Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Comprendre l'effet de la matrice organique du sol sur les mécanismes contrôlant le transport des nanoparticules dans les milieux poreux

Laboratoire principal - Référent principal GERS - EE  -  COURTIER-MURIAS Denis      tél. : +33 240845871

Directeur du laboratoire principal PEYNEAU Pierre-Emmanuel  -

Spécialité de la thèse Transport en milieu poreux

Axe 3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale Matière, Molécules, Matériaux et Géosciences (3MG)

Directeur de thèse prévu PEYNEAU Pierre-Emmanuel  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - EE

Co-directeur de thèse prévu COURTIER-MURIAS Denis  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - EE

Type de financement prévu Thèse sur contrat  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte :
Les nanoparticules (NPs), polluants émergents et minuscules particules d'une taille inférieure à 100 nanomètres, représentent une menace particulière en raison de leur application large et efficace dans les technologies modernes (1-3). Elles peuvent pénétrer dans le sol par le biais de déversements industriels, mais elles peuvent également être utilisées intentionnellement pour nettoyer le sol (par exemple, elles ont été utilisées pour éliminer de polluants dans le sol (4)). Les modèles suggèrent que le sol est un récepteur majeur des NP mais les NP peuvent également s'infiltrer à travers la zone vadose jusqu'à la nappe phréatique et l'écoulement des eaux souterraines.

En raison de la complexité des sols (minéraux, matières organiques, micro-organismes...) et des difficultés techniques posés par la mesure in situ de la contamination des sols, de nombreux modèles environnementaux puissants prédisant le devenir et le transport des contaminants dans les sols sont en cours d'élaboration (5-7). Cependant, il existe encore des limites en ce qui concerne les prévisions globales du devenir des contaminants dans les sols. Par exemple, les mécanismes de transport sont déduits des courbes de percée des particules (BTC en anglais) mesurées dans les effluents des colonnes, dont l'interprétation est susceptible de ne pas être unique (8).

Originalité du projet :
Pour mieux analyser les données des BTCs, nous avons utilisé ces dernières années l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour obtenir des images à l'intérieur des échantillons étudiés afin d'observer les phénomènes dynamiques et statiques des NPs pendant les expériences de transport (9-13). Cependant, ces expériences ont été réalisées dans des systèmes modèles (partie minérale des sols) sans tenir compte des interactions avec la matière organique du sol (MOS). Dans ce projet, nous inclurons l'étude des interactions entre les NPs et la SOM dans des systèmes de complexité différente afin de pouvoir mieux modéliser le transport des NPs dans les sols.

Méthodologie scientifique :
Les conditions expérimentales seront conçues pour imiter les interactions des NPs (chargées négativement, positivement et neutres) dans des sols de complexité croissante. Les NPs seront préparées et caractérisées en termes de taille et de propriétés de surface (par exemple, potentiel zêta, spectrométrie de masse à plasma inductif en mode sp (spICP-MS)). Les suspensions seront injectées dans des sols modèles préparés en laboratoire et conditionnés dans des colonnes de laboratoire. Enfin, différentes conditions de saturation seront utilisées (60-100%). Les paramètres hydrodynamiques des colonnes de laboratoire seront déterminés avant l'injection des suspensions. Ensuite, les éluats sortant des colonnes seront caractérisés pour suivre l'évolution des concentrations en éléments majeurs des NPs (e.g. Ti, Fe....) de manière conventionnelle (BTC), mais aussi des propriétés des particules éluées par spICP-MS et DLS (taille des particules). Des expériences d'IRM permettront d'observer le front d'impulsion et l'adsorption des NPs à l'intérieur des colonnes. L'objectif global est de déterminer les processus responsables de la migration et de la rétention en utilisant l'IRM non invasive pour élucider la non-unicité des BTC.

Ce projet de doctorat se concentrera sur trois actions principales :

1) Expériences de transport dans des échantillons de sable et du sable recouvert d'argile et/ou de LHA.
2) Suivi par IRM d'expériences de transport sélectionnées.
3) Suivi par IRM dans différentes conditions de saturation.

Environnement de recherche :
Ce projet de doctorat bénéficiera de l'environnement de recherche du projet ANR COMMON (2025-2029, PI : Denis Courtier-Murias) et se concentrera sur l'axe « transport » du projet. Ainsi, le doctorant aura une interaction forte avec un autre doctorant travaillant sur les interactions entre les NPs et la matrice du sol et un postdoc qui utilisera des données expérimentales pour améliorer la modélisation des NPs dans les sols. Le candidat sélectionné sera encadré par Denis Courtier-Murias, Pierre-Emmanuel Peyneau et Béatrice Bechet.

