The effect of the soil organic status (SOS) on the dynamics and impact of a copper contamination was investigated in a coupled field and mesocosm study with a loamy vineyard soil that had been amended with conifer compost (CC) or not amended (NA) during a previous long-term field experiment. Soil mesocosms were contaminated at 240 mg Cu kg-1 and incubated for 24 months. Cu distribution and dynamics were assessed in the solid matrix at the microscale by size fractionation of soils and in the soil solution by measuring total and free exchangeable copper concentrations (Cu2+). Copper bioavailability, CuBio, was also measured with a whole-cell biosensor. The impact of copper on soil bacterial community was evaluated through the monitoring of the amount of copper-resistant bacteria and through the variations in bacterial community structure using ARISA (Automated-Ribosomal-Intergenic-Spacer-Analysis). Results showed that copper distribution, speciation and bioavailability are strongly different in the NA and CC soils, demonstrating that the organic status of soils largely controls the solid and liquid speciation of copper as well as its availability to microorganisms. Cu was shown to be dominantly distributed in the smallest size fractions (<20µm) of both control and amended soils and also in the coarser fraction (>250µm) of the CC soil. The coarser and finest size fractions of the soil are also the ones that release more Cu2+ and CuBio, explaining thus the important amount of Cu-resistant bacteria inhabiting these fractions and the differentiated temporal impact on the structure of soil bacterial community. The distribution of cultivable bacteria varied strongly between the two soils and was found to be well correlated with the distribution of added OM that controls thus bacterial community structure. The preferential impacts of copper observed in the smallest size fractions of the non amended soil demonstrate that copper toxicity and impact is also controlled by the reactivity of the soil fractions. This reactivity controls especially the release and the liquid speciation of Cu and thus bacteria-metal contact. A clear relationship between copper speciation, bioavailability, distribution and impact was established in the present study and will permit better predicting the fate and impact of metals in soils, by accounting for microscale control of metal impact / The effect of the soil organic status (SOS) on the dynamics and impact of a copper contamination was investigated in a coupled field and mesocosm study with a loamy vineyard soil that had been amended with conifer compost (CC) or not amended (NA) during a previous long-term field experiment. Soil mesocosms were contaminated at 240 mg Cu kg-1 and incubated for 24 months. Cu distribution and dynamics were assessed in the solid matrix at the microscale by size fractionation of soils and in the soil solution by measuring total and free exchangeable copper concentrations (Cu2+). Copper bioavailability, CuBio, was also measured with a whole-cell biosensor. The impact of copper on soil bacterial community was evaluated through the monitoring of the amount of copper-resistant bacteria and through the variations in bacterial community structure using ARISA (Automated-Ribosomal-Intergenic-Spacer-Analysis). Results showed that copper distribution, speciation and bioavailability are strongly different in the NA and CC soils, demonstrating that the organic status of soils largely controls the solid and liquid speciation of copper as well as its availability to microorganisms. Cu was shown to be dominantly distributed in the smallest size fractions (<20µm) of both control and amended soils and also in the coarser fraction (>250µm) of the CC soil. The coarser and finest size fractions of the soil are also the ones that release more Cu2+ and CuBio, explaining thus the important amount of Cu-resistant bacteria inhabiting these fractions and the differentiated temporal impact on the structure of soil bacterial community. The distribution of cultivable bacteria varied strongly between the two soils and was found to be well correlated with the distribution of added OM that controls thus bacterial community structure. The preferential impacts of copper observed in the smallest size fractions of the non amended soil demonstrate that copper toxicity and impact is also controlled by the reactivity of the soil fractions. This reactivity controls especially the release and the liquid speciation of Cu and thus bacteria-metal contact. A clear relationship between copper speciation, bioavailability, distribution and impact was established in the present study and will permit better predicting the fate and impact of metals in soils, by accounting for microscale control of metal impact

Un empoisonnement naturel et à grande échelle, touche aujourd'hui les populations consommant les eaux des aquifères du delta du Bengale. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre la mobilité de l'arsenic en décrivant les interactions entre les transformations minéralogiques et les processus microbiens sur le site d'étude de Chakdaha au Bengale Occidental (Inde). Les interactions entre les bactéries ferri-réductrices ou sulfato-réductrices avec une ferrihydrite dopée en As sont étudiées dans des expérimentations en réacteur et en colonne dans des conditions anoxiques. Le couplage des processus biotiques et abiotiques est pris en compte dans différents modèles numériques. Un premier modèle énergétique a été testé sur les expériences en réacteur et sur des données publiées avec des sédiments du Bengale. Ce modèle donne une explication du découplage observé entre la libération en solution du Fe(II) et de l'As(III). Les expériences en colonne ont permis ensuite de représenter une transition rédox possible avec la réduction d'oxydes de fer et la précipitation de sulfures de fer. Par ailleurs, des observations à Chakdaha ont révélé le rôle possible des carbonates dans les zones de fortes concentrations en As. L'ensemble des acquis expérimentaux et des observations de terrain ont permis de développer un modèle de transfert réactif 1D de l'As dans ces aquifères. Différents scénarios sur la séquence entre les accepteurs d'électrons ont été comparés aux données, en particulier le ratio solide Fe(II)/Fe. Les modèles de transport réactif couplés aux processus microbiens permettront à l'avenir une meilleure prédiction du transfert des polluants dans l'environnement.

