12 mars 2008  Soutenance de thèse de Doctorat par Anne-Laure BADIN Laboratoire des Sciences de l’Environnement, ENTPE / Un...
Lorsqu’il pleut… Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Dérèglement du cycle de l’eau Colle...
Infiltration des eaux pluviales en zone urbaine ZI drainée par le bassin d’infiltration DjR, Chassieu. Image Géoportail re...
Transport particulaire des eaux pluviales Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
La couche de surface des bassins d’infiltration (BI) <ul><li>Limoneux  (80% en masse, <100µm) </li></ul><ul><li>Organiques...
Comment l’étude de ces matériaux a t-elle évoluée?    « Matériau formant la couche de surface des BI » ou « matériau »  ...
La structure d’un matériau poreux <ul><li>Contact solide-liquide    lessivage des polluants </li></ul><ul><li>Structure: ...
Les facteurs influençant l’agrégation <ul><li>Sols agricoles </li></ul><ul><li>Stades précoces de formation de sols (croût...
Alternance d’ennoyage et d’assèchement des BI Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
Problématique de la thèse <ul><li>Les matériaux déposés à la surface  </li></ul><ul><li>des bassins d’infiltration d’eaux ...
Objectifs Après une pluie Après une période sèche ? ? <ul><ul><li>Variabilité physicochimique et biologique des matériaux ...
Site d’étude Site   Bassin d’infiltration des eaux pluviales (Chassieu, Est de Lyon) Matériau étudié  couche sédimentaire ...
<ul><ul><li>Prélève-ments  in   situ </li></ul></ul><ul><ul><li>Séchage en conditions contrôlées </li></ul></ul><ul><ul><l...
Introduction Objectifs Méthodologie  & résultats Synthèse Perspectives <ul><ul><li>Fractionnement granulométrique </li></u...
<ul><ul><li>Prélèvements </li></ul></ul><ul><li>Une seule zone (2.5m 2 ) </li></ul><ul><li>5 dates </li></ul><ul><li>5 éch...
Caractéristiques des matériaux prélevés sous différents conditions hydriques Introduction Objectifs Méthodologie &  résult...
Caractéristiques des matériaux prélevés sous différents conditions hydriques Introduction Objectifs Méthodologie &  résult...
Empreintes génétiques des communautés microbiennes Amplification par PCR enzyme + amorces 3 CE-SSCP Profil SSCP    emprei...
Des communautés microbiennes contrastées Introduction Objectifs Méthodologie  & résultats Synthèse Perspectives    Corrél...
<ul><ul><li>Séchage en conditions contrôlées </li></ul></ul><ul><li>Remise en suspension, étalement et drainage </li></ul>...
Caractérisation de l’AGREGATION Mesures par granulomètrie laser Introduction Objectifs Méthodologie  & résultats Synthèse ...
Caractérisation de l’AGREGATION Fraction agrégée sensible à 1 min d’US Introduction Objectifs Méthodologie  & résultats Sy...
Le séchage favorise l’agrégation <ul><li>Taille (a)  </li></ul><ul><li>Stabilité (b)  </li></ul>Introduction Objectifs Mét...
Variabilité physicochimique et biologique des matériaux Introduction Objectifs Méthodologie &  résultats Synthèse Perspect...
<ul><ul><li>Fractionnement granulométrique </li></ul></ul><ul><ul><li>Distribution microstructurale des constituants (agré...
<ul><li>Optimisation des tailles de coupure, isoler les agrégats  </li></ul><ul><li>Lavages doux  </li></ul><ul><li>Tamisa...
Caractéristiques des agrégats <ul><li>Taille: 160-1000 µm </li></ul><ul><li>Minéralogie </li></ul><ul><ul><li>Calcite, qua...
La MO cimente les agrégats MO de plus haut PM (hydrophobe) dans les agrégats Efficacité de l’extraction au dichlorométhane...
Distribution de la microflore   Nombre de bactéries Biomasse fongique <ul><li>Moy-Min-Max </li></ul><ul><li>Exclusion de t...
Distribution de la microflore  Phylotypes *** : p value < 0.001. Proteoobacteria Introduction Objectifs Méthodologie &  ré...
Distribution de la microflore  Phylotypes *** : p value < 0.001. Proteoobacteria Microcoleus  vaginatus Introduction Objec...
