Soutenance mémoire
Les éléments traces sont naturellement présents dans le fond géochimique terrestre. Leur présence dans les sols est généralement étroitement liée à la composition chimique des matériaux parentaux à partir desquels ils se sont formés (Baize et Tercé 2002). Certains de ces éléments sont essentiels en faible quantité au développement d’espèces biologiques mai également toxiques à plus hautes concentrations. C’est par exemple le cas du chrome, du cuivre et de l’arsenic (Kumpiene et al., 2008). Les activités anthropiques, qu’elles soient industrielles ou agricoles, constituent autant d’apports exogènes critiques potentiels en éléments contaminants dans le milieu naturel. C’est en effet par exemple du cas de traitements du bois (CCA), des traitements de surfaces métalliques, des peintures, des agents phytosanitaires, des herbicides. Les produits issus de ces traitements sont retrouvés dans les sols. Certains de ces contaminants (As, Cr) présentent une toxicité importante pour les organismes vivants, même en faible concentration, qui dépend de leur degré d’oxydation. L’augmentation des apports au milieu naturel, et en particulier au sol, fait de ces contaminants des enjeux majeurs pour la préservation des sols et de leurs fonctions à toutes les échelles. Le chrome, le cuivre, le plomb, le zinc et l’arsenic sont ainsi devenus des contaminants inorganiques communs les plus retrouvés dans les sols et les eaux.
Dans le milieu naturel, ces éléments peuvent subir différents processus géochimiques aux interfaces entre le vivant, les phases organiques et minérales. Ces réactions variées, dans ce milieu complexe qu’est le sol au contact de la biosphère, ou encore de l’hydrosphère, peuvent modifier leur spéciation, modifiant ainsi leur mobilité, leur disponibilité et leur toxicité. Ces contaminants se présentent souvent comme des cocktails d’éléments de fonctionnements peu connus. La spéciation, c’est-à-dire leurs degrés d’oxydation, de protonation, entraine une réactivité géochimique variable vis-à-vis des constituants du sol. Les éléments peuvent ainsi être accumulés, immobilisés, transférés vers d’autres réservoirs. La toxicité des éléments pour le milieu est, elle, générée par la dose, le mode d’exposition, la sensibilité du récepteur biologique, sa physiologie et ses mécanismes cellulaires.
Teneurs, spéciations et mobilité des éléments traces dans les sols
Aux origines naturelles peuvent s’ajouter des apports d’éléments traces d’origine anthropique, qui souvent varient spatialement (Figure I.2) et temporellement (Figure I.3) (Alloway, 2013). Les éléments traces entrent dans la composition de nombreux produits agricoles et industriels. Ces éléments sont utilisés dans la composition d’agents de traitement de surface, de produits phytosanitaires (herbicides, pesticides), d’adjuvants, de peintures ou encore entrent dans la composition de composants électroniques.
Contamination des sols par les apports anthropiques en éléments traces
Enjeux de la contamination des sols par des éléments traces
les pollutions par les éléments traces représentent 22 % des cas de pollution dans les eaux souterraines et 25% des contaminations de sols, parmi les 7 familles de polluants identifiés sur sites et sols pollués (source Basol, 2012) (Figure I.4). Les éléments traces interagissent avec les cycles géochimiques naturels à très court terme, entrainant un changement de spéciation et donc de disponibilité et toxicité de ces éléments. Leur présence à des teneurs élevées en raison des apports anthropiques a pour effet potentiel une profonde modification d’un certain nombre de fonctions du sol, en particulier son pouvoir épurateur. Leur association avec certaines phases minérales ou organiques modifie fortement les équilibres ioniques, et modifie donc également les disponibilités et mobilités des phases organiques.
traces sont lixiviées ou lessivées et les formes persistantes sont fortement liées à des phases stables des sols ou sont intégrées aux cycles biogéochimiques (Baize et Tercé, 2002). Leur accumulation et les contaminations multiples (effet cocktail) accroissent leur toxicité pour le milieu et pour de très nombreuses espèces végétales et animales (Kelley et al., 2002). C’est donc tout le continuum sol-plante-faune qui est affecté. Cette toxicité dépend plus de la forme chimique de l’élément que de sa teneur totale. Si l’on considère l’exemple de l’arsenic sous sa forme la plus fréquente et peu mobile d’arséniate, As (V), cette forme est moins toxique que la forme As (III), plus mobile plus disponible (Hingstone et al., 2001). La spéciation, c’est-à-dire les différentes espèces chimiques de l’élément, est par conséquent un point clé dans la compréhension du comportement des éléments traces. Elle permet de déterminer les types d’interactions entre l’élément considéré et les différents constituants du sol, leur mobilité et donc leur disponibilité et leur toxicité.
La compréhension du comportement des éléments traces est par conséquent cruciale pour comprendre (i) leurs interactions avec les constituants du sol dans des conditions physicochimiques particulières à chaque sol, (ii) comment ces interactions vont conditionner leur mobilité, et (iii) leur impact à terme sur le maintien des fonctions des sols. La gestion de pollutions multiples, courantes dans le cas des sites pollués, est rendue délicate par le comportement et les équilibres variés de ces contaminants en fonction des conditions physico-chimiques de leur environnement et des interactions entre leurs cycles géochimiques (Zheng et al., 2015). Ces conditions sont très variables d’un sol à l’autre et fréquemment modifiées par les contraintes climatiques comme les cycles d’humectation-dessiccation entrainant des phases successives état saturé / état désaturé des sols. Ces variations sont également retrouvées dans les zones de battement des nappes souterraines.
