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Ce travail de thèse vise à décrire l'écodynamique d'herbicides -tricétones synthétiques (sulcotrione et mésotrione) et naturel (leptospermone) et à estimer leur impact écotoxicologique sur la communauté bactérienne de sols agricoles. Les processus impliqués dans la dissipation de ces herbicides (adsorption et biodégradation) ont été étudiés dans des microcosmes de sol. Deux souches bactériennes, Bradyrhizobium sp. SRl dégradant la sulcotrione et la mésotrione, et Methylophilus sp. LS1 dégradant la leptospermone ont été isolées. Une banque de 12000 mutants de Bradyrhizobium sp. SRl a été construite et deux mutants Sul• ont été sélectionnés, mais les gènes interrompus ne codent pas pour les enzymes de dégradation de la sulcotrione. L'impact écotoxicologique des tricétones synthétique (sulcotrione) et naturelle (leptospermone) sur la communauté bactérienne du sol a été estimé à l'aide d'outils de métagénomique et de métabolomique. La leptospermone modifie de manière transitoire la diversité et la composition de la communauté bactérienne, en accord avec sa rémanence dans les sols. La sulcotrione ne modifie ni la diversité ni la composition de la communauté bactérienne. La combinaison des approches de métagénomique et de métabolomique est prometteuse pour évaluer l'impact écotoxicologique des herbicides sur les microorganismes du sol. / This work aims to describe the ecodynamics of synthetic (sulcotrione and mesotrione) and natural (leptospermone) -triketone herbicides and to estimate their ecotoxicological impact on the bacterial community in arable soils. The processes involved in the dissipation of these herbicides (adsorption and biodegradation) have been studied in soil microcosms. Two bacterial strains, Bradyrhizobium sp. SRl able to degrade sulcotrione and mesotrione, and Methylophilus sp. LS1 degrading leptospermone, have been isolated. A bank of 12 ooo mutants of Bradyrhizobium sp. SR1 was established allowing the selection of two Sul•mutants but interrupted genes didn't code for enzymes degrading sulcotrione. The ecotoxicological impact of synthetic (sulcotrione) and natural (leptospermone) triketones on soil bacterial community was estimated using metagenomics and metabolomic tools. Leptospermone transitory modified the diversity and composition of the bacterial community, in accordance with its persistence in soil. Sulcotrione did not modified neither the diversity nor the composition of the bacterial community. The combination of metagenomics and metabolomics is promising for the assessment of ecotoxicological impact of herbicides on soil microorganisms.

Les polychlorobiphényles (PCB) et notamment les congénères les plus présents dans les sites et sols pollués, les PCB non dioxin like, constituent un danger sanitaire potentiel. Le risque associé est exacerbé chez le jeune enfant (6 mois à 3 ans) du fait, notamment, de son comportement exploratoire qui, de plus, a lieu durant une période critique de la croissance. L'objectif principal de cette thèse a été de caractériser l'impact des caractéristiques du sol sur la biodisponibilité relative des PCB. Les résultats in vivo ont montré l'impact des caractéristiques de la matière organique des sols sur la biodisponibilité relative des PCB par l'emploi de sols artificiels. Plusieurs matières organiques standardisées ont été testées allant des matières organiques solubles (acides fulviques, acides humiques) à une matière organique à la condensation maximale : le charbon actif. Ces éléments ont permis de montrer de larges variations de biodisponibilité relative allant d'une biodisponibilité relative nulle (charbon actif) à 100% (acide fulvique). Ces données soulignent l'importance de la condensation de la matière organique dans la rétention des PCB durant les processus digestifs. L'impact de caractéristiques (contenu en carbone organique, argile, black carbon, pH, concentrations en PCB) de sols historiquement contaminés sur la biodisponibilité a ensuite été évalué. Le taux de carbone organique et en black carbon sur la rétention des PCB. Toutefois la biodisponibilité relative demeure supérieure à 45% quel que soit le sol étudié. Les PCB sont donc peu retenus par le sol. Ainsi, l'exposition aux PCB via l'ingestion de sol semble proportionnelle à la quantité ingérée / Polychlorobiphenyls (PCBs) and, overall, non-dioxin-like PCBs (NDL-PCBs) the most abundant congeners in contaminated environmental matrices, constitute a potential health hazard. This risk is even more acute for young children (6 month to 3-year-old) because of their mouthing activities and because this exposure occurs during a critical