Distribution microstructurale des constituants:  spécificités des agrégats Introduction Objectifs Méthodologie &  résultat...
Introduction Objectifs Méthodologie  & résultats Synthèse Perspectives <ul><ul><li>Fractionnement granulométrique </li></u...
Lessivage doux micro- vs macro-porosité Σ surnageants = Macroporosité  Fraction mobilisable  Analyses   charge particulair...
Relargage particulaire des matériaux Lessivage de particules= f(H 2 0) <ul><li>Secs  vs  humides </li></ul><ul><li>Mai-j0 ...
Relargage de contaminants associés <ul><li>Métaux   </li></ul><ul><li>Jusqu’à 6.4%  (Ni) des métaux lessivés </li></ul><ul...
Synthèse et discussion
Hypothèse sur l’évolution de la surface d’un BI Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul>...
Hypothèse sur l’évolution de la surface d’un BI <ul><li>Le bassin est à sec  </li></ul><ul><li>Historique météorologique <...
<ul><li>2. Ennoyage du BI </li></ul><ul><li>Fragilisation voire destruction d’agrégats </li></ul><ul><li>Eventuelle mobili...
<ul><li>3. Infiltration et assèchement </li></ul><ul><li>Accessibilité de MO et disponibilité en eau stimule la microflore...
Originalités et limites de notre travail <ul><li>Croisement de caractérisations physiques – chimiques et biologiques </li>...
Un milieu extrême? Jeune? En évolution rapide? <ul><li>Extrême? </li></ul><ul><ul><li>Contamination organique et métalliqu...
Retombées en termes de gestion <ul><li>Les risques de transfert sont fonction… </li></ul><ul><li>De l’état hydrique des BI...
Perspectives de recherche à court terme <ul><li>Echelle de l’événement pluvieux </li></ul><ul><li>Test des hypothèses émis...
Perspectives de recherche à long terme <ul><li>Dynamique de l’agrégation et modélisation des transferts </li></ul><ul><li>...
Remerciements <ul><li>Le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche </li></ul><ul><li>L’observatoire de terr...
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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. 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
  2. 2. Lorsqu’il pleut… Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Dérèglement du cycle de l’eau Collecte et élimination des eaux pluviales En zone non construite En zone construite imperméabilisation des surfaces
  3. 3. Infiltration des eaux pluviales en zone urbaine ZI drainée par le bassin d’infiltration DjR, Chassieu. Image Géoportail retravaillée. Surface d’infiltration Bassin versant  Concentration des flux Données pluviométrie des stations de Bron et de Genas 2003-2005 (Larmet, 2007) Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  4. 4. Transport particulaire des eaux pluviales Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  5. 5. La couche de surface des bassins d’infiltration (BI) <ul><li>Limoneux (80% en masse, <100µm) </li></ul><ul><li>Organiques 4-27% (forte charge lipidique (Durand, 2003)) </li></ul><ul><li>Multicontaminés </li></ul><ul><li>Alternances hydriques marquées </li></ul>PROBLEMATIQUE Les matériaux déposés à la surface des bassins d’infiltration d’eaux pluviales urbaines constituent-ils une source de pollution ? Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Zn 1000-2000 Cu 150-250 Pb 300-400 Ni 100-150 Cr 50-100 Cd 5-15 in μg/g of DW soil
  6. 6. Comment l’étude de ces matériaux a t-elle évoluée?  « Matériau formant la couche de surface des BI » ou « matériau »  Connaître les variations physicochimiques de ces matériaux Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Structure ? Variations hydriques ? temps 1995 2010 2000 2005 Delmas Gadras Datry Lee et al. Durin Larmet Durand Nogaro Mermillod-Blondin et al. Roger et al. Zanders et al. Pétavy Saulais Murakami et al. Le Coustumer Dechesne Sriyaraj and Shutes Färm Marsalek and Marsalek Scholes et al. DÉCHETS INTERFACE ANTHROPISÉE  Dosages métaux totaux Spéciation métaux Nutriments MO Phase colloïdale Invertébrés Bactéries
