La pyrolyse de sept molécules modèles de composés toxiques (le diéthyl éther, le bromoéthane, le chloroacétate de méthyle, le nitrométhane, le nitrate d’isopropyle, la diéthylamine, le chlorobenzène) a été étudiée lors de la thèse dans deux types de réacteur à l’échelle du laboratoire : un réacteur parfaitement agité (RPA) en silice et le réacteur tubulaire (RT) en alumine. Ce dernier pilote a été développé durant ce travail pour réaliser des études à des températures supérieures à 1200 K. Les profils axiaux de température dans le réacteur tubulaire ont été mesurés pour en tenir compte lors des simulations. Parallèlement à l’utilisation de la Chromatographie en phase Gazeuse, une nouvelle technique analytique pour notre laboratoire a été utilisée : la spectroscopie Infra-rouge à Transformée de Fourier (IRTF) pour laquelle une méthode d’analyse a été développée. Au cours de ces différentes études, des modèles cinétiques détaillés ont été développés à l’exception de la diethylamine. Globalement, ces modèles cinétiques reproduisent bien dans chaque étude la décomposition du réactif en fonction de la température et la formation des produits majoritaires déterminés expérimentalement. Etant donné le manque de données cinétiques dans la littérature pour la pyrolyse ou l’oxydation de composés bromés, chlorés et azotés, de nombreux paramètres cinétiques ont été estimés dans la plupart des modèles cinétiques développés / The pyrolysis of seven surrogates of toxic compounds (diethyl ether, bromoethane, methyl chloroacetate, nitromethane, isopropyl nitrate, diethylamine and chlorobenzene) was studied during the thesis in two different types of reactors at the laboratory scale: a silica jet-stirred reactor (JSR) and an alumina tubular reactor (TR) to carry out studies at temperatures above 1200 K. Axial temperature profiles were measured and were used to take into account the temperature gradient in the TR. In addition to gas chromatography, a new analytical technique for our laboratory was used: The Fourier Transform InfraRed Spectroscopy (FTIR), for which an analysis method has been developed. As part of the study, detailed kinetics models were developed except for the diethylamine. Overall, these kinetics models well predict the reactivity temperature dependence and the formation of the major products determined experimentally. Since there is a lack of kinetic data in the literature for the pyrolysis and oxidation of brominated, chlorinated and nitrogen compounds, many kinetic parameters were estimated in most of the kinetic models developed

Land contamination is an acknowledged problem around the world due to its potentially adverse impacts on human health and the environment. Specifically in Europe there are estimated to be 2,500,000 potentially contaminated sites. The risk that contaminated sites pose is investigated by risk assessments. The methods and the models though used in risk assessments, vary both on a national and an international level. In this study, the risk assessment methods and models for polluted soils used in Scandinavia and issued by the Environmental Protection Agencies were compared. The comparison aimed to (i) identify similarities and differences in the risk assessment methodology and risk assessment methods and to (ii) investigate to which extend these differences can impact the results of the models and the implications regarding mitigation measures. The method and model comparison showed that Sweden and Norway have great similarities in assessing risks for contaminated soil. However, there are differences with Denmark on a conceptual level. When a common hypothetical petrol station with 20 soil samples was assessed, the results and the conclusions of the three risk assessments were quite different; the site was seen as posing risk to human health with the Danish model when complied with the quality criteria issued by the Norwegian model. The Swedish risk assessment concluded that the contaminant concentration in 3 out of 20 samples was potentially harmful for the environment but not for human health. The demonstrated divergence of the conclusions of risk assessments has major implications and shows great interest for mainly four groups: Land-owners who may be called to cover the expenses for remedial action. Consultants and companies who perform risk assessments and land remediation. The countries that have to meet national and international environmental goals and can also share/ or cover the cost for remedial action. The people exposed to such environments that could be deemed as potentially harmful by a neighboring country. The study was conducted in collaboration with URS Nordic.

