Dissertations / Theses on the topic 'Technosoils'

Les approches de requalification de sites dégradés répondent de plus en plus à un double enjeu de dépollution et de valorisation. Les sols de ces sites, dits « sols très anthropisés », sont très souvent caractérisés par un fonctionnement dégradé lié aux processus anthropo-génétiques à l'œuvre dans ces contextes. Ces processus sont à l'origine de la présence dans ces sols de matériaux exogènes technogéniques ou naturels en quantités et natures variées. Dans ce contexte, les études et réflexions sur leur gestion s'effectuent classiquement sur la fraction fine, obtenue après tamisage à 2 mm, et laisse de côté la fraction dite « grossière », souvent surreprésentée (jusqu'à 50-60 % en masse). Or cette fraction, souvent considérée comme inerte, ne l'est pas nécessairement et sa présence peut éventuellement orienter le fonctionnement des écosystèmes et leur gestion future. Une approche méthodologique a alors été développée grâce à laquelle les dimensions et la nature des objets à étudier ont été précisément définis à travers l'utilisation d'une échelle granulométrique adaptée et la construction d'une typologie. Le couplage de cette approche à des caractérisations physico-chimiques a démontré la capacité de discrimination de la stratégie de tri mise en œuvre. La typologie a ainsi pu être amendées avec les informations liées aux composés caractéristiques des catégories de matériaux identifiées. Sur cette base, cinq matériaux modèles (anthracite, brique, calcaire, coke de pétrole et laitier de haut fourneau) ont été sélectionnés afin d'aider à la généralisation des résultats. Un processus d'adaptation des méthodes standardisées d'analyses de sol a alors été développé afin d'évaluer la réactivité des fractions granulométriques grossières. Ces dernières ne sont pas inertes et leur réactivité, bien qu'elle soit réduite par rapport à la fraction fine d'un point de vue massique, est uniquement dépendante du type de matériau et de la surface des particules. Pris seuls, les matériaux modèles sélectionnés présentent un niveau de fertilité insuffisant pour le développement du végétal et ne sont que marginalement à l'origine d'une toxicité. Ces résultats indiquent, qu'au sein du sol, les fractions grossières constituent un stock pérenne d'éléments mobilisables dans le temps à travers le processus d'altération mis en jeu par la pédogenèse. Ceci a été confirmé avec des essais de culture de végétaux sur des substrats à la formulation originale associant fractions grossières, fractions fines et matériaux inertes en conditions contrôlées en laboratoire et en lysimètres à l'échelle pilote de terrain. La contribution directe des fractions grossières à l'alimentation de la solution du sol en éléments puis à la nutrition minérale des végétaux est mise en évidence à court et à moyen termes. Ces fractions jouent également un rôle majeur dans le fonctionnement hydrique du sol en contribuant significativement à la rétention, au stockage de l'eau et à la libération d'éléments. Le type de matériau apparaît être le facteur principal gouvernant l'intensité de ces effets. Ces travaux de thèse ont ainsi permis de replacer les fractions granulométriques grossières dans un rôle actif dans le fonctionnement et l'évolution des sols très anthropisés. Les résultats obtenus apportent des connaissances nouvelles pour le génie pédologique et les acteurs de la gestion des sols très anthropisés. A cet effet, une procédure systématique de diagnostic des fractions granulométriques grossières a été proposée dont les effets doivent servir deux objectifs, i) enrichir les connaissances liées aux constituants des fractions grossières et ii) permettre une prise de décision éclairée, basée sur une connaissance plus complète du contenu d'un sol très anthropisé, autorisant une meilleure gestion en fonction du type de renaturation visée
The approaches of requalification of degraded sites increasingly answer the double challenge of depollution and valorization. The soils of these sites, known as "highly anthropized soils", are often characterized by a disturbed functioning due to anthropogenetic impacts. In particular, anthropic actives are responsible for the presence in these soils of exogenous materials, from both technogenic or natural origins, in varying quantities and natures. In this context, all the diagnoses and considerations regarding their management are carried out on the fine fraction, obtained after sieving at 2 mm, and ignore the so-called "coarse" fraction, which is often overrepresented (up to 50-60% by mass). This fraction, considered as inert, may not necessarily be so and its presence may have important consequences on the functioning of ecosystems and their future management.A dedicated methodological approach was developed. First, the dimensions and nature of the objects to be studied were precisely defined using an appropriate granulometric scale and the construction of a typology. This approach coupled to physico-chemical characterizations confirmed the efficiency of the tested screening strategy and fully enabled a precise and meaningful discrimination among coarse materials. The typology was thus implemented with composition characteristics of the material categories. On this basis, five reference materials (anthracite, brick, limestone, petroleum coke and blast furnace slag) were selected in order to allow for the generalization of the results. An adaptation process of standard soil analysis methods was then developed in order to assess the reactivity of coarse granulometric fractions. Results showed that coarse fractions are not inert. Their reactivity, although reduced compared to the fine fraction from a mass point of view, is only dependent on the type of material and the surface of the particles. Taken alone, the selected model materials present an insufficient level of fertility for plant development and are only marginally at the origin of toxicity. In an overall soil system, the coarse fraction constitutes a perennial stock of elements of interest that can be mobilized over time through the weathering processes generated by pedogenesis. The direct contribution of coarse fractions to plant nutrition was confirmed both under controlled conditions in the laboratory and in lysimeters at the pilot field scale. They also significantly contribute to water retention and storage. The type of material is the main factor governing the intensity of these effects.This thesis work has thus positioned the coarse granulometric fractions as being an active part of the functioning of highly anthropized soils. The results obtained provide new knowledge for stakeholders involved in soil engineering and highly anthropized soils management. To this end, a systematic procedure of diagnosis of coarse granulometric fractions has been proposed, the effects of which should serve two purposes, i) to enrich the knowledge related to the constituents of coarse fractions and ii) to allow an insightful decision-making process, based on a complete knowledge of the reality of a highly anthropized soil, authorizing an optimal and sensible management according to the targeted type of renaturation

Les Technosols sont des sols fortement impactés par les activités humaines et dont la couverture n'a de cesse d'augmenter depuis le début de l'Anthropocène. Ils sont caractérisés par leurs concentrations notables en artéfacts (i.e. matériaux parents d'origine anthropique) dont l'origine, la nature et la réactivité sont extrêmement variables. Les artéfacts influencent largement les propriétés et la pédogenèse des Technosols, et donc aussi la dynamique du carbone dans ces sols. Néanmoins, le caractère récent de l'étude des Technosols et leur forte hétérogénéité impliquent que le niveau actuel de connaissances sur le stockage de carbone est très limitée. Les recherches conduites ont tout d'abord permis de constituer la première base de données sur les stocks de carbone dans les Technosols. Il en ressort que les Technosols figurent parmi les sols du Monde avec les stocks de carbone les plus élevés, même si ceux-ci se caractérisent par une très forte variabilité, sans équivalent pour les autres sols. La base de données permet également de mettre en évidence l'influence de facteurs tels que le climat et le mode d'occupation des sols. Dans un second volet, une expérimentation en conditions contrôlées a permis d'évaluer le potentiel de minéralisation d'une gamme d'artéfacts organiques seuls ou en présence de matière organique naturelle. Les résultats soulignent la récalcitrance de certains artéfacts fréquemment rencontrés dans les Technosols (coke, charbon, biochar). Ces artéfacts interagissent également avec la matière organique naturelle et peuvent limiter sa minéralisation. Enfin, le suivi et la caractérisation des stocks de carbone de Technosols en conditions réelles ont été effectués. Alors que certains stocks restent pseudo-stables au cours du temps, d'autres diminuent de manière continue et l'un des Technosols présente une cinétique en deux phases : une courte décroissance, suivie d'une augmentation continue du stock. En lien avec les résultats précédents, la nature des artéfacts et les processus associés apparaissent essentiels dans cette dynamique. Il en ressort aussi que le mode de gestion de la biomasse est un facteur contrôlant l'évolution du stock
Technosols are soils strongly impacted by human activities and whose surface is continuously increasing since the beginning of the Anthropocene. They are characterized by their significant concentrations of artefacts (i.e. parent materials of anthropogenic origin) whose origin, nature and reactivity are extremely variable. Artefacts influence largely the properties and pedogenesis of Technosols, and thus also the carbon dynamics in these soils. Nevertheless, the recent character of the study of Technosols and their strong heterogeneity imply that the current level of knowledge on carbon storage is very limited. The first part of this work aims at creating the first database on carbon stocks in Technosols. It shows that Technosols are among the soils in the world with the highest carbon stocks, even if they are characterized by a very high variability, without equivalent for other soils. The database also highlights the influence of factors such as climate and land use. In a second part, an experiment under controlled conditions allowed to evaluate the mineralization potential of a range of organic artefacts alone or with natural organic matter. The results underline the recalcitrance of certain artefacts frequently encountered in Technosols (coke, coal, biochar). These artefacts also interact with the natural organic matter and can limit its mineralization. Finally, the monitoring and characterization of carbon stocks in Technosols have been carried out. While some stocks remain stable over time, others decrease continuously and one of the Technosols shows a two-phase kinetic: a short decrease, followed by a continuous increase of the stock. In connection with the previous results, the nature of the artefacts and the associated processes appear essential in these dynamics. It also shows that the soil biomass management is a factor controlling the evolution of the stock

La végétalisation d'espaces en zone urbaine nécessite l'utilisation de grandes quantités de ressource naturelle terreuse. Pour préserver cette ressource non renouvelable, le génie pédologique propose une stratégie de construction de Technosols fertiles à partir du recyclage de déchets et sous-produits. Les propriétés des Technosols sont alors fortement influencées par les matériaux technogéniques qui les constituent. La formulation de mélanges performants pour la croissance des végétaux urbains passe par une analyse scientifique préalable. La fertilité des mélanges et leur évolution au cours du temps peuvent être appréciées par l'étude du processus d'agrégation et du transfert d'éléments nutritifs lors des stades précoces de la pédogenèse. Le modèle expérimental de Technosol construit proposé dans la Thèse développe une méthodologie aboutissant à la sélection de 11 matériaux (ballasts, béton, boues de station d'épuration urbaine, briques, compost de boues et de déchets verts, déchets de balayage de rue, déchets de démolition, déchets verts, terres excavées de profondeur, sous produits papetiers) représentatifs des gisements de déchets recensés au niveau européen et compatibles avec la construction de sol fertile. Le potentiel fertile initial de chaque matériau pur et de certaines combinaisons de mélanges a été mesuré. Puis des expériences menées en conditions contrôlées ont permis d'évaluer l'effet de différents facteurs pédogénétiques (e.g. anthropique, climatique et biologique) sur les processus déterminant de la fertilité des Technosols construits. Les résultats indiquent (i) qu'il est possible de construire un Technosol fertile exclusivement à partir de deux ou trois déchets aux propriétés physico-chimiques complémentaires; (ii) que les propriétés des mélanges sélectionnés peuvent être modélisées à partir des propriétés initiales de leurs matériaux parents.(iii) que lors des premiers stades d'évolution pédogénétique des mélanges, des agrégats stables se forment en fonction de la nature et des propriétés des matériaux parents, (iv) que les transferts d'éléments nutritifs sont fortement dépendants de la nature des matières organiques et du procédé de mélange des particules entre elles. La libération d'éléments nutritifs (e.g. phosphore) serait liée à la taille et la quantité des agrégats formés et en corollaire à la mise en place d'une organisation porale. Les connaissances acquises sur le fonctionnement et l'évolution des Technosols construits à partir de déchets apportent des connaissances nouvelles pour le génie pédologique. La méthode de choix de déchets ainsi que le procédé de formulation de mélanges développés dans ces travaux permettent d'obtenir des mélanges voire des sols construits performants par rapport à des usages attendus. Les modèles d'évolution des mélanges permettent de prédire au cours du temps la fertilité physico-chimique des Technosols construits. Dans le cadre du programme SITERRE-ADEME (2010-2015), les résultats acquis constituent des bases incontournables dans le développement d'un outil d'aide à la décision pour les gestionnaires (e.g. collectivités, bureaux d'étude, entreprises) auquel doit être associée une expertise sur la construction de sol pour la production de biomasse végétale
Greening of urban spaces requires large amounts of arable soil which is a non-renewable resource. To preserve this resource, a strategy is proposed to build fertile Technosols from wastes and by-products by pedological engineering. The properties of Technosols are highly influenced by their constitutive technogenic materials. In order To create favourable mixtures of materials for urban plant growth a preliminary scientific analysis is required. The fertility of the mixtures and their evolution can be assessed by the study of the aggregation process and nutrients transfer during the first stage of pedogenesis. An experimental model of constructed Technosol is proposed in this work. From this model a methodology is developed for the selection of eleven constitutive materials (e.g. bricks, compost made of sludge and green waste, concrete, demolition rubble, excavated earth materials, green wastes, paper mill sludge, sewage sludge, street sweeping wastes, track ballast). Each of these materials is representative of wastes deposits listed European wide and they are suitable candidates for the construction of fertile soils. The fertility of each pure material and of selected mixtures has been determined. Thereafter, experiments under controlled conditions enabled to assess the impact of different pedogenesis factors (e.g. anthropogenic, climatic and biological) involved in the definition of the fertility of constructed Technosols. The results demonstrate (i) the feasibility of the formulation of fertile constructed Technosols exclusively with two or three wastes presenting contrasted physico-chemical properties; and (ii) that the properties of selected mixtures can be modelled using the initial properties of their constitutive parent materials ; (iii) that during the first stage of pedogenesis of the mixtures, depending on parent materials nature and properties, stable aggregates can be formed, (iv) that nutrients transfer are highly dependent on organic matter nature and the process of particles mixing. The delivery of nutrients (e.g. phosphorus) seems to be related to the amounts and size of the formed aggregates and, consequently, to the established porosity. The understanding of the functioning and evolution of Technosols constructed with waste materials provides new knowledge for the development of pedological engineering. The methodology of wastes selection and the mixing process developed in this work enables us to propose mixtures and constructed soils favourable to various uses. The evolution models of the mixtures developed in this work allow the prediction of the physico-chemical fertility of constructed Technosols. The results acquired during this thesis are the main basis of a decision support tool for green spaces operators developed in the framework of the research program SITERRE-ADEME (2010-2015). The use of this decision support tool for plant biomass production, has to be associated with an expertise in soil construction

