Soutenance mémoire
Dans notre société actuelle, les métaux comme le cuivre (Cu),le nickel (Ni), le plomb (Pb), le zinc (Zn), sont omniprésents dans l’environnement. L’utilisation de ces métaux va des industries les plus variées à des sources liées aux transports, depuis la combustion des énergies fossiles jusqu’aux additifs dans différents produits de moteur et éléments de moteur et de carrosserie. Ils sont également utilisés dans l’agriculture,les matériaux de construction, jusqu’à nos vêtements et produits ménagers ainsi que dans de nombreux médicaments et cosmétiques qui contiennent aussi des métaux (Kevin et al., 2008; Luoma and Rainbow, 2008b; Thévenot et al., 2009; Thorpe and Harrison, 2008).
Alors que ces métaux sont d’origine naturelle, les utilisations anthropiques répandues de ces éléments non-dégradables ont comme conséquences l’accumulation de ces éléments dans certains compartiments de l’environnement. Ces métaux sont connus pour être toxiques au-delà d’un certain seuil de concentration (Förstner and Wittmann, 1983; Nriagu, 1988) ce qui explique le nombre important d’études sur les métaux dans l’environnement (Chiffoleau et al., 1994; Dupré et al., 1996; Horowitz, 1991; Peltier et al., 2003; Thévenot et al., 2007). Plusieurs milieux sont considérés comme des endroits susceptibles à la perturbation par les contaminations métalliques. Parmi ces milieux, on trouve les rivières situées dans des bassins versants anthropiques. Les zones urbanisées en pays développés sont en grande partie couvertes par les surfaces imperméables des infrastructures urbaines. En conséquence, la plupart de métaux émis dans un bassin versant se trouveront ainsi transportés rapidement vers les fleuves par le ruissellement des pluies sur ces surfaces imperméables. Ces métaux sont pour certains essentiels pour les organismes biologiques à l’état de traces (c’est le cas du zinc) ettous deviennent toxiques au-delà d’une certaine concentration. Du fait de leur nature résistante et non-biodégradable, ils peuvent donc s’accumuler dans les différents compartiments de l’environnement, dont les êtres vivants dans lesquels ils peuvent également se « magnifier », phénomènes appelés bioaccumulation et biomagnification, respectivement. De nombreuses études sont menées dans le but de mieux comprendre le comportement de ces métaux dans l’environnement et d’en déduire leur mobilité et toxicité. Les métaux dont les concentrations sont le plus impactées par les activités humaines et en conséquence les plus étudiées sont l’arsenic (As), le cuivre (Cu), le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le cobalt (Co), le mercure (Hg), le nickel (Ni), le plomb (Pb) et le zinc (Zn) (Houhou et al., 2009; Le Cloarec et al., In Press; Pernet-Coudrier et al., 2008; Weber et al., 2009). Il existe également des métaux dont l’utilisation a augmenté récemment. Il s’agit de l’antimoine (Sb), l’argent (Ag) et le thallium (Tl) (Blaser et al., 2008; Lanzano et al., 2006j; Rozan et al., 2000; Rubio and Lopez-Sanchez, 2007; Thorpe and Harrison, 2008).
Pour contraindre les dommages subis par l’écosystème, la Directive Cadre Européenne sur l’Eau (DCE) impose un « bon état écologique » pour tous les milieux aquatiques dans les pays membres en 2015. Evidemment, sur la liste des substances prioritaires présentant des risques significatifs, il y a parmi d’autres Ni et Pb. La concentration de ces substances est donc mesurée régulièrement pour identifier le niveau de contamination afin de s’assurer qu’ils ne posent pas de risques pour les êtres vivants.