  7. 7. La structure d’un matériau poreux <ul><li>Contact solide-liquide  lessivage des polluants </li></ul><ul><li>Structure: arrangement des particules entre elles + porosité </li></ul><ul><li>Paramètre dynamique </li></ul><ul><li>Influences: de la MO, de la teneur en eau, de l’activité microbienne, … </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Micropores (<5 µm) Macropores (>5 µm) Agrégat Dessin illustrant un matériau poreux particulaire (Badin) Macroporosité Microporosité Schéma L. Lassabatere, 2002
  8. 8. Les facteurs influençant l’agrégation <ul><li>Sols agricoles </li></ul><ul><li>Stades précoces de formation de sols (croûtes biologiques) </li></ul><ul><li>Interfaces urbaines? Alternances hydriques marquées? </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Fine racine de blé associée avec des particules argileuses et silteuses. D’après Oades and Waters (1991). Influence de Cyanobactéries sur la structure du sol. Photo MEB d’après Prescott et al. (2003) Exemples: ciment particule argileuse 0.2 µm 20 µm bactérie particules argileuses hyphe fongique A des échelles différentes: D’après Tisdall and Oades (1982) Végétaux Faune du sol Invertébrés Microorganismes Carbonates Matières organiques Argile Ciment Microagrégats Macroagrégats Alternances hydriques
  9. 9. Alternance d’ennoyage et d’assèchement des BI Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  10. 10. Problématique de la thèse <ul><li>Les matériaux déposés à la surface </li></ul><ul><li>des bassins d’infiltration d’eaux pluviales urbaines </li></ul><ul><li>constituent-ils une source de pollution ? </li></ul><ul><li>Un constat: </li></ul><ul><li>Le fonctionnement du BI induit des perturbations fréquentes et intenses de la couche sédimentaire de surface. </li></ul><ul><li>Deux hypothèses: </li></ul><ul><li>L’ état physicochimique et biologique des matériaux évolue en fonction de l’état hydrique des BI ; </li></ul><ul><li>L’état physicochimique et biologique des matériaux influence leurs capacités de relargage de contaminants . </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  11. 11. Objectifs Après une pluie Après une période sèche ? ? <ul><ul><li>Variabilité physicochimique et biologique des matériaux ? </li></ul></ul><ul><ul><li>Fraction mobilisable par le passage de l’eau ? Son évolution ? </li></ul></ul><ul><ul><li>Distribution microstructurale des constituants (agrégats) </li></ul></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  12. 12. Site d’étude Site Bassin d’infiltration des eaux pluviales (Chassieu, Est de Lyon) Matériau étudié couche sédimentaire de surface D’après Goutaland, 2008 Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  13. 13. <ul><ul><li>Prélève-ments in situ </li></ul></ul><ul><ul><li>Séchage en conditions contrôlées </li></ul></ul><ul><ul><li>Fractionnement granulométrique </li></ul></ul><ul><ul><li>Distribution microstructurale des constituants (agrégats) </li></ul></ul>Agrégation ; minéraux; dosages: majeurs, métaux lourds, COT, ammonium, nitrates; paramètres biologiques (biomasse, abondance bactérienne, biomasse fongique, structure des communautés, identification); analyse moléculaire de fraction lipidique de la MO (extraite au DCM). <ul><ul><li>Fraction mobilisable par le passage de l’eau ? Son évolution ? </li></ul></ul><ul><ul><li>Lessivage doux </li></ul></ul><ul><ul><li>ANALYSES </li></ul></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><ul><li>Variabilité physicochimique et biologique des matériaux </li></ul></ul>
  14. 14. Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><ul><li>Fractionnement granulométrique </li></ul></ul><ul><ul><li>Variabilité physicochimique et biologique des matériaux </li></ul></ul><ul><ul><li>Distribution microstructurale des constituants (agrégats) </li></ul></ul><ul><ul><li>ANALYSES </li></ul></ul>Agrégation; paramètres biologiques; minéraux; dosages: majeurs, métaux lourds, COT, ammonium, nitrates; analyse moléculaire de fraction lipidique de la MO. <ul><ul><li>Fraction mobilisable par le passage de l’eau ? Son évolution ? </li></ul></ul><ul><ul><li>Lessivage doux </li></ul></ul><ul><ul><li>Prélève-ments in situ </li></ul></ul><ul><ul><li>Séchage en conditions contrôlées </li></ul></ul>
