Soutenance de thèse de Maya Al-Sid-Cheikh (Géosciences Rennes)



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Le vendredi 2 octobre 2015 à 14:00, en salle de conf de l'OSUR (RDC bât.14B, campus de Beaulieu, Université de Rennes 1), Maya Al-Sid-Cheikh soutient sa thèse intitulée

Le vendredi 2 octobre 2015 à 14:00, en salle de conf de l'OSUR (RDC bât.14B, campus de Beaulieu, Université de Rennes 1), Maya Al-Sid-Cheikh soutient sa thèse intitulée

L'Impact des oxydes de fer naturels et des nanoparticules manufacturées sur la dynamique des éléments traces dans les sols de zones humides


Jury :
Christian GAGNON Chercheur, Environnement Canada, rapporteur
Laura SIGG Professeure EAWAG-ETHz, rapporteur
Armand MASION Directeur de Recherche CNRS, CEREGE, examinateur
Khalil HANNA Professeur Ecole de Chimie Rennes, examinateur
Mathieu PEDROT Maitre de Conférence, Goésciences Rennes, Co-directeur de thèse
Aline DIA Directrice de Recherche, Géosciences Rennes, Co-directeur de thèse


Résumé :
La nanoscience est basée sur les changements de propriétés des particules lorsque leur diamètre est inférieur à 100 nm (i.e. nanoparticules, NPs). Devant l'utilisation croissante de tels NPs, et leur déversement probable dans l'environnement, l'évaluation de leurs risques sur la santé humaine et l'environnement est un enjeu majeur. Dans le cadre de la protection des eaux et des sols, l'évaluation de la qualité des eaux de surface est particulièrement importante, notamment dans les zones humides (ZHs), où la dynamique des métaux toxique (i.e. As, Pb, Ni, Cr, Hg) est complexe et dépend des conditions redox du milieu. Comme les NPs de magnétite (nano-Fe3O4), naturelles ou manufacturées, sont reconnues pour leur capacité d'adsorption importante face aux métaux lourds, leurs interactions dans les ZHs ripariennes (ZHRs) avec les ETMs restent critiques quant à leurs impacts directs ou indirects. Ainsi, l'objectif de cette thèse était d'étudier le rôle des nano-Fe3O4 manufacturées (~10nm) et des oxydes de fer naturels sur la dynamique des ETMs dans les eaux de surfaces et les sols de ZHRs.

Ainsi, dans un premier volet portant sur des précipités colloïdaux naturels provenant de produits de reoxydation en milieu riparian (soumis à des oscillations redox), la distribution spatiale des éléments a été effectuée par cartographie isotopique nanoSIMS (i.e. 75As-, 56Fe16O-, le soufre (32S-) et la matière organique (12C14N-), alors que la spéciation du soufre a été évaluée par adsorption des rayons X au seuil K du soufre (S) (XANES). Ces analyses ont permis de mettre en évidences les interactions entre les oxydes de fer naturels, la matière organique naturelle (MON) et un métalloïde toxique, l'arsenic. Nos résultats suggèrent, par colocalisation statistique des images nanoSIMS, l'existence de deux types d'interaction : (1) 12C14N-, 32S-, 56Fe16O- et 75As-, et (2) 12C14N-, 32S- et 75As-. La coexistence des formes de S oxydées et réduites, confirmées par les analyses XANES, pourrait être attribuée à la lente cinétique d'oxydation de la MON. Ainsi, ce premier volet montre qu'en plus des interactions MON, oxydes de fer et As, de possibles interactions directes entre As et NOM à travers des groupements fonctionnels soufrés (e.g. thiols) sont aussi possibles en milieu oxydé. Dans un second volet, l'effet des nano-Fe3O4 (~ 10 nm) sur la mobilité des éléments traces (ETs) et des colloïdes, dans l'horizon organominéral d'un sol naturel de ZHR, a été évaluée à l'aide de colonnes de sol. Nos résultats montrent que l'enrobage des nanoparticules semble influencer la mobilité de la MON et des ETs du sol. En effet, la mobilité des ETs semble augmenter en présence de nano-Fe3O4 nus, suggérant des associations où la MON stabiliserait les nanoparticules et augmenterait leur mobilité ainsi que celle des ETs associés. Ce mécanisme semble par contre moins possible avec le nano-Fe3O4 enrobées où la MON bloquerait les sites d'adsorption de l'enrobage et par conséquent l'adsorption de métaux. Dans le troisième volet, un couplage entre une nouvelle génération de colonne chromatographique d'exclusion de taille (SEC) et la spectrométrie de masse à troche plasma (ICP-MS) a permis de mesurer quantitativement les interactions directs entre les NPs et les TMs dans des matrices naturelles complexes (i.e. boues d'épuration, les eaux souterraines, l'eau du robinet) et différents échantillons artificiels contenant différentes concentrations d'acide humique et de métaux toxiques (i.e. As, Pb, Th). L'application de cette méthode a permis d'observer que la stabilité des nano-Fe3O4 nus est plus fortement affectée par la concentration en métaux (i.e. As et Pb) et le pH que celles enrobées. Des isothermes d'adsorption ont pu également être possibles grâce à cette méthode. Finalement, dans un dernier volet, un suivit de la bioréduction des nano-Fe3O4 par une bactérie modèle Shewanella oneidensis a montré des vitesses de bioréduction du fer très différentes pour deux types de nanoparticules, nano-Fe3O4 et l'hématite (nano-Fe2O3). Les différentes vitesses de bioréduction, potentiellement expliquées par les différentes cristallographies des deux nanoparticules, soulignent encore l'importance de la configuration de surface sur la réactivité et le comportement des nanoparticules.

Globalement, ce projet a mis en évidence comment est influencé le potentiel des nano-Fe3O4 à séquestrer les métaux toxiques, non seulement par la matrice du sol et la MON, mais aussi par leur propre configuration de surface. Par exemple, la dissolution très rapide (i.e. 8j) des nano-Fe3O4 non enrobées par l'activité bactérienne illustre l'importance de leur configuration de surface dans la subséquente mobilité des métaux. En effet, une telle dissolution entraîne en relargage important de Fe2+ capable de complexer et mobiliser les métaux toxiques. Est-ce que l'enrobage pourrait ralentir cette réduction des nanoparticules et par conséquent influencer différemment le transfert des métaux toxiques vers le compartiment aquatique.


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