Caractérisation et stabilité de la matière organique des sédiments des grandes retenues

Characterization and stability of organic matter in dam sediments

• Auteur / Autrice : Sylvain Bascle
• Direction : Michel Baudu, Isabelle Bourven
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Environnement
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie, écologie, géosciences et agrosciences Théodore Monod (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Agroressources, Biomolécules et Chimie pour l'Innovation en Santé (Limoges ; 2018-)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Joussein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Baudu, Isabelle Bourven, Brice Mourier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mélanie Davranche, Eric Van Hullebusch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthanisation

Sédiments lacustres

Mots clés libres

Sédiment de retenue

Demande en oxygène

Méthanisation

Extraction séquentielle

Interaction organo-minérale

Matière organique

Lacustrine sediment

Oxygen demand

Methanization

Sequential extraction

Organo-mineral interaction

Organic matter

Résumé

Les retenues hydroélectriques induisent une accumulation sédimentaire, constituant une réserve importante de matière organique (MO), qui peut être à l’origine de difficultés de gestion. Leur élimination est bien souvent réalisée par des chasses, qui appauvrissent temporairement en oxygène le biotope en aval du barrage. Le sédiment accumulé n’est pas une matrice stable, et peut être à l’origine d’émissions de gaz à effet de serre, en particulier dans des conditions anaérobies in situ. La minéralisation de la MO dans les matrices organo-minérales, est contrôlée par son caractère biodégradable et/ou bioaccessible. Pour une matrice de type « sol », il a été récemment établi que la minéralisation de la MO dépendait surtout de son interaction avec la matrice organo-minérale, selon le « soil continuum model ». Nous avons donc approché les mécanismes, impliqués dans la stabilité de la MO des sédiments de retenue, selon cette théorie. Nous avons appliqué une méthode d’extraction séquentielle, qui sépare la MO en fonction de la force des interactions avec la matrice. La nature biochimique et le potentiel de dégradation de chaque groupe de MO a montré que i) la MO carbonée est principalement constituée de phénols, carbohydrates, et protéines, en proportions comparables entre les groupes, ii) le caractère minéralisable de la MO est lié à son degré de liberté vis-à-vis de la matrice. Ces résultats montrent l’impact des interactions organo-minérales sur l’évolution de la MO dans les sédiments de barrage. L’’évolution de la MO a été approchée pour deux modes de gestion du sédiment. En condition anaérobie, nous avons cherché des outils permettant d’estimer le potentiel méthane du sédiment en les comparant à la production de biogaz après 20 jours d’incubation ex situ. Deux indices ont été retenus, le suivi du cofacteur F420 (impliqué dans la voie métabolique de la méthanogenèse) à 7 jours ex situ, et le suivi du paramètre « densité » mesuré par un échosondeur in situ. En condition aérobie, une méthode d’incubation sur deux sédiments permettant de séparer respectivement, la demande chimique, et biologique, en oxygène a été développée. Une demande chimique importante et rapide est suivie d’une demande biologique lente et qui ne représente en 20 jours que 11 à 22% de la demande totale en oxygène du sédiment. Ces données pourraient être d’intérêt lors des curages des retenues.

Hydroelectric dams induce sediment accumulation which represents an important stock of organic matter (OM) leading to management difficulties. Their elimination often carried out by flushing, temporarily depletes the biotope downstream of oxygen. This sediment is not stable, and can generate greenhouse gas emissions, especially under anaerobic conditions in situ. The OM mineralization from organo-mineral matrices is controlled by its biodegradability or bioaccessibility. For soil matrices, recent works established that OM mineralization mainly depends on its interaction with the organo-mineral matrix according to the “soil continuum model”. We therefore studied the mechanisms involved in the OM stability of dam sediments. We applied a sequential extraction method, which separates OM based on its strength interaction with the matrix. The biochemical nature and the potential for mineralization of each OM group showed that i) the carbon OM consists mainly of phenol, carbohydrate, and protein, in comparable proportions between the groups, ii) the mineralizable character of OM is related to its degree of attachment to the matrix. These results show the impact of organo-mineral interactions on the evolution of OM in sediments. Then, we tackled the OM evolution for two modes of sediment management. i) In anaerobic conditions, we looked for estimation tools of the methane potential of the sediment by comparing them to the production of biogas after 20 days of ex situ incubation. Two indices were retained, monitoring of the F420 cofactor (involved in methanogenesis pathway) at 7 days ex situ, and monitoring of the ''density'' parameter measured by an echosounder in situ. ii) In aerobic condition we developed an incubation method to separate the chemical and the biological oxygen demand. Chemical demand is strong and rapid, biological demand is slow and represents only 11 to 22% of the total oxygen demand of the sediment. These data could be of interest when cleaning the reservoirs.