Impact des éléments trace métalliques sur le milieu et apport de la cytométrie en flux dans l'étude

339 Pages·2017·6.62 MB·French

by  Ahamed Shaker

"Impact des éléments trace métalliques sur le milieu et
apport de la cytométrie en flux dans l'étude du
fonctionnement des lagunes de la décharge d'Étueffont
(territoire de Belfort, France)"

THÈSE DE DOCTORAT
Présentée à l’UFR des sciences et Techniques pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ BOURGOGNE FRANCHE-COMTÉ
(UBFC)

Discipline : Sciences de l’environnement
Spécialité : Écotechnologies
PAR
Al ashoor Ahmed SHAKER
"Impact des éléments trace métalliques sur le milieu et
apport de la cytométrie en flux dans l'étude du
fonctionnement des lagunes de la décharge d'Étueffont
(territoire de Belfort, France)"

THÈSE DE DOCTORAT
Présentée à l’UFR des sciences et Techniques pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ BOURGOGNE FRANCHE-COMTÉ
(UBFC)
Discipline : Sciences de l’environnement
Spécialité : Écotechnologies
PAR
Al ashoor Ahmed SHAKER
Soutenue à Besançon (25) le : Décembre 2016

Membres du Jury:
Michel DENIS (Directeur de Recherche CNRS, Université de la méditerranée II) Rapporteur
AHMED MUHSEN Athbi (Professeur, Université de Basrah, IRAK) Rapporteur et Président du jury
Lotfi ALEYA (Professeur, Université de Bourgogne Franche-Comté) Directeur de thèse
Jean-Louis DUCREUX (Directeur de l’Atelier d’Écologie Urbaine, Paris) Examinateur
Nicolas CAPELLI (Maître de conférences HDR, Université de Bourgogne Franche-Comté) Examinateur
Hervé GRISEY (Docteur, Directeur technique hydrogeotechnique) Examinateur
Alexia LAVALLÉE (Directrice du SICTOM du Pays-sous-vosgien, Étueffont) Invitée
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier le ministère de l'éducation nationale, de l’enseignement
supérieur et de la recherche en France et le ministère de la recherche scientifique en Irak.
Cette thèse a été effectuée au sein du laboratoire Chrono-Environnement. Je remercie Daniel
Gilbert, directeur du laboratoire de m’avoir accueilli et permis d’effectuer cette étude dans les
meilleures conditions. J’aimerais associer à ces remerciements tout le personnel administratif
et technique de cette institution pour leur aide et leur gentillesse.
J’adresse mes vifs remerciements à mon encadrant de thèse Lotfi Aleya Professeur à
l’Université de Franche-Comté (France) qui a participé activement au bon déroulement de
cette thèse. Merci pour tous tes précieux conseils scientifiques, tes relectures, nos nombreuses
discussions dans ton bureau, et ton aide tant dans la conception des essais que dans
l'interprétation des résultats
Mes remerciements s’adressent aux membres du Jury pour avoir accordé de leur temps à la
lecture, à la critique et à l'amélioration de mon travail. Je tiens à exprimer toute ma gratitude à
Michel Denis (Directeur de recherche émérite du CNRS de l’Institut Méditerranéen
d’Océanologie de l’Université d’Aix Marseille (France) pour l'honneur qu'il m'a fait de
présider mon jury, ainsi qu'à Hervé Grisey Docteur, directeur technique Hydrogéotechnique et
membre du SICTOM (France) pour avoir accepté de relire ce manuscrit en tant
qu’examinateur), Je remercie également Monsieur Nicolas Capelli (Maître de Conférences à
l’Université de Franche-Comté (France)), le docteur Jean-Louis Ducreux, Directeur de
l’Atelier d’Écologie Urbaine de Paris) et Monsieur Ahmed Athbi, Professeur à l’Université de
Basrah (Irak) d'avoir accepté de rapporter et d’examiner ce travail et pour avoir apposé leurs
regards d'experts sur mes travaux.
Je souhaiterais adresser mes remerciements à Frédéric Gimbert, Maître de Conférences au
laboratoire Chrono-Environnement pour sa grande collaboration lors de la rédaction de
l’article sur Chironomus riparius et de nouveau merci à Lotfi Aleya pour son aide précieuse
dans la rédaction des autres articles.
Un grand merci à Xavier Laffray pour son co-encadrement pour la partie traitant des aspects
« Végétaux et échanges gazeux » de ce travail. Malgré l'éloignement, il m’a apporté au cours
de ces années tous les éléments nécessaires à l’aboutissement de ce travail. Merci d’avoir
assuré toute la partie technique des expérimentations avec le Ciras2 sur la lagune
d’Etueffont, ainsi qu’au laboratoire et d’avoir toujours pris de son temps pour m’aider et
répondre à mes questions.
Je remercie plus particulièrement Alexia Lavallée (Directrice technique du SICTOM) et ainsi
que les personnes de l’Atelier d’Ecologie Urbaine (Nelly Duranton et Gilles Gallinet) pour les
prélèvements sur le terrain et leur disponibilité.
Je voudrais également sincèrement remercier aux personnels du laboratoire QUALIO pour
l’analyse dirigé par Bernard BOTELLA.
Je remercie également tous mes amis doctorants, post-doctorants : Javier, Lisa, Ahmed,
Stéphanie, Thiebaut ainsi que tous mes amis doctorants Irakiens à Besançon, qui m’ont
soutenu et ont porté un grand intérêt concernant mes travaux.
Je remercie également mon père, mes frères et mes sœurs pour leur soutien moral durant ces
quatre années d’absence.
Enfin, un grand MERCI à ma femme et mes enfants pour leur patience et leur soutien pendant
la période de thèse.

