Les symbioses agro-industrielles en Afrique de l'Ouest : évaluation du potentiel d'une nouvelle stratégie pour un développement durable

RésuméCette thèse traite de l'utilisation des concepts de Symbiose Industrielle dans les pays en développement et étudie le potentiel de cette stratégie pour stimuler un développement régional durable dans les zones rurales d'Afrique de l'Ouest. En particulier, lorsqu'une Symbiose Industrielle est instaurée entre une usine et sa population alentour, des outils d'évaluation sont nécessaires pour garantir que le projet permette d'atteindre un réel développement durable. Les outils existants, développés dans les pays industrialisés, ne sont cependant pas complètement adaptés pour l'évaluation de projets dans les pays en développement. En effet, les outils sont porteurs d'hypothèses implicites propres au contexte socio-économique dans lequel ils ont été conçus.L'objectif de cette thèse est de développer un cadre méthodologique pour l'évaluation de la durabilité de projets de Symbiose Industrielle dans les pays en développement.Pour ce faire, je m'appuie sur une étude de cas de la mise en place d'une Symbiose Industrielle au nord du Nigéria, à laquelle j'ai participé en tant qu'observatrice dès 2007. AshakaCem, une usine productrice de ciment du groupe Lafarge, doit faire face à de nombreuses tensions avec la population rurale alentour. L'entreprise a donc décidé d'adopter une nouvelle méthode inspirée des concepts de Symbiose Industrielle. Le projet consiste à remplacer jusqu'à 10% du carburant fossile utilisé pour la cuisson de la matière crue (calcaire et additifs) par de la biomasse produite par les paysans locaux. Pour ne pas compromettre la fragile sécurité alimentaire régionale, des techniques de lutte contre l'érosion et de fertilisation naturelle des sols sont enseignées aux paysans, qui peuvent ainsi utiliser la culture de biomasse pour améliorer leurs cultures vivrières. A travers cette Symbiose Industrielle, l'entreprise poursuit des objectifs sociaux (poser les bases nécessaires à un développement régional), mais également environnementaux (réduire ses émissions de CO2 globales) et économiques (réduire ses coûts énergétiques). Elle s'ancre ainsi dans une perspective de développement durable qui est conditionnelle à la réalisation du projet.A travers l'observation de cette Symbiose et par la connaissance des outils existants je constate qu'une évaluation de la durabilité de projets dans les pays en développement nécessite l'utilisation de critères d'évaluation propres à chaque projet. En effet, dans ce contexte, l'emploi de critères génériques apporte une évaluation trop éloignée des besoins et de la réalité locale. C'est pourquoi, en m'inspirant des outils internationalement reconnus comme l'Analyse du Cycle de Vie ou la Global Reporting Initiative, je définis dans cette thèse un cadre méthodologique qui peut, lui, être identique pour tous les projets. Cette stratégie suit six étapes, qui se réalisent de manière itérative pour permettre une auto¬amélioration de la méthodologie d'évaluation et du projet lui-même. Au cours de ces étapes, les besoins et objectifs en termes sociaux, économiques et environnementaux des différents acteurs sont déterminés, puis regroupés, hiérarchisés et formulés sous forme de critères à évaluer. Des indicateurs quantitatifs ou qualitatifs sont ensuite définis pour chacun de ces critères. Une des spécificités de cette stratégie est de définir une échelle d'évaluation en cinq graduations, identique pour chaque indicateur, témoignant d'un objectif totalement atteint (++) ou pas du tout atteint (--).L'application de ce cadre méthodologique à la Symbiose nigériane a permis de déterminer quatre critères économiques, quatre critères socio-économiques et six critères environnementaux à évaluer. Pour les caractériser, 22 indicateurs ont été définis. L'évaluation de ces indicateurs a permis de montrer que le projet élaboré atteint les objectifs de durabilité fixés pour la majorité des critères. Quatre indicateurs ont un résultat neutre (0), et un cinquième montre qu'un critère n'est pas atteint (--). Ces résultats s'expliquent par le fait que le projet n'en est encore qu'à sa phase pilote et n'a donc pas encore atteint la taille et la diffusion optimales. Un suivi sur plusieurs années permettra de garantir que ces manques seront comblés.Le cadre méthodologique que j'ai développé dans cette thèse est un outil d'évaluation participatif qui pourra être utilisé dans un contexte plus large que celui des pays en développement. Son caractère générique en fait un très bon outil pour la définition de critères et indicateurs de suivi de projet en terme de développement durable.SummaryThis thesis examines the use of industrial symbiosis in developing countries and studies its potential to stimulate sustainable regional development in rural areas across Western Africa. In particular, when industrial symbiosis is instituted between a factory and the surrounding population, evaluation tools are required to ensure the project achieves truly sustainable development. Existing tools developed in industrialized countries are not entirely suited to assessing projects in developing countries. Indeed, the implicit hypotheses behind such tools reflect the socioeconomic context in which they were designed. The goal of this thesis is to develop a methodological framework for evaluating the sustainability of industrial symbiosis projects in developing countries.To accomplish this, I followed a case study about the implementation of industrial symbiosis in northern Nigeria by participating as an observer since 2007. AshakaCem, a cement works of Lafarge group, must confront many issues associated with violence committed by the local rural population. Thus, the company decided to adopt a new approach inspired by the concepts of industrial symbiosis.The project involves replacing up to 10% of the fossil fuel used to heat limestone with biomass produced by local farmers. To avoid jeopardizing the fragile security of regional food supplies, farmers are taught ways to combat erosion and naturally fertilize the soil. They can then use biomass cultivation to improve their subsistence crops. Through this industrial symbiosis, AshakaCem follows social objectives (to lay the necessary foundations for regional development), but also environmental ones (to reduce its overall CO2 emissions) and economical ones (to reduce its energy costs). The company is firmly rooted in a view of sustainable development that is conditional upon the project's execution.By observing this symbiosis and by being familiar with existing tools, I note that assessing the sustainability of projects in developing countries requires using evaluation criteria that are specific to each project. Indeed, using generic criteria results in an assessment that is too far removed from what is needed and from the local reality. Thus, by drawing inspiration from such internationally known tools as Life Cycle Analysis and the Global Reporting Initiative, I define a generic methodological framework for the participative establishment of an evaluation methodology specific to each project.The strategy follows six phases that are fulfilled iteratively so as to improve the evaluation methodology and the project itself as it moves forward. During these phases, the social, economic, and environmental needs and objectives of the stakeholders are identified, grouped, ranked, and expressed as criteria for evaluation. Quantitative or qualitative indicators are then defined for each of these criteria. One of the characteristics of this strategy is to define a five-point evaluation scale, the same for each indicator, to reflect a goal that was completely reached (++) or not reached at all (--).Applying the methodological framework to the Nigerian symbiosis yielded four economic criteria, four socioeconomic criteria, and six environmental criteria to assess. A total of 22 indicators were defined to characterize the criteria. Evaluating these indicators made it possible to show that the project meets the sustainability goals set for the majority of criteria. Four indicators had a neutral result (0); a fifth showed that one criterion had not been met (--). These results can be explained by the fact that the project is still only in its pilot phase and, therefore, still has not reached its optimum size and scope. Following up over several years will make it possible to ensure these gaps will be filled.The methodological framework presented in this thesis is a highly effective tool that can be used in a broader context than developing countries. Its generic nature makes it a very good tool for defining criteria and follow-up indicators for sustainable development.

