Les colloïdes contrôllent le devenir environnemental des éléments traces redox-sensibles – COLOSSAL

Les éléments traces (ET ; ex : As, U, Cu, Cr) représentent une grave menace pour l'environnement, que ce soit dans les pays en voie de développement ou industrialisés. Même si de nombreux mécanismes contrôlant leur spéciation ont été élucidés, leur comportement et leur devenir dans les milieux naturels ne sont toujours pas correctement prédits. C'est particulièrement le cas pour les ET redox-sensibles, dont le comportement géochimique et la toxicité dépendent de leur état redox. Le projet COLOSSAL fait l'hypothèse que le manque de compréhension du rôle combiné des colloïdes et des conditions redox sur la spéciation des ET est une raison majeure de cet échec. Les colloïdes sont omniprésents dans l’environnement et sont les principaux vecteurs des ET en raison de leur extrême réactivité vis-à-vis des ET et de leur stabilité en suspension aqueuse. Si de récents résultats ont démontré la nécessité de tenir compte des réactions redox à la surface des colloïdes, les progrès sont limités par notre capacité à appréhender les extrêmes hétérogénéités physiques (taille, forme) et chimiques (composition) des colloïdes, ainsi que leur comportement hautement dynamique et leur capacité de transformation due à leurs structures métastables. L'objectif du projet COLOSSAL est de mieux prédire la spéciation redox des ET, en différenciant l'évolution lente des colloïdes, en réponse aux conditions bio/hydro/pédo/climatologiques, des réactions redox des ET, accélérées à la surface des colloïdes. L'équipe COLOSSAL relèvera ces défis en développant trois « workpackages » (WP) interdépendants. Le WP1 déterminera une relation entre la composition/structure des colloïdes et les mécanismes redox des ET à leur surface. Une combinaison de techniques de pointe, notamment de spectroscopie (en particulier, in situ et operando), d'isotopie, de microscopie, de nanométrologie et d'outils analytiques permettra d’étudier les processus, à la fois à l’interface eau-colloïde naturel (hétérogène), et dans les solutions aqueuses. Le WP2 étudiera le comportement dynamique des colloïdes sous l'influence de facteurs environnementaux variés (microbiologie, Eh, pH, T, fluctuations ou gradients de salinité, etc…) et les changements concomitants dans la spéciation redox des ET. Des expériences abiotiques/biomimétiques simples, de microbiologie, et d'incubation et de lixiviation de sol/sédiment seront mises en place pour différencier les effets des nombreux processus mis en jeu. Le WP3 développera une nouvelle génération de modèles de complexation de surface, avec une description cohérente des aspects cinétiques et thermodynamiques de la spéciation redox des ET sur des surfaces colloïdales hétérogènes. Cela permettra une interprétation appropriée des résultats expérimentaux tout au long du projet, en particulier le WP2 : les résultats de caractérisation des colloïdes et de la spéciation redox des ET seront confrontés à la modélisation pour découpler les effets des colloïdes et des facteurs environnementaux et, ainsi, parvenir à une compréhension globale du comportement redox des ET dans les systèmes naturels. Le modèle sera testé et validé au moyen des données provenant des sols et des sédiments naturels, collectés dans différentes conditions biogéochimiques et pédoclimatiques. Le nouveau modèle sera développé dans un code de spéciation géochimique populaire, pour une diffusion optimale des résultats aussi bien dans le secteur public que privé. En elucidant les liens entre le comportement biogéochimique des colloïdes et celui des ET redox-sensibles, COLOSSAL apportera de précieuses connaissances et outils pour de potentielles applications dans les domaines de l’environnement (évaluation des risques, développement de stratégies de remédiation, écotoxicologie, etc…) mais également bien au-delà, car les processus redox aux interfaces colloïdes/nanoparticules-eau sont au cœur d'un large éventail d'applications (nanotechnologie, catalyse, hydrométallurgie, etc…).