Etude de l'effet de facteurs environnementaux sur les processus biogéochimiques de mobilisation de - Page 1 - test Tous nos livres sont imprimés dans les règles environnementales les plus strictes Il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement la présente publication sans autorisation du Centre Français d’exploitation du droit de Copie (CFC) – 20 rue des GrandsAugustins – 75006 PARIS – Tél. : 01 44 07 47 70 / Fax : 01 46 34 67 19. © Éditions Edilivre – Collection Universitaire – 2008 ISBN : 978-2-8121-0156-4 Dépôt légal : Décembre 2008 Tous droits de reproduction, d’adaptation et de traduction, intégrale ou partielle réservés pour tous pays. Antoine Joubert Etude de l’effet de facteurs environnementaux sur les processus biogéochimiques de mobilisation de Pb, Zn, Cd, As et Hg dans les sols Modélisation empirique de la mobilité et phytodisponibilité des ETM Editions EDILIVRE APARIS Collection Universitaire 75008 Paris - 2008 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 MarieClaire 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 Processus physico-chimiques de mobilité des ETM dans les sols......................................................12 Equilibre d’adsorption/désorption ........................................................................................................................ 12 Equilibre de précipitation/dissolution................................................................................................................... 15 Equilibre de formation/dissociation de complexes en solution .......................................................................... 17 1.1.1. • • • Des interactions physico-chimiques variées ..................................................................................................................... 12 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 Arsenic....................................................................................................................................................29 1.2.1. Généralités .......................................................................................................................................................................... 29 Influence des paramètres physico-chimiques et des principaux constituants du sol sur la mobilité de As.................. 30 Influence des bactéries sur la mobilité de As dans les sols ............................................................................................. 33 Transfert de As aux plantes ............................................................................................................................................... 35 1.2.2. Cadmium ................................................................................................................................................36 Généralités .......................................................................................................................................................................... 36 Influence des paramètres physico-chimiques et des principaux constituants du sol sur la mobilité de Cd.................. 36 Influence des bactéries sur la mobilité de Cd dans les sols ............................................................................................. 38 Transfert de Cd aux plantes ............................................................................................................................................... 38 1.2.3. Zinc .........................................................................................................................................................38 Généralités .......................................................................................................................................................................... 38 Influence des paramètres physico-chimiques et des principaux constituants du sol sur la mobilité de Zn.................. 39 Influence des bactéries sur la mobilité de Zn dans les sols ............................................................................................. 40 Transfert de Zn aux plantes ............................................................................................................................................... 40 1.2.4. Plomb......................................................................................................................................................40 Généralités .......................................................................................................................................................................... 40 Influence des paramètres physico-chimiques et des principaux constituants du sol sur la mobilité de Pb .................. 41 Influence des bactéries sur la mobilité de Pb dans les sols.............................................................................................. 42 Transfert de Pb aux plantes................................................................................................................................................ 42 1.2.5. Mercure ..................................................................................................................................................43 Généralités .......................................................................................................................................................................... 43 Influence des paramètres physico-chimiques et des principaux constituants du sol sur la mobilité de Hg ................. 44 Influence des bactéries sur la mobilité de Hg dans les sols ............................................................................................. 45 Transfert de Hg aux plantes ............................................................................................................................................... 46 1.3. MODELISATION DE LA MOBILITE DES ETM DANS LES SOLS ........................................................................47 Méthodes d’estimation de la mobilité et de la biodisponibilité des ETM dans les sols ....................47 Partitionnement solide-solution : le coefficient de distribution Kd ...................................................48 1.3.1. 1.3.2. Définition ............................................................................................................................................................................ 48 Inadéquation ....................................................................................................................................................................... 49 Utilisation et gamme de valeurs dans les sols .................................................................................................................. 49 1.3.3. Modèles empiriques de solubilité des ETM dans les sols ...................................................................51 Modélisation empirique et mécanistique .......................................................................................................................... 51 Modélisation de la concentration dissoute et Kd des ETM en fonction des caractéristiques des sols (Etude bibliographique) ................................................................................................................................................................. 53 • • Expressions de la concentration dissoute en ETM .............................................................................................. 53 Expressions du Kd des ETM................................................................................................................................. 55 1.3.4. Objectifs scientifiques............................................................................................................................56 Influence de facteurs environnementaux sur la mobilité des ETM dans les sols dans le contexte du changement global................................................................................................................................................................................... 56 Estimation et modélisation de la phytodisponibilité des ETM dans les sols.................................................................. 57 2. EFFETS DE FACTEURS ENVIRONNEMENTAUX SUR LA MOBILITE DES ETM DANS LE CONTEXTE DU CHANGEMENT GLOBAL .......................................................................................................58 2.1. 