part of their growth. The main objective of this thesis was to characterise the impact of soil's characteristics on the relative bioavailability of PCBs. The impact of the soil organic matter characteristics on the relative bioavailability of PCBs was assessed using artificial soils. Several standardised organic matters were tested ranging from soluble organic matters (fulvic acids, humic acids) to one organic matters highly condensed, activated carbon, a model of black carbon. These elements lead to show important variations in terms of relative bioavailability from 0% (activated carbon) to 100%, maximal relative bioavailability (fulvic acids). These findings highlight the importance of OM condensation in terms of PCB retention during the digestive processes. Then, the Impact of organic carbon, black carbon and clay content, pH, NDL-PCBs concentrations in historically contaminated soils on bioavailability and bioaccessibility was assessed. These approaches tended to show the importance of OC and BC content on retention of PCBs. Relative bioavailability was found to be higher than 45%, whatever the soil. Thus, PCBs retention in contaminated soils appears rather limited. Finally, exposure to PCBs via soil ingestion appears proportional to the quantity ingested

Les Technosols issus de l’arrêt des activités industriels présentent des propriétés physico-chimiques très contrastées de celles de sols naturels et peuvent renfermer de fortes teneurs en polluants organiques (e.g. composés aromatiques polycycliques (CAP)). Leur abandon pendant des décennies a entrainé l’apparition d’une pédogenèse, particulièrement sous l’influence de facteurs climatiques et supposé entrainer un phénomène d’atténuation naturelle des polluants organiques bien que ces effets ne soient rarement identifiés. Nous proposons ainsi de modéliser l’évolution de la disponibilité des CAP au cours du temps et sous l’influence du facteur climatique. La première étape a été de transcrire des données climatiques atmosphériques en conditions pédoclimatiques et ce, selon les effets de la localisation à l’échelle mondiale, de scénarios de changements climatiques (GIEC), des propriétés des sols et de la profondeur. L’effet de modalités pédoclimatiques sur la disponibilité des CAP a ensuite été testée en conditions contrôlées et sur 11 terres industrielles contrastées (cokeries, usines à gaz). Les conséquences de ces variations de disponibilité des CAP sur la toxicité des sols ont ensuite été validées par un test de croissance de Zea mays L sur les terres vieillies. Les résultats ont été incrémentés dans les modélisations des pédoclimats permettant ainsi de prédire l’évolution de la disponibilité des CAP. Si les conditions climatiques actuelles participent à une diminution de la disponibilité des CAP, le phénomène inverse se produit suite à un réchauffement climatique, que nous définirons comme amplification naturelle, soulignant à nouveau les risques potentiels liés aux changements climatiques sur les sols / Technosols linked with the end of industrial activities depict contrasted properties from those of natural soils and may contain high concentration of organic pollutants (e.g. polycyclic aromatic compounds (PAC)). Their neglect led to the apparition of pedogenetic processes particularly under the influence of climate which potentially contribute to the natural attenuation phenomenon. Hence, we suggest a new method to predict the evolution of PACs’ availability over time and under the influence of climate. The first step was to build a transcription model to predict the pedoclimate evolution derived from weather datasets and under the influence of climate location, climate change scenarios (IPCC), soil properties and depth. The effect of pedoclimatic events on the evolution of PAC availability was then tested in controlled conditions and on 11 contrasted industrial soils (coking plant and gas plant). This allowed predicting the frequency and occurrence of major pedoclimatic events (e.g. freeze-thaw, wetting-drying cycles and periods of high temperature) that drive pedogenesis. The consequence of these availability variation on toxicity were then tested using a growth test of Zea mays L. on aged soils, confirming that PAC availability and soil phytotoxicity are linked. The aging results were then incremented into the pedoclimate model to predict the evolution of PAC availability over time. As the current climatic conditions lead to a decrease in PAC availability (natural attenuation), the opposite effect is observed under the warmer climate of 2100. We described this phenomenon as natural amplification which underlines the upcoming threat of climate change on soils

