Distribution et mobilité de l'arsenic dans les sols : effets de cycles redox successifs

par Christopher Parsons

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Laurent Charlet et de Gabriela Roman-Ross.

Soutenue le 19-10-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Eric Pili.

Le jury était composé de Laurent Charlet, Gabriela Roman-Ross, Jakob Verbeek, Patrick Smyl, Claude Nava, Luca Perniola.

Les rapporteurs étaient David Polya, Antonio Torralba, Marianna Bosch.


  • Résumé

    L'arsenic est un metalloïde toxique et cancérigène. Ubiquiste dans la pedosphere, il est très sensibleaux fluctuations des conditions redox du sol, ce qui influe significativement sa toxicité et mobilité. Nousétudions le cycle biogéochimique global de l'arsenic, en tenant compte de l'usage croissant des ressources, etpassons en revue l'importance respective de l’arsenic geogénique et anthropogénique dans l’environnement.La contamination à l’arsenic est souvent diffuse dans les bassins sédimentaires de l'Europe. Cependant, desconcentrations dans l'eau interstitielle du sol peuvent être élevées lors de périodes de saturation du solcausées par la monté des eaux souterraines ou les inondations, prévues d'augmenter dû aux changementsclimatiques. La spectrométrie de fluorescence X quantitative et sans standard a été utilisée pour analyserl'arsenic dans des sols relativement contaminés de la plaine alluviale de la Saône au moyen de protocoles depréparation d'échantillons conçus pour optimiser la précision d'analyse et l'exactitude in situ aux bassesconcentrations d'arsenic. L'arsenic dans ces sols est associe aux (hydr)oxydes du fer et de manganèse de lataille d'argile colloïdale. Ceux-ci subissent une dissolution réductrice par les microorganismes lors desinondations, libérant une importante concentration d'arsenic dans la phase aqueuse. Si, par la suite, l'arsenicdégagé n'est pas éliminé avec l'eau de crue évacuée, il est ré-immobilisé pendant l'oxydation du sol et lareprécipitation des oxydes métalliques. Grâce à une combinaison novatrice d'analyses chimiques par voiehumide, d’écologie microbienne, de spectroscopie ainsi que de modélisation thermodynamique et cinétique,nous démontrons que les cycles d'oxydo-réduction séquentiels entraînent une atténuation d'arsenic aqueuxdans des conditions réductrices dû à la coprécipitation croissante, et a une diminution de l'activitémicrobienne causée par l’appauvrissement en matière organique labile. Des processus d'atténuationsimilaires sont observés en l'absence d'activité microbienne pour Cr et As dans des argiles pyriteuses lorsquecelles-ci sont exposés aux oscillations redox provoquées par l'ajout de substances humiques réduites. Ainsi,nous montrons que les effets cumulatifs de cycles redox successifs sont extrêmement importants pour lamobilité de divers contaminants dans l'environnement.

  • Titre traduit

    Distribution and mobility of arsenic in soils and sediments : the effects of redox cycling


  • Résumé

    Arsenic is a toxic and carcinogenic metalloid, ubiquitous in the pedosphere and highly sensitive tofluctuations in soil redox conditions which dramatically influence both its toxicity and mobility. We reviewthe global biogeochemical cycle of arsenic in light of increasing resource usage and re-evaluate theimportance of anthropogenic and geogenic arsenic inputs to the exogenic cycle. Arsenic contamination isoften diffuse in European sedimentary basins. Despite this, concentrations in soil pore-water may be highduring periods of soil saturation caused by rising groundwater or surface flooding which is predicted toincrease due to climatic change. Standardless quantitative X-ray fluorescence spectrometry is used toanalyse for arsenic in moderately contaminated soils on the alluvial plain of the Saône River with samplepreparation protocols designed to optimize analytical precision and accuracy in-situ at trace arsenicconcentrations. Arsenic in these soils is shown to be associated with colloidal and clay sized iron andmanganese (hydr)oxides which undergo microbially mediated reductive dissolution during flooding, releasingsubstantial arsenic to the aqueous phase. If released arsenic is not subsequently removed with recedingflood water it is re-immobilized during soil oxidation and re-precipitation of metal oxides. We demonstratethrough a novel combination of wet chemistry, microbial ecology, spectroscopy and thermodynamic andkinetic modelling that sequential reduction-oxidation cycles result in aqueous arsenic attenuation duringreducing conditions due to increased co-precipitation and decreases in microbial activity due to depletion oflabile organic matter. Similar attenuation processes are observed in the absence of microbial activity for Crand As in pyrite-bearing clays when subjected to redox oscillations induced by addition of reduced humicsubstances. We demonstrate that the cumulative effects of successive redox cycling are therefore of greatimportance to contaminant mobility in a variety of environments.


  • Résumé

    El arsénico es un metaloide tóxico y cancerígeno, ubicuo en la pedosfera y altamente sensible a lasfluctuaciones de las condiciones redox del suelo, las cuales controlan tanto su toxicidad como su movilidad.La presente tesis doctoral tiene como objeto de estudio el ciclo biogeoquímico global del arsénico y examinala importancia de los aportes del arsénico antropogénicos y geogénicos al ciclo exógeno tomando en cuentael uso creciente de recursos.La contaminación con arsénico es generalmente difusa en las cuencas sedimentarias europeas. No obstante,las concentraciones en las aguas intersticiales del suelo pueden ser elevadas durante los periodos desaturación causados por el aumento de aguas subterráneas o inundaciones, cuyo incremento se prevédebido a los cambios climáticos. La espectrometría de fluorescencia de Rayos-X cuantitativa y sin estándar esutilizada para analizar el arsénico en suelos relativamente contaminados en la llanura aluvial del río Saône,mediante protocolos de preparación de muestras diseñados para mejorar la precisión analítica y la exactitudin-situ a bajas concentraciones de arsénico. La presencia de arsénico en estos suelos demuestra estarasociada a los (hidr)óxidos de hierro y de manganeso de tamaño de arcilla coloidal, los cuales experimentanuna disolución reductora por acción microbiana durante las inundaciones, liberando así una importanteconcentración de arsénico en la fase acuosa. Si, posteriormente, el arsénico despedido no se elimina con elagua saliente, éste se vuelve a inmovilizar durante la oxidación del suelo y la re-precipitación de óxidosmetálicos. Gracias a una combinación innovadora de análisis químicos por vía húmeda, ecología microbiana,espectroscopia, así como modelado termodinámico y cinético, demostramos que los ciclos de oxidoreducciónsecuenciales provocan una atenuación de arsénico acuoso durante condiciones de reduccióndebido al aumento de coprecipitacion y disminución de la actividad microbiana causada por el agotamientode materia orgánica lábil. Se observan procesos de atenuación similares en caso de ausencia de actividadmicrobiana para Cr y As en arcillas piritas cuando son sometidos a oscilaciones de redox inducidas mediantela adición de sustancias húmicas reducidas. Es así como demostramos que los efectos acumulativos de ciclossucesivos de redox son muy importantes para la movilidad contaminante en una variedad de ambientes.


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