The overall efficiency of plants to remediate soils contaminated by metals depends on their growth ability especially on soils with low-fertility. For twelve weeks, the ability of Psoralea pinnata to grow well and remove chromium and iron from artificially contaminated soil was tested. The concentrations of chromium and iron in two soils obtained from different sources namely, University of South Africa premises (US) and commercial potting soil (PS) were 80 ppm, 130ppm, 180ppm, 230ppm, 280ppm, 330ppm, 380pp, 430ppm and 480ppm. Psoralea pinnata was transplanted into the contaminated soils and the experiments were watered daily to maintain 70% moisture at field capacity in a greenhouse. Shoot height and root length of Psoralea pinnata before and after planting were measured. Other parameters that were measured were number of leaves, wet shoot and dry weights, and wet root and dry weights. The growth of Psoralea pinnata, after 12 weeks of experimentation was noticeably affected by the concentrations of chromium and iron in the soil. The percentage increases in shoot height of Psoralea pinnata in the PS Soil (C-PS, 48cm from initial shoot height of 12.6cm) treatments were generally higher than the increases in the US Soil (C-US, 45.2cm from initial shoot height of 12.8cm) treatments. Psoralea pinnata in the (US) treatments accumulated Fe (50.02 ppm) from the soil more than Cr (32.38ppm). In the (PS) treatments, Psoralea pinnata also accumulated more Fe (60.57 ppm) than Cr (38.34 ppm). In the experiments containing both Fe and Cr, the US treatments with 40 ppm each of Cr and Fe, chromium was initially mostly accumulated by Psoralea pinnata (68%). At higher concentrations (320 ppm) of the combined metals (Cr and Fe) treatment, more Fe (55%) was accumulated in Psoralea pinnata. This study however showed that Psoralea pinnata may not be an efficient phytoextraction plant for hyperaccumulation. / Environmental Sciences / M. Sc. (Environmental Management)

Afin de dépolluer et de réhabiliter les sols contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), différentes techniques ont été développées durant les dernières décennies, mais leur impact sur les fonctions du sol est rarement pris en compte. L'objectif de ce travail était d'évaluer l'impact des traitements par oxydation chimique sur différents paramètres physico-chimiques et biologiques de terres contaminées aux HAP et de proposer des solutions pour restaurer le fonctionnement biologique des terres oxydées. Les différentes expérimentations de laboratoire et de terrain ont montré que l'efficacité des réactions d'oxydation chimique (réaction de Fenton et persulfate activé) sur la teneur en HAP dépendait de la disponibilité de la pollution et des propriétés physico-chimiques des terres. Par ailleurs, des processus d'acidification ont été observés sur des terres non carbonatées, altérant fortement et durablement les paramètres physico-chimiques et biologiques. Cette altération était plus forte après utilisation du persulfate activé, engendrant ainsi des pertes en éléments traces métalliques dans les eaux de percolations. L'apport de matériaux susceptibles d'augmenter le pH a permis la restauration des activités biologiques et la capacité des terres à supporter la végétation lorsque les terres ont fortement été acidifiées. L'association de traitements d'oxydation chimique et de refonctionnalisation pourrait présenter un moyen de réhabilitation efficace. Un indice, dont l'objectif était de représenter l'état du sol en fonction du poids accordé à différents paramètres, a été proposé et a permis d'évaluer les variations induites par les traitements d'oxydation et les procédés de refonctionnalisation / In order to clean up polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) contaminated soils, various techniques have been developed during the last decades, but their impact on soil functions was rarely considered. The objective of this study was to assess the impact of chemical oxidation treatments on different physico-chemical and biological parameters of PAH contaminated soil and to propose solutions to improve the biological functioning of oxidized soil. Various laboratory and field experiments have shown that the efficiency of chemical oxidation reactions (Fenton reaction and activated persulfate) on PAH concentrations depended on pollutant availability and soil physico-chemical properties. Besides, intense acidification processes have been observed on uncarbonated soil with a strong impact on soil physico-chemical and biological parameters. Moreover, this alteration was higher with activated persulfate treatment, leading to the loss of trace metals in water percolation. In the strongly acidified soil, the input of materials, suitable for pH increase, resulted in the restoration of biological activities and soil capacity to support vegetation. The association of chemical oxidation treatment and restoration techniques could present a good mean for soil rehabilitation. Finally, an index, which aimed to represent soil conditions based on the weight given to different parameters, was proposed and was used to evaluate changes induced by oxidation treatments and restoration techniques

