Transfert de polluants inorganiques dans un technosol de brûlage d’armes organo-arséniées soumis à un apport de matière organique et à des cycles de saturation/désaturation : expérimentation en mésocosme

Transfer of inorganic pollutants in a burning ground for organo-arsenical ammunition submitted to an input of organic matter and to saturation/desaturation cycles : a mesocosm study

• Auteur / Autrice : Hugues Thouin
• Direction : Fabienne Battaglia-Brunet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science de la Terre et de l’Univers
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Mikaël Motelica-Heino
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Battaglia-Brunet, Mikaël Motelica-Heino, Jérôme Rose, Mélanie Davranche, Georges Ona-Nguema, Patrick Billard, Fatima Laggoun-Defarge, Lydie Le Forestier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Rose, Mélanie Davranche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycles biogéochimiques

Matière organique

Métaux

Arsenic

Technosols

Sites contaminés

Armes chimiques -- Élimination

Mots clés libres

Destruction de munitions chimiques

Sol

Arsenic

Métaux

Matière organique

Cycles sec/humide

Transformation microbienne de l’As

Mésocosme

Chemical ammunition destruction

Soil

Arsenic

Heavy metals

Organic matter

Dry/wet cycles

Microbial As transformation

Mesocosm monitoring

Résumé

La destruction par brûlage de munitions chimiques de la Première Guerre Mondiale a provoqué une contamination importante de la partie supérieure du sol du site de la Place-à-Gaz par l’arsenic, le zinc, le cuivre et le plomb. Le traitement thermique a eu pour effet de minéraliser l’As des agents de guerre organoarséniés, et de former un assemblage minéral inattendu composé d’arséniates de Zn, Cu et Fe, et d’une phase amorphe riche en Fe, As, Zn, Cu et Pb. Ce matériel amorphe est la principale phase porteuse de l’As et des métaux dans la zone la plus polluée. Le site est sujet à des changements environnementaux pouvant affecter la stabilité des contaminants inorganiques. Afin d’évaluer l’impact d’épisodes de saturation en eau et de l’apport de matière organique sur les cycles biogéochimiques des métaux et de l’As, une étude en mésocosme a été menée. Les résultats montrent que la phase amorphe est instable en conditions saturées, et libère des contaminants dans l’eau interstitielle du sol. Comme sur le site, les contaminants les plus mobiles sont le Zn et l’As. L’addition de matière organique a induit une immobilisation de l’As, par piégeage de l’As V sur les oxyhydroxydes de fer, dans la partie saturée du sol. La caractérisation du compartiment microbien a été effectuée via des dénombrements, une analyse de la diversité bactérienne et des tests d’activités d’oxydation de l’As III et de respiration et. Les résultats montrent que les microorganismes ont contribué activement au métabolisme du C et de l’As. L’apport de matière organique a promu la croissance des microorganismes As III-oxydants et As Vréducteurs et modifié la structure des communautés bactériennes. Cependant, un effet négatif de la matière organique sur la vitesse d’oxydation de l’As III a été observé, entrainant une augmentation des concentrations d’As III en solution. Cette étude en mésocosme a montré que le dépôt naturel de litière organique a des conséquences antagonistes sur le transfert des contaminants inorganiques. Ces résultats fournissent de plus amples informations sur l’impact environnemental de la Grande Guerre et, de façon plus générale, sur les processus biogéochimiques contrôlant le comportement des métaux/métalloïdes sur les sites pollués.

The thermal destruction of chemical munitions from World War I, on the site of “Place-à-Gaz”, induced intense local top soil contamination by arsenic and heavy metals. The heat treatment mineralized As from organoarsenic warfare agents, resulting in a singular mineral assemblage, composed of Zn, Cu and Fe arsenates and of an amorphous phase rich in Fe, As, Zn, Cu and Pb. The amorphous material was the principal carrier of As and metals in the central part of the site. The site undergoes environmental changes which may alter the stability of inorganic contaminants. To assess the impact of water saturation episodes and input of bioavailable organic matter on the biogeochemical cycles of metal(loid)s, a mesocosm study was conducted. Results showed that amorphous phase was instable in saturated conditions, and released contaminants in soil water. As previously observed on site, the most mobile contaminants were Zn and As. The addition of organic matter induced the immobilization of As by trapping of As V onto hydrous ferric oxides in the saturated soil. Microbial characterizations including counting, bacterial community structure, respiration, and determination of As IIIoxidizing activities were performed. Results showed that microorganisms actively contribute to the metabolisms of C and As.The addition of organic matter induced the increase of As III-oxidizing and As V-reducing microorganisms concentrations and modified the bacterial diversity. However, a negative effect of organic matter on the activity of As III oxidation was observed resulting in higher As III concentration in soil water. This study showed that the natural deposition of forest organic litter on the site, induced antagonist effects on the transfer of inorganic pollutants did not immobilize all the Zn and As and even contributed to As III transport to the surrounding environment. These results provide more information about the environmental impact of the Great War and more generally about the processes driving the behavior of metals/metalloids on polluted sites.