Le but de ce travail était de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la corrosion marine des structures en acier. Ces mécanismes impliquant l'influence de micro-organismes vivants, et notamment des bactéries sulfurogènes, l'étude a couplé des méthodes physico-chimiques à des techniques de microbiologie et de biologie moléculaire. Dans un premier temps, un système modèle de laboratoire a été élaboré afin d'étudier en détail les interactions entre les bactéries sulfato-réductrices (BSR) et le principal produit de la corrosion électrochimique des aciers en milieu marin, à savoir la rouille verte sulfatée RV(SO42-). Nous avons ainsi pu reproduire une partie des mécanismes mis en jeu, en montrant que les BSR pouvaient se développer en consommant les ions SO42- issus de la rouille verte et générer ainsi la mackinawite FeS observée sur sites. Dans un deuxième temps, l'évolution de la couche composite " rouille/biofilm " se formant sur acier en milieu marin a été suivie pour des temps courts d'immersion, allant de 1 semaine à deux mois. Le suivi simultané des données microbiologiques et physicochimiques a permis de montrer que l'influence des BSR ne se faisait pratiquement pas sentir à ce stade. Cependant, le développement préférentiel de bactéries associées au fer et au soufre au sein de la couche de rouille a pu être mis en évidence. Par ailleurs, très localement, le processus influencé par les BSR a été détecté. Enfin, une étude électrochimique en solutions désaérées simulant l'eau de mer a été confrontée aux résultats de l'analyse physico-chimique et microbiologique d'un coupon immergé 11 ans en milieu portuaire. L'ensemble des résultats montrent que RV(SO42-) se forme également lorsque des conditions anoxiques sont établies à la surface du métal. La formation de RV(SO42-) entre cependant en compétition avec celle de FeS et Fe3O4 suite aux modifications du milieu que peuvent engendrer les micro-organismes. A ces temps d'immersion long, l'influence des bactéries semblent néanmoins s'amoindrir, les micro-organismes tendant à s'éloigner des strates internes de la couche de rouille et donc du métal pour coloniser des zones externes plus riches en substances nutritives.

Le but de ce travail était de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la corrosion marine des structures en acier. Ces mécanismes impliquant l’influence de micro-organismes vivants, et notamment des bactéries sulfurogènes, l’étude a couplé des méthodes physico-chimiques à des techniques de microbiologie et de biologie moléculaire. Dans un premier temps, un système modèle de laboratoire a été élaboré afin d’étudier en détail les interactions entre les bactéries sulfato-réductrices (BSR) et le principal produit de la corrosion électrochimique des aciers en milieu marin, à savoir la rouille verte sulfatée RV(SO42-). Nous avons ainsi pu reproduire une partie des mécanismes mis en jeu, en montrant que les BSR pouvaient se développer en consommant les ions SO42- issus de la rouille verte et générer ainsi la mackinawite FeS observée sur sites. Dans un deuxième temps, l’évolution de la couche composite « rouille/biofilm » se formant sur acier en milieu marin a été suivie pour des temps courts d’immersion, allant de 1 semaine à deux mois. Le suivi simultané des données microbiologiques et physicochimiques a permis de montrer que l’influence des BSR ne se faisait pratiquement pas sentir à ce stade. Cependant, le développement préférentiel de bactéries associées au fer et au soufre au sein de la couche de rouille a pu être mis en évidence. Par ailleurs, très localement, le processus influencé par les BSR a été détecté. Enfin, une étude électrochimique en solutions désaérées simulant l’eau de mer a été confrontée aux résultats de l’analyse physico-chimique et microbiologique d’un coupon immergé 11 ans en milieu portuaire. L’ensemble des résultats montrent que RV(SO42-) se forme également lorsque des conditions anoxiques sont établies à la surface du métal. La formation de RV(SO42-) entre cependant en compétition avec celle de FeS et Fe3O4 suite aux modifications du milieu que peuvent engendrer les micro-organismes. A ces temps d’immersion long, l’influence des bactéries semblent néanmoins s’amoindrir, les micro-organismes tendant à s’éloigner des strates internes