Néanmoins, la mobilité des métaux dans le cours d’eau et l’accumulation des métaux chez les organismes aquatiques ne dépendent pas seulement de leur concentration totale dans l’eau. Dans un réseau fluvial, les métaux sont introduits dans le système sous plusieurs formes. Ils peuvent exister sous la forme d’ions libres, d’ions associés à des ligands organiques ou inorganiques adsorbés ou non sur une phase porteuse, ou sous la forme précipités ou cristallisés. La nature des associations des métaux avec de nombreux ligands dans la colonne d’eau, appelée la spéciation des métaux, a un rôle important pour évaluer les risques que posent ces métaux. Alors que seules les concentrations des métaux dissous dans le milieu aquatique sont limitées par la DCE, la phase particulaire a un rôle important dans la géochimie des métaux dans la colonne d’eau. Du fait de la dynamique géochimique et des échanges entre phase dissoute et particulaire, cette dernière est à la fois une source et un puits des métaux pour la phase dissoute (Kalnejais et al.,2007). Selon la nature des liaisons, les métaux particulaires peuvent être plus ou moins mobiles vers la phase dissoute et/ou disponibles pour les êtres vivants. De plus, ces métaux particulaires posent également des risques directs via l’ingestion de particules contaminées par les organismes aquatiques filtreurs (Reeders et al., 1989).
Tous ces enjeux font de la caractérisation des phases porteuses particulaires des métaux dans le cours d’eau une étape indispensable dans l’étude de la contamination métallique. D’autant plus dans un bassin fortement anthropisé où le niveau important de métaux utilisés qui risquent de contaminer l’écosystème est confronté aux enjeux économiques et écologiques du bassin. La Seine, un cours d’eau situé dans le nord-ouest de la France, est un exemple intéressant de cette confrontation d’enjeux. Pour la France, elle est une rivière située dans un bassin sédimentaire traversant Paris et qui accueille 25% de son activité agricole, 30% de ses industries et 23% de sa population (Thévenot et al., 2007). Des études précédentes ont démontré le niveau important des teneurs en métaux particulaires dans la rivière. Par exemple, pour un niveau de fond de 60 mg/kg en zinc (Thévenot et al., 2002), la teneur en zinc peut aller jusqu’à 1317 mg/kgdans le sédiment déposé lors de crues dans les palines d’inondation (Le Cloarec et al., In Press) et 575 mg/kg dans le sédiment issu de dragage (Meybeck et al., 2007a).De plus, des variations importantes des concentrations en métaux dissous dans la colonne d’eau sont observées, avec plusieurs hypothèses sur les facteurs explicatifs(Elbaz-Poulichet et al., 2006; Pepe et al., 2008; Tusseau-Vuillemin et al., 2007). Au cours de cette thèse, les phases porteuses de métaux particulaires dans la colonne d’eau de la Seine ont été caractérisées avec pour objectifs de a) définir la spéciation des métaux dans la phase particulaire ; b) mieux comprendre les origines des métaux particulaires et les impacts de sources anthropiques sur la spéciation ; c) comprendre la contribution des métaux particulaires à la variation des concentrations en métaux dissous.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I – Contexte
1 L’abondance des métaux en phase particulaire
2 Les Métaux dans la phase Solide
2.1 Chimie aux interfaces : Propriétés des phases porteuses
2.1.1 Les phases porteuses
2.2 Précipitation et dissolution
2.3 Réaction d’oxydo-réduction
3 Méthodes analytiques des phases porteuses
3.1 Méthodes destructives
3.2 Méthodes directes
4 Stratégie du suivi du milieu
Chapitre 2 – L’importance des métaux particulaire dans la colonne d’eau de la Seine : Une étude de répartition entre les particules, la fraction « dissous total » et la fraction « dissous labile »
Avant-Propos
1 Topic introduction
2 Methodology
2.1 Study site
2.2 Physico-chemical parameters
2.3 Metal sampling and analysis
2.3.1 Dissolved fraction sampling
2.3.2 Labile fraction sampling
2.3.3 Suspended Particulate Matter (SPM) sampling
2.3.4 Trace metal analysis
2.4 Two-phase concentration index (CI) calculation
2.5 Labile – Inert – Solid Partitioning
3 Results
3.1 River Chemistry
3.2 Labile – Inert – Solid Partitioning
3.3 Two-phase Concentration Index (CI)
4 Discussion
4.1 Discrete vs time-integrated concentration indexes
4.2 Urbanization impacts observed by time-integrated CI
5 Conclusion
References
Conclusion Générale
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