Caractérisation moléculaire de la matière organique dans des milieux anthropisés

Organic matter is a complex mixture of molecules of various sizes and origins bearing information related to the environmental conditions and the different contributions identified the studied environment. Its molecular characterization makes it possible to highlight source markers, to define its degradation state and its degree of anthropization. Replaced in a broader context, the study of the organic fraction of any matrix allows a better understanding of the solid and dissolved transfer of matter in a given environment, its chronology and its reactivity. My research focused on describing the molecular composition of organic materials, mostly of anthropic origin, such as crude oil or highly contaminated such as sewage sludge or aquatic sediments in urban and industrial environments. Their exhaustive characterization allowed me to identify molecular markers relevant to the tracing of contaminant transfers in aquatic environments. Focusing more specifically on polycyclic aromatic compounds, the study of the remobilization of contaminated sediments in an industrial river in northern Lorraine has highlighted the impact of a century of steelmaking activities in this valley. We showed that the river still bears the signature of this pressure thirty years after the cessation of activities and that it is possible to identify the different ways of transfer of contaminants according to the hydrological conditions.Assemblage complexe de molécules de taille et d’origine variées, la matière organique porte dans sa composition des informations relatives aux conditions environnementales et aux diverses contributions identifiées dans le milieu étudié. Sa caractérisation moléculaire permet de mettre en évidence des marqueurs de sources, de définir son état de dégradation et son degré d’anthropisation. Replacée dans une problématique plus large, l’étude de la composante organique d’une matrice permet de mieux comprendre les transferts de matière dans un milieu, d’en définir l’évolution chronologique et de définir sa réactivité. Mes travaux de recherche se sont attachés à décrire la composition moléculaire de matières organiques pour la plupart d’origine anthropique comme des bruts pétroliers ou fortement contaminées telles que des boues d’épuration ou encore des sédiments aquatiques en contexte urbains ou industriels. Leur caractérisation exhaustive m’a permis d’identifier des marqueurs moléculaires pertinents pour le traçage de transferts de contaminants dans les milieux aquatiques. Ciblant plus particulièrement les composés aromatiques polycycliques, l’étude de la remobilisation de sédiments contaminés dans une rivière sidérurgique du nord de la Lorraine a ainsi permis de mettre en évidence l’impact d’un siècle d’activité industrielle. Nous montrons que la rivière porte encore la signature de cette pression trente ans après la cessation des activités et qu’il est possible d’identifier différentes voies de transfert en fonction des conditions hydrologiques

Composition organique de boues résiduaires de stations d'épuration lorraines (caractérisation moléculaire et effets de la biodégradation)