Spatial relationship between the atmospheric circulation and the precipitation measured in the western Swiss Alps by means of the analogue method

An adaptation technique based on the synoptic atmospheric circulation to forecast local precipitation, namely the analogue method, has been implemented for the western Swiss Alps. During the calibration procedure, relevance maps were established for the geopotential height data. These maps highlight the locations were the synoptic circulation was found of interest for the precipitation forecasting at two rain gauge stations (Binn and Les Marécottes) that are located both in the alpine Rhône catchment, at a distance of about 100 km from each other. These two stations are sensitive to different atmospheric circulations. We have observed that the most relevant data for the analogue method can be found where specific atmospheric circulation patterns appear concomitantly with heavy precipitation events. Those skilled regions are coherent with the atmospheric flows illustrated, for example, by means of the back trajectories of air masses. Indeed, the circulation recurrently diverges from the climatology during days with strong precipitation on the southern part of the alpine Rhône catchment. We have found that for over 152 days with precipitation amount above 50 mm at the Binn station, only 3 did not show a trajectory of a southerly flow, meaning that such a circulation was present for 98% of the events. Time evolution of the relevance maps confirms that the atmospheric circulation variables have significantly better forecasting skills close to the precipitation period, and that it seems pointless for the analogue method to consider circulation information days before a precipitation event as a primary predictor. Even though the occurrence of some critical circulation patterns leading to heavy precipitation events can be detected by precursors at remote locations and 1 week ahead (Grazzini, 2007; Martius et al., 2008), time extrapolation by the analogue method seems to be rather poor. This would suggest, in accordance with previous studies (Obled et al., 2002; Bontron and Obled, 2005), that time extrapolation should be done by the Global Circulation Model, which can process atmospheric variables that can be used by the adaptation method.