Les Technosols forment une nouvelle classe de sols, caractérisée par une forte influence anthropique dont le fonctionnement est peu étudié. L'agrégat étant l'intégrateur de l'histoire du sol et révélateur de son fonctionnement actuel, l'étude du processus d'agrégation est de ce fait une entrée pertinente pour comprendre le fonctionnement des Technosols et les stades vers lesquels ils peuvent évoluer. A partir d'échantillons de sol prélevés sur une parcelle d'un hectare, un protocole non destructif de quantification directe de la porosité et de l'agrégation par analyse d'images a été mis en place. Les résultats montrent qu'au bout de deux ans, le Technosol construit se compacte avec une réduction de la surface de des pores de diamètre > 25 µm et une augmentation des pores < 25 µm. Malgré cette compaction, l'agrégation augmente avec le temps. Pour suivre la dynamique de la porosité et d'agrégation de ce Technosol en fonction de facteurs choisis de pédogenèse, un dispositif de visualisation in situ a été conçu. Les résultats d'analyse d'images ont montré que dans les stades précoces d'évolution des sols, la porosité et l'agrégation augmentent significativement. Ensuite, elles baissent significativement dans la modalité « humectation-dessiccation» tout en continuant d'augmenter dans les modalités « plante » et « faune + plante ». Cette augmentation est proportionnelle à l'âge des racines et à l'intensité de l'action des vers de terre. Le « Technosol construit » est alors un modèle expérimental dont la constitution organominérale et le fonctionnement sont très largement contrôlés, en comparaison de sols « naturels » évolués dont le point initial de développement est quasi systématiquement inconnu
Technosols form a new class of soils, which is characterized by a strong anthropogenic influence of which functioning is less studied. Aggregates can be considered as an integrator of soil history and an indicator of soil bio functioning, therefore studying the process of aggregation is a relevant way to understand how technosols operate and states towards which they will evolve. Through samples collected on a hone hectare plot, a protocol of none destructive direct quantification of aggregates and porosity by thin sections images analysis has been performed. Results showed that this Technosol is compacting with a decrease of pores with an equivalent diameter >2000 µm and an increase of those <25µm. Despite this compaction, the aggregation increases with time. To study the dynamics of porosity and aggregation of this constructed Technosol as function of pedogenetic factors, a dispositive of in situ soil visualization has been developed. Results of images analysis showed that, during the early stage of soil evolution, porosity and aggregation increase significantly in all modalities. Then, they significantly decrease in ?wetting drying cycle? modality but continued increasing in ?plant? and ?plant-earthworm? modalities. This increase is proportional to the age of plants roots and intensity of earthworm?s activity. The ?constructed Technosol? is therefore an experimental soil model whose organomineral contents and function are well controlled compared to so-called ?natural soils?. In these evolved natural soils, the starting point is quite systematically unknown

Dans le contexte de la rareté croissante des ressources naturelles non renouvelables, le génie pédologique permet de construire des Technosols fertiles exclusivement à partir du recyclage de sous-produits industriels délaissés. Cependant, la croissance des plantes peut être limitée par différentes contraintes liées à la présence de contaminants inorganiques dans les matériaux utilisés. L’agromine, qui vise à recycler les métaux stratégiques de l’environnement, représente alors une stratégie écologique et prometteuse pour la gestion durable de ces agrosystèmes. Afin de mieux comprendre les processus contrôlant la pédogenèse et l’évolution des Technosols, ainsi que le potentiel d’agromine sur ces sols, une série d’expériences en conditions contrôlées et sur le terrain ont été réalisées avec (i) Noccaea caerulescens, espèce hyperaccumulatrice de Cd, Ni et Zn (ii) sur des Technosols construits à partir de matériaux délaissés contaminés ou non en métaux (iii) amendés ou non en produits résiduaires organiques (compost ou biochar). A l’échelle du terrain, les résultats attestent que les propriétés des Technosols construits sont fortement influencées par les matériaux parents utilisés. Les sous-produits industriels utilisés dans la construction de sol peuvent avoir un effet initial indésirable pour la production de biomasse végétale due à l’augmentation de la salinité du sol. Une caractérisation fine de la spéciation des métaux a mis en évidence une évolution très rapide des Technosols, en particulier, la dissolution et la lixiviation des phases minérales solubles et la formation de nouvelles phases sorbantes (oxydes de Fe et de Mn) réduisant la disponibilité chimique des métaux. En conditions contrôlées, les amendements en biochar ou en compost tendent à améliorer la disponibilité en éléments nutritifs. Ceci peut être attribué à l’augmentation des activités enzymatiques et de la diversité microbienne, tant structurelle que fonctionnelle, en particulier lors d’addition de compost. Il en résulte une augmentation des teneurs en éléments essentiels dans les parties aériennes de la plante. Concernant les éléments en traces, l’addition au sol de biochar conduit à une diminution de leur disponibilité, alors qu’un effet inverse a été observé lors d’addition de compost. Toutefois les deux amendements augmentent les teneurs en métaux dans les parties aériennes avec un effet supérieur du compost par rapport au biochar. Ainsi, l’espèce hyperaccumulatrice Noccaea caerulescens a montré son aptitude à s’établir sur des Technosols peu fertiles et à concentrer Cd et Zn à des valeurs supérieures au seuil d’hyperaccumulation démontrant la faisabilité de l’agromine de ces métaux. Par ailleurs, les deux amendements organiques semblent pertinents pour améliorer la phytoextraction sur des Technosols construits
In the context of the increasing scarcity of non-renewable natural resources, the soil engineering has already allowed to build fertile Technosols exclusively from the recycling of abandoned industrial byproducts. However, it has also been shown that plant growth can be limited by various constraints related to the presence of inorganic contaminants in the used materials. Therefore agromining, which aims to recycle strategic metals from the environment, represents a promising strategy for ecological and sustainable management of these agricultural systems. To better understand the processes controlling pedogenesis and evolution of Technosols and the potential of agromining on these soils, a series of experiments in controlled conditions and field were performed with (i) Noccaea caerulescens, a hyperaccumulator species of Cd and Zn, (ii) on Technosols constructed from abandoned materials (iii) amended or not with organic compounds (compost or biochar). At the field scale, the results attest that Technosols properties are strongly influenced by the used parent materials. Industrial by-products used in soil construction can have an adverse effect for the initial plant biomass production due to the increase in soil salinity. A detailed characterization of metal speciation highlighted a very rapid evolution of Technosols in particular the dissolution and leaching of soluble mineral phases and the formation of new sorbent phases (Fe oxides and Mn) reducing the chemical availability metals. Under controlled conditions, biochar or compost amendments tend to improve nutrient availability. This can be attributed to the increase in enzyme activities and microbial diversity, at both structural and functional level, particularly in case of compost addition. This results an increase of essential elements content in the aerial parts of the plant. Regarding trace elements, adding to the soil biochar leads to a decrease of their availability, while an opposite effect was observed during compost addition. However, the two amendments increase the concentration of metals in shoots with a superior effect of compost with respect to biochar. Thus, hyperaccumulator species Noccaea caerulescens has shown its ability to establish on low fertility Technosols and concentrate high levels of Cd and Zn above the threshold of hyperaccumulation demonstrating then the feasibility of agromining of these metals. Moreover, both amendments appeared relevant to improve phytoextraction from abandoned industrial materials

Les Technosols comprennent les sols soumis à une forte pression anthropique et en particulier les sols influencés par les matériaux d'origine humaine. Dans ce contexte, les sites miniers abandonnés peuvent souvent contenir une grande quantité de déchets transformés enrichis en métaux et métalloïdes. En comparaison avec les sols naturels, la singularité des Technosols miniers correspond à leur matériel parental constitués de déchets minéraux de granulométrie fine. Contrairement à leurs homologues peu anthropisés, les Technosols sont encore assez mal connus. L'objectif global de cette étude est d'approfondir les connaissances des processus pédogénétiques des Technosols développés naturellement à partir de déchets miniers de façon à mieux anticiper la réhabilitation de ces sites. Ainsi, différents profils ont été échantillonnés correspondant respectivement à d’anciennes exploitations de W, Pb-Ag, Sn et Au. Leurs fonctionnements pédologiques ont dès lors été étudiés afin de déterminer les liens potentiels et les leviers guidant leur évolution. Cette étude préliminaire correspond à une image contemporaine de ce que peut donner une réhabilitation naturelle (par simple formation de solum après végétation spontanée) pour une durée d’environ 75 ans en moyenne. Dans un second temps plusieurs techniques de réhabilitation ont été étudiés respectivement: (i) la phytoremédiation par culture du Douglas ainsi que (ii) la revalorisation des déchets par synthèse de géopolymères enrichis en déchets miniers
The Technosols include soils subject to strong anthropogenic pressure and particularly to the soil influenced by human-made materials. In this context, abandoned mine sites can contain a large amount of transformed waste materials often enriched with metals and metalloïds. Compared to natural soils, the singularity of mining Technosols naturally developed from mining waste corresponding to their parental material made by fine-grained mineral waste. Unlike their poorly anthropized homologous, Technosols are not enough well known. So, the overall objective of this study is to increase knowledge of soil processes of Technosols after spontaneous vegetation impact. Thus, different profiles were sampled respectively corresponding to different abandoned mine exploitation type: W, Pb-Ag, Sn and Au. Their pedogenic way have therefore been studied to determine potential linkages and levers guiding their evolution. This preliminary study is based on the contemporary picture of a natural rehabilitation (by simple solum formation) for a period of about 75 years on average. Secondly several rehabilitation techniques have been studied respectively: (i) the phytoremediation by growing Douglas plant and (ii) the reused of waste by mine sediment based geopolymer synthesis

L’imperméabilisation des sols en ville génère des problématiques aigües au niveau du cycle de l’eau urbaine : dégradation de la qualité des eaux de ruissellement, saturation des réseaux de collecte, risque d’inondation. Parmi différentes solutions, la construction de toitures végétalisées offre de nouvelles perspectives dans la gestion de ces eaux pluviales urbaines. De telles structures jouent en effet un rôle de régulation hydrique en retardant les pics de débit lors des pluies d’orage et plus globalement en diminuant les flux envoyés vers les réseaux. L’objectif de cette thèse est de quantifier et de modéliser les performances hydriques ce type de Technosol urbain, en intégrant à la fois les variations saisonnières et le vieillissement de la toiture végétalisée. Le travail repose en premier lieu sur une caractérisation physique et hydrique des constituants des toitures, à travers une démarche pour partie originale de transposition des méthodes développées sur les sols. Ensuite, un suivi expérimental (monitoring des flux et paramètres météorologiques) de quatre modalités de toitures – dont deux équipées d’une structure innovante de stockage d’eau – a été effectué à deux échelles : le laboratoire et le bâtiment. La modélisation et la simulation numérique du transport de l’eau a enfin été effectuée à l’aide du logiciel HYDRUS-1D, avec le formalisme des équations de Richards qui décrivent le transfert en conditions insaturées et la résolution de van Genuchten-Mualem. Les recherches ont permis de caractériser, sur une base physique robuste, les écoulements au sein de ces milieux poreux complexes. Une estimation des performances de différentes modalités de toitures au cours de trois années climatiques est proposée en contexte climatique Lorrain. La démarche de modélisation permet de décrire fidèlement les transferts à l’échelle du laboratoire mais tend à sous-estimer les flux in situ. À plus long terme, ces travaux permettent d’envisager aussi bien la simulation du comportement de toitures végétalisées sous d’autres climats, que des développements technologiques basées sur des nouvelles associations de constituants
The sealing in cities highly degrades the buffer and filter functions of soils which generates and/or emphasizes major environmental issues (e.g. urban heat island, flooding, pollution of the runoff water). Among other technologies, advances in green roof engineering provide solutions for the management of urban rainwater. Indeed, green roofs can highly contribute to water regulation service by delaying run-off peaks and decreasing water fluxes to storm water collection network. The purpose of this work is to quantify and model the hydric performances of such an urban Technosol by taking into account the seasonal variations and the aging of the green roof. Physic and hydric measurements were conducted on the green roof constituents. Then, water fluxes and meteorological parameters were monitored in four green roofs parcels – including two with an innovative water storage structure – both at the lab and the building scales. Finally, the hydrodynamics of green roofs was modeled and numerically investigated with HYDRUS-1D in the framework of the Richards equations and the van Genuchten-Mualem model that describe unsaturated flows. As a result: i) the water flows inside these complex porous media were physically characterized, ii) the hydric performances of different parcels over three years, under Lorraine climate, were evaluated, iii) the model approach reached to a good description of the hydraulic behavior at the lab-scale but tends to underestimate in situ water fluxes. Beyond that, this work can provide a robust approach to simulate water transfer in green roofs under different climates or situations and may also contribute to further technological development

Les Technosols issus de l’arrêt des activités industriels présentent des propriétés physico-chimiques très contrastées de celles de sols naturels et peuvent renfermer de fortes teneurs en polluants organiques (e.g. composés aromatiques polycycliques (CAP)). Leur abandon pendant des décennies a entrainé l’apparition d’une pédogenèse, particulièrement sous l’influence de facteurs climatiques et supposé entrainer un phénomène d’atténuation naturelle des polluants organiques bien que ces effets ne soient rarement identifiés. Nous proposons ainsi de modéliser l’évolution de la disponibilité des CAP au cours du temps et sous l’influence du facteur climatique. La première étape a été de transcrire des données climatiques atmosphériques en conditions pédoclimatiques et ce, selon les effets de la localisation à l’échelle mondiale, de scénarios de changements climatiques (GIEC), des propriétés des sols et de la profondeur. L’effet de modalités pédoclimatiques sur la disponibilité des CAP a ensuite été testée en conditions contrôlées et sur 11 terres industrielles contrastées (cokeries, usines à gaz). Les conséquences de ces variations de disponibilité des CAP sur la toxicité des sols ont ensuite été validées par un test de croissance de Zea mays L sur les terres vieillies. Les résultats ont été incrémentés dans les modélisations des pédoclimats permettant ainsi de prédire l’évolution de la disponibilité des CAP. Si les conditions climatiques actuelles participent à une diminution de la disponibilité des CAP, le phénomène inverse se produit suite à un réchauffement climatique, que nous définirons comme amplification naturelle, soulignant à nouveau les risques potentiels liés aux changements climatiques sur les sols
Technosols linked with the end of industrial activities depict contrasted properties from those of natural soils and may contain high concentration of organic pollutants (e.g. polycyclic aromatic compounds (PAC)). Their neglect led to the apparition of pedogenetic processes particularly under the influence of climate which potentially contribute to the natural attenuation phenomenon. Hence, we suggest a new method to predict the evolution of PACs’ availability over time and under the influence of climate. The first step was to build a transcription model to predict the pedoclimate evolution derived from weather datasets and under the influence of climate location, climate change scenarios (IPCC), soil properties and depth. The effect of pedoclimatic events on the evolution of PAC availability was then tested in controlled conditions and on 11 contrasted industrial soils (coking plant and gas plant). This allowed predicting the frequency and occurrence of major pedoclimatic events (e.g. freeze-thaw, wetting-drying cycles and periods of high temperature) that drive pedogenesis. The consequence of these availability variation on toxicity were then tested using a growth test of Zea mays L. on aged soils, confirming that PAC availability and soil phytotoxicity are linked. The aging results were then incremented into the pedoclimate model to predict the evolution of PAC availability over time. As the current climatic conditions lead to a decrease in PAC availability (natural attenuation), the opposite effect is observed under the warmer climate of 2100. We described this phenomenon as natural amplification which underlines the upcoming threat of climate change on soils

