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Séminaire-Bilan des travaux de l’OHM BMP sur les terrils du Bassin Minier de Provence – 7 décembre 2015- Aix-en-Provence
LE LIGNITE DU BASSIN MINIER DE PROVENCE:
INFLUENCE SUR LES PROPRIETES PHYSICO‐CHIMIQUES ET
BIOLOGIQUES DES SOLS
Stéven CRIQUETMaître de Conférences – HDR (IMBE)
Catherine KELLER Professeur (CEREGE
Mélanie CLOUARD, Philippe DUSSOUILLEZ , Virgile CALVERT, Rachelle ADJOUHGNIOPE, Guillaume BERNARD, Nathalie DUPUY, Sandrine AMAT, Jérôme BALESDENT, Fabio MARZAIOLI, Fabio ZIARELLI
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Contexte Echantillonnage Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Typologie et fonctionnement des sols enrichis en lignite du bassin minier de Provence
Projets concernés:
Thèse Mélanie Clouard: Sols des terrils de Provence : étude des paramètres biologiques et physico-chimique impliqués dans leur intégration environnementale(co-direction Criquet/Keller)
OHM BMP – LiterPro 1: Le lignite des terrils de Provence :Caractérisation spectrale et influence sur la qualité de la La matière organique et les fonctions microbiennes des sols
OHM BMP – LiterPro 2: Le lignite des terrils de Provence :Spatialisation et influence sur les activités microbiennes des sols
Etude de l’influence du lignite:
Processus de pédogenèse Caractéristiques physico-chimiques des sols Expression des activités microbiennes
1
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Impact du lignite sur les propriétés pédobiologiques:
connaissances incomplètes
Problématique
4
Objectifs
Définir des indicateurs d’abondance du lignite
Spatialiser la distribution du lignite et son impactsur l’activité microbienne d’horizons A
cas du terril Armand
Etudier plus finement l’effet du lignite sur les fonctions microbiennes et la croissance végétale
mésocosmes
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
5
Géolocalisation des terrils du BMP
Augmentation des volumes des terrils d’Est en Ouest:
Pendage / Profondeur des veines Mécanisation des techniques d’extraction
Molxs
Hély d’Oissel
Germain
Kirbon
Armand
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9Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Qualité de la MO :
SS 13C CPMAS NMR après traitement HF SPIR + régressions PLS 14C : C-lignite vs C-récent
6
Fonctions microbiennes
Enzymes de recyclage CNPS
-glu: -glucosidase (C) ArylS: Arylsulfatase (S) PhoA: Phosphatase acide (P) ArylN: Arylamidase (C, N) FDL: Lipase (C) FDA: Estérase (C) Diversité fonctionnelle Biolog
Respiration basale
CPG, OxiTop (Photos S. Criquet)
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
7
Signatures spectrales du lignite
Gardanne
Kirbon
Hély d’Oissel
2 pics principaux:
Aromatic C (128 ppm)
Alkyl C (31 ppm)
Lignites des mines sont identiques
Lignite de l’affleurement (Kirbon)
Altération importante du pool des alkyl C
Alk- C
Aro- C
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Soil horizon Ratio A COT C/NWithout lignite
(‐) A 0,67 7,2 19,2(‐) A/C1 0,68 6 21,2(‐) C1 0,68 5(‐) C2 0,68 4,8
With lignite(+) A 1,75 8,9 28,1
(+) A/C1 0,78 8,4 26,1(+) C 2,5 7,3 27,4
8
Signatures spectrales des sols – Affleurement de lignite de Kirbon
Clouard et al.2014
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
9
H
B
M
Signatures spectrales des sols - Les Molxs (Collevieille)
H M B
% C % en Alkyl-C et en Aromatic-C récalcitrance du C
signature spectrale du lignite
A mesure que l’on dévale la pente….
Gradient de signature en lignite:
Substrat plus léger ? Substrat plus lessivable ?Stériles plus appauvries en ligniteau sommet ? Meilleures techniques d’extraction ?
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
B
H
C & N (post HF)Sample % N % C C/N
H 0,38 11,6 31B 0,41 18,2 44
H
B
Signatures spectrales (30 et 128 ppm) caractéristiques d’un enrichissement en lignite, similaires aux Molxs.
% en C, Alk-C et Aro-C au pied du terril
Signatures spectrales des sols - Terril Germain
10
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Terril Armand:Spatialisation de la qualité de la MOS
3
2
1
1
2
3Sur la pente du terril:
Forte hétérogénéité spatiale de la qualité de la MOS
Certains échantillons sont enrichis en Aro-C (lignite)
D’autres non…
M. Clouard2013
11
++ Aro-C
Alk- CAro- C O-Alk-C
Carbox-C
++ O-Alk-C
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2. Spatialisation - Echantillonnage du terril Armand
10m
0 40m 120m80m
15 m
30 m
45 m
0
160m
Niveau 1(bas du terril)
Niveau 4 (haut du terril)
Niveau 3
Niveau 2
Composite 1 Composite 2 Composite 3 Composite 4
Composite 5 Composite 6 Composite 7 Composite 8
Composite 6 Composite 7 Composite 8 Composite 9
Echantillon 10 Echantillon 11 Echantillon 12 N
Echantillons composites (19): analyses RMN; SPIR; modèles PLS Echantillons individuels (57): SPIR; FDA; spatialisation
M. Clouard2013
12
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Niveau 4
Niveau 3
Niveau 2
Niveau 1
Cartographie : P. DussouillezRPearson (composites réels – composites prédits) = 0,80***
Niveau 4
Niveau 3
Niveau 2
Niveau 1
Cartographie : P. DussouillezRPearson (FDAréelle-Caromatiqueprédit)= -0,47*
Effet négatif de l’enrichissement en C-Aro sur l’activité FDA du terril 13
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Et sur les autres variables microbiennes??
