Assessment of the mobility of heavy metals (Pb, Zn, Cd) and metalloids (Sb, As) in carbonated soils contaminated by mining waste
Etude de la mobilité des métaux (Pb, Zn, Cd) et des métalloïdes (As, Sb) dans les sols carbonatés contaminés par les rejets miniers
Résumé
This thesis provides answers on the ecodynamics and phytoavailability of potentially toxic elements (PTE) in agricultural soils heavily contaminated by mining waste developed on a carbonated bedrock of northern Tunisia (Jebel Ressas (JRS), Jebel Hallouf (JH1) and Sidi Bouaoune (SB) in a semi-arid climate.The main contaminants in question are Zn, Pb, Cd, As and Sb which can respectively reach 185037 mg.kg-1 at JRS, 28,000 mg.kg-1 at (JH1), 1021 mg.kg-1 at JRS, 1,355 mg.kg-1 and 338 mg.kg-1 at (JH1).These soils are essentially made up of clays (kaolinite, illite, and montmorillonite), carbonates (calcite, dolomite, and hydrozincite), silicates (quartz and hemimorphite), and sulfates (barite and anglesite).The rhizospheric effect on the mobility of PTE has been investigated using kinetic test with a mixture of low molecular weight organic acids. The results showed an increase in the pH of the solution (initial pH 2.8) up to near neutrality, leading to the dissolution of carbonates. Our results suggest that the most extractable elements are Cd and Zn and to a lesser extent Pb. an extraction percentage not exceeding 1% for Sb and 0.1% for As, respectively, was observed. for metalloids (As and Sb) their extractibility was relatively low with the exception of the soils of Jebel Hallouf and Sidi Bouaouane, with an extraction percentage not exceeding 1% for Sb and 0.1% for As, respectively.For the determination of the forms of the PTE in soils, two methods of sequential extractions were applied (BCR and Maiz). Jointly, the total dissolved concentration in pore waters, the labile fraction (DGT probes) and the absorption by plants (barley and peas) were measured in order to study the speciation, mobility and phytoavailability of two sites post-mining (Jebel Hallouf - Sidi Bouaouane and Jebel Ressas).Our résultats showed that the PTE in the mobile and mobilisable fraction(Maiz scheme) of the soils are low compared to their total concentrations. The BCR scheme revealed that most of the PTE are bound to the residual fraction with the exception of Zn at JRS which is much more concentrated in the exchangeable fraction. An exception was also observed for Pb in JH(1) and JH(2) soils where it was distributed evenly in the exchangeable, oxidizable and residual fractions, the percentage of which varies between 23 % and 32 %.The response of plants to these contaminants shows that peas and barley have accumulated TPE levels exceeding the levels absorbed by plants in control soils.Total dissolved concentrations soil power water as well as concentrations measured by DGT are not correlated with primary plant leaf content. This result is explained by the fact that the concentrations of PTE accumulated in the plants are higher than those available in the power waters and that the replenishment of the solid phase is practically negligible.The risk of transfer of PTE to water was studied by percolation in saturated conditions in soil columns reproducing the surface profile. A progressive decrease in the redox potential related to the concentration of organic carbon in the soil induced an increase in the mobility of arsenic probably related to the microbial reduction of iron oxides.
Cette thèse porte sur plusieurs réponses sur l'écodynamisme et la phytodisponibilité des éléments potentiellement toxiques (EPT) dans des sols agricoles fortement contaminés par des rejets miniers développés sur un substrat carbonatés de la Tunisie septentrionale (Jebel Ressas (JRS), Jebel Hallouf (JH1) et Sidi Bouaoune (SB) dans un climat semi-aride. Les principaux contaminants en cause sont Zn, Pb, Cd, As et Sb pouvant atteindre respectivement 185037 mg.kg-1 à JRS, 28 000 mg.kg-1 à (JH1), 1021 mg.kg-1 à JRS, 1 355 mg.kg-1 et 338 mg.kg-1 à (JH1).Ces sols sont essentiellement formés d'argiles (kaolinite, illite, et montmorillonite), de carbonates (calcite, dolomite et hydrozincite), de silicates (quartz et hémimorphite), et de sulfates (barytine et anglésite). L'effet rhizosphérique sur la mobilité des EPT a été étudié par un test cinétique avec des acides à faible poids moléculaire (LMWAOs). Les résultats ont montré une augmentation du pH de la solution initiale (2,8) jusqu'à des valeurs proches de la neutralité, résultant de la dissolution des carbonates. Nos résultats suggèrent que les éléments les plus extractibles sont le Cd et le Zn et dans une moindre mesure le Pb. La mobilité des métalloïdes (As et Sb), était relativement faible à l'exception des sols de Jebel Hallouf et Sidi Bouaouane, ou un pourcentage d'extraction ne dépassant pas 1% pour Sb et 0,1% pour As, respectivement a été observé.Pour la détermination des formes des EPT dans les sols, deux méthodes d'extractions séquentielles ont été appliquées (BCR et Maiz). En parallèle, la concentration totale dissoute dans les eaux porales, la fraction labile (sondes DGT) et l'absorption par les plantes (orge et petit pois) ont été déterminées afin d'étudier la spéciation, la mobilité et la phytodisponibilité de sols agricoles autour de deux sites post-minier (Jebel Hallouf - Sidi Bouaouane et Jebel Ressas). Nos résultats ont montré que les fractions mobile et mobilisable (schéma de Maiz) des sols sont faibles par rapport à leurs concentrations totales. Le schéma de BCR a quant lui révélé que la majeure partie des EPT est liée à la fraction résiduelle à l'exception du Zn à JRS qui est beaucoup plus concentré dans la fraction échangeable. Une exception a été observée aussi pour le Pb dans les sols de Jebel Hallouf où il est distribué de façon similaire dans les fractions échangeable, oxydable et résiduelle dont le pourcentage varie entre 23 % et 32 %. La réponse des plantes vis-à-vis de ces contaminants montre que le petit pois et l'orge ont accumulés des teneurs en EPT dépassant les teneurs absorbées par les plantes dans les sols témoins. Les concentrations des EPT dans les eaux interstitielles ainsi que celles mesurées par DGT ne montrent pas de corrélation avec le contenu foliaire des plantes. Ce résultat s'explique par le fait que les concentrations des EPT accumulées dans les plantes sont supérieurs à celles disponibles dans les eaux interstitielles et que le réapprovisionnement de la phase solide est pratiquement négligeable. Le risque de transfert des EPT vers l'eau souterraine a été étudié par percolation en condition saturée dans des colonnes de sol reproduisant le profil de surface. Une diminution progressive du potentiel redox liée à la concentration en carbone organique dans le sol a induit un accroissement de la mobilité de l'arsenic probablement liée à la réduction microbienne des oxydes de fer.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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