Increasing soil degradation and its consequences on overall ecosystem services urge for restoration strategies. Construction of Technosols through assemblage of treated soil and industrial wastes is an innovative technology for the restoration of polluted land and re-use of industrial by-products. Recent studies have evidenced that Technosols could support ecosystemic services such as primary production but the knowledge about other soil functions, such as biogeochemical cycling, is limited. Due to the significant contribution of microbial communities to soil functioning, this PhD work was carried out to study the effect of the type of Technosol on microbial communities with a focus on functional guilds involved in N cycling. For this purpose, the abundance and diversity of the total bacterial community and the abundance of crenarchaeal community together with the abundance and activities of the nitrifying and denitrifying communities were investigated in two types of Technosols. Results demonstrated that diversity and composition of the bacterial community were similar to 'natural soils' and were not significantly different between the two Technosols with Proteobacteria being the dominant phylum (50-80%). The bacterial ammonia oxidizers were greater in number than crenarchaeal ammonia oxidizers but also correlated to the potential nitrification activity suggesting that bacteria are the dominant ammonia oxidizers in Technosols. The abundance of both the ammonia oxidizers and the denitrifiers were in the same range than that observed in other soil systems. Analyses of the vertical distribution of the activity and abundance of N-cycling communities in the Technosols showed a significant depth-effect, which was more important than the Technosol type-effect. Technosols physicochemical properties and the abundance of the bacterial ammonia oxidizers were the main drivers of the nitrification activity whereas the denitrification activity was controlled mainly by the Technosols physicochemical properties and, to a minor extent, by the abundances of the nirS denitrifiers. The estimation of the functional stability of the denitrification process against the heat-drought stresses revealed that Technosol exhibited the high resistance and resilience in comparison to the thermally treated soil. This work highlighted the potential of constructed Technosols to ensure the N cycling ecosystem services, along with a high capacity to resist and recover from environmental stresses, suggesting that construction of Technosols is a promising technology and a solution for the restoration of industrial wastelands and waste recycling

L'augmentation de la dégradation des sols et ses conséquences sur les services écosystémiques nécessite le développement de stratégies de restauration de ces sols. La constitution de Technosols, résultant de l’assemblage de sols pollués et de déchet industriels, est une approche innovatrice pouvant à la fois permettre de restaurer les sols et de recycler des sous-produits industriels. Des études récentes ont mis en évidence que les Technosols pouvaient assurer des services écosystémiques tels que la production primaire. Toutefois, notre connaissances des autres services écosystémiques rendus par les Technosols tels que les cycles biogéochimiques est limitée. En raison de la contribution significative des communautés microbiennes aux cycles biogéochimiques dans les sols, l’objectif de ce travail de thèse était l’effet du type de Technosol sur les communautés microbiennes et plus particulièrement les communautés fonctionnelles impliquées dans le cycle de l’azote. Dans ce contexte, (i) la densité et la diversité de la communauté bactérienne totale, (ii) la densité de la communauté crenarchéenne ainsi que (iii) la densité et les activités des communautés nitrifiante et dénitrifiante ont été étudiées dans deux types de Technosols différents. Les résultats obtenus montrent que la diversité et la composition de la communauté bactérienne des deux Technosols n'étaient pas significativement différentes entre elles, et similaires à celles de ‘sols naturels’, les Proteobacteria étant le phylum dominant (50-80%). La densité de la communauté bactérienne oxydant l’ammonium était non seulement plus importante que celle des crenarcheae qui oxyde l’ammonium, mais est également corrélée avec l'activité potentielle de nitrification suggérant ainsi que les bactéries sont responsables de l’oxydation de l’ammonium dans les Technosols. La densité des dénitrifiants et de la communauté oxydant l’ammonium sont du même ordre de grandeur que celles observées dans les sols agricoles. L’analyse de la distribution de l'activité et de la densité des communautés nitrifiante et dénitrifiante dans les différents horizons des Technosols montre un effet négatif de la profondeur, cet effet étant plus marqué que l’effet du type de Technosol étudié. Les propriétés physico-chimiques des Technosols et la densité de la communauté bactérienne oxydant l’ammonium sont corrélés à l'activité de nitrification alors que l'activité de dénitrification était contrôlée principalement par les propriétés physico-chimiques des Technosols, et dans une moindre mesure par la densité de la communauté dénitrifiant possédant le gène nirS. L'estimation de la stabilité fonctionnelle du processus de dénitrification vis-à-vis de périodes stress hydrique et thermique a montré que les Technosols présentaient une plus haute résistance et une meilleure résilience que des sols remédiés par traitement thermique uniquement. Ce travail souligne le potentiel des Technosols à assurer les services écosystémiques tels que le cycle de l’azote, ainsi que leur forte capacité à résister et à se remettre de stress environnementaux. Tout ceci semble donc indiquer que la construction de Technosols est une technologie prometteuse qui pourrait permettre la restauration de friches industrielles et le recyclage des déchets industriels
Increasing soil degradation and its consequences on overall ecosystem services urge for restoration strategies. Construction of Technosols through assemblage of treated soil and industrial wastes is an innovative technology for the restoration of polluted land and re-use of industrial by-products. Recent studies have evidenced that Technosols could support ecosystemic services such as primary production but the knowledge about other soil functions, such as biogeochemical cycling, is limited. Due to the significant contribution of microbial communities to soil functioning, this PhD work was carried out to study the effect of the type of Technosol on microbial communities with a focus on functional guilds involved in N cycling. For this purpose, the abundance and diversity of the total bacterial community and the abundance of crenarchaeal community together with the abundance and activities of the nitrifying and denitrifying communities were investigated in two types of Technosols. Results demonstrated that diversity and composition of the bacterial community were similar to ‘natural soils’ and were not significantly different between the two Technosols with Proteobacteria being the dominant phylum (50-80%). The bacterial ammonia oxidizers were greater in number than crenarchaeal ammonia oxidizers but also correlated to the potential nitrification activity suggesting that bacteria are the dominant ammonia oxidizers in Technosols. The abundance of both the ammonia oxidizers and the denitrifiers were in the same range than that observed in other soil systems. Analyses of the vertical distribution of the activity and abundance of N-cycling communities in the Technosols showed a significant depth-effect, which was more important than the Technosol type-effect. Technosols physicochemical properties and the abundance of the bacterial ammonia oxidizers were the main drivers of the nitrification activity whereas the denitrification activity was controlled mainly by the Technosols physicochemical properties and, to a minor extent, by the abundances of the nirS denitrifiers. The estimation of the functional stability of the denitrification process against the heat-drought stresses revealed that Technosol exhibited the high resistance and resilience in comparison to the thermally treated soil. This work highlighted the potential of constructed Technosols to ensure the N cycling ecosystem services, along with a high capacity to resist and recover from environmental stresses, suggesting that construction of Technosols is a promising technology and a solution for the restoration of industrial wastelands and waste recycling

Les besoins en terre végétale pour l’aménagement d’espaces verts urbains induisent un prélèvement de sols agricoles ou naturels. D’autre part, des volumes considérables d’horizons profonds excavés lors de la construction de bâtiments sont mis en décharge en périphérie des villes, avec un impact sur l’environnement. Le recyclage de ces déchets inertes pour la construction de sols des espaces verts apparaît comme une solution prometteuse. Il est toutefois nécessaire de s’assurer que ces Technosols construits peuvent accueillir une diversité végétale et animale pour délivrer des services écosystémiques, comme propose de le faire ce travail de thèse. La composition des mélanges de matériaux (horizons profonds, compost de déchets verts, béton concassé) a été manipulée dans une expérimentation de 4000 m² en collaboration avec l’entreprise ECT et le CD 93. Un suivi de quatre ans a montré que le compost utilisé était responsable de la mort de certains arbres, mais qu’associé au béton, il augmentait fortement leur vitesse de croissance et de colonisation par la macrofaune. En usage prairial, l’ajout de compost a augmenté la production de biomasse et modifié l’assemblage de la communauté végétale, en favorisant les espèces compétitives, mais pas de la macrofaune. Dans une expérience en mésocosmes visant à étudier le lien entre diversité végétale et productivité, une complémentarité entre espèces a été observée pour une des trois communautés, à un niveau de fertilité intermédiaire. Il est donc possible d’améliorer la productivité primaire de nouveaux écosystèmes en manipulant la composition des mélanges de matériaux tout en évitant la dominance de certaines espèces, afin de conserver des communautés diversifiées
Topsoil requirements for the development of urban green spaces induce a harvest of agricultural or natural soils. On the other hand, huge volumes of deep horizons excavated during the construction of buildings are dumped on the outskirts of cities, with an impact on the environment. The recycling of these inert wastes for the construction of soils for green spaces appears as a promising solution. However, it is necessary to ensure that these constructed Technosols are suitable for plant and animal diversity, and can deliver ecosystem services, as proposed by this thesis. The composition of the material mixes (deep horizons, urban green waste compost, crushed concrete) was manipulated in a 4000 m² experiment in collaboration with the company ECT and CD 93. A four-year monitoring showed that the compost used was responsible for the death of some trees, but associated with concrete, it greatly increased their growth rate and macrofaunal colonization. In the meadow land use, the addition of compost increased biomass production and altered the assemblage of the plant community, favoring competitive species, but no effect on macrofauna assemblage was observed. In a mesocosm experiment aiming at studying the link between plant diversity and productivity, complementarity between species was observed for one of the three communities, at an intermediate level of fertility. It is therefore possible to improve the primary productivity of new ecosystems by manipulating the composition of the mixtures of materials while avoiding the dominance of certain species, in order to preserve diversified communities

Les Technosols ont des propriétés et une pédogenèse influencées par des matériaux technogéniques qui les constituent. Le modèle expérimental de Technosol construit a été choisi et résulte de l’utilisation délibérée de matériaux technogéniques au sein d’un profil. L’objectif scientifique est d’évaluer la contribution de la faune du sol aux processus impliqués dans le fonctionnement et l’évolution des Technosols. Des expérimentations en laboratoire (cosmes) et en conditions climatiques réelles (lysimètres, parcelles) ont été menées de l’échelle ultrastructurale à celle du pédon. Les résultats indiquent que (i) le Technosol construit est un support de vie de la faune, (ii) le modèle d’ingénieur de l’écosystème : Lumbricus terrestris, par la création de macroporosité et par ses structures biogéniques contribue à sa structuration, son agrégation et à la décomposition de sa matière organique, (iii) lorsque plusieurs groupes d’organismes assurant des fonctions différentes sont associés, des effets sont mesurés majoritairement sur la décomposition de la matière organique. La forte disponibilité des ressources du Technosol autorise la présence de la faune mais masquent en partie ses effets et inhibent les interactions faunistiques qui auront un effet sur les fonctions des sols. Un modèle d’évaluation de l’effet de Lumbricus terrestris sur la macroporosité est proposé. En termes de génie pédologique, un projet de modèle d’aide à la décision résulte des acquis scientifiques. L’inoculation de la faune contribuerait ainsi à initier des mécanismes d’évolution des sols et à les accélérer
Technosols are soils whose properties and pedogenesis are influenced by technical materials which take part in their constitution. The experimental model used here is a constructed Technosol which is deliberately composed of technical materials in a soil profile. The scientific objective is to evaluate the contribution of soil fauna to processes implied in soil functioning and evolution. Experiments in laboratory (cosms) and in climatic conditions (lysimeters, field) are conducted from ultrastructural scale to soil profile scale. Results indicate that (i) constructed Technosol can support soil fauna, (ii) the model of ecosystem engineer: Lumbricus terrestris, by macroporosity and by stables biogenic structures, contribute to the structuration, the aggregation and the decomposition of organic matter of the Technosol, (iii) when several groups of organisms implied in differents soil functions are used, effects are observed on organic matter decomposition. The huge availability of resources in the Technosol allow the presence of soil fauna but its effects and reduce soil fauna interactions which can have effects on soil functioning. A model whose objective is to evaluate effect of Lumbricus terrestris on macroporosity is proposed. In terms of soil engineering, a project of decision support model results of scientific experiences. Soil fauna inoculation in soil engineering could contribute to initiate and accelerate mechanisms of Technosol evolution

La restauration des fonctions des sols est une étape clé de la requalification des sites dégradés par les activités humaines. Ces opérations nécessitent de disposer de procédés de remise en état du couvert pédologique favorisant la résilience écologique. Ils génèrent de nouveaux sols dont il faut prévoir l’évolution. Notre objectif est de caractériser le fonctionnement et la pédogenèse de sols construits à l’aide d’un nouveau procédé fondé sur la formulation de déchets et sous-produits (terre industrielle traitée, sous-produit papetier, compost). Dans ce but, des colonnes en laboratoire ainsi que des parcelles lysimétriques in situ ont été mises en place. Des paramètres descriptifs des fonctionnalités et de la pédogenèse des sols construits ont été mesurés. Les résultats ont montré que les matériaux parents présentent des propriétés aptes à remplir des fonctions comme la fourniture d’éléments ou la rétention en eau. Les sols construits remplissent les rôles de support de végétation, d’échange/filtre et de support de la biodiversité comme des sols naturels. Les premiers stades de leur évolution pédogénétique se caractérisent par leur intensité, leur rapidité et leur caractère non habituel (e.g. dissolution conjointe de gypse et de calcite). La prospective sur l’évolution des sols construits démontre que, de Technosols, ils évoluent vers des types de sols analogues aux sols naturels. Ce cheminement nous conduit à proposer une évolution de la classification des sols très anthropisés sur des critères génétiques. Enfin, les bases de la modélisation de la pédogenèse des sols très anthropisés sont posées ainsi que celles d’un outil d’aide à la décision pour le génie pédologique
Human activities induce growing impacts on soils. This has produced derelict lands that need thorough reclamation to minimize their negative effect on the environment. A better knowledge and control of the evolution of highly anthropized soils is needed in order to achieve a sustainable management of these sites. This work emphasizes on both the development of a process of soil construction with wastes and by-products (paper sludge, treated industrial soil, compost) and the study of the functioning and pedogenic evolution of the constructed soils. The project relies on both in situ pilot scale application and lab-scale experiments. The characterization of the parent materials and their compounding highlighted their properties and their originalities compared to geological or pedological materials. The study of the functioning of constructed soils demonstrated that they could fulfil the soil basic functions. In this way, the process has been able to achieve the reclamation of the pedological cover and initiate the ecological resilience. The nature, the intensity and the kinetics of the pedogenic processes have been identified. It appeared that the reactions were very fast and that they sometimes strongly differ from the natural local pedo-climate (e.g. dissolution of gypsum, amorphous silica). We suggest that they will spontanuously evolve to analogous natural form of soils. Our results are confronted with the present classification of the Technosols and some propositions are made in favour of a more genetic-oriented way. Some thoughts about the modelling of the pedogenesis of very anthropized soils are proposed. At last, this work evocates the basis for the development of a decision tool for the pedo-engineering approach

