Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Nanoparticules métalliques d'origine anthropique dans les eaux pluviales en milieu urbain : détection, traitement des données et quantification

Laboratoire principal - Référent principal GERS - EE  -  PEYNEAU Pierre-Emmanuel      tél. : +33 240845736

Directeur du laboratoire principal PEYNEAU Pierre-Emmanuel  -

Spécialité de la thèse Sciences de l'environnement, géochimie

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

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Profil recherché
Le candidat aura reçu une formation (niveau master ou ingénieur) en chimie analytique ou en géochimie et/ou aura une appétence pour le traitement de données environnementales massives.

Contexte
Les nanoparticules de synthèse présentent des propriétés physico-chimiques particulières motivant leur utilisation dans de nombreux secteurs industriels (agroalimentaire, cosmétiques, revêtements, santé, etc.) [Keller & Lazareva, 2014]. La production croissante de nanoparticules synthétiques, l’urbanisation et, plus généralement, la pression grandissante exercée par l’activité humaine suggèrent que les flux de nanoparticules anthropiques (regroupant nanoparticules de synthèse et nanoparticules produites involontairement du fait de l’activité humaine) émis dans l’environnement sont de plus en plus importants [Hochella et al., 2019], que ce soit au stade de leur production, lors de l’utilisation de produits qui en comportent, ou encore après la mise en décharge de déchets ou la valorisation de sous-produits qui en contiennent [Bundschuh et al., 2018].

Les flux de nanoparticules libérés dans l’environnement restent encore assez mal caractérisés. Les incertitudes entourant les tonnages produits, l’importance des multiples voies de dissémination dans l’environnement et les processus régissant leur transport entre et au sein des différents compartiments environnementaux, sont en effet importantes. Des approches de modélisation reposant sur l’analyse des flux de matière s’efforcent néanmoins d’estimer les ordres de grandeurs en jeu [Keller et al., 2024]. Si les prédictions de ces modèles ont parfois pu être confrontées avec un certain succès à des mesures, les travaux expérimentaux restent néanmoins indispensables pour faire progresser ce domaine de recherche. Plusieurs études ont été consacrées à la détection et à la quantification des contaminants nanoparticulaires dans différents compartiments environnementaux (eau, sol, sédiment, air), dans des contextes très variés (rivières [Phalyvong et al., 2021] [Wang et al., 2020], eaux douces superficielles [Azimzada et al., 2021]). Certains dispositifs techniques, considérés comme des points névralgiques en matière de dissémination de nanoparticules dans l’environnement – comme les stations de traitement des eaux usées [Nabi et al., 2021] ou les décharges [Mitrano et al., 2017] – ont en outre fait l’objet d’études spécifiques. Les sources diffuses de contamination nanoparticulaire de l’environnement ont en revanche fait l’objet de moins d’attention [Wang et al., 2022] [Dia et al., 2025].

Objectifs
Le principal objectif de ce projet doctoral sera de caractériser les nanoparticules mono- ou multi-métalliques présentes dans les eaux pluviales en milieu urbain. Les matériaux urbains constituent vraisemblablement un réservoir non négligeable de nanoparticules anthropiques. Façades, toitures, éléments de mobilier urbain, véhicules, sont en effet autant de produits ou d’objets susceptibles de libérer des nanoparticules. Cette pollution nanoparticulaire d’origine diffuse, pouvant être véhiculée par les eaux de ruissellement, n’a jamais été étudiée à l’échelle d’un quartier urbain. Les flux de différents micropolluants – dont les éléments trace métalliques (ETM) – ont en revanche fait l’objet d’un nombre significatif d’études [Gasperi et al., 2014]. Les données disponibles montrent que les teneurs totales en certains ETM (Zn, Cu, Pb) sont significativement plus élevées par temps de pluie que par temps sec et qu’entre 25 et 50 % des métaux se trouvent dans la fraction colloïdale. En revanche, la taille et la nature des colloïdes constituant cette fraction demeurent à ce jour inconnues.

Ce projet doctoral vise ainsi à i) caractériser (taille, composition, densité particulaire) la fraction nanoparticulaire des éléments trace métalliques véhiculés par les eaux de ruissellement en ville et ii) estimer les flux nanoparticulaires émis par un quartier urbain à différentes échelles de temps, de l’événement pluvieux à l’année hydrologique.

