Distribution and influence of organic matter and microorganisms on aggregation and contaminant leaching potential sediment from stormwater infiltration
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Répartition et influence de la matière organique et des microorganismes sur l'agrégaiton et le relargage de polluants dans des sédiments issus de l'infiltration d'eaux pluviales urbaines En ville, les eaux pluviales sont parfois collectées et infiltrées à travers des bassins d’infiltration (BI). Cette pratique pourrait conduire au transfert de pollution de la ville vers les nappes d’eaux souterraines. Cette étude a eu pour but d’apporter des éléments de réponse à la question suivante : les sédiments déposés à la surface des BI par l’infiltration des eaux pluviales constituent-ils une source de pollution ? Par la caractérisation biophysicochimique de différents prélèvements de sédiments, nous avons montré que l’état physicochimique et biologique de la couche sédimentaire évolue en fonction de l’état hydrique des BI. L’agrégation a été particulièrement étudiée. Les rôles agrégeant de la matière organique, de certains microorganismes et des faibles teneurs en eau ont été soulignés. Nous avons notamment observé la distribution préférentielle de molécules organiques de haut poids moléculaires et de Cyanobactéries dans les agrégats. Par l’étude de la fraction mobilisable lors du passage de l’eau, nous avons montré que l’état physicochimique et biologique des sédiments influence leurs capacités de relargage de contaminants. La mobilisation de particules, de contaminants métalliques, organiques et de bactéries est plus importante à partir de sédiments humides. Plus que la seule teneur en eau, l’historique hydrologique récent des sédiments semble un paramètre déterminant leur capacité de relargage : récemment perturbés, ils relargueraient plus. Cette thèse invite à considérer les sédiments issus de l’infiltration des eaux pluviales non plus seulement comme des matériaux pollués et une source de transfert de contaminants, mais aussi comme des milieux de surface riches en nutriments et en diversité microbiennes, jeunes et aux conditions de vie extrêmes. In urban area, stormwater are often collected and infiltrated towards infiltration basin (IB). Then, contamination could be transferred from city to groundwater resources. This study provides pieces of answer to the following issue: are the deposited sediment at the surface of IB during stormwater infiltration a contamination source? By characterization of various sediment samplings, the sediment biological and physicochemical state was shown to change with the hydric status of the IB. Aggregation was particularly studied. Influences of Organic Matter (OM), microorganism and low water content in aggregation processes were underlined. Preferential distribution of high molecular weight organic compounds and Cyanobacteria inside aggregates were notably observed. By the study of the mobile fraction of sediments when water pass through, we have shown that the ability of contaminant to be leached from sediments changes with the biological and physicochemical characteristics of the sediment. Particles, heavy metals, organic compounds and bacteria were highly leached from moist sediment than from dry one. Results demonstrated that not only water content is influent but also the hydrologic former history: leaching from recently disturbed sediment is higher. This work suggests to consider the sedimentary layer at the surface of IB not only as contaminated material and potential source of contamination but also as nutrient-rich, microbial-biodiverse, young and with extreme living conditions material.
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- 1. 12 mars 2008 Soutenance de thèse de Doctorat par Anne-Laure BADIN Laboratoire des Sciences de l’Environnement, ENTPE / Université de Lyon Laboratoire d'Ecologie Alpine, CNRS UMR 5553, Université Joseph Fourier, Grenoble, F-38041, France Agrégation et relargage de polluants dans des matériaux issus de l’infiltration d’eaux pluviales urbaines
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- 16. Caractéristiques des matériaux prélevés sous différents conditions hydriques Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives ***: p-value<0.01; différence de couleurs prélèvements significativement différents C ARACTÉRISTIQUES PHYSICOCHIMIQUES CARACTÉRISTIQUES BIOLOGIQUES Date de prélèv. Teneur en eau en % (MT) *** MO en % de la MS *** % agrégats stables *** pH*** Ammonium en µg /g MS *** COT en mg/g MS Σ (ETM) en µg/g MS Nombre de bactéries X10 +9 /g MS *** Biomasse en µg de N/g MS *** 10 Mai 06 39 ± 7 10 ± 2 41 ± 13 7.3 ± 0.1 717 ± 368 40.2 ± 12.8 1934 ± 188 35.4 ± 9.5 301.0 ± 91.8 10 Avril 07 14 ± 7 10 ± 3 73 ± 8 7.3 ± 0.1 81 ± 8 53.1 ± 1.1 1985 ± 338 8.3 ± 4.3 68.4 ± 16.3 31 Juill. 07 5 ± 3 11 ± 2 86 ± 3 6.9 ± 0.1 53 ± 9 44.0 ± 11.7 1738 ± 192 12.4 ± 1.6 28.3 ± 9.7 11 Sept. 07 5 ± 1 12 ± 2 89 ± 2 7.1 ± 0.1 88 ± 15 52.0 ± 3.1 1827 ± 119 12.7 ± 2.5 32.7 ± 8.5 10 Dec. 07 36 ± 4 14 ± 4 75 ± 3 7.4 ± 0.1 81 ± 18 56.2 ± 2.5 1722 ± 113 37.4 ± 3.5 165.0 ± 75.5