Depuis le début de l'industrialisation, de nombreux déchets contaminés en éléments métalliques et métalloïdes sont rejetés dans l'environnement sans aucune gestion. L’activité minière a généré des quantités colossales de déchets, fins et non consolidés, riches en EMM stockés sous forme de terrils ou entreposés dans des bassins de décantation puis laissés à l’abandon à l’air libre sans aucun aménagement ni protection. Ces déchets restent sur place exposés à une forte érosion éolienne et hydriques induisant une dissémination des particules contaminées dans les différents compartiments de l’environnement (sols/sédiments/eau/atmosphère). Dans un premier temps, l’étude du devenir des éléments métalliques et métalloïdes dans les sols contaminés relatif à l’activité minière ont mis en évidence la présence de risques environnementaux et sanitaires associés. Les résultats soulignent que (i) le comportement géochimique des trois éléments (cadmium, zinc et plomb) est différent, (ii) la spéciation de ces éléments change clairement entre les déchets miniers et les sols, (iii) le Pb plomb peut causer des effets néfastes sur la santé pour les enfants. Dans un second temps, deux techniques de réhabilitation des sites contaminés ont été appréhendées: i) dans le cadre de la refonctionnalisation des sols, la potentialité d’une phytostabilisation assistée par des amendements organique et inorganique de parcelles contaminées avec le sapin de Douglas, ainsi que ii) la valorisation ex-situ par attaque des déchets miniers par voie alcaline qui mets en jeu la réduction de la source de pollution
Since the beginning of industrialization, many wastes contaminated with metal(loid)shave been released into the environment without any management. Mining has generated huge quantities of fine, unconsolidated waste, rich in metal(loid)s, stored in tailing or in settling ponds and then left to be abandoned in the open air without any development or protection. This waste remains on site exposed to strong wind and water erosion leading to the spread of contaminated particles in the various environmental compartments (soil/sediment/water/atmosphere). First, the study of the fate of metal(loid)s in contaminated soils related to mining activity revealed the presence of associated environmental and health risks. The results highlight that (i) the geochemical behaviour of the three elements (cadmium, zinc and lead) is different, (ii) the speciation of these elements clearly changes between tailings and soils, (iii) Pb lead can cause adverse health effects for children. In a second step, two techniques for the rehabilitation of contaminated sites were apprehended: (i) in the context of soil refunctionalization, the potential for phytostabilization assisted by organic and inorganic amendments of plots contaminated with Douglas fir, as well as (ii) ex-situ recovery by attacking mining waste by alkaline way, which involves reducing the pollution source

Cette thèse a porté sur la détermination et l’étude écodynamique d’éléments traces métalliques sur des technosols fortement contaminés en métaux et metalloïdes en contexte de revégétalisation naturelle ou de phytoremédiation. Deux schémas d'extractions séquentielles ont été utilisés conjointement à des extractions sélectives en parallèle avec la détermination de la concentration totale dans les sols, de la concentration totale dissoute dans les eaux porales, du pool labile (sondes DGT) et des tests de germination avec des haricots nains pour étudier la spéciation, la mobilité et la phytodisponibilité de métaux et métalloïdes (Zn, Pb, Cd, As et Sb) pour les technosols de deux sites post-minier (La Petite Faye) et industriel (Mortagne-du-Nord). De plus de jeunes plants de P. euramericana Dorskamp ont été cultivés en rhizobox sur les technosols de Mortagne-du-Nord pour étudier l’effet rhizosphèrique sur la mobilité des métaux. Enfin l’effet de l’addition d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium sur le comportement de ces métaux a été également étudié pour P. euramericana Dorskamp sur ces mêmes sols. Malgré les fortes concentrations totales en métaux et métalloïdes dans les sols du site de La Petite Faye, la mobilité de ces éléments potentiellement toxiques est limitée car associés à la fraction résiduelle. La phytodisponibilité est également limitée et corrélée avec le pool labile des technosols. La culture de P. euramericana Dorskamp a généré un effet rhizosphèrique caractérisé par une augmentation de la valeur du pH et la concentration de carbone organique dissout (COD) de la solution de sol ainsi qu’une diminution des concentrations totale dissoute des métaux (Zn, Pb et Cd) dans la solution de sol. L’addition d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium a respectivement augmenté et diminué le pH de la solution de sol et dans le cas de l’ammonium a augmenté également le COD et stabilisé les métaux dans la rhizosphère par rapport aux sols de contrôle
This thesis dealt with the determination and study of the ecodynamics of trace metals in technosols highly contaminated in metals and metalloids in the context of natural revegetalisation or phytoremediation. Two sequential extraction schemes were used jointly with selective extractions in parallel with the determination of the total metals concentration in soils, the total dissolved metals concentration in the soil pore water, the metals labile pool (DGT) and germination tests with dwarf beans to investigate the speciation, mobility and phytoavailability of (Zn, Pb, Cd, As and Sb) for technosols of two post-mining (La Petite Faye) and industrial (Mortagne du Nord) sites. Additionally, young plants of P. euramericana Dorskamp were cultivated in rhizobox on Mortagne du Nord technosols to investigate the rhizospheric effect on the mobility of metals. Moreover, the effect of nitrogen addition under nitrate and ammonium on the behavior of these metals has been investigated for P. euramericana Dorskamp for the same soils. Despite the high total metals and metalloids concentration in the La Petite Faye soils, the mobility of these potentially toxic elements is limited because of their association with the residual fraction. The phytoavailability is also limited and correlated with the labile pool of technosols. The culture of P. euramericana Dorskamp generated a rhizospheric effect characterized by an increase of the pH and concentration of dissolved organic carbon (DOC) in the soil pore water and a decrease in the total dissolved concentration of metals (Zn, Pb et Cd) in the soil pore water. The addition of nitrogen under nitrate or ammonium respectively increased and decreased the soil pore water pH and in the case of ammonium the DOC also increased and stabilized metals in the rhizosphere in comparison to control soils

Les villes ne cessent de se densifier au détriment des espaces de nature qui corrélativement se réduisent, tout comme les services écosystémiques qui leur sont associés. Face à ce constat, la végétalisation du bâti apparaît comme une alternative indispensable. Dans ce cadre, les toitures végétalisées font partie des outils d'aménagement des villes qui sont en pleine expansion. Ces toitures revêtent différentes formes, s'adaptant aux contraintes et enjeux urbains. Depuis quelques années, une nouvelle forme de toiture végétalisée a émergé : les toitures végétalisées productives (e.g. de biomasse alimentaire). Encore peu développée et mal connue, l'intérêt concernant cette forme de toiture ne cesse de croître. Leur conception, leur aménagement et surtout les services écosystémiques quelles peuvent rendre sont aujourd’hui encore mal connus et nécessitent d’être mieux appréhendés. Clé de voûte des toitures végétalisées, le sol en place influence directement et indirectement les services écosystémiques rendus par celles-ci. En dépit du rôle majeur de ces sols, peu d'études leur sont consacrés. Par ailleurs, des produits non renouvelables tels que la pouzzolane, l’argile expansée ou la tourbe sont aujourd’hui très majoritairement utilisés dans leur composition. Nous avons étudié des Technosols, c’est à dire des sols reconstitués, de toitures productives composés uniquement de produits issus de résidus du milieu urbain. Ce travail a eu une double ambition : (i) évaluer quantitativement les services écosystémiques rendus et (ii) comprendre les premières phases d’évolution des Technosols. Pour cela, trois dispositifs expérimentaux, installés sur la toiture « Bertrand Ney » de l’école AgroParisTech ont été utilisés. Il s’agit de bacs de cultures dans lesquels des sols sont construits, avec des agencements divers de cinq résidus urbains: un compost de déchet vert, du bois broyé, de la brique et de la tuile concassée, un résidu de champignonnière et un compost de biodéchet. Nous avons étudié l’effet des différents types de Technosols construits sur (i) les services écosystémiques rendus, (ii) la production alimentaire (quantitative et qualitative), (iii) la fertilité physico-chimique et (iv) leur évolution temporelle. Les Technosols construits sont fertiles et permettent une production alimentaire conséquente sur une à cinq années, caractérisée par de faibles teneurs en éléments traces métalliques équivalentes à celles de la moyenne des productions maraichères. L’évaluation quantitative de services écosystémiques (production alimentaire, recyclage de résidus urbain, rétention des eaux de pluies et qualité des eaux de percolations (C et N), a souligné le caractère multifonctionnel des systèmes étudiés et met en évidence un disservice, qui est une altération de la qualité des eaux de percolation par lixiviation du carbone, pouvant être liée à celle d’autres éléments. Une première phase de pédogénèse rapide et intense est observée, marquée par une forte biodégradation des matériaux et une forte lixiviation. Nos travaux ont mis en évidence l’existence d’un double compromis dans la conception d’un Technosol productif, entre (1) la biodégradation des matériaux (assurant la fourniture des nutriments minéraux aux plantes) et le maintien de la structure et porosité du matériau, donc de sa fertilité physique d’une part et entre (2) la fourniture d’élément nutritifs par biodégradation et la lixiviation, se traduisant par une perte de ces éléments et une altération de la qualité des eaux de percolation d’autre part. La connaissance des propriétés des matériaux utilisés et de ses liens avec les services écosystémiques attendus permet déjà de concevoir des toitures productives multifonctionnelles à partir de résidus urbains et de les gérer de manière durable
Cities are becoming denser at the expense of nature spaces that are correspondingly decreasing, as are the ecosystem services associated with them. Faced with this observation, the greening of buildings appears as a valuable alternative. Nowadays, green roofs have become a planning tool in urban planning. These roofs take different forms, adapting to urban constraints and challenges. In recent years, a new form of green roof has emerged: productive green roofs (i.e. of edible biomass). Despite a growing interest, rooftop farming is still poorly developed and known. Their design, their development and especially, the ecosystem services they could deliver are still poorly understood and need to be known. Keystone to green roofs, the soil in place directly and indirectly influences the provided ecosystem services. Despite, it’s key role, soil is still poorly studied. Furthermore, non-renewable products such as pozzolan or expanded clay or peat are today mostly used in their composition. In this work we have studied constructed soils, named Technosols, for productive roofs made only of urban wastes. The objectives of this thesis were: (i) to achieve a quantitative assessment of delivered ecosystem services (ii) analyze the first stages of Technosol pedogenesis. In order to do so, three experimental devices were implemented on the “Bertrand Ney” rooftop of the technical University AgroParisTech in Paris. The experimental devices consist of multiple plots filled with different disposal of five urban wastes: green waste compost, shredded woods, crushed tiles and bricks, spent coffee grounds used to grow mushroom and a biowaste compost. The impact of the different Technosols on (i) ecosystem services, (ii) food production (quality and quantity), (iii) fertility) and (iv) temporal evolution, were assessed. Constructed Technosol are fertile and allow a consistent food production over one to five years. The level of food production was equivalent to that of a professional producer and food quality regarding trace metal element was below existing norms. The quantitative assessment of ecosystem services (food production, urban waste recycling, rainwater retention and overflow quality (C and N)), highlighted the multifunctional nature of productive green roofs. However, we identified an ecosystem disservice which is an alteration in the quality of the leachates due to carbon leaching and presumably other elements. A first phase of rapid and strong pedogenesis was observed marked by an intense biodegradation and lixiviation of the Technosols. Our works identified two trade-offs in the design of a productive Technosol: between (i) the biodegradation or organic materials (ensuring the supply of mineral nutrient to plants) and the maintenance of the structure and porosity of the Technosol (i.e. its physical fertility) and (ii) the supply of nutrients by biodegradation and leaching, resulting in a loss of these elements and an alteration of the quality of percolation waters on the other hand. Knowledge of the properties of the materials used to build Technosols and on their link with the expected ecosystem services already makes it possible to design multifunctional productive rooftop based on urban waste and manage them sustainably

Dans le but de mieux comprendre les processus régissant la pédogenèse des Technosols, un ancien bassin à boues sidérurgiques riches en métaux et recouvert par une forêt caducifoliée de milieu tempéré, a fait l'objet d'une caractérisation approfondie, à partir d'un profil de 2 m et en colonnes lysimétriques sous l'influence du climat et de la végétation. Le Technosol, qui s'est développé sur les boues, résulte de plusieurs étapes de pédogenèse localisées dans le temps et dans l'espace. Les principaux moteurs ont d'abord été les cycles de dessiccation-humectation et les changements de conditions physiques et chimiques associés, puis l'activité biologique, notamment en lien avec l'apport de matières organiques en surface et l'installation des racines. Le développement d'une végétation diversifiée malgré les fortes teneurs en métaux toxiques s'explique par la nature des constituants minéraux et les propriétés chimiques (pH alcalin, forte CEC) et physiques (forte porosité, forte capacité de rétention en eau) qui limitent jusqu'à présent la disponibilité des métaux. Le Technosol est le produit d'une combinaison de processus normalement rencontrés dans des sols naturels d'évolution pédogénétique différente (e.g. Andosols, sols carbonatés) en lien avec la diversité des matériaux parents technogéniques et le mélange original des constituants qui les compose. Cette concomitance de processus coexistant rarement dans la nature pourrait être une caractéristique génétique des Technosols formés sur des matériaux complexes et être appelée « technosolisation »
With the aim of better understanding pedogenetic processes occurring in Technosols, a former settling pond of iron industry containing metal-rich sludge and covered by a deciduous forest of temperate region was thoroughly characterized, from a 2-m profile and in lysimeter experiments under the influence of climate and vegetation. The Technosol developing on iron industry sludge resulted from several stages of pedogenesis with areas of more intense changes. Main pedogenesis drivers were, first, drying-wetting cycles and involved changes of physical and chemical conditions, then biological activity, especially related to organic matter input at the surface and root colonization. The development of diversified vegetation despite high contents of toxic metals can be explained by the nature of mineral constituents and chemical (alkaline pH, high CEC) and physical (high porosity, high water retention capacity) properties which have limited metal availability until now. The Technosol resulted from a combination of processes which occurred usually in natural soils with distinct pedogenetic evolution (e.g. Andosols, carbonated soils) due to the diversity of technogenic parental materials and the original mixture of constituents they contained. This simultaneity of processes coexisting rarely in natural environments could be a genetic particularity of Technosols formed on complex materials and could be called 'technosolization'

