Sujet : Sources et transfert des EGP et TR en environnement routier

Les terres rares (TR) sont des éléments relativement abondants dans la croûte terrestre. Elles sont au nombre de 17 : scandium (Sc), yttrium (Y) et 15 lanthanides. Leur configuration électronique leur confère des propriétés magnétiques particulières qui rendent incontournable leur utilisation dans de nombreux secteurs d’activité. En effet, les terres rares entrent dans la composition de nombreux produits du quotidien (écrans à cristaux liquides, batteries, éclairages à LED, imagerie médicale, batteries de véhicules électriques hybrides) (Rim et al., 2013 ; Fishman et al., 2018 ; Ebrahimi et Barbieri, 2019).

Les éléments du groupe du platine (EGP) ou platinoïdes regroupent six éléments dont le platine (Pt), le palladium (Pd) et le rhodium (Rh). Depuis 1992, en France, tous les véhicules neufs sont équipés de convertisseurs catalytiques, qui contribuent à réduire l’émission de gaz polluants (CO, NOx, hydrocarbures), grâce aux éléments, palladium, rhodium, associés à des TR (lanthane et cérium) fixés sur les parois du pot catalytique. Cependant, l’usure des parois entraîne un relargage de ces éléments dans l’atmosphère (Balaram V., 2019). Ainsi, de par l’augmentation de leur utilisation, une quantité notable de TR et de EGP pénètre dans l’environnement (air, sols, cours d’eau) (Liang et al., 2014). Les résultats obtenus durant la thèse de Méhrazin Omrani (2015-2018) centrée sur les EGP ont permis de quantifier ces EGP, dans différents compartiments mais pas les terres rares associées, sans toutefois évaluer la nature nanoparticulaire de ces éléments. Par ailleurs, au sein du laboratoire l’analyse nanoparticulaire d’éléments tel que le titane ou l’argent a été développée grâce à l’analyse par ICP-MS en mode SP (single particule). Cette technique permet de détecter des particules avec une résolution en taille d’environ 10 nm. Un comptage est réalisé. En pré-supposant la forme des particules, la taille et la répartition des tailles de particules peuvent être obtenues. Enfin, la capacité à distinguer les formes dissous des formes nanoparticulaires pour un métal donné est un autre avantage spécifique de la SP-ICP-MS ; l’analyse chimique de particules simples est donc possible. Toutefois, ce n’est que très récemment que les premiers travaux appliqués à des matrices environnementales sont publiés (Azimzada et al., 2021 ; Phalyvong et al. ; 2021).

Dans le contexte national d’étude des transferts de pollution le long des grands continuums terre-mer (Seine, Loire, Garonne), la question de l’identification des sources de pollution dans les bassins versants des fleuves et de leur contribution à la contamination des écosystèmes récepteurs se pose depuis de nombreuses années (Audy et al., 2012 ; Baalousha et al., 2019), et notamment récemment pour la partie aval de la Loire (projet Région - Pollusols, 2015-2020). Mais si les travaux portent souvent sur les polluants traditionnels (métaux trace, hydrocarbures), peu d’études ont été menées sur des polluants émergents, tels que les TR et les EGP. Les connaissances sur la source urbaine de ces éléments contribueront à la caractérisation des flux des TR et des EGP sur le continuum terre-mer. De plus, la caractérisation des fractions particulaires dans les matrices des environnements urbains tend à montrer la présence d’éléments toxiques, tels que le platine, sous forme de nanoparticules métalliques (Folens et al 2018). Cette spéciation physique nanoparticulaire est jusqu’à présent peu étudiée et nécessite pour être complète une approche trans-compartiments environnementaux (air, eau, poussières, sédiment/sol).

L’objectif général de la thèse porte sur la caractérisation des formes particulaires des éléments du groupe du platine et de terres rares en environnement routier (urbain, périurbain) dans les compartiments air, eau, sédiment.

La méthodologie proposée repose sur :

1) le développement d’un protocole d’analyse par ICP-MS-SP pour les TR et les EGP sur des matrices environnementales et donc complexes (une thèse démarre actuellement au laboratoire sur le développement de l’analyse de nanoparticules dans les eaux de ruissellement). Ce protocole pourra être comparé à la méthode de séparation par FFF (Fractionnement Flux-Force) en collaboration avec Subatech-Arronax Nantes.

Ainsi, il sera possible d’acquérir des connaissances actuellement peu disponibles dans la littérature sur la spéciation physique de ces éléments et notamment de déterminer leur part sous forme nanoparticulaire dans les eaux.

2) le choix des sites de prélèvement urbain et péri-urbain et le screening des EGP et des TR pour sélection des éléments d’intérêt en tant que traceurs et/ou d’éléments conjoints. Des prélèvements de particules atmosphériques seront effectués de même que des prélèvements d’eau et de sédiments dans un bassin de gestion des eaux pluviales. Des échantillons de poussières de chaussées prélevés antérieurement (thèse de M. Omrani) pourront également être analysés.

Les attendus de la thèse portent sur 1) le développement d’une méthode de comptage et de caractérisation des particules (analyse par ICP-MS-SP et couplage avec la FFF), 2) la mise au point d’une méthodologie couplée pour l’observation des éléments TR ou EGP (observation microscopie électronique à balayage couplée à l’analyse chimique) sous forme micro- et nanoparticulaire et 3) l’évolution de la spéciation et de la distribution des TR et EGP lors de leur transfert entre les différents compartiments en ciblant sur les formes solubles, nano- et micro-particulaires.

Collaborations : Subatech-Arronax Nantes, accès à la plateforme Arronax-FFF

Références citées

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Azimzada A, Jreije I, Hadioui M, Shaw P, Farner J M, Wilkinson K.J., 2021. Quantification and Characterization of Ti‑, Ce‑, and Ag-Nanoparticles in Global Surface Waters and Precipitation. Environ. Sci. Technol. 55, 9836-9844

Baalousha M., Stoll S., Motelica-Heino M. et al., 2019. Suspended particulate matter determines physical speciation of Fe, Mn, and trace metals in surface waters of Loire watershed. Environ Sci Pollut Res 26, 5251–5266. https://doi.org/10.1007/s11356-018-1416-5

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Grosbois C., Meybeck M., Lestel L., Lefèvre I., Moatar F., 2012. Severe and contrasted polymetallic contamination patterns (1900–2009) in the Loire River sediments (France),Science of The Total Environment, Vol 435–436, 290-305, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.06.056

Liang T., Li K., Wang L., 2014. State of rare earth elements in different environmental components in mining areas of China. Environ. Monit. Assess. 186, 1499-1513.

Phalyvong K, Sivry Y, Pauwels H, Gélabert A, Tharaud M, Wille G, Bourrat X, Ranville JF, Benedetti MF, 2021. Assessing CeO2 and TiO2 Nanoparticle Concentrations in the Seine River and Its Tributaries Near Paris. Front. Environ. Sci. 8: 549896. doi: 10.3389/fenvs.2020.549896

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Wang J., Nabi Md M., Mohanty S. K., Afrooz N., Cantando E., Aich N., Baalousha M. 2020, Detection and quantification of engineered particles in urban runoff. Chemosphere, Vol 248, 126070, ISSN 0045-6535, https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126070.