Ce travail de recherche porte sur la mise en place d’outils permettant d’évaluer le transfert en éléments trace des sols agricoles vers les plantes. Il a été ciblé sur quatre éléments trace métalliques réglementés dans le sol et/ou la plante à savoir le cadmium, le cuivre, le plomb, le zinc, ainsi qu’un élément trace supplémentaire en voie de réglementation, l’arsenic. Dans un premier temps, un protocole d’échantillonnage a été développé afin de disposer d’un outil de diagnostic pré-récolte. Le cahier des charges a été défini de telle façon que ce protocole soit opérationnel, représentatif de la parcelle, applicable pour différentes parcelles et cultures et autorise une spatialisation de la concentration en éléments trace. Il est de type aléatoire stratifié afin de pouvoir couvrir la totalité de la surface étudiée. Dans un second temps, l’étude s’est portée sur le développement d’une méthode d’analyse des sols par électrochimie afin de disposer d’un outil d’évaluation de la biodisponibilité potentielle des éléments traces et donc du risque de transfert sol - plante. Pour ce faire, les concentrations des éléments sous leurs formes électrolabiles ont été déterminées par voltammétrie de redissolution anodique utilisant des électrodes sérigraphiées élaborées au laboratoire. La méthode a été développée et validée à partir d’une solution de sol de référence minéralisé. Elle a été par la suite appliquée à des solutions de différents sols agricoles obtenues par lixiviation selon un protocole normalisé (NF ISO 18772). / This study concerns the establishment of tools, which allow evaluating the transfer of trace elements from agricultural soils to plants. It focused on four metal trace elements regulated in soil and/or in plants, which are cadmium, copper, lead, zinc, as well as a trace element in the process of regulation, arsenic. First, a sampling protocol was developed in order to dispose of a tool of pre-harvest diagnostic. The specifications were defined such that this protocol is operational, representative of the parcel, applicable to various parcels and crops and authorizes a spatial distribution of the trace element concentration. It is based on random stratified type in order to be able to cover the whole of the considered area. Then, the study focused on the development of a soil analysis method by electrochemistry in order to dispose of a tool for assessing the potential bioavailability of trace elements and therefore the risk of the soil - plant transfer. For that, the electrolabile form concentrations of these elements were determined by anodic stripping voltammetry using screen printed electrodes produced at the laboratory. The method was developed and validated from a solution of a mineralized certified reference soil. It was subsequently applied to solutions of different agricultural soils obtained by leaching according to a normalized protocol (NF ISO 18772).

Le nombre croissant de sites affectés par la présence de matériaux technogéniques rend nécessaire l’étude du (bio)fonctionnement des Technosols, qui s’y développent. Un matériau technogénique, issu d’une ancienne friche industrielle de cokerie et présentant une multipollution en HAP et en métaux a été disposé dans des parcelles lysimétriques pour une étude in situ (site d’Homécourt, www.gisfi.fr). La caractérisation morphologique et analytique à différentes échelles du matériau initial nous a permis d’y définir, en analogie avec la classification pédologique standard, la présence (1) de constituants primaires tels que quartz, oxydes de fer, gypse et matières organiques anthropiques, (2) de pseudo-sables technogéniques, soit des laitiers, (3) d’agrégats technogéniques stables à l’eau (12% de la masse du sol) néoformés grâce au rôle agrégeant de la fraction fine (0-20µm). Matières organiques anthropiques et ETM (Zn Pb, Ba) contribuent à la formation de ces associations organo-minérales. Ce matériau d’origine anthropique, tout spécifique qu’il soit, contient des constituants minéraux et organiques capables de s’associer et donc susceptibles, au même titre que ceux des sols naturels, d’évoluer sous l’effet des facteurs pédogénétiques et former ainsi un technosol. Si les deux années d’expérimentation n’ont pas été suffisantes pour mettre en évidence une modification de la stabilité structurale de ce jeune Technosol, les résultats y soulignent l’impact des plantes colonisatrices et de la microflore rhizosphérique sur la formation d’associations organo-minérales. L’activité biologique est donc un facteur clef d’évolution de ces sols / The increasing number of sites affected by the presence of technogenic materials makes necessary the study of (bio)functioning of Technosols, developed there. A technogenic material, resulting from an old industrial coking plant and presenting a multipollution of HAP and metals was laid out in lysimetric pieces for an “in situ” study (site of Homécourt, www.gisfi.fr). The morphological and analytical characterization at different scales of initial material enabled us to define, in analogy with standard pedological classification, the presence (1) of primary constituents such as quartz, iron oxides, gypsum and anthropic organic matters, (2) of technogenic pseudo-sands, like slags, (3) of water-stable technogenic aggregates (12% of the soil mass), generated through the aggregating role of the fine fraction (0-20 µm). Anthropic organic matter and ETM (Zn Pb, Ba) contribute to the formation of these organo-mineral associations. This material of anthropic origin, while it is specific, contains mineral and organic components able to aggregate and is thus, as well as natural soils, able to develop under the influence of pedogenic factors to form a Technosol. If the two years of experimentation were not sufficient to highlight a modification of the structural stability of this young Technosol, the results underline there the impact of the colonizing plants and the rhizospheric microflora on the formation of organo-mineral associations. The biological activity is thus a key factor of evolution of these soils