Pour répondre à la demande sociétale et aux contraintes environnementales, la création de Technosols à partir de déchets organiques et minéraux est une alternative à l'importation de sols agricoles fertiles au profit des espaces urbanisés. Si le rôle de la matière organique (MO) et des organismes est reconnu sur la fertilité des sols naturels, il reste peu connu en ce qui concerne les Technosols. Ce travail de thèse s'intéresse en particulier à l'influence du taux de MO et des interactions avec les vers de terre et les plantes sur les propriétés physiques et hydriques des Technosols construits. Les matériaux utilisés pour construire nos Technosols sont le compost de déchets verts et des remblais d'horizons profonds excavés. Dans une première expérience, nous avons testé l'influence du taux de MO sur les propriétés hydrostructurales des Technosols, en réalisant 6 mélanges contenant des proportions volumiques croissantes de compost (de 0 à 50%). Les courbes de retrait et de rétention montrent que les propriétés hydrostructurales des Technosols sont similaires à celles de sols naturels et proches de celles de sols argileux, alors que nos Technosols n'en contiennent qu'une très faible quantité (2%). L'augmentation de la quantité de matière organique s'accompagne d'effets positifs sur la micro et la macro porosité, ainsi que sur l'eau disponible pour les plantes.Dans un deuxième temps, ces différents mélanges ont été incubés en chambre de culture avec ou sans vers de terre (Aporrectodea caliginosa) et avec ou sans plantes (Lolium perenne). Après 5 mois d'expérience, nous avons mesurés les propriétés hydrostructurales, l'agrégation, et la distribution du carbone dans chaque fraction. La présence de plantes et/ou vers explique 19% de la variance des propriétés hydrostructurales du sol, et la dose de compost influe à 14%. L‘interaction entre organismes et compost explique davantage la variance (40%) que les effets de ces facteurs isolés. Le compost et les plantes jouent un rôle positif sur l'eau disponible en agissant à la fois sur la macroporosité et sur la microporosité, alors que les vers jouent un rôle positif uniquement sur cette dernière. Par ailleurs, la proportion d'agrégats >3mm est plus importante dans les traitements sans organisme (témoin) et avec des vers de terre, tandis que la proportion d'agrégats <3mm est plus importante en présence de plantes, indépendamment de la présence de vers de terre. Les organismes ont un effet plus fort sur la stabilité structurale (77%) que le compost (4%). Tous ont un effet positif sur la quantité de Corg dans les différentes fractions d'agrégats. Enfin, la minéralisation du Corg augmente en présence de vers ou de compost, mais diminue en présence de plantes. Nos résultats démontrent l'intérêt de valoriser des matériaux urbains tels que les horizons profonds excavés et le compost de déchets verts pour construire des Technosols. Une synthèse des résultats nous permet de conseiller une teneur volumique en compost comprise entre 20 et 30% pour obtenir des propriétés structurales intéressantes, sans trop alourdir le coût induit par le compost et maximiser les volumes d'horizons excavés ainsi utilisés. Constatant l'effet positif des vers de terre, des plantes et des interactions plantes-vers de terre sur la porosité, la stabilité structurale et le stockage de carbone, il semble opportun de favoriser la présence des organismes
Constructed Technosols are mixtures of technogenic materials used to create a new soil dedicated to growing plants. Constructed Technosols provide an opportunity to recycle and optimally use urban waste, and are an alternative to the use of agricultural soils for producing urban soils. This work is assessing in particular the influence of the OM levels and interactions with earthworms and plants on the physical properties of Constructed Technosols. The materials used to build our Technosols are compost and excavated deep horizons. In a first experiment, we tested the influence of OM rates on hydrostructural properties of Technosols, realizing 6 Mixtures of increasing volume proportions of compost (0 to 50%). The shrinkage and retention curves show that the hydrostructural properties of Technosols are similar to those of natural soils. Increasing the amount of organic material is accompanied with a positive effect on micro and macro porosity, as well as on the water available for plants.Secondly, these mixtures were incubated in a growth chamber with or without earthworms (Aporrectodea caliginosa) and with or without plants (Lolium perenne). After 5 month of experiment, we measured hydrostructural properties, aggregation, and distribution of carbon in each fraction. The presence of plants and / or earthworms explains 19% of the variance of hydrostructural properties of the soil, and compost dose affects 14%. The interaction between organisms and compost further explains the variance (40%) than the effects of these individual factors. Compost and plants play a positive role in the available water by acting on both macroporosity and microporosity, while earthworms play a positive role only on the latter. Furthermore, the proportion of aggregates >3 mm is more important in the treatments control and earthworms, while the proportion of aggregates <3mm is greater in the presence of plants, regardless of the presence of earthworms. Organisms have a stronger effect on the structural stability (77%) than compost (4%). All have a positive effect on the amount of Corg in the different fractions of aggregates. Finally, mineralization of Corg increases in the presence of worms or compost, but decreases in the presence of plants. Our results demonstrate the interest of enhancing urban materials such as excavated deep horizons and compost to build Technosols. A summary of the results allows us to recommend a volume content of compost between 20 and 30% for a good structure, without increasing much the cost induced by compost. Noting the positive effect of earthworms, plants and earthworms/plants interactions on porosity, structural stability and carbon storage, it seems appropriate to favor the presence of organisms

Depuis des millénaires, le chanvre est cultivé pour ses fibres. Longues et résistantes, elles peuvent notamment entrer dans la composition de matériaux textiles et composites, secteurs industriels en plein essor. Cependant, leur manque d’homogénéité et la complexité de leur affinage ne leur permettent pas encore d’être compétitives face aux fibres synthétiques ou de coton. Mais des fibres de chanvre fines pourraient être produites à partir de fibres brutes en utilisant un traitement par explosion à la vapeur à bas coût, faible consommation d’énergie et avec un faible impact environnemental. Une caractérisation morphologique, chimique et mécanique des fibres a été réalisée avant et après traitement dans le but d’optimiser les paramètres de ce procédé, selon une méthodologie de plan d’expériences. Ces essais ont montré que l’explosion à la vapeur pouvait être utilisée pour produire des fibres correspondant aux critères imposés par l’industrie textile et des matériaux composites. Des éléments ont aussi été apportés sur une éventuelle industrialisation de l’explosion à la vapeur. Là encore, les résultats montrent que ce procédé pourrait être industriellement compétitif en termes de coûts, de consommation en eau et en énergie, et de rendements. Enfin, des fibres ont été produites à partir de sols pollués contenant des métaux lourds. Les teneurs en métaux dans les différentes parties de la plante et dans les fibres ont été mesurées avant et après explosion à la vapeur. Les résultats obtenus ouvrent de nouvelles perspectives quant à un usage durable de Technosols (notamment des friches industrielles) pour la production de fibres de chanvre à usage industriel
Hemp plants have been cultivated for their usable fibers for thousands of years. The fibers are long and resistant and can be utilized for creation of textile and composite materials, relevant to burgeoning industrial sectors. However, due to their lack of homogeneity and the complexity of their refining, hemp fibers are unable to compete with synthetic and cotton fibers. But fine hemp fibers could be successfully produced from technical fibers using a steam explosion treatment at a low cost, a low energy consumption and with a low environmental impact. To optimize the parameters of this process, a morphological, chemical, and mechanical characterization was performed before and after steam explosion using a design of experiments methodology. These experiments showed that this process can be used to produce hemp fibers with the standards defined by the textile and composite materials industries. Some features have also suggested some prospects in the industrialization of steam explosion for fibers production. These results showed that this process could be industrially competitive in terms of costs, water and energy consumption and yield. Finally, phytoremediation-borne hemp fibers were produced from soils contaminated with trace elements. The metals concentrations in plant components and in the fibers were measured before and after steam explosion treatment. The results offer new insights and prospects for a sustainable use of Technosols (in particular brownfield sites) by the production of hemp fibers

Dans un contexte de dégradation des sols suite aux activités anthropiques et d’érosion de la biodiversité, la compréhension du rôle de la faune édaphique dans le fonctionnement des humipedons est d’intérêt croissant. Le développement de stratégies de réhabilitation des sols anthropisés basées sur les concepts de l’ingénierie écologique pourrait notamment s’appuyer sur les actions de transformation des matières organiques que réalisent les organismes saprophages. L’objectif de cette thèse était (i) de caractériser les fonctions écologiques réalisées par les organismes saprophages à travers la production de biostructures sur des sols fortement anthropisés et (ii) d’évaluer leur potentialité de réhabilitation des Technosols de friches industrielles. Pour cela, une démarche intégrative, basée sur le changement d’échelle spatiale, a été menée sur une friche industrielle d’intérêt. Dans un premier temps, il a été mis en évidence que les caractéristiques physico-chimiques des substrats de Technosols peuvent représenter un filtre abiotique pour la colonisation de la faune édaphique, qui se traduit notamment par l’absence de lombricidés anéciques et endogés dans les Technosols. Dans un deuxième temps, à l’échelle de l’humipedon, les résultats ont permis de montrer que la dynamique des matières organiques néoformées par la végétation dépend également de la nature du substrat utilisé lors de la réhabilitation de la friche. En effet, sous l’action des saprophages épigés, une série d’horizons ectorganiques, similaire à celle d’un Moder, s’est développée sur l’horizon technogénique des Technosols. Le terme de « Techno-moder » a ainsi été proposé pour décrire cette nouvelle forme d’humus. Les spécificités chimiques et ultrastructurales de l’horizon zOH du Techno-moder, constitué de biostructures produites par les saprophages, ont également confirmé cette proposition de classification. Pour finir, l’étude en conditions contrôlées des déjections produites par l’isopode saprophage Porcellio scaber a permis de mettre en évidence que les traits physico-chimiques des déjections dépendent du substrat composant le Technosol et de la matière organique apportée. En accord avec ce qui avait été conclu à l’échelle de l’humipedon, il semble donc que les traits des déjections produites par les saprophages épigés soient une caractéristique intrinsèque de l’écosystème, qui résulte des facteurs environnementaux caractérisant l’humipedon des Technosols. Le développement de stratégie de réhabilitation des Technosols par inoculation couplée de saprophages et de matières organiques pourrait ainsi améliorer certaines caractéristiques physico-chimiques des humipedons de Technosols tout en imposant la prise en compte des interactions spécifiques des organismes avec le substrat
In a context of soil degradation and erosion of biodiversity resulting from anthropogenic activities, understanding the role of edaphic fauna in the functioning of humipedons is of growing interest. The development of reclamation strategies on anthropized soils, based on the concepts of ecological engineering, could be based on the actions of transformation of organic matter carried out by saprophagous organisms. The objective of this thesis was (i) to characterize the ecological functions performed by saprophagous organisms through the production of biostructures on anthropized soils and (ii) to assess their potential for the reclamation of brownfields Technosols. To do so, an integrative approach, based on the changes of spatial scale, was carried out on an industrial brownfield of interest. First, it was demonstrated that Technosols physicochemical characteristics can represent an abiotic filter limiting the colonization of edaphic fauna, especially highlighted by the absence of anecic and endogeic earthworms in Technosols. Secondly, at the scale of the humipedon, the results showed that the dynamics of organic matter formed by vegetation also depends on the nature of the substrate used during the rehabilitation of the brownfield. Indeed, under the action of epigeic saprophagous arthropods, a series of ectorganic horizons, similar to the ones of a Moder, developed on the technogenic horizon of Technosols. The term "Techno-moder" has thus been proposed to describe this new humus form. The chemical and ultrastructural features of the Techno-moder zOH horizon, made up of biostructures produced by saprophagous, also confirmed this classification proposal. Finally, feces produced by the saprophagous isopod Porcellio scaber, studied under controlled conditions, allowed to demonstrate that their physicochemical characteristics depend on the Technosol substrate and on organic matter chemical features. In agreement with the conclusions at the humipedon scale, it seems that feces traits produced by the epigeic saprophagous arthropods are an intrinsic characteristic of the ecosystem, which results from the Technosols humipedons composition. The development of Technosols reclamation strategies using coupled inoculation of saprophagous and organic matter could thus improve Technosols humipedons physicochemical characteristics while requiring the specific interactions of organisms with the substrate to be taken into account