2.2. OBJECTIFS.......................................................................................................................................................58 MATERIELS ET METHODES .............................................................................................................................58 Sites d’étude et campagnes d’echantillonnage ....................................................................................58 Le site de De plateaux-Hageven ........................................................................................................................... 60 Le site de Flémalle................................................................................................................................................. 62 2.2.1. • • • Bassin de la Meuse............................................................................................................................................................. 59 Bassin de l’Ebre.................................................................................................................................................................. 67 Le sous-bassin Gallego.......................................................................................................................................... 67 2.2.2. Conditionnement des échantillons........................................................................................................71 Échantillons de sol.............................................................................................................................................................. 71 Échantillons de sédiment ................................................................................................................................................... 71 2.2.3. 2.2.4. Analyses..................................................................................................................................................71 Plan d’expérience ..................................................................................................................................72 Définitions .......................................................................................................................................................................... 72 Construction du plan factoriel fractionnaire ..................................................................................................................... 73 • • • Définition et interprétation théorique ................................................................................................................... 73 Modélisation des données ..................................................................................................................................... 77 Paramétrisation des facteurs et hypothèses de travail ......................................................................................... 78 2.2.5. Incubation de sol en système fermé (batch) et analyse de la phase aqueuse.....................................81 Préparation des réacteurs (de type « batch ») ................................................................................................................... 81 Analyses des solutions de sol ............................................................................................................................................ 82 2.2.6. • • • Traitements statistiques.........................................................................................................................83 Principe................................................................................................................................................................... 83 Corrélation ou covariance ?................................................................................................................................... 83 Représentations graphiques................................................................................................................................... 84 Analyse en Composante Principale (ACP)....................................................................................................................... 83 Test de corrélation de Pearson........................................................................................................................................... 84 Modélisation des données .................................................................................................................................................. 84 • • • Régressions linéaires ............................................................................................................................................. 84 Méthodes ................................................................................................................................................................ 85 Diagnostic de régression ....................................................................................................................................... 86 2.3. RESULTATS.....................................................................................................................................................86 Propriétés et sélection des échantillons de sol ....................................................................................86 2.3.1. De plateaux-Hageven ......................................................................................................................................................... 86 Flémalle............................................................................................................................................................................... 90 Sous-bassin Gallego ........................................................................................................................................................... 93 Hétérogénéité des échantillons de sol ............................................................................................................................... 96 2.3.2. Cinétiques de pH, Eh et de solubilisation des ETM ..........................................................................100 Cinétiques de pH et Eh..................................................................................................................................................... 101 Cinétiques de solubilisation de As et Zn......................................................................................................................... 103 Cinétiques de solubilisation de Pb et Cd......................................................................................................................... 106 Cinétiques de solubilisation de Hg.................................................................................................................................. 108 2.3.3. 2.3.4. 2.3.5. 2.3.6. • • Loi de distribution des données ..........................................................................................................109 Facteurs environnementaux influents sur la solubilisation des ETM ..............................................110 Effet du sol ou effet des facteurs environnementaux sur la solubilisation des ETM ? ....................129 Modélisation de la solubilité des ETM...............................................................................................133 Modélisation des concentrations dissoutes des ETM en fonction des caractéristiques des échantillons de sol 134 Modélisation des coefficients de distribution Kd des ETM en fonction des caractéristiques des échantillons En fonction des caractéristiques des échantillons de sol ............................................................................................... 133 de sol ............................................................................................................................................................................ 135 En fonction des effets des facteurs environnementaux .................................................................................................. 137 • • Modélisation des concentrations dissoutes en ETM en fonction des effets des facteurs environnementaux 137 Modélisation des coefficients de distribution Kd des ETM en fonction des effets des facteurs environnementaux ....................................................................................................................................................... 145 2.4. DISCUSSIONS ................................................................................................................................................148 Facteurs de contrôle de la mobilité des ETM ....................................................................................148 2.4.1.
Etude de l'effet de facteurs environnementaux sur les processus biogéochimiques de mobilisation de - Page 1
Etude de l'effet de facteurs environnementaux sur les processus biogéochimiques de mobilisation de - Page 2
wobook
edilivre.com