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Résidus
Effet net des propriétés physico-chimiquesEffet net de la qualité de la MOInteractions
16,7 %
55,6 %
26.5* %1,2 %
Décomposition de la variance : Diagramme de Venn
Effet significatif et majoritaire de la qualité de la MOS Effet le plus souvent négatif sur l’expression des fonctions microbiennes Ex: RLM Arylamidase (protéase)
β-coefficient
C phénoliques C Carboxyles Index aromatique R² ajusté
Arylamidase -1,14*** 1,12** -0,44** 0,86***
R² ajustéPhysico-chim
0,13ns
14
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Contexte Echantillonnage Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Fonctions microbiennes : KIRBON
Patrons de distribution identiques pour toutes les enzymesSol (-) lignite
Distribution « classique » fonction de la qualitéet de la disponibilité du C org
Distribution « pas classique » fonction de laprésence du lignite
Effet négatif du lignite
Enrichissement en C récalcitrant plusdifficilement métabolisable
Inhibition des enzymes microbiennes?
Sol (+) lignite
10
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Origine de l’effet négatif de la présence de lignite sur les activités microbiennes
Physiologique ? Dilution du COT par un C inerte ?
14C
Quantificationdu
Clignite
Effet « masquant » du lignite sur le lien fonctionnel entre COT & activité enzymatique
Lignite semble être un matériau inerte
15
(2014)
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Influence de doses croissantes en lignite sur les fonctions microbiennes et la croissance végétale:
une étude en mésocosmes
Influence de doses croissantes en lignite sur les fonctions microbiennes et la croissance végétale:
une étude en mésocosmes
16
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Enrichissement des sols témoins « Armand » avec des doses croissantes en lignite
4 modalités:
Témoin (T) : 100g de COT Kg-1 sol
Apport de lignite (Hély d’Oissel)
Modalité 1 (M1) : COT à 150 g.Kg-1 de sol
Modalité 2 (M2) : COT à 200 g.Kg-1 de sol
Modalité 3 (M3) : COT à 250g.Kg-1 de sol
40 mésocosmes plantés avec du blé (4 modalités*10 répétitions)
20 mésocosmes non plantés (4 modalités * 5 répétitions).
37 j de croissance
17
Maturation1mois15°C
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aaaaaa
aa
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Aucun effet du lignite sur la croissance du blé
Quelques résultats
18
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Effet négatif du lignite
Effet négatif uniquement par dilution ?
Pas si évident…
Pas de proportionnalité entre la
dilution du Cvég et les activités enzymatiques
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
19
Phosphatase% pertes obs >> % pertes théo
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Approche multivariée
Effet négatif du lignite:
Adsorption des nutriments, des enzymes?
Effet dose
Effet négatif du lignite
Pas d’effet dose
Effet rhizosphère atténue l’effet dose ?20
T M1 M2 M3
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Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
21
14C: seule méthode permettant de quantifier exactement le lignite
Méthode très coûteuse pour une utilisation en routine
RMN + SPIR : bon compromis pour spatialiser la qualité du C et l’enrichissementen Aro-C (lignite)
Nécessité de modèles plus robustes + bases données élargies
Lignite: substrat inerte ou labile ?
Nécessité d’approfondir:
ses capacités d’adsorption et d’inhibition des fonctions microbiennes son potentiel de dégradation par les microorganismes les relations fonctionnelles lignite/rhizosphère/microrganismes
Espèces végétales plus représentatives des terrils Sur des temps plus longs
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RMN SOLIDE DU 13C (13C SS CPMAS NMR)
C Alkyles (0-45 ppm)
C O-Alkyles (45-110 ppm)
C Aromatiques (110-140 ppm)
C Phénoliques (140-160 ppm)
C Carboxyles (160-220 ppm)
C Méthoxyles(50-60 ppm)
9Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Qualité de la MO : SS 13C CPMAS NMR après traitement HF
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5. Quantification du lignite dans un sol méditerranéen : isotopie du 14C
Δ 14C (‰)
SANS lignite (Rendosol)
A/IIC : - 49,3
IIC : - 156,6
IIIC : - 245,9
A : 40,8
AVEC lignite
IIA : - 853,9
IIIA/IIC : - 228,4
IIIC : - 915,0
Le marquage isotopique du 14C est la seule méthode actuellement qui permet de quantifier le lignite dans les sols
Lignite de la veine affleurante :
-970,1 ‰ et -984,1 ‰Valeurs comparables à
d’autres sols méditerranéens (Elzein et Balesdent, 1995, SSSAJ)
Lignite allemand : -996 ‰ (Chabbi et al., Organic geochemistry, 2006)
(Soutenance Thèse M Clouard – 18 Décembre 2013)