Thèmes de recherche de l’équipe ACE

Un travail important mené par le groupe porte sur le devenir environnemental des nanoparticules (i.e. particules <100 nm, NPs). Les NP d’origine humaine ont des effets délétères sur la santé, ainsi que sur la qualité de l’environnement et des écosystèmes. Compte tenu de leur réactivité extrêmement élevée et de leur large diffusion, les NP manufacturées et accidentelles sont considérées comme des polluants potentiellement puissants. Leur devenir dans l’environnement est évalué dans l’équipe, en s’intéressant spécifiquement aux processus contrôlant leurs interactions avec les phases naturelles (minérales, organiques).

De nombreux obstacles limitent actuellement la compréhension des effets des NP sur la santé et l’environnement, comme le manque de données sur leur composition chimique ou la variabilité spatiale et temporelle de leurs concentrations en nombre et de leur distribution en taille. De plus, alors qu’une minorité de nano-objets sont des NP manufacturées, de nombreuses autres particules produites par des processus naturels ou anthropiques sont présentes dans les systèmes naturels. Les outils analytiques classiques existants ne sont pas encore capables de distinguer les NP naturelles des NP anthropiques et/ou artificielles, aux faibles concentrations de NP attendues dans les matrices environnementales. Le manque d’outils puissants limite toujours la prévision et la gestion des risques, notamment dans le cas d’enjeux environnementaux et sociétaux (échantillons complexes, etc.). Le développement de nouvelles technologies pour des mesures innovantes est un point clé pour assurer, dans la durée, le suivi des effets des NP sur les consommateurs, les travailleurs et l’environnement.

Pour répondre aux défis de société dans le cadre des changements globaux en cours, nous essayons de débloquer les verrous scientifiques et techniques et de détecter, quantifier et tracer la distribution des nanoparticules d’origine humaine dans les systèmes naturels, par l’utilisation simultanée : i) d’origine des capteurs passifs permettant le captage des NP dans les compartiments air, eau et sol ; ii) une combinaison unique au monde de techniques analytiques innovantes telles que spICPMS et spICP-ToF-MS couplées à des analyses de magnétisme environnemental et des techniques d’analyses microscopiques et géochimiques.

Pour assurer la transition énergétique qui va déplacer la demande en énergie fossile vers celle des métaux indispensables à la production d’énergie verte, il faudra, d’ici 2050, extraire du sous-sol plus de métaux dont de nombreux métaux critiques que ce qui a été extrait et consommé par l’humanité depuis sa création et gérer les déchets liés à cette industrie. Cela ne pourra se faire qu’à condition de maîtriser les risques et impacts environnementaux associés et d’optimiser le cycle de vie de ces éléments en minimisant les sorties du cycle et maximisant le recyclage et la valorisation de divers déchets tout en réduisant la consommation de nos ressources énergétiques.

Dans le cadre de cette thématique, l’aspect innovant consiste à développer des approches biohydrométallurgiques plutôt que les approches pyrométallurgiques et hydrométallurgiques plus classiques, dans le but de limiter les impacts environnementaux (minimisation de la consommation énergétique, des émissions de CO2 et des consommations en eau) et de pouvoir valoriser des déchets présentant des concentrations significatives en métaux critiques technologiques. Cela implique de développer des études minéralogiques et compositionnelles des résidus à valoriser, l’isolement, l’identification et la caractérisation de souches microbiennes capables d’extraire des métaux critiques, d’identifier des méthodes d’extraction douce et sélectives des métaux critiques reposant sur des approches biologiques (utilisation de molécules biologiques complexantes de type sidérophore ou des souches microbiennes adaptées), et de développer des méthodes biologiques de raffinage sélectives et susceptibles de générer des métaux raffinés à haute valeur économique permettant une réutilisation dans les chaînes de valeurs (reposant en particulier sur la production de biominéraux sous forme d’oxydes ou de nanoparticules).

Les nombreux processus affectant la qualité du sol et de l’eau se produisent à l’interface eau-minéraux des produits d’altération tels que les argiles, les oxydes et la matière organique. Dans la zone critique, ces interfaces s’associent aux racines des plantes et aux organismes du sol pour former des structures poreuses et agrégées. Les propriétés de la surface des particules changent par interaction avec l’eau météorique et les solutés, favorisant la formation de minéraux argileux et de divers oxydes et hydroxydes de Fe, Al et Mn, y compris ceux qui altèrent les surfaces minérales primaires.

En raison de leur surface spécifique élevée, ils dominent l’interface solide-eau. Leur charge de surface élevée et leurs groupes fonctionnels de surface réactifs séquestrent efficacement les métaux, les métalloïdes et les nanoparticules. Par exemple, les colloïdes d’oxyhydroxyde de fer sont essentiels pour la séquestration des métaux de transition toxiques. La matière organique stabilisée en surface modifie le comportement interfacial des particules minérales associées, et les associations hétérogènes métal-minéral-organique. Les propriétés de la matière organique naturelle sont fondamentales pour la formation de complexes métal-minéral-organique, mais les structures de ces complexes restent encore à révéler.

La diversité des espèces dissoutes et des surfaces solides ainsi que l’activité catalytique des organismes dans la zone critique offrent une capacité de transport, de rétention (c’est-à-dire de sorption) et de transformation chimique des solutés qui affectent la qualité de l’eau. Les métaux, les métalloïdes et les nanoparticules présentent un intérêt primordial pour la santé de l’homme et des écosystèmes. Pour comprendre les raisons de leurs différents comportements, il faut combiner des études macroscopiques et isotopiques de l’absorption et de la libération des contaminants avec des observations spectroscopiques de l’environnement de liaison des contaminants. Grâce à ces études, nous éluciderons les réactions de complexation, de sorption et de transformation chimique en milieu aqueux qui contrôlent le comportement des polluants dans la zone critique.