Mobilité de l'Arsenic (As) et l'antimoine (Sb) d'origine géogénique dans un sol hydromorphe d'une zone humide agricole

Mobility of geogenic arsenic (As) and antimony (Sb) in a hydromorphic soil of an agricultural wetland

• Auteur / Autrice : Asmaa Rouwane
• Direction : Gilles Guibaud, Marion Rabiet, Malgorzata Grybos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'eau et de l'environnement
• Date : Soutenance le 13/12/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'environnement Gay Lussac (La Rochelle ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupement de Recherche Eau, Sol, Environnement
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Guillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Rabiet, Malgorzata Grybos, Véronique Deluchat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Van Hullebusch, Corinne Casiot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antimoine

Arsenic

Mots clés libres

Arsenic

Mobilité

Réduction

Sol hydromorphe

Zone humide

Antimoine

Arsenic

Mobility

Reduction

Hydromorphic soil

Wetland

Antimony

Résumé

Nous avons identifié le rôle de la distribution solide et l’implication de facteurs (potentiel d’oxydoréduction, anions compétiteurs, activité biologique, matière organique (MO)) dans la mobilité de l’arsenic (As) et l’antimoine (Sb) dans un sol de zone humide (ZH) agricole. Pour cela, nous avons effectué i) un suivi de la physico–chimie de l’eau interstitielle de la ZH et ii) des incubations en batch du sol de surface de la ZH (0–20/30 cm). En parallèle, nous avons déterminé la distribution solide de As et Sb sur le sol de la ZH à différentes profondeurs (0–130 cm). Nous avons démontré que As est accumulé à la surface du sol avec une association préférentielle avec les oxyhydroxydes de Fe/Mn « amorphes » (59% de As total) en présence de taux élevés de MO. En conditions réductrices, As est fortement solubilisé (jusqu’à 20% de la teneur en As total) contrairement aux conditions oxydantes ce qui est associé i) à la dissolution des oxyhydroxydes de Fe/Mn catalysée par l’activité microbienne et ii) au changement de la spéciation inorganique de As sous forme de As(III) (espèce plus mobile que As(V)). Pour ce qui est de Sb, il est accumulé à la surface du sol avec i) une distribution plus étendues avec les phases solides (27% et 15% dans les oxyhydroxydes de Fe/Mn « amorphes » et « cristallins », 21% dans la MO et 32% dans la fraction résiduelle) et ii) une affinité directe pour la MO contrairement à As. La mobilisation de Sb est favorisée en conditions oxydantes (jusqu'à 5 μg.L–1) en présence de MO dissoute dans l’eau interstitielle et est limitée en conditions réductrices (<3%) (0,2 μg.L–1 dans l’eau interstitielle et 1,5 μg.L–1 dans les batch). Cette mobilité en conditions réductrices est attribuée i) à la dissolution réductrice des oxyhydroxydes de Fe/ Mn catalysée par l’activité microbienne réductrice du sol et ii) au possible changement d’état d’oxydation de Sb sous forme de Sb(III) (espèce moins mobile que Sb(V)). En conditions réductrices, l’apport de 50 mg.L–1 de nitrates et de 20 mg.L–1 de phosphates au sol a engendré une mobilisation plus importante de As et Sb (d’un facteur 2,3 et 1,6, respectivement) qui est attribuée à une possible amplification de la respiration microbienne du sol causant une production plus importante en ions hydrogénocarbonates qui en plus des ions phosphates favoriserait la mobilisation de As et Sb par des effets de compétition.

In this study, we evaluated the effect of i) solid-phase distribution and ii) biophysico–chemical factors (redox potential (Eh), competing anions, microbial activity, organic matter (OM)) on the mobility of arsenic (As) and antimony (Sb) in an agricultural wetland soil. For that, we first performed a physico–chemical monitoring of wetland porewater (field scale) then we conducted controlled batch incubations of the wetland soil (0–20/30 cm) (batch scale). The solid–phase distribution of As and Sb in wetland soil was also performed at different soil depths (0–130 cm). We showed that the highest As content was found in the upper soil layers (0–40 cm) with a preferential association to “amorphous” oxyhydroxydes (59% of total As) in presence of high levels of OM. Under reducing conditions, As was highly solubilized at both field and batch scale (up to 20% of the total As content) which was induced by i) the dissolution of Fe/Mn oxyhydroxides enhanced by soil microbial activity and ii) As(V) reduction into As(III) (very mobile specie). On the other hand, Sb mobilization was enhanced under oxidizing conditions at field scale (up to 5 μg.L–1) with the concomitant occurrence of dissolved OM (up to 93 mg.L–1) and was rather limited under reducing conditions (<3% of the total Sb content; 0.2 μg.L–1 at field scale and up to 1.5 μg.L–1 at batch scale). The mobility behavior of Sb was attributed to i) the dissolution of Fe/Mn oxyhydroxides catalyzed by microbial activity, ii) the possible occurrence of Sb in its less mobile form (Sb(III)) under reducing conditions and iii) probable DOM–induced mobilization under oxidizing conditions. Under reducing conditions, the addition of nitrate (50 mg.L–1) and phosphate (20 mg.L–1) to wetland soil, enhanced As and Sb mobilization by factors of 2.3 and 1.6 which was suggested to be caused by the combined competing effect of phosphate and hydrogenocarbonate ions; the latter one resulting from a possible enhanced microbial activity.