Acteurs et mécanismes des bio-transformations de l’arsenic, de l’antimoine et du thallium pour la mise en place d’éco-technologies appliquées à la gestion d’anciens sites miniers

Sulfide wastes from the extraction of metal ores generate acidic mine drainage (AMD), containing toxic elements such as arsenic (As), antimony (Sb) and thallium (Tl). Remediation processes using microbial communities have been developed to remove these pollutants from AMD, but the biological processes involved in these treatments still need to be controlled to ensure their effectiveness. The scientific obstacles, which are the subject of the thesis, lie in (1) a lack of knowledge on direct and indirect microbial transformations of Sb and Tl, and (2) for As, a weak understanding of relationships that exist between dynamics of microbial communities, their functional potential, water physico-chemistry and efficiency of treatments applied to AMD. A multidisciplinary approach, mainly based on microbial ecology and physico-chemistry tools, allowed to characterize the diversity of microbial communities capable of directly or indirectly transforming As and Sb at increasing experimental scales: batch reactor, laboratory continuously fed systems, and pilot on site. A microbial consortium able of tolerating up to 100 mM of antimonite and oxidizing it under acidic conditions (pH <4), equivalent to those of AMD, was obtained in a batch system in the laboratory from contaminated soil at Sb. A laboratory column bioreactor, fed continuously with a real AMD and inoculated with a bacterial sulfate-reducing consortium enriched from this AMD, allowed the elimination of almost all the As, Sb and Tl present in the water. Finally, the dynamics of the bacterial communities was described under real conditions in an aerobic pilot for the treatment of an AMD rich in As and installed on site. These communities were dominated by Fe-oxidizing bacteria, and their spatial and temporal structure modifications appeared to be associated to variations of water physico-chemistry (dissolved oxygen, temperature, pH, redox potential, sulfate, arsenic and iron(II) concentrations). The knowledge acquired during this thesis may serve as a basis for the design of passive and inexpensive eco-technologies applicable to the management and remediation of former mining sites.Les déchets sulfurés issus de l’extraction des minerais métalliques génèrent des drainages miniers acides (DMA), contenant des éléments toxiques tels que l’arsenic (As), l’antimoine (Sb) et le thallium (Tl). Des procédés de remédiation utilisant des communautés microbiennes ont été développés afin d’éliminer ces polluants des DMA, mais les processus biologiques en jeu dans ces traitements doivent encore être maîtrisés pour garantir leur efficacité. Les verrous scientifiques, objets de la thèse, résident dans (1) la méconnaissance des transformations microbiennes, directe et indirectes, de Sb et Tl, et, (2) pour l’As, la faible compréhension des relations qui existent entre la dynamique des communautés microbiennes, leur potentiel fonctionnel, la physico-chimie des eaux et l’efficacité des traitements appliqués aux DMA. Une approche pluridisciplinaire, principalement basée sur des outils d’écologie microbienne et de physico-chimie, a permis de caractériser la diversité des communautés microbiennes capables de transformer directement ou indirectement As et Sb, à différentes échelles expérimentales : réacteur batch, dispositif à flux continu de laboratoire et pilote de terrain. Un consortium microbien capable de tolérer jusqu’à 100 mM d’antimonite et de l’oxyder en conditions acides (pH < 4), équivalentes à celles des DMA, a été obtenu à partir d’un sol contaminé au Sb. Un bioréacteur colonne de laboratoire, alimenté en continu avec un DMA réel et inoculé avec un consortium bactérien sulfato-réducteur issu de ce DMA, a permis l’élimination de la quasi-totalité de l’As, du Sb et du Tl présents dans l’eau. Enfin, la dynamique des communautés bactériennes au sein d’un dispositif aérobie de traitement d’un DMA riche en As installé sur site a été décrite. Ces communautés sont dominées par des bactéries Fe-oxydantes, et les modifications spatiales et temporelles de leur structure apparaissent associées aux variations de la physico-chimie de l’eau (concentration en oxygène dissous, température, pH, potentiel rédox, concentrations en sulfate, arsenic et fer(II)). Les connaissances acquises au cours de cette thèse pourront servir de base à la conception d’éco-technologies passives et peu coûteuses applicables à la gestion et la remédiation d’anciens sites miniers