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- 19. Des communautés microbiennes contrastées Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Corrélation des communautés microbiennes et de l’agrégation b a Date de prélèv. Teneur en eau en % (MT) *** % agrégats stables *** 10 Mai 06 39 ± 7 41 ± 13 10 Avril 07 14 ± 7 73 ± 8 31 Juill. 07 5 ± 3 86 ± 3 11 Sept. 07 5 ± 1 89 ± 2 10 Dec. 07 36 ± 4 75 ± 3
- 21. Caractérisation de l’AGREGATION Mesures par granulomètrie laser Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives + ultrasons 1 min
- 22. Caractérisation de l’AGREGATION Fraction agrégée sensible à 1 min d’US Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives + ultrasons 1 min
- 28. La MO cimente les agrégats MO de plus haut PM (hydrophobe) dans les agrégats Efficacité de l’extraction au dichlorométhane La MO cimente les micro- et les macro-agrégats Élimination de la MO par oxidation chimique Désagrégation des macroagrégats (160-1000 µm) Fragilisation des microagrégats (10-160 µm) Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives 96% 71% 38% 24% 0% 20% 40% 60% 80% 100% macrop < 10 10-160 160-1000 COT extrait / COT initial
- 30. Distribution de la microflore Phylotypes *** : p value < 0.001. Proteoobacteria Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives 50% 20% 20% Agrégats Macropores Empreintes génétiques très différentes clônage et séquençage
- 31. Distribution de la microflore Phylotypes *** : p value < 0.001. Proteoobacteria Microcoleus vaginatus Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Arcobacter sp. Nocardiodes, Microbacterium, Clostridium, Fusibacter, Anaerovorax Influence de Cyanobactéries sur la structure du sol. Photo MEB d’après Prescott et al. (2003) Agrégats Macropores
Notes de l'éditeur
- Les gouttes tombent sur le sol, y penetrent. Une large part du flux s’infiltre, une faible part ruisselle a la surface du sol. Le sol remplit des fonctions de transfert de l’eau et d’épuration. L’impermeabilisation des surfaces emepche l’eau de s’infiltrer aisement l’eau s’accumule sur les surfaces et une large partie du flux ruissele. Le cycle de l eau est ainsi deregle par l impermeabilisation des surfaces. Une facon de pallier a ses pb est de collecter et d eliminer les eaux de pluie une des facon de le faire, mimant le cycle de l’eau est de pratiquer l infltration soit dans des BI dedie a cela soit avec des noues, ou des tranchees drainantes
- Les BI sont des ouvrages destines a contenir et a infiltrer les eaux pluviales. l infiltration est une technique mimant le cycle de l eau et permettant de recharger les nappes d eaux souterraines. Cependant, contrairement à ce qui se passe dans les milieux naturels, de tres grands volumes sont infiltres sur une surface reduite . Ce qui induit une concentration de flux tres grande. Photo aérienne Graphique de droite Zones d’interface entre la ville et le sous sol
- Nombreuses particules emises (traffic automobile, industrie, erosion des constructions) Depot sur les surfaces urbaines. Poussieres du rue Entrainées par les eaux ruisselant, dans les cas ou l infiltration est pratiquee elles sont déposées sur les surfaces d infiltration Couche sédimentaire de surface dans les BI
- Notre objet d etude Une source de pollution pour les sols ou sous sols récepteurs
- Divers travaux précedents ont apporte des elements de reponse a cette problematique Au fil des etudes, la perception de ses materiaux a evolue. D abord consideres comme des dechets , … teneurs en metaux lourds eventuelle utilisation en genie civil Speciation des metaux, autres contaminants… Divers travaux en colonne , en laboratoire , ont ete realises ciblant l influence de differents facteurs environnementaux. Dans ces etudes les materiaux ont ete consideres non plus comme des dechets mais comme un horizon de surface, ou comme une interface anthropise e. Ces etudes toujours realises en conditions de labo n ont pas pris en compte l evolution reelle des materiaux Elles ont suggéré l importance de la structure des matériaux et des alternances hydriques sur le lessivage de contaminants. Nous avons ainsi fait le choix d etudier particulierement ces paramètres et l’évolution des materiaux sur le terrain
- Les etudes en colonne ont suggere l importance du contact entre la phase liquide et la phase solide dans la mobilisation de polluants. Cette qualite de contact depend grandment de la structure du materiau poreux Structure resulte de la distrib en taille des particules + arrangement des particules entre elles. Les vides generes sont des pores . Ils sont de tailles diverses . Les differentes porosites induisent des differences de vitesses d ecoulement differences de cinetiques de reaction Ecoulements : preferentiellement dans la macroporosité . Parametre dynamique
- Constituants, organismes ou processus influencant la formation ou la stabilite des agregats. Exemples Sols agricoles (érosion, fertilité, accessibilité MO…) Quels sont les mécanismes d’agrégation dans des interfaces urbaines issues d’une dynamique beaucoup plus rapide de formation + mo differente; problematique de transfert de polluants.