  15. 15. <ul><ul><li>Prélèvements </li></ul></ul><ul><li>Une seule zone (2.5m 2 ) </li></ul><ul><li>5 dates </li></ul><ul><li>5 échantillons / date </li></ul>en mm Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Pluviométrie 7j avant chaque prélèvement 10/05/06 10/12/07 10/04/07 31/07/07 11/09/07
  16. 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
  17. 17. Caractéristiques des matériaux prélevés sous différents conditions hydriques Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives 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
  18. 18. Empreintes génétiques des communautés microbiennes Amplification par PCR enzyme + amorces 3 CE-SSCP Profil SSCP  empreinte génétique de la communauté bactérienne matériaux Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives 0.25 g ADN total Extraction 1 2 ssu ARNr16S Région cible pour les bactéries A DN simple brin Electrophorèse capillaire Gel de polyacrilamide Détecteur Intensité de fluorescence Temps de rétention de l’ADN converti en pb équivalents
  19. 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
  20. 20. <ul><ul><li>Séchage en conditions contrôlées </li></ul></ul><ul><li>Remise en suspension, étalement et drainage </li></ul><ul><li>Suivi de l’assèchement par pesée journalière </li></ul><ul><li>Prélèvements: </li></ul><ul><ul><li>environ 100 g: à j 1 (humide) et j 20 (sec)  lessivage, n bactéries , … </li></ul></ul><ul><ul><li>quelques g tous les 2 j  agrégation, H 2 O </li></ul></ul>X 3 bacs Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Prélèv. j1 Prélèv. 1j/2
  21. 21. Caractérisation de l’AGREGATION Mesures par granulomètrie laser Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives + ultrasons 1 min
  22. 22. Caractérisation de l’AGREGATION Fraction agrégée sensible à 1 min d’US Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives + ultrasons 1 min
  23. 23. Le séchage favorise l’agrégation <ul><li>Taille (a) </li></ul><ul><li>Stabilité (b) </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives (a) (b)
  24. 24. Variabilité physicochimique et biologique des matériaux Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><li>Paramètres stables vs paramètres variables </li></ul><ul><li>Teneur en eau vs historique hydrique </li></ul><ul><li>Paramètres biologiques quantitatifs – teneurs en eau </li></ul><ul><li>Communautés bactériennes – agrégation: Mai – Décembre-Avril – Juillet-Septembre </li></ul><ul><li> événement pluvieux important en mai: destructuration des matériaux ? </li></ul><ul><li>Le séchage favorise l’agrégation </li></ul><ul><li> De quoi sont constitués les agrégats? </li></ul>Mai Décembre Métaux totaux COT H 2 0, pH, NH 4 + Agrégation Paramètres biologiques
  25. 25. <ul><ul><li>Fractionnement granulométrique </li></ul></ul><ul><ul><li>Distribution microstructurale des constituants (agrégats) </li></ul></ul><ul><ul><li>ANALYSES </li></ul></ul>Agrégation; paramètres biologiques; minéraux; dosages: majeurs, métaux lourds, COT, ammonium, nitrates; analyse moléculaire de fraction lipidique de la MO (extraite au DCM). <ul><ul><li>Fraction mobilisable par le passage de l’eau ? Son évolution ? </li></ul></ul><ul><ul><li>Lessivage doux </li></ul></ul><ul><ul><li>Prélève-ments in situ </li></ul></ul><ul><ul><li>Séchage en conditions contrôlées </li></ul></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><ul><li>Variabilité physicochimique et biologique des matériaux </li></ul></ul>
  26. 26. <ul><li>Optimisation des tailles de coupure, isoler les agrégats </li></ul><ul><li>Lavages doux </li></ul><ul><li>Tamisage et sédimentométrie </li></ul><ul><li>Analyses des fractions </li></ul><ul><ul><li>Fractionnement granulométrique </li></ul></ul>Matériaux non destructurés Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives >1000 µm 160-1000 µm = agrégats 10-160 µm < 10 µm Macroporosité
