Effet du pH rhizosphérique sur la disponibilité des HAP

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Effet du pH rhizosphérique sur la disponibilité des HAP

Christophe Barnier, Stéphanie Ouvrard, Christophe Robin, Jean-Louis Morel

To cite this version:

Christophe Barnier, Stéphanie Ouvrard, Christophe Robin, Jean-Louis Morel. Effet du pH rhi- zosphérique sur la disponibilité des HAP. Séminaire 2008 de l’Ecole Doctorale RP2E “ Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits et Environnement ”, Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie, Procédés, Produits et Environnement (RP2E). FRA., Jan 2008, Vandoeuvre-lès-Nancy, France. �hal-02754510�

Laboratoire Sols et Environnement

Processus rhizosphériques contrôlant la biodisponibilité des HAP

Séminaire de l’école doctorale 17 janvier 2008

Christophe Barnier

Encadrants :

Stéphanie Ouvrard – Christophe Robin – Jean-Louis Morel

- HAP = Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques

- France : ~ 700 sites recensés dont les sols sont contaminés par des HAP

- Toxiques (mutagènes, cancérigènes, tératogènes) - Très hydrophobes

- Très persistant dans l’environnement

Friches industrielles

- Pollutions anciennes

- HAP majoritairement présents sous forme NON BIODISPONIBLE

Contexte : les HAP

Contexte : la biodisponibilité

• Définition

– Désigne l’état des HAP absorbables et transformables par les micro-organismes du sol

Lame mince de sol

1 mm

Micro-agrégats Macro-agrégats

– Biodisponibilité : facteur limitant la biodégradation des HAP dans les sols de friches contaminés

1 mm

HAP biodisponible HAP non biodisponible

Profil de sol

NH₄⁺ H⁺

Mucilages

Exsudats racinaires

Variables influencées :

• Le stock de matière organique

• L’état de la matière organique

• Solubilité des composés hydrophobes

• Le pH du sol

Contexte : la rhizosphère

Flux d’eau

Rhizosphère

Flux de HAP

Bulk

Définition : Sol à proximité immédiate des racines

NO₃^- OH^-

Mucilage de maïs Rhizodépôts

Schéma récapitulatif

SOL PLANTE

Biomasse microbienne

MO

Parties aériennes

Litière

HAP disponibles HAP non disponibles

adsorption / désorption

séquestration / déséquestration formation de résidus liés

Effets physiques Rhizodépots

Stimulation de croissance / Structuration

Surfactants / Complexants

Dégradation Toxicité

Humification

des matières solubles Dégradation

des matières humiques

Sol global

Biomasse

microbienne (BM) [HAP]_w

[HAP]_d

[HAP]_nd

F

Fd : fraction disponible

[HAP]_lié [HAP]_min

rhizosphère

Modèle fonctionnel

Sol global

Biomasse

microbienne (BM) [HAP]_w

[HAP]_d

[HAP]_nd

F

[HAP]_d= f(K_p, [HAP]_w)

K_p= f(foc, Koc, MON, [HAP]_w, pH, T°C, FI) Loi de transport

f (macroφ, MO_soluble, koc)

[HAP]_lié= (1 - F_min) [HAP]_deg f (C, T°C, [HAP]_w, NPK)

[HAP]_d= F_d.[HAP]_tot

= F_d.( [HAP]_d+ [HAP]_fd)

Fd : fraction disponible

Hyp. f(µφ, MO, pH, colloïdes) [HAP]_lié

[HAP]_min

F

[HAP]_min= F_min. [HAP]_deg

F_min= f (MO_soluble, T°C, [HAP]_w, NPK)

rhizosphère

[HAP]_deg= K_bio. [HAP]_w

K_bio= f(BM, MO_soluble, T°C, [HAP]_w, NPK)

Modèle fonctionnel

Questions de recherche

• Premier paramètre étudié : pH

Biomasse

microbienne (BM) [HAP]_w

[HAP]_d

[HAP]_nd

F_d

[HAP]_d= f(K_p, [HAP]_w)

K_p = f(foc, Koc, MON, [HAP]_w, pH, T°C, FI)

Loi de transport

f (macroφ, MO_soluble, koc)

[HAP]_lié= (1 - F_min) [HAP]_deg

f (C, T°C, [HAP]_w, NPK)

[HAP]_d= F_d.[HAP]_tot

= F_d.( [HAP]_d+ [HAP]_fd)

Fd : fraction disponible

Hyp. f(µφ, MO, pH,pH colloïdes)