- Source de pollution pour le sous sol en place Perturbations dues aux alternances hydriques
- En haut coupes du Bi dans 2 situations hydriques contrastées Cibler la couche sedimentaire En terme de lessivage? Puis : a une echelle plus fine, comment sont structurer les materiaux et plus particulierement de quoi sont constitues les agregats
- De toutes ces manips, on a recupere des echantillons que l on s est attache a decrire avec une gamme de methodes physicochimiques et biologiques.
- Je vais commencer par vous presenter les elements de reponse a la question de la variabilite…
- caractériser les sédiments sous différentes conditions hydriques du BI
- Juste dire que certains parametres sont stables d autres non. Les parametres variables semblent etre correles entre eux.
- Juste dire que certains parametres sont stables d autres non. Les parametres variables semblent etre correles entre eux.
- Extraction d ADN On amplifie une Region cible d adn qui est la region qui code pour l arn de la petite sous unite ribosomale. Cette region permet de cibler specifiquement les bacteries et est assez variables entre elles pour decrire la composition de leur communaute. On obtient donc un grand nombre de copies de cette region marquee avec un fluorochrome. Celui ci est detecte lors de l analyse de SSCP. Cette analyse est une migration electrophoretique qui separe les fragments d adn simple brin sur la base de differences de conformation On obtient alors un profil de fluorescence en fonction du temps de retention dans le capillaire.
- L ensemble des profils est analyse par une methode d analyse multivariee: Analyse factorielle des correspondances Le plan factoriel ici presente est le resultat de cette analyse; Sa lecture est facile: chaque point represente un profil c est a dire une communaute bacterienne presente dans un echantillon 15 echantillons ont été traite par prélevement plus deux points sont proches, plus les communautes bacteriennes presentes dans les 2 echantillons se ressemblent 3 groupes de points … Meme regroupement que l agregation
- évaluer les modifications microstructurales des sédiments au cours d’un assèchement
- Caracterisation de la stabilite de l agregation Nous AVONS FAIT LE CHOIX d Analyser la distribution granulometrique des particules par granulometrie laser. Cette technique permet d obtenir la distribution volumique des particules par classe de taille exemple L apport d energie par application d US engendre une desagregation des agregats les plus fragiles. Ceux ci se cassent en de plus petits agregats et en particules elementaires
- Par comparaison des courbes granulo obtenues avant et apres application d US, on determine la proportion d agregats sensibles aux US
- Rappel: nous avons suivi au cours d un assechement en laboratoire, l evolution de l agregation Nous presentons ici en bleu des courbes obtenues sur un echantillon de debut de l assechement , alors que les sediments etaient tres humides, Et en rouge , des courbres obtenues sur des ech en fin d experience, secs . Les courbes en pointilles sont celles obtenues apres desagreagtion par US. On a pu montrer que les agregats augmentaient en taille (a); et en stabilite (b).
- Les caracterisations physique chimique et biologique des materiaux preleves en 5 moments contrastes ainsi que des mateiraux issus de l experience d assechement ont permis de mettre en evidence: des parametres plus stables que d autres . des correlations entre les parametres variables Les seules variations des teneurs en eau ne semblent pas expliquer les variations des parametres observes, l historique hydrique semble aussi important. En effet: para bio quanti – teneur en eau, comm bact – aggreg ?? 2 prelev dt les teneurs ne eau sont tres similaires sont differemment discrimines comparaison des historique hydrique les jours precedents les prelev de mai et dec : evenement pluvieux important en mai destructuration des materiaux Comme cela a ete montre dans d autres contextes, nous avons montre que …
- But principal: isoler la fraction agregee separation de 5 fractions: la fraction « macroporosite » correspond aux particules et elements recuperés par des lavages doux , Les autres fractions sont separes par tamisage et sedimentometrie.
