Optimisation de la phytostabilisation de déchets miniers arséniés : prédiction des impacts sur l'eau et de la biodisponibilité des polluants pour les plantes liés aux activités microbiennes – oMIMo

Ces objectifs sont abordés par le consortium oMIMo (BRGM, ISTO, Li2D-DRF/CEA et LEB/ADERA) à travers une approche interdisciplinaire associant géochimie, modélisation numérique, physiologie végétale, microbiologie et approches omiques à une bonne connaissance opérationnelle de la gestion des anciens sites miniers. La méthodologie oMIMo est basée sur un scénario maîtrisé de phytostabilisation assistée. oMIMo propose d'intégrer au MTR des données indicatrices des processus microbiens actifs liés aux métabolismes de l'As, du Fe et du S. Un mésocosme a été rempli en mars 2023 avec 1200 kg de résidus de l’ancienne mine d’étain (Sn) située à Abbaretz (Abb). Cette expérience pilote a reproduit à l’échelle métrique les différents compartiments du dépôt : surface phytostabilisée, zone non saturée sous-jacente, puis zone saturée en profondeur. En parallèle, des expériences sub-métriques en pots de 20 L ont démarré début mai 2023 avec 2 types de résidus arséniés, ceux de Abb. et ceux de l’ancienne mine d’Ag-Pb de Pontgibaud (Pontg). L’espèce végétale choisie pour ces essais est Festuca rubra et les résidus miniers ont été amendés dans la zone de colonisation par les plantes avec un mélange de calcaire (2%) et de compost (3%). Ces expériences ont été poursuivies pendant 2 ans, permettant d’acquérir des données précises sur l'évolution de la géochimie, des processus microbiens, et de la biodisponibilité/toxicité de l’As et des métaux pour les plantes. Le MTR sera basé sur un bilan massique et des lois thermodynamiques. Un réseau de réactions métaboliques stœchiométriques représentera la séquence redox suspectée de se produire dans les résidus, alimentant une première version du modèle par l’état de l’art et les premières données géochimiques des expériences métriques et sub-métriques. Ce formalisme sera ensuite enrichi afin de simuler des réactions thermocinétiques contrôlées et de coupler les métabolismes microbiens avec des processus géochimiques abiotiques. Le réseau réactionnel sera corrigé par l'identification des bactéries actives par séquençage des ARNr 16S des expériences sub-métriques, puis par les données de métagénomique et métaprotéomique issues de l’expérience métrique. Pour chaque métabolisme détecté, le terme thermodynamique sera couplé à une équation de Monod dont la composante « biomasse » sera liée à une fonction de croissance pour chaque groupe métabolique. Les paramètres de ces fonctions seront d'abord estimés en déterminant l’abondance (par NPP, Nombre le Plus Probable) des bactéries de groupes métaboliques d’intérêt. Les données omiques fourniront une image plus précise des métabolismes actifs et de leur distribution de la surface à la zone saturée en eau. Une 3eme version du modèle intégrera des paramètres de transport. Les données calculées seront comparées aux données mesurées de géochimie des eaux et aux bio-indicateurs végétaux (niveau de stress et concentrations en polluants) pour le compartiment de surface.