Les sols de cokerie sont très hétérogènes, composés de matériaux de construction et de diverses phases organiques telles que du coke, du charbon, du goudron de houille et du bitume routier, jouant un rôle majeur sur les propriétés de ces sols. Leur nature et leur état de dégradation vont influencer la mobilité des différents contaminants. Cette thèse porte sur l’étude du vieillissement d’un sol de cokerie et ses conséquences sur le devenir des polluants organiques et métalliques. Elle intègre des études réalisées à différentes échelles permettant de considérer différents degrés de complexité, par l’utilisation (i) de composés purs, de matériaux organiques isolés (charbon, goudron de houille)et de sols et (ii) de dispositifs intégrant progressivement les différents processus intervenant lors de l’atténuation naturelle : expériences d’oxydation et de biodégradation en laboratoire, dispositif simplifié permettant de suivre l’évolution naturelle de quelques grammes d’échantillon, parcelles lysimétriques du GISFI permettant un suivi à l’échelle du terrain. Deux schémas de dégradation ont été identifiés au cours des expériences en laboratoire : (i) l’oxydation conduit à un phénomène de condensation qui suggère une stabilisation du compartiment organique ; (ii) la biodégradation induit la formation de plus petites unités moléculaires et la libération de composés organiques présents dans la fraction organique insoluble. Si des tendances sont identifiées au cours des expériences d’atténuation naturelle, elles suggèrent plutôt que le processus majeur impliqué est la biodégradation. La sorption du cuivre est variable selon les constituants organiques considérés, et augmente significativement après les expériences d’altération / Coking plant soils are highly heterogeneous and are made of building materials and various organic constituents such as coke, coal, coal –tar and road asphalt. Those materials can strongly influence soil properties. Thus, the retention of the various contaminants will depend on the nature and the degradation of the soil organic constituents. This work deals with the ageing of a coking plant soil and its consequences on the fate of both organic and metallic pollutants. The multi-scale approach applied in this study allows to consider the different levels of complexity through the use of (i) pure compounds, isolated organic fraction of soils such as coal tar and coal and a soil with its mineral fraction, and (ii) experimental devices gradually integrating the processes involved in natural attenuation : laboratory oxidation and biodegradation experiments, simplified device allowing the study of few grams of samples exposed to natural attenuation, and the GISFI (French Scientific Interest Group – Industrial Wasteland) lysimeter plots allowing the study at field scale). Two major evolutions were evidenced: (i) the oxidation led to a condensation suggesting a stabilization process of the organic compartment; (ii) the biodegradation induce the formation of smaller molecular units and the release of organic compounds from the non extractable part of the organic matter. The trends identified during the natural attenuation experiments suggest that the biodegradation is the major process involved in our ageing experiments. The sorption of copper varied according to the different organic constituents that were tested but was clearly enhanced by the degradation of these constituents

La dissipation des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), polluants persistants majoritaires des sols de friches industrielles, implique l'action de microorganismes bactériens et fongiques. Cependant, leur contribution relative à la dissipation in situ, en fonction des interactions entre ces microorganismes ou avec les plantes et les polluants, est mal connue et les communautés fongiques ont été très peu étudiées dans de tels environnements. L'objectif de cette thèse était de préciser l'écodynamique des HAP dans la rhizosphère sous l'effet des microorganismes et de leurs interactions et d'évaluer la diversité fongique dans des sols contaminés. La dynamique des communautés fongiques a été étudiée in situ pendant 5 années, par PCR en temps réel et Temporal Temperature Gradient Electrophoresis (TTGE), dans un sol historiquement contaminé en présence ou non de plantes et dans le même sol ayant subi un traitement de remédiation par désorption thermique. Les plantes avaient un effet positif sur l'abondance et la diversité des champignons et étaient le facteur déterminant la structure des communautés fongiques, dominées par les Ascomycètes. D'autre part, des souches bactériennes et fongiques ont été isolées de ce sol et testées pour leur capacité à dégrader les HAP in vitro. Parmi celles-ci, la bactérie Arthrobacter oxydans Pyr2MsHM11 et le champignon Fusarium solani MM1 ont été choisies comme souches modèles pour étudier leur action individuelle ou conjointe sur la dissipation de trois HAP, dans différentes conditions, des plus simples (cultures liquides) aux plus complexes (microcosmes de sol planté en présence d'une microflore). Les résultats ont montré l'importance fondamentale des interactions entre microorganismes, notamment des phénomènes de compétition, pour la croissance des souches modèles et pour l'expression de leurs potentiels de dissipation des HAP / The dissipation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), very common and persistant pollutants in soils from industrial wastelands, involve the action of bacterial and fungal microorganisms. However their respective contribution, and the influence of the microbial and plant-microbe interactions on in situ PAH dissipation, are poorly known and fungal communities were scarcely studied in such environments. This work aimed to study the fate of PAHs in rhizosphere under the influence of microorganisms and their interactions and to estimate the fungal diversity in contaminated soils. The dynamic of fungal communities was monitored in situ for 5 years, by real-time PCR and Temporal Temperature Gradient Electrophoresis (TTGE) in an aged PAH-polluted soil and in the same soil treated by thermal desorption. The results showed that plants had a positive effect on fungal abundance and diversity and were the main driver of fungal community structure, dominated by Ascomycetes. Besides, bacterial and fungal strains were isolated from this soil and screened for their ability to dissipate PAHs in vitro. Among them, the bacteria Arthrobacter oxydans Pyr2MsHM11 and the fungus Fusarium solani MM1 were chosen as model strains to study their individual and simultaneous effect on PAH dissipation in different experimental conditions, from liquid cultures to planted soil microcosms with a complex microflora. It was found that interactions between microorganisms, notably competition, had a crucial influence on their growth and on the expression of their PAH dissipation potential

Le sol est une ressource rare remplissant de nombreuses fonctions nécessaires au bon fonctionnement des écosystèmes et de nos sociétés. Malgré tout, il subit des pressions anthropiques à l’origine de sa déterioration. Ainsi en Europe, 16% du territoire est sujet à des degradations des sols. Une des menaces affectant l’homeostasie des sols est la contamination chimique issue des sites à activités industrielles. Ces sites contaminés, estimés au nombre 2,5 millions en Europe sont à l’origine d’un risque pour la santé humaine et environnementale. Malheureusement, à l’heure actuelle, il n’existe pas de cadre réglementaire européen commun concernant la gestion de ces sites, dont les diagnostics sont réalisés uniquement sur des listes restreintes de molécules et les polluants prioritaires. Cependant, la contamination des sols est généralement issue de mélanges complexes dont la toxicité est due à un ensemble de contaminants. L’objectif de cette thèse concerne l’identification de composés à l’origine de la toxicité des sols pollués en appliquant une analyse dirigée par l’effet (EDA), une technique qui combine des analyses biologiques et chimiques à un fractionnement physico-chimique. Après le développement de l’EDA pour les matrices solides, cette approche a été utilisée sur site afin d’identifier des composés liant le recepteur des hydrocarbures aromatiques (AhR). Ceci à permis de mettre au jour des contaminants à activité biologique non pris en compte dans les diagnostics des sols pollués tels que des hydrocarbures aromatiques polycycliques non prioritaires selon l’US-EPA, leurs produits d’oxydation ainsi que des composés contenant des N-,S-,O-Heterocyles. / The soil is a scarce resource fulfilling many functions necessary for the proper functioning of ecosystems and societies. Nevertheless, it suffers human pressures causing its deterioration. In Europe, 16% of the territory is subject to soil degradations. One of the threats to the soil homeostasis is the chemical contamination from industrial activity sites. These contaminated sites, estimated to number of 2.5 million in Europe are causing a risk to human and environmental health. Unfortunately, at present there is no common European regulatory framework for the management of these sites, whose diagnoses are made only on short lists of molecules and priority pollutants. However, soil contamination generally comes from complex mixtures whose toxicity is due to a combination of contaminants. The aim of this work concerns the identification of compounds responsible for the toxicity of the contaminated soil by applying an effect-directed analysis (EDA), a technique which combines biological and chemical analyzes to a physico-chemical fractionation. After the development of EDA on the solid matrices, this approach has been used on polluted sites to identify the compounds binding to the aryl hydrocabon receptor (AhR). This allowed to highlight contaminants with a biological activity not included in the diagnoses of polluted soils such as polycyclic aromatic hydrocarbons non-priority according to US-EPA, their oxidation products and compounds containing N -, S-, O-heterocycles.

