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Observer en aval des anciens sites miniers
Tâche d’Observation 1 (TO1) Suivi des processus hydrobiogéochimiques de transfert des métaux et métalloïdes issus des activités minières sur le site de Carnoulès
L’exploitation de minerais métalliques conduit à l’extraction de matériaux riches en sulfures qui sont concentrés et transformés sur place. Les déchets de ces différentes opérations, exposés à l’air et aux eaux météoriques sont alors très sensibles à l’altération ; ils libèrent pendant des siècles des eaux acides très riches en fer et sulfates appelées Drainages Miniers Acides (DMA), chargées en métaux (Pb, Tl, Cd, …) et métalloïdes (As, Sb). Ces éléments sont toxiques pour l’écosystème et menacent la ressource en eau. Il est donc primordial d’améliorer les connaissances sur les processus qui conditionnent leur devenir dans le milieu aquatique. Ces processus font intervenir des réactions physico-chimiques mais également microbiologiques car les DMA abritent des populations de microorganismes (bactéries, archaea, eucaryotes) capables de transformer les polluants métalliques en composés moins mobiles ou moins toxiques. Certains de ces organismes présentent des potentialités intéressantes pour le développement de procédés innovants de traitement biologique des eaux minières.
Présentation de la tâche d’observation « Suivi des processus hydrobiogéochimiques de transfert des métaux et métalloïdes issus des activités minières sur le site de Carnoulès »
Depuis une quinzaine d’années, le laboratoire HydroSciences et ses partenaires effectuent des observations hydrologiques, géochimiques et microbiologiques sur le site de l’ancienne mine de plomb-zinc de Carnoulès dans le Gard. La mine est située sur le bassin Cévenol du Rhône. Cette exploitation, fermée depuis 1962, a laissé 1 km2 de carrières et un stock de 1,5 MT de déchets contenant des sulfures, des métaux et de l’arsenic. Au pied de la digue de rétention du stock de déchets, jaillit le ruisseau minier du Reigous aux eaux acides (pH 2 à 4), riches en fer ([Fe] = 0.5 – 1 g/L) et arsenic ([As] = 100 – 350 mg/L). Mille cinq cent mètres après sa source, le Reigous se jette dans la rivière Amous, affluent du Gardon d’Anduze. En aval de la confluence Reigous-Amous, la qualité écologique de l’Amous est grandement détériorée.
La Tâche d’Observation 1 « Suivi des processus hydrobiogéochimiques de transfert des métaux et métalloïdes issus des activités minières » est un dispositif dédié au suivi à long terme des caractéristiques physico-chimiques et des populations de microorganismes dans les eaux du site de Carnoulès. Le site est équipé d’un pluviographe installé au centre du dépôt de stériles, d’un piézographe dans le stock de stériles et d’une station de mesure automatique de débit située à la source du Reigous. Outre les paramètres hydrologiques mesurés automatiquement (pluie, débit et variations de la nappe), des prélèvements bimestriels d’eau et de microorganismes sont effectués en 6 stations : dans le piézomètre, à la source du Reigous, en 3 stations situées à 30 m, 150 m et 1500 m en aval de la source et dans l’Amous à 1,2 km en aval de la confluence avec le Reigous. Les acquisitions hydrochimiques concernent les principaux paramètres physico-chimiques (température, pH, …), les concentrations en sulfate et éléments traces, ainsi que les formes rédox du fer et de l’arsenic. La distribution des populations de microorganismes est déterminée sur des échantillons choisis à postériori, en fonction des variations temporelles de la physico-chimie des eaux.
L’objectif de ces suivis est d’apporter des données sur l’évolution à long terme du phénomène de drainage minier acide, en intégrant l’action des microorganismes dans la formation de ces écoulements et leur atténuation dans le milieu naturel. Ces données permettront d’améliorer les modèles de transport réactif capables de simuler la formation et le devenir des DMA et de tester l’efficacité de stratégies de remédiation. Elles fourniront des informations sur l’évolution du phénomène de DMA dans un contexte de changement climatique sur le bassin Méditerranéen et permettront de mesurer l’effet des opérations de gestion/réhabilitation éventuelles mises en œuvre sur le site de Carnoulès. Ces suivis permettront également de mieux comprendre l’évolution de la diversité microbienne et des mécanismes d’adaptation des microorganismes lors des modifications de la pression toxique du milieu.
