Impact de la dégradation de la matière organique sur l’évolution de la dynamique
des éléments traces métalliques dans les sols agricoles

Directeur : MARSAC Rémi, CR CNRS HDR, marsac@ipgp.fr
Co-encadrants : JANOT Noémie, CR INRAE, noemie.janot@inrae.fr
SIVRY Yann, McF IPGP HDR, sivry@ipgp.fr
Équipes d’accueil : IPGP - Équipe ACE – UMR 7154
INRAE – ISPA – UMR 1391
Financement : Contrat doctoral avec ou sans mission d’enseignement
Co-financement (acquis) ANR-INRAE

Contexte

Les terres cultivées contiennent des métaux à l’état de traces (ETM : Cd, Cu, Ni, Pb, Zn),
qui, s’ils sont trop abondants, s’avèrent être des contaminants problématiques à la fois pour
la sécurité sanitaire des produits récoltés mais aussi pour l’écosystème environnant.
L’épandage répété d’amendements organiques contenant des quantités variables d’ETM
peut conduire à une accumulation préoccupante de ces éléments avec le temps si les
quantités apportées sont supérieures aux pertes par lixiviation ou prélèvement par les
cultures. Dans un contexte où le recyclage des produits résiduaires organiques (PRO) en
agriculture est fortement encouragé, il y a un enjeu fort pour comprendre si cette pratique à
visée vertueuse ne présente pas de risque sanitaire et environnemental.
L’apport de matière organique (MO) fraîche, à la fois dans la phase solide (MOS), colloïdale
et dissoute dans la solution du sol (MOD) provoque une modification de la spéciation et de
la répartition solide-solution des ETM, qui est susceptible d’évoluer au cours du temps et de
la dégradation des amendements. Prédire l’évolution de la disponibilité des ETM dans un
sol est actuellement un verrou scientifique, a fortiori dans le contexte de l’épandage de PRO,
notamment en raison de la difficulté d’estimer expérimentalement la spéciation des ETM,
tant sur la phase solide qu’en solution, et de prédire la dynamique des flux entre les
différentes phases du sol.
La construction d’un modèle basé sur les processus physico-chimiques et prenant en
compte l’évolution de la réactivité de la MOD/MOS par rapport aux ETM au cours du temps,
permettrait de pouvoir prédire la disponibilité de ces ETM à long terme. Cette problématique
répond à des enjeux socio-économiques forts, notamment aux objectifs de développement
durable de l’ONU (ODD) 2.4 "agriculture performante et résiliente", et 3.9 "Santé-
environnement".

Objectifs

Les travaux seront conduits principalement sur des échantillons de sol du dispositif
QualiAgro (SOERE-PRO) de l’IR AnaEE-France ayant reçu des épandages de PRO depuis
1998 à raison d’un apport tous les 2 ans. Les ETM étudiés sont Cd, Cu, Ni, Pb, Zn, choisis
en raison de leur affinité pour la MO et/ou de leur abondance dans les PRO et les sols.
La question centrale de ce projet de recherche est la suivante :
Comment l’évolution des propriétés physico-chimiques de la matière organique des
sols agricoles amendés en produits résiduaires organiques affecte-t-elle la
disponibilité des ETM à court et long terme ?
L’originalité de ce projet de thèse repose sur la combinaison de méthodes
spectroscopiques, isotopiques, et analytiques de pointe, ainsi que de modélisation
géochimique permettant d’investiguer la dynamique de la MOD, notamment le
compartiment colloïdal et de déterminer les liens structure-réactivité des complexes ETM-
MOD, à la fois :
(i) en quantifiant le pool d’ETM libres en solution, ainsi que leur spéciation redox (pour le
Cu), et non uniquement le partitionnement solide-solution et les concentrations totales
dissoutes ;
(ii) en utilisant les propriétés optiques de la MOD pour caractériser l’évolution, au cours de
sa dégradation, de son affinité aux ETM (en termes de densité de sites réactifs et constantes
d’affinité) via des titrages spectrophotométriques ;
(iii) sur la phase solide, en caractérisant les différentes phases porteuses des ETM dans les
sols et les PRO, directement par spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) mais
également en caractérisant l’évolution de la fraction mobilisable des ETM par cinétique
d’échange isotopique (CEI).
L’objectif est d’implémenter ces observations expérimentales dans un modèle numérique.
En effet, le couplage de ces deux approches permettra de paramétrer des modèles de
complexation ETM-MO sur des échantillons naturels, et ainsi de construire une approche
de modélisation basée sur les processus pour comprendre comment la spéciation des ETM
évolue dans le temps en lien avec la dynamique de la MO et de savoir qui de l’évolution des
propriétés de la MO ou des conditions physico chimiques est le facteur majeur d’évolution
de la disponibilité. Cette modélisation mécaniste de la spéciation des ETM dans le sol est
nécessaire pour caractériser et prédire le risque associé à ces pratiques agricoles. Or, à
l’heure actuelle, les paramètres génériques des modèles de spéciation calibrés sur des
substances humiques purifiées ne permettent pas de décrire correctement les observations
faites sur des échantillons naturels.

Profil du candidat recherché

Formation scientifique niveau Master 2 ou diplôme d’ingénieur en géosciences, (géo)chimie
de l’environnement. Des compétences en chimie/géochimie analytique et/ou en
modélisation seront un plus.
Le/la candidat(e) sera rattaché à l’équipe ACE de l’IPGP (Paris) pendant 18 à 24 mois, puis
à l’UMR ISPA (INRAE Bordeaux) pendant les 12 à 18 mois suivants.
Le dossier de candidature à envoyer avant le 17/05 à 12h à l’équipe d’encadrement est
constitué d’un CV détaillé et d’une lettre de motivation, à compléter avec les relevés de
notes de la licence, master (ou diplôme équivalent), incluant les rangs de classement et
effectif de la promotion, et une ou deux lettres de recommandation.
Les candidats présélectionnés devront défendre le sujet et leur dossier/profil scientifique en
juin 2024 devant un jury de l’École doctorale STEP’UP.