Sur le site de Ploemeur les processus biogéochimiques et plus particulièrement la dénitrification, sont intimement liés à la mise en place du pompage et la redistribution des vitesses et des flux qui l’accompagne (Partie I -Chapitre III). Le site de Ploemeur est situé sur un contact subhorizontal entre un micaschiste et un granite. L’objectif de cette étude expérimentale est de mieux contraindre l’influence de la lithologie, de la granulométrie (comme analogue à l’intensité de la fracturation) et de la qualité chimique des eaux présentes sur le site et d’estimer l’influence biologique sur les processus biogéochimiques observés. Pour ce faire, la réaction a été reproduite en laboratoire dans des batchs où différents paramètres peuvent être contrôlés.
1 – Etude des processus biogéochimiques en laboratoire
L’étude des processus biogéochimiques à l’aide de microcosmes permet d’identifier l’impact de différents paramètres sur les réactions par le contrôle des conditions d’expérimentation et une simplification du milieu naturel. Dans le cadre du développement de nouvelles voies d’épuration des eaux usées, de nombreuses études sont actuellement menées sur la dénitrification dans des « modèles réduits » (colonne de sol, batch,…) (Liu and Koenig, 2002; Olav Sliekers et al., 2002; Plosz et al., 2003). Ce type de modèle simplifié du milieu naturel est utilisé aussi en hydrochimie plus fondamentale. La technique d’expérimentation en batch consiste à mettre en contact une phase solide (roche, sol, boue,…) avec une phase liquide (eau naturelle ou synthétique) dans un système fermé où sont suivis un ou plusieurs paramètres au cours du temps en conditions contrôlées (agitation ou non, obscurité, aérobie ou anaérobie,…). Ce type d’expérimentation permet, en autre :
• de définir des vitesses de réaction (Reyes-Avila et al., 2004)
• d’étudier l’influence d’un facteur limitant sur la réaction (Liu and Koenig, 2002; Murray and Knowles, 2003; Fauville et al., 2004) comme la réponse de la dénitrification à de nouveaux donneurs d’électrons tels que le fer à valence zéro ou le
soufre dans un but de développement de nouvelles techniques de remédiation du milieu (Choe et al., 2000; Moon et al., 2004; Yang and Lee, 2005)
• de modéliser les réactions pouvant avoir lieu dans un aquifère (Devlin et al., 2000; Amirbahman et al., 2003)
2 – Protocole
Deux séries d’expérimentation en batch ont été lancées pour tester l’influence de différents paramètres sur la dénitrification autotrophe mise en évidence à Ploemeur :
1. la lithologie, la granulométrie et le type d’eau (novembre 2004) (Tableau 1 - Figure 24) au travers de l’utilisation de deux granulométries différentes et de trois roches (granite sain, altéré et schiste) avec des eaux à teneur en nitrates et condition oxydo-réductrices naturelles contrastées
2. l’éventuelle influence d’une faune bactérienne sur la dénitrification (avril 2005) (Tableau 2) par la stérilisation de certains flacons
Tableau 1 : Modalités testées lors de la première série d’expérimentations en batchs en Novembre 2004 fraction roche granite sain (G) granite altéré (A) schiste (S) granite sain (G) granite altéré (A) schiste (S) eau riche en
nitrate (F34) FGF FAF FSF GGF GAF GSF
eau pauvre en
nitrate(PE) FSPE GGPE GAPE
grossière (G) fine (F)
Tableau 2 : Modalités testées lors de la seconde série d’expérimentations en batchs en Avril 2005. La granulométrie des roches est inférieure à 1mm et l’eau utilisée est riche en nitrates (F34).
Granite sain (GS) Granite altéré (GA) Schiste (S) non stérilisé GS GA S stérilisé GSs GAs Ss
Figure 24: les deux types de granite utilisés dans l’expérimentation en batch
Les expériences ont été réalisées dans des flacons à plasma de 250mL surmontés d’un septum permettant le prélèvement par aiguille (Figure 25). Des échantillons de roche provenant du carottage d’un puits pour le granite sain et le granite altéré, et de cuttings pour le schiste ont été concassés de façon à obtenir deux fractions : une fine (<1mm) et une plus grossière (1 à 4mm). Dans la seconde série d’expérimentations seule la fraction fine a été utilisée. La proportion de mélange roche : eau est d’environ 1 : 2 en masse. Dans la première série, les deux eaux testées sont F34 à concentration élevée en nitrates (environ 45mg/L) et des conditions naturellement oxydantes et PE, l’eau pompée, présentant des concentrations en nitrates faibles liées à des conditions réductrices favorisant la dénitrification (Tableau 3). Seule l’eau riche en nitrates a été utilisée dans la seconde série d’expérimentations pour une visualisation optimale d’une possible diminution des concentrations en nitrates. L’ensemble des flacons utilisés a été stérilisé par autoclavage à 120°C pendant 30 minutes. La modalité « stérilisée » correspond aux flacons ayant été stérilisés avec le mélange eau/roche, les autres ayant été passés à l’autoclave seuls. L’atmosphère de l’ensemble des flacons a été rincée à l’azote de façon à recréer les conditions d’anaérobie rencontrées sur le site. C’est cette mise sous atmosphère inerte qui constitue le t0 des expérimentations. A noter que dans le cas de la première série, ce t0 correspond à 2-3 heures près à la mise en contact eau-roche alors que lors de la seconde série la réalisation de la stérilisation a nécessité une mise en contact des phases solide et liquide presque 48h avant la mise sous azote. Chaque modalité testée a été réalisée en double exemplaire. Les flacons ont été stockés à lumière et température ambiante sans agitation (des tests préliminaires ont montré une influence non significative de l’agitation en continue des flacons sur l’évolution des anions suivis). Après agitation manuelle, l’échantillon d’eau pour analyse a été prélevé à travers le septum et filtré à 0,2µm. Les prélèvements dans les flacons stérilisés ont été effectués avec des aiguilles à usage unique de façon à limiter
toute contamination entre flacons et avec l’atmosphère ambiante. Les anions ont été analysés dans les 48h par chromatographie ionique (DIONEX DX-100). Pour la seconde série l’alcalinité (mesure titrimétrique) et le fer (analyse ICP-MS) ont aussi été suivis au cours du temps.
Tableau 3: Composition chimique des eaux utilisées
mg/L F34 53 45 9 PE 69 2 67 F34 54 44 9 SO4 1ère série 2ème série Cl NO3
Figure 25 : Flacons et prélèvement