Caractérisation et Impacts sur la Qualité

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Caractérisation et Impacts sur la Qualité
Proposition de sujet de thèse 2016
(A remplir par les équipes d'accueil et à retourner à Isabelle HAMMAD : [email protected]
MASTER : SET – Spécialité Biodiversité Ecologie Evolution (BEE)
Ordre de priorité de la proposition(1) :
Candidat(e)(1)
Nom - Prénom :
Date de naissance :
Cursus de second cycle (origine, années, mention) :
Mention et classement au Master (Xème sur Y) :
Sujet de doctorat proposé
Intitulé : Les Dépôts de Boues Rouges du Bassin Minier de Provence : Caractérisation et
Impacts sur la Qualité Physico-Chimique et Biologique des Sols
Descriptif :
Le Bassin Minier de Provence (BMP), et par extension une partie de l’agglomération marseillaise, est un territoire marqué
par ses activités industrielles, notamment minières et sidérurgiques. Si l’activité d’extraction du charbon ligniteux a cessé
au cours de la fin du siècle dernier, celle visant à transformer la bauxite afin d’en extraire de l’alumine est toujours
d’actualité. Cette activité est de nos jours regroupée à Gardanne (13) et dans sa périphérie (Bouc-Bel-Air, 13). La
technique d’extraction de l’alumine repose sur le procédé Bayer qui, après traitement à chaud avec de la soude, génère des
résidus alcalins appelés « boues rouges ». À l’heure actuelle, ces résidus sont de deux types : des résidus liquides évacués
en mer Méditerranée dans la fosse de Cassidaigne, et des résidus solides (Bauxaline®) entreposés dans le vallon de
Mange-Garri de la commune de Bouc-Bel-Air attenante à la ville de Gardanne. D’un point de vue historique, cette
activité et les déchets sidérurgiques qu’elle génère ne s’est pas toujours cantonnée sur le site de Gardanne. En effet, ce
type d’industrie a également prospéré durant le siècle dernier à Marseille dans les quartiers de La Delorme (15ème arr.) et
de La Barasse (11ème arr.). Conséquence directe de ces activités, un certain nombre de crassiers et de bassins de stockage
de boues rouges ont été édifiés à proximité des sites d’extraction (La Delorme, Mange-Garri) ou dans des lieux plus isolés
(Vitrolles-Griffon, La Barasse). Récemment, ces boues rouges ont également été utilisées comme substrat pour recouvrir
des décharges (Mentaure-La Ciotat (13), Entressen (13)). Certains de ces dépôts ont été laissés en l’état, c'est-à-dire sans
couche de fermeture (Griffon, Mange-Garri), tandis que d’autres ont été recouverts de terre végétale (La Delorme, La
Barasse). Ces boues rouges sont de fait à l’origine de nombreux questionnements de la part des industriels pour de
possibles valorisations (e.g. utilisation en génie civil, dépollution, construction de sols) mais aussi de la société civile et
de la communauté scientifique concernant ses impacts environnementaux et humains.
OBJECTIFS
Ce projet vise à étudier les dépôts terrestres de boues rouges en termes d’impacts sur la qualité physico-chimique et
biologique des sols. En effet, si les boues rouges ont fait l’objet d’études scientifiques extensives quant à leurs possibilités
de recyclage industriel (Klauber et al., 2011), les études sur leurs effets environnementaux, en particulier sur la
composante biologique des sols, sont beaucoup moins nombreuses (Garau et al., 2007, 2011, 2014 ; Krishna et al., 2014 ;
Lombi et al., 2002) et, de surcroît, inexistantes dans le contexte du BMP. Les différentes études disponibles dans la
littérature soulignent l’importance de la matrice sol à laquelle sont mélangées les boues rouges dans la modulation des
réponses biologiques. Cet aspect est donc important à investir à l’échelle locale dans la perspective d’une utilisation
potentielle des boues rouges comme amendement aux sols, voire à l’élaboration de sols artificiels, en vue de valorisations
(agronomique, dépolluante, restauration). L’objectif général de ce projet visera donc à tester l’innocuité, ou pas, d’apports
de boues rouges aux sols sur les fonctions biologiques qui s’y expriment. Les travaux seront organisés en deux tâches
permettant de répondre à des objectifs spécifiques. L’étudiant sera amené à travailler conjointement avec différentes
équipes de l’IMBE, du CEREGE, de l’INERIS, ainsi que l’observatoire dédié aux boues rouges de l’Observatoire
Homme-Milieu du Bassin Minier de Provence (OHM BMP).