de la couche de rouille et donc du métal pour coloniser des zones externes plus riches en substances nutritives. / The aim of this study was to understand the mechanisms involved in marine corrosion of steel structures. These mechanisms are known to be influenced by micro-organisms, in particular by the sulphide-producing bacteria. It was then necessary to couple physico-chemical investigations with techniques of microbiology and molecular biology. In the first part of this work, a laboratory model was designed so as to study the interactions between sulphate-reducing bacteria (SRB) and the main product of the electrochemical corrosion process of iron in seawater, the sulphated green rust, GR(SO42-). We demonstrated that SRB could grow using only the SO42- ions coming from the green rust, thus generating mackinawite FeS as observed in real marine corrosion cases. In the second part, the evolution of the “rust/biofilm” layer that forms on steel in natural seawater was followed for short immersion times, from 1 week to 2 months. The simultaneous monitoring of microbiological and physico-chemical data showed that the influence of SRB was negligible at those early stages. However, the preferential growth of bacteria associated with iron and sulphur could be detected. Moreover, the process influenced by SRB could be detected locally in one case. Finally, in the third part of this work, an electrochemical study of carbon steel in deaerated seawater-like solutions was compared to the results of the physico-chemical and microbiological characterisation of a steel coupon left 11 years in a harbour site. All the results showed that GR(SO42-) was also forming when anoxic conditions were met at the steel surface. The formation of GR(SO42-) however competes with that of FeS and Fe3O4 due to the modifications of the environment induced by micro-organisms. For such long immersion periods, the influence of bacteria seems to decrease. The micro-organisms tend to move away from the inner parts of the rust layer, and then from the metal, to settle the outer parts where more nutrients are available.

Les rouilles vertes sont des hydroxysels mixtes Fe(II)-Fe(III) présents dans les sols hydromorphes sous forme de fougérite. Elles sont connues pour être capable de réduire des polluants organiques et métalliques. Les rouilles vertes peuvent être produites à partir de la bioréduction de lépidocrocite [gamma]-FeOOH par Shewanella putrefaciens, une bactérie ferriréductrice. En vue de comprendre leur formation dans l'environnement et d'utiliser leur réactivité dans la mise en place, à terme, d'un système de dépollution des sols et des eaux (colonne de sable), nous avons étudié leur formation dans un système en batch en présence d'une phase siliceuse (sable et acide silicique) et en présence de polymères organiques synthétiques (polyacrylate PAA et polyacrylamide PAM) afin de mimer la présence des corps bactériens. La silice est les polymères apparaissent comme de bons agents stabilisateurs, favorables à la formation des rouilles vertes. Les rouilles vertes formées en présence de ces agents stabilisateurs conservent leur capacité réductrice vis-à-vis d'un polluant organique, le rouge de méthyle et d'un polluant métallique, le mercure Hg2+. Nous avons ensuite transposé notre système en batch dans une colonne de sable + lépidocrocite [gamma]-FeOOH, soumise à un régime hydrodynamique. Nous avons réussi à former et à caractériser une rouille verte comme minéral secondaire de la bioréduction de la lépidocrocite par Shewanella putrefaciens / Green rusts are mixed species Fe(II)-Fe(III) present in hydromorphic soils as fougerite. They are capable to reduce organic and metallic pollutants. Green rusts may be produced from the bioreduction of lepidocrocite [gamma]-FeOOH by Shewanella putrefaciens, a dissimilatory iron reducing bacteria. In order to understand their formation routes in the environment and eventually, use their reactivity in a system for soil and water remediation (sand column), we studied their formation in a batch system with silica phase (quartz sand and silicic acid) and with two organic polymers (PAA polyacrylate and polyacrylamide PAM).The silica polymers appear to be good stabilizers, favorable to the formation of green rusts. Green rusts formed in the presence of the stabilizing agents retain their reductive capacity toward an organic pollutant, methyl red and a metallic pollutant, mercury Hg2+. Then, we have transposed our system in a flow through column of sand + lepidocrocite [gamma]-FeOOH. The carbonate green rust was formed and identified as secondary mineral of lepidocrocite bioreduction by Shewanella putrefaciens

