Objectifs de la thèse

Ce travail de thèse a deux principaux objectifs : le premier objectif est la mise au point d’un

outil de modélisation mécanistique qui permette de décrire les processus de la dynamique des

HAP à l’échelle du champ en interaction avec i) la matière organique sur laquelle les

polluants vont s’adsorber ; ii) les microorganismes du sol qui dégradent les HAP ou

participent à la formation des résidus liés soit par métabolisme spécifique soit par

co-metabolisme ; iii) la lixiviation en tant que puits via le transfert des HAP vers les eaux

souterrains ; et iv) le climat en tant que source via les retombées atmosphériques mais

également en tant que conditions aux limites à l’échelle du champ (pluie, evatranspiration,

température de l’air..). Le deuxième objectif est d’utiliser cet outil de modélisation pour

décrire des scénarios concernant le devenir des HAP afin de répondre à des questions plus

finalisées pour les deux situations contrastées de l’étude :

- Pour le site de GISFI (54) lié à de fortes concentrations de HAP dans un sol contaminé

de site industriel. Il s’agit d’étudier l’impact à long terme de la décontamination du sol

pour différentes prévisions climatiques.

- Pour le site de QUALIAGRO (78) lié à de faibles concentrations de HAP apportées

par de composts en parcelles agricoles. Il s’agit d’étudier l’influence à long terme

d’un apport répété de composts sur l’accumulation de HAP, en fonction du type des

déchets organiques et de la nature du polluant.

Ce travail s’est alors déroulé en trois grandes étapes, répondant chacune à des objectifs

spécifiques :

I. Identification des processus à modéliser et développement de modules qui décrivent la

dynamique des HAP et qui incluent les processus 1) d’adsorption des HAP sur la

matrice organique et solide du sol et la formation des résidus liés physiques, 2) de

biodégradation en fonction de l’environnement organique et microbien et la

production de résidus liés biogéniques, et qui tiennent également en compte la qualité

des matières organiques compostées sur le relargage des HAP.

II. Développement de nouveaux modules sous MATLAB (Mathwork, USA) en leur

associant un algorithme Bayésien « DREAM » (Vrugt, 2016) permettant de

paramétrer les modules en utilisant des données expérimentales de laboratoire. Ces

données expérimentales ont été sélectionnées et considérées comme complémentaires

aux données de terrain pour calibrer les nouveaux modules HAP proposés.

III.Proposer un modèle global adapté aux HAP et pouvant s’adapter aux dispositifs

expérimentaux aux champs pour les deux situations d’étude. Ce modèle a été établi

sous la plateforme SOL Virtuel de l’INRA et comprend des modules qui représentent

les principaux processus influençant le devenir des HAP dans le sol. Ce modèle a

ensuite été utilisé pour simuler des scenarios sur le devenir des HAP dans les deux

situations d’étude.

Le choix des HAP étudiés a été basé sur la disponibilité des données expérimentales : trois

HAP listés comme prioritaires par l’agence de protection de l’environnement américaine

US-EPA et l’Union Européenne ont été retenus comme HAP modèles pour la situation de

QUALIAGRO (78) : le phénanthrène (un HAP léger à 3 cycles), le fluoranthène (un HAP

moyen à 4 cycles) et le benzo[a]pyrène (un HAP lourd à 5 cycles). Pour la situation du GISFI

(54), l’étude s’est limitée au phénanthrène.

Lorsque l’effet du compost a été considéré, trois types de composts d’origine urbaine ont été

étudiés:

- Un compost issu d’ordures ménagères résiduelles après collecte sélective des

emballages propres et sacs papiers (cartons, verres et emballages) (MSW) ;

- Un compost issu de la fraction fermentescible des ordures ménagères collectées

sélectivement (déchets de cuisine, fleurs) (BioW) ;

- Un compost issu d’un mélange de déchets verts et de boues de station d’épuration

(GWS).

La démarche générale adoptée pour ce travail de thèse est synthétisée dans la Figure I.10.

La partie I est consacrée au développement et au paramétrage des nouveaux modules HAP en

utilisant des données expérimentales de laboratoire. Elle est présentée dans deux chapitres de

ce mémoire de thèse :

- Dans le chapitre n°2, les modules décrivant les processus d’adsorption et

biodégradation des HAP dans le sol sont proposés et paramétrés sur les données

expérimentales acquises pour la situation d’étude de sol pollué industriel (GISFI, 54).

Un jeu de paramètres est établi pour le phénanthrène dans un sol sans plante sur la

base d’une expérience d’incubation de phénanthrène marqué au ¹³C (Cébron et al.,

2011).

- Dans le chapitre n°3, un module complémentaire simulant l’évolution des HAP des

composts pendant leur décomposition et qui tient compte de la qualité des matières

organiques compostées sur le relargage des HAP est proposé. Des hypothèses de

couplage représentant les interactions entre ce module et les modules d’adsorption et

de biodégradation des HAP présentés au chapitre précédant sont ensuite formulées.

Les modules sont paramétrés sur la base d’expériences d’incubation de trois HAP

marqués au ¹⁴C (thèse de Verge-Leviel, 2001) représentant la situation d’étude de sol

agricole recevant un apport de compost (QUALIAGRO, 78). Trois jeux de paramètres

ont été identifiés pour le phénanthrène, le fluoranthène et le benzo [a] pyrène.

Pour ces deux approches une analyse de sensibilité des paramètres est effectuée à l’aide de

l’algorithme DREAM. Celle-ci permet de mettre en évidence les processus contrôlant le

devenir des HAP dans ces systèmes et nous amene à proposer des simplifications de

formalisme par rapport aux modules proposés.

La partie II consiste à implémenter les modules de réactivité des HAP développés et

paramétrés sous Matlab dans la partie I dans la structure de la plateforme SOL VIRTUEL et à

évaluer son aptitude à rendre compte des observations mesurées dans les deux situations in

situ. Le modèle HAP couplé est ensuite utilisé pour décrire des scenarios sur le devenir des

HAP in situ pour les deux situations d’étude. Cette partie est également composée de deux

chapitres:

- Dans le chapitre n°4, deux scenarios pour le site du GISFI (54) sont réalisés. Les

données expérimentales acquises sur 10 ans d’observation ayant montré qu’il n’y a pas

d’influence de la végétation sur la dynamique des HAP dans le sol, nous avons

uniquement appliqué le modèle sur la condition de sol nu. Il s’agit en particulier i)

d’évaluer l’influence des conditions climatiques à long terme sur le potentiel de

stockage du phénanthrène dans le sol, ii) d’estimer l’effet de la modification de

disponibilité du polluant (par exemple par l’addition de solvants organiques) sur la

dissipation du phénanthrène.

- Dans le chapitre n°5, des scenarios d’épandage pour le site QUALIAGRO (78) sont

réalisés. Il s’agit i) d’étudier l’influence de l’apport répété à long terme de déchets

organiques compostés sur l’accumulation de HAP dans le sol agricole, ii) d’évaluer

l’influence du type de compost sur cette accumulation, et iii) d’estimer le potentiel de

stockage des HAP sous la forme de résidus liés physiques et biogéniques.