Dans cette thèse, nous avons déterminé les mécanismes qui régissent l'efficacité des particules de fer zérovalent (ZVI) dans la dépollution des sols et des eaux souterraines. Dans les milieux contaminés par des polluants accepteurs d'électrons, le ZVI est injecté in situ sous forme de suspensions de particules micro et/ou nanométriques. La première étude a porté sur la caractérisation de poudres industrielles et de particules synthétisées au laboratoire à partir de thé vert. Afin de comparer la réactivité de l'ensemble des particules, un test en milieu fermé a été mis en oeuvre avec une solution de nitrate. Ce test a permis de différencier les particules en mettant en évidence des mécanismes réactionnels et des cinétiques de réduction qui dépendent du type de poudre utilisé. La seconde étude a porté sur la dégradation du chrome hexavalent (dans une matrice sol et eau) en combinant le ZVI à du thiosulfate de sodium. Les résultats ont été probants et ont mené au dimensionnement d'un pilote sur un site de Soléo Services. Enfin, deux cas de remédiation de sites pollués aux solvants chlorés ont été étudiés. Des expériences de laboratoire ont été menées pour expliquer l'impact des conditions opératoires sur l'efficacité du traitement / This thesis aims at a better understanding of mechanisms governing the efficiency of zerovalent iron (ZVI) particles in soil and groundwater remediation. In these processes ZVI is injected in situ as micro and/or nanoparticles slurry in areas contaminated by electron acceptor pollutants. At first, we characterized industrial powders and particles synthetized with green tea in the laboratory. In order to compare the reactivity of all the particles, a batch test has been carried out with nitrate solution. Differences in pathways and kinetic reduction have been exhibited. Secondly, we combined ZVI with sodium thiosulfate to investigate hexavalent chromium degradation (soil and water matrices). The results are conclusive and were used to design a pilot on a Soléo Services site.Finally, remediation cases of sites contaminated by chlorinated solvents have been investigated. Lab experiments have been run to explain the influence of operating conditions on the treatment efficacy

Le terme de méta-analyse désigne l'analyse statique d'un large ensemble de résultats provenant d'études individuelles pour un même sujet donné. Cette approche est de plus en plus étudiée dans différents domaines, notamment en agronomie. Dans cette discipline, une revue bibliographique réalisée dans le cadre de la thèse a cependant montré que les méta-analyses n'étaient pas toujours de bonne qualité. Les méta-analyses effectuées en agronomie étudient ainsi très rarement la robustesse de leurs conclusions aux données utilisées et aux méthodes statistiques. L'objectif de cette thèse est de démontrer et d'illustrer l'importance des analyses de sensibilité dans le cadre de la méta-analyse en s'appuyant sur l'exemple de l'estimation des émissions de N2O provenant des sols agricoles. L'estimation des émissions de protoxyde d'azote (N2O) est réalisée à l'échelle mondaile par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC). Le N2O est un puissant gaz à effet de serre avec un pouvoir de réchauffement 298 fois plus puissant que le CO2 sur une période de 100 ans. Les émissions de N2O ont la particularité de présenter une forte variabilité spatiale et temporelle. Deux bases de données sont utilisées dans ce travail : la base de données de Rochette et Janzen (2005) et celle de Stehfest et Bouwman (2006). Elles recensent de nombreuses mesures d'émissions de N2O réparties dans le monde provenant d'études publiées et ont joué un rôle important lors des estimations d'émissions de N2O réalisées par le GIEC. Les résultats montrent l'intérêt des modèles à effets aléatoires pour estimer les émissions de NO2 issues de sols agricoles. Ils sont bien adaptés à la structure des données (observations répétées sur un même site pour différentes doses d'engrais, avec plusieurs sites considérés). Ils permettent de distinguer la variabilité inter-sites de la variabilité intra-site et d'estimer l'effet de la dose d'engrais azoté sur les émissions de NO2. Dans ce mémoire, l'analyse de la sensibilité des estimations à la forme de la relation "Emission de N2O / Dose d'engrais azoté" a montré qu'une relation exponentielle était plus adaptée. Il apparait ainsi souhaitable de remplacer le facteur d'émission constant du GIEC (1% d'émission