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

L'objectif du projet est 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 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.Il s'agit 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 avec 1200 kg de résidus d’une mine d’étain (Sn) en mars 2023. Cette expérience pilote reproduit à l’échelle métrique les différents compartiments du dépôt : surface phytostabilisée, zone non saturée sous-jacente, puis zone saturée. En parallèle, des expériences sub-métriques en pots de 20 L ont démarré début mai 2023 avec 2 types de résidus, celui de la mine d’Ag-Pb et ceux, arséniés également, de la mine de Sn. 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 et de compost. Ces expériences seront poursuivies pendant 2 ans et permettront 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 submétriques. 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 par l'identification des bactéries actives par séquençage des ARNr 16S des expériences sub-métriques, 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 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 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.

Les résultats expérimentaux sont en cours d’acquisition sur les essais en pilote métrique ainsi que sur les essais sub-métriques en pots : pH, potentiel redox, conductivité et chimie des eaux porales, incluant la spéciation (AsIII et AsV) de l’As. Les solides sont en cours de caractérisation (chimie inorganique et organique, minéralogie, granulométrie). Les premiers échantillons des expériences en pots ont été prélevés pour réaliser les analyses microbiologiques suivantes : nombre le plus probable de micro-organismes oxydant ou réduisant l’As, le Fe et le S, et diversité bactérienne active via le séquençage des ARNr 16S. En parallèle, des optimisations sont réalisées sur les méthodes d’extraction des protéines et acides nucléiques à partir de ces déchets miniers, afin d’assurer un rendement optimal, en termes de quantité et de qualité, pour les analyses omiques à réaliser sur les échantillons issus des expériences.

Les expériences sub-métriques en pots et à l’échelle pilote métrique seront poursuivies pendant 2 ans. En parallèle, une expérience pilote de phytostabilisation sur le site de la mine d’étain est en cours depuis 3 ans. Un suivi, en particulier des eaux porales à différentes profondeurs, a été mis en place au droit de la placette phytostabilisée et à l’extérieur de celle-ci. Ces données seront comparées à celles collectées au cours des expériences du projet oMIMo afin d’affiner les différentes versions du modèle. Une thèse va également être menée en parallèle au projet oMIMo, intitulée « Intégration des données omiques pour la modélisation numérique des couplages bioénergétiques. Application à la prédiction du devenir des contaminants de déchets miniers ». Cette thèse doit démarrer en octobre 2023. Elle permettra de réaliser des expériences complémentaires à celles de oMIMo, en microcosmes, et contribuera à la réalisation des premières étapes de l’élaboration du MTR.

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.