En juin 2025, les deux expériences du projet oMIMo, en mésocosme et en pots, se sont achevées après les dernières campagnes d'échantillonnage. L’expérience en pots a montré une croissance de fétuque maximale dans le sable, moyenne avec le résidu Pontg., et médiocre avec le résidu Abb.. Les concentrations en As dissous sont beaucoup plus élevées dans les eaux porales d’Abb. (> 1 mg/L) que dans les eaux porales de Pontg. (5-12 µg/L). Dans le mésocosme (Abb.), les eaux porales présentent, avant phytostabilisation, des concentrations proches de 50 µg/L d’As. Avant tout apport d’amendement, des phénomènes liés à une succession de métabolismes microbiens sont observés dans le niveau saturé en eau du mésocosme : chute de la concentration en NO3 suivie d’une augmentation des concentrations en Fe et As dissous. L’évolution des paramètres des eaux porales dans le mésocosme donne des indications sur l’évolution des conditions dans les différents niveaux et sur la diffusion des effets de la phytostabilisation de la surface vers la profondeur. Les paramètres géochimiques sont immédiatement changés dans la zone de surface, impactés après 50 jours dans la zone intermédiaire et après 200 jours dans le fond. Dans ce niveau profond, AsIII est la forme dominante d’As et sa solubilisation est liée à celle de FeII. Une accélération de l’augmentation de la concentration en As est observée après phytostabilisation. Dans les pots, l’augmentation de pH et l’apport de matière organique liées aux amendements ont mobilisé de l’As. Ces résultats sont cohérents avec une augmentation de l’As dissous dans le premier niveau du mésocosme après amendement. Les NPP indiquent que les bactéries Fe-oxydantes et S-oxydantes sont plus abondantes dans Pontg alors que les bactéries SO4-réductrices sont davantage présentes dans Abb. Les séquençages révèlent des différences de communautés actives entre pots non plantés et plantés, et entre Abb et Pontg. Dans Abb, davantage de genres impliqués dans le cycle du fer sont détectés dans les pots plantés que dans les pots non plantés, incluant des genres ferri-réducteurs (Citrifermentans) et ferro-oxydants neutrophiles (Sideroxydans). La phytotoxicité a été étudiée avec la plante indicatrice Lactuca semée sur les solides non amendés et amendés. Le solide le plus inhibiteur, à la fois de germination et de production de biomasse végétale est Abb. L’amendement n’améliore pas la production de biomasse sur ce résidu, alors que celle-ci est augmentée par l’amendement sur sable et sur le résidu Pontg. Au niveau de l’indice oméga-3, avec ou sans amendement, la toxicité sur la laitue est plus importante avec Abb. qu’avec Pontg. Avec la fétuque, l’indice oméga-3 indique une toxicité un peu plus faible d’Abb. amendé par rapport à Pontg. amendé. L’état de stress est moyen à fort avec les deux résidus. Les tâches liées à la modélisation ont démarré par la recherche des réactions biogéochimiques susceptibles de fournir le plus d’énergie aux micro-organismes.

L’ensemble des bio-indicateurs sur les échantillons est en cours de détermination : marqueurs du stress oxydant : peroxydation des lipides (MDA et Indice Oméga-3), chlorophylles ; Antioxydants non-enzymatiques : anthocyanes, composés phénoliques, flavonoides, proline, sucres solubles ; Antioxydants enzymatique : superoxyde dismutase, catalase, peroxydase, ascorbate peroxydase, gluthation-S-transferase ; Nitrate reductase. Le séquençage par metabarcoding 16S des ADN complémentaires obtenus à partir des ARN extraits des résidus de l'expérience en pots en fin d'expérience est en cours pour fournir les identifications des bactéries actives sur les résidus Abb. et Pontg.

Les ADN et protéines associés aux échantillons des carottages successifs, actuellement stockés à -80°C, sont en cours d'extraction. La métagénomique et la métaprotéomique des communautés microbiennes de ces échantillons pourront être étudiés et utilisés pour calibrer et améliorer le MTR. La post-doctorante qui contribuera aux analyses des données de la métagénomique/métaprotéomique au CEA-LI2D a pris en main la méthodologie. Un des risques liés à cette expérience est la possible faible abondance de protéines et d’ADN dans les résidus, surtout ceux, non amendés. Deux approches sont proposées pour surmonter cet obstacle. Pour la protéomique, l’approche SCP (Single Cell Proteomics) peut être développée pour extraire davantage de données d’une faible quantité de protéines extraites. Une autre approche consisterait à extraire les protéines et l’ADN sur davantage de matériau. Au niveau du traitement des données, il est proposé de se diriger plutôt vers une approche de recherche de fonctions, plutôt que vers une recherche de la description taxonomique. Le croisement avec les réactions métaboliques génératrices d’énergies identifiées par les travaux de modélisation thermodynamique sera réalisé.

Pour la composante « transfert » du modèle, des tests de traçage seront réalisés fin 2025, dans des colonnes de laboratoire (500 mL), afin de déterminer précisément le comportement hydraulique des résidus Abb, en conditions non saturée et saturée en eau. Un post-doctorant dédié aux tâches de modélisation a été recruté pour une durée de 18 mois.