[HAP]_lié [HAP]_min

F_min

[HAP]_min= F_min. [HAP]_deg

F_min = f (MO_soluble, T°C, [HAP]_w, NPK)

rhizosphère

Sol global

[HAP]_deg= K_bio. [HAP]_w

K_bio= f(BM, MO_soluble, T°C, [HAP]_w, NPK)

Questions de recherche

• L’absorption d’ions ammonium induit une acidification

de la rhizosphère (inversement lors de l’absorption de nitrates),

• L’évolution pédogénétique des sols induit leur acidification,

Adsorption du phénanthrène (Ping et al, 2006)

Modèle de matière organique (Pignatello, 1998)

Hypothèse de départ : La fraction biodisponible est susceptible de diminuer avec l’acidification de la rhizosphère

• Le niveau de condensation de la matière organique augmente à faible pH.

• Les forces de sorption augmentent aux faibles pH

Corrélation entre la fraction biodégradée et la fraction extractible au butanol

• Rapport solide:liquide = 10:15

• Temps d’agitation = 2 minutes

Estimation de la fraction biodisponible

Extraction du phénanthrène d’un sol au butanol

(Liste and Alexander, 2002)

Etude de l’effet pH

origine 16 HAP EPA pH

(mg kg^-1) Sol 1

Sol 2 Sol 3

cokerie 1687 8,64

cokerie + sidérurgie 809 7,55

usine à gaz 952 7,89

Utilisation de l’extraction au butanol pour déterminer l’effet pH

Batch Protocole en Batch

- Réalisation d’une suspension de terre,

- Variation du pH avec ajout d’acide ou base minéral,

- Agitation jusqu’à équilibre (76 heures), - Extraction du sol au butanol

Etude de l’effet du pH

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

pH

concentration en mg/kg

Résultats

0 200 400 600 800 1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

pH

concentration en mg/kg

0 100 200 300 400 500 600 700

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

pH

concentration en mg/kg

* *

*

Sol 1

Sol 2

Sol 3

Etude de l’effet du pH

Résultats :

• L’acidification du milieu n’a pas d’effet sur la fraction des HAP extractibles au butanol.

• L’alcalinisation du milieu augmente la quantité de HAP extractibles au butanol dans les sols 1 et 3 et

la diminue dans le sol 2.

Etude de l’effet du pH

Résultats :

Sol 2 : Fortes teneurs en éléments cationiques - Induit la stabilisation des agrégats

- Limite la formation de colloïdes

→ Hypothèse à vérifier en étudiant la stabilité des agrégats

Sol 1 Sol 2 Sol 3

Ancienne activité cokerie cokerie + sidérurgie usine à gaz

16 HAP EPA (mg.kg^-1) 1687 809 952

Chrome (mg.kg^-1) 54.9 233.0 84.1

Calcium (g.kg^-1) 11.0 37.6 10.4

Sodium (g.kg^-1) 0.094 0.349 0.0619

Magnésium (g.kg^-1) 0.166 0.876 0.248

Conclusions

• Le pH est un paramètre du modèle négligeable en cas d’acidification de la rhizosphère (la majorité des cas).

• L’effet de l’alcalinisation sur la biodisponibilité des HAP est à préciser du fait des résultats variables.

• Il est nécessaire de vérifier l’effet des teneurs en cations sur

la stabilité des agrégats et sur la biodisponibilité des HAP.

Perspectives

Biomasse

microbienne (BM) [HAP]_w

[HAP]_d

[HAP]_nd

F_d

[HAP]_d= f(K_p, [HAP]_w)

K_p= f(foc, Koc, MON, [HAP]_w, pH, T°C, FI)

Loi de transport

f (macroφ, MO_soluble, koc)

[HAP]_lié= (1 - F_min) [HAP]_deg

f (C, T°C, [HAP]_w, NPK)

[HAP]_d= F_d.[HAP]_tot

= F_d.( [HAP]_d+ [HAP]_fd)

Fd : fraction disponible

Hyp. f(µφ, MO, pH, colloïdes) MO

[HAP]_lié [HAP]_min

F_min

[HAP]_min= F_min. [HAP]_deg

F_min= f (MOMO, T°C, [HAP]_w, NPK)

rhizosphère

Sol global

[HAP]_deg= K_bio. [HAP]_w

K_bio= f(BM, MOMO, T°C, [HAP]_w, NPK)

Perspectives

• Comprendre l’effet de l’exsudation de composés organiques (acides organiques…) sur la biodisponibilité des HAP.

• Modéliser l’impact d’un couvert végétal sur l’évolution des

HAP dans un sol de friche contaminé.

Merci de votre attention