De nombreux métaux sont indispensables au métabolisme cellulaire, d’autres sont considérés toxiques même à de faibles concentrations. Différents champignons appartenant à des différents groupes taxonomiques ont été identifiés dans des milieux pollués et ont révélé une capacité à survivre et à croître en présence de concentrations potentiellement toxiques. Pour s'adapter à ce stress, les champignons ont développé plusieurs mécanismes au niveau intracellulaire et extracellulaire. En particulier, ils sont connus pour leur capacité à sécréter un large panel de protéines. Cependant, leur rôle dans l'adaptation des champignons à la toxicité des métaux n'a pas encore été étudié. Pour répondre à cette question, le champignon Botrytis cinerea a été soumis à un stress métallique en présence de cuivre, zinc, nickel ou cadmium, les protéines sécrétées ont été collectées et séparées par 2D-PAGE. Deux métabolites ont également été analysés, l'acide oxalique et la nicotianamine. Enfin, les capacités de biosorption des champignons isolés à partir de sols pollués ont été étudiées. L'analyse du sécrétome a révélé 116 spots dont le volume varie en réponse d'au moins un métal. Cinquante-cinq de ces spots sont associés à des protéines uniques. La classification fonctionnelle de ces protéines a révélé que la production d'oxydoréductases et des enzymes dégradant la paroi cellulaire a été modifié en réponse aux métaux. L’étude de la production d'acide oxalique par Botrytis cinerea en réponse aux métaux montre une induction de la sécrétion d'oxalate en réponse au Zn et une accumulation de la nicotianamine, métabolite intracellulaire capable de fixer les métaux chez les plantes. Le gène de la nicotianamine synthase, est d’ailleurs surexprimé en présence de Cu, Zn et Ni. Plusieurs espèces fongiques ont été isolées à partir de sols pollués par des métaux, parmi ceux-ci Trichoderma asperellum et Zygorrhynchus moelleri montrent les meilleurs capacités de biosorption (10mg de Cu/g de matière sèche) des ions Cu / Metal ions are essential elements in many cellular processes. However, metal excess becomes toxic and constitutes a global environmental hazard. A range of fungi from all major taxonomic groups were found in metal-polluted habitats and the ability to survive and grow in the presence of potentially toxic concentrations is frequently encountered. To adapt to this stress, fungi have evolved several mechanisms at both intracellular and extracellular levels. In particular, fungi are well known for their ability to secrete a large panel of proteins. However, their role in the adaptation of fungi to metal toxicity has not yet been investigated. To address this question, here, the fungus Botrytis cinerea was challenged to copper, zinc, nickel or cadmium stress and secreted proteins were collected and separated by 2D-PAGE. Two metabolites were also analyzed, oxalic acid and nicotianamine. Finally, biosorption capacities of fungi isolated from polluted soils were investigated. Secretome analysis revealed one hundred and sixteen spots whose volume varied in at least one tested condition were observed on 2D gels. Fifty-five of these spots were associated with unique proteins and functional classification revealed that the production of oxidoreductases and cell-wall degrading enzymes was modified in response to metals. Study of oxalic acid and nicotianamine (NA) production by Botrytis cinerea in response to tested metals reveal that Zn induces oxalate secretion and that NA synthase gene is upregulated in presence of Cu, Zn and Ni. Many fungal species were isolated from metal polluted soils among them Trichoderma asperellum and Zygorrhynchus moelleri which show the maximum biosorption capacities of Cu ions

L’attività di ricerca ha previsto il confronto fra due siti inquinati da metalli pesanti e due siti controllo naturali. Contrariamente ai parametri chimico-fisici e ai contenuti in metallo dei suoli, le analisi vegetazionali non hanno evidenziato differenze significative tra i siti. E’ stata necessaria la messa a punto strumentale di tecniche ICP-OES, ED(P)XRF per la calibrazione empirica di un XRF portatile, per le osservazioni puntiformi in situ di suoli e flora ed è stata modificata la metodica ufficiale per le stime della biodisponibilità dei metalli pesanti nei suoli inquinati. 6 specie comuni ai 4 siti sono state valutate per i loro TF e BAF. Viene confermata la specie-specificità del TF e del BAF per il quale è stato elaborato un inedito algoritmo per un corretto confronto tra le specie. Tra le sei specie, Silene Alba ha i migliori TF e BAF. Successivamente, sono state valutate alcune caratteristiche del Pennisetum clandestinum, candidato per la fitodepurazione: tollera le concentrazioni di arseniato tipiche dei suoli inquinati, l’arseniato è un inibitore competitivo del trasporto del fosfato, possiede un’elevata velocità di assorbimento dell’arseniato che accumula nella radice, ma non lo trasloca nella frazione epigea, parte dell’As(V) viene ridotto ad As(III) che viene efflusso dalla radice / The research has provided a comparison between two heavy metals polluted sites and two natural control sites. Unlike physical-chemical parameters and metal content in the soils, vegetation analysis showed no significant differences between sites. The development and optimization of instrumental techniques ICP-OES and ED(P)XRF was necessary to calibrate empirically a portable XRF for soil and flora point observations in situ and the official method for estimation of bioavailability of heavy metals in polluted soil was changed. Six species, common to the four sites, were evaluated for their TF and BAF. Were confirmed the TF and the BAF species-specificity for which it was developed a novel algorithm to obtain a correct comparison among species. Among the six species, Silene Alba has the best TF and BAF. In the second stage, some characteristics of Pennisetum clandestinum, candidate for the phytoremediation, were assessed: it tolerates arsenate concentrations typical of polluted soil, arsenate is a competitive inhibitor of phosphate transport, it has a high uptake rate of arsenic that accumulates in the root, but it doesn’t move in the aboveground fraction and part of As(V) is reduced to As(III), which is efflux from roots.