L’activité minière a contribué pour une grande part à la pollution de l’environnement par les métaux et métalloïdes. Les déchets miniers du site de Roure-les-Rosiers (district de Pontgibaud, Puy de Dômes), en raison de l’abondante quantité de plomb et d’arsenic qu’ils contiennent, peuvent contribuer à la contamination des écosystèmes environnants. Il est donc nécessaire à minima de limiter leur propagation et, idéalement, d’envisager leur stabilisation à long terme. Pour ce type de site, le phytomanagement apparait alors comme une approche écologique et peu coûteuse, alternative aux techniques dites conventionnelles. Au vu des caractéristiques particulières du technosol minier étudié (toxicité élevée et faible qualité agronomique), l’apport d’amendements (biochar, compost et sulfate de fer) a été nécessaire. Dans ce but, des tests en mésocosmes ont été menés pour évaluer l’impact de ces amendements sur la biodisponibilité des polluants. Les résultats obtenus ont montré que l’ajout de biochar et de compost a induit un abaissement de la concentration de plomb dans l’eau porale de plus de 90 %. Quant au sulfate de fer, il a aidé à maitriser la mobilisation de l’arsenic causée par l’apport de compost nécessaire à l’amélioration agronomique du technosol. Ainsi, les concentrations en arsenic dans les eaux interstitielles ont été maintenues au-dessous de la valeur limite généralement admise pour un rejet dans l’environnement (100 μg.L-1). Tous ces bénéfices liés à l’apport d’amendements ont permis, sur une parcelle expérimentale du site, de mettre en place un couvert végétal, combinant différentes espèces de saules et du trèfle. Le suivi de cette végétation sur deux années de croissance a validé l’approche adoptée, avec l’observation d’une accumulation très faible de plomb et d’arsenic dans les parties aériennes des espèces étudiées, compte tenu des concentrations retrouvées dans le technosol. Par ailleurs, une analyse du compartiment microbiologique des sols a montré que l’apport de compost a amélioré la diversité des microorganismes, suggérant un processus de refonctionnalisation. Le suivi de la parcelle expérimentale sur plusieurs cycles de croissance de végétaux permettra de valider la stratégie de phytomanagement développée à diverses échelles, du laboratoire au site
The mining activity has significantly contributed to the pollution of the environment by metals and metalloids. The mining site of Roure-les-Rosiers (Pontgibaud district, Puy de Dômes), due to the high lead and arsenic concentrations in the mine wastes, can contribute to the contamination of surrounding ecosystems. It is therefore necessary at least to limit the transfer of pollutants, and, ideally, to consider the long-term stabilization of the wastes. In such context, phytomanagement appears as an ecological and inexpensive approach, alternative to the conventional techniques. In view of the particular characteristics of the studied mining technosol (high toxicity and low agronomic quality), amendments addition (biochar, compost and iron sulphate) was necessary. To this end, mesocosm tests were conducted to assess the impact of these amendments on pollutant bioavailabilities. The results showed that biochar and compost addition decreased lead concentration in the soil pore water by more than 90%. For its part, iron sulphate has helped to control the arsenic mobilization caused by the supply of compost added in order to improve the agronomic quality of the technosol. Thus, arsenic concentrations in soil pore water have been kept below the usual limit value for release into the environment (100 μg.L-1). All these benefits related to the amendments made possible, on the experimental plot, to set up a vegetation cover, combining different species of willows and clover. Monitoring of this vegetation over two years of growth validated the adopted approach, with the observation of a very low lead and arsenic accumulation in the aerial parts of the studied species, taking into account the pollutants concentrations found in the technosol. In addition, the analysis of the soil microbiological compartment showed that compost improved the diversity of microorganisms suggesting a refunctionalization process. Monitoring the experimental plot over several plant growth cycles will validate the phytomanagement strategy developed at various scales, from the laboratory to the site

Le nombre croissant de sites affectés par la présence de matériaux technogéniques rend nécessaire l’étude du (bio)fonctionnement des Technosols, qui s’y développent. Un matériau technogénique, issu d’une ancienne friche industrielle de cokerie et présentant une multipollution en HAP et en métaux a été disposé dans des parcelles lysimétriques pour une étude in situ (site d’Homécourt, www.gisfi.fr). La caractérisation morphologique et analytique à différentes échelles du matériau initial nous a permis d’y définir, en analogie avec la classification pédologique standard, la présence (1) de constituants primaires tels que quartz, oxydes de fer, gypse et matières organiques anthropiques, (2) de pseudo-sables technogéniques, soit des laitiers, (3) d’agrégats technogéniques stables à l’eau (12% de la masse du sol) néoformés grâce au rôle agrégeant de la fraction fine (0-20µm). Matières organiques anthropiques et ETM (Zn Pb, Ba) contribuent à la formation de ces associations organo-minérales. Ce matériau d’origine anthropique, tout spécifique qu’il soit, contient des constituants minéraux et organiques capables de s’associer et donc susceptibles, au même titre que ceux des sols naturels, d’évoluer sous l’effet des facteurs pédogénétiques et former ainsi un technosol. Si les deux années d’expérimentation n’ont pas été suffisantes pour mettre en évidence une modification de la stabilité structurale de ce jeune Technosol, les résultats y soulignent l’impact des plantes colonisatrices et de la microflore rhizosphérique sur la formation d’associations organo-minérales. L’activité biologique est donc un facteur clef d’évolution de ces sols
The increasing number of sites affected by the presence of technogenic materials makes necessary the study of (bio)functioning of Technosols, developed there. A technogenic material, resulting from an old industrial coking plant and presenting a multipollution of HAP and metals was laid out in lysimetric pieces for an “in situ” study (site of Homécourt, www.gisfi.fr). The morphological and analytical characterization at different scales of initial material enabled us to define, in analogy with standard pedological classification, the presence (1) of primary constituents such as quartz, iron oxides, gypsum and anthropic organic matters, (2) of technogenic pseudo-sands, like slags, (3) of water-stable technogenic aggregates (12% of the soil mass), generated through the aggregating role of the fine fraction (0-20 µm). Anthropic organic matter and ETM (Zn Pb, Ba) contribute to the formation of these organo-mineral associations. This material of anthropic origin, while it is specific, contains mineral and organic components able to aggregate and is thus, as well as natural soils, able to develop under the influence of pedogenic factors to form a Technosol. If the two years of experimentation were not sufficient to highlight a modification of the structural stability of this young Technosol, the results underline there the impact of the colonizing plants and the rhizospheric microflora on the formation of organo-mineral associations. The biological activity is thus a key factor of evolution of these soils

The pollution of soils by metal(loid)s, resulting from anthropogenic activities, is an important issue and subject of research nowadays. Therefore, to remediate such sites, an environment friendly technique has developed over the last decades, called phytoremediation. The phytoremediation is the use of plants and their associated microbiota to remediate in situ contaminated area. Among plants that can be used in phytoremediation, Salicaceae showed good potential, due to their rapid and high biomass production associated to their tolerance to metal(loid)s. However, contaminated soils are often poor (extreme pH, low nutrient contents), which associated to their elevated metal(loid) concentrations hinder plant growth. That is why amendments must be applied. Three amendment types gathered attention over the last decades, compost, biochar and iron-based amendments. Compost can increase soil nutrient availability and immobilize metal(loid)s. Biochar can ameliorate soil conditions and sorb metal(loid)s. Both amendments showed good potential to improve soil properties, immobilize cations and thus ameliorate plant growth. However, they showed no or negative effects on anions like As. On the contrary, iron-based amendments, such as iron grit and redmud, have an affinity for As and can thus immobilize it. Finally, another parameter that can affect phytoremediation efficiency is the microbial community. Microorganisms are very sensible to the growing conditions and the measure of their diversity and activity can inform on the recovery of the soil during the phytoremediation process. Microorganisms can also affect phytoremediation efficiency: (i) through their effect on metal(loid)s, some bacterial strains showed the capacity to accumulated metal(loid)s or detoxify them and (ii) by increasing plant growth, through the secretion of plant growth promoting factors (i.e. hormone and siderophore production, phosphate solubilization). In this context, the aims of this PhD work were first to evaluate the effect of applying to a former mine technosol highly contaminated by As and Pb different amendments, alone or combined, on (i) soil physico-chemical properties, (ii) Salicaceae plant growth and metal(loid) accumulation, (iii) Salicaceae physiology and biochemistry and (iv) soil bacterial community. The second objective was to assess the effect of inoculating an endogenous bacterium, using two inoculation methods, on (i) soil physico-chemical properties, (ii) soil bacterial community and (iii) Salix viminalis growth and metal(loid) accumulation. To answer these objectives, a total of seven mesocosm experiments were performed. In general, these different experiments demonstrated that the addition of amendment improved the soil conditions and thus plant growth in most of the cases. Salicaceae plants accumulated As and Pb mainly in their roots. Moreover, the application of amendments had an effect on the root physiology of Salicaceae plants. Especially, the root proteome profiles of Salix viminalis were affected differently by the addition of biochar, compost and/or iron grit; whereas Salix triandra root showed high levels of stress markers on the unamended technosol, which were reduced following the application of redmud and biochar. In addition, the inoculation of an endogenous Bacillus strain also improved soil conditions and Salix viminalis growth, especially when the bacterium was previously sorbed on biochar surface. Finally, the study of the bacterial community showed an increase of the bacterial activity in the presence of amendments and following bacterial inoculation, in addition to a modification of the bacterial community composition. To conclude, this PhD work demonstrated that amendment application can improve soil conditions and plant growth; however these effects depend on the amendment(s) applied. This work was also one of the first showing that amendments can affect the plants at a biochemical level and comparing two bacterial inoculation methods, demonstrating the better effect of a biochar carrier inoculation.

Une toiture végétalisée (TV) est un système complexe qui peut être décrit par ses propriétés, en considérant d'une part les propriétés de ses composants abiotiques (substrat et couche de drainage) et d'autre part ses composants biotiques (végétation, faune spontanée et microbiote). Comme dans tous les systèmes biotiques/abiotiques des interactions complexes se produisent. Tout d'abord, le système externe - introduit ici comme étant des facteurs - induit un effet de vieillissement qui se traduit par l'évolution des propriétés. De plus, les interactions entre les composants abiotiques et biotiques peuvent également induire une évolution des propriétés. Ces interrelations et interactions entre tous les facteurs et propriétés peuvent contrôler le niveau des performances qui pourraient être soumit à des changements dans le temps. Notre approche met en lumière la possibilité de simplifier les relations entre les performances de chaque facteur et donc de mieux comprendre l'évolution et les performances d'une TV. Ce besoin de recherche est né du fait que la plupart des études pertinentes menées à ce jour ont négligé cette dynamique temporelle de l'évolution des TV et des propriétés du technosol hautement réactives. Cette thèse vise à atteindre un point de croisement entre le vieillissement des matériaux inertes et la pédogenèse qui décrit l'évolution des milieux vivants puis à évaluer l'évolution des performances des TV au fil du temps. Pour ce faire, une méta-analyse a d'abord été menée, dont les principaux résultats ont mis en évidence que la plupart des facteurs et des propriétés ont une influence positive sur les performances des TV, montrant qu'il existe de nombreux leviers pour améliorer leurs performances et résoudre certains des principaux problèmes environnementaux urbains. Mais, considérant que ce recensement était loin d'être exhaustif, il a été noté qu'un énorme potentiel dans la détermination des performances des TV reste à découvrir. Des expériences ont été conduites afin de reproduire dans des conditions contrôlées certains facteurs considérés comme influents (e.g. pluie, végétation, alternance gel/dégel), sur des mésocosmes de 3 substrats de TV différentes choisis en fonction de leur composition et de leur granulométrie. Les propriétés de leurs substrats ont été suivies en suivant un protocole de vieillissement artificiel sur une période de 2 mois pour simuler l'évolution en temporelle. Nos résultats ont montré des preuves de pédogenèse précoce, en particulier pour le substrat le plus fin. Selon le substrat : i) la végétation stimule ou maintient la microbiologie ii) la pluie modifie la granulométrie par des processus de lessivage iii) le gel modifie la granulométrie par fractionnement. Il y a également un changement dans la structure porale, ce qui modifie les performances de rétention d'eau. De plus, les changements dans les performances des autres propriétés étudiées semblent plus dus à l'évolution temporelle qu'à une influence des facteurs. Le suivi des échantillons de référence ont révélé une diminution ou une augmentation du pH selon le substrat, de petites variations dans la microbiologie et dans les concentrations de carbone organique et d'azote total. Enfin, des prélèvements in situ, nous ont permis de mesurer l'évolution des propriétés vieillies de 7 substrats provenant de deux sites d'âges différents et de 3 végétations différentes. Elles ont révélé que l'évolution est principalement déterminée par l'âge ; les substrats les plus jeunes (3 ans) subissant une pédogenèse rapide par rapport aux substrats plus anciens (10 ans) dont l'évolution semble s'être relativement stabilisée. En considérant l'ensemble des résultats, on peut dire que dans les premières années, les trajectoires de pédogenèse des substrats de TV sont principalement dominées par la nature et la composition de leurs matériaux intrinsèques. Puis, après un certain temps, les facteurs semblent régir les performances
The green roof system is a complex system that could be described by its “properties”, considering on the nature and physical, chemical, and thermal properties of its abiotic components (i.e., substrate and drainage layers) and on the other hand its biotic components (i.e., vegetation, spontaneous fauna, and microbiota). As in all biotic/abiotic systems, complex interactions happen. First, the external system—here described as “factors”—induces an ageing effect that results in the evolution of “properties” over time (e.g., rain may induce leaching of fine particles; cold temperature may alter the vegetation development). Moreover, interactions between abiotic and biotic components may also induce evolution of “properties” (e.g., plant litter may increase the organic matter content in the substrate; decrease of the substrate physico-chemical fertility can decrease the biomass production). Eventually, such inter-relations and interactions between all “factors” and “properties” can control the level of performances that could be submitted to changes over time. Though the system is complex, our approach sheds light on the potential of simplifying each Factor property performance relations and hence understanding the system evolution and performances better. This research need originated from the fact that most of the relevant studies conducted to date have neglected these temporal dynamics of green roof evolution and their high reactive technosol properties. This PhD aimed to reach a crossroad point between ageing -of inert materials and pedogenesis- that describes evolution of living media and to evaluate the performance evolution of green roof over time. To evaluate this, first, a meta-analysis was conducted whose main findings highlighted that most factors and properties have a positive influence on the performances of green roofs, showing there are many existing levers to enhance the green roof performances and tackle some of the main urban environmental issues. But, considering that these lists were far from exhaustive, it was noted that a huge potential in determining green roof performances remains unearthed. Thus, experiments were designed and conducted with the purpose to reproduce certain factors considered as influential (i.e. rain, vegetation and freeze/thaw alternation), under controlled conditions, on mesocosms of 3 different green roof substrates chosen based on composition and granulometry. Their substrate properties were monitored over time through self-designed artificial aging over a period of 2 months to mimic real time evolution. Our results showed evidence of early pedogenesis especially for the finer substrate. Depending on the substrate: i) vegetation stimulates or maintains microbiology; ii) rain modifies granulometry through leaching processes; iii) frost modifies granulometry through fractionation. There was also change in the poral structure thus modifying the water retention performance. Other than that, the changes in the performance of other studied properties seem more due to the temporal evolution rather than factorial based. It was also noted in monitoring of the reference samples which revealed: a decrease or increase in pH depending on the substrate, small variations in microbiology and in organic carbon and total nitrogen concentrations. As a final step, in situ aged property evolution measurements from 7 substrates originating from two different sites of different ages and 3 different vegetation, revealed that the evolution is mainly driven by the age where the younger substrates (3 years) could be seen undergoing a rapid pedogenisis compared to the older substrates (10 years) whose evolution seem to have comparatively settled. Considering the results overall, it can be said that within the first years, the pedogenesis trajectories of green roof substrates are mostly dominated by the nature and composition of their parent materials. Then, after a while, the factors could take the lead