ALASHOOR AHMED
Décembre 2016
Table des matières
Chapitre 1 Introduction générale

Introduction ........................................................................................................................................... 1
1.1 Aspects juridiques de la gestion des déchets dans l'Union Européenne ..................................... 3
1.2 Législation en Europe sur la mise en décharge ................................................................................ 4
1.3 Génération des lixiviats ................................................................................................................... 5
1.4 Les gaz des décharges d’ordures ménagères ................................................................................. 6
a. Génération de gaz ............................................................................................................................ 6
b. La quantité et la qualité de la mise en décharge .............................................................................. 8
1.5 Décharge des déchets pollution et contrôle .................................................................................. 8
1.6 Les processus physiques, chimiques et biologiques dans la décharge......................................... 9
1.6.1 Processus physico-chimiques ..................................................................................................... 9
1.6.2 Processus biochimique ............................................................................................................. 11
1.7 Organisation du manuscrit ........................................................................................................... 13

Chapitre 2 Site d’étude : la décharge d’Étueffont
Introduction générale .......................................................................................................................... 15
2.1 Site d'étude ..................................................................................................................................... 16
2.2 La plate forme déchetterie - quai de transfert (PDQT). ............................................................ 18
2.3 Géologie et hydrogéologie du site. ................................................................................................ 19
2.3.1 Contexte géologique. ................................................................................................................ 19
2.3.2 Contexte hydrogéologique. ...................................................................................................... 20
2.4 Structure et état du site et de ses composantes ........................................................................... 23
2.4.1 Modelage .................................................................................................................................. 23
2.4.2 Recouvrement ........................................................................................................................... 23
2.4.3 Merlons ..................................................................................................................................... 24
2.5 Système de gestion des ruissellements de surface ....................................................................... 28
2.5.1 Système de gestion des lixiviats ........................................................................................ 28
2.5.2 Suivi de l’impact hydrogéologique local. ................................................................................ 29
2.5.3 Localisation et géo-référencement de tous les points de prélèvement ..................................... 33
2.5.3.1 Géo- référencement ........................................................................................................... 33
Chapitre 3 Évaluation et composition des lixiviats dans les lagunes