Jean M.F. Martins, CR1 CNRS, LTHE (UMR 5564), CNRS, INPG, IRD, Univ. J. Fourier, Grenoble I Résumé : L'ensemble de mes travaux est basé sur une approche pluri et interdisciplinaire développée dans le but d'améliorer nos connaissances et la compréhension du comportement biogéochimique (sorption, biotransformation et transfert) et l'impact des micropolluants dans l'environnement, afin de mieux prédire l'exposition et les impacts sur notre santé ou celle de nos écosystèmes. Au moment ou des polluants émergeants sont détectés dans les eaux et les sols dès qu'on se donne les moyens pour les détecter, et alors que la directive européenne REACH se met en place, les approches de recherche monodisciplinaires montrent de plus en plus clairement leurs limites et font ainsi ressortir le caractère indispensable de la pluridisciplinarité dans l'approche de la problématique de la biogéochimie des polluants. C'est dans ce contexte que j'ai essayé, à chaque fois que cela était nécessaire et possible, de développer une approche interdisciplinaire en rupture avec les approches classiques, en abordant notamment les phénomènes couplés ou cinétiques, dans le but d'évaluer simultanément et de modéliser le comportement biogéochimique (sorption, biotransformation et transferts) et l'impact des micropolluants dans les sols à plusieurs échelles et dans différents contextes biogéochimiques. Les approches ainsi développées ont permis de caractériser les mécanismes de sorption des polluants dans le sol et dans ses différents compartiments, minéral, organique et biotique et d'établir l'effet de ces processus sur le transfert réactifs de ces polluants en combinant des approches expérimentales et théoriques en conditions dynamiques et en faisant appel à des dispositifs technologiques spécifiquement développés. La première partie de ce mémoire concerne l'étude des processus de sorption des micropolluants organiques et métalliques dans les sols, et des divers facteurs qui les contrôlent, notamment la spéciation chimique. Cette spéciation contrôle directement l'ambiance chimique dans les sols, qui correspond à un équilibre de la chimie et de la distribution des micropolluants entre les différents compartiments du sol. Ainsi les interactions des micropolluants avec les constituants abiotiques (minéraux et matière organique) et biotiques (microorganismes) des sols et leur modélisation ont été étudiées par des approches combinées de dynamique des systèmes (colonnes), chimie de solution (batch) et spectroscopiques ou microscopiques (spectroscopie EXAFS, MEB- et MET-EDX). Le premier exemple abordé a concerné la réactivité de composés organiques (dinitrophénols) en mono- et multi-contaminations. Pour cette dernière condition, il a été montré de manière originale l'existence de processus complexes et prépondérants de compétition pour les sites de sorption dans les sols et de synergie pour la toxicité, processus largement négligés dans les études classiques mono-polluants, qui ne sont que rarement représentatives de la réalité du terrain. Ainsi, ces phénomènes induisent des modifications importantes du comportement global de ces composés en termes de mobilité (cinétiques de transfert de masse), d'impact et de dégradabilité, rendant également leur prédiction très délicate car nécessitant la prise en compte des phénomènes de synergie et de compétition précités. La réactivité des micropolluants avec une des fractions les plus réactives des sols, la biomasse vivante, a également été étudiée au travers de trois modèles bactériens contrastés (Cupriavidus metallidurans CH34, Escherichia coli, Pseudomonas putida) par une approche combinée de spectroscopie X et de chimie de solution. Ainsi nous avons contribué à la validation d'un modèle universel de réactivité de surface bactérienne aux micropolluants, notamment métalliques, basé sur la prise en compte de groupements réactifs déjà connus, phosphoesters, carboxyles, ou nouvellement identifiés, sulfhydriles, par une approche d'absorption X et de modélisation thermodynamique. Ce modèle reste toutefois peu satisfaisant pour les structures biologiques complexes telles que les biofilms, qui présentent une réactivité largement sous-estimée en raison de la mise en jeu de substances polymériques extracellulaires (EPS) complexes, particulièrement abondantes dans ces structures. Ce volet constitue une de mes principales perspectives de recherche. Dans la seconde partie de ce mémoire, des approches en conditions statiques et dynamiques