Cette étude s'est intéressée à la caractérisation moléculaire du contenu organique de boues résiduaires de stations d'épuration de la région Lorraine. Les quarante huit échantillons collectés proviennent de stations domestiques de différentes tailles (rurales, petites urbaines et urbaines), de stations industrielles (papeteries) et de stations agro-alimentaires (laiteries et fromageries). Le premier volet développé au cours de cette étude a permis de dresser l'inventaire des composés présents dans les boues d'épuration (i) sous forme libre (fraction organique soluble- FOS) et (ii) sous forme liée à la structure macromoléculaire (fraction organique insoluble- FOI). A cette fin, les outils analytiques respectivement utilisés sont la GC-MS d'une part, et la THM-GC-MS et Py-GC-AED d'autre part. Les résultats de l'analyse de la FOS et de la FOI fournissent une information équivalente dans la mesure où ils permettent de différencier les boues selon leur origine (agro-alimentaire, industrielle ou domestique). Une empreinte moléculaire spécifique à chaque type de boues a ainsi pu être définie. Par ailleurs, l'ensemble des boues domestiques est caractérisé par un fonds géochimique pétrolier, témoignant d'une pollution diffuse commune. Une variabilité autour de ce fonds géochimique a également pu être identifiée pour certaines boues domestiques, sans relation avec la taille de la station, ni le degré d'industrialisation de la région. Ces variations, essentiellement observées au niveau de la FOS, peuvent par contre être imputées à des pollutions ponctuelles ou accidentelles dans le système de collecte des eaux usées domestiques. Ce travail a pour but de fournir, à terme, des paramètres moléculaires d'aide au suivi et au contrôle des réseaux de collecte des eaux usées. Le deuxième volet de ce projet s'est intéressé à l'étude des effets de la biodégradation sur le contenu organique des boues. Afin de simuler les processus de dégradation, quatre échantllions ont été incubés à 24C pendant 140 jours. L'analyse couplée de la FOS et de la FOI des échantillons biodégradés a permis de déterminer les grandes tendances de l'évolution du contenu organique au cours des expérimentations. Un schéma réactionnel global de biodégradation peut ainsi être proposé: l'altération de la structure macromoléculaire de la FOI libère des composés extractibles, dégradés eux-mêmes en composés de plus bas poids moléculaire ou minéralisés. Par ailleurs, cette étude a permis de déterminer des indices de biodégradation ainsi que des marqueurs organiques résistants à cette biodégradation.This study deals with the molecular characterisation of the organic content of sewage sludges from Lorraine (Northeast of France). The 48 samples collected come from domestic wastewater treatment plant of different capacities (rural, small urban and urban) and from depuration stations treating dairy, cheese dairy and paper-mill effluents. The first part of this study enabled to make the inventory of the compound present in sewage sludges (1) under free form (soluble organic fraction - SOF), and (ii) Iinked to the macromolecular structure (insoluble organic fraction - lOF). To achieve that, the analytical tools used were respectively GC-MS on the one hand, and THM-GC-MS and Py-GC-AED on the other hand. The results of the analysis of the SOF and lOF provide equivalent information ln that they enable the differentiation of siudges according to thelr origin (food-processing, paper-mlli or domestic). A molecular fingerprint specific to each type of sludge was thus defined. Besides, all the domestic sludges are characterised by a geochemical petroleum background which testifies to a common diffuse pollution. Moreover, a variability in this geochemical background was observed for some domestic sludges, regardless of the size of the station, or of the degree of industrialisation of the region. These variations, which are essentially observed in the SOF, can be attributed to punctual or accidental pollution in the sewer system of domestic wastewater. The eventual goal of this work ls to provide molecular parameters in order to improve the monitoring and the control of wastewater sewer systems. The second part of this project studies the effects of biodegradation on the organic content of sewage sludges. Four samples were incubated at 24C during 140 days in order to simulate the processes of degradation. The simultaneous analysis of the SOF and lOF of the biodegraded samples enabled the determination of the great tendencies of the evolution of the organic content during the experiments. A global pattern of biodegradation reactions can thus be proposed: the chemical degradation of the macromolecular structure of the lOF produces extractable compounds which will be either degraded themselves into lower molecular weight compounds or mineralised. Besides, organic markers resistant to biodegradation couId be determined and indexes of biodegradation proposed.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Impact of oxidation and biodegradation on the most commonly used polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) diagnostic ratios: Implications for the source identifications

International audienceBased on the isomer stability during their formation, PAH diagnostic ratios have been extensively used to determine PAH contamination origin. Nevertheless, it is known that these isomers do not present the same physicochemical properties and that reactions occurring during the transport from an atmospheric source induce changes in the diagnostic ratios. Yet, little is known about reactions occurring in soils contaminated by other sources such as coal tar and coal. Innovative batch experiments of abiotic oxidation and microbial incubations were performed to discriminate independently the influence of these two major processes occurring in soils on the diagnostic ratios of major PAH sources. Three samples were studied, a coking plant soil and two major PAH sources in this soil, namely coal and coal tar. The combustion signature of the coking plant soil showed the major influence of coal tar in the soil sample composition. Some of these ratios were drastically affected by oxidation and biodegradation processes inducing a change in the source signature. The coal tar signature changed to petrogenic source after oxidation with the anthracene/(anthracene+ phenanthrene) ratio. According to this ratio, the initial petrogenic signature of the coal changed to a combustion signature after the biodegradation experiment