Ces suivis constituent un support à de nombreux travaux de recherche pour HydroSciences et ses partenaires (P. Bertin, UMR7156, Strasbourg ; R. Duran, IPREM UMR 5254 EEM, Pau ; G. Morin, IMPMC UMR 7590, Paris). Ces travaux portent notamment sur :
les microorganismes impliqués dans le cycle de l’arsenic (GDR 2909 Métabolisme de l’arsenic chez les procaryotes : de la résistance à la détoxication) les processus de transfert de certains métaux et métalloïdes dans les DMA et le système aquatique en aval le développement de traceurs isotopiques non conventionnels (Zn, Sb) pour l’identification des sources de pollution
Données
Des données de différents types sont disponibles via un serveur dédié :
1) Données physico-chimiques
Depuis 2004, les résultats des analyses physico-chimiques effectuées en 6 stations sur le Reigous, l’Amous et dans la nappe du stock de stériles de Carnoulès sur une base bimestrielle sont archivées. Les analyses portent sur les paramètres physico-chimiques principaux des eaux (pH, conductivité, concentration en sels dissous, température), les concentrations en fer (Fe total et Fe(II)), sulfate, arsenic (As total et formes rédox), plomb et zinc dans la phase dissoute (
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www.oreme.univ-montp2.fr/IMG/pdf/exemple_de_jeu_de_donneesbis.pdf]. Ces données sont généralement publiées dans des articles scientifiques et mises à disposition de la communauté (Base Carnoulès) après une première exploitation par notre laboratoire.
Des données plus anciennes (1997-2003) issues de différents projets de recherche sont également archivées (Base Carnoulès).
2) Données microbiologiques
L’analyse de la diversité des microorganismes (bactéries, archaea et eucaryotes) présents à Carnoulès dans les eaux et les sédiments étant une technologie assez lourde en main d’œuvre et onéreuse, les échantillons sont choisis à postériori en fonction des variations temporelles de la physico-chimie des eaux et des projets en cours. Ces données, dont un exemple est disponible ici, sont généralement publiées dans des articles scientifiques et mises à disposition de la communauté (Base Carnoulès) après une première exploitation par notre laboratoire.
3) Données hydrologiques (depuis 2006)
Les données de pluie enregistrées sur le site de Carnoulès ainsi que la mesure de variation du niveau de la nappe dans le piézographe, foré dans le stock de stériles, sont mises à disposition de la communauté (Base Carnoulès).
Les mesures de débit à la Source du Reigous sont également disponibles. Elles sont cependant affectées d’une incertitude importante (difficile à quantifier) liée à l’agressivité du milieu sur les instruments de mesure ainsi qu’à l’ensablement récurrent du canal de mesure par les sables du stock de stériles.
Utilisation des données
Ces données représentent un investissement à long terme de l’OSU OREME et du laboratoire HydroSciences qui met à disposition son personnel technique pour le suivi du site de Carnoulès. L’acquisition d’une partie des données est financée dans le cadre de projets de recherche de l’Axe 1 du laboratoire HydroSciences. Merci de citer les chercheurs et personnels impliqués dans ce suivi dans vos productions scientifiques, vos rapports ou vos études.
Valorisation scientifique
Les données issues du suivi du site de Carnoulès ainsi que certaines questions scientifiques en lien direct avec ces mesures font l’objet de publications scientifiques.
Diffusion des résultats de la TO1
Les résultats de la TO1 sont diffusés régulièrement auprès d’étudiants de Master de l’université Montpellier 1 et 2 et de l’université Paris VI, ainsi qu’auprès d’élèves ingénieurs (Polytech Montpellier, SupAgro Montpellier) dans le cadre de journées de terrain. La diffusion des résultats vers le public est assurée à l’occasion de réunions publiques (2 réunions en 2008 et 2009). Les chercheurs de la TO1 sont membres de la CLIS de Saint Sébastien d’Aigrefeuille (première réunion le 18/10/2010).