quelque soit la dose d'engrais azoté) par un facteur variable qui augmenterait en fonction de la dose. Nous n'avons par contre pas identifié de différence importante entre les méthodes d'inférence fréquentiste et bayésienne. Deux approches ont été proposées pour inclure des variables de milieu et de pratiques culturales dans les estimations de N2O. La méthode Random Forest permet de gérer les données manquantes et présente les meilleures prédictions d'émission de N2O. Les modèles à effets aléatoires permettent eux de prendre en compte ces variables explicatives par le biais d'une ou plusieurs mesures d'émission de N2O. Cette méthode permet de prédire les émissions de N2O pour des doses non testées comme le cas non fertilisé en parcelles agricoles. Les résultats de cette méthode sont cependant sensibles au plan d'expérience utilisé localement pour mesurer les émissions de N2O. / The term meta-analysis refers to the statistical analysis of a large set of results coming from individual studies about the same topic. This approach is increasingly used in various areas, including agronomy. In this domain however, a bibliographic review conducted by this thesis, showed that meta-analyses were not always of good quality. Meta-analyses in agronomy very seldom study the robustness of their findings relative to data quality and statistical methods.The objective of this thesis is to demonstrate and illustrate the importance of sensitivity analysis in the context of meta-analysis and as an example this is based on the estimation of N2O emissions from agricultural soils. The estimation of emissions of nitrous oxide (N2O) is made at the worldwide level by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). N2O is a potent greenhouse gas with a global warming power 298 times greater than the one of CO2 over a 100 year period. The key characteristics of N2O emissions are a significant spatial and time variability. Two databases are used for this work: the database of Rochette and Janzen (2005) and the one of Stehfest and Bouwman (2006). They collect numerous worldwide N2O emissions measurements from published studies and have played a significant role in the estimation of N2O emissions produced by the IPCC. The results show the value of random effects models in order to estimate N2O emissions from agricultural soils. They are well suited to the structure of the data (repeated observations on the same site for different doses of fertilizers, with several sites considered). They allow to differentiate the inter-site and intra-site variability and to estimate the effect of the rate of nitrogen fertilize on the N2O emissions. In this paper, the analysis of the sensitivity of the estimations to the shape of the relationship "Emission of N2O / N fertilizer dose" has shown that an exponential relationship would be the most appropriate. Therefore it would be appropriate to replace the constant emission factor of the IPCC (1% emission whatever the dose of nitrogen fertilizer) by a variable factor which would increase with the dose. On the other hand we did not identify significant differences between frequentist and Bayesian inference methods. Two approaches have been proposed to include environmental variables and cropping practices in the estimates of N2O. The first one using the Random Forest method allows managing missing data and provides the best N2O emissions predictions. The other one, based on random effects models allow to take into account these explanatory variables via one or several measurements of N2O. They allow predicting N2O emissions for non-tested doses in unfertilized farmer's field. However their results are sensitive to the experimental design used locally to measure N2O emissions.

Η ρύπανση του εδάφους από βιομηχανικά και αστικά απόβλητα αποτελεί παγκοσμίως ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα. Ανάμεσα στους πιο επικίνδυνους ρύπους συγκαταλέγονται και οι υδρογονάνθρακες πετρελαιοειδών. Αναπόφευκτη συνέπεια της διαφυγής των υγρών ρύπων στο έδαφος είναι η μεταφορά τους προς στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους μέσω μιας σειράς διεργασιών (ροή, διαλυτοποίηση, εξάτμιση, διασπορά, ρόφηση, κτλ) και η ρύπανση των υποκείμενων ταμιευτήρων υπογείων υδάτων. Οι πλέον κλασσικές μέθοδοι απομακρυσμένης (ex situ) απορρύπανσης εδαφών περιλαμβάνουν εκσκαφή και μεταφορά του εδάφους σε κατάλληλους χώρους (π.χ. αποτεφρωτήρες, βιο-σωροί, κλπ). Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνολογιών επιτόπιας απορρύπανσης των εδαφών (in situ soil remediation) με χαμηλό κόστος και ελάχιστο περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Στην παρούσα εργασία μελετώνται δύο σχετικά νέες μέθοδοι επιτόπιας απορρύπανσης: α) ο βιοαερισμός και, β) η έγχυση ατμού. Και στις δύο περιπτώσεις, για να αυξηθεί η ακτίνα δράσης της απορρύπανσης, το έδαφος διεγέρθηκε με την δημιουργία οριζόντιων υδραυλικών ρωγμών που λειτουργούν ως οριζόντια φρεάτια διαβίβασης και εξαγωγής ρευστών. Το πεδίο μελέτης είναι ένα πρώην στρατιωτικό αεροδρόμιο της Βόρειο-Δυτικής Πολωνίας, το Kluczewo, το οποίο έχει ρυπανθεί εκτεταμένα με κηροζίνη για μεγάλο χρονικό διάστημα (1935-1992). Το έδαφος της περιοχής αυτής παρουσιάζει ρωγμές ενώ η πορώδης μήτρα έχει σχετικά χαμηλή διαπερατότητα. Οι ίδιες γεωλογικές συνθήκες επικρατούν σε μεγάλο μέρος του υπεδάφους της Βόρειας Ευρώπης. Λόγω της ισχυρά ετερογενούς φύσης αυτών των εδαφών από την κλίμακα των πόρων στην κλίμακα του πεδίου και της δημιουργίας προτιμητέων μονοπατιών ροής, είναι αρκετά δύσκολο να σχεδιαστούν αποδοτικές μέθοδοι απορρύπανσης. Κύριος στόχος της εργασίας είναι η αξιολόγηση της απόδοσης των δύο μεθόδων απορρύπανσης μετά την εφαρμογή τους στην ακόρεστη ζώνη ετερογενούς εδάφους που έχει ρυπανθεί εκτενώς με υδρογονάνθρακες πετρελαιοειδών (κηροζίνη). Για να προσδιοριστεί η απόδοση κάθε μεθόδου, συλλέχθηκαν δείγματα εδάφους από ένα μεγάλο αριθμό σημείων και πραγματοποιήθηκαν χημικές αναλύσεις μέτρησης της συγκέντρωσης και της σύστασης των υδρογονανθράκων με GC-MS και GC-FID. Προκειμένου να διευκρινιστoύν καλύτερα οι κύριοι μηχανισμοί απομάκρυνσης του ρύπου και να εκτιμηθεί η αποδοτικότητα της έγχυσης ατμού και του βιοαερισμού, διεξήχθησαν πειράματα έγχυσης ατμού και βιοαερισμού και σε εργαστηριακή κλίμακα (oρθογώνιο κελί από PMMA με διαστάσεις 55 cm x 50 cm x 12 cm και υπό ακόρεστες συνθήκες). Λόγω των ετερογενειών της πορώδους δομής, στον βιοαερισμό ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης ρύπου ήταν η εξάτμιση των υδρογονανθράκων και η σχετικά γρήγορη μεταφορά των ατμών μέσω διάχυσης και λόγω της μεγάλης βαθμίδας συγκέντρωσης από την μικροπορώδη μήτρα προς μονοπάτια προτιμητέας ροής (preferential flow paths) αέρα (αερισμός). Αντιστοίχως, λόγω της χαμηλής διαπερατότητας του εδάφους, στην περίπτωση της έγχυσης ατμού ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης των ημι-πτητικών και μη πτητικών συστατικών ήταν η απόσταξη ατμού (δηλαδή η μείωση του σημείου ζέσεως των υδρογονανθράκων λόγω της παρουσίας μη αναμίξιμης υδατικής φάσης). Η σύγκριση των δύο μεθόδων απορρύπανσης με διάνοιξη οριζόντιων υδραυλικών ρωγμών έδειξε ότι και οι δύο μέθοδοι είναι αρκετά αποδοτικές όσον αφορά στη μείωση της μάζας του ρύπου (~72%) σε ισχυρά ετερογενή εδάφη με ρωγμές. Η έγχυση ατμού όμως είναι πολύ πιο γρήγορη (3 μήνες) από το βιοαερισμό (12 μήνες) αλλά ταυτόχρονα και αρκετά πιο ακριβή από αυτόν (14-25%). Όσον αφορά το ποσοστό μείωσης επικινδυνότητας του υπολειπόμενου ρύπου, ο βιοαερισμός δίνει με μεγάλη διαφορά καλύτερα αποτελέσματα (93%) από ότι η έγχυση ατμού (8-68%) όπου παρατηρείται και μεγάλη διακύμανση τιμών. / Soil contamination by industrial and urban wastes is nowadays one of the most important pollution problems worldwide. The petroleum hydrocarbons are included in the list of toxic pollutants that have contaminated extensive areas all over the world. An inevitable consequence of liquid pollutants release on the ground is their transport by a variety of mechanisms (e.g. gravity flow, dissolution, volatilization, dispersion, sorption, etc) in the unsaturated zone of soil, and subsequent pollution of the underlying aquifers. Conventional methods of ex-situ soil remediation are the soil excavation and its transportation in appropriate places (e.g. incinerator, bio-piles, etc). During the last years, there is a growing interest for the development and application of low-cost and sustainable (low environmental impact) in-situ soil remediation technologies. In the present work, two relatively new in-situ remediation technologies, bioventing and steam injection, were tested on the vadose zone of a low permeability and fractured glacial till sediment that was contaminated by jet fuel. The experimental site is situated in an abandoned military airport (Kluczewo) in North-Western Poland. The area was polluted extensively by jet fuel over a long period (1935-1992). The geological characterization revealed the existence of vertical desiccation fractures at the upper layers and horizontal/sub-horizontal tectonic fractures at the deeper ones, and a relatively low permeability and heterogeneous micro-porous matrix. The same geologic conditions dominate in a major part of the subsurface in Northern and Central Europe. Due to the multi-scale heterogeneities, ranging from the pore-scale to the field-scale, and the creation of preferential flow paths in such soils, it is very difficult to design successful remediation strategies based on vertical wells. For this reason, in both field experiments (bioventing and steam injection), the soil was stimulated by opening hydraulic fractures which acted as horizontal wells of fluid injection/extraction, and enhanced the influence radius of