Les travaux présentés dans ce mémoire sont consacrés à l'étude des processus d'adsorption des anions phosphate par la rouille verte ferrique carbonatée et la ferrihydrite. L'objectif final vise une application au traitement des eaux usées en milieu rural. La synthèse des deux oxydes de fer a été réalisée et leurs propriétés physico-chimiques caractérisées. Un intérêt particulier a été consacré à comparer les propriétés structurales de la rouille verte ferrique en fonction de différents paramètres de synthèse. Une étude approfondie des propriétés physico-chimiques de surface de la ferrihydrite par spectroscopie de photoélectrons X a quant à elle été réalisée. La réactivité de ces deux oxydes a ensuite été abordée en mode discontinu où l'équation cinétique du pseudo-second ordre et le modèle d'isotherme de Freundlich offrent les meilleurs ajustements. L'influence de divers paramètres a été prise en compte comme le pH, la force ionique, etc. Le mode continu a été envisagé sur un matériau de filtration constitué de l'oxyde de fer déposé sur de la pouzzolane. La méthode de fabrication ainsi que les conditions optimales de préparation du matériau de filtration ont été déterminées. Les mécanismes d'adsorption en condition de flux hydrodynamique ont alors mis en évidence des phénomènes advectifs, diffusifs et une régionalisation de l'eau régissant l'adsorption au sein de la colonne. Des informations telles que les capacités d'adsorption ou l'influence du débit sur le processus d'adsorption ont pu être également obtenues. Une expérience préliminaire sur une eau usée prétraitée met finalement en évidence une quantité adsorbée particulièrement intéressante pour une application industrielle potentielle / The Ph.D. work, presented in this manuscript, is devoted to evaluating phosphate adsorption process on carbonate ferric green rust and ferrihydrite. The main objective concerns an application for the treatment of waste water in rural areas. Both iron oxides are first synthesized and their physico-chemical properties characterized. The ferric green rust structural properties differences as a function of synthesis parameters such as aging period and addition of hydrogen peroxide solution is of particular interest. A detailed study of surface physico-chemical properties by X Photoelectron Spectroscopy is carried out in the case of ferrihydrite. The reactivity of these two iron oxides is then evaluated in batch experiments. Adsorption process follows the pseudo-second order kinetic equation and Freundlich isotherm model which give the best adjustments of experimental data. The influence of various parameters such as pH, ionic strength, etc on phosphate adsorption is also taken into account. Column experiments are afterwards carried out by using filtration material constituted of iron oxide deposited onto pozzolana. The optimal conditions to prepare this filtration material are naturally predetermined. Phosphate adsorption in hydrodynamic mode is characterized by advective and diffusive mechanisms and water regionalization which govern the adsorption process in the column. Moreover, phosphate adsorption capacity and flow rate influence on adsorption process are obtained. Finally, a preliminary experiment on a pre-treated waste water finally shows that the filtration material is potentially interesting for an industrial application