et mono et multi-pollutions ont permis d'évaluer la biodégradabilité et la biotransformation de contaminants traces en sols naturels. Leur impact sur le compartiment microbien a été évalué par des méthodes d'écotoxicologie classique (bio-indicateurs, marqueurs microbiologiques globaux) et par des méthodes plus innovantes (biocapteurs, biodiversité) permettant la mise en évidence du contrôle de la toxicité des contaminants par leur biodisponibilité, elle-même largement contrôlée par leur spéciation chimique, leur réactivité et leur diffusion au contact des cellules bactériennes (accessibilité). Ces études ont contribué à montrer le rôle important (prépondérant sous certaines conditions) des microorganismes dans la rétention et dans le transport des micropolluants dans les sols, phénomènes qui ont longtemps été négligés et restent encore aujourd'hui difficiles à évaluer in situ. Cela a constitué la dernière partie de ce travail qui présente une approche de dynamique des systèmes en colonnes de sols, permettant d'identifier et modéliser les conditions biogéochimiques impliquées dans le transfert réactif des polluants dans la zone non saturée des sols. Nous avons ainsi caractérisé les principaux facteurs biotiques et abiotiques contrôlant la mobilité des polluants et des bactéries dans les sols et développé une modélisation intégrant ces facteurs dominants. En plus d'être rapidement mobilisées dans les sols, certaines cellules bactériennes peuvent, sous certaines conditions, accélérer fortement le transport de polluants, comme nous avons pu le montrer avec le pentachlorophénol ou avec le Zn, le Cd ou le Cu et le prédire par une modélisation couplée hydrodynamique et géochimique. L'approche pluridisciplinaire et multi-échelle (moléculaire à macroscopique) développée dans ces travaux, fournit des connaissances nouvelles (i) pour la compréhension des cycles biogéochimiques des micropolluants dans les sols, et (ii) pour l'évaluation des risques liés à ces pollutions (notamment les multi-pollutions) et le développement de techniques de bioremédiation de sols et d'eaux contaminés. Mots clefs : Micropolluants, biotransformations, spéciation, écotoxicité, biodisponibilité, accessibilité, réactivité de surface, transfert réactif, bioremédiation, couplages, modélisation.

The effect of the soil organic status (SOS) on the dynamics and impact of a copper contamination was investigated in a coupled field and mesocosm study with a loamy vineyard soil that had been amended with conifer compost (CC) or not amended (NA) during a previous long-term field experiment. Soil mesocosms were contaminated at 240 mg Cu kg-1 and incubated for 24 months. Cu distribution and dynamics were assessed in the solid matrix at the microscale by size fractionation of soils and in the soil solution by measuring total and free exchangeable copper concentrations (Cu2+). Copper bioavailability, CuBio, was also measured with a whole-cell biosensor. The impact of copper on soil bacterial community was evaluated through the monitoring of the amount of copper-resistant bacteria and through the variations in bacterial community structure using ARISA (Automated-Ribosomal-Intergenic-Spacer-Analysis). Results showed that copper distribution, speciation and bioavailability are strongly different in the NA and CC soils, demonstrating that the organic status of soils largely controls the solid and liquid speciation of copper as well as its availability to microorganisms. Cu was shown to be dominantly distributed in the smallest size fractions (<20µm) of both control and amended soils and also in the coarser fraction (>250µm) of the CC soil. The coarser and finest size fractions of the soil are also the ones that release more Cu2+ and CuBio, explaining thus the important amount of Cu-resistant bacteria inhabiting these fractions and the differentiated temporal impact on the structure of soil bacterial community. The distribution of cultivable bacteria varied strongly between the two soils and was found to be well correlated with the distribution of added OM that controls thus bacterial community structure. The preferential impacts of copper observed in the smallest size fractions of the non amended soil demonstrate that copper toxicity and impact is also controlled by the reactivity of the soil fractions. This reactivity controls especially the release and the liquid speciation of Cu and thus bacteria-metal contact. A clear relationship between copper speciation, bioavailability, distribution and impact was established in the present study and will permit better predicting the fate and impact of metals in soils, by accounting for microscale control of metal impact