remediation. The main goal of the work is to evaluate, under field conditions, steam injection and bioventing as sustainable and efficient technologies for the removal of petroleum hydrocarbons from highly heterogeneous soils. In order to determine the efficiency of each remediation method, soil samples were collected from twelve wells and seven depths, and placed inside specific flasks pre-filled with dichloromethane (DCM). After the accelerated extraction of non-aqueous phase liquid (NAPL) from the soil and its dissolution in DCM, the composition and concentration of hydrocarbons (NAPL) was performed by using GC-MS and GC-FID. In order to clarify the main NAPL removal mechanisms and evaluate the effectiveness of steam injection and bioventing, lab-scale experiments were also conducted in soil tanks by using synthetic NAPL (PMMA cell with 55 cm x 50 cm x 12 cm dimensions) and keep the conditions comparable to the field ones. Due to pore structure heterogeneities, the main NAPL removal mechanism in bioventing was the volatilization of hydrocarbons and the fast vapour transfer through diffusion (due to the high concentration gradient) from the porous matrix to the high hydraulic conductivity preferential flow paths of injected air (ventilation). Respectively, due to the low soil permeability, in steam injection the main removal mechanism of semi- and non-volatile substances was steam distillation (namely the reduction of NAPL compounds bubble point because of the coexistence of immiscible water). The comparison of the two remediation technologies, steam injection and bioventing, indicate that both methods are efficient with respect to the reduction of the pollutant mass (~72%) in highly heterogeneous and fractured soils. With respect to cost issues, steam injection albeit faster, is 14-25% more expensive than bioventing. Finally, concerning the risks associated with the reduction of residual NAPL in groundwater, bioventing was more effective (~93%) than steam injection (8-68%).

The overall efficiency of plants to remediate soils contaminated by metals depends on their growth ability especially on soils with low-fertility. For twelve weeks, the ability of Psoralea pinnata to grow well and remove chromium and iron from artificially contaminated soil was tested. The concentrations of chromium and iron in two soils obtained from different sources namely, University of South Africa premises (US) and commercial potting soil (PS) were 80 ppm, 130ppm, 180ppm, 230ppm, 280ppm, 330ppm, 380pp, 430ppm and 480ppm. Psoralea pinnata was transplanted into the contaminated soils and the experiments were watered daily to maintain 70% moisture at field capacity in a greenhouse. Shoot height and root length of Psoralea pinnata before and after planting were measured. Other parameters that were measured were number of leaves, wet shoot and dry weights, and wet root and dry weights. The growth of Psoralea pinnata, after 12 weeks of experimentation was noticeably affected by the concentrations of chromium and iron in the soil. The percentage increases in shoot height of Psoralea pinnata in the PS Soil (C-PS, 48cm from initial shoot height of 12.6cm) treatments were generally higher than the increases in the US Soil (C-US, 45.2cm from initial shoot height of 12.8cm) treatments. Psoralea pinnata in the (US) treatments accumulated Fe (50.02 ppm) from the soil more than Cr (32.38ppm). In the (PS) treatments, Psoralea pinnata also accumulated more Fe (60.57 ppm) than Cr (38.34 ppm). In the experiments containing both Fe and Cr, the US treatments with 40 ppm each of Cr and Fe, chromium was initially mostly accumulated by Psoralea pinnata (68%). At higher concentrations (320 ppm) of the combined metals (Cr and Fe) treatment, more Fe (55%) was accumulated in Psoralea pinnata. This study however showed that Psoralea pinnata may not be an efficient phytoextraction plant for hyperaccumulation. / Environmental Sciences / M. Sc. (Environmental Management)

La contamination des sols agricoles par la chlordécone menace la durabilité de l’élevage de plein air aux Antilles. Afin de maintenir ce dernier tout en protégeant les consommateurs de denrées animales d’origine terrestre, plusieurs stratégies sont étudiées. Ces travaux de thèse sont focalisés sur l’une d’entre elles qui consiste à séquestrer la chlordécone afin de réduire significativement sa biodisponibilité pour l’animal. La démarche expérimentale a été réalisée par étape, elle s’appuie sur trois piliers : des matières séquestrantes carbonées de type biochar ou charbon activé, l’utilisation de sols artificiels et sur le concept de biodisponibilité relative pour évaluer les performances de séquestration. Les essais conduits avec du charbon activé (à base de noyaux de dattes, de coco ou de lignite) ont montré une séquestration de la chlordécone en