L’industrialisation de l’agriculture, portée par l’utilisation massive d’engrais azotés, a provoqué la pollution de l’eau par les nitrates, à l’origine de dégâts environnementaux comme les proliférations d’algues vertes dans les zones côtières. Aujourd’hui, des efforts sont fournis pour réduire l’utilisation d’engrais azotés, mais la diminution effective des concentrations en nitrates dans les cours d’eau dépend aussi des caractéristiques naturelles des bassins versants. Les circulations d’eau souterraine induisent en effet un stockage temporaire de nitrates dans l’aquifère, qui retarde l’effet des changements de pratiques agricoles. Dans le même temps, la dénitrification épure l’eau souterraine d’une partie de ses nitrates, ce qui abaisse les concentrations en nitrates des cours d’eau qu’elle alimente. L’aquifère exerce donc un double contrôle sur les concentrations en nitrates, dont la compréhension est nécessaire pour prédire leur évolution en fonction des scénarios d’agriculture mis en place. Cette thèse propose de caractériser les temps de résidence et la dénitrification dans l’aquifère à partir de mesures en ruisseau. La méthode est mise en place dans un petit bassin versant agricole breton, dans un aquifère cristallin. La thèse identifie tout d’abord, à travers une analyse de sensibilité, un nombre réduit de paramètres dont la connaissance permet la prédiction des concentrations en nitrates. Elle évalue ensuite la possibilité d’acquérir ces paramètres dans les ruisseaux en étiage. L’investigation des échanges de gaz entre les ruisseaux et l’atmosphère révèle que les traceurs gazeux sont délicats à utiliser à large échelle dans les ruisseaux. En revanche, l’étude de la dénitrification in situ dans les ruisseaux montre que les concentrations en nitrates sont très faiblement modifiées par les processus de surface. Finalement, des mesures de silice et de nitrates spatialement distribuées dans les ruisseaux du bassin versant fournissent une vision représentative des processus de transport et de dénitrification dans l’aquifère. Elles montrent que l’échelle d’homogénéisation est supérieure à l’échelle du bassin versant étudié et permettent de proposer des hypothèses sur les facteurs de contrôle globaux des processus.