Soutenance de thèse de PAPPOE Abraham Nii Akwei
Titre de thèse
Utilisation d'une approche combinée isotopes stables - spéciation pour comprendre l'impact à long termede l'épandage des effluents organiques sur les sols agricoles.
Using a combined approach stable isotopes – speciation to understand the impact of long-term spreadingof organic effluents on agricultural soils.
Résumé de la thèse
Les déchets organiques (DO) sont couramment épandus sur les sols agricoles en tant qu'engrais, car il s'agit d'une approche rentable et écologiquement durable de la gestion des déchets. Cependant, ils contiennent également de fortes concentrations d'oligo-éléments potentiellement toxiques, le cuivre (Cu) et le zinc (Zn). Il est largement reconnu que l'épandage de déchets organiques est la principale source d'apports de Cu et de Zn dans les sols agricoles. Néanmoins, les études évaluant le comportement et le devenir à long terme du Cu et du Zn dans le sol après l'épandage de déchets organiques sont peu nombreuses. Cette étude a été conçue pour répondre à cette question en étudiant la concentration de Cu et de Zn, la composition isotopique et la spéciation des déchets organiques et des échantillons de sol provenant de quatre expériences de terrain à long terme. Ces échantillons ont été sélectionnés pour représenter différents types de sols (Nitisol, Luvisol, Fluvisol et Cambisol), différents déchets organiques (lisier de porc (LP) ou compost ménager (CP)) et différentes modalités expérimentales (faibles volumes de déchets organiques appliqués sur une courte période contre de grandes quantités de déchets organiques sur de longues périodes). Tout d'abord, nous avons évalué la représentativité des concentrations de Cu et de Zn et de la composition isotopique enregistrées dans les Nitisols échantillonnés sur l'ensemble du champ expérimental en analysant des échantillons de sol prélevés dans différentes sections du champ. Nous avons montré que les compositions isotopiques du Cu et du Zn étaient cohérentes malgré le fait qu'elles aient été échantillonnées dans différentes zones du champ et que les résultats des échantillons de sol prélevés pouvaient donc être considérés comme représentatifs de l'ensemble du champ. Toutefois, il convient de faire preuve de prudence en généralisant les concentrations de Cu et de Zn des sols échantillonnés à l'ensemble du champ, étant donné qu'une certaine hétérogénéité a été enregistrée. En outre, en combinant l'analyse des isotopes stables et la spectroscopie d'absorption des rayons X, nous avons identifié des changements dans les concentrations de Cu et de Zn, la spéciation et les compositions isotopiques dans les sols amendés, mais uniquement dans des conditions de taux d'application élevés sur de longues périodes. Dans ces conditions, nous avons mis en évidence que (i) quel que soit le type de sol et DO, tous les Cu et Zn dérivés de DO s'étaient accumulés dans la couche arable ; (ii) les signatures isotopiques des sols amendés résultaient d'un mélange binaire de Cu et Zn transportés par les DO et les sources géogéniques ; et (iii) le Cu et le Zn présentaient des schémas de spéciation distincts dans les sols amendés. Nous avons notamment mis en évidence une persistance sans précédent de Cu(I)-sulfure cristallisé transporté par le DO dans les sols amendés. Ceci contraste avec le changement radical des espèces de Zn transportées par le DO dans les sols amendés, c'est-à-dire la transformation complète du sulfure de Zn nanométrique transporté par le lisier de porc ou du phosphate de Zn amorphe dérivé du compost ménager et du Zn complexé par la matière organique.
Thesis resume
Organic wastes (OW) are commonly spread on agricultural soils as fertilizers as it is a cost effective and environmentally sustainable approach to waste management. However, they also contain high concentrations of potentially toxic trace elements, copper (Cu) and zinc (Zn). It is widely recognized that organic waste spreading is the primary source of Cu and Zn inputs in agricultural soils. Nevertheless, studies assessing the long-term behavior and fate of Cu and Zn in soil following OW spreading is scant. This study was designed to address this issue by studying the Cu and Zn concentration, isotope composition and speciation of organic waste and soil samples from four long-term field experiments. They were selected to represent different soil types (Nitisol, Luvisol, Fluvisol and Cambisol), different OWs (pig slurry (PS) or household compost (HHC)) and experimental modalities (low OW volumes applied over a short time versus large amounts of OW over long periods). Firstly, we evaluated the representativity of Cu and Zn concentration and isotope composition recorded in sampled Nitisols over the whole experimental field by analyzing soil samples taken from different sections of the field. We showed that Cu and Zn isotopic compositions were consistent despite being sampled at different areas of the field and thus, results from soil samples taken could be considered as representative of the entire field. Whereas caution should be taken in generalizing Cu and Zn concentrations of sampled soils to the entire field as some heterogeneity was recorded. Furthermore, by combining the stable isotope analysis and X-ray absorption spectroscopy, we identified changes in Cu and Zn concentrations, speciation and isotopic compositions in the amended soils, but only under conditions of high application rates over long periods. Under these conditions, we highlighted that: (i) regardless of the soil and OW type, all OW-derived Cu and Zn had accumulated in the topsoil layer; (ii) the isotopic signatures of amended soils resulted from a binary mixture of OW-borne and geogenic Cu and Zn; and (iii) Cu and Zn exhibited distinct speciation patterns in amended soils. Notably, we revealed an unprecedented persistence of OW-borne crystallized Cu(I)-sulfide in the amended soils. This contrasted with the radical change in OW-borne Zn species in the amended soils, i.e., the complete transformation of pig slurry-borne nanosized Zn-sulfide or household compost-derived amorphous Zn phosphate and Zn complexed by organic matter.