Il existe en France des centaines de friches industrielles polluées par du goudron de houille, un mélange récalcitrant de composés tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques. Lorsque la zone non saturée des sols est fortement contaminée, elle est usuellement excavée et remblayée. Cette thèse porte sur un traitement alternatif permettant une valorisation potentielle des sols sur site : l’oxydation chimique in situ, qui a déjà montré des résultats encourageants au laboratoire mais n’a que très peu été testée en grandeurs réelles. Les recherches ont donc été menées autour de trois échelles – bibliographie, laboratoire et pilote – afin de déterminer s’il existait un traitement oxydant répondant à des critères techniques, économiques et environnementaux acceptables pour être appliquée à l’échelle de la friche. La phase laboratoire a montré que l’ajout d’un soutien thermique augmentait significativement l’efficacité du traitement, i) par augmentation de la disponibilité de la pollution par préchauffage de la terre dans le cas du permanganate, ou ii) par activation thermique de l’oxydant dans le cas du persulfate. A l’échelle du pilote, une mise en contact homogène entre l’oxydant et la pollution n’a été possible que par noyage partiel de la terre avec les solutions oxydantes concentrées. L’activation du persulfate s’est révélée délicate à mettre en œuvre, le chauffage de solutions concentrées ayant mené à une décomposition parasite de l’oxydant. Au contraire, l’utilisation de solutions concentrées de permanganate a conduit à une dégradation des polluants encore plus élevée qu’au laboratoire grâce à la forte exothermicité de la réaction / In France, hundreds of brownfields are currently polluted with coal tar, a complex and recalcitrant mixture of organic compounds such as polycyclic aromatic hydrocarbons. When the unsaturated zone of soils is highly contaminated, it is commonly excavated and backfilled. This work deals with an alternative treatment, in situ chemical oxidation, that allows a potential reuse of soils directly on site. This technique has already provided encouraging results at the lab scale but has rarely been tested in the field. Research was made around three scales – bibliography, laboratory and pilot – in order to respond to the main problem: is there an oxidative treatment able to meet technical, economic and environmental criteria quite acceptable to be applied at brownfield level? The laboratory research phase showed that the addition of a moderate thermal support significantly increased treatment effectiveness, by i) an increase in pollutant availability by soil preheating in the case of permanganate, or ii) a thermal activation of the oxidant in the case of persulfate. At the pilot scale, a homogeneous contact between the oxidant and the pollutants was possible only by a partial flooding of the soil with the concentrated oxidizing solutions. The persulfate activation turned out to be difficult to implement because heating concentrated solutions led to a parasite decomposition of the oxidant. On the contrary, the use of concentrated solutions of permanganate led to an even higher degradation than in the laboratory, as a result of the strong exothermicity of the reaction

Entre le milieu du XIXème et du XXème siècle, le secteur sidérurgique a été l’une des principales sources de richesse en France. Toutefois, la production de ferromanganèse a généré une quantité considérable de déchets, notamment lors du lavage des fumées des hauts fourneaux. Ces boues d’épuration, riches en zinc (Zn), manganèse (Mn) et plomb (Pb) (5 à 40% en masse), ont été déposées dans des bassins de décantation en périphérie des sites sidérurgiques. Depuis la fermeture des usines, ces terrains sont restés en l’état et certains, comme à Pompey (Lorraine), ont été progressivement colonisés par la végétation. Compte tenu des risques sanitaires liés aux concentrations en métaux, une décontamination semble inévitable. Néanmoins, on prend conscience aujourd’hui de l’épuisement des ressources, et ces bassins apparaissent comme un gisement de ressources secondaires. Ce travail vise à développer un procédé hydrométallurgique pour extraire Zn, Mn et Pb de ces résidus, dans l’optique de récupérer ces métaux sous forme pure et revalorisable, tout en décontaminant ces sites. Tout d’abord, les expériences ont permis déterminer les conditions optimales (quantité d’acide, temps, température, ajout de réactifs, densité de pulpe) pour parvenir à extraire sélectivement Zn et Mn contenus dans les boues et former un résidu riche en Pb. Le Zn a été ensuite récupéré sous forme de ZnO ou ZnS par