Tâche 1. Caractérisation des différents dépôts de boues rouges
Cette première tâche visera à établir (i) une typologie des boues rouges sélectionnées reposant sur la détermination de
leurs principales caractéristiques biologiques et physico-chimiques et (ii) un diagnostic de leur toxicité potentielle. Cette
démarche permettra aussi d’initier une base de données constituant un « point zéro » pour des suivis à moyen/long terme
de l’évolution de ces boues dans les dépôts.
Tâche 2. Impacts des boues rouges sur la qualité physico-chimique et biologique des sols
Cette seconde tâche comportera deux volets d’étude :
• Le premier consistera à déterminer, au travers d’une démarche in situ et multi-échelle (crassier, parcelle, transect,
profil), comment et dans quelle mesure les dépôts de boues rouges modulent la structuration des communautés
végétales et microbiennes des sols au travers de relations fonctionnelles réciproques. Ces recherches permettront de
mieux comprendre les effets des boues rouges sur la composante biologique et les dynamiques de fonctionnement
de ces pédosystèmes anthropisés.
• Le second apportera des données complémentaires afin d’appréhender en conditions contrôlées les potentiels
bénéfiques ou néfastes des boues rouges sur la qualité des sols. L’utilisation de ces boues en reconstruction de sol
et en amendement (agronomie/restauration/bioremédiation) étant une piste de valorisation actuellement évoquée
(Klauber et al., 2011 ; Hennebert et al., 2015), ce volet constituera donc une étape préalable et indispensable à toute
action visant à les utiliser dans l’environnement. La démarche adoptée consistera en des expérimentations en serre
(mésocosmes/rhizotrons) et sur site (Mange-Garri). En pratique, il s’agira de tester l’impact des boues sur la
végétation, l’expression fonctionnelle microbienne et la physico-chimie des sols, ainsi que l’effet écotoxicologique
potentiel de ces boues.
MÉTHODOLOGIES
Tâche 1
Les boues rouges de trois dépôts (Mange-Garri/Griffon/La Delorme) seront étudiées dans cette tâche 1.
• Cartographie de répartition des teneurs en ETMM/majeurs à l’échelle des crassiers (pXRF).
• Caractérisation physico-chimique des boues :
- Densité, perméabilité, granulométrie 5 fractions, analyses cristallographiques DRX, RAMAN.
- pH, salinité, CEC, potentiel rédox.
- Analyse élémentaire CHONS, teneurs en ETMM/majeurs/traces (ICP-AES/MS, XRF), teneurs/qualité des MO.
- Radioactivité (bGeigie Nano Kit).
• Caractérisation microbiologique des boues :
- Microscopie (MET/MEB), dénombrement in situ des microorganismes viables (épifluorescence), recherche de
groupes trophiques bactériens cultivables (e.g. bactéries alcalophiles/bactéries chimiolithotrophes oxydoréductrices du Fe/Mn/As).
- Biodiversité fonctionnelle (Biolog), respirométrie basale/induite (CPG), activités enzymatiques relatives aux
cycles biogéochimiques du CNPS et respiratoires.
Tâche 2
• Volet 1 – Démarche in situ
Les boues rouges des dépôts étudiés dans ce volet auront été caractérisées dans la tâche 1.
Ce volet d’étude de terrain concernera l’ensemble des dépôts du crassier de La Delorme. Il s’agira d’effectuer une étude
horizontale (parcelle/transect) et verticale (profil) géoréférencée des caractéristiques physico-chimiques et microbiennes
(variables mesurées identiques à celles de la tâche 1) des sols de surface (couche de fermeture), des dépôts sous-jacents et
des interfaces, en relation avec la structuration des communautés végétales (biodiversité/recouvrement/biomasse/densité
racinaire, banques de graines). Les données issues de ces dépôts anciens permettront d’en tirer des enseignements pour la
gestion de dépôts plus récents. Une parcelle du site de Mange-Garri, recouverte de Bauxaline® modifiée (protocole
Inéris), sera également étudiée.
• Volet 2 – Expérimentations
Cette étude expérimentale sera conduite à partir de deux types de boues rouges (Mange-Garri/Griffon) caractérisées dans
la tâche 1.
En complément de l’étude menée in situ, des rhizotrons (avec plantes) et des mésocosmes (sans plantes) de sol seront
réalisés en serre pour étudier en conditions contrôlées l’influence des boues rouges sur la dynamique des communautés
végétales et microbiennes et sur leurs traits fonctionnels (e.g. surfaces foliaires/traits racinaires/fonctions microbiennes).