milieu aqueux ou chez l’animal, mais pour ce dernier cela ne fonctionne que si la chlordécone et la matrice séquestrante ont eu un temps de contact prolongé (ou maturation) avec l’ingestion par l’animal. Ces résultats montrent l’intérêt d’une séquestration in situ, à savoir directement dans le sol contaminé susceptible d’être ingéré par les animaux. Comme le charbon activé a un coût élevé, des matières carbonées a priori moins coûteuses ont été testées : des biochars à base de diverses essences de bois. Ces biochars produits à deux températures de pyrolyse (500 et 700°C) ont été caractérisés d’un point de vue physique (porosité) et sélectionnés via un test in vitro de disponibilité environnementale. Les tests in vivo (sur porcelets) n’ont pas montré que ces biochars sélectionnés étaient aptes à séquestrer efficacement la chlordécone, puisque la biodisponibilité relative n’était pas différente de un (référence = sol standard sans matière organique). La présence de tourbe dans le sol artificiel ne s’oppose pas au piégeage par les matrices carbonées exogènes. Le test in vitro utilisé et le test in vivo donnent des tendances équivalentes de réduction de la biodisponibilité relative, ce qui est intéressant dans une logique de validation du test in vitro. Ces résultats positifs montrent que la stratégie de séquestration par des matériaux hautement carbonés est possible, requiert des propriétés de microporosité et d’accès aux pores proches de celles d’un charbon activé, mais contingents des conditions expérimentales mises en œuvre ils doivent être poursuivis et validés sur des sols dits naturels / The contamination of agricultural soils by chlordecone threatens the sustainability of outdoor farming in the West Indies. In order to maintain the latter while protecting consumers of terrestrial animal products, several strategies are being studied. This thesis is focused on one of them which consists of sequestering chlordecone in order to significantly reduce its bioavailability for the animal. The experimental approach was carried out in stages, based on three pillars: biochar or activated carbon as sequestering materials, the use of artificial soils and the concept of relative bioavailability to assess sequestration performance. Tests conducted with activated charcoal (based on dates kernels, coconut or lignite) have shown that chlordecone is sequestered in an aqueous medium or in animals, but for the latter it only works if chlordecone and sequestering matrix had a prolonged contact time (or maturation) with ingestion by the animal. These results show the interest of in situ sequestration, ie directly in the contaminated soil likely to be ingested by the animals. As activated charcoal has a high cost, a priori less expensive carbonaceous materials have been tested: biochars based on various wood species. These biochars produced at two pyrolysis temperatures (500 and 700 ° C) were characterized from a physical point of view (porosity) and selected via an in vitro environmental availability test. In vivo tests (on piglets) did not show that these selected biochars were able to effectively sequester chlordecone, since the relative bioavailability was not different from one (reference = standard soil without organic matter). The presence of peat in the artificial soil does not prevent trapping by exogenous carbonaceous matrices. The in vitro test used and the in vivo test give equivalent tendencies to reduce the relative bioavailability, which is interesting in a logic of validation of the in vitro test. These positive results show that the strategy of sequestration by highly carbonaceous materials is possible, requires properties of microporosity and access to pores close to those of an activated carbon, but contingent on the experimental conditions implemented, they must be continued and validated on natural soils

Des modèles prédictifs de prélèvement d’éléments traces métalliques (ETM) par des plantes hyperaccumulatrices sont à développer pour rendre la phytoextraction opérationnelle. Ce travail a pour objectif de développer, calibrer et valider un modèle biophysique combiné d’accumulation foliaire et de mise en solution du nickel lors de cultures de l’hyperaccumulateur Leptoplax emarginata sur un sol fertilisé et contaminé en Ni. Une partie de ce modèle intègre un facteur de bioconcentration lié à la transpiration (TSCF) qui caractérise le mode de transport principal du Ni à travers la racine et jusqu’aux feuilles, lors d’une cinétique couplée de production de biomasse foliaire et de transpiration. Sur des plantes intactes et transpirantes, nous avons déterminé un TSCFNi supérieur à 1 du fait : (i) d’une grande perméabilité des racines à la fois au nickel et à l’eau et (ii) d’un transport actif du Ni largement prédominant. A l’opposé, le TSCFNi du blé de Printemps, plante