Le devenir des contaminants est contrôlé par la spéciation de la matière organique colloïdale



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Le projet C-FACTOR porté par Rémi Marsac (Géosciences Rennes, équipe Nano-BioGéochimie) est retenu par l’ANR pour un financement à hauteur de 217 K€ (2018-2022).

Le projet C-FACTOR porté par Rémi Marsac (Géosciences Rennes, équipe Nano-BioGéochimie) est retenu par l’ANR pour un financement à hauteur de 217 K€ (2018-2022).

Les colloïdes sont omniprésents dans les sols, les sédiments et les eaux. Ce sont des nanoparticules naturelles qui, en raison de leur petite taille, ne sédimentent pas en l’absence d’agrégation et peuvent donc être transportée sur de longues distances. Ils ont la capacité de contrôler le devenir des contaminants car leur surface est extrêmement réactive. Ce sont, en quelque sorte, des « autobus » à contaminants. Les colloïdes naturels sont souvent des colloïdes organo-minéraux (COMs) complexes. Or, les interactions entre contaminants et COMs ne peuvent être prédites car les mécanismes contrôlant les interactions entre matière organique naturelle (MON) et minéraux sont méconnus. Le projet C-FACTOR - Contaminants FAte is ConTrolled by colloidal ORganic matter speciation - vise donc à déterminer comment la spéciation de la MON est affectée par ses interactions avec des minéraux dans des conditions environnementales variées afin de vérifier l’hypothèse de l’existence d’une relation entre composition/taille/structure/morphologie et réactivité de surface des COMs. Des études d’adsorption de différents contaminants (métaux, arsenic, contaminants organiques) sur les COMs seront réalisées afin de sonder la réactivité de surface des COMs et de développer un modèle prédictif du devenir des contaminants tenant compte des COMs.



Factor


De nombreux contaminants (métaux lourds, metalloïdes, radionucléides, pesticides, hydrocarbures) sont retrouvés dans les eaux de surface ou souterraines, les sédiments et les sols. Compte tenu de leur utilisation intensive et de la menace qu'ils représentent pour la santé publique, la vie aquatique et l'environnement, le comportement et le devenir de ces contaminants sont particulièrement préoccupants. Une des voies majeures mais mal-connue du transfert de ces contaminants sont les colloïdes et cela en raison de leur grande surface réactive vis-à-vis des contaminants. Ces derniers sont omniprésents dans l’environnement et peuvent être transportés sur de grandes distances. Les colloïdes naturels sont souvent des assemblages complexes de matière organique naturelle (MON) et de minéraux, formant des colloïdes organo-minéraux (COMs) dont la petite taille et l’hétérogénéité rendent difficile leur caractérisation et la quantification des processus intervenant à leur surface.

Bien que de nombreuses études expérimentales et théoriques aient été réalisées durant ces trente dernières années, les modèles numériques ne parviennent toujours pas à prédire correctement les interactions entre contaminants et COMs. Le projet C-FACTOR a donc pour but de développer le premier modèle prédictif des interactions entre contaminants et COMs. Pour cela C-FACTOR fait l’hypothèse de l’existence d’une relation entre composition, taille, structure et morphologie des COMs et leur réactivité de surface vis-à-vis des contaminants.

Pour vérifier cette hypothèse, C-FACTOR doit faire face à quatre défis majeurs. Si de nombreuses études ont mis en évidence un fractionnement de la MON à la surface des minéraux, (1) les facteurs environnementaux et les mécanismes responsables de ce fractionnement sont méconnus et (2) la réactivité de la MON dans les COMs vis-à-vis des contaminants a rarement été étudiée. De plus, (3) bien que la MON soit de nature supramoléculaire (constituée de petites et de macromolécules pouvant s’associer et se dissocier), les modèles numériques actuels considèrent toujours la MON comme purement constituée de macromolécules indivisibles. Finalement, (4) le terme « réactivité de surface » est vague car la surface des COMs est hétérogène : de nombreux sites de complexation sont disponibles pour les contaminants, et ils diffèrent selon le contaminant.