La disponibilité de la ressource en eau potable est en train de diminuer dans diverses régions, en lien avec la demande croissante d'eau douce, de la demande en produits alimentaires (Agriculture et élevage) et des effets des changements climatiques au niveau mondial à cause de la croissance démographique. Les pratiques agricoles inadaptées peuvent conduire à des pollutions des eaux superficielles et souterraines par des pesticides, des produits pharmaceutiques, des métaux, des nutriments, ou des sédiments et colloïdes. L'augmentation de la demande en produits animaliers est un des principaux facteurs qui conduisent à l'augmentation de l'utilisation d'antibiotiques, notamment de la famille des sulfonamides comme le sulfametoxazole (SMX). Malgré les grandes quantités de SMX utilisées tant en santé humaine qu'animale, et malgré le risque de contamination des ressources en eau associés à ce type de molécule, leur devenir dans les sols est encore mal compris et est peu documenté. C'est dans ce contexte que nous avons entrepris l'étude des interactions physico-chimiques, la dégradation, l'impact et le transfert du SMX dans deux sols aux propriétés physico-chimiques similaires mais issus de zones géographiques différentes (Recife, Brésil et Mâcon, France), et présentant différents contextes climatiques (tropical et tempéré) et différents usages (urbain et agricole). L'étude des interactions physico-chimiques a consisté à caractériser les processus de sorption et leurs cinétiques ainsi que l'effet du pH des sols, en lien avec l'ionisabilité de la molécule de SMX (2 pKa). La dégradation (biotique et abiotique) de la molécule antibiotique a été évaluée pour 3 concentrations différentes (10-3, 10-4 et 10-5M) pour évaluer l'effet des propriétés des sols sur la toxicité et la biodisponibilité du SMX. Les sols de Macon et Recife non contaminés au SMX présentent une biodiversité importante et semblable comme l'ont montré les indices de Shannon (H') et de Simpson. L'addition d'antibiotiques aux 2 sols modifie rapidement leur biodiversité microbienne et induit des changements de structures et de composition de la communauté bactérienne. Une bactérie du genre Arthrobacter est spécifiquement stimulée dans les deux sols par l'ajout de SMX, mais elle n'est pas cultivable, en revanche, nous avons pu isoler une souche de Burkholderia fortement stimulée par la présence de l'antibiotique, qui représente plus de 30% de la communauté bactérienne et qui présente des capacités de dégradation de l'antibiotique très importantes. La dégradation du SMX dans les deux sols s'avère rapide à faible concentration (10-5M) et plus lente (Mâcon) voire inexistante (Recife) à plus forte concentration (10-3M). La mobilité du SMX a été évaluée par des essais de transport en colonnes de sols remaniés conduites à 0,2; 0,45 et 0,7 mL.min-1. Les concentrations en SMX étant déterminées par HPLC-UV. L'identification des processus hydrodynamiques dans les deux sols et des processus de transfert du SMX a été réalisée avec le modèle de convection - dispersion avec retard (CDE sous CXTFIT). Les cinétiques de sorption ont été bien décrite avec un modèle de second ordre et le SMX suit une adsorption de type Langmuir. La mobilité du SMX s'est avérée plus importante dans le sol de Mâcon que dans le sol de Recife en lien avec une plus forte teneur en oxydes de fer très réactifs dans ce dernier, suggérant un risque plus élevé de contamination des eaux naturelles dans le cas du sol de Mâcon. Ce risque est toutefois contrebalancé par la faible persistance dans les deux sols du SMX qui, à faible concentration, est rapidement dégradé. Mots clés : Sol, antibiotique, Sulfametoxazol, sorption, transport, dégradation, impact, polluants émergents / The availability of fresh water in various regions, has been decreasing due to the increasing demand of water resources, the growing demand for food (agriculture and livestock) and the effects of climate change on a global level due to global population growth. Inadequate agricultural practices can lead to pollution of surface and groundwater with pesticides, pharmaceuticals, pollutants, nutrients and sediments, since the main entry of these products into the environment is resulting from their use in human and veterinary medicine. Increased demand