3.1 Introduction ................................................................................................................................... 35
3.2 Matériels et méthodes .................................................................................................................. 36
3.2.1 Suivi du système de gestion des lixiviats ................................................................................. 36
3.2.2 Procédure d’échantillonnage des lixiviats ................................................................................ 36
3.3 Suivi de l’impact hydrologique local. ........................................................................................... 38
3.3.1 Prélèvement de deux échantillons d’eau (Figure 3.3) .............................................................. 38
3.3.2 Stratégie d’échantillonnage des lixiviats bruts ......................................................................... 39
3.4 Mesure des paramètres ................................................................................................................. 39
3.4.1 Mesures in situ .......................................................................................................................... 39
3.4.2 Mesures en laboratoire ............................................................................................................. 39
3.4.2.1 Matière organique .............................................................................................................. 39
3.4.2.2 Ions majeurs ...................................................................................................................... 40
3.4.2.3 Eléments-traces.................................................................................................................. 41
3.5 Résultats ......................................................................................................................................... 42
3.5.1 Surveillance hydrologique ........................................................................................................ 42
3.5.2 Système de gestion des ruissellements de surface .................................................................... 42
3.5.3 Système de gestion des lixiviats ............................................................................................... 42
3.5.4 Étude des paramètres physiques ........................................................................................... 44
3.5.5 Étude de paramètres chimiques ............................................................................................ 47
3.6 Discussion ...................................................................................................................................... 64
3.6.1 Lixiviats .................................................................................................................................... 64
3.6.2 Métaux dans les lagunes ......................................................................................................... 69
Conclusion ............................................................................................................................................ 72

Chapitre 4 Contamination métallique des sédiments du site de la décharge d’Étueffont
4.1 Introduction ................................................................................................................................... 75
4.2 Matériels et méthodes ................................................................................................................... 76
4.2.1 Suivi du système de gestion des boues ..................................................................................... 76
4.2.2 Procédure d’échantillonnage du sédiment ............................................................................ 76
4.2.3 Préparation et analyse des échantillons ................................................................................ 78
4.3 Résultats ......................................................................................................................................... 79
4.4 Discussion ..................................................................................................................................... 100
Conclusion .......................................................................................................................................... 104

Chapitre 5 Impact du panache de lixiviats sur la qualité de l’eau souterraine

5.1 Introduction ................................................................................................................................. 106
5.2 Matériels et méthodes ................................................................................................................. 107
5.2.1 Stratégie d’échantillonnage .................................................................................................... 107
5.2.2 Définition du programme de suivi post-exploitation .............................................................. 107
5.2.3 Points d’échantillonnage initiaux .......................................................................................... 107
5.2.3.1 Eau souterraine ................................................................................................................ 107
5.2.3.2 Points d’échantillonnage complémentaires ..................................................................... 108
5.2.4 Programme analytique ............................................................................................................ 109
5.3 Résultats ....................................................................................................................................... 110
5.3.1 Étude des paramètres physique (Tableau 5.1) ....................................................................... 110
5.3.2 L’eau souterraine contaminée ................................................................................................. 111
5.3.3 Paramètres chimiques dans les piézomètres .......................................................................... 115
5.3.4 Les espèces ’ioniques ........................................................................................................... 117
5.3.5 Les métaux ............................................................................................................................. 122
5.4 Discussion ..................................................................................................................................... 130
Conclusion .......................................................................................................................................... 136

Chapitre 6 Les effets des métaux lourds sur les échanges gazeux et la fluorescence des
chlorophylles dans (Typha latifolia)

6.1 Introduction ................................................................................................................................. 139
6.2 Matériels et Méthodes ................................................................................................................. 139
6.2.1 Analyse des métaux lourds et métalloïdes .............................................................................. 139
6.2.1.1 Echantillonnage du sédiment et des macrophytes ........................................................... 139
6.2.1.2. Préparation des échantillons de macrophytes ................................................................. 139
6.2.1.3. Préparation des échantillons de sédiments ..................................................................... 140
6.2.1.4. Analyse des échantillons ................................................................................................ 140
6.2.1.5. Détermination des paramètres de phytoremédiation ...................................................... 141
6.2.1.2. Analyses physiologiques ................................................................................................ 141
6.3 Résultats ....................................................................................................................................... 151
6.3.1 Analyse des métaux lourds et métalloïdes .............................................................................. 151
6.3.1.1 Contaminations potentielles du sédiment par les métaux lourds ..................................... 151
6.3.1.2. Stockage des métaux et métalloïdes dans les macrophytes et relations avec le sédiment
..................................................................................................................................................... 153
6.3.2 Mesures physiologiques ....................................................................................................... 159
6.3.2.1. Paramètres de croissance des plants ............................................................................... 159
6.3.2.2. Analyse des pigments ................................................................................................... 161
6.4 Discussion ..................................................................................................................................... 166
6.4.1 Analyse des sédiments ............................................................................................................ 166
6.5.2 Stockage des métaux lourds et métalloïdes dans les parties souterraines .............................. 167
6.4.3 Stockage dans les parties aériennes (EC_AG et TLF) ........................................................... 170
6.4.4 Effets des métaux lourds et métalloïdes sur les paramètres morphologiques ........................ 173
6.4.5 Effets des métaux lourds et métalloïdes sur la photosynthèse ................................................ 174
Conclusions ........................................................................................................................................ 176

