Développement d'un module microbiologique dédié à la modélisation hydrobiogéochimique et applications à la mobilité de l'arsenictitre français

Development of a microbiologic module for hydrobiogeochemical modelling and applications on arsenic mobility

• Auteur / Autrice : Marc Parmentier
• Direction : Jan Van der Lee
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie et hydrogéologie quantitatives
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microbiologie prévisionnelle

Arsenic

Mots clés libres

Microbiologie

Arsenic

Résumé

La géochimie est souvent influencée par l'activité biologique. Des logiciels tels que CHESS et HYTEC modélisent la plupart des processus géochimiques et hydrodynamiques et permettent d'analyser, puis de prédire, l'évolution de systèmes complexes comme les anciens sites miniers. L'objectif est d'étendre ces outils à la prise en compte de l'activité bactérienne. Dans CHESS, la méthode de Newton-Raphson, qui calcule la spéciation géochimique à l'équilibre, a été étendue à la modélisation de systèmes réactionnels composés de cinétiques biologiques (lois de Monod, d'inhibition, thermodynamique). Les autres options de cet outil comme le couplage avec le module de transport (HYTEC) ont été maintenues. L'implémentation du code a été vérifiée par la modélisation de quelques cas tirés de la littérature. L'outil a ensuite été utilisé pour la modélisation d'expériences de dissolution réductives biologiques d'hydroxydes de fer (HFO) riches en As, réalisées au BRGM. La mobilisation non congruente de Fe et As est expliquée par la sorption sur l'HFO et par les réductions biologiques de Fe et As. L'ancien site minier de Carnoulès (Gard, France) a été étudié lors d'expériences, réalisées à l'université de Montpellier, qui retracent l'évolution géochimique de l'eau acide de drainage minier. Leur modélisation prend en compte les oxydations aérobies biologiques de Fe et As et la précipitation d'une phase amorphe de FeIII et d'AsV. Les expériences ont permis de fixer les paramètres thermodynamiques et cinétiques utilisés pour la modélisation à l'échelle du terrain. Au delà de l'étude de l'interface eau-minéral, l'extension des outils CHESS et HYTEC va permettre d'étendre considérablement le champs de leurs applications.

The geochemistry of natural system as old mine site is influenced by biological activity. Only informatics tools taking into account geochemistry, hydrodynamics and microbiology will be able to analyse, and then predict, this complex system evolution. For about ten years numerical tools, as CHESS and HYTEC, are able to take into account most of the geochemical and hydrodynamical processes present in soil. The goal of this work is to extend this tools to the microbiologic activity. CHESS calculate the geochemical equilibrium speciation using a modified Newton-Raphson process. The same method is extended to the calculation of reactions mechanisms containing biological kinetics. Most of the biological kinetic laws can now be used : Monod law, inhibition law and thermodynamical law. Moreover others options of this tools, like coupling with transport process (HYTEC), are maintained. The implementation of this code is first verified by the modelling of several cases from literature. The code is then used for the calculation of experimental study realized at the BRGM, involving a bacterial consortium responsible of a reductive dissolution of an hydrous ferric oxyde (HFO) enriched by arsenic. The non congruent mobilisation of Fe and As is explained by sorption on HFO and activity of two bacterial metabolism which degrades organic matter and reduced Fe and As. The old site mine of Carnoules (Gard, French) is studied. The experiments, realized at the university of Montpellier, permitted to study the natural biogeochemical evolution of acid mine drainage. The calculation take into account the biologic aerobic oxidation of Fe and As and the precipitation of amorphous Fe-As gel. The kinetic and thermodynamic parameter are the used on a modelling at the field scale. These applications prove the interest of the computational tools in understanding water-mineral interface, in which precipitation-dissolution can be controlled by bacterial population. Moreover, CHESS and HYTEC extension permitted to considerably extend the fields of applications.