Wildflower areas within revitalized agricultural matrices boost small mammal populations but not breeding Barn Owls

Agro-ecosystems have recently experienced dramatic losses of biodiversity due to more intensive production methods. In order to increase species diversity, agri-environment schemes provide subsidies to farmers who devote a fraction of their land to ecological compensation areas (ECA). Several studies have shown that invertebrate biodiversity is actually higher in ECA than in nearby intensively cultivated farmland. It remains poorly understood, however, to what extent ECA also favour vertebrates, such as small mammals and their predators, which would contribute to restore functioning food chains within revitalized agricultural matrices. We studied small mammal populations among eight habitat types - including wildflower areas, a specific ECA in Switzerland - and habitat selection (radiotracking) by the barn owl Tyto alba, one of their principal predators. Our prediction was that habitats with higher abundances of small mammals would be more visited by foraging Barn owls during the period of chicks' provisioning. Small mammal abundance tended to be higher in wildflower areas than in any other habitat type. Barn owls, however, preferred to forage in cereal fields and grassland. They avoided all types of crops other than cereals, as well as wildflower areas, which suggests that they do not select their hunting habitat primarily with respect to prey density. Instead of prey abundance, prey accessibility may play a more crucial role: wildflower areas have a dense vegetation cover, which may impede access to prey for foraging owls. The exploitation of wildflower areas by the owls might be enhanced by creating open foraging corridors within or around wildflower areas. Wildflower areas managed in that way might contribute to restore functioning food chains within agro-ecosystems.

Identification and characterization of the members of the pho1 gene family in moss and rice

Inorganic phosphate (Pi) is one of the main nutrients limiting plant growth anddevelopment in many agro-ecosystems. In plants, phosphate is acquired from the soil by theroots, and is then transferred to the shoot via the xylem. In the model plant Arabidopsisthaliana, PHO1 was previously identified as being involved in loading Pi into the xylem ofroots. AtPHO1, belongs to a multigenic family composed of 10 additional members, namelyAtPHO1;H1 to AtPHO1;10. In this study, we aimed at further investigating the role of thePHO1 gene family in Pi homeostasis in plants, and to this end we isolated and characterizedthe PHO1 members of two main model plants, the moss Physcomitrella patens and the riceOryza sativa.In the bryophyte P. patens, bioinformatic analyses revealed the presence of seven AtPHO1homologues, highly similar to AtPHO1. The seven moss PHO1 genes, namely PpPHO1;1 toPpPHO1;7 appeared to be differentially regulated, both at the tissue level and in response toPi status. However only PpPHO1;1 and PpPHO1;7 were specifically up-regulated upon Pistarvation, suggesting a potential role in Pi homeostasis. We also characterized the responseof P. patens to Pi starvation, showing that higher and lower plants share some commonstrategies to adapt to Pi-deficiency.In the second part, focusing on the monocotyledon rice, we showed the existence of threePHO1 homologues OsPHO1;1 to OsPHO1;3, with the unique particularity of each havingNatural Antisense Transcripts (NATs). Molecular analyses revealed that both the sense andthe antisense OsPHO1;2 transcripts were by far the most abundantly expressed transcripts ofthe family, preferentially expressed in the roots. The stable expression of OsPHO1;2 in allconditions tested, in opposition with the highly induced antisense transcript upon Pistarvation, suggest a putative role for the antisense in regulating the sense transcript.Moreover, mutant analyses revealed that OsPHO1;2 plays a key role in Pi homeostasis, intransferring Pi from the root to the shoot. Finally, complementing the pho1 mutant inArabidopsis, characterized by low Pi in the shoot and reduced growth, with the riceOsPHO1;2 gene revealed a new role for PHO1 in Pi signaling. Indeed, the complementedplants showed normal growth, with however low Pi content.

