Etude expérimentale de la mobilité d'éléments traces (Cr, Cu, Pb, As) à l'échelle d'un système poral bimodal : importance et localisation de l'activité microbienne - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Experimental monitoring of trace elements (Cr, Cu, Pb, As) mobility at a bimodal porous media scale : microbial activity impact and location

Etude expérimentale de la mobilité d'éléments traces (Cr, Cu, Pb, As) à l'échelle d'un système poral bimodal : importance et localisation de l'activité microbienne

Résumé

Many questions remain about the role of microbial activity in the mobility of trace elements in soils. These questions concern both the location of this activity within the porosity and the way it is affected by the saturation or unsaturation conditions of the porosity, or the way in which it affects differently trace elements. Direct and non-destructive methods for macro-microscopic observation are still not widely applied, as is the monitoring of the activity of microbial communities at different scales in the soil. Non-invasive techniques such as X-ray micro-tomography are increasingly used for soil characterization, but biofilm viewing requires more complex image processing. Understanding the development of biofilms and their in situ activity remains limited, but new experimental and observation capacities are emerging thanks to the development of micro fluidic devices such as "lab on chip" or geological lab on chips « GLoCs ». The objective of the present PhD is to better understand the conditions of establishment of microbial "hotspot" habitats in heterogeneous porous media, saturated or not, and their effects on their micro-environment as well as on the mobility of trace elements in contaminated soils. Two experimental devices were used on the basis of a configuration of complementary scales: small centimetric-sized columns and "lab-on-a-chip" sub-centimeter dimensions, the two devices having a simplified bimodal porous structure, properties mimicking the structure of a heterogeneous natural soil. Water transfer experiments in biotic and abiotic conditions were carried out to observe the impact of biofilms on the bio-geochemistry of small-scale environments under saturated and unsaturated water conditions, similar to the conditions of a real soil. The set of geochemical parameters monitored on the experimental system defines four geochemical environments, consistent with natural water percolation conditions. The monitoring of the redox potential, not often monitored on this type of experimental system, has made it possible to highlight the importance of biological activity on their geochemical microenvironments. Unlike natural soils containing more organic matter than technosols of industrial sites, the evolution of the redox potential is governed by the biological activity with respect to Fe and Mn and not by the oxidation of the organic matter and the availability in oxygen. The hydric parameter governs the installation of biofilms and seems to lead indirectly to a differentiation or selection of the populations present in the microbial consortium. The biological activity was higher under saturated conditions, and the processes appear to be more active in transition zones in terms of pore size, as observed by scanning electron microscopy, X-ray micro-tomography, via observations on lab-on-chip and via carbon concentrations in different particle size fractions. Under the two distinct hydric conditions, biofilms control the geochemical system and the redox potential leading to the immobilization of Cu, Pb and As, but also to the release of Cr in its most toxic form. The simplification of the system by percolation on sands made it possible to reproduce conditions close to technosols of industrial sites,which are generally poor in organic matter.
De nombreuses questions demeurent quant au rôle de l’activité microbienne dans la mobilité des éléments traces dans les sols. Ces questions concernent tout autant la localisation de cette activité au sein de la porosité que la façon dont elle est affectée par les conditions de saturation ou de non saturation de la porosité, ou encore la façon dont elle affecte différemment les éléments traces. Les méthodes directes et non destructives pour l’observation de la macro- à la micro-échelle sont encore peu appliquées, de même que le suivi de l'activité des communautés microbiennes à différentes échelles dans le sol. Des techniques non invasives telles que la micro-tomographie à rayons X sont de plus en plus fréquemment utilisées pour la caractérisation du sol mais l'observation de biofilms nécessite un traitement plus complexe de l'image. La compréhension du développement des biofilms et de leur activité in situ reste limitée mais de nouvelles capacités d’expérimentation et d’observation apparaissent grâce au développement de dispositif micro fluidique de type « lab on chip » ou geological lab on chips « GLoCs ». L’objectif de la présente thèse est de mieux comprendre la mise en place des habitats microbiens «hotspot» dans les milieux poreux hétérogènes, saturés ou non, et leurs effets sur leur microenvironnement ainsi que sur la mobilité des éléments traces dans un sol contaminé. Deux dispositifs expérimentaux ont été utilisés sur la base d’une configuration d’échelles complémentaires : des petites colonnes de dimension centimétrique et des « laboratoires sur puce » de dimension sub-centimétrique, les deux dispositifs présentant une structure poreuse bimodale simplifiée, de propriétés mimant la structure d’un sol naturel hétérogène. Des expériences de circulation d’eau en conditions biotiques et abiotiques ont été réalisées afin d’observer l'impact de la microflore sur la bio-géochimie des milieux à petite échelle sous des conditions hydriques saturées et non saturées. L’ensemble des paramètres géochimiques suivis sur le système expérimental définit quatre environnements géochimiques cohérents avec des conditions de percolation d’eaux naturelles. Le suivi du potentiel redox, peu suivi sur ce type de système expérimental, a permis de mettre en avant l'importance de l'activité biologique sur les microenvironnements géochimiques. Contrairement aux sols naturels contenant plus de matière organique que les friches industrielles, l’évolution du potentiel redox est contrôlé par l’activité biologique vis-à-vis du Fe et du Mn et non par l’oxydation de la matière organique et la disponibilité en oxygène. Le paramètre hydrique régit l’installation des biofilms et semble entrainer indirectement une différenciation ou une sélection des populations en présence dans le consortium microbien. L'activité biologique apparait plus élevée dans les conditions saturées, et les processus semblent plus actifs dans des zones de transition en termes de taille de pores, comme observé en microscopie électronique à balayage, en micro-tomographie à rayons X, via les observations sur lab-on-chip et via les concentrations en carbone dans différentes fractions granulométriques. Sous les deux conditions hydriques distinctes, les biofilms contrôlent le système géochimique et le potentiel redox conduisant à l'immobilisation du Cu, du Pb et d’As mais aussi à la libération de Cr sous sa forme la plus toxique. La simplification du système par percolation sur sables a permis de reproduire des conditions proches des technosols de friches industrielles généralement peu organiques.
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Citer

Chloé Caurel. Etude expérimentale de la mobilité d'éléments traces (Cr, Cu, Pb, As) à l'échelle d'un système poral bimodal : importance et localisation de l'activité microbienne. Autre. Université d'Orléans, 2019. Français. ⟨NNT : 2019ORLE2004⟩. ⟨tel-02968115⟩
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