En France, il est envisagé de stocker en formation géologique profonde les déchets radioactifs vitrifiés à haute activité et vie longue dans un conteneur en acier inoxydable chemisé par un surconteneur en acier non allié. Les principaux produits de corrosion attendus à la surface de ce dernier, i.e. la sidérite (FeIICO3) et la magnétite (FeIIFeIII2O4), jouent un rôle protecteur contre la corrosion en tant que couche passivante. Ce travail de thèse visait à étudier l’influence des groupes métaboliques bactériens réducteurs du fer ferrique (IRB) et des nitrates (NRB) sur les transformations de ces produits de corrosion en anoxie. Des souches modèles de NRB (Klebsiella mobilis) et IRB (Shewanella putrefaciens) ont, dans un premier temps, été incubées en présence de suspension de sidérite ou de magnétite, afin d’exacerber les processus de transformation du fer du fait d’une surface spécifique élevée, puis dans un second temps, en présence de films électrogénérés de ces produits pour se rapprocher des conditions d’un acier non allié corrodé en anoxie. Ces souches bactériennes sont capables de transformer la sidérite et la magnétite par des processus microbiens directs ou indirects et de conduire à la formation de rouille verte carbonatée (FeII4FeIII2(OH)12CO3). Ce composé occupe une place centrale dans le cycle biogéochimique du fer en anoxie en tant que transitoire commun à plusieurs réactions microbiennes mobilisant le fer sous deux états d’oxydation différents FeII et FeIII. L’originalité de ce travail de thèse est donc de montrer que des métabolismes bactériens inaccoutumés tels que les NRB ou les IRB sont susceptibles de jouer un rôle dans les processus de biocorrosion / Radioactive waste is one of the major problems facing the nuclear industry. To circumvent this issue France plans to store vitrified high-level nuclear waste in a stainless steel container, placed into a non-alloy steel overpack, at a depth of 500m in an argillaceous formation. The main iron corrosion products formed at the surface of the non-alloy steel are siderite (FeIICO3) and magnetite (FeIIFeIII2O4). These compounds are formed in the anoxic conditions present in the nuclear waste repository and play a protective role against corrosion as a passive layer. This work aims to investigate the activity of nitrate-reducing bacteria (NRB, Klebsiella mobilis) and iron-reducing bacteria (IRB, Shewanella putrefaciens) during the transformation of siderite and magnetite, especially those involved in anoxic iron biogeochemical cycle. Klebsiella mobilis and Shewanella putrefaciens were first incubated with siderite or magnetite suspensions (high surface specific area) in order to exacerbate the microbial iron transformation, subsequently incubated with a magnetite/siderite film synthesized by anodic polarization at applied current density. The transformation of siderite and magnetite by direct or indirect microbial processes led to the formation of carbonated green rust (FeII4FeIII2(OH)12CO3). As a transient phase shared by several bacterial reactions involving FeII and FeIII, this compound is the cornerstone of the anoxic iron biogeochemical cycle. The novelty of this thesis is the consideration of bacterial metabolisms of NRB and IRB often overlooked in biocorrosion processes

Le thème principal de cette recherche est la remédiation des sols contaminés par des hydrocarbures en utilisant des traitements d'oxydation chimique à pH neutre. Les minéraux à base de fer sont susceptibles de catalyser cette réaction d'oxydation. L'étude concerne donc dans un premier temps la synthèse des minéraux réactifs contenant des espèces FeII et FeIII (la magnétite et la rouille verte) et, dans un second temps, leur utilisation pour catalyser l'oxydation chimique. Les procédés d'oxydation testés incluent l'oxydation de type « Fenton-like (FL) » et de type persulfate activé (AP). La formation de la magnétite et de la rouille verte a été étudiée par des transformations abiotiques de différents oxydes ferriques (ferrihydrite, goethite, hématite et lépidocrocite) mis en présence de cations FeII. La magnétite a été utilisée pour catalyser les oxydations (FL et AP) dans la dégradation des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques polycycliques (HAP) à pH neutre. Une dégradation importante des hydrocarbures aliphatiques a été obtenue par ces deux oxydants, aussi bien pour des pétroles dégradés naturellement que pour un pétrole brut. L'oxydation catalysée par la magnétite a également été efficace pour la remédiation de deux sols contaminés par HAP provenant d'anciens sites de cokerie. Aucun sous-produit n'a été observé dans nos expériences d'oxydation. En revanche, une très faible dégradation des hydrocarbures a été observée lorsque les espèces FeII solubles ont été utilisées comme catalyseur. Des expériences d'oxydation