Ecological remediation and sustainable management of an urban industrial site : case of an historical pollution by inorganic potentially toxic elements (Pb, Cd, Cu, Zn, Sb and As)

La réhabilitation des friches industrielles dans les zones urbaines est un enjeu majeur pour le développement durable des villes. La gestion et la reconversion de ces sites, imposées par la réglementation, nécessitent toutefois le développement d’outils d’évaluation des risques environnementaux et sanitaires, et de techniques de remédiation durables. Cette thèse a porté sur la mise en place d’outils multidisciplinaires pour la gestion durable des sites pollués, avec le cas particulier d’un site de recyclage de batteries au plomb caractérisé par une pollution historique en plomb principalement mais également d’autres polluants inorganiques (Cd, Sb, As, Cu et Zn), couramment définis par le terme d’Eléments Traces Métalliques (ETM). Ce travail a cherché à renseigner les mécanismes impliqués dans les systèmes polluants-sol-plantes pour renforcer la prise en compte de la qualité globale des sols dans la gestion des sites industriels, tout en essayant de répondre à des questions de la recherche appliquée. En plus des outils et procédures classiquement utilisés pour évaluer, contrôler et réduire les risques environnementaux et sanitaires causés par les sols pollués, le développement des mesures de biodisponibilité (plantes et les humains) et d’écotoxicité (différents tests biologiques: inhibition de la mobilité de daphnies, Microtox® et induction de bactéries bioluminescentes, microbiologie) permet d’affiner la classification des sols contaminés en termes de dangerosité. De plus, des plantes engrais verts (bourrache, phacélie et moutarde), communément utilisées en agriculture ou par les jardiniers (car elles améliorent les propriétés bio-physico-chimiques des sols avec un système racinaire et une grande production d’exsudats racinaires), ont été testées pour la re-fonctionnalisation des sols pollués. Enfin, les mécanismes impliqués dans le devenir des polluants dans la rhizosphère et les microorganismes associés ont été étudiés. L’ensemble des résultats fourni des éléments de réponse et des moyens d’améliorer la gestion des sols contaminés par des métaux et métalloïdes. (1) Tout d’abord, la séparation par taille des différentes fractions de sol permet une réduction significative des tonnages de matériaux contaminés et donc une économie réelle lors de la mise en décharge des sols excavés avec un gain certain en termes d’empreinte écologique. (2) Ensuite, le calcul d’écoscores pour les differents échantillons de sols pollués, sur la base des résultats des essais d’écotoxicité, ont permis d’affiner plus précisemment les risques par rapport aux paramètres physico-chimiques « classiques » requis par la réglementation. Des différences de sensibilité ont été observées en fonction de la nature de l’essai biologique, l’origine de l’échantillon, les propriétés physico-chimiques et les concentrations totales de polluants. (3) Contrairement à la phacélie, la bourrache et la moutarde ont amélioré la respiration du sol, réduit l’écotoxicité et la quantité de plomb bioaccessible et totale dans le sol, respectivement par phytostabilisation et stockage dans les racines (Pb, Sb) ou par phytoextraction et donc stockage dans les parties aériennes. En outre, ces plantes pourraient être testées sur le terrain pour une utilisation en phytoremédiation des friches industrielles et des jardins modérément pollués. Selon la nature du métal, du type de sol et des plantes, la compartimentation et la spéciation du polluant diffèrent, ainsi qu’en fonction des caractéristiques agronomiques du sol et l’activité microbienne de la rhizosphère. Un criblage moléculaire et une méta-analyse de la génomique microbienne ont permis de mettre en évidence les différences dans les communautés bactériennes étudiées en fonction du niveau de concentration métallique, des espèces végétales et des caractéristiques des sols étudiés.Rehabilitation of brownfields in urban areas is a major challenge for the sustainable development of cities. Management and conversion of these sites, imposed by regulation, however, require the development of tools for environmental risk assessment and health and sustainable remediation techniques. This thesis focused on the establishment of multidisciplinary tools for the sustainable management of polluted site, with the particular case of rehabilitation recycling of lead batteries with a mainly historical lead pollution and other inorganic pollutants (Cd, Sb, As, Cu and Zn), currently defined as Metal Trace Elements (MTE). While trying to answer questions of applied research, this work has sought to investigate the mechanisms involved in the soil-plant pollutants to strengthen the consideration of the overall quality of soil management for industrial sites. In addition to the tools and procedures conventionally used to assess, control and reduce environmental and health risks caused by polluted soils; measures of bioavailability (plants and humans) and ecotoxicity (different bioassays: inhibition of the mobility of Daphnia magna, Microtox® and induction of bioluminescent bacteria and microbiology) have been developed with the aim to refine the classification of contaminated soils in terms of dangerousness. Moreover, green manure plants (borage, phacelia and mustard), commonly used in agriculture or by gardeners because they improve the bio-physico-chemical properties of soils with a root system and a large production of root exudates were tested for re-functionalization of polluted soils. Finally, the mechanisms involved in the fate of pollutants in the rhizosphere and their microorganisms in the plant were studied. The main results provide some answers and ways of improving the management of soils contaminated by metals and metalloids. (1) First, the size separation for soil fractions allows a significant reduction in tonnages of contaminated material and therefore costs for the landfill excavated soil with a gain result in terms of ecological footprint. (2) Then, calculation for the differents polluted soil samples of eco-scores based on the results of ecotoxicity tests can discriminate more accurately compared to physicochemical parameters required by the regulations. Differences in sensitivity were observed depending on the nature of the bioassay, the origin of the sample, physico-chemical properties and total concentrations of pollutants. (3) Unlike phacelia, borage and mustard improve soil respiration, ecotoxicity and reduce theamount of bioaccessible and total lead in soil, respectively by phytostabilisation and storage in roots (Pb, Sb) or phytoextraction and storage in aerial parts. Further, these plants could be field tested for use in phytoremediation of brownfields and gardens moderately polluted. Depending on the nature of the metal, the type of soil and plant, compartmentalization and speciation of the pollutant differ, and in conjunction with agronomic characteristics of soil and rhizosphere microbial activity. Molecular screening and meta-analysis of microbial genomics have enabled highlight differences in bacterial communities studied by species and growing conditions