N’hésitez pas à nous contacter pour toute demande concernant la diffusion des données de la TO1 vers le public.
Formation d’étudiants
Le site de Carnoulès constitue un atelier pour des stages de recherche de courte durée et des thèses.
Thèse de Koffi Kouadio (2001-2004). Contribution à l’étude des processus couplés hydrogéochimiques dans les stockes de déchets miniers : le cas du site de Carnoulès (Gard, France). Dir. S. Pistre. Thèse de Odile Bruneel (2001-2004). Contribution à l’étude des mécanismes couplés géochimiques et bactériologiques de transfert de la pollution minière sur le site de Carnoulès (Gard). Dir. F. Elbaz-Poulichet ; Co-dir. J.C. Personné. Thèse de Marion Egal (2005-2008). Signatures chimiques de l’activité bactérienne dans les eaux acides minières. Dir. F. Elbaz-Poulichet. Co-dir. C. Casiot. Bourse BDI CNRS. Post-doctorat de Neelam Verma (PhD, Barkatullah University, Bhopal, M.P., India.) (2009). Biogeochemical processes that control Tl mobility in a basin contaminated by Tl-rich mining residues. Bourse CS UM2. Thèse de A. Volant depuis octobre 2009. Etude des processus microbiens et géochimiques de mobilisation et de piégeage des éléments métalliques issus des activités minières. Dir. F. Elbaz-Poulichet et P. Bertin. Co-dir. O. Bruneel. Bourse Présidente UM2. Thèse de Eleonore Resongles début octobre 2011. Contribution des mines Cévenoles à l’enrichissement en métaux sur le bassin du Gardon. Bourse Présidente UM2. Dir. F. Elbaz-Poulichet. Co-dir. C. Casiot, R. Freydier (HydroSciences), L. Dezileau (Géosciences).
Liste des publications
1. Leblanc, M ; Achard, B. ; Ben Othman, D. ; Luck, J.M. Accumulation of arsenic from acidic mine waters by ferruginous bacterial accretions (stromatolites). Applied Geochemistry, 1996, 11, 541-554.
2. Leblanc, M. ; Casiot, C. ; Elbaz-Poulichet, F. and Personné, J.C. Arsenic removal by oxidising bacteria in a heavily arsenic contaminated acid mine drainage system (Carnoules France). In : Geol. Soc. London. Special publication : "Mine water hydrology, Pollution, Remediation ”. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2001, 464pp.
3. Casiot, C. ; Morin, G. ; Bruneel, O. ; Personné, J.C. ; Leblanc, M. ; Duquesne, K. ; Bonnefoy, V. and Elbaz-Poulichet, F. Bacterial immobilization and oxidation of arsenic in acid mine drainage (Carnoulès creek, France). Water Research, 2003, 37, 2929-2936.
4. Morin, G. ; Juillot, F. ; Casiot, C. ; Personné, J.C. ; Elbaz-Poulichet, F. ; Leblanc, M. ; Ildefonse, P and Calas, G. Bacterial formation of tooeleite and mixed arsenic(III) or arsenic(V)-iron(III) gels in the Carnoulès Acid Mine Drainage, France. A XANES, XRD, and SEM study. Environmental Science and Technology, 2003, 37(9), 1705-1712.
5. Koffi, K. ; Leblanc, M. ; Jourde, H. ; Casiot, C. ; Pistre, S. ; Gouze, P. and Elbaz-Poulichet, F. Reverse oxidation zoning at a mine tailings stock generating arsenic-rich acid waters (Carnoulès, France), Mine Water and the Environment, 2003, 22, 7-14.
6. Bruneel, O. ; Personné, J.C. ; Casiot, C. ; Leblanc, M. ; Elbaz-Poulichet, F. ; Le Flèche, A. and Grimont, P.A.D. Thiomonas sp. mediated arsenic oxidation in acid mine drainage (Carnoulès creek, France), Journal of Applied Microbiology, 2003, 95(3), 492-499.