Aquesta tesi pretén contribuir a donar resposta a les necessitats que es plantegen des de la pràctica de la restauració ecològica d’espais degradats, així com des de la gestió sostenible dels residus urbans. En un primer treball es valida la utilitat del protocol OCDE-217, basat en l’activitat respiratòria del sòl, per estudiar la toxicitat d’alguns dels metalls pesants habitualment presents en major proporció a les esmenes orgàniques utilitzades en restauració, especialment als fangs de depuradora urbana. En aquest sentit, el protocol OCDE-217 ha estat una metodologia vàlida per a la detecció d’efectes adversos dels tres metalls estudiats, Cr, Zn i Cu, sobre la respiració del sòl induïda per substrat. La magnitud dels efectes inhibidors observats és coherent amb les referències consultades, essent el Cu el metall més tòxic després de 28 dies d’exposició. També s’ha comprovat que l’adició de matèria orgànica fresca emmascara l’efecte dels metalls pesants sobre la respiració del sòl ja que incrementa la biomassa microbiana, així com l’adsorció i la immobilització dels metalls. En un segon treball de la tesi s’entra en la caracterització de diferents tipus d’esmenes orgàniques procedents de residus urbans, així com en l’avaluació dels seus efectes sobre el sòl i la vegetació quan són usats en la construcció de tecnosols per a la restauració de pedreres, abocadors o talussos de carretera. Així s’avaluen els efectes de l’aplicació de fangs de depuradora urbana a curt (2 anys) i mitjà termini (10 anys), en una selecció de tipus d’actuacions de rehabilitació representatives de les realitzades en pedreres de roca calcària. S’ha demostrat que l’ús de fangs de depuradora permet millorar els resultats de la rehabilitació de sòls degradats, a la vegada que es valoritzen residus orgànics i minerals. La construcció de tecnosols amb fangs de depuradora facilita una ràpida revegetació, especialment pel que fa a espècies herbàcies, fet que permet l’estabilització ràpida de talussos i controla l’escorrentiu, la qual cosa redueix també l’erosió superficial, que és un objectiu prioritari en talussos de fort pendent com els que trobem en activitats extractives, infraestructures de transport o abocadors. A mitjà termini (una dècada), els sòls esmenats amb fangs de depuradora afavoreixen l’enriquiment del sòl en matèria orgànica i el segrest de carboni, ja que hem comprovat que contenen fins a cinc vegades més de carboni orgànic que els sòls homòlegs no esmenats. Aquest enriquiment és el resultat de l’augment de la producció primària a causa dels nutrients aportats pels fangs, que encara és evident després de deu anys. Aquest augment de la producció primària es tradueix també en un major recobriment vegetal que protegeix el sòl de l’erosió. Pel que fa als bioestabilitzats, resultants de l’estabilització aeròbica de la fracció orgànica de residus municipals, s’ha constatat que existeix una important heterogeneïtat en relació als principals paràmetres estudiats. Els digests, procedents de la digestió anaeròbica de la matèria orgànica obtinguda per la separació mecànica de la fracció resta dels residus urbans, presenten un contingut baix d’impureses i una major concentració de N que els bioestabilitzats, la qual cosa els fa més adequats per a ser aplicats al sòl. L’últim treball de la tesi es dedica a l’establiment i validació d’un protocol per a l’avaluació de la restauració d’activitats extractives, anomenat RESTOQUARRY. El protocol RESTOQUARRY permet identificar problemes crítics que posen en risc l’èxit de la restauració i que requereixen de canvis profunds en el disseny i l’execució dels treballs. La major part de les restauracions avaluades amb RESTOQUARRY requereixen de mesures correctores per a millorar alguns aspectes de la restauració.
Esta tesis pretende contribuir a dar respuesta a las necesidades que se plantean desde la práctica de la restauración ecológica de espacios degradados, así como desde la gestión sostenible de los residuos urbanos. En un primer trabajo se valida la utilidad del protocolo OCDE-217, basado en la actividad respiratoria del suelo, para estudiar la toxicidad de algunos de los metales pesados habitualmente presentes en mayor proporción en algunas de las enmiendas orgánicas utilizadas en restauración, especialmente los lodos de depuradora urbana. En este sentido, el protocolo OCDE-217 ha sido una metodología válida para la detección de efectos adversos (y también beneficiosos) de los tres metales estudiados, Cr, Zn y Cu, sobre la respiración del suelo inducida por sustrato. La magnitud de los efectos inhibidores observados es coherente con las referencias consultadas, siendo el Cu el metal más tóxico después de 28 días de exposición. También se ha comprobado que la adición de materia orgánica fresca enmascara el efecto de los metales pesados sobre la respiración del suelo ya que incrementa la biomasa microbiana, así como la adsorción y la inmovilización de los metales. En un segundo trabajo de la tesis se entra en la caracterización de diferentes tipos de enmiendas orgánicas procedentes de residuos urbanos, así como en la evaluación de sus efectos sobre el suelo y la vegetación cuando son usados en la construcción de tecnosoles para la restauración de canteras, vertederos o taludes de carretera. Así se evalúan los efectos de la aplicación de lodos de depuradora urbana a corto (2 años) y medio plazo (10 años), en una selección de tipos de actuaciones de rehabilitación representativas. Se ha demostrado que el uso de lodos de depuradora permite mejorar los resultados de la rehabilitación de suelos degradados, a la vez que se valorizan residuos orgánicos y minerales. A medio plazo (una década), los suelos enmendados con lodos de depuradora favorecen el enriquecimiento del suelo en materia orgánica y el secuestro de carbono, ya que hemos comprobado que contienen hasta cinco veces más carbono orgánico que los suelos homólogos no enmendados. Este enriquecimiento es el resultado del aumento de la producción primaria debido a los nutrientes aportados por los lodos, que todavía es evidente después de diez años. Este aumento de la producción primaria se traduce también en una mayor cobertura vegetal que protege el suelo de la erosión. En cuanto a los bioestabilizados, resultantes de la estabilización aeróbica de la fracción orgánica de residuos municipales, se ha constatado que existe una importante heterogeneidad en relación a los principales parámetros estudiados. Esta heterogeneidad se da entre diferentes plantas de tratamiento de residuos, pero también entre diferentes lotes de una misma planta, lo que supone una importante restricción a la hora de hacer generalizaciones para su uso. Los digestatos, procedentes de la digestión anaeróbica de la materia orgánica obtenida por la separación mecánica de la fracción resto de los residuos urbanos, presentan un contenido bajo de impurezas y una mayor concentración de N que los bioestabilizados, lo que los hace más adecuados para a ser aplicados al suelo. El último trabajo de la tesis se dedica al establecimiento y validación de un protocolo para la evaluación de la restauración de actividades extractivas, llamado RESTOQUARRY. El protocolo RESTOQUARRY permite identificar problemas críticos que ponen en riesgo el éxito de la restauración y que requieren de cambios profundos en el diseño y la ejecución de los trabajos. La mayor parte de las restauraciones evaluadas con RESTOQUARRY requieren de medidas correctoras para mejorar algún aspecto de la restauración.
This thesis aims to contribute to respond to the needs that arise from the practice of ecological restoration, as well as from the sustainable management of urban waste. In a first study, the usefulness of the OECD-217 protocol is validated for studying the toxicity of some of the heavy metals usually present in a greater proportion in some of the organic amendments used in restoration, especially sewage sludge. In this sense, the OECD-217 protocol has been a valid methodology for the detection of adverse (and also beneficial) effects of the three metals studied, Cr, Zn and Cu, on substrate-induced soil respiration. The magnitude of the inhibitory effects observed is consistent with the references consulted, with Cu being the most toxic metal after 28 days of exposure. The addition of fresh organic matter has also been shown to mask the effect of heavy metals on soil respiration as it increases microbial biomass, as well as the adsorption and immobilization of metals. A second thesis work is focused on the characterization of different types of organic amendments from urban waste, as well as the evaluation of their effects on the soil and vegetation when used in the construction of technosols for the restoration of quarries, landfills or road slopes. Thus, the effects of the application of urban sewage sludge in the short (2 years) and medium term (10 years) are evaluated, in a selection of representative types of rehabilitation actions. The use of sewage sludge has been shown to improve the results of the rehabilitation of degraded soils, at the same time that organic and mineral wastes are valorized. In the medium term (one decade), soils amended with sewage sludge favor the enrichment of the soil in organic matter, and consequently carbon sequestration, since we have found that they contain up to five times more organic carbon than non-amended homologous soils. This enrichment is the result of the increase in primary production due to the nutrients provided by the sludge, which is still evident after ten years. This increase in primary production also translates into greater plant cover that protects the soil from erosion. As for the biostabilized (Compost-Like-Output), resulting from the aerobic stabilization of the organic fraction of municipal waste, it has been found that there is significant heterogeneity in relation to the main parameters studied. This heterogeneity occurs between different waste treatment plants, but also between different batches of the same plant, which is an important restriction when making generalizations for its use. The digestates, derived from the anaerobic digestion of organic matter obtained by the mechanical separation of the remaining fraction of urban waste, have a low content of impurities and a higher concentration of N than the biostabilized, which makes them more suitable for being applied to the soil. The last work of the thesis is devoted to the establishment and validation of a protocol for the evaluation of the restoration of extractive activities, called RESTOQUARRY. The RESTOQUARRY protocol allows the identification of critical problems that put the success of the restoration at risk and that require profound changes in the design and execution of the work. Most of the restorations evaluated with RESTOQUARRY require corrective measures to improve some aspects of the restoration.

Chaque année, 50 millions de mètres cubes de sédiments sont excavés en France. Parmi eux, certains sont contaminés et des solutions doivent être trouvées pour les valoriser. Dans cette étude, des sédiments excavés ont été mélangés avec le sol du site d’accueil, tous deux contaminés en ETM et HAP, afin de créer un technosol à traiter en phytoremédiation par Miscanthus x giganteus (MxG). L’objectif de ce travail consistait à améliorer la rhizodégradation des HAP et la phytostabilisation des ETM tout en augmentant la productivité de MxG en vue de la valorisation de sa biomasse. Pour cela, deux expérimentations ont été réalisées. La première associait MxG en co-culture avec le trèfle blanc et la seconde couplait MxG en monoculture et en co-culture avec la bioaugmentation par des microorganismes hydrocarbonoclastes endémiques du technosol. D’après les résultats obtenus, la co-culture apparaît comme la technique la plus intéressante pour améliorer la phytoremédiation des HAP et des ETM et pour améliorer la qualité du technosol comparé à la phytoremédiation assistée par bioaugmentation. De plus, la plantation de trèfle blanc pour réaliser la co-culture est plus économique, plus rapide et plus simple à mettre en œuvre que la bioaugmentation. Ces résultats devront être confirmés in situ et d’autres espèces végétales pourraient également être testées en association avec MxG afin de coupler la rhizodégradation des HAP avec la phytoextraction des ETM
Every year, 50 million cubic meters of sediments are excavated in France. Among them, some are contaminated and solutions must be found to valorize them. In this study, excavated sediments were mixed with the host-site soil, both contaminated with trace metals and PAHs, in order to create a technosol, then treated by phytoremediation with Miscanthus x giganteus (MxG). The objective was to improve the rhizodégradation of PAHs and the phytostabilisation of trace metals as well as to improve the quality of the technosol to increase the productivity of MxG with the aim of valorizing its biomass. Thus, two experiments were carried out. The first associated MxG in co-culture with white clover, and the second combined phytoremediation with a mono- and a co-culture of MxG with bioaugmentation by the endemic hydrocarbonoclast microorganisms of the technosol. According to the results obtained, co-culturing of MxG and white clover appears to be the most note-worthy technique to improve the phytoremediation of PAHs and trace metals and the quality of the technosol compared to phytoremediation assisted by bioaugmentation. In addition, planting white clover for co-culturing is more cost-effective, faster and easier to implement than bioaugmentation. These results will have to be confirmed in situ and other plant species could also be tested in association with MxG in order to combine rhizodegradation with phytoextraction

La destruction par brûlage de munitions chimiques de la Première Guerre Mondiale a provoqué une contamination importante de la partie supérieure du sol du site de la Place-à-Gaz par l’arsenic, le zinc, le cuivre et le plomb. Le traitement thermique a eu pour effet de minéraliser l’As des agents de guerre organoarséniés, et de former un assemblage minéral inattendu composé d’arséniates de Zn, Cu et Fe, et d’une phase amorphe riche en Fe, As, Zn, Cu et Pb. Ce matériel amorphe est la principale phase porteuse de l’As et des métaux dans la zone la plus polluée. Le site est sujet à des changements environnementaux pouvant affecter la stabilité des contaminants inorganiques. Afin d’évaluer l’impact d’épisodes de saturation en eau et de l’apport de matière organique sur les cycles biogéochimiques des métaux et de l’As, une étude en mésocosme a été menée. Les résultats montrent que la phase amorphe est instable en conditions saturées, et libère des contaminants dans l’eau interstitielle du sol. Comme sur le site, les contaminants les plus mobiles sont le Zn et l’As. L’addition de matière organique a induit une immobilisation de l’As, par piégeage de l’As V sur les oxyhydroxydes de fer, dans la partie saturée du sol. La caractérisation du compartiment microbien a été effectuée via des dénombrements, une analyse de la diversité bactérienne et des tests d’activités d’oxydation de l’As III et de respiration et. Les résultats montrent que les microorganismes ont contribué activement au métabolisme du C et de l’As. L’apport de matière organique a promu la croissance des microorganismes As III-oxydants et As Vréducteurs et modifié la structure des communautés bactériennes. Cependant, un effet négatif de la matière organique sur la vitesse d’oxydation de l’As III a été observé, entrainant une augmentation des concentrations d’As III en solution. Cette étude en mésocosme a montré que le dépôt naturel de litière organique a des conséquences antagonistes sur le transfert des contaminants inorganiques. Ces résultats fournissent de plus amples informations sur l’impact environnemental de la Grande Guerre et, de façon plus générale, sur les processus biogéochimiques contrôlant le comportement des métaux/métalloïdes sur les sites pollués
The thermal destruction of chemical munitions from World War I, on the site of “Place-à-Gaz”, induced intense local top soil contamination by arsenic and heavy metals. The heat treatment mineralized As from organoarsenic warfare agents, resulting in a singular mineral assemblage, composed of Zn, Cu and Fe arsenates and of an amorphous phase rich in Fe, As, Zn, Cu and Pb. The amorphous material was the principal carrier of As and metals in the central part of the site. The site undergoes environmental changes which may alter the stability of inorganic contaminants. To assess the impact of water saturation episodes and input of bioavailable organic matter on the biogeochemical cycles of metal(loid)s, a mesocosm study was conducted. Results showed that amorphous phase was instable in saturated conditions, and released contaminants in soil water. As previously observed on site, the most mobile contaminants were Zn and As. The addition of organic matter induced the immobilization of As by trapping of As V onto hydrous ferric oxides in the saturated soil. Microbial characterizations including counting, bacterial community structure, respiration, and determination of As IIIoxidizing activities were performed. Results showed that microorganisms actively contribute to the metabolisms of C and As.The addition of organic matter induced the increase of As III-oxidizing and As V-reducing microorganisms concentrations and modified the bacterial diversity. However, a negative effect of organic matter on the activity of As III oxidation was observed resulting in higher As III concentration in soil water. This study showed that the natural deposition of forest organic litter on the site, induced antagonist effects on the transfer of inorganic pollutants did not immobilize all the Zn and As and even contributed to As III transport to the surrounding environment. These results provide more information about the environmental impact of the Great War and more generally about the processes driving the behavior of metals/metalloids on polluted sites