Spéciation des éléments traces et paramètres physico chimiques du sol
La mobilité des éléments traces se définit comme les possibilités de transfert depuis les différentes phases minérales et organo-minérales du sol vers la solution du sol. De très nombreuses interactions existent entre les éléments traces et les différents constituants du sol. Il peut s’agir de réactionsd’adsorption / désorption, de précipitation / dissolution, ou encore de complexation (Figure I.5) :
– L’adsorption non spécifique est permise par des liaisons réversibles à la surface des particules de charge négative du sol. C’est le cas avec les particules de type argile et oxyde (Majone et al., 1996 ; Martinez et McBride, 1998). La réversibilité permet une compétition des cations en solution sur les sites de sorption des particules (Srivastava et al., 2005). Les cations se répartissent autours de la particule, formant une sphère dite externe de cations hydratés. Un changement physico-chimique permet la remobilisation des cations métalliques adsorbés. Certaines adsorptions non spécifiques conduisent à la formation de complexes.
– L’adsorption peut également être spécifique. On parle alors de chimisorption (Yong et al., 1992). Ce type d’adsorption est principalement observé avec les acides humiques, les polysaccharides, les oxydes et hydroxydes d’aluminium, de fer et de manganèse permettant les liaisons sur des sites -OOH (Kumpiene et al., 2008). Une liaison ionique ou covalente se créée entre la phase solide et le cation métallique, après la perte d’une partie de sa sphère hydratée. Une sphère interne se constitue en surface de la particule. La remobilisation de ces cations est alors plus difficile. Le pH est le principal paramètre de stabilisation de ces liaisons en régulant la protonation des surfaces solides.
– La complexation est permise sur les matières organiques du sol (MOS) via les groupements fonctionnels des molécules humiques. Les cations métalliques s’associent avec les ligands organiques.
– La précipitation représente un mécanisme clé pour l’immobilisation des éléments traces dans les sols (Sposito, 1993). Ce processus réversible est contrôlé par le pH du sol, la concentration disponible en éléments dans le milieu, le potentiel redox et la température.
Interaction avec les constituants du sol
Les surfaces fortement réactives vis-à-vis des éléments traces sont celles des fractions les plus fines des constituants du sol. Les affinités des éléments traces pour les différentes phases du sol sont cependant variables (Schneider, 2016) (Figure I.6). La phase minérale des sols comporte de nombreux constituants. On retrouve les argiles, les oxyhydroxydes de fer, de manganèse et d’aluminium, mais également les minéraux phosphatés, soufrés ou carbonatés (Duchaufour, 1995). Leur réactivité est due à leur charge globalement négative de surface. Cette charge est due aux substitutions isomorphes de cations au sein de la structure et aux groupements hydroxyles de surface. Les cations présents à proximité sont attirés par des forces électrostatiques de Coulomb. L’intensité de ces forces électrostatiques est influencée par le pH qui agit sur la protonation des surfaces. Les oxyhydroxydes présentent un assemblage complexe entre des éléments métalliques et des atomes d’oxygène (O) et groupements hydroxyles (OH). Leur réactivité est également fortement dépendante du pH du milieu (degré de dissociation des groupements hydroxyles).
Les phases carbonatées s’associent via leur groupement CO32- aux cations bivalents présents en solution. Sur les surfaces des particules de carbonates, on observe des mécanismes d’adsorption et co-précipitation avec des substitutions possibles de cations métalliques comme avec Cu2+ par exemple. La matière organique des sols (MOS) joue un rôle primordial vis-à-vis des éléments traces. Les nombreux groupements fonctionnels présents permettent l’adsorption ou la complexation des éléments traces. Ils sont ainsi immobilisés dans des structures organo-minérales. Ces structures ou complexes argilo humiques, composés d’argiles et de molécules humiques possèdent des charges négatives de surface. Ces charges négatives leur confèrent une capacité d’échange cationique (CEC) permettant ainsi l’adsorption ou la complexation de cations comme les éléments traces. La CEC est variable d’un type de sol à un autre selon les concentrations en MO. Les éléments traces adsorbés ou complexés à cette MO peuvent alors migrer, ainsi associés aux molécules organiques, plus en profondeur au sein du profil de sol. Leur mobilité est ainsi augmentée grâce à une telle association à la matière organique du sol.
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Table des matières
Remerciements
Introduction générale
Chapitre I : Synthèse bibliographique
Chapitre II : Structure et fonctionnement hydrique des systèmes poreux présents dans les colonnes du banc expérimental
Chapitre III : Développement de biofilms et analyse de leur localisation sur les milieux poreux des colonnes du banc expérimental
Chapitre IV : Composition chimique des percolats et géochimie du système
Chapitre V : Développement de biofilms au sein d’un dispositif de type « Geological Lab on Chip» : Apports de la micro fluidique
Synthèse
Conclusion générale
Liste des références bibliographiques
Tables des figures
Table des tableaux
Annexes
Table des matières
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