Méthodes
Les échantillons seront prélevés au niveau de l’exutoire du collecteur des eaux pluviales du bassin versant du Pin Sec (Nantes), dont le débit est mesuré en continu dans le cadre du Service National d’Observation Observil. Cet exutoire sera équipé d’un préleveur automatique afin de pouvoir collecter des échantillons à la fréquence jugée adéquate par temps de pluie. L’empreinte nanoparticulaire de l’eau sortant à l’exutoire du collecteur résulte du ruissellement sur les surfaces urbaines, mais également des nanoparticules potentiellement présentes dans l’eau de nappe (qui s’infiltre dans les défauts d’étanchéité du béton du collecteur) et l’eau météorique (précipitations). Afin de mettre en évidence la charge nanoparticulaire issue des seuls matériaux urbains, des échantillons d’eaux souterraine et météorique seront également prélevés, en mettant à profit le réseau de piézomètres et de pluviomètres installés dans le quartier du Pin Sec et dans son voisinage immédiat. La comparaison des empreintes nanoparticulaires des trois types d’eaux fournira de précieux renseignements sur les apports dus au seul tissu urbain.

La caractérisation de la contamination en nanoparticules métalliques reposera sur une combinaison de plusieurs techniques. Les teneurs totales en métaux seront déterminées par ICP-OES et ICP-MS en mode standard. Après filtration, le filtrat sera également analysé en mode single particle (sp-ICP-MS) pour caractériser les nanoparticules présentes dans la fraction colloïdale des échantillons. Ces analyses seront notamment effectuées avec un spectromètre de masse muni d’un analyseur à temps de vol (ICP-ToF-MS). L’ICP-ToF-MS est aujourd’hui ce qui se fait de mieux en spectrométrie de masse pour caractériser la composition de nanoparticules multi-métalliques. Il permet en effet d’obtenir un screening des isotopes compris entre m/z = 23 et m/z = 238, du sodium à l’uranium, particule par particule. Des analyses complémentaires (pH, conductivité, carbone organique dissout) seront également effectuées afin de mettre en évidence des corrélations éventuelles entre l’empreinte nanoparticulaire de l’échantillon et ces paramètres globaux.

Les données massives issues de mesures acquises à l’aide d’un ICP-ToF-MS sont très riches, ce qui n’est pas sans poser un certain nombre de défis en matière de traitement des données produites. Différentes approches ont été proposées dans la littérature (sélection d’éléments a priori, techniques de partitionnement, arbres de décision) sans qu’une seule ne se soit véritablement imposée jusqu’à présent. Certaines de ces approches automatiques permettent de regrouper les nanoparticules multiélementaires, d’autres sont capables de détecter l’occurrence d’éléments minoritaires [Ferreira et al., 2024]. Evaluer leurs atouts et leurs faiblesses en s’appuyant sur des données synthétiques de référence constitue donc une étape indispensable.

D’autres méthodes relevant du domaine de l’intelligence artificielle (réseaux de neurones, éventuellement profonds), inspirées de celles utilisées en sismologie, seront également mobilisées pour proposer de nouvelles méthodes de traitement des données. Les algorithmes testés seront entraînés à partir de données synthétiques de référence reproduisant les caractéristiques des signaux mesurés expérimentalement (position, intensité, durée des pics, ainsi que les propriétés statistiques de la ligne du base). Ils seront ensuite testés sur des données expérimentales obtenues à partir de dispersions colloïdales de synthèse ou de référence, avant d’être employés sur des échantillons environnementaux de composition nanoparticulaire inconnue.

Impact
Cette thèse de doctorat permettra de caractériser l’empreinte nanoparticulaire métallique d’un quartier urbain et d’estimer les flux de nanoparticules émis par un tel système à différentes échelles de temps, de l’événement pluvieux à l’année hydrologique.

Un minimum de deux publications dans des revues internationales à comité de lecture est envisageable : i) caractérisation des nanoparticules anthropiques émises dans des eaux de ruissellement urbain ; ii) flux de nanoparticules anthropiques émises par un bassin versant urbain à différentes échelles temporelles.

Encadrement
Ce sujet s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre l’Université Gustave Eiffel (Laboratoire Eau et Environnement du département Géotechnique, Environnement, Risques naturels et Sciences de la Terre) et l’Institut de Physique du Globe de Paris (équipe Biogéochimie à l’Anthropocène des éléments et contaminants émergents). Les équipements matériels et informatiques requis pour la réalisation de ce projet doctoral sont accessibles à l’Université Gustave Eiffel et à l’Institut de Physique du Globe de Paris, qui dispose en particulier du seul ICP-ToF-MS présent sur le sol français (Nu Vitesse, Nu Instruments). Ce projet doctoral devrait en outre bénéficier de l’environnement apporté par le projet EC2CO NanoStream (2025-2027).