PH01 gene family in Arabidopsis thaliana and Physcomitrella patens

Summary Inorganic phosphate (Pi) is a main limiting nutrient to the growth and production yield of plants in many agro-ecosystems. Plants have evolved a series of metabolic and developmental adaptations to cope with low Pi availability. PH01 has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the xylem of roots in Arabidopsis. In this study, the PHO1 gene family in both higher plant Arabidopsis and lower plant Physcomitrella was characterized. Additional ten PHO1 homologues in Arabidopsis and three homologues in Physcomitrella were identified. All proteins harbor a SPX tripartite domain in the N-terminal hydrophilic portion and an EXS domain in the highly conserved C-terminal hydrophobic portion. RT-PCR analysis of the Arabidopsis PHO1 genes revealed a broad pattern of expression in leaves, roots, stems, and flowers for most genes, although two genes are expressed exclusively in flowers, indicating their potential roles not only in Pi transport but also in Pi homeostasis within the Arabidopsis plant. The regulation of gene expression by different nutrient-starvations showed that some genes are strongly up-regulated by elements other than Pi, e.g. by NO3, Mg, and Zn starvation. Northern blot and RT-PCR analysis showed distinct expression patterns of the three Physcomitrella PHO1 genes. The investigation of Pi starvation effects on some Pi-deprivation responsive genes demonstrates that Physcomitrella has evolved a similar mechanism as higher plants to respond to Pi deficiency. Promoter activity analysis for the Physcomitrella PHO1 family genes using promoter-GUS fusions revealed their expression in protonemata and gametophores but at different levels and with different patterns, suggesting these genes may play distinct roles in Pi transport and/or Pi homeostasis in the moss plant. Single knockout mutants of the three genes were generated by gene targeting and one of them displayed a reduced Pi content in the protonemata under Pi starvation. The evolution of the PHO1 family in land plants was also discussed. Together, these findings indicate that the PHO1 family genes, present in a broad range of plant species from lower plants to flowering plants, play important roles in Pi transport and homeostasis. Résumé Le phosphate inorganique (Pi) est un nutriment essentiel à la croissance des plantes et au rendement de la production végétale. Dans beaucoup d'agro-écosystèmes, ce nutriment est limitant. Les plantes ont développé des adaptations métaboliques et développementales pour palier à la faible disponibilité du Pi. Il a été démontré que la protéine PHOI est indispensable au transfert du Pi dans le xylème des racines d' Arabidopsis. Cette étude porte sur la famille de gènes définie par PHO1 ; ceci, dans deux organismes modèles : la plante Arabidopsis pour les végétaux supérieurs, et la mousse Physcomitrella pour les végétaux inférieurs. Dix homologues à PHOI dans Arabidopsis et trois homologues dans Physcomitrella ont été identifiés. Toutes les protéines encodées présentent un domaine tripartite SPX dans leur partie N terminale hydrophile et un domaine EXS dans la partie C terminale hydrophobe hautement conservée d'entre eux. L'analyse par RT-PCR de l'expression des gènes PHO1 dans Arabidopsis révèle une expression ectopique pour la plupart, à l'exception de deux gènes dont l'expression est uniquement florale ; ceci suggère l'implication de cette famille non seulement dans le transport mais aussi dans l'homéostasie du Pi dans Arabidopsis. L'observation de l'expression de ces gènes en fonction de l'absence de différents nutriments montre que certains gènes sont fortement régulés lors de carences en NO3, Mg et Zn. L'analyse par northern blot et RT-PCR met en évidence des profils d'expression distincts pour les trois gènes de Physcomitrella. Les effets de la carence en Pi sur Physcomitrella ont été étudiés par le biais de gènes dépendants connus pour Arabidopsis, les résultats suggèrent un mode de réponse à cette carence conservé entre les végétaux inférieurs et supérieurs. La localisation tissulaire de l'expression de la famille PHO1 dans la mousse a été étudiée au moyen du gène rapporteur GUS fusionné aux différents promoteurs. Ceci a révélé leur expression dans les protonemata et les gametophores, mais à des intensités et avec des profils différents, ce qui suggère des implications distinctes dans le transport et/ou l'homéostasie du Pi dans la mousse. Des simples mutants knockout ont été générés pour chaque gène de mousse ; l'un d'eux présente une diminution du contenu protonemal en Pi lorsque soumis à une carence en Pi. L'évolution de la famille PHO1 dans les plantes terrestres est également discutée. Ensemble, ces résultats indiquent que les gènes de la famille PHO1 sont présents dans une large gamme de plantes allant des végétaux inférieurs aux supérieurs, et cette étude démontre que leur conservation se justifie potentiellement par le fait qu'ils sont probablement impliqués dans des mécanismes conservés de transport et d'homéostasie du Pi.