précipitation ou sous forme métallique par électrodéposition. Enfin, le Mn a été précipité sous forme de MnCO3 avec une concentration acceptable en impuretés. Une étude technico-économique a été réalisée pour évaluer l’intérêt de l’industrialisation du procédé / During the XIXth and XXth centuries, steel industry has been one of the main sources of wealth in France. However, ferromanganese manufacturing has produced huge quantities of wastes, for instance after blast-furnace gas washing. The residual sludge, containing high concentrations of zinc (Zn), manganese (Mn) and lead (Pb) (5 to 40 wt %), has been deposited in ponds, in the vicinity of steel-making plants. Since plant closure, these fields have been left untouched; some of them, like in Pompey (Lorraine) have been colonized by vegetation. These sites may be considered as a threat to health and environment and should be cleaned up. Nevertheless, with awareness of metal shortage, these ponds may be considered as deposits of secondary resources. This works aims at designing a hydrometallurgical process to extract Zn, Mn and Pb from these residues and recover them in a valuable form, while decontaminating the sites. At first, experiments have enabled us to determine the optimal conditions (acid concentration, duration, temperature, reactant addition, pulp density) to extract selectively Zn and Mn from the sludge and leave a Pb-rich residue. Then, Zn was recovered as ZnO or ZnS after precipitation or as Zn after electrowinning. Mn was recovered as MnCO3 at an acceptable purity. A technico-economic study has been done to assess the industrial interest of the process

Les Hydrocarbures Aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants, dont la faible disponibilité dans les sols historiquement contaminés limite leur biodégradation. La capacité des plantes à favoriser l’élimination de ces polluants par l’action des microorganismes associés à leur rhizosphère a été montrée (rhizodégradation). Toutefois les résultats sont variables, suggérant la variabilité spatio-temporelle des processus. Des études à différentes échelles de temps et d’espace, utilisant des microcosmes et des dispositifs in situ ont été menées pour préciser ces phénomènes. L’étude de la variabilité spatiale des HAP et de la diversité bactérienne a été menée au sein de deux rhizosphères contrastées (ray-grass et luzerne), à l’échelle centimétrique après 37 jours de culture sur un sol de friche industrielle. Les résultats ont montré une spatialisation de la teneur en sucre et du pH, de la diversité bactérienne et de l’abondance microbienne, spécifique de l’espèce végétale, mais sans structuration de la teneur en HAP. L’étude de la variabilité temporelle de ces processus a révélé la dissipation en 6 jours des polluants biodisponibles ainsi qu’un effet positif des plantes par rapport au sol nu sur la dissipation des HAP et sur l’expression des gènes de HAP-dioxygénase. Une étude à plus long terme (6 ans) et in situ a montré que le couvert végétal ralentit la dissipation des HAP et influencent fortement la diversité microbienne, tout comme certains paramètres édaphiques. L’ensemble de ces résultats montre l’importance de la biodisponibilité des HAP qui conditionne leur dissipation, et de la dynamique des communautés microbiennes dans la rhizosphère / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are persistent organic pollutants in soil, whose degradation in aged-contaminated soil is limited by their low bioavailability. The ability of plants to promote pollutant dissipation through the action of rhizosphere microorganisms has been shown (rhizodegradation). However contrasted results were obtained suggesting spatio-temporal variability of processes. Different experiments, with different time and space scales, using microcosm and field trials were achieved to precise phenomena. Study of spatial variability of PAH and bacterial diversity were done in two-contrasted rhizospheres (ryegrass and alfalfa) at centimeter scale after 37 days of plant growth, on a wasteland aged contaminated soil Results showed spatial structuration of sugar content, pH, bacterial diversity and microbial density, depending on plant species, but no vertical gradient was observed for PAH concentration. Study of temporal variability of processes showed dissipation of bioavailable fraction of pollutant in just 6 days and in comparison with bare soil, a positive impact of plant was shown on PAH dissipation and on expression of PAH dioxygenase genes. A long-term study (over 6 years) in a field trial revealed that plant cover slowed down PAH dissipation and impacted bacterial and fungal diversity as edaphic parameters. All these results underlined the importance of PAH bioavailability for the dissipation process and of spatio-temporal dynamic of microbial community, in the rhizosphere

