Etude de l’effet de facteurs environnementaux sur les processus biogéochimiques de mobilisation du Pb, Zn, Cd, As et Hg dans les sols : Modélisation empirique de la mobilité et phytodisponibilité des ETM, Environmental factors effect on biogeochemical processes of Pb, Zn, Cd, As and Hg mobility in soils : Empirical modelisation of Trace Elements mobility and phytoavailability
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Thèse soutenue le 12 mars 2008: Nancy 1
La pollution des sols par les Eléments Traces Métalliques est un problème majeur car, contrairement aux autres milieux, le sol possède une plus faible capacité à s’épurer. Les différents modèles empiriques exprimant la solubilité et le coefficient de distribution Kd de ces polluants inorganiques dans les sols ne tiennent pas compte de l’influence des facteurs environnementaux. Le travail de thèse a consisté à étudier l’effet de facteurs environnementaux, dits « sensibles au changement global », sur la mobilité de Cd, Pb, Zn, As et Hg dans les sols, à l’aide d’un plan factoriel fractionnaire 24-1. Onze échantillons de sol représentatifs de 3 sites d’études industriels et agricoles des bassins de la Meuse et de l’Ebre ont été étudiés dans le cadre du projet européen AQUATERRA. Le comportement de As n’est pas significativement corrélé à la nature intrinsèque des échantillons de sol mais à l’augmentation de la température et à une condition anoxique. Ces facteurs stimulent les activités microbiennes de solubilisation de As tels que réduction dissolutive microbienne des oxyhydroxydes de Fe et la réduction de As(V). La forte implication de l’activité microbienne permet de modéliser la mobilité de As en fonction des facteurs environnementaux, pour l’ensemble des 11 échantillons de sol. A l’inverse, le comportement de Cd, Pb et particulièrement Zn, est très significativement corrélé à la nature des échantillons de sol et notamment le pH du sol. Enfin, la phytodisponibilité de Cd, Pb, Zn et As a été estimée, à l’aide d’un système à compartiment, et modélisée de manière empirique, afin de permettre une meilleure compréhension des phénomènes de transfert sol-plante.
-processus biogéochimique
-Eléments Traces Métalliques
-sols contaminés
Pollution induced by trace elements in soils is a major environmental problem because, compared to atmospheric and water pollution, the soil environment is much less resilient. Few studies have been conducted on the effect of environmental factors on trace elements mobility. The different empirical models expressing trace elements solubility and distribution coefficient in soils don’t take into account the effect of these factors. The thesis study the effect of global-change-sensitive factors on Cd, Pb, Zn, As and Hg mobility in soils, using a 24-1 fractional factorial design. Eleven soil samples representative of the 3 industrial and agricultural studied sites of the Meuse and Ebro basins have been studied in the framework of the European AQUATERRA project. As behaviour is not significatively linked to intrinsic nature of soil samples but to the temperature increase and to an anaerobic condition. These factors stimulate microbial activities involved in As solubilisation processes such as microbial dissolutive reduction of Fe oxyhydroxydes and As(V) reduction. The strong influence of microbial activity allow to model As mobility as a function of environmental factors for the whole 11 soil samples. On the contrary, Cd, Pb and above all Zn behaviour, are correlated very significatively to the nature of soil samples like soil pH. Finally, Cd, Pb, Zn and As phytoavailability have been assessed thanks to a compartment system and modelled empirically which aims to better estimate of soil-plant transfer processes.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10019/document
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➢ Contact SCD Nancy 1 : theses.sciences@scd.uhp-nancy.fr
LIENS
Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4
Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm Remerciements
C’est un plaisir délicat de rédiger cette page de remerciements. Beaucoup de personnes ont participé à
l’élaboration de ce travail et j’aimerais avant tout remercier mes encadrants Michel Jauzein (LIMOS)
et Francis Garrido (BRGM). Ils ont toujours su m’accorder une grande part d’autonomie et de prise de
décision. Je garde chaleureusement en souvenir une campagne de terrain en Espagne (illustrée Figure
28) comme on aimerait tous en faire. Merci Michel pour votre gentillesse et pour la confiance que
vous m’avez accordée. Merci pour votre enseignement, notamment en Sciences du sol et en
statistiques. Merci enfin pour ces moments de complicité patriarcale dont a besoin un
thésard…Francis, je me souviendrai encore longtemps (et Cathy aussi je pense) de cette fameuse
conférence. Le simple fait d’y repenser me donne encore le fou rire !!! Merci pour ton rôle d’encadrant
excellemment dosé, ta gentillesse et tes précieux conseils.
Je tiens vivement à remercier Corinne Leyval qui m’a accueilli au sein du LIMOS, qui a accepté de
juger ce travail et qui a surtout su employer les mots justes dans un moment de doute et de remises en
question.
