisir la dynamique temporelle fine de la MOD en rivière, notamment lors d’événements urbains transitoires (rejets par temps de pluie, dysfonctionnements de stations d’épuration, etc.) susceptibles de générer, sur des périodes très courtes (à l’échelle horaire), des apports très importants de MOD aux milieux aquatiques. Ces événements restent aujourd’hui peu documentés par les stratégies de suivi existantes, alors même qu’ils peuvent produire de fortes concentrations en MOD, en particulier en MOD biodégradable, avec des conséquences biogéochimiques majeures.

Bien qu’elles ne permettent pas une approche à l’échelle moléculaire, les méthodes optiques de caractérisation de la MOD présentent l’avantage d’une cadence analytique élevée et peuvent même être déployées en ligne pour des mesures in situ à haute fréquence. Par exemple, la spectroscopie de fluorescence permet d’apporter des informations sur la composition de la MOD, en distinguant notamment une MOD aromatique, hydrophobe et peu biodégradable d’origine terrigène, d’une MOD fraîche, hydrophile et biodégradable issue soit de rejets urbains insuffisamment traités, soit de la production autochtone en rivière. Toutefois, les capteurs de fluorescence actuellement disponibles sur le marché ne permettent d’analyser qu’un nombre limité de fluorophores liés à la MOD (de 1 à 3) et n’offrent donc pas le même niveau de caractérisation qu’un spectrofluorimètre de laboratoire.

Afin de permettre une caractérisation in situ et à haute fréquence de la MOD, tout en atteignant un niveau de caractérisation proche de celui obtenu avec un instrument de laboratoire, le LEESU et le SIAAP ont développé conjointement, depuis 2018, un capteur de fluorescence, Fluocopée, breveté en 2022 (EP4040139A1).

La sonde Fluocopée permet l’analyse in situ de 25 fluorophores en dix minutes, contre seulement un à trois fluorophores pour les capteurs commerciaux existants, offrant ainsi une meilleure caractérisation de la nature chimique de la MOD. Après plusieurs années d’optimisation technologique, le déploiement de trois sondes Fluocopee a commencé en 2024 dans le bassin de la Seine. Ce réseau de sondes constitue désormais l’Observatoire de la Matière Organique dans la Seine (MeSeine-MATOS), officiellement labellisé par l’OSU Efluve (CNRS-UPEC) depuis 2025. Cet observatoire comprend dix sondes déployées de l’amont à l’aval de l’agglomération parisienne, de Choisy-le-Roi à Triel-sur-Seine, sur la Seine, la Marne et l’Oise.

L’utilisation de la sonde Fluocopee, qui permet des mesures in situ à haute fréquence (toutes les 15 minutes) d’un grand nombre de fluorophores, rendra possible la révélation des dynamiques temporelles fines de la MOD, tant sur le plan de la nature chimique que de la quantité, qui ne peuvent être capturées par un suivi discret hebdomadaire. Son déploiement au sein de l’observatoire MeSeine-MATOS permettra donc une meilleure description de la variabilité spatio-temporelle de la MOD en amont de l’agglomération parisienne, à travers l’agglomération parisienne, et lors de son transfert aval vers l’estuaire. L’observatoire MeSeine-MATOS est labellisé par l’OSU Efluve et est conçu pour fonctionner à long terme.

Objectifs de la thèse

Les objectifs de thèse sont structurés autour de deux grands objectifs scientifiques majeurs.

Le premier objectif est d'améliorer, grâce aux mesurées réalisées au sein de l’observatoire MeSeine-MATOS, les connaissances sur les sources, concentrations, flux, transformations, transferts et influence sur les processus biogéochimiques (en particulier le métabolisme et la désoxygénation) de la MOD urbaine dans les rivières soumises à une forte pression urbaine. La quantification des contributions respectives des sources naturelles et urbaines, particulièrement lors des périodes transitoires, demeure très incertaine. De même, les processus de transformation de la MOD (notamment la biodégradation et la photolyse) dans le bassin de la Seine et leurs impacts sur le fonctionnement biogéochimique de la rivière sont encore mal documentés. Les mesures de fluorescence obtenues pour les 25 fluorophores fourniront une caractérisation beaucoup plus détaillée de la MOD que celle permise par les capteurs actuellement disponibles, rendant ainsi possible l'atteinte de cet objectif.