  27. 27. Caractéristiques des agrégats <ul><li>Taille: 160-1000 µm </li></ul><ul><li>Minéralogie </li></ul><ul><ul><li>Calcite, quartz, albite, chlorite, muscovite, K-feldspath </li></ul></ul><ul><ul><li>Pas de différenciation entre fractions </li></ul></ul><ul><li>Géochimie </li></ul><ul><li>Substrat fluvioglaciaire carbonaté </li></ul><ul><li>Éléments fins apportés par les eaux pluviales: riches en métaux lourds </li></ul>Association d’éléments apportés par les eaux pluviales et d’éléments du substrat fluvioglaciaire Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  28. 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
  29. 29. Distribution de la microflore Nombre de bactéries Biomasse fongique <ul><li>Moy-Min-Max </li></ul><ul><li>Exclusion de taille (champignons dans les agrégats). </li></ul><ul><li>3 groupes </li></ul><ul><li>Agrégats riches </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  30. 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. 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
  32. 32. Distribution microstructurale des constituants: spécificités des agrégats Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><li>Association d’éléments apportés par les eaux pluviales et d’éléments du substrat fluvioglaciaire </li></ul><ul><li>MO: ciment des micro et macroagrégats </li></ul><ul><li>MO de haut poids moléculaire </li></ul><ul><li>Molécules hydrophobes </li></ul><ul><li>Cyanobactéries : Microcoleus vaginatus </li></ul><ul><li>Ubiquistes: Croûtes biologiques (Garcia-Pichel et al , 2001), biofilms inoculés à partir de bassin de sédimentation de traitement d’eaux usées (Roeselers et al , 2007). </li></ul><ul><li>Colonisent un milieu en seulement quelques jours après une perturbation. </li></ul><ul><li>Organismes pionniers: photosynthétiques + améliorent microstructure </li></ul>
  33. 33. Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><ul><li>Fractionnement granulométrique </li></ul></ul><ul><ul><li>Variabilité physicochimique et biologique des matériaux </li></ul></ul><ul><ul><li>Distribution microstructurale des constituants (agrégats) </li></ul></ul><ul><ul><li>ANALYSES </li></ul></ul>Agrégation; paramètres biologiques; minéraux; dosages: majeurs, métaux lourds, COT, ammonium, nitrates; analyse moléculaire de fraction lipidique de la MO (extraite au DCM). <ul><ul><li>Fraction mobilisable par le passage de l’eau ? Son évolution ? </li></ul></ul><ul><ul><li>Lessivage doux </li></ul></ul><ul><ul><li>Prélève-ments in situ </li></ul></ul><ul><ul><li>Séchage en conditions contrôlées </li></ul></ul>
  34. 34. Lessivage doux micro- vs macro-porosité Σ surnageants = Macroporosité Fraction mobilisable Analyses charge particulaire, dosages métaux pseudototaux, n bact , … <ul><li>Essai non destructurant à l’échelle des agrégats </li></ul><ul><li>Tous les prélèvements + j0 (humides) et j20 (secs) de l’assèchement </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Macroporosité Microporosité Schéma L. Lassabatere, 2002 + Agitation 1min Décantation 1min Phase liquide= NaCl 0.8% Protocole adapté d’après Hattori (1988) et Ranjard et al. (1997)
  35. 35. Relargage particulaire des matériaux Lessivage de particules= f(H 2 0) <ul><li>Secs vs humides </li></ul><ul><li>Mai-j0 – Mai-Déc </li></ul><ul><li> Historique hydrique </li></ul><ul><li>Agrégation </li></ul><ul><li>Particulaires vs dissous: coupure à 0.45 µm </li></ul><ul><li>Taille des particules: mode à 15 µm </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Teneur en eau (% MT) Mai Décembre