Je remercie profondément Alain Bourg dont l’enseignement m’a donné goût aux Sciences du sol et à
la recherche. Merci de m’avoir permis de vivre une expérience Erasmus extraordinaire à Varsovie et
d’avoir rapporté ce travail. Je tiens également à remercier Jacques Poulicard et plus particulièrement
Thierry Pigot de m’avoir aiguillé vers la formation MST « Traitement des Pollutions et Nuisances »
(aujourd’hui Master « Evaluation, Gestion et Traitement des Pollutions »). Sans cela, je me serais
probablement perdu sur les bancs de la fac ou plutôt sur la superbe pelouse du campus !
Un grand merci à Serge Brouyère d’avoir rapporté ce mémoire et d’y avoir apporté des remarques
pertinentes qui ont permis d’améliorer la qualité du manuscript. Merci à la SPAQUE de nous avoir
permis d’investiguer le site de Flémalle. Merci également à Cécile Grand, Philippe Freyssinet et
Christophe Schwartz d’avoir jugé ce travail. Je remercie à nouveau Cécile Grand ainsi que Marie-
Claire Lett et Patrick Billard pour avoir apporté un regard extérieur ainsi que de précieux conseils par
le biais d’un comité de pilotage.
Merci à toute l’équipe de l’unité Ecotechnologie du BRGM pour leur accueil et leur bonne humeur.
Merci à Marianne, Caroline, Cathy (le Sud en force !!), Dominique M., Stephanie et plus
particulièrement Dominique Breeze qui m’a rudement bien aidé pour mes manips et qui m’a surtout
bien encadré au sein du Labo (Cucuuu Dom !!).
Tout travail serait bien triste sans la participation et le soutien de ses collègues et je pense tout d’abord
aux deux Isabelle, à Thierry, véritable « liant » de l’équipe Limosienne et responsable en grande partie
de l’ambiance joviale du Labo (ne change rien Thierry, absolument rien, sauf la clope peut être), à mes
voisins de bureau Céline et Pierre (membre actif d’« Apple Forever » et « Switcher Heureux ») ainsi
que Patrick et Christian (fondateur superactif d’« Apple Forever » et véritable philosophe des
sciences ; nos éclectiques discussions vont profondément me manquer mais tu as su partager des idées,
des concepts, une morale qui ne me quitteront plus). Un grand merci à Denis, patriarche expérimenté
et attentionné qui m’a beaucoup appris tant sur le plan scientifique que sur le plan humain. Merci à
David, féroce et cultivé opposant politique dont les joutes à la cantine me manquent déjà. Merci et
bonne route à Aurélie, Paulo, Nadim, Anne (félicitations !), Emile, Jean-Pierre, Diane, Marie-Paule,
Jojo, Christine, Chantal (alias « Maman thésard »), Dominique, Gosia (Czesc !!), Clarisse, Colette,
Hervé, Sylvie, Jeanne, Arsène, Judicaël, Mr. Berthelin et Mr. Toutain.
Merci à vous Brice, Omar et Thomas d’avoir apporté vos pierres à l’édifice.
Je remercie et embrasse bien fort toute ma famille et plus particulièrement mes parents de m’avoir
permis de réaliser de si longues études (ouf !), pour leur soutien et leur amour. Cette thèse leur est
dédiée. Merci enfin à celle sans qui je n’aurais jamais fini ce travail et qui partagera ma vie encore
pendant longtemps : Anne-Laure.
Table des matières
VALORISATION SCIENTIFIQUE DES TRAVAUX ...........................................................................................1
INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................................................5
1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ........................................................................................................................10
1.1. PROCESSUS DE MOBILITE DES ETM DANS LES SOLS ....................................................................................10
1.1.1. Processus physico-chimiques de mobilité des ETM dans les sols......................................................12
Des interactions physico-chimiques variées..................................................................................................................... 12
• Equilibre d’adsorption/désorption ........................................................................................................................ 12
• Equilibre de précipitation/dissolution................................................................................................................... 15
• Equilibre de formation/dissociation de complexes en solution .......................................................................... 17
1.1.2. Processus biologiques de mobilité des ETM dans les sols : influence des bactéries du sol et
transfert aux plantes ............................................................................................................................................19
Influence des bactéries du sol............................................................................................................................................ 19
• Processus métaboliques ......................................................................................................................................... 19
• Biosorption-Bioaccumulation ............................................................................................................................... 22
Transfert des ETM aux plantes.......................................................................................................................................... 23
• Mécanismes............................................................................................................................................................ 23
• Phytorémédiation ................................................................................................................................................... 25
• Modélisation du transfert des ETM aux plantes .................................................................................................. 26
1.1.3. Facteurs de régulation de la mobilité des ETM ..................................................................................26
Le pH................................................................................................................................................................................... 27
Le potentiel d’oxydo-réduction Eh ................................................................................................................................... 28
La température.................................................................................................................................................................... 28
1.2. MOBILITE DE ARSENIC, CADMIUM, ZINC, PLOMB ET MERCURE DANS LES SOLS.......................................29
1.2.1. Arsenic....................................................................................................................................................29
Général
