Trajectoires des éléments métalliques émergents dans les bassins hydrographiques français : quel passé pour quel futur ?

Trajectories of emerging metallic contaminants in French watersheds: from past to future?

• Auteur / Autrice : Maxime Chastanet
• Direction : Jörg SchÄfer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géochimie et écotoxicologie
• Date : Inscription en doctorat le 27/09/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TGM - Transferts Géochimiques des Métaux à l'interface continent océan

Mots clés

Mots clés libres

Enregistrements historiques

Archives sédimentaires

Contaminants métalliques émergents

Emerging metallic contaminants

Sediment archives

Historical records

Résumé

L'analyse géochimique d'enregistrements sédimentaires, issus de carottage, produit d'excellents témoins de notre impact sur l'environnement car les éléments traces métalliques (ETM) liés aux activités anthropiques y sont séquestrés. Ces enregistrements représentent un très bon moyen de reconstitution de la qualité géochimique passée (>50 ans) des particules véhiculées. L'analyse de la distribution verticale des concentrations en métaux de carottes sédimentaires a montré de forts gradients de concentrations en ETM reflétant les évolutions temporelles des activités anthropiques et les changements réglementaires sur les bassins versants. Le projet ANR-TRAJECTOIRE vise à une inter-comparaison de la pollution des fleuves français par les éléments métalliques émergent dans les grands bassins versants français (Seine, Rhône, Loire, Rhin, Meuse, Moselle et Garonne/Gironde ; coord. F. Eyrolle, IRSN). Dans ces grands bassins versants français, des carottes sédimentaires ont fait l'objet de nombreuses études permettant de reconstituer l'évolution historique des concentrations de contaminants réglementaires. Cependant, pour les métaux au-delà des huit substances prioritaires, la DCE pousse à prendre en compte les substances classifiées comme émergentes qui apparaissent néfastes pour les organismes aquatiques (INERIS/ONEMA 2009). En effet, de nouvelles technologies impliquent l'émission de formes émergentes de contaminants métalliques (Argent, Platine, Terres Rares) qui sont des substances à fort potentiel toxique et d'excellents traceurs d'usages urbains dans le milieu récepteur. Pour certains métaux, les quantités utilisées et transférées pour ces nouvelles technologies (e.g. photovoltaïque, contrôle d'émission de véhicules, véhicules hybrides, LED, Tél Portables etc.) dépassent déjà largement les quantités véhiculées par les cycles globaux naturels (y inclus la tectonique des plaques !) et la capacité d'auto-épuration des milieux aquatiques côtiers. Les efforts méritoires entrepris dans certains pays pour limiter la dispersion des déchets urbains, industriels et agricoles devront être accentués pour améliorer la qualité des écosystèmes récepteurs. Le(la) doctorant(e) s'intégrera dans un consortium de chercheurs français travaillant sur les grands bassins français. Il ou elle participera à des campagnes de terrain (carottage et suivi de la qualité des eaux de rivières) en collaboration avec les partenaires, effectuera des analyses de métaux traces émergents et de leur spéciation dans les carottes sédimentaires des sept bassins fluviaux. L'objectif est d'obtenir des jeux de données comparables sur les tendances des contaminants pour chaque bassin versant en suivant un protocole harmonisé. Une compréhension précise du fonctionnement de ces sites références et de la dynamique des contaminants (sources, émergence, réactivité) associée permettra de restituer des tendances robustes sur le long terme (échelle pluri décennale). Un zoom sera effectué sur le continuum rivière-fleuve-estuaire-zone côtière du bassin versant de la Garonne-Gironde à partir de plusieurs carottes prélevées afin de (i) analyser la variabilité spatiale et comparer les trajectoires des sous-bassins de la Garonne-Gironde présentant des activités socio-économiques contrastées ; (ii) effectuer une comparaison à l'échelle nationale ; (iii) déconvoluer les processus physiques (ex ; type de matrice, granularité des sédiments) et la réactivité géochimique (ex. sorption d'éléments émergents dans le gradient de turbidité et de salinité) agissant sur le continuum ; (iv) comparer l'évolution temporelle obtenue dans les archives sédimentaires avec les teneurs en métaux émergents dans les matières en suspension prélevées sur le continuum entre 1994 et 2021. Le ou la doctorante interprétera ses résultats dans une perspective de reproductibilité et de transférabilité des méthodes d'observation et des recommandations de gestion à d'autres systèmes fluviaux. Ces tendances seront interprétées au regard de la synthèse de données. La lutte contre les micropolluants urbains en milieu aquatique côtier représente un enjeu véritablement majeur et complexe dans un contexte d'urbanisation croissante.

Geochemical studies of historical records in sediment cores provide excellent information on human impact on the environment, as sediments fix trace elements released from anthropogenic activities. Such records are valuable tools to reconstruct geochemical signals in fluvial particles transported in the past (>50 years). Vertical trace element concentration profiles typically show strong gradients reflecting temporal trends in anthropogenic activity and regulation at the watershed scale. The ANR-TRAJECTOIRE project compares trace element pollution records and micropollutants in major French watersheds (Seine, Rhône, Loire, Rhin, Meuse, Moselle et Garonne/Gironde ; coord. F. Eyrolle, IRSN). Sediment cores from these major watersheds have been intensively studied, proving their potential to document and understand the contamination history of priority contaminants, including the eight metals identified by the EU Regulation. However, the Water Framework Directive recommends surveillance of several other metallic substances, considered as emerging contaminants because of their potential toxicity to aquatic organisms (INERIS/ONEMA 2009). In fact, new technologies (e.g. photovoltaic energy, vehicle emission control, hybride vehicles, LED, mobile phones, tablets etc.) imply emergence of new metallic contaminants (e.g. Platinum, Silver, Rare Earth Elements, ect.) which are potentially highly toxic on the one hand and excellent tracers of urban inputs into aquatic systems. For several of these so-called Technology Critical Elements (TCEs), the quantities applied and transported by these new technologies already exceed by far the respective natural global cycles (including plate tectonics !) and also the natural tolerance of coastal aquatic systems. Efforts to limit dispersion of TCEs together with urban, industrial and agricultural waste are underway in several countries and require adequate understanding of their dispersion processes to improve quality of receiving ecosystems. The PhD candidate will integrate a consortium of French researchers working on the main French watersheds. He/she will participate in field work (sediment core retrieval and river water quality monitoring) in cooperation with the partners, analyse emerging metallic contaminant concentrations and speciation in the sediment cores from the seven watersheds. The objective is to produce comparable data on the trends of emerging metallic contaminants in the different watersheds by using/developing standard protocols. Precise understanding of the functioning of the selected reference sites coupled with contaminant dynamics (sources, emergence, reactivity) will allow for identifying robust long-term trends covering several decades. Special focus will be set on the Garonne-Gironde fluvial-estuarine continuum including the nearby coastal ocean through the study of several sediment cores to (i) analyze spatial variability and compare trajectories of sub-watersheds with contrasting social-economic features, (ii) compare historical records at the national scale, (iii) characterize physical (sediment composition, grain size) and geochemical reactivity (e.g. sorption/desorption in the estuarine salinity and turbidity gradients) and (iv) compare temporal trends in sediment cores and suspended particulate matter from the continuum (sample bank 1994-2021). The candidate will interpret the data with the perspective of reproducibility and transfer of observation methods between different fluvial systems at a large scale. These trends and a critical review of existing information will contribute to the development of strategies to control contamination of coastal aquatic systems by emerging metallic contaminants, a major and complex commitment in the context of increasing coastal urbanization.