Directeur de thèse : Pierre-Emmanuel Peyneau (Univ Eiffel)
Co-encadrant : Mickaël Tharaud (IPGP)

Mots-clefs: eaux pluviales ; nanoparticules ; spectrométrie de masse ; traitement de données ; intelligence artificielle

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - EE - PEYNEAU Pierre-Emmanuel tél. : +33 240845736
Directeur du laboratoire principal	PEYNEAU Pierre-Emmanuel -
Spécialité de la thèse	Sciences de l'environnement, géochimie
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
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Profil recherché Le candidat aura reçu une formation (niveau master ou ingénieur) en chimie analytique ou en géochimie et/ou aura une appétence pour le traitement de données environnementales massives. Contexte Les nanoparticules de synthèse présentent des propriétés physico-chimiques particulières motivant leur utilisation dans de nombreux secteurs industriels (agroalimentaire, cosmétiques, revêtements, santé, etc.) [Keller & Lazareva, 2014]. La production croissante de nanoparticules synthétiques, l’urbanisation et, plus généralement, la pression grandissante exercée par l’activité humaine suggèrent que les flux de nanoparticules anthropiques (regroupant nanoparticules de synthèse et nanoparticules produites involontairement du fait de l’activité humaine) émis dans l’environnement sont de plus en plus importants [Hochella et al., 2019], que ce soit au stade de leur production, lors de l’utilisation de produits qui en comportent, ou encore après la mise en décharge de déchets ou la valorisation de sous-produits qui en contiennent [Bundschuh et al., 2018]. Les flux de nanoparticules libérés dans l’environnement restent encore assez mal caractérisés. Les incertitudes entourant les tonnages produits, l’importance des multiples voies de dissémination dans l’environnement et les processus régissant leur transport entre et au sein des différents compartiments environnementaux, sont en effet importantes. Des approches de modélisation reposant sur l’analyse des flux de matière s’efforcent néanmoins d’estimer les ordres de grandeurs en jeu [Keller et al., 2024]. Si les prédictions de ces modèles ont parfois pu être confrontées avec un certain succès à des mesures, les travaux expérimentaux restent néanmoins indispensables pour faire progresser ce domaine de recherche. Plusieurs études ont été consacrées à la détection et à la quantification des contaminants nanoparticulaires dans différents compartiments environnementaux (eau, sol, sédiment, air), dans des contextes très variés (rivières [Phalyvong et al., 2021] [Wang et al., 2020], eaux douces superficielles [Azimzada et al., 2021]). Certains dispositifs techniques, considérés comme des points névralgiques en matière de dissémination de nanoparticules dans l’environnement – comme les stations de traitement des eaux usées [Nabi et al., 2021] ou les décharges [Mitrano et al., 2017] – ont en outre fait l’objet d’études spécifiques. Les sources diffuses de contamination nanoparticulaire de l’environnement ont en revanche fait l’objet de moins d’attention [Wang et al., 2022] [Dia et al., 2025]. Objectifs Le principal objectif de ce projet doctoral sera de caractériser les nanoparticules mono- ou multi-métalliques présentes dans les eaux pluviales en milieu urbain. Les matériaux urbains constituent vraisemblablement un réservoir non négligeable de nanoparticules anthropiques. Façades, toitures, éléments de mobilier urbain, véhicules, sont en effet autant de produits ou d’objets susceptibles de libérer des nanoparticules. Cette pollution nanoparticulaire d’origine diffuse, pouvant être véhiculée par les eaux de ruissellement, n’a jamais été étudiée à l’échelle d’un quartier urbain. Les flux de différents micropolluants – dont les éléments trace métalliques (ETM) – ont en revanche fait l’objet d’un nombre significatif d’études [Gasperi et al., 2014]. Les données disponibles montrent que les teneurs totales en certains ETM (Zn, Cu, Pb) sont significativement plus élevées par temps de pluie que par temps sec et qu’entre 25 et 50 % des métaux se trouvent dans la fraction colloïdale. En revanche, la taille et la nature des colloïdes constituant cette fraction demeurent à ce jour inconnues. Ce projet doctoral vise ainsi à i) caractériser (taille, composition, densité particulaire) la fraction nanoparticulaire des éléments trace métalliques véhiculés par les eaux de ruissellement en ville et ii) estimer les flux nanoparticulaires émis par un quartier urbain à différentes échelles de temps, de l’événement pluvieux à l’année hydrologique. Méthodes Les échantillons seront prélevés au niveau de l’exutoire du collecteur des eaux pluviales du bassin versant du Pin Sec (Nantes), dont le débit est mesuré en continu dans le cadre du Service National d’Observation Observil. Cet exutoire sera équipé d’un préleveur automatique afin de pouvoir collecter des échantillons à la