in livestock is one of the factors that led to an increased use of antibiotics, such as sulfamethoxazole, and despite the large amount of sulfamethoxazole that is used both in human medicine and in veterinary medicine, and the risk of contamination of aquifers associated this molecule, its fate in soil is still unclear and poorly documented. Thus, the physico-chemical, biological interactions were studied, the impact associated with bacterial resistance and the transport of sulfamethoxazole (SMX) in two different soils but have similar particle size characteristics, the soils are of different geographical origins (Recife, Brazil and Macon, France), uses (urban and rural) and climatic conditions (tropical and temperate). The sorption tests were divided into kinetics of sorption isotherm and sorption in function of pH, since sulfamethoxazole is an ionizable molecule. The biodegradation tests were performed at three different concentrations of sulfamethoxazole (10-3, 10-4 and 10-5 M) to evaluate the effect of soil characteristics and concentration of the SMX on biodegradation of SMX molecule. The soils untreated, Macon and Recife, have an equivalent diversity, according to the calculation of the Shannon index (H ') and Simpson index. Assays of miscible displacement in soil columns with KBr and sulfamethoxazole were satisfactory for flow rates 0.2; 0.45 and 0.7 mLmin-1. The concentration of sulfamethoxazole was determined by high performance liquid chromatography (HPLC). Identification of the mechanisms involved in the transport process and the determination of parameters hidrodispersive soil through the elution curves of KBr and sulfamethoxazole were performed using the CDE model (convection-dispersion) through CXTFIT program. Sorption kinetics was best described with the second-order model and the sorption isotherms were linear. The CDE model adequately represents the experimental data of the elution curves of the sulfamethoxazole. The soil Recife, relative to Macon, had the lowest risk of groundwater contamination existing in this region / A disponibilidade de água doce, em diversas regiões, vem diminuindo em função docrescimento da demanda de recursos hídricos, do crescimento da demanda poralimentos (agricultura e pecuária) e dos efeitos da mudança climática em nível mundialdevido ao crescimento da população mundial. As práticas agrícolas inadequadas podemlevar à poluição das águas superficiais e subterrâneas com pesticidas, fármacos,poluentes, nutrientes e sedimentos. O aumento da demanda na pecuária é um dos fatoresque conduziu a um aumento do uso de antibióticos, como o sulfametoxazol, e apesar dagrande quantidade utilizada tanto na medicina humana como na veterinária, e do riscode contaminação dos aquíferos associados a essa molécula, seu destino no solo aindanão está claro e é pobremente documentado. Os objetivos deste trabalho foram estudaras interações físico-químicas e biológicas, o impacto associado à resistência bacteriana eo transporte do sulfametoxazol (SMX) em dois solos distintos, embora comcaracterísticas granulométricas semelhantes. Os solos são de diferentes origensgeográficas (Recife, Brasil e Macon, França), usos (urbano e agrícola) e condiçõesclimáticas (tropical e temperada). Os ensaios de sorção foram divididos em: cinética,isoterma de sorção e sorção em função do pH, uma vez que o sulfametoxazol é umamolécula ionizável. Os ensaios de biodegradação foram realizados em trêsconcentrações diferentes do sulfametoxazol (10-3, 10-4 e 10-5M) para avaliar o efeito dascaracterísticas dos solos e da concentração do SMX sobre a biodegradação da moléculado SMX. Os solos não tratados Macon e Recife têm uma diversidade equivalente,segundo o cálculo do índice de Shannon (H'), e do índice de Simpson. Os ensaios dedeslocamento miscível em colunas de solo com o KBr e o sulfametoxazol foramsatisfatórios para as vazões de 0,2; 0,45 e 0,7 mL.min-1. A identificação dosmecanismos envolvidos no processo de transporte e a determinação dos parâmetroshidrodispersivos dos solos, através das curvas de eluição do KBr e do sulfametoxazol,foram realizadas utilizando o modelo CDE (convecção-dispersão). A cinética de sorçãofoi melhor descrita com o modelo de segunda ordem e as isotermas de sorção foram nãolineares. O modelo CDE representou adequadamente os dados experimentais das curvasde eluição do sulfametoxazol. O solo Recife, em relação ao Macon, apresentou o menorrisco de contaminação do lençol freático existente nessa região.