Les sédiments urbains et résidus minier sont deux sources de pollution potentielle pour l’environnement et plus particulièrement les eaux de surfaces ou les eaux souterraines. L’altération chimique de ces interfaces solides par contact avec une source d’acidité ou d’alcalinité via l’air ou l’eau, est susceptible de se traduire par une dissolution des phases minérales et organiques et d’induire une mobilisation des éléments majeurs et traces métalliques. Ces mécanismes sont encore mal décrits et modélisés pour ce type de matrices très complexes. Cette thèse étudie donc le potentiel de mobilisation des éléments majeurs et traces métalliques de diverses interfaces carbonaté ou non carbonaté (pour l’étude du drainage minier acide et neutre contaminé). En supplément, des interfaces minérales pures ont été utilisées pour simuler en laboratoire des assemblages de phases et identifier les mécanismes croisés impliqués dans le drainage minier acide et neutre contaminé. Toutes ces matrices ont été soumises à des tests de capacité de neutralisation acido-basique (mise en contact avec une source de protons ou d’alcalinité), avec le suivi du pH (pouvoir tampon), de la conductivité et de la mobilisation élémentaire (majeurs et éléments traces métalliques). Les données expérimentales ont été modélisées avec le logiciel de spéciation géochimique PHREEQC. La combinaison des volets d’expérimentation et de modélisation, qui a très rarement été développé sur des interfaces solides aussi complexes, a permis l’identification (i) des réactions de dissolution des phases constitutives des interfaces polluées avec les réactions de sorption impliquées dans la mobilisation de leurs éléments majeurs et traces métalliques, (ii) de la spéciation des éléments majeurs et traces métalliques dans ces interfaces et dans les solutions en équilibre avec les phases solides. Ce travail de thèse permet donc d’aboutir à une méthodologie robuste, précise et réplicable permettant une caractérisation fine de la spéciation en phase liquide et solide des polluants métalliques dans les interfaces contaminées. Cette méthodologie constitue une base cruciale pour comprendre et prédire l’évolution des matières solides contaminées (sédiments urbains et déchets miniers) en fonction des différents modes de gestion : dépollution, valorisation et recyclage. / Urban sediments and mine tailings constitute two potential sources of pollution for the environment, especially surface water or groundwater. The chemical alteration of these solid matrices by contact with a source of acidity or alkalinity via air or water is likely to result in the dissolution of the mineral and organic phases and to induce the mobilization of majors and trace elements. These mechanisms are still poorly described and modeled for this type of very complex matrices. This thesis investigates potential for the mobilization of major and trace metals elements of various contaminated complex matrices, including an urban infiltration basin sediment and two carbonated and non-carbonated mining waste (for the study of contaminated acid mining drainage and contaminated neutral drainage). Besides, pure minerals were used to simulate phase mixture at the laboratory and identify the crossed mechanisms involved in contaminated acid and neutral mine drainage. All these matrices were subjected to acid-base neutralization capacity tests (solids put into contact with a source of protons or alkalinity), with monitoring of the pH (buffer capacity), the conductivity and the elemental release (major and trace metal elements). Experimental data were modeled with the PHREEQC geochemical speciation software. The combination of experimental and modeling approaches, which had very rarely been developed on such complex solid matrices, allowed the identification of (i) the dissolution reactions of the constitutive phases of the polluted matrices with the sorption reactions involved in the mobilization of their major and trace metal elements, (ii) the speciation of the major and trace metal elements in these matrices and in solution in equilibrium with the solid phases. This thesis, therefore, leads to a robust, precise and replicable methodology allowing a fine characterization of liquid and solid phase speciation of metallic pollutants in contaminated matrices. This methodology constitutes a crucial basis for understanding and predicting the evolution of contaminated solids (urban sediments and mining waste) according to different management methods: decontamination, recovery, and recycling.