Dégradation des polluants organiques dans les eaux souterraines: nouveaux mécanismes éco-compatibles sans oxydants forts (DEPOLECO) – DEPOLECO

La Tâche 1 (Réactivité) permettra de quantifier la capacité des minéraux du Fe(II) des sols/sédiments à produire des ROS et d'autres espèces réactives lors de l'oxydation par l'air. En effet, les argiles riches en Fe(II) et les sulfures de Fe(II) sont formés ou régénérés pendant les périodes d'engorgement en eau via la respiration microbienne anaérobie et sont susceptibles de produire des ROS lorsqu'ils sont exposés à l'air en période sèche. Le rôle de ces cycles redox naturels sur la dégradation des polluants organiques est largement inexploré. Nous étendrons cette approche, initiée sur les minéraux naturels riches en Fe(II), à des substrats géo-inspirés analogues de minéraux des sols, synthétisés pour cibler une large gamme de polluants organiques.
La Tâche 2 (sélectivité) évaluera la capacité de ces substrats de Fe(II) géo-inspirés à dégrader les contaminants adsorbés à leur surface, en mesurant directement la cinétique de ces réactions de dégradation. Nous nous concentrerons sur les phyllosilicates riches en Fe(II) et les nanoparticules de sulfures de Fe, analogues aux minéraux des sols/sédiments, mais optimisés pour présenter des surfaces hydrophobes, une surface spécifique très élevée et des sites Fe(II) de surface réactifs. Ces substrats synthétiques seront donc conçus pour potentiellement dégrader une grande variété de molécules non polaires, y compris des pesticides hautement prioritaires, et seront ensuite testés en tant qu'amendements des sols/nappes dans la Tâche 3.
La Tâche 3 (Applicabilité) mesurera la dégradation des polluants organiques dans des expériences en batch/mésocosmes qui seront menées sur des sols et sédiments contaminés, avec ou sans ajout de substrats synthétiques de Fe(II). La compréhension des mécanismes de dégradation des polluants et l'amélioration de leur efficacité reposera notamment sur l'identification et la quantification des produits de dégradation des polluants ciblés. Trois molécules modèles appartenant à des classes contrastées de polluants (antibiotiques quinones, herbicides phénylurées et HAP) seront particulièrement ciblées, dans le but de donner de nouvelles bases mécanistiques pour mettre en œuvre une assainissement in situ éco-compatible des eaux souterraines contaminées.

Les travaux réalisés ont concerné pour une part le WP1, avec la synthèse des substrats géo-inspirés et l’étude de leur capacité à produire des espèces réactives notamment radicalaires lors de l’oxydation par l’air avec O2 comme seul oxydant. Ces premiers résultats ont fait l’objet d’un article publié en 2023.

Ces travaux se poursuivent dans le cadre de deux thèses en cours. Le projet posera ainsi les bases fondamentales d'un large éventail de futures applications écologiques, spécialement conçues pour un large panel de contaminants hautement prioritaires. En effet, il abordera directement la capacité des sols / sédiments naturels, authentiques ou modifiés avec des substrats réactifs, à dégrader ces contaminants organiques lors des cycles redox naturels. Cette approche unique fournira des indices sans précédent pour évaluer la résilience naturelle des milieux naturels vis-à-vis des contaminants organiques et pour concevoir des méthodes d'assainissement in situ à long terme basées sur des amendements éco-compatibles.

Morin G., Averseng F., Carrier X., Le Pape P., Du Y., HongE Y., Bourbon E., Sportelli G., A. Da Silva T., Mezzetti A., Baya C., Allard T., Brest J., Rouelle M. (2023) Phosphate Boosts Nonhydroxyl Radical Species Production upon Air Oxidation of Magnetite and Iron Sulfides at Neutral pH. Journal of Physcical Chemistry C 127, 9650-9662

Le projet propose un nouveau concept pour la dégradation des contaminants organiques dans les eaux souterraines, à pH neutre avec l'air comme seul oxydant. Il répond au besoin évident de développer des méthodes éco-compatibles et efficaces à long terme pour la remédiation in situ des sols et des eaux souterraines. Des preuves de concept récentes de notre équipe et d'autres montrent que les effets délétères et les limitations des processus d'oxydation avancés actuels utilisant des oxydants forts pourraient être surmontés. Ceci en exploitant la capacité intrinsèque des minéraux naturels de Fe(II) présents dans les sols et les sédiments à produire des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et à dégrader des polluants organiques, avec l'air comme seul oxydant.
L'application d'un tel concept à des sites réels nécessite une stratégie capable de quantifier la réactivité, la sélectivité et l'applicabilité des minéraux naturels et d'analogues géo-inspirés synthétiques, pour produire des ROS et dégrader les contaminants sans oxydants forts.
La Tâche 1 (Réactivité) permettra de quantifier la capacité des minéraux du Fe(II) des sols/sédiments à produire des ROS et d'autres espèces réactives lors de l'oxydation par l'air. En effet, les argiles riches en Fe(II) et les sulfures de Fe(II) sont formés ou régénérés pendant les périodes d'engorgement en eau via la respiration microbienne anaérobie et sont susceptibles de produire des ROS lorsqu'ils sont exposés à l'air en période sèche. Le rôle de ces cycles redox naturels sur la dégradation des polluants organiques est largement inexploré. Nous étendrons cette approche, initiée sur les minéraux naturels riches en Fe(II), à des substrats géo-inspirés analogues de minéraux des sols, synthétisés pour cibler une large gamme de polluants organiques.
La Tâche 2 (sélectivité) évaluera la capacité de ces substrats de Fe(II) géo-inspirés à dégrader les contaminants adsorbés à leur surface, en mesurant directement la cinétique de ces réactions de dégradation. Nous nous concentrerons sur les phyllosilicates riches en Fe(II) et les nanoparticules de sulfures de Fe, analogues aux minéraux des sols/sédiments, mais optimisés pour présenter des surfaces hydrophobes, une surface spécifique très élevée et des sites Fe(II) de surface réactifs. Ces substrats synthétiques seront donc conçus pour potentiellement dégrader une grande variété de molécules non polaires, y compris des pesticides hautement prioritaires, et seront ensuite testés en tant qu'amendements des sols/nappes dans la Tâche 3.
La Tâche 3 (Applicabilité) mesurera la dégradation des polluants organiques dans des expériences en batch/mésocosmes qui seront menées sur des sols et sédiments contaminés, avec ou sans ajout de substrats synthétiques de Fe(II). La compréhension des mécanismes de dégradation des polluants et l'amélioration de leur efficacité reposera notamment sur l'identification et la quantification des produits de dégradation des polluants ciblés. Trois molécules modèles appartenant à des classes contrastées de polluants (antibiotiques quinones, herbicides phénylurées et HAP) seront particulièrement ciblées, dans le but de donner de nouvelles bases mécanistiques pour mettre en œuvre une assainissement in situ éco-compatible des eaux souterraines contaminées.
Le projet posera ainsi les bases fondamentales d'un large éventail de futures applications écologiques, spécialement conçues pour un large panel de contaminants hautement prioritaires. En effet, il abordera directement la capacité des sols / sédiments naturels, authentiques ou modifiés avec des substrats réactifs, à dégrader ces contaminants organiques lors des cycles redox naturels. Cette approche unique fournira des indices sans précédent pour évaluer la résilience naturelle des milieux naturels vis-à-vis des contaminants organiques et pour concevoir des méthodes d'assainissement in situ à long terme basées sur des amendements éco-compatibles.