Titre du projet de thèse

Projet de thèse 2014
-----Charbon végétal de Miscanthus :
Intérêt pour remédier des sols de friches industrielles multicontaminés
Résumé
Du lourd passé industriel régional résulte une dégradation des sols notamment au droit et aux alentours d’anciens
sites industriels. Ceci se traduit souvent par des sols issus de matériaux de démolition (Anthroposols) présentant une
pollution multiple (inorganique et organique).
L’objectif de la thèse est de remédier ces sols au moyen d’amendements issus de la pyrolyse de biomasses végétales
et présentés dans la littérature comme ayant des aptitudes à améliorer les activités biologiques et le fonctionnement
des sols mais aussi, à réduire la mobilité et la biodisponibilité des polluants. La thèse sera focalisée sur les
hydrocarbures aromatiques polycycliques en intégrant comme finalité la réduction des dangers environnementaux et
sanitaires. Le travail prolonge des recherches engagées avec le soutien de l’ADEME et Lille Métropole pour
promouvoir le développement du phytomanagement sur deux sites ateliers reconnus nationalement (Metaleurop et
Union). La recherche s’inscrit plus particulièrement dans un programme pluridisciplinaire pour lequel une demande de
labellisation sera déposée au Pôle de compétitivité TEAM².
Encadrement de la thèse : Directeur : Fancis Douay,
Co-encadrements : Christophe Waterlot et Aurélie Pelfrêne
Financement : Région – UCL (subvention Lille Métropole)
Ecole doctorale : Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement (SMRE)
Contexte
Le Nord – Pas de Calais a hérité d’un lourd passé industriel, lequel a engendré des modifications
importantes du paysage mais aussi, des contaminations multiples (métalliques et/ou organiques) des sols
quels que soient leurs usages. Il en résulte des dégradations physiques et/ou chimiques générant des
dysfonctionnements des sols et des atteintes à leurs potentialités agronomiques et à leurs fonctions
écosystémiques (activités biologiques, communautés floristiques et faunistiques, cycles des éléments…).
Aux dangers environnementaux s’ajoutent aussi souvent des dangers pour les populations vivant sur ou aux
alentours de ces sites pollués. Se posent alors pour les gestionnaires des questions de gestion durable,
voire de restauration, de ces milieux dégradés. Ceci est notamment le cas pour les friches industrielles
localisées le plus souvent en agglomérations. Une des difficultés majeures pour la remédiation de ces sols
réside dans la très forte hétérogénéité de leurs paramètres physico-chimiques, d’une charge en débris de
nature variée mais aussi, en polluants métalliques (métaux et métalloïdes) et/ou organiques
(hydrocarbures aliphatiques et aromatiques polycycliques (HAP, BTEX, PCB, dioxines…) (Thums et al., 2008 ;
Gallagher et al., 2011).
Dans le cadre des réflexions en cours sur le renouvellement urbain, Lille Métropole a recensé en 2006 la
présence sur son territoire de plus de 160 friches industrielles présentant une superficie globale de 400 ha.
La réhabilitation et la requalification de ces espaces urbains sont des enjeux majeurs qui permettraient de
limiter l’expansion urbaine au détriment du milieu rural mais aussi dans certains cas, leur renaturation. De
plus, dans le but d’assurer une connectivité entre les éléments du paysage et les sites dégradés, il apparaît
la nécessité de remédier ces sols. L’utilisation d’amendements organiques et/ou inorganiques associés ou
non à un couvert végétal constitue une solution acceptable sur le plan économique, social et sociétal.
Parmi les amendements inorganiques, des travaux récents mentionnent l’utilisation de matériaux carbonés
obtenus par pyrolyse de biomasses végétales résiduelles, appelés charbon végétal ou biochar. Les
recherches menées sur l’utilisation de ces matériaux sur des sols contaminés montrent leurs aptitudes à
améliorer les activités biologiques des sols, leur fonctionnement et leur fertilité (Beesley et al., 2011 ;
Alburquerque et al., 2013) mais aussi, à réduire la mobilité et la biodisponibilité des polluants métalliques
et organiques dans les sols (Evangelou et al., 2012 ; Hale et al., 2012). Par ailleurs, les biochars ont la
particularité de renfermer au sein de leur structure des composés chimiques constitués principalement de
carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote (Ronsse et al., 2013). Contrairement à une biomasse
fraîchement épandue sur le sol, le biochar est quant à lui un produit plus résistant aux décompositions
physiques et chimiques lui conférant une meilleure stabilité dans le temps (Crombie et al., 2013). Les
biochars ont ainsi une aptitude à séquestrer le carbone dans les sols
Dans la continuité de ses recherches, l’ESE-LGCgE a pour objectif de contribuer à limiter les dangers en lien
avec la contamination des sols et de restaurer les fonctions écosystémiques de ces derniers avec pour
finalité, de redonner aux territoires dégradés un rôle socio-économique. Ainsi, un projet PHYTENER,
soutenu par l’ADEME, a été mis en place en 2009 sur le site atelier Metaleurop, axé sur l’ancienne fonderie
de plomb située à Noyelles-Godault. Il s’agit plus particulièrement d’étudier l’intérêt du phytomanagement
sur des sols fortement contaminés par des métaux au moyen notamment d’une graminée pérenne,
Miscanthus x giganteus. Il a été montré dans le contexte étudié que cette espèce accumule les polluants
métalliques principalement dans les racines et les rhizomes et très peu dans les parties aériennes au point
de considérer M. giganteus comme une espèce apte pour gérer durablement des sols agricoles contaminés
par les métaux. Se pose à ce jour la question de la valorisation de cette biomasse. Outre la production
énergétique envisagée, la production de biochar pourrait contribuer à répondre à des attentes
agronomiques et environnementales mais aussi, à restructurer l’agriculture dans un territoire fortement
dégradé. Le projet d’arrêté préfectoral interdisant toute commercialisation de denrées alimentaires
humaines ou animales pourrait concerner plus de 700 ha sur le seul site de Metaleurop.