Impact of experimental oxidation on a coking plant soil and its constituents

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Stabilité de la matière organique de sols de cokerie : Evolution du sol de la cokerie de Homécourt et de ses matériaux constitutifs isolés au cours d’oxydations expérimentales

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Impact of experimental oxidation on a coking plant soil and its constituents

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Impact of an abiotic oxidation on untreated and treated soils from coking plant sites: evolution of the organic compartments

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Etude de la stabilité de la matière organique de sols de cokerie en contexte d’atténuation naturelle : Oxydations expérimentales

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Etude paléoenvironnementale du sol associé à deux charbonnières du Nord de la montagne vosgienne (Bitche, France)

International audienceThis multidisciplinary study aims to decipher XVIIIth century charcoal production impact on northern Vosgian soils. Field and analytic soil observations are complemented by charcoal and phytoliths observations on mammoth thin sections, molecular analyses of organic pollutant content and phytoliths analysis on bulk preparation. The complex platform Technosol, results in an ancient natural soil sequence buried by a man-made platform on which charcoal are accumulated. The uphill current soil is an Entic Podzol. The local low bioturbation and acid context, allowed to collect trustable past ecological data from the buried soil. Podzolization started before the platform construction. Inducing a low alkalinization of the soildeveloped in the charcoal hearth remains, ashes production favoured the migration of iron/clayey/organic bands through the platform sediment and the buried soil. The charcoals studied on mammoth thin section gave relevant assemblages of mainly Quercus and Fagus. Phytoliths studies suggested less dense or degraded forest canopy preceding the platform construction more likely due to ancient wood coppicing or previous disorganized wood gathering. Abundant in the current soils, PAH did not migrate under the charcoal hearth layers. Their absence in the platform sediment suggests less residual no residual pollution in local soil before the charcoal activities than laterCette étude pluridisciplinaire vise à décrypter l'impact de la production de charbon de bois du XVIIIe siècle sur les sols du nord ds Vosges. Les observations pédologiques de terrain et analytiques sont complétées par des observations de charbons de bois et de phytolithes sur des lames minces, des analyses moléculaires de la teneur en polluants organiques et des analyses de phytolithes sur des préparation classiques. Ce Technosol complexe, se traduit par une ancienne séquence de sol naturel enfouie par une plateforme artificielle sur laquelle sont accumulés des charbons de bois. Le sol actuel en amont est un Podzol Entic. La faible bioturbation locale et ce contexte acide, ont permis de collecter des données écologiques passées fiables à partir du sol enterré. La podzolisation a commencé avant la construction de la plateforme. La faible alcalinisation du sol développé dans les restes du foyer de charbon de bois, puis la production de cendres ont favorisé la migration de fer/argile/organique de bandes ferri/argilo/organiques à travers le sédiment de la plate-forme et le sol enterré. Les charbons de bois étudiés sur lame mince ont donné des assemblages pertinents composés principalement de Quercus et Fagus. Les études des phytolithes ont suggéré une canopée forestière moins dense ou dégradée avant la construction de la plate-forme, plus probablement en raison d'une mauvaise gestion des anciens bois ou d'une collecte de bois désorganisée antérieure. Abondance dans les sols actuels, les HAP n'ont pas migré sous les couches de charbon de bois du foyer. Leur absence dans les sédiments de la plate-forme suggère que la pollution résiduelle dans le sol local était moins importante avant les activités de charbon de bois que plus tar

Impact de l’oxydation abiotique sur des sols bruts ou préalablement traités issus d’anciennes cokeries : Evolution du compartiment organique

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