Le projet oMIMo n’a pas encore fait l’objet de production scientifique après 6 mois de réalisation.

La sécurisation des résidus d’exploitations minières représente un défi environnemental majeur. La plupart des mines de métaux ont produit des déchets contenant de fer (Fe) et du soufre (S), l’élément toxique arsenic (As) étant présent dans plus de 50% des sites. La phytostabilisation apparaît souvent comme une option appropriée pour minimiser les risques liés à la dispersion de particules par érosion, pour un coût modéré. Cependant, son intégration à des projets de réhabilitation par les gestionnaires de sites de doit être étayée par une évaluation quantitative de son effet sur le devenir de l’As et des métaux dans les massifs de déchets. oMIMo a pour objectif de développer un outil de prédiction de la mobilité de l'As et des métaux et de leur disponibilité pour les plantes dans un déchet minier arsénié phytostabilisé, basé sur une méthodologie de modélisation de transport réactif (MTR) intégrant des paramètres microbiens. Cet objectif sera abordé par le consortium oMIMo (BRGM, ISTO, Li2D-DRF/CEA et LEB/ADERA) à travers une approche interdisciplinaire associant géochimie, modélisation numérique, physiologie végétale, microbiologie (classique et moléculaire) et approches omiques à une bonne connaissance opérationnelle de la gestion des anciens sites miniers. La méthodologie oMIMo est basée sur un scénario maîtrisé de phytostabilisation assistée, développé jusqu’au pilote métrique et pour lequel une première version de MTR a été élaborée pour les résidus d’une mine d’Ag-Pb. oMIMo propose d'intégrer au MTR des données indicatrices des processus microbiens actifs liés aux métabolismes de l'As, du Fe et du S. Des expériences sub-métriques seront réalisées sur avec 2 types de résidus, celui (bien connu) de la mine d’Ag-Pb et ceux, arséniés également, d’une mine d’étain (Sn). Ces essais, couplés à un pilote métrique réalisé avec le résidu de la mine de Sn, permettront d’acquérir des informations sur l'évolution de la géochimie, des processus microbiens, et de la biodisponibilité/toxicité de l’As et des métaux pour les plantes. Le MTR sera basé sur un bilan massique et des lois thermodynamiques. Un réseau de réactions métaboliques stoechiométriques représentera la séquence redox suspectée de se produire dans les résidus, alimentant une première version du modèle par l’état de l’art et des données géochimiques. Dans la deuxième version du modèle, ce formalisme sera enrichi afin de simuler des réactions thermocinétiques contrôlées et de coupler les métabolismes microbiens avec des processus géochimiques abiotiques. Le réseau réactionnel sera corrigé via l'identification de bactéries actives par séquençage 16SrRNA, puis par les données omiques (métagénomique et métaprotéomique) issues de l’expérience métrique. Pour chaque métabolisme détecté, le terme thermodynamique sera couplé à une équation de Monod dont la composante « biomasse » sera liée à une fonction de croissance pour chaque groupe métabolique. Les paramètres de ces fonctions seront d'abord estimés en utilisant le « Nombre le Plus Probable » des bactéries de groupes métaboliques. Les données omiques fourniront une image plus précise des métabolismes actifs et de leur distribution de la surface à la zone saturée en eau. Une troisième version du modèle intégrera des paramètres de transport. Les données calculées seront comparées aux données mesurées de géochimie des eaux et aux bio-indicateurs végétaux (niveau de stress et concentrations en polluants) pour le compartiment de surface. En termes d'impacts, oMIMo répondra au besoin de prévoir les impacts, incluant les flux d’arsenic et de métaux par infiltration, lors du développement de la phytostabilisation en tant qu’option opérationnelle en domaine minier. oMIMo fournira une méthodologie de modélisation accompagnée de recommandations, incluant le type d’analyses pertinentes (géochimiques, minéralogiques et biologiques) à effectuer pour la détermination numérique de l’évolution à moyen et long terme des flux d’As et de métaux.