Les sédiments fins qui s’accumulent naturellement en amont des ouvrages hydroélectriques sont parfois amenées à être gérés à terre, pour des raisons techniques ou environnementales. L’une des voies de valorisation envisagée pour les gérer est la construction de sols fertiles pour l’aménagement d’espaces végétalisés ou encore pour la réhabilitation de zones dégradées. Cet usage des sédiments en tant que matériaux alternatifs pour construire des sols contribue à préserver la ressource en terre végétale et nécessite de prouver la valeur agronomique et l’innocuité environnementale des sédiments. Une approche expérimentale (essai sous serre de 3 mois et essai in situ en bacs lysimétriques de 24 mois) a permis d’évaluer les composantes physiques, chimiques et biologiques de la fertilité de sols construits à partir de 6 sédiments, seuls ou mélangés avec 40 % (v:v) de compost de déchets verts.Les résultats de l’étude ont mis en évidence que la capacité d’agrégation des sédiments est un facteur clé de leur fertilité. Le suivi du développement de la couverture végétale des sols construits a démontré la capacité de tous les sédiments étudiés à être support de végétation. Les sédiments riches en matière organique (MO) (>30 g kg-1) sont adaptés aux végétaux des espaces végétalisés ayant potentiellement des exigences hydriques et trophiques élevées. Les sédiments pauvres en MO (<30 g kg-1), semblent davantage adaptés à une utilisation pour des opérations de restauration où les exigences des végétaux sont généralement moindres. Ce travail aboutit à la proposition de critères environneme
Fine sediments naturally accumulate upstream of hydropower facilities. For technical or environmental reasons, they occasionally have to be dredged and land managed. Using dredged sediment to construct fertile soils and set up green spaces or rehabilitate degraded land is one the ways dredged sediment can be valorized. This use of sediment as an alternative soil-building material helps preserve the topsoil resource, but its agronomical value and environmental safety first has to be demonstrated. We used an experimental approach (a 3-month greenhouse trial and a 24-month in situ lysimeter test) to assess the physical, chemical, and biological parameters of soil fertility from 6 sediments that were either pure or mixed with 40 % (v:v) of green waste compost.The results showed that sediment aggregation capacity is a key factor of their fertility. The monitoring of vegetation cover development on the constructed soil demonstrated that all six sediments could support vegetation. High organic matter (OM) content sediments (> 30 g kg-1) are suitable to grow plants with potentially high water and nutrient requirements. Low OM content sediments (< 30 g kg-1) appear to be more suitable for use in restoration operations where plant requirements are generally lower. This work leads to the proposal of environmental and agronomical criteria for directing sediments towards soil construction and propose adapted uses

La construction de technosols permet la restauration durable de sols urbains contaminés, si tant est qu’ils parviennent à devenir fertiles et riches d’une biodiversité fonctionnelle. Afin de s’en assurer, la recolonisation de technosols composés d’un mélange de limon profond et de compost de déchets verts a été suivie à l’aide de 5 bioindicateurs : collemboles, acariens, vers, carabes et cloportes. Trois expérimentations ont ainsi été menées : (i) un dispositif expérimental dans le futur écoquartier de l’Union (Roubaix) (ii) des mésocosmes de taille plus réduite avec inoculation de vers et de cloportes et iii) des microcosmes en laboratoire suivant l’évolution de populations de collemboles. Les résultats obtenus montrent que si la connectivité des technosols à un élément paysager local joue sur la facilitation des premiers stades de recolonisation (pour la mésofaune et les vers notamment), le mode de gestion des technosols a un impact plus durable sur la dynamique de colonisation et sur l’implantation des divers taxons. La mise en place d’un couvert végétal herbacé (prairie fleurie, pelouse) ou arbustif s’est révélée particulièrement bénéfique pour les communautés pédofauniques, qui y sont plus riches et abondantes, ainsi que pour la fonctionnalité des technosols (meilleure dégradation de la litière, communautés de collemboles diversifiées en termes de traits fonctionnels). Il en va de même pour l’application de BRF qui favorise vers et mésofaune via le relargage de composés organiques et le développement de communautés fongiques associées. Ces résultats pourront ainsi être mis à profit par les aménageurs dans leurs projets de réhabilitation urbaine durable
Soil construction appears to be a tempting way to restore, lastingly, contaminated urban soils provided that they can become fertile with a functional biodiversity capable of assuring essential ecosystem services. To ensure this, the recolonisation of newly established technosols composed of a mixture of compost and deep alluvion was monitored using judiciously chosen bioindicators: springtails, mites, earthworms, carabid beetles and woodlice. Thus, three experiments were carried out: (i) an experimental plot located inside the future “Ecoquartier de l’Union” (Roubaix, France) (ii) smaller mesocosms with an introduction of earthworms and woodlice and (iii) laboratory microcosms studying the evolution of collembolan populations. The results show that, if the connection of the technosols with an element of the local landscape (in this case a railway hedgerow) plays a part chiefly in aiding the first stages of recolonisation, notably for earthworms and springtails, technosols' management has a lasting impact on the colonization dynamics and the implantation of the different taxa. Establishing an herbaceous cover (flowering meadow, lawn) or a hedge was especially profitable to the pedofaunic communities, which were richer and more abundant, as well as to the technosols functioning (better litter degradation, diversified collembolan communities with regards to functional traits). The same is true for the addition of RCW (Ramial Chipped Wood) which benefits earthworm and mesofauna through the organic components released and the associated fungal development. Therefore, urban planners could use these results in their sustainable rehabilitation projects

Suite à des usages intensifs d’origines industrielles, des surfaces considérables de sols dégradés, peu fertiles, voire contaminés sont délaissées. Dans un contexte de raréfaction des sols et de pressions foncières et économiques grandissantes, la réhabilitation de ces sols fortement anthropisés et délaissés peut-être un enjeu. Toutefois, pour envisager une réutilisation de ces sols, il est nécessaire de mieux les caractériser. L’étude de la qualité des sols prend rarement en compte la biodiversité et le fonctionnement biologique. Ainsi, l’objectif de ce travail de thèse était de caractériser des sols délaissés, en prenant en compte leurs paramètres abiotiques, biotiques et fonctionnels. Pour cela, six sols fortement anthropisés délaissés du nord-est de la France, correspondant à différentes activités industrielles, ont été étudiés in situ et en laboratoire. Plusieurs groupes biotiques (bactéries, champignons, mésofaune, macrofaune et flore) ont été étudiés afin d’avoir une approche quasi-exhaustive de la biodiversité des sols. Une approche taxonomique et fonctionnelle (basée sur les traits) de la biodiversité a été réalisée pour les champignons, la méso- et la macrofaune. De plus, l’évolution in situ au cours du temps des paramètres abiotiques et biotiques a été prise en compte sur un des six sols délaissés étudiés. Enfin, les interactions biotiques entre une espèce de collembole, de champignon mycorhizien à arbuscules et de plante herbacée ont été étudiées dans deux sols délaissés, en laboratoire. Nous avons montré que les sols délaissés étaient caractérisés par une biodiversité significative, comparable selon les cas, à celles d’autres types de sols, comme les sols forestiers, de prairies ou agricoles. Toutefois, des différences de densité, de richesse et de structures taxonomiques et fonctionnelles entre les sols délaissés existent et dépendent du groupe biotique étudié. Ces différences sont notamment liées aux propriétés physico-chimiques contrastées de ces sols. Ainsi, un sol construit, amendé en compost, était l’écosystème le moins perturbé des sols étudiés, contrairement à un autre sol construit et contaminé en métaux lourds. Nous avons montré que les paramètres physico-chimiques, et surtout biologiques, évoluaient rapidement au cours du temps (environ un an) dans le sol construit contaminé en métaux lourds. Enfin, nous avons mis en évidence, dans les deux sols étudiés en laboratoire, des modifications des interactions biotiques sous l’influence de nombreux paramètres comme le volume de sol, la durée de l’interaction, la présence d’une microflore indigène etc. Finalement, nous avons montré que ces sols pouvaient être le support de services écosystémiques tels que l’habitat pour la biodiversité et qu’ils pouvaient être fonctionnels, permettant ainsi de considérer leur potentielle valorisation
Due to industrial activities intensification, large surfaces of degraded soils, with low fertility and sometimes contamination, are derelict. In the context of land depletion and economic pressure, the rehabilitation of these derelict anthropogenic soils could be a key issue. However, these derelict soils needs to be better characterized before to consider their potential use. Soil quality studies rarely take into account the biodiversity and the biological functioning. Thus, the aim of this PhD work was to characterize derelict soils by considering their abiotic, biotic and functional parameters. To this end, six derelict strongly anthropogenic soils from north-eastern France, resulting from different industrial activities, were studied in situ and in laboratory. Several biotic components (bacteria, fungi, mesofauna, macrofauna and flora) were studied to have an almost complete approach of the soil biodiversity. Taxonomical and functional (trait-based approach) study of biodiversity was performed for fungi, meso- and macrofauna. Moreover, the in situ evolution over time of abiotic and biotic parameters was taken into account in one of the six studied derelict soils. Lastly, biotic interactions between a species of Collembola, of arbuscular mycorrhizal fungi and of herbaceous plant were studied in two derelict soils, in a growth chamber. We showed that derelict soils were characterized by a significant biodiversity, comparable case to case with other kinds of soils like forest, grassland or crop. Nevertheless, differences in terms of density, richness and taxonomical and functional structure community were observed between soils and depend on considered biotic group. These differences were notably linked with contrasting physico-chemical parameters between soils. Thus, a compost-amended constructed soil was the less disturbed among the six studied soils, in contrast with a heavy metal-contaminated constructed soil. We showed that abiotic parameters, notably biotic parameters, evolved quickly (within one year) in the metal-contaminated constructed soil. In the two derelict soils where interactions between Collembola and mycorrhizal fungi were studied, biotic interactions were affected by several parameters like soil volume, time of interaction, indigenous microflora presence etc. Finally, we have shown that these derelict soils support ecosystems services such as biodiversity reserve and could be functional, allowing potential re-use

Dissertação de mestrado em Biologia, apresentada ao Departamento Ciências da Vida da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
Terras contaminadas, quer com poluentes orgânicos ou inorgânicos, são um problema muito comum. As áreas mineiras são uma das principais causas de entrada de metais pesados no ambiente, além de terem um forte impacto visual. A revegetação é o método mais eficaz para prevenir a erosão e a consequente disseminação de contaminantes para áreas circundantes. No entanto, o crescimento das plantas é condicionado por factores limitantes dos solos de mina tais como o baixo pH, a baixa fertilidade, o baixo teor de nutrientes, as elevadas concentrações de metais pesados e um banco de sementes reduzido para iniciar o processo de estabelecimento de plantas. Em muitos casos, para este estabelecimento ser bem-sucedido é necessário melhorar as propriedades físicas e químicas dos parâmetros do solo. Na mina de cobre de Touro (Galiza, Espanha), a nossa área de estudo, decorre um projecto de larga escala de alterações de solo com o uso de technosols, uma mistura de vários resíduos orgânicos, para melhorar as condições dos solos mineiros. Duas experiências foram realizadas. A primeira para avaliar o potencial de banco de sementes e o desenvolvimento destas em vários tipos de technosols comparativamente a um controlo fora da mina e ao solo de mina original. O número de plantas foi contado e as espécies identificadas. A segunda experiência foi realizada com solo de mina para avaliar o papel das alterações no solo, especificamente o aumento do conteúdo de nutrientes e pH, na performance de duas gramíneas e duas leguminosas em um estudo individual e em uma mistura de espécies. A altura e o número de folhas foram registados ao longo da experiência e a biomassa final determinada. Os solos de mina revelaram um potencial muito baixo para a germinação e crescimento de plantas, enquanto os technosols, em geral, facilitam a germinação e podem ter um bom impacto na revegetação. Lolium perenne parece ser a espécie com maior capacidade para suportar as condições adversas de solos de mina. O melhor melhoramento de solo para o crescimento das plantas nas quatro espécies testadas foi a mistura de solo de jardim com solo de mina original. Assim, não é suficiente aumentar o pH, é também necessário adicionar nutrientes para melhorar a germinação e o estabelecimento de plantas. Em conclusão, a principal razão pela qual as plantas não germinam nem se desenvolvem em solos de minas é o baixo pH e o baixo conteúdo em nutrientes e não tanto devido à não existência de um banco de sementes, tendo em conta que ao redor das áreas mineiras existe vegetação que pode constituir uma fonte de sementes para a área. O aumento do pH reduz a solubilidade dos metais pesados, mitigando um dos problemas associados aos solos de minas. Assim, para garantir e acelerar o estabelecimento de plantas nestes solos, as propriedades destes devem ser melhoradas. É também importante ter uma base de dados das espécies locais e mais comuns dos diferentes grupos funcionais para enriquecer a qualidade e quantidade do banco de sementes. As gramíneas, com o seu sistema de raízes altamente desenvolvido são importantes para estabilizar e reduzir a erosão do solo e as leguminosas, a longo prazo, enriquecem os solos com azoto, devido ao processo de fixação de azoto, preparando a entrada de espécies mais típicas de fases de sucessão ecológica tardia.