Profil du candidat :
Les candidats doivent être titulaires d'un MSc/MEng en chimie, en sciences agricoles/environnementales ou dans des domaines connexes, avec une expérience préalable dans les expériences de transport de contaminants. Les candidats au doctorat qui font preuve d'initiative et s'engagent à travailler à la fois de manière indépendante et au sein d'une équipe pluridisciplinaire seront très appréciés. Les candidats doivent avoir un excellent dossier académique. D'excellentes aptitudes à la communication orale et écrite sont également requises. Il/elle présentera le travail de doctorat dans des conférences internationales (Eurosoil, EGU ...), écrira des articles scientifiques et supervisera des étudiants en MSc/MEng.

Références :
(1) Hagens, W. I.; Oomen, A. G.; de Jong, W. H.; Cassee, F. R.; Sips, A. J. A. M. What Do We (Need to) Know about the Kinetic Properties of Nanoparticles in the Body? Regulatory Toxicology and Pharmacology 2007, 49 (3), 217–229.
https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2007.07.006.
(2) Nemmar, A.; Hoet, P. H. M.; Vanquickenborne, B.; Dinsdale, D.; Thomeer, M.; Hoylaerts, M. F.; Vanbilloen, H.; Mortelmans, L.;Nemery, B. Passage of Inhaled Particles Into the Blood Circulation in Humans. Circulation 2002, 105 (4), 411–414.
(3) Takenaka, S.; Karg, E.; Roth, C.; Schulz, H.; Ziesenis, A.; Heinzmann, U.; Schramel, P.; Heyder, J. Pulmonary and Systemic Distribution of Inhaled Ultrafine Silver Particles in Rats. Environmental Health Perspectives 2001, 109 (suppl 4), 547–551. https://doi.org/10.1289/ehp.01109s4547.
(4) Araújo, R.; Castro, A. C. M.; Fiúza, A. The Use of Nanoparticles in Soil and Water Remediation Processes. Materials Today: Proceedings 2015, 2 (1), 315–320. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.04.055.
(5) Alexander, M. Aging, Bioavailability, and Overestimation of Risk from Environmental Pollutants. Environmental Science &Technology 2000, 34 (20), 4259–4265. https://doi.org/10.1021/es001069+.
(6) McGinley, P. M.; Katz, L. E.; Weber, W. J. A Distributed Reactivity Model for Sorption by Soils and Sediments. 2.Multicomponent Systems and Competitive Effects. Environmental Science & Technology 1993, 27 (8), 1524–1531.
https://doi.org/10.1021/es00045a006.
(7) Lafolie, F.; Hayot, C.; Schweich, D. Experiments on Solute Transport in Aggregated Porous Media: Are Diffusions Within Aggregates and Hydrodynamic Dispersion Independent? Transport in Porous Media 1997, 29 (3), 281–307.
https://doi.org/10.1023/A:1006513725029.
(8) Tufenkji, N.; Elimelech, M. Breakdown of Colloid Filtration Theory: Role of the Secondary Energy Minimum and Surface Charge Heterogeneities. Langmuir 2005, 21 (3), 841–852. https://doi.org/10.1021/la048102g.
(9) Nestle, N.; Baumann, T.; Niessner, R. Peer Reviewed: Magnetic Resonance Imaging in Environmental Science. Environmental Science & Technology 2002, 36 (7), 154A-160A. https://doi.org/10.1021/es0222723.
(10) Lehoux, A. P.; Faure, P.; Michel, E.; Courtier-Murias, D.; Rodts, S.; Coussot, P. Transport and Adsorption of Nano-Colloids in Porous Media Observed by Magnetic Resonance Imaging. Transport in Porous Media 2017, 119 (2), 403–423.
https://doi.org/10.1007/s11242-017-0890-4.
(11) Lehoux, A. P.; Faure, P.; Lafolie, F.; Rodts, S.; Courtier-Murias, D.; Coussot, P.; Michel, E. Combined Time-Lapse Magnetic Resonance Imaging and Modeling to Investigate Colloid Deposition and Transport in Porous Media. Water Research 2017, 123,12–20. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.06.035.
(12) Lehoux, A. P.; Rodts, S.; Faure, P.; Michel, E.; Courtier-Murias, D.; Coussot, P. Magnetic Resonance Imaging Measurements Evidence Weak Dispersion in Homogeneous Porous Media. Physical Review E 2016, 94 (5). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.053107.
(13) Raimbault, J., Peyneau, P.-E., Courtier-Murias, D., Bigot, T., Gil Roca, J., Béchet, B., Lassabatère, L. Investigating the impact of exit effects on solute transport in macroporous media. Hydrology and Earth System Sciences, 2021, 25(2), 671-683.