Du fait des activités industrielles anciennes et du recyclage croissant des produites résiduaires organiques d’origine urbaine dans les sols agricoles, des composés organiques persistants, parmi lesquels les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) se retrouvent présents dans les sols français. Dans le cadre de la gestion des sites et sols pollués et de l'évaluation des risques associés aux HAP dans l'environnement, une meilleure connaissance du comportement, de la dissipation, du transfert ou de l’accumulation des HAP dans les sols est alors indispensable. Dans ce but, il est utile de développer une nouvelle génération de modèles numériques basés sur le couplage flexible de l’ensemble des processus majeurs contrôlant la dynamique des HAP dans le sol. Notre travail repose sur la mise en œuvre, dans le cadre de la plateforme VSoil de l’INRA (https://www6.inra.fr/vsoil/The-Project), d'un modèle global interdisciplinaire de dynamique des HAP dans les sols, applicable à l’échelle du terrain et couplant des modules décrivant les principaux processus physiques, biochimiques et biologiques. Ce modèle associe d’une part des modules déjà publiés simulant la décomposition des matières organiques exogènes apportées, le transfert d'eau, le transfert de chaleur et le transport de solutés dans des conditions climatiques réelles, et d’autre part, un nouveau modèle représentant spécifiquement la réactivité des HAP.La démarche numérique adoptée dans ce travail a alors été de i) calibrer le modèle de terrain en utilisant des paramètres déterminés à partir de données expérimentales obtenues au laboratoire et complétées avec une partie des données de terrain obtenues sur une courte période, ii) tester et valider le modèle calibré au terrain à l'aide des données de terrain complémentaires sur des périodes plus longues, iii) tester différentes hypothèses de variation de disponibilité et scenarios climatiques ou d’apports répétés de différents composts sur le devenir de HAP dans le sol. Nos résultats montrent que le modèle peut prédire de manière satisfaisante le devenir des HAP dans le sol sur une gamme de contamination allant de parcelles agricoles amendées avec des matières organiques faiblement contaminées jusqu’à d’anciens sites industriels fortement contaminés et permettent alors de mieux appréhender les processus contrôlant la dynamique des HAP dans ces différents systèmes. / Due to former industrial activities and the increasing recycling of organic waste products from urban areas in agricultural soils, increasing amounts of persistent organic compounds, among them polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), are to be found in French soils. In the framework of the management of polluted sites and soils and the risk assessment of PAH transfer in the environment, it is essential to better understand the behavior, dissipation, transfer or accumulation of PAH in soils. For this purpose, there is a need to develop a new generation of numerical models based on the flexible coupling between the processes describing PAH dynamics in soil. Our work presents the development and assessment of such model. It is based on the implementation of an interdisciplinary global model, and applicable at the field scale, for PAH in soil by coupling modules describing the major physical, biochemical and biological processes influencing the fate of PAH in soil, with modules that simulate water transfer, heat transfer, solute transport, and organic matter transformation under real climatic conditions. The coupling is performed using the «VSoil» modeling platform of INRA (https://www6.inra.fr/vsoil/The-Project). The steps of our modelling study are the following: i) calibrate the model at the field scale using previously estimated parameters at the lab-scale and completed with field data on a short period of time, ii) test and validate the calibrated model using field experimental data on mid term periods, iii) test different hypotheses of variation of availability and climatic scenarios or repeated applications of different composts on the fate of PAH in soil. Our results show that the model can adequately predict the fate of PAH in soil over a wide range of contamination ranging from agricultural plots amended with weakly contaminated composted organic wastes to old industrial sites heavily contaminated. This new tool allows, therefore, a better understanding of the processes controlling the dynamics of PAH in these different systems.