fréquence jugée adéquate par temps de pluie. L’empreinte nanoparticulaire de l’eau sortant à l’exutoire du collecteur résulte du ruissellement sur les surfaces urbaines, mais également des nanoparticules potentiellement présentes dans l’eau de nappe (qui s’infiltre dans les défauts d’étanchéité du béton du collecteur) et l’eau météorique (précipitations). Afin de mettre en évidence la charge nanoparticulaire issue des seuls matériaux urbains, des échantillons d’eaux souterraine et météorique seront également prélevés, en mettant à profit le réseau de piézomètres et de pluviomètres installés dans le quartier du Pin Sec et dans son voisinage immédiat. La comparaison des empreintes nanoparticulaires des trois types d’eaux fournira de précieux renseignements sur les apports dus au seul tissu urbain. La caractérisation de la contamination en nanoparticules métalliques reposera sur une combinaison de plusieurs techniques. Les teneurs totales en métaux seront déterminées par ICP-OES et ICP-MS en mode standard. Après filtration, le filtrat sera également analysé en mode single particle (sp-ICP-MS) pour caractériser les nanoparticules présentes dans la fraction colloïdale des échantillons. Ces analyses seront notamment effectuées avec un spectromètre de masse muni d’un analyseur à temps de vol (ICP-ToF-MS). L’ICP-ToF-MS est aujourd’hui ce qui se fait de mieux en spectrométrie de masse pour caractériser la composition de nanoparticules multi-métalliques. Il permet en effet d’obtenir un screening des isotopes compris entre m/z = 23 et m/z = 238, du sodium à l’uranium, particule par particule. Des analyses complémentaires (pH, conductivité, carbone organique dissout) seront également effectuées afin de mettre en évidence des corrélations éventuelles entre l’empreinte nanoparticulaire de l’échantillon et ces paramètres globaux. Les données massives issues de mesures acquises à l’aide d’un ICP-ToF-MS sont très riches, ce qui n’est pas sans poser un certain nombre de défis en matière de traitement des données produites. Différentes approches ont été proposées dans la littérature (sélection d’éléments a priori, techniques de partitionnement, arbres de décision) sans qu’une seule ne se soit véritablement imposée jusqu’à présent. Certaines de ces approches automatiques permettent de regrouper les nanoparticules multiélementaires, d’autres sont capables de détecter l’occurrence d’éléments minoritaires [Ferreira et al., 2024]. Evaluer leurs atouts et leurs faiblesses en s’appuyant sur des données synthétiques de référence constitue donc une étape indispensable. D’autres méthodes relevant du domaine de l’intelligence artificielle (réseaux de neurones, éventuellement profonds), inspirées de celles utilisées en sismologie, seront également mobilisées pour proposer de nouvelles méthodes de traitement des données. Les algorithmes testés seront entraînés à partir de données synthétiques de référence reproduisant les caractéristiques des signaux mesurés expérimentalement (position, intensité, durée des pics, ainsi que les propriétés statistiques de la ligne du base). Ils seront ensuite testés sur des données expérimentales obtenues à partir de dispersions colloïdales de synthèse ou de référence, avant d’être employés sur des échantillons environnementaux de composition nanoparticulaire inconnue. Impact Cette thèse de doctorat permettra de caractériser l’empreinte nanoparticulaire métallique d’un quartier urbain et d’estimer les flux de nanoparticules émis par un tel système à différentes échelles de temps, de l’événement pluvieux à l’année hydrologique. Un minimum de deux publications dans des revues internationales à comité de lecture est envisageable : i) caractérisation des nanoparticules anthropiques émises dans des eaux de ruissellement urbain ; ii) flux de nanoparticules anthropiques émises par un bassin versant urbain à différentes échelles temporelles. Encadrement Ce sujet s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre l’Université Gustave Eiffel (Laboratoire Eau et Environnement du département Géotechnique, Environnement, Risques naturels et Sciences de la Terre) et l’Institut de Physique du Globe de Paris (équipe Biogéochimie à l’Anthropocène des éléments et contaminants émergents). Les équipements matériels et informatiques requis pour la réalisation de ce projet doctoral sont accessibles à l’Université Gustave Eiffel et à l’Institut de Physique du Globe de Paris, qui dispose en particulier du seul ICP-ToF-MS présent sur le sol français (Nu Vitesse, Nu Instruments). Ce projet doctoral devrait en outre bénéficier de l’environnement apporté par le projet EC2CO NanoStream (2025-2027). Directeur de thèse : Pierre-Emmanuel Peyneau (Univ Eiffel) Co-encadrant : Mickaël Tharaud (IPGP)
Mots-clefs:	eaux pluviales ; nanoparticules ; spectrométrie de masse ; traitement de données ; intelligence artificielle

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