Dans un contexte où les préoccupations environnement-santé sont croissantes à l’échelle globale. Améliorer la compréhension des mécanismes de biodisponibilité et d’(éco)toxicité des polluants métalliques persistants est un enjeu prioritaire, notamment en raison de leur omniprésence observée dans les écosystèmes en relation avec leur compartimentation et spéciation . Le ver de terre est utilisé pour évaluer la qualité des sols ; de plus cet organisme du sol de par ses activités de bioturbation a une influence sur les cycles biogéochimiques. Des tests d’écotoxicité en conditions contrôlées sur vers de terre ont donc été réalisés avec différents sols et espèces de vers. Puis une étude d’impact sur les communautés de vers a été effectuée sur un site pollué présentant un gradient de concentration. L’influence de la bioturbation du ver sur la phytodisponibilité des polluants a été étudiée grâce à des expériences en mésocosmes. Finalement, des mesures de bioaccessibilité des polluants ont été réalisées in vitro sur des sols et végétaux pollués dans différents contextes : friches industrielles, jardins potagers, terrain de sport. L’objectif étant d’étudier le lien entre biodisponibilité pour l’homme, caractéristiques des sols et contexte de pollution. Deux approches complémentaires ont été développées : recherche scientifique liés aux mécanismes et développement d’outils, de procédures pratiques utilisables par les gestionnaires et évaluateurs de risques. L’écotoxicité des métaux et métalloïdes (notés ETM) sur les vers de terre n’est pas simplement régie par leurs concentrations totales, mais dépend fortement des caractéristiques physico-chimiques des sols. Par ailleurs, l’analyse des communautés de ver de terre présentes sur un site contaminé permet d’évaluer la qualité des sols puisqu’on constate un impact sur les l’abondance, la diversité et le taux de juvénile des vers. De plus, la bioturbation du ver de terre augmente significativement la biodisponibilité des ETM pour les plantes potagères telles que la laitue. Finalement, la bioaccessibilité humaine des ETM est régi par de nombreux facteurs liés en particulier au contexte de pollution. Cette fraction bioaccessible des ETM est directement responsable de leur cytotoxicité sur les cellules intestinales. Ces différents résultats ont été complétés par des études mécanistiques (IR, EXAFS, XANES, µ-XRF). / In a context where environmental health concerns are globally increasing. Improve understanding of the mechanisms and bioavailability (eco) toxicity of persistent metals pollutants is a priority, especially because of their observed omnipresence in ecosystems in relation to their compartmentation and speciation. The earthworm is used to assess soil quality; moreover this soil organism through its bioturbation activities affects biogeochemical cycles. Ecotoxicity tests under controlled circumstances on earthworms have been conducted with different soils and worms’ species. Then an impact study on earthworms’ communities was conducted on a polluted site showing a concentration gradient. The influence of earthworms’ bioturbation on phytoavailability of pollutants was studied through experiments in mesocosms and Rhizotest. Finally, in vitro measures of pollutants bioavailability were performed on polluted soils and plants in different contexts: brownfields, gardens, sports field. The objective is to study the link between bioavailability for humans, soil characteristics, context of pollution and toxicity. Two complementary approaches have been developed: scientific research related to the mechanisms and development of tools, practical procedures which could be used by managers and risk assessors. Ecotoxicity of metals and metalloid (denoted ETM) on earthworms is not simply governed by their total concentrations, but strongly depends on the physico-chemical characteristics of soils. Furthermore, analysis of earthworm communities from a contaminated site can evaluate the quality of soil since seen an impact on the abundance, diversity and rate of juvenile worms. In addition, earthworms’ bioturbation significantly increases the bioavailability of ETM for vegetable plants such as lettuce. Finally, the human bioaccessibility of ETM is governed by many factors, in particular the context of pollution. The bioaccessible fraction of ETM is directly responsible for their cytotoxicity on intestinal cells. These results were complemented by mechanistic studies (IR, EXAFS, XANES, μ-XRF).