  36. 36. Relargage de contaminants associés <ul><li>Métaux </li></ul><ul><li>Jusqu’à 6.4% (Ni) des métaux lessivés </li></ul><ul><li>Majoritairement associés à des particules </li></ul><ul><li>Pb: immobile </li></ul><ul><li>Ni, Cr et Cu sont détectés en dissous </li></ul><ul><li>Secs-humides  différence dans les proportions particulaires/dissous </li></ul><ul><li>Carbone organique </li></ul><ul><ul><li>De 10 à 120 mg/g de matériaux secs </li></ul></ul><ul><ul><li>COD: 56 à 88% du COT </li></ul></ul><ul><ul><li>Molécules organiques de faible Poids Moléculaire </li></ul></ul><ul><li>Microorganismes lessivés </li></ul><ul><li>Entre 0.5x10 8 et 25.6x10 8 bactéries/g de matériaux secs lessivées  entre 0.2 et 4% des bactéries . </li></ul><ul><li>Composition spécifique différente en fonction de l’état initial des matériaux. </li></ul><ul><li>Epsilonprotéobactéries ( Arcobacter sp .: pathogène d’origine fécale) </li></ul><ul><li>Firmicutes (dont Clostridium, nombreux pathogènes) </li></ul><ul><li>Champignons </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  37. 37. Synthèse et discussion
  38. 38. Hypothèse sur l’évolution de la surface d’un BI Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><li>Légende </li></ul><ul><li>MO moléculaire, dissoute </li></ul><ul><li>MO particulaire </li></ul><ul><li>Microorganismes </li></ul><ul><li>Biofilms </li></ul><ul><li>Matrice solide </li></ul><ul><li>Eau </li></ul>Bassin à sec Infiltration de l’eau SUR LE BASSIN AU SEIN DE LA COUCHE SEDIMENTAIRE Précipitations  ennoyage du BI Période sans précipitations 1. 2. 3. 10 m
  39. 39. Hypothèse sur l’évolution de la surface d’un BI <ul><li>Le bassin est à sec </li></ul><ul><li>Historique météorologique </li></ul><ul><li>Stabilité de l’agrégation </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><li>Légende </li></ul><ul><li>MO moléculaire, dissoute </li></ul><ul><li>MO particulaire </li></ul><ul><li>Microorganismes </li></ul><ul><li>Biofilms </li></ul><ul><li>Matrice solide </li></ul><ul><li>Eau </li></ul>Bassin à sec Infiltration de l’eau SUR LE BASSIN AU SEIN DE LA COUCHE SEDIMENTAIRE Précipitations  ennoyage du BI Période sans précipitations 1. 2. 3. 10 m Agrégat stable 100 µm
  40. 40. <ul><li>2. Ennoyage du BI </li></ul><ul><li>Fragilisation voire destruction d’agrégats </li></ul><ul><li>Eventuelle mobilisation de particules fines </li></ul><ul><li>Intensité de l’évènement pluvieux </li></ul>Hypothèse sur l’évolution de la surface d’un BI Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Bassin à sec Infiltration de l’eau SUR LE BASSIN AU SEIN DE LA COUCHE SEDIMENTAIRE Précipitations  ennoyage du BI Période sans précipitations 1. 2. 3. Désagrégation partielle 10 m Agrégat stable 100 µm <ul><li>Légende </li></ul><ul><li>MO moléculaire, dissoute </li></ul><ul><li>MO particulaire </li></ul><ul><li>Microorganismes </li></ul><ul><li>Biofilms </li></ul><ul><li>Matrice solide </li></ul><ul><li>Eau </li></ul>
  41. 41. <ul><li>3. Infiltration et assèchement </li></ul><ul><li>Accessibilité de MO et disponibilité en eau stimule la microflore  relargage de COD et de NH 4 + . </li></ul><ul><li>Microflore et séchage  reformation et stabilisation d’agrégats </li></ul>Hypothèse sur l’évolution de la surface d’un BI Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives <ul><li>Légende </li></ul><ul><li>MO moléculaire, dissoute </li></ul><ul><li>MO particulaire </li></ul><ul><li>Microorganismes </li></ul><ul><li>Biofilms </li></ul><ul><li>Matrice solide </li></ul><ul><li>Eau </li></ul>Bassin à sec Infiltration de l’eau SUR LE BASSIN AU SEIN DE LA COUCHE SEDIMENTAIRE Précipitations  ennoyage du BI Période sans précipitations 1. 2. 3. Désagrégation partielle 10 m Agrégat stable 100 µm Reformation d’agrégat Stabilisation
  42. 42. Originalités et limites de notre travail <ul><li>Croisement de caractérisations physiques – chimiques et biologiques </li></ul><ul><li>Un seul BI étudié (+ ponctuellement Cheviré) </li></ul><ul><li>Lien entre évolution de la structure et évolution biologique et chimique </li></ul><ul><li>Constat de corrélation entre paramètres  compréhension des mécanismes </li></ul><ul><li>Prise en compte des facteurs environnementaux des prélèvements </li></ul><ul><li>Pluviométrie </li></ul><ul><li>Conditions redox des prélèvements: microéchelle? </li></ul><ul><li>Lessivage = f( conditions physicochimiques initiales des matériaux ) </li></ul><ul><li>Maintien de la structuration à une échelle millimétrique </li></ul><ul><li>Perturbations induites par l’arrivée d une lame d eau sur le BI </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  43. 