Objectifs et contenu de la thèse
Le projet de thèse s’inscrit dans un programme pluridisciplinaire qui a pour objectif d’étudier l’intérêt du
biochar de miscanthus pour réduire les dangers environnementaux et sanitaires des sols contaminés par
des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP).
Dans un premier volet, il s’agira d’optimiser les conditions de production de biochar par pyrolyse du
miscanthus produit sur des sols agricoles du site atelier Metaleurop. Les facteurs de température, de durée
et de conditions d’oxygénation de la pyrolyse sont des paramètres pouvant influer fortement sur la
structure physique et chimique des biochars (Sohi et al., 2010 ; Ronsse et al., 2013) mais aussi, sur les
concentrations en polluants organiques susceptibles d’être induits par le process industriel (McCormack et
al., 2013). Les paramètres physico-chimiques des biochars obtenus pour les conditions testées seront
caractérisés : rendement, surface spécifique, teneur en cendres, conductivité électrique, porosité, pH,
capacité d’échange cationique, teneurs en éléments métalliques et organiques… Des essais seront réalisés
pour évaluer les effets des biochars sur la germination de graines de plantes modèles, la toxicité, les
potentialités agronomiques des terres amendés. Il s’agira notamment de raisonner les doses
d’amendement.
Le second volet consistera à mettre en place des expérimentations et des cultures de ray grass en milieu
semi-contrôlé. Seront considérés :
- des sols contaminés artificiellement avec des HAP sélectionnés pour être représentatifs de sols de
friches industrielles du territoire métropolitain et des dangers qu’ils présentent ;
- un sol multi-contaminé d’une friche.
Ces sols feront l’objet d’amendements au moyen de biochars de miscanthus. Les questionnements abordés
dans la thèse seront :
- quel sont les effets du biochar de miscanthus sur les paramètres physico-chimiques et agronomiques
des sols ? Avec quelle pérennité ?
- quels sont les effets de la rhizosphère de ray grass sur le comportement des polluants et la
dégradation des HAP ?
- quels sont les effets de ces amendements sur les dangers environnementaux et sanitaires ? Ces
évaluations reposeront sur des tests in vitro.
L’étude de la disponibilité environnementale des polluants sera menée au moyen d’extractions chimiques.
Si pour les éléments métalliques, il existe un consensus quant à l’utilisation d’extractants pour évaluer cette
disponibilité (Novozamsky et al., 1993 ; Dieckmann et al., 1999 ; Pueyo et al., 2004), en revanche, ce n’est
pas le cas pour les HAP. Il sera réalisé une revue des techniques décrites dans la littérature afin de
sélectionner celle(s) répondant au mieux aux attentes. Parallèlement, le ray grass sera utilisé comme
bioindicateur de la phytotoxicité des polluants mais aussi, comme végétal potentiellement utilisable dans le
cadre d’une rhizoremédiation des polluants organiques (Rezek et al. 2008). Il s’agira de caractériser la
phytodisponibilité des HAP et de rechercher l’existence de relations entre les concentrations en polluants
accumulés dans les parties aériennes du modèle étudié et celles mesurées dans les solutions d’extractions
chimiques. Cette démarche, qui sera couplée à une étude de la cinétique de la dégradation des HAP, vise à
contribuer à l’évaluation des dangers environnementaux en lien avec le mode de gestion étudié des sols de
friches industrielles.