ont également été réalisées en colonne. Ces études d'oxydation ont révélé l'importance du type de catalyseur utilisé pour l'oxydation, la disponibilité des HAP dans les sols et l'effet de la matrice du sol. Les résultats suggèrent que la magnétite peut être utilisée comme source de fer pour activer les deux oxydations par Fenton-like et persulfate à pH neutre. Ce travail a de fortes implications sur la remédiation par oxydation chimique in situ des sols pollués par des hydrocarbures / The main theme of this research is the use of reactive iron minerals in the remediation of hydrocarbon contaminated soils via chemical oxidation treatments at circumneutral pH. The contribution of this thesis is two-fold including the abiotic synthesis of mixed FeII-FeIII oxides considered as reactive iron minerals (magnetite and green rust) and their use to catalyze chemical oxidation. Oxidation methods tested in this study include Fenton-like (FL) and activated persulfate oxidation (AP). The formation of magnetite and green rust was studied by abiotic FeII-induced transformations of various ferric oxides like ferrihydrite, goethite, hematite and lepidocrocite. Then, the ability of magnetite was tested to catalyze chemical oxidation (FL and AP) for the degradation of aliphatic and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) at circumneutral pH. Significant degradation of oil hydrocarbons occurring in weathered as well as in crude oil was obtained by both oxidants. Magnetite catalyzed oxidation was also effective for remediation of two PAHs contaminated soils from ancient coking plant sites. No by-products were observed in all batch slurry oxidation systems. Very low hydrocarbon degradation was observed when soluble FeII was used as catalyst under the same experimental conditions. Magnetite also exhibited high reactivity to catalyze chemical oxidation in column experiments under flow through conditions. Oxidation studies revealed the importance of catalyst type for oxidation, PAHs availability in soils and the soil matrix effect. Results of this study suggest that magnetite can be used as iron source to activate both Fenton-like and persulfate oxidation at circumneutral pH. This study has important implications in the remediation of hydrocarbon polluted soils through in-situ chemical oxidation

La formation de méthylmercure, la forme la plus toxique du mercure, est due à l’activité bactérienne anaérobie. Afin de connaître la contribution des compartiments microbiens (biofilms, eaux brutes, sédiments) dans la méthylation du mercure, nous avons évalué les vitesses de méthylation d’échantillons de mares de région tempérée (Lorraine) et subarctique (Québec, Canada). Si les bactéries des biofilms ne semblent pas plus méthylantes que d’autres, le sédiment apparait comme le compartiment le plus méthylant en lien avec la concentration en nutriments ainsi qu’avec la température. Ainsi, les changements climatiques actuels, en augmentant la température de l’eau et en favorisant l’activité biologique, peuvent faire de ces mares des sites préférentiels de la méthylation du mercure en milieu subarctique. Enfin, l’activité des biofilms a mené à la formation de rouille verte, un minéral capable de réduire HgII en mercure élémentaire, concurrençant ainsi la méthylation bactérienne / Monomethylmercury formation, the neurotoxic form of mercury, is mainly linked to anaerobic microbial activity. In order to assess the relative contribution of several microbial compartments (biofilms, raw water and sediment) we evaluated methylation of samples from ponds of temperate area (Lorraine, France) and from subarctic ponds (Nunavik, Quebec). Biofilms were not found to specifically promote mercury methylation, whereas sediment emerges as the main compartment involved in mercury methylation. The formation of methylmercury is positively linked to the temperature and to nutrients. Thus, by increasing the open water period, the water temperature and of the microbial activity, current climate changes may turn these ponds in preferential location for mercury methylation in the subarctic ecosystem. Finally, the reactivity of green rust, a mineral which can be produced by bacterial activity of environmental biofilms, may compete with mercury methylation by reducing HgII into Hg0