COLOSSAL – COLlOidS control the environmental fate of redox-Sensitive trAce eLements

Le projet de recherche COLOSSAL (pour « COLlOidS control the environmental fate of redox-Sensitive trAce eLements »), porté par Rémi Marsac, est retenu par l’ANR pour un financement à hauteur de 498 K€ (2023-2027). C’est un projet collaboratif entre Géosciences Rennes et l’Institut de Physique du Globe de Paris.

Début : 01/10/2023

Partenariat national

Coordinateurs : Remi Marsac, Mathieu Pédrot

Établissements porteurs :
CNRS, IPGP

Établissements partenaires :
Géosciences Rennes

Équipes liées :
Biogéochimie à l'Anthropocène des éléments et contaminants émergents

Thèmes liés :
Système Terre

Contexte et état de l’art. La prédiction précise du comportement biogéochimique, du transport et du devenir des éléments traces métalliques et métalloïdes (ETM), que ce soient des oligo-éléments ou des éléments toxiques (ex : As, U, Cu, Cr), dans les systèmes naturels est une préoccupation majeure, car ils représentent une grave menace pour l’environnement et la santé. Or, nous ne sommes toujours pas capables de prédire la spéciation des ETM dans l’environnement, c’est-à-dire sous quelle forme chimique ils se trouvent, alors qu’elle contrôle leur mobilité et biodisponibilité ou toxicité. Nous savons pourtant que :

L’état d’oxydation dicte principalement les comportements biogéochimiques des éléments, par exemple : (1) As(III), Cr(VI) et Cu(I) sont beaucoup plus toxiques pour les organismes vivants que As(V), Cr(III) et Cu(II) ; et (2) Les actinides tétravalent (U/Np/Pu(IV)) sont peu solubles et ils sont donc moins mobiles que sous forme plus oxydée.
Les colloïdes sont omniprésents dans l’environnement et sont les principaux vecteurs des ETM en raison de leur petite taille (de 1 nm à 1 µm), leur extrême réactivité vis-à-vis des ETM et de leur stabilité en suspension aqueuse.

Hypothèse. Cependant, l’impact combiné des colloïdes et des conditions redox sur la spéciation des ETM est actuellement omis dans les modèles de spéciation géochimique, ce qui pourrait être la clé pour une compréhension et une modélisation beaucoup plus précise de leur devenir et de leur comportement dans les systèmes environnementaux.

Objectifs. Les objectifs de ce projet sont donc de fournir un cadre de modélisation numérique pour une meilleure compréhension et prédiction du comportement environnemental et du devenir des ETM sensibles aux conditions redox.

Verrous. L’absence d’un modèle conceptuel approprié qui pourrait rendre compte de l’impact du compartiment colloïdal, et son hétérogénéité (ex : Figure 1), sa diversité et sa dynamique, empêchent le développement de modèles numériques précis avec une description cohérente des mécanismes d’adsorption (Figure 1) et aspects cinétiques et thermodynamiques de la spéciation redox des ETM. Il est donc nécessaire de découpler dans les modèles conceptuels et numériques : (1) L’évolution lente du compartiment colloïdal due aux conditions bio/hydro/pédologiques et climatiques, (2) des transformations redox potentiellement très rapides des ETM, catalysés à la surface des colloïdes.

Figure 1. Exemples de différentes nanoparticules constitutives de colloïdes ((a) argiles et (b) oxydes de fer) et certains mécanismes d’interaction possibles avec des ETM. (c) La structure des colloïdes est dynamique comme illustré ici avec un exemple simple : l’impact du Ca²⁺ sur l’agrégation de colloïdes organominéraux.

Méthodologie. L’équipe COLOSSAL, constituée de membres de Géosciences Rennes et de l’Institut de Physique du Globe de Paris, relèvera ces défis en développant trois « workpackages » (WP) interdépendants (Figure 2). Le WP1 déterminera une relation entre la composition/structure des colloïdes et les mécanismes redox des ET à leur surface. Une combinaison de techniques de pointe, notamment de spectroscopie, d’isotopie, de microscopie, de nanométrologie et d’outils analytiques permettra d’étudier les processus, à la fois à l’interface eau-colloïde naturel et dans les solutions aqueuses. Le WP2 étudiera le comportement dynamique des colloïdes sous l’influence de facteurs environnementaux variés (microbiologie, Eh, pH, T, fluctuations ou gradients de salinité, etc…) et les changements concomitants dans la spéciation redox des ET. Des expériences abiotiques/biomimétiques simples, de microbiologie, et d’incubation et de lixiviation de sol/sédiment seront mises en place pour différencier les effets des nombreux processus mis en jeu. Le WP3 développera une nouvelle génération de modèles de complexation de surface, avec une description cohérente des aspects cinétiques et thermodynamiques de la spéciation redox des ET sur des surfaces colloïdales hétérogènes. Le modèle sera testé et validé au moyen des données provenant des sols et des sédiments naturels, collectés dans différentes conditions biogéochimiques et pédoclimatiques. Le nouveau modèle sera développé dans un code de spéciation géochimique populaire, pour une diffusion optimale des résultats aussi bien dans le secteur public que privé.