L’exposition aux polluants des populations reposera sur l’ingestion de particules de sol qui est considérée
comme la voie majeure de contamination et ce particulièrement, chez les jeunes enfants du fait des
comportements main – bouche (Ruby et al. 1993 ; Paustenbach 2000). Une fois ingérées, les particules de
sol entrent dans le système digestif où plusieurs compartiments aux propriétés différentes (d’un point de
vue anatomique, biochimique et physiologique) agissent sur la dissolution et l’absorption des contaminants
présents dans la matrice sol. La compréhension des mécanismes d’absorption digestive des polluants, ou
biodisponibilité orale, est un élément essentiel lors d’une démarche d’évaluation du risque sanitaire. La
fraction de contaminants pouvant être libérée dans le tractus gastro-intestinal, qui correspond à la
bioaccessibilité orale de ce contaminant, est le paramètre majeur dans l’évaluation de la biodisponibilité
(Paustenbach 2000). L’intégration de la notion de bioaccessibilité orale dans les évaluations du risque
permet de réaliser de façon pertinente la gestion des sites contaminés, car elle permet d’évaluer la fraction
soluble susceptible d’atteindre la circulation sanguine et d’entraîner un effet toxique pour l’organisme.
Depuis plusieurs années, de nombreux travaux portent sur la mise au point et l’évaluation de techniques in
vitro permettant de quantifier la bioaccessibilité orale des polluants inorganiques (Basta and Gradwohl
2000; Hamel et al. 1999; Juhasz et al. 2007; Pelfrêne et al. 2011; Roussel et al. 2010; Ruby et al. 1996; van
de Wiele et al. 2007; Wragg et al. 2011; Yang et al. 2003). Ces modèles de digestion ont pour but de simuler
les processus de digestion dans le tractus gastro-intestinal de façon plus ou moins simplifiée. Pour les
polluants organiques, les tests in vitro sont nettement moins nombreux, très peu sont validés au regard
d’expérimentations in vivo et encore peu utilisés dans le cadre des évaluations de risques. Il s’agit
essentiellement de tests initialement développés pour les polluants métalliques qui ont ensuite été adaptés
aux polluants organiques, à savoir : FOREhST (Fed Organic Estimation human Simulation Test), PBET
(Physiologically Based Extraction Test), ou SHIME (simulator of human microbial ecosystem of infants).
Parmi les polluants organiques les plus étudiés se trouvent les HAP (e.g., Cave et al., 2010 ; Collins et al.,
2013 ; Lorenzi et al., 2012 ; Rostami et al., 2013). Les recherches de l’ESE-LGCgE sur l’évaluation de la
bioacessibilité orale des polluants s’inscrivent dans le cadre d’un groupe de recherche international,
nommé BARGE (the Bioaccessibility Research Group of Europ).
L’étude de la disponibilité environnementale des HAP et des risques sanitaires induits par ceux-ci sera
réalisée à chacune des étapes de la mise en place des dispositifs expérimentaux décrits précédemment.
Les résultats attendus
Les résultats attendus seront de poursuivre la démarche mise en place avec le programme PHYTENER en
proposant une filière de valorisation de la biomasse de miscanthus au travers de la production de biochar.
Les retombées attendues avec la thèse seront :
- d’optimiser les conditions d’obtention du biochar et d’en caractériser ses propriétés physicochimiques,
- d’intégrer les contraintes liées à l’ajout du biochar aux sols dans les réflexions à mener préalablement
à la mise en place des dispositifs expérimentaux,
- d’évaluer en milieu semi contrôlé le comportement des HAP dans le cadre d’un mode de gestion basé
sur le phytomanagement (transfert et accumulation dans les parties aériennes du ray grass,
rhizodégradation),
- de mettre en évidence des indicateurs de risque de toxicité des sols par ingestion vis-à-vis des HAP,
- de contribuer à l’évaluation des dangers pour l’environnement et les populations,
- d’acquérir de nouvelles compétences en région sur l’évaluation de la biodisponibilité orale des HAP
dans les sols,
- de valoriser les résultats obtenus au travers de publications et de la participation à des colloques
nationaux et internationaux.
La recherche s’inscrit dans un programme pluridisciplinaire pour lequel une demande de labellisation sera
déposée au Pôle de compétitivité « Technologies de l’Environnement Appliquées aux Matières et aux
Matériaux » (TEAM²) qui a pour objectif de développer la recherche et les applications industrielles dans le
domaine des écotechnologies, des éco-matériaux, du recyclage et la dépollution des sols et sites. Il s’agira
de développer régionalement les compétences acquises sur l’utilisation du biochar de miscanthus pour
gérer durablement des sols contaminés à des degrés divers. Parmi les techniques de remédiation
susceptibles de répondre aux objectifs fixés, le phytomanagement est présenté comme une alternative
acceptable économiquement et socialement. La thèse est ainsi un élément dans une démarche plus globale
qui est de contribuer à une expertise scientifique et technique sur l’intérêt du phytomanagement appliqué
à une friche industrielle. L’amélioration des connaissances sur le comportement des polluants dans les sols
et leurs fractions disponibles pour la flore, la faune et l’homme devrait permettre de réduire les coûts de
remédiation des friches tout en limitant les dangers.
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