exclusive, était inférieur à 0,02, et le coefficient de réflection correspondant proche de 1, ce qui caractérise des racines perméables à l’eau mais quasiment pas au nickel. L’exceptionnelle capacité de L. emarginata à accumuler et à tolérer le nickel dans ses feuilles, et plus précisément dans ses épidermes, serait également attribuable à ses transpiration et production de protéines soufrées très élevées, tout particulièrement au niveau de ses feuilles les plus jeunes. Enfin, après avoir couplé notre modèle biophysique d’accumulation foliaire du nickel au modèle de mise en solution des ETM développé par Ingwersen et al. (2006), nous avons optimisé les paramètres du modèle, notamment les paramètres physico-chimiques, et avons validé notre modèle sur des données cinétiques conjointes de quantités de nickel accumulé dans les feuilles de l’hyperaccumulateur et de concentration en nickel dans la solution du sol. Les perspectives de ce travail sont (i) un approfondissement des relations entre l’accumulation foliaire du nickel (ou d’un autre ETM) par un hyperaccumulateur, la transpiration et la production de protéines soufrées permettant une complexation de l’ETM et (ii) une adaptation du modèle pour le terrain, ce qui nécessite notamment une meilleure utilisation du couplage production de biomasse foliaire/transpiration et une prise en compte des cinétiques d’humectation et de dessiccation du sol (équation de Richards de transport d’eau en conditions non saturées), ce qui conduira à la mise au point d’un modèle 1D (la profondeur du sol) d’accumulation foliaire et de mise en solution d’ETM / To make phytoextraction practically feasible, predictive models of metal uptake by hyperaccumulators need to be developed. The aim of this work was to design, calibrate and validate a biophysical combined model of nickel foliar accumulation and availability in soil solution during cultures of the hyperaccumulator Leptoplax emarginata on a fertilized and Ni-contaminated sandy topsoil. We succeed in this. Part of the model integrates a transpiration bioconcentration factor (TSCF) which characterized the main Ni transport through the root and to the leaves. We determined a TSCF value greater than 1 for L. emarginata, which was attributed to (i) a high root permeability to both Ni and water and (ii) a predominant Ni active transport. By contrast, Spring wheat was characterized by a TCSF value less than 0.02 and a reflection coefficient very near 1, indicating that its roots are permeable to water but quite unpermeable to nickel. The high capacity of L. emarginata to tolerate and accumulate Ni in their leaves should also be attributed to its large transpiration and sulfur accumulation, particularly in their youngest leaves. Perspectives of this work are (i) a detailed study on relations between Ni accumulation, transpiration and production of sulphur proteins and (ii) a field adaptation of the model taken into account water transport in unsaturated conditions, leading to design a combined 1D model of nickel foliar accumulation and availability in soil solution

L'utilisation des engrais chimiques phosphatés, et les usines de fertilisants, ayant comme matière première la roche phosphate et rejetant du phosphogypse, contribuent à l’élévation des teneurs des radionucléides naturels et des éléments traces métalliques dans l’environnement. Ces contaminations risquent d’affecter l’écosystème et la santé humaine.Cette étude évalue l’impact sanitaire des radionucléides naturels émetteurs gamma des séries de désintégration de 238U, 232Th, de l’élément naturel radioactif 40K et du Pb, présents dans la matière première et les produits d’une usine de fertilisants au Liban.L’objectif principal est de caractériser la contamination diffuse de ces polluants dans une optique d’évaluation du risque sanitaire dans 9 sites résidentiels, non-cultivés autour de l’usine. Un focus est spécifiquement porté sur l’évaluation quantitative du risque sanitaire lié à la consommation de la plante sauvage Dittrichia viscosa et l’ingestion accidentelle de poussières de sol pour les habitants de la zone étudiée. La notion de bioaccessibilité du Pb des sols et des plantes est intégrée dans ces évaluations. Des extractions chimiques par EDTA et le Physiologically Based Extraction Test (PBET) ont été utilisés pour une estimation in vitro, des fractions disponibles et bioaccessibles du Pb. Ces dernières ont été intégrées dans les calculs des risques. Les risques radiologiques relatifs aux rayonnements ionisants gamma des radionucléides ont également été estimés via les paramètres radiologiques.L’ensemble des travaux a montré que l’usine de fertilisants engendre une contamination diffuse qui augmente les niveaux de radionucléides et du Pb dans l’environnement proche, plus précisément dans les sols (pour 238U, 226Ra et leurs