Pour relever ces défis, une caractérisation approfondie des COMs sera réalisée, en mettant l’accent sur la spéciation de la MON, pour des COMs formés sous l’influence de facteurs environnementaux variés avec, donc, des compositions/tailles/structures/morphologies très différentes. Une nouvelle méthodologie basée sur le développement d’une « sonde » de la réactivité de surface des COMs sera mise au point. Elle consistera à étudier l’adsorption de contaminants variés (métaux, metalloïdes, composés organiques), chacun d’entre eux étant utilisé pour déterminer la nature et la quantité des différents types de sites à la surface des COMs. Basé sur ce jeu de données, le modèle géochimique développé calculera explicitement l’adsorption de la MON sur les minéraux, en tenant compte de sa nature supramoléculaire, et prédira les interactions entre de nombreux contaminants et les COMs, prenant ainsi en compte l’hétérogénéité de leur surface. Le modèle sera testé et validé, et son domaine d’applicabilité et ses limites seront déterminés en le confrontant à des données obtenues pour des COMs naturels, collectés sous différentes conditions biogéochimiques et pédoclimatiques. Ce nouveau modèle sera développé dans un célèbre code de spéciation pour une large dissémination des résultats, aussi bien dans le secteur public que privé. Il constituera, un puissant outil d'évaluation des risques ou d’élaboration de stratégies de remédiation.



Les applications possibles

Ce projet fournira non seulement des connaissances fondamentales, mais aussi des outils de modélisation opérationnelle pour comprendre et prédire le comportement des polluants dans l'eau et les sols. Le modèle numérique prédictif des interactions contaminants-COMs pourrait être utilisé pour l'évaluation des risques et l'élaboration de stratégies de dépollution. Bien que le projet C-FACTOR se concentre uniquement sur certains contaminants, une fois développé, le modèle pourrait être paramétré pour de nombreux autres contaminants. Le modèle constituera donc un outil puissant pour prédire le comportement environnemental des contaminants dans des contextes très différents, y compris les sites pollués par les métaux lourds, les métalloïdes, les composés organiques hydrophobes, les composés pharmaceutiques, etc., ainsi que dans le cas de contaminations multiples. Le modèle s'appliquera aux contaminants courants (par exemple au mercure), mais aussi aux contaminants émergents (par ex. les terres rares).

Non seulement le comportement naturel des contaminants est affecté par les COMs naturelles, mais aussi par des nutriments tels que le phosphore, dont la biodisponibilité est également contrôlée par sa spéciation, et dont le comportement géochimique est souvent comparé à celui de l’arsenic. Par conséquent, les résultats du projet C-FACTOR pourraient également être extrapolés (via une paramétrisation approprié du nouveau modèle) aux nutriments afin d'évaluer et d'améliorer la fertilité et la productivité des sols dans un contexte agricole.

De surcroit, il y a également un intérêt croissant pour les catalyseurs écologiques (en particulier à base de fer) pour la dépollution des sols et des eaux souterraines contaminées. L'efficacité de ces catalyseurs est fortement diminuée par la MON. La compréhension de l'interaction MON-Fe et de la réactivité de surface des COM vis-à-vis de divers contaminants pourrait également fournir des informations précieuses pour améliorer l'efficacité des catalyseurs de dépollution, voire contribuer à la découverte de catalyseurs très innovants.


Les potentielles collaborations au sein de l’OSUR

Au-delà de la synergie au sein de l’équipe Nano-BioGéochimie de Géosciences Rennes, le projet C-FACTOR pourrait conduire à de nouvelles collaborations et des interactions avec l'équipe "Dynamique, Imagerie et Modélisation des Systèmes Environnementaux" (DIMENV, également à Géosciences Rennes) et le département « milieu divisé » de l’Institut de Physique de Rennes (IPR). En effet, les membres de DIMENV ont une forte expertise sur la modélisation des phénomènes de transport dans les systèmes hydrogéologiques, notamment Tanguy Le Borgne qui coordonne le projet ERC "ReactiveFronts". L’équipe d’Hervé Tabuteau de l’IPR s’intéresse également au transport de colloïdes dans l’eau. En intégrant les résultats du projet C-FACTOR dans un modèle prenant en compte les écoulements et le transport colloïdale, la prédiction de la migration des contaminants associés aux colloïdes dans les sols et les eaux deviendrait possible. Enfin, sur la base des résultats escomptés du projet C-FACTOR, des collaborations pourraient également émerger avec le laboratoire ECOBIO sur des sujets liés à l'impact des COMs sur la biodisponibilité/toxicité des contaminants.



Contact OSUR
Rémi Marsac (Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @





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