7. Duquesne, K. ; Lebrun, S. ; Casiot, C. ; Bruneel, O. ; Personné, C., Leblanc, M. ; Elbaz-Poulichet, F. ; Morin, G ; and Bonnefoy, V. Immobilization of arsenite and ferric iron by Acidithiobacillus ferroxidans in acid mine drainage, Applied and Environmental Microbiology, 2003, 69(10), 6165-6173.
8. Casiot, C. ; Leblanc, M. ; Bruneel, O. ; Personné, J.C. ; Koffi, K. ; Elbaz-Poulichet, F. Geochemical processes controlling the formation of As-rich waters within a tailings impoundment (Carnoulès, France). Aquatic Geochemistry 2003, 9, 273-290.
9. Casiot C., Bruneel O., Personné J. C., Leblanc M., Elbaz-Poulichet F. Arsenic oxidation and bioaccumulation by the acidophilic protozoan, Euglena mutabilis, in acid mine drainage (Carnoulès, France). The Science of the Total Environment, 2004, 320, 259-267.
10 Bruneel, O. ; Duran, R.. Koffi, K. ; Casiot, C. ; Fourçans, A. ; Elbaz-poulichet, Françoise ; Leblanc, M. ; Personné, J.C. Microbial diversity in a pyrite-rich tailings impoundment (Carnoulès, France), Geomicrobiology Journal, 2005, 22, 1-9.
11. Casiot, C. ; Lebrun, S. ; Morin, G. ; Bruneel, O. ; Personné, J.C. ; Elbaz-Poulichet, F. Sorption and redox processes controlling arsenic fate and transport in a stream impacted by acid mine drainage, The Science of the Total Environment, 2005, 347, 122-130.
12. Bruneel, O. ; Duran, R. ; Casiot, C. ; Elbaz-Poulichet, F. ; Personné, J.C. Diversity of acidophilic microorganisms involved in Fe-As immobilisation and oxidation in Carnoulès acid mine drainage (France). Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72(1), 551-556.
13. Benzerara, K. ; Morin, G. ; Yoon, T.H. ; Miot, J. ; Tyliszczak, T. ; Casiot, C. ; Bruneel, O. ; Farges, F. ; Brown, Jr., G.E. Nanoscale study of As biomineralization in an acid mine drainage system. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2008, 72(16), 3949-3963.
14. Casiot,C. ; Egal, M. ; Bruneel, O. ; Bancon-Montigny, C. ; Cordier, M.A. ; Gomez, E. ; Aliaume, C. ; Elbaz-Poulichet, F. Hydrological and geochemical control son metals and arsenic in a Mediterranean river contaminated by acid mine drainage (the Amous river, France) ; preliminary assessment of impacts on fish (Leuciscus cephalus). Applied Geochemistry, 2009, 24(5), 787-799.
15. Bruneel O. Pascault N., Egal M., Bancon-Montigny C., Goni M., Elbaz-Poulichet F., Personné J.-C., Duran R. 2008. Archaeal diversity in a Fe-As rich acid mine drainage at Carnoulès (France). Extremophiles. 12, 563-571
16. Egal, M. ; Casiot, C. ; Morin, G. ; Bruneel, O. ; Lebrun, S. ; Elbaz-Poulichet, F. Kinetic control on the formation of tooeleite, schwertmannite and jarosite by Acidithiobacillus ferrooxidans strains in an As(III)-rich acid mine water. Chemical Geology, 2009, 265 (3-4), 432-441.
17. Egal, M. ; Casiot, C. ; Morin, G. ; Elbaz-poulichet, F. ; Cordier, M.A. ; Bruneel, O. An updated insight into the natural attenuation of As concentrations in Reigous Creek (southern France). Applied Geochemistry, 2010, 25, 1949-1957.
18. Casiot, C. ; Egal, M. ; Bruneel, O. ; Verma, N. ; Parmentier, M. Elbaz-Poulichet, F. Predominance of Aqueous Tl(I) Species in the River System Downstream from the Abandoned Carnoulès Mine (Southern France). Environmental Science and Technology, 2011, 45 (6), 2056–2064.