Mots-clefs: transport de contaminants, milieux poreux, nanoparticules, IRM

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - EE - COURTIER-MURIAS Denis tél. : +33 240845871
Directeur du laboratoire principal	PEYNEAU Pierre-Emmanuel -
Spécialité de la thèse	Transport en milieu poreux
Axe	3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	Matière, Molécules, Matériaux et Géosciences (3MG)
Directeur de thèse prévu	PEYNEAU Pierre-Emmanuel - Université Gustave Eiffel - GERS - EE
Co-directeur de thèse prévu	COURTIER-MURIAS Denis - Université Gustave Eiffel - GERS - EE
Type de financement prévu	Thèse sur contrat - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte : Les nanoparticules (NPs), polluants émergents et minuscules particules d'une taille inférieure à 100 nanomètres, représentent une menace particulière en raison de leur application large et efficace dans les technologies modernes (1-3). Elles peuvent pénétrer dans le sol par le biais de déversements industriels, mais elles peuvent également être utilisées intentionnellement pour nettoyer le sol (par exemple, elles ont été utilisées pour éliminer de polluants dans le sol (4)). Les modèles suggèrent que le sol est un récepteur majeur des NP mais les NP peuvent également s'infiltrer à travers la zone vadose jusqu'à la nappe phréatique et l'écoulement des eaux souterraines. En raison de la complexité des sols (minéraux, matières organiques, micro-organismes...) et des difficultés techniques posés par la mesure in situ de la contamination des sols, de nombreux modèles environnementaux puissants prédisant le devenir et le transport des contaminants dans les sols sont en cours d'élaboration (5-7). Cependant, il existe encore des limites en ce qui concerne les prévisions globales du devenir des contaminants dans les sols. Par exemple, les mécanismes de transport sont déduits des courbes de percée des particules (BTC en anglais) mesurées dans les effluents des colonnes, dont l'interprétation est susceptible de ne pas être unique (8). Originalité du projet : Pour mieux analyser les données des BTCs, nous avons utilisé ces dernières années l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour obtenir des images à l'intérieur des échantillons étudiés afin d'observer les phénomènes dynamiques et statiques des NPs pendant les expériences de transport (9-13). Cependant, ces expériences ont été réalisées dans des systèmes modèles (partie minérale des sols) sans tenir compte des interactions avec la matière organique du sol (MOS). Dans ce projet, nous inclurons l'étude des interactions entre les NPs et la SOM dans des systèmes de complexité différente afin de pouvoir mieux modéliser le transport des NPs dans les sols. Méthodologie scientifique : Les conditions expérimentales seront conçues pour imiter les interactions des NPs (chargées négativement, positivement et neutres) dans des sols de complexité croissante. Les NPs seront préparées et caractérisées en termes de taille et de propriétés de surface (par exemple, potentiel zêta, spectrométrie de masse à plasma inductif en mode sp (spICP-MS)). Les suspensions seront injectées dans des sols modèles préparés en laboratoire et conditionnés dans des colonnes de laboratoire. Enfin, différentes conditions de saturation seront utilisées (60-100%). Les paramètres hydrodynamiques des colonnes de laboratoire seront déterminés avant l'injection des suspensions. Ensuite, les éluats sortant des colonnes seront caractérisés pour suivre l'évolution des concentrations en éléments majeurs des NPs (e.g. Ti, Fe....) de manière conventionnelle (BTC), mais aussi des propriétés des particules éluées par spICP-MS et DLS (taille des particules). Des expériences d'IRM permettront d'observer le front d'impulsion et l'adsorption des NPs à l'intérieur des colonnes. L'objectif global est de déterminer les processus responsables de la migration et de la rétention en utilisant l'IRM non invasive pour élucider la non-unicité des BTC. Ce projet de doctorat se concentrera sur trois actions principales : 1) Expériences de transport dans des échantillons de sable et du sable recouvert d'argile et/ou de LHA. 2) Suivi par IRM d'expériences de transport sélectionnées. 