Le deuxième objectif de cette thèse est de développer des indices, opérationnels et robustes, dérivés de la signature de fluorescence de la MOD, pour permettre l’optimisation en temps réel du fonctionnement des stations de potabilisation. Ces indices spectrofluorométriques seront développés pour deux applications distinctes dans les stations de traitement d’eau potable :

- Indices spectrofluorométriques de la traitabilité de la MOD en station de potabilisation

Selon sa nature chimique, la MOD présente dans l’eau fluviale peut, lors de certaines périodes, être difficile à éliminer dans les stations de potabilisation, particulièrement pendant les périodes de décrue. L’objectif est ici de développer des indices spectrofluorométriques pour estimer la traitabilité de la MOD présente dans l’eau fluviale en entrée d’usine. Ces indices spectrofluorométriques, utilisables par les opérateurs en temps quasi réel, permettront aux responsables d’usine d’adapter les procédés de traitement en fonction de la nature de la MOD présente dans l’eau brute, améliorant ainsi l’efficacité du traitement tout en réduisant la consommation d’énergie et de produits chimiques.

- Indices spectrofluorométriques pour la quantification des concentrations du carbone organique assimilable en sortie d’usine de potabilisation

Le SEDIF s’orientant vers une distribution d’eau sans chlore résiduel, il devient particulièrement crucial de disposer d’indicateurs fiables disponibles en temps quasi réel pour estimer la concentration de carbone organique assimilable (COA) en sortie d’usine, paramètre clé du risque de reviviscence bactérienne dans les réseaux de distribution. Ces indices proviendront de la signature de fluorescence de la MOD présente en sortie d’usine. Ils permettront aux gestionnaires de s’assurer de l’absence de risque de reviviscence bactérienne dans le réseau de potabilisation. En cas contraire, les traitements pourront être adaptés et modifiés en temps réel.

Résultats escomptés / produits finaux

Cette thèse permettra d’améliorer considérablement notre capacité à caractériser la MOD en zone urbaine, à quantifier les contributions relatives des sources naturelles et urbaines, et relier les signatures MOD aux processus biogéochimiques clés tels que le métabolisme en rivière et la désoxygénation. Il ouvrira également une nouvelle voie de recherche en connectant directement les signatures optiques de la MOD aux performances de potabilisation et à la concentration en COA, faisant ainsi le pont entre biogéochimie et génie des procédés dans un cadre opérationnel.

Contexte local de la thèse

La thèse sera encadrée par Gilles Varrault (Enseignant-chercheur et directeur adjoint du LEESU) au LEESU (https://www.leesu.fr/). Le doctorant sera basé dans les locaux de la Maison des Sciences de l’Environnement sur le campus centre de l’UPEC à Créteil.

Le LEESU est un laboratoire de recherche dans le domaine de l’eau dont les tutelles sont l’Université Paris-Est Créteil et l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées.

Ces travaux de recherche seront menés en étroite collaboration avec la direction de l’innovation du SIAAP dans le cadre du programme MeSeine. La thèse commencera le 1^er octobre 2026.

Candidature :

Envoyer un CV, une lettre de motivation, les relevés de notes depuis le baccalauréat et les éventuels rapports de stage déjà rédigés avant le 15 avril 2026

Pour toute demande de renseignement, envoyer un mail à l’adresse ci-dessus

Profil recherché

Master ou diplôme d’ingénieur dans le domaine de la physico-chimie de l’environnement. Le candidat devra avoir des compétences en chimie de l’environnement (si possible dans les milieux aquatiques) et en chimie analytique. Le candidat devra présenter un goût affirmé pour le travail expérimental en laboratoire et sur le terrain. Un travail important de traitement de données sera également à fournir, des compétences en traitement statistique des données seront donc très appréciées.

Le LEESU est un laboratoire de recherche dans le domaine de l’eau dont les tutelles sont l’Université Paris-Est Créteil et l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées.

Master ou diplôme d’ingénieur dans le domaine de la physico-chimie de l’environnement. Le candidat devra avoir des compétences en chimie de l’environnement (si possible dans les milieux aquatiques) et en chimie analytique. Le candidat devra présenter un goût affirmé pour le travail expérimental en laboratoire et sur le terrain. Un travail important de traitement de données sera également à fournir, des compétences en traitement statistiques des données seront donc très appréciées.