19. Bruneel O., Volant A., Gallien S., Chaumande B., Casiot C., Carapito C., Bardil A., Morin G., Brown Jr. G.E., Personné J.C, Le Paslier D., Schaeffer C., Van Dorsselaer A., Bertin P.N, Elbaz-Poulichet F., Arsène-Ploetze F. Characterization of the active bacterial community involved in natural attenuation processes in arsenic-rich creek sediments. Microbial Ecology, 2011, 61, 793-810.
20. Bertin P.N., Heinrich-Salmeron A., Pelletier E., Goulhen- Chollet F., Arsène-Ploetze F., Gallien S., Lauga B., Casiot C., Calteau A., Vallenet D., Bonnefoy V., Bruneel O., Chane-Woon-Ming B., Cleiss-Arnold J., Duran R., Elbaz-Poulichet F., Fonknechten N., Giloteaux L., Halter D., Koechler S., Marchal M., Mornico D., Schaeffer C., Thil Smith A.A., Van Dorsselaer A., Weissenbach J., Médigue C. and Le Paslier D. Metabolic diversity between main microorganisms inside an arsenic-rich ecosystem revealed by meta- and proteo-genomics. The ISME Journal. Sous presse. Cet article a fait l’objet d’une note dans la revue Science (2011, vol 332, p1128).
Contacts
Corinne Casiot, CR CNRS, Tel : 04 67 14 33 56. Adresse électronique : casiot@msem.univ-montp2.fr
Odile Bruneel, CR IRD, Tel : 04 67 14 36 59. Adresse électronique : bruneel@msem.univ-montp2.fr
Françoise Elbaz-Poulichet, DR CNRS, Tel : 04 67 14 39 31. Adresse électronique : elbaz@msem.univ-montp2.fr
Personnels HydroSciences impliqués dans le suivi du site :
Sophie Delpoux, T CNRS, responsable technique suivi du site, alimentation de la base de données.
Angélique Désoeuvre, AI CNRS, suivi microbiologique.
Eric Gayrard, T CNRS, suivi hydrologique.
Tâche d’Observation 2 (TO2) Approche démographique et perspectives en phytomédiation
Le district minier des Malines (Gard) est un cas exemplaire de pollution très élevée en région méditerranéenne, caractérisé par une forte aridité et une sécheresse estivale, aggravées par un substrat grossier et filtrant. Les sites toxiques présentent une très forte hétérogénéité temporelle des conditions de milieux, due aux variations climatiques annuelles et à la variabilité sous-jacente des effectifs des populations. La plupart des espèces végétales y présentent des populations adaptées aux milieux pollués génétiquement différenciées des populations vivant sur sols non toxiques.
L’ISE-M effectue un suivi démographique annuel des espèces végétales associées à ces environnements extrêmes, mis en relation avec les données climatiques.
À ces suivis écologiques, s’ajoute l’étude de la restauration des sites à l’aide d’espèces tolérantes, effectué par le CEFE. Ces espèces, dites métallophytes, ont un intérêt patrimonial majeur en biologie de la conservation puisque la revégétalisation par ces espèces permet de diminuer considérablement les processus d’érosion et de déclencher un processus de succession qui peut aboutir à une végétation la plus naturelle possible.
Actuellement, les recherches s’orientent vers les graminées ou des légumineuses et leurs bactéries fixatrices d’azote. Ces travaux font appel à des études du sol et de la végétation sur des sites tests (sites pollués des Avinières, Malines et Petra Alba) avec le suivi de la colonisation et des processus d’accumulation des métaux lourds.
Environnement des Observations
Ces recherches se font en collaboration avec des laboratoires nationaux (Laboratoire de Symbioses Tropicales et Méditerranéennes, Montpellier, Unité de Science du Sol, INRA, Versailles) et internationaux (Laboratoire de Génétique et Ecologie Végétales, Université Libre de Bruxelles, Belgique).
Contacts
• Chercheurs : C. Petit, J. Escarré.