3) Suivi par IRM dans différentes conditions de saturation. Environnement de recherche : Ce projet de doctorat bénéficiera de l'environnement de recherche du projet ANR COMMON (2025-2029, PI : Denis Courtier-Murias) et se concentrera sur l'axe « transport » du projet. Ainsi, le doctorant aura une interaction forte avec un autre doctorant travaillant sur les interactions entre les NPs et la matrice du sol et un postdoc qui utilisera des données expérimentales pour améliorer la modélisation des NPs dans les sols. Le candidat sélectionné sera encadré par Denis Courtier-Murias, Pierre-Emmanuel Peyneau et Béatrice Bechet. Profil du candidat : Les candidats doivent être titulaires d'un MSc/MEng en chimie, en sciences agricoles/environnementales ou dans des domaines connexes, avec une expérience préalable dans les expériences de transport de contaminants. Les candidats au doctorat qui font preuve d'initiative et s'engagent à travailler à la fois de manière indépendante et au sein d'une équipe pluridisciplinaire seront très appréciés. Les candidats doivent avoir un excellent dossier académique. D'excellentes aptitudes à la communication orale et écrite sont également requises. Il/elle présentera le travail de doctorat dans des conférences internationales (Eurosoil, EGU ...), écrira des articles scientifiques et supervisera des étudiants en MSc/MEng. Références : (1) Hagens, W. I.; Oomen, A. G.; de Jong, W. H.; Cassee, F. R.; Sips, A. J. A. M. What Do We (Need to) Know about the Kinetic Properties of Nanoparticles in the Body? Regulatory Toxicology and Pharmacology 2007, 49 (3), 217–229. https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2007.07.006. (2) Nemmar, A.; Hoet, P. H. M.; Vanquickenborne, B.; Dinsdale, D.; Thomeer, M.; Hoylaerts, M. F.; Vanbilloen, H.; Mortelmans, L.;Nemery, B. Passage of Inhaled Particles Into the Blood Circulation in Humans. Circulation 2002, 105 (4), 411–414. (3) Takenaka, S.; Karg, E.; Roth, C.; Schulz, H.; Ziesenis, A.; Heinzmann, U.; Schramel, P.; Heyder, J. Pulmonary and Systemic Distribution of Inhaled Ultrafine Silver Particles in Rats. Environmental Health Perspectives 2001, 109 (suppl 4), 547–551. https://doi.org/10.1289/ehp.01109s4547. (4) Araújo, R.; Castro, A. C. M.; Fiúza, A. The Use of Nanoparticles in Soil and Water Remediation Processes. Materials Today: Proceedings 2015, 2 (1), 315–320. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.04.055. (5) Alexander, M. Aging, Bioavailability, and Overestimation of Risk from Environmental Pollutants. Environmental Science &Technology 2000, 34 (20), 4259–4265. https://doi.org/10.1021/es001069+. (6) McGinley, P. M.; Katz, L. E.; Weber, W. J. A Distributed Reactivity Model for Sorption by Soils and Sediments. 2.Multicomponent Systems and Competitive Effects. Environmental Science & Technology 1993, 27 (8), 1524–1531. https://doi.org/10.1021/es00045a006. (7) Lafolie, F.; Hayot, C.; Schweich, D. Experiments on Solute Transport in Aggregated Porous Media: Are Diffusions Within Aggregates and Hydrodynamic Dispersion Independent? Transport in Porous Media 1997, 29 (3), 281–307. https://doi.org/10.1023/A:1006513725029. (8) Tufenkji, N.; Elimelech, M. Breakdown of Colloid Filtration Theory: Role of the Secondary Energy Minimum and Surface Charge Heterogeneities. Langmuir 2005, 21 (3), 841–852. https://doi.org/10.1021/la048102g. (9) Nestle, N.; Baumann, T.; Niessner, R. Peer Reviewed: Magnetic Resonance Imaging in Environmental Science. Environmental Science & Technology 2002, 36 (7), 154A-160A. https://doi.org/10.1021/es0222723. (10) Lehoux, A. P.; Faure, P.; Michel, E.; Courtier-Murias, D.; Rodts, S.; Coussot, P. Transport and Adsorption of Nano-Colloids in Porous Media Observed by Magnetic Resonance Imaging. Transport in Porous Media 2017, 119 (2), 403–423. https://doi.org/10.1007/s11242-017-0890-4. (11) Lehoux, A. P.; Faure, P.; Lafolie, F.; Rodts, S.; Courtier-Murias, D.; Coussot, P.; Michel, E. Combined Time-Lapse Magnetic Resonance Imaging and Modeling to Investigate Colloid Deposition and Transport in Porous Media. Water Research 2017, 123,12–20. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.06.035. (12) Lehoux, A. P.; Rodts, S.; Faure, P.; Michel, E.; Courtier-Murias, D.; Coussot, P. Magnetic Resonance Imaging Measurements Evidence Weak Dispersion in Homogeneous Porous Media. Physical Review E 2016, 94 (5). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.053107. (13) Raimbault, J., Peyneau, P.-E., Courtier-Murias, D., Bigot, T., Gil Roca, J., Béchet, B., Lassabatère, L. Investigating the impact of exit effects on solute transport in macroporous media. Hydrology and Earth System Sciences, 2021, 25(2), 671-683.
Mots-clefs:	transport de contaminants, milieux poreux, nanoparticules, IRM

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