En parallèle, cette étude sera également menée sur une parcelle expérimentale (0,1 ha) de Mange-Garri. En pratique, il
s’agira d’enrichir des sols agricole/garrigue avec des doses croissantes de boues (Mange-Garri/Griffon), de confectionner
un sol artificiel à partir de résidus de bauxite modifiés (RBM) par apport de gypse/compost/engrais NPK, et de suivre la
végétalisation/productivité de plantes autochtones et modèles (Poaceae/Fabaceae/Asteraceae) en relation avec les
microorganismes, l’expression de leurs fonctions et la mobilité/biodisponibilité des éléments nutritifs/ETMM du sol
(lysimètre). Des tests d’écotoxicologie (e.g. germination/croissance végétale/mutagénicité/microtox/Aimes) des boues et
une étude des réponses toxicologiques consécutives aux différents traitements ou apports seront également mis en œuvre.
Programme finançant la recherche :
obtenus : crédits reportables projets SOL-OHM (6K€ OHM BMP), DORIS (9K€ OHM BMP), contrats (2) de
prestations Société Carbios (17K€, 40K€), EC2CO Sphagnandro (4K€), crédits récurrents équipe d’accueil
(3K€/an)
envisagés : APR annuels des OHMs , EC2CO
Directeur(s) de thèse proposé(s)
(limiter au plus à deux personnes principales, dont au moins une titulaire de l'HDR)
Directeur HDR proposé
Nom - Prénom : CRIQUET Stéven
Corps : MCF-HDR
Laboratoire (i.e. formation contractualisée de rattachement, éventuellement équipe au sein de cette formation) : IMBE UMR
CNRS 7263, IRD 237
Adresse mail : [email protected]
Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés co-signataires) :
DAOU L., PÉRISSOL C., LUGLIA M., CALVERT V. & CRIQUET S. (2016) Effects of drying-rewetting
or freezing-thawing cycles on enzymatic activities of different Mediterranean soils. Soil Biology & Biochemistry
93: 142-149, doi:10.1016/j.soilbio.2015.11.006
LUGLIA M., CRIQUET S., SARRAZIN M. & GUIRAL D Expression patterns of benthic microbial
functions of estuarine intertidal mudflats in French Guiana. Hydrobiologia (soumission prevue en Mai 2016)
LUGLIA M., CRIQUET S., SARRAZIN M., ZIARELLI F., GUIRAL D. (2014) Functional patterns of
microbial communities of rhizospheric soils across the development stages of a young mangrove in French
Guiana. Microbial Ecology 67, 302-317.
CLOUARD M., CRIQUET S., BORSCHNECK D., ZIARELLI F., MARZAIOLI F., BALESDENT J.,
KELLER C. (2014) Impact of lignite on pedogenetic processes and microbial functions in Mediterranean soils.
Geoderma 232, 257-269
GUILLAMOT F., CALVERT V., MILLOT MV., CRIQUET S. (2014) Does antimony affect microbial
respiration in Mediterranean soils? A microcosm experiment. Pedobiologia 57, 119-121.
Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières années
Nom : Mathieu Luglia
Direction : S. CRIQUET (HDR) & D. GUIRAL (HDR)
Intitulé : Les enzymes des sédiments en zone intertidale tropicale : potentialités bioindicatrices de qualité et de
fonctionnement des vasières et des mangroves de Guyane française.
Type d'allocation : Convention DIREN Guyane - IRD
Date de début de l'allocation de doctorat : 2010
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) : Soutenue le 01/10/2014
Programme finançant la recherche : Convention DIREN Guyane - IRD
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) : ATER
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction : .50%
Nom : Mélanie Clouard
Direction : S. CRIQUET (HDR) & C. KELLER (HDR)
Intitulé : Sols des terrils de Provence : étude des paramètres biologiques et physico-chimiques impliqués dans
leur intégration environnementale.
Type d'allocation : CNRS - INEE
Date de début de l'allocation de doctorat : 2010
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) : Soutenue le 18/12/2013
Programme finançant la recherche : CNRS - INEE
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) : Ingénieur R&D EnviSol
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction : 50%
Autre directeur proposé (éventuellement)
Nom - Prénom :
Corps :
Adresse mail :
Laboratoire (i.e. formation contractualisée de rattachement, éventuellement équipe au sein de cette formation) :
Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés co-signataires) :
Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières années
Nom :
Intitulé :
Type d'allocation :
Date de début de l'allocation de doctorat :
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) :
Programme finançant la recherche :
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) :
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction : .............%
(1) : A remplir lors de la campagne d'attribution des allocations, à l'issue de la session de juin des Masters