Instrument de spectroscopie (sub-)millimétrique pour la détection des émissions volatiles du sol

(Sub-)millimeter spectroscopy instrument for detection of volatile soil emissions

• Auteur / Autrice : Daria Gudz
• Direction : François Bondu, Françoise Binet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 29/10/2025
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : MATISSE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FOTON - Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Murielle Rabiller-Baudry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Mustin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaël Mouret, Romain Peretti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolites

Spectroscopes

Dispositifs à ondes millimétriques

Composés organiques volatils

Mots clés libres

Photomélange

Ondes millimétriques

Spectroscopie rotationnelle

Métabolite du sol

Photomixing

Millimeter wave

Rotational spectroscopy

Soil metabolite

Résumé

Le sol est un milieu vivant dynamique qui abrite une diversité de microorganismes responsables du cycle des nutriments, de la promotion de la croissance des plantes, de la suppression des agents pathogènes et de la résilience face aux stress. Parmi les produits du métabolisme des microorganismes du sol figurent les composés organiques volatils (COVs), qui constituent de puissants indicateurs de la qualité et de la santé des sols. Toutefois, une analyse des techniques conventionnelles de détection des VOCs montre que leur potentiel reste sous exploité, en grande partie en raison du faible taux d’identification des composés. Cette recherche explore l’utilisation de la spectroscopie rotationnelle expérimentale afin d’améliorer la détection des COV du sol en fournissant des informations sur la structure moléculaire. À cette fin, un spectromètre à ondes submillimétriques a été développé, spécifiquement conçu pour la détection et l’identification des VOCs du sol. Le spectromètre, basé sur le photomélange, a été assemblé, calibré, et validé. Les points d’améliorations ont été proposé afin de permettre une détection précise des mélanges gazeuses. Par ailleurs, les caractéristiques métabolomiques de trois souches bactériennes environnementales ont été examinés, et leurs cinétiques de croissance ont été mesurées dans un milieu nutritif commun. La production à la demande de mélanges de COV bactériens contribuera à valider l’instrument pour un usage en microbiologie environnementale.

Soil is a dynamic, living medium that hosts diverse microorganisms responsible for nutrient cycling, plant growth promotion, pathogen suppression, and stress resilience. Among the products of microbial metabolism are volatile organic compounds (VOCs), which serve as powerful indicators of soil quality and health. However, conventional VOC detection techniques remain underutilized, largely due to the low rate of compoundidentification. This research investigates the use of experimental rotational spectroscopy to enhance soil VOC detection by providing molecular structural information. To this end, a submillimeter-wave spectrometer was developed, specifically designed for the detection and identification of soil VOCs. The spectrometer, based on photomixing, was assembled,calibrated, and validated, with improvements proposed to enable accurate detection of gas mixtures. Additionally, the metabolomic characteristics of three environmental bacterial strains were examined, and their growth kinetics were measured in a common nutrientmedium. On-demand production of bacterial VOC mixtures will contribute to validating the instrument for applications in environmental microbiology.