Malgré la présence d’un sol et de plantes, l’impact des toitures végétalisées sur la qualité des eaux est mitigé, celles-ci n’étant pas conçues pour retenir les polluants. Afin d’améliorer cette fonction, il est important de mieux comprendre les flux de polluants dans ces structures. Dédiée aux métaux, cette thèse est basée sur deux étapes : - le suivi de six toitures végétalisées construites en 2010 (Nancy), via des prélèvements d’eaux de pluie et toitures, plantes et matériaux. - Une caractérisation en laboratoire des matériaux via des observations à l’échelle miscroscopique, des essais de sorption et lixiviation. Les caractéristiques des matériaux sont globalement favorables au stockage de métaux mais plusieurs en émettent également par lessivage de particules fines ou lixiviation d’ions. Même si elles n’ont pas de capacité de stockage particulière, les plantes peuvent avoir un impact direct et indirect sur la rétention des métaux. Des suggestions techniques sont tirées de ces résultats / Despite the presence of a soil and plants, green roof impact on water quality has proven to be mixed, mainly because there are not designed to purify rainwater. To make suggestions for green roofs suitable for water treatment, it is important to better understand pollutant fluxes in these structures. Dedicated to metals, this thesis is based on two complementary steps : - the study of six green roofs built in 2010 (Nancy, France), thanks to rain and roof waters, plants and materials samplings. - a laboratory characterization of these materials via microscopic scale observations, sorption and lixiviation tests. Material characteristics are mostly favorable to metal storing but several of them have been identified as sources of metals via leaching of fine particles or lixiviation of available ions. Even if they have no specific ability to store metals, plants can have direct and indirect impacts on metal retention. Several technical suggestions are drawn from these scientific results

The ability of Chromolaena odorata propagated by stem cuttings and grown for six weeks in the greenhouse to thrive in soil containing different concentrations of PCB congeners found in Aroclor and transformer oil, and to possibly remediate such soil was studied under greenhouse conditions. Chromolaena odorata plants were transplanted into soil containing 100, 200, and 500 ppm of Aroclor and transformer oil (T/O) in 1L pots. The experiments were watered daily at 70% moisture field capacity. Parameters such as mature leaves per plant, shoot length, leaf colour as well as the root length at harvest were measured. C. odorata growth was negatively affected by T/O in terms of shoot length and leaf numbers, but no growth inhibition was shown by Aroclor. At the end of six weeks of growth, Plants size was increased by 1.4 and 0.46%, but decreased at -1.0% in T/O, while increases of 45.9, 39.4 and 40.0% were observed in Aroclor treatments. Mean total PCB recoveries were 6.40, 11.7, and 55.8μg in plants tissues at Aroclor treated samples resulting in a percentage reduction of PCB from the soil to 2.10, 1.50, and 1.10 at 100, 200, and 500mg/kg Aroclor treatments respectively. There was no PCB recovery from plants in transformer oil treatments as a result of its inhibition to growth. Root uptake was found to be the probable means of remediation of PCB-contaminated soil by C. odorata, this was perhaps aided by microbes. This study has provided evidence on the ability of C. odorata to remediate PCB contaminated soil. However, the use of C. odorata for phytoremediation of PCB contaminated soil under field condition is therefore advised. / Environmental Sciences / M.Sc. (Environmental Science)