descendants 214Pb, 212Pb et 210Pb, ainsi que pour Pb), et dans les parties aériennes des plantes Dittrichia viscosa (pour Pb et 210Pb). L’étude de la distribution du 210Pb et les fractions PbEDTA apportent des informations complémentaires pour caractériser l’apport en Pb dû à l’activité de l’usine. Les résultats ont montré que les valeurs moyennes des concentrations d’activité des radionucléides dans les échantillons de sol étaient légèrement supérieures à ceux déterminés dans d'autres régions libanaises et aux valeurs moyennes mondiales. D’après les paramètres radiologiques, aucun risque significatif n’a été identifié pour la population fréquentant la zone.Les concentrations en Pb pseudo-total de sol ont été inférieures aux seuils applicables. Des dépassements de seuil ont été constatés pour les teneurs en Pb dans les feuilles de Dittrichia viscosa.Deux schémas d’évaluation de risque sanitaire du Pb ont été étudiés : un premier schéma classique basé sur l’hypothèse de l’ingestion des teneurs totales en Pb dans les sols et les plantes ; un deuxième schéma où seulement les fractions pouvant atteindre la circulation systémique ont été évaluées et considérées dans les calculs de risque. Ces deux schémas ont été appliqués à deux scénarios de terrain à forte exposition. La prise en compte des concentrations de Pb bioaccessible dans les calculs réduit considérablement (au moins d’un facteur de 10) le risque potentiel pour les deux scénarios alors que les calculs du risque selon le schéma classique montrent un risque significatif pour les enfants. Quel que soit le schéma de calcul de risque retenu, l’ingestion des plantes reste la voie principale d’exposition pour les deux scénarios maximalistes. / The use of phosphate fertilizers and phosphate rock as raw material by fertilizer plants, and the by-product phosphogypsum, contribute in increasing the levels of natural radionuclides and trace metals in the environment. This may affect the ecosystem and human health.This study evaluates the radiological impact of natural gamma-emitting radionuclides, mainly 238U, 232Th and their decay product, and 40K. As well as, it evaluates the health impact of Pb, present in the raw material and fertilizers produced by a fertilizer plant in Lebanon.The main objective is to characterize the diffuse contamination of these pollutants with a view to assess the health risk in 9 non-cultivated residential sites around the plant. A focus on the quantitative assessment of the health risk is specifically linked to the consumption of the wild plant Dittrichia viscosa and the accidental ingestion of soil dust for the inhabitants of the study area. The concept of bioaccessibility of soil and plant Pb is integrated into these assessments. Chemical extractions using EDTA and the Physiologically Based Extraction Test (PBET) were used for in vitro estimation of available and bioaccessible Pb fractions. These were incorporated into the risk calculations. The radiological risks related to gamma ionizing radiation from radioelements were also estimated via radiological parameters.All of the work has shown that the fertilizer plant generates diffuse contamination that increases the levels of radionuclides and Pb in the near environment, specifically in soils (for 238U, 226Ra and their decay products 214Pb, 212Pb and 210Pb, as well as for Pb), and in the aerial parts of Dittrichia viscosa plants (for Pb and 210Pb). The study of the distribution of 210Pb and PbEDTA fractions provide additional information to characterize the Pb contribution due to the activity of the plant. The results showed that the mean values of activity concentrations of radioelements in soil samples were slightly higher than those determined in other Lebanese regions and worldwide average values. Based on the radiological parameters, no significant risk has been identified for the population frequenting the area.The pseudo-total soil Pb concentrations were below the applied thresholds. Threshold exceedances were observed for Pb levels in Dittrichia viscosa leaves.Two health risk assessment schemes for Pb were studied: a first classical scheme based on the hypothesis of the total ingestion of total Pb levels in soils and plants; a second scheme where only fractions reaching the systemic circulation have been measured and considered in risk calculations. These two schemes were studied for two high-exposure field scenarios. Taking into account the bioaccessible Pb concentrations in the calculations greatly reduces (at least by a factor of 10) the potential risk for both scenarios, whereas the classical risk calculations show a significant risk for the children. Whatever the chosen risk calculation scheme, ingestion of plants remains the main route of exposure for the two maximalist scenarios.

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)