Chapitre 7 Etude des microorganismes de la décharge d’Etueffont : apport de la
cytométrie de flux

7.1 Introduction ................................................................................................................................. 178
7.2 Matériel & méthodes ................................................................................................................... 180
7.2.1 Etude des paramètres biotiques .......................................................................................... 180
7.2.1.1 Prélèvement et conservation des échantillons d’eau des lagunes .................................... 180
7.2.1.2 Détermination et comptage du microphytoplancton et des ciliés .................................... 181
7.2.1.3 Identification des procaryotes hétérotrophes et des populations
ultraphytoplanctoniques par cytométrie en flux .................................................................... 182
7.2.1.4. Concentration des populations de procaryotes hétérotrophes et
ultraphytoplanctoniques ........................................................................................................... 183
7.2.2.4 Principe du fonctionnement du cytomètre en flux ..................................................... 184
7.2.1.5 Les assemblages des procaryotes hétérotrophes ......................................................... 186
7.2.1.6 Les assemblages autotrophes ........................................................................................ 186
7.2.1.7 Acquisition et traitement des données cytomètriques ............................................... 186
7.3 Résultats ....................................................................................................................................... 190
7.3.1 Les conditions environnementales (tableau 7.1) .................................................................... 190
7.3.2 Procaryotes hétérotrophes ...................................................................................................... 191
7.3.3 Ultraphytoplancton .............................................................................................................. 193
7.4 Discussion ..................................................................................................................................... 209
Conclusion .......................................................................................................................................... 211

Chapitre 8 Étude de la bioaccumulation des éléments traces métalliques dans le
Chironome (Chironomus riparius)

8.1 Introduction ................................................................................................................................. 213
8.2 Matériels & méthodes ................................................................................................................. 215
8.2.1 Matériel biologique ............................................................................................................... 215
8.2.2 Dispositifs d’exposition ......................................................................................................... 218
8.2.3 Fractionnement des larves ...................................................................................................... 219
8.2.4 Analyses chimiques ............................................................................................................... 219
8.2.5 Statistiques............................................................................................................................. 220
8.3 Résultats ...................................................................................................................................... 221
8.4 Discussion ..................................................................................................................................... 231
8.4.1 Contaminations environnementales ........................................................................................ 231
8.4.1.1 Eau ................................................................................................................................... 231
8.4.1.2 Sédiments ........................................................................................................................ 232
8.4.1.3 MES ................................................................................................................................. 234
8.4.2 Biodisponibilité / bioaccumulation......................................................................................... 235
8.4.3 Fractionnement et potentiel toxique des ETM ....................................................................... 240
Conclusion .......................................................................................................................................... 244

Chapitre 9 Étude de la bioaccumulation des éléments traces métalliques dans les
différents tissus du gardon (Rutilus rutilus)

9.1 Introduction ................................................................................................................................. 246
9.2 Présentation du gardon Rutilus rutilus (Linnaeus 1758) .......................................................... 248
9.2.1 Systématique .......................................................................................................................... 248
9.2.2 Morphologie et anatomie (Figure 9.1) .................................................................................... 249
9.3 Noms vernaculaires ................................................................................................................ 250
9.4 Distribution globale ................................................................................................................. 250
9.5 Risques sanitaires, toxicologiques et écotoxicologiques ....................................................... 251
8.6 Matériels et méthodes ............................................................................................................. 252
9.6.1 Technique de dissection ..................................................................................................... 252
9.6.2 Analyse des éléments traces métalliques ................................................................................ 253
9.6.3 Le Facteur de Transfert (TF) .................................................................................................. 254
9.7 Résultats et discussion ................................................................................................................. 254
9.7.1 Comparaison des valeurs en ETMs au niveau du muscle du gardon de la présente étude
par rapport aux valeurs trouvées dans la littérature ................................................................. 258
9.7.2 Le Facteur de Transfert (FT) ................................................................................................. 258
Conclusions ........................................................................................................................................ 261