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

La nanoscience est basee sur les changements de proprietes des particules lorsque leur diametre est inferieur a 100 nm (i.e. nanoparticules, NPs). Devant l’utilisation croissante de telles NPs, et leur deversement probable dans l’environnement, l’evaluation des risques induits sur la sante humaine et l’environnement est un enjeu majeur. Dans le cadre de la protection des eaux et des sols, l’evaluation de la qualite des eaux de surface est particulierement importante, notamment dans les zones humides (ZHs), ou la dynamique des metaux toxique (i.e. As, Pb, Ni, Cr, Hg) est complexe et depend des conditions redox du milieu. Comme les NPs de magnetite (nano-Fe3O4), naturelles ou manufacturees, sont reconnues pour leur capacite d’adsorption importante face aux metaux lourds, leurs interactions dans les ZHs ripariennes (ZHRs) avec les ETMs restent critiques quant a leurs impacts directs ou indirects. Ainsi, l’objectif de cette these etait d’etudier le role des nano-Fe3O4 manufacturees (~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 precipites colloidaux naturels provenant de produits de reoxydation en milieu riparian (soumis a des oscillations redox), l’analyse de la distribution spatiale des elements a ete effectuee par cartographie isotopique nanoSIMS (i.e. 75As-, 56Fe16O-, le soufre (32S-) et la matiere organique (12C14N-), alors que la speciation du soufre a ete evaluee par adsorption des rayons X au seuil K du soufre (S) (XANES). Ces analyses ont permis de mettre en evidences les interactions entre les oxydes de fer naturels, la matiere organique naturelle (MON) et un metalloide toxique, l’arsenic. Nos resultats suggerent, 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 oxydees et reduites, confirmees par les analyses XANES, pourrait etre attribuee a la lente cinetique 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 a travers des groupements fonctionnels soufres (e.g. thiols) sont aussi possibles en milieu oxyde. Dans un second volet, l’effet des nano-Fe3O4 (~ 10 nm) sur la mobilite des elements traces (ETs) et des colloides, dans l'horizon organomineral d’un sol naturel de ZHR, a ete evalue a l’aide de colonnes de sol. Nos resultats montrent que l’enrobage des nanoparticules semble influencer la mobilite de la MON et des ETs du sol. En effet, la mobilite des ETs semble augmenter en presence de nano-Fe3O4 nus, suggerant des associations ou la MON stabiliserait les nanoparticules et augmenterait leur mobilite ainsi que celle des ETs associes. Ce mecanisme semble par contre moins possible avec le nano-Fe3O4 enrobees ou la MON bloquerait les sites d’adsorption de l’enrobage et par consequent l’adsorption de metaux. Dans le troisieme volet, un couplage entre une nouvelle generation de colonne chromatographique d'exclusion de taille (SEC) et la spectrometrie de masse a troche plasma (ICP-MS) a permis de mesurer quantitativement les interactions directes entre les NPs et les TMs dans des matrices naturelles complexes (i.e. boues d'epuration, les eaux souterraines, l'eau du robinet) et differents echantillons artificiels contenant differentes concentrations d’acide humique et de metaux toxiques (i.e. As, Pb, Th). L’application de cette methode a permis d’observer que la stabilite des nano-Fe3O4 nues est plus fortement affectee par la concentration en metaux (i.e. As et Pb) et le pH que celles enrobees. Des isothermes d’adsorption ont pu egalement etre possibles grâce a cette methode. Finalement, dans un dernier volet, un suivi de la bioreduction des nano-Fe3O4 par une bacterie modele Shewanella oneidensis a montre des vitesses de bioreduction du fer tres differentes pour deux types de nanoparticules, nano-Fe3O4 et d’hematite (nano-Fe2O3). Les differentes vitesses de bioreduction, potentiellement expliquees par les differentes cristallographies des deux nanoparticules, soulignent encore l’importance de la configuration de surface sur la reactivite et le comportement des nanoparticules. Globalement, ce projet a mis en evidence comment est influence le potentiel des nano-Fe3O4 a sequestrer les metaux toxiques, non seulement par la matrice du sol et la MON, mais aussi par leur propre configuration de surface. Par exemple, la dissolution tres rapide (i.e. 8j) de nano-Fe3O4 non enrobees par l’activite bacterienne illustre l’importance de leur configuration de surface dans la subsequente mobilite des metaux. Est-ce que l’enrobage pourrait ralentir cette reduction des nanoparticules et par consequent influencer differemment le transfert des metaux toxiques vers le compartiment aquatique ?