Nature et rôle des matières solides en suspension dans la dynamique du transfert des éléments polluants

Abstract

In order to characterize the nature and the role of fine and colloidal particles (FCP) in subsurface environments, a time-monitoring of FCP from atmospheric deposition and soil infiltration water and the determination of key factors controlling the distribution of the FCP were performed. The methodology is essentially based on in situ observations and consists on month-scale sampling of the FCP from atmospheric deposition (under a forest and over a vineyard) and soil infiltration water (in the vineyard). TEM/EDX study of individual FCP permitted a typological and physical-chemical characterization as well as the study of their abundance and reactivity facing contaminants. Moreover knowing the environmental parameters of each sampling sites and detailed statistical study of FCP evolution permitted to propose a conceptual model of the dynamic evolution (distribution, reactivity) of the FCP in the sampled environments. Microscopic observations showed that the majority of particles have a diameter inferior to 0.45 µm. Systematic investigations on the samples using TEM and EDX permitted to characterize particles and differentiate several recurrent types in the distinct environments. Then FCP are (i) mineral-types composed of automorphous and altered clays, oxi-hydroxides and salts (sulphur and chlorine) including rare tectosilicates and carbonates, or (ii) organic-types composed of bacteria and non-living organic matter (bacterial products and altered organic matter), or (iii) association of organic and mineral types forming organo-mineral micro-aggregates. Additionally, the characterization of physical and chemical properties of the different types of FCP permitted to identify their source, abundance and reactivity. The study of the time-distribution of the atmospheric FCP combined with the knowledge of environmental factors on the two sampling sites permitted to determine the key-factors that control the FCP distribution. Then, it appears that the amount and the intensity of the rain are the primarily factors. However, geographical position and occupation mode of the soils also have an influence by modifying, before the sources and after the rain action. Indeed, even if the study of the dynamic of the atmospheric FCP shows a strong influence of the rain, both sites have a different answer. The main actor controlling FCP from atmospheric deposition is the rain, modify by the vegetal cover which lead to a chemical enrichment and aggregation onto the leaves. The main actor controlling FCP from the soil infiltration water is the hydrological properties of the soil and so the fluctuation of the saturated state according to depth leading to aggregation processes. Finally, this work highlighted three important results: (i) the development of an efficient methodology, (ii) the evidence of an essential and often neglected contaminant vector, which are bacteria, via in situ observations and batch experiments, and (iii) the importance of the micro-aggregation processes in the transport of the FPC.Afin de caractériser la nature et le rôle des particules fines et colloïdales (PFC) dans les milieux de subsurface, le suivi dans le temps des PFC contenues à la fois dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration et la détermination des facteurs contrôlant la distribution et l'évolution des PFC dans l'environnement a été réalisée. La démarche utilisée est basée essentiellement sur des observations in situ et consiste à prélever mensuellement, sur le terrain, les PFC contenues dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration d'un sol. L'étude en MET/EDX des PFC individuelles à permis de réaliser une caractérisation typologique et physico-chimiques et d'étudier leur abondance et leur réactivité face aux contaminants. Par ailleurs, la connaissance des paramètres environnementaux de chacun des sites et l'étude statistique détaillée de l'évolution de PFC a permis de proposer un modèle conceptuel de la l'évolution dynamique (distribution, réactivité) des PFC dans les environnements considérés. Les résultats obtenus en microscopie montrent que la très grande majorité des particules ont un diamètre inférieur à 0,45 µm. L'étude systématique au MET et à l'EDX des échantillons a permis de caractériser les particules présentes et de différencier plusieurs types récurrents dans des contextes environnementaux distincts, ainsi les PFC sont, (i) minérales et constituées par des argiles plus ou moins altérées, des oxy-hydroxydes et des sels (sulfures, chlorures) avec la présence ponctuelle de carbonates et de tectosilicates, ou (ii) organiques et constituées par des bactéries ou de la matière organique non-vivante (exsudats de bactérie et matière organique dégradée), ou encore (iii) des associations mixtes de particules organiques et minérales formant des micro-agrégats organo-minéraux. Au-delà de l'étude typologique, la caractérisation des propriétés physico-chimiques des différents types de PFC a permis d'en identifier les sources, l'abondance et la réactivité. L'étude de la distribution au cours du temps des PFC des retombées atmosphériques et la connaissances des facteurs environnementaux sur les deux sites étudiés a permis de mettre en évidence les facteurs clefs contrôlant la distribution des PFC. Ainsi, il apparaît, dans un premier temps, que l'intensité et la hauteur de pluie sont les facteurs principaux mis en jeu. Cependant, la localisation et le mode d'occupation des sols influent également en modifiant, en amont, les sources de PFC et en aval l'action de la pluie. En effet, si l'étude de la dynamique des PFC des retombées atmosphériques sur les deux sites montre une influence très nette de la pluie, les deux sites montrent une réponse différente. L'acteur majeur contrôlant les dépôts de PFC est la pluie, modifié par la présence de couvert végétal qui induit un enrichissement en éléments et l'agrégation des PFC sur les feuilles. L'acteur majeur contrôlant les PFC dans les eaux d'infiltration du sol étudié est la dynamique hydrique du sol et donc les fluctuations de son état de saturation en fonction de la profondeur considérée et de la pluviosité. Enfin, ce travail permet de souligner trois résultats importants que sont : la mise au point d'une méthodologie efficace, la mise en évidence d'un vecteur de contaminants essentiel et souvent négligé que sont les bactéries, via les observations in situ et des expériences en laboratoire et l'importance des mécanismes d'agrégation dans le transport des PFC