- En ce qui concerne la MO, le parametre efficacite de l extraction au DCM renseigne sur le type de MO presente dans les differentes fractions. Le DCM dissous preferentiellemnt des molecules hydrphobes peu complexes; nous remarquons que cette efficacite est differente entre les fractions. elle est la plus faible pour les agregats les agregats semblent donc contenir une MO relativement complexe, de haut PM. Par ailleurs, …
- Acquis des empreintes genetiques des comm de toutes les fractions deux fractions semblent representent deux microenv tres differents: agregats et macroporosite clonages et sequencage pour identifier les phylotypes presents , en voici les resultats generaux De facon globale: 50 % des phylotypes observes sont apparentes a des proteobacteries , 20% au cyano, 20% aux bacteriodetes. Noter les originalites de cette composition par rapport a un sol. Distribution preferentielle des phylotypes a l echelle du phylum dans les 2 types de microenv comme montre dans ce graphiqque mais egalement a d autres niveaux phylogenetiques
- Microorganismes lessivés: Les champignons Epsilonprotéobactéries (Arcobacter sp.: pathogène d’origine fécale) Firmicutes (Nocardiodes, Microbacterium, Clostridium, Fusibacter, Anaerovorax) organismes aérobes et anaérobes: hétérogénéité de l’eau dans la macroporosité.
- Nous avons vu jusqu’à present que d’un point physicochimique et biologique les materiaux differet en fonction de l etat hydrique des BI. De +, nous venons de voir en details les specificites des agregats. Notre 2eme hypothese de travail, est que l etat physicochimique des materiaux influence leur capacite de relargage. Pour tester cette hyp, nous avons realise des lessivages des materiaux sans destructurer les agregats.
- Lorsqu un liquide parcourt un milieu poreux, le liquide parcourt essentiellement la macroporosite. Nous avons realise un essai de lessivage doux en supposant que les elements entraines proviennent de la macroporosite et constituent la fraction la plus facilement mobilisable lors du passage de l eau a travers les materiaux. L essai a consiste a … Cet essai est non destructurant a l echelle des agregats Nous avons realise cet essai sur tous les prelevements ainsi que sur deux prelevements issus de l assechement, un humide et un sec.
- Le graphique presenté a gauche de l image presente la proportion des materiaux mobilisable en fonction de la teneur en eau initiale des materiaux . Les materiaux les + secs relarguent des masses tres faibles de particules Le prelevement de mai ainsi que le prelevement realise au debut de la mise en place de l experience d assechement , presente des proportions lessivees 7 fois superieures. Bien que les prelev de mai et de dec aient des teneurs en eau tres similaires, ils montrent des lessivages particulaires tres differents. Le prelev de mai relargue beaucoup plus. C est aussi les materiaux issus de ce prelevement qui avaient les agregats les – stables . Comme cela a ete realise pour mettre en place l experience d assechement, il est possible que l evenement pluvieux intense qui a eu lieu 3 jours avant le prelev de mai ait fragilise les materiaux. Ceci induit une faible agregation et un fort relargage.
- Cot lessive: jusqu a 24%... Enorme? MO très soluble dans le DCM de faible PM Molécules de fort PM semblent eviter que les particules soient entrainees. Pour le Pb concentration 1.5 à 7 fois inferieures a celle du sediment Relargage maximal à partir du prélèvement de mai
- La couche de surface peut être plus ou moins sèche en fonction de l’historique météorologique (précipitations et température). Les agrégats sont d’autant mieux formés et stables que l’humidité est faible. La biomasse microbienne est relativement forte.
- L’arrivée d’une lame d’eau dans le BI peut constituer une perturbation importante pour la couche sédimentaire de surface: les conditions physicochimiques changent très brutalement . Tout ou partie de la couche sédimentaire pourrait être remis en suspension . Les agrégats sont alors fragilisés voire détruits . Les particules les plus fines peuvent alors être mobilisées et entraînés vers le sous sol par le flux d’eau s’infiltrant. L’intensité de l’évènement pluvieux , déterminant la hauteur de la lame d’eau, semble conditionner les perturbations subies par la couche sédimentaire.
- 3. Infiltration et assèchement (jour à mois) L’infiltration d’une lame d’eau même de plusieurs m est rapide (quelques dizaines d’heures). Après l’infiltration, la couche sédimentaire reste très humide puis, en l’absence de pluie, s’assèche peu à peu. La destruction d’agrégats augmente l’accessibilité de MO jusqu’alors piégées. Ceci s’ajoutant à la forte disponibilité en eau, stimule grandement la microflore (7000 µgC/g sec de sédiments). Les activités microbiennes notamment de dégradation de MO engendreraient le relargage de COD et de NH4 +. La microflore notamment via le développement de biofilms participent à la reformation d’agrégats. Au fil du séchage , ceux-ci se stabilisent.
- Agregation: intègre non seulement teneur en eau mais aussi historique recent. Renseigne sur stabilite de la surface. En terme de mobilisation/relargage Influence nette de l’état hydrique initial Influence de l’historique hydrique récent Périodes plus risquées: les évènements qui suivent les évènements pluvieux importants qui destructurent la couche sédimentaire.
- Comment Décrire les micro et macro porosités associées aux agrégats?
- Comment Décrire les micro et macro porosités associées aux agrégats?