43. Un milieu extrême? Jeune? En évolution rapide? <ul><li>Extrême? </li></ul><ul><ul><li>Contamination organique et métallique </li></ul></ul><ul><ul><li>Intensité des perturbations (plusieurs m d’eau en quelques h) </li></ul></ul><ul><li>Jeune? </li></ul><ul><ul><li>Quelques dizaines d’années au plus </li></ul></ul><ul><li>En évolution? </li></ul><ul><ul><li>Structuration des matériaux  agrégation (MO, cycles hydriques) </li></ul></ul><ul><ul><li>Des organismes pionniers (autotrophes) </li></ul></ul><ul><ul><li>Colonisation par des végétaux </li></ul></ul><ul><li>En évolution rapide? </li></ul><ul><ul><li>Concentrations des flux  apports importants </li></ul></ul><ul><ul><li>Perturbations fréquentes </li></ul></ul>DÉCHETS INTERFACE ANTHROPISÉE  Sol en formation? Technosol? Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives temps 1995 2010 2000 2005
  44. 44. Retombées en termes de gestion <ul><li>Les risques de transfert sont fonction… </li></ul><ul><li>De l’état hydrique des BI avant l’arrivée de l’eau à infiltrer </li></ul><ul><li>De l’intensité de l’événement pluvieux </li></ul><ul><li> Mieux réguler le flux entrant sur le BI? </li></ul><ul><li>Paramètres suivis </li></ul><ul><li>Privilégier le suivi de paramètres variables </li></ul><ul><li>L’agrégation : bon indicateur de stabilité, facile à mesurer </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Paramètres stables Paramètres variables Texture Perte au feu Teneurs en métaux lourds Agrégation Biomasse N bactéries Communautés microbiennes pH H 2 O NH 4 +
  45. 45. Perspectives de recherche à court terme <ul><li>Echelle de l’événement pluvieux </li></ul><ul><li>Test des hypothèses émises: </li></ul><ul><li>désagrégation  libération de MO  forte activité microbienne de dégradation  relargage? </li></ul><ul><li>Evènements d’intensités différentes </li></ul><ul><li>Spéciation des métaux en fonction de la teneur en eau des matériaux </li></ul><ul><li>Dynamique de l’agrégation et accessibilité à la MO </li></ul><ul><li>Successions microbiennes? Rôle des phototrophes? (thèse A.-S. Hesse) </li></ul>Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives
  46. 46. Perspectives de recherche à long terme <ul><li>Dynamique de l’agrégation et modélisation des transferts </li></ul><ul><li>Géométrie de la porosité?  microscopie? </li></ul><ul><li>Prise en compte de la colonisation végétale </li></ul><ul><li>Quelles communautés colonisent? (thèse M. Saulais) </li></ul><ul><li>Comment modifient elles les flux d’eau et l’infiltration? </li></ul><ul><li>Quid de l’apport de MO par les végétaux? </li></ul><ul><li>Evolution pédologique du Technosol? </li></ul> ? Introduction Objectifs Méthodologie & résultats Synthèse Perspectives Couche de surface d’origine sédimentaire Substrat fluvioglaciaire Nappe
  47. 47. Remerciements <ul><li>Le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche </li></ul><ul><li>L’observatoire de terrain en hydrologie urbaine (OTHU) </li></ul><ul><li>L’ANR-ECCO pour le financement du projet EMMAUS </li></ul><ul><li>Yves Perrodin, Directeur du LSE </li></ul><ul><li>Mes directeurs de thèse: Cécile Delolme, Jean-P. Bedell et Roberto Geremia </li></ul><ul><li>L’ensemble du LSE et plus particulièrement toute l’équipe technique </li></ul><ul><li>L’équipe PEX du LECA, en particulier Armelle, Bahar, Lucie et Tarafa </li></ul><ul><li>Guillaume Méderel (Stage M2 SEIU), et Sandrine Roux (BTS Analyses biologiques) </li></ul><ul><li>Béatrice Béchet du LCPC (Nantes), Cédric Bertand (CESN, Lyon), Daniel Borschneck du Cerege (Aix-en-Provence), Pierre Faure du G2R (Nancy), Florian Mermillod-Blondin (LEHF, Lyon), Agnès Richaume (LEM, Lyon) et Laurence Volatier (LSE) </li></ul><ul><li>L’ensemble de mes proches (famille, amis, Olivier) </li></ul>

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