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Modélisation dynamique de la (bio)disponibilité des éléments chimiques dans les sols: approche comparative modèles-expériences appliquée aux transferts de strontium et de césium dans la rhizosphère

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Laboratoire d'accueil :  Laboratoire de recherche sur les transferts de radionucléides dans les écosystèmes terrestres (LR2T)

Date de début de thèse : octobre 2013

Nom du doctorant : Mohamed Amine Cherif

 

Descriptif du sujet

 

Ce projet de thèse s'inscrit dans un contexte d'amélioration des outils de prédiction de la distribution et des flux de radionucléides dans et entre les différents compartiments des écosystèmes terrestres, et de leurs évolutions en fonction du temps.


Il s'agit en particulier de comparer différentes approches mécanistes et phénoménologiques permettant de décrire les processus de transfert des ions entre le sol, la solution du sol et le système racinaire des végétaux, et d’identifier les facteurs-clefs les gouvernant. Le but est de déterminer, pour différentes échelles de temps, les domaines de validité et les contraintes qui sont associés à ces différents niveaux de modélisation.


Les objectifs principaux du travail sont :

1) le développement d'une modélisation mécaniste (complexation de surface et de spéciation chimique) de la disponibilité et la biodisponibilité des éléments chimiques dans le sol et la rhizosphère, à différentes échelles de temps ;

2) la comparaison de cette approche avec les approches phénoménologiques ou empiriques (modèles à boites (Kd) et modèle d’équilibre cinétique) ;

3) la mise en œuvre d’un outil de prédiction, à la fois mécaniste et opérationnel, de la (bio)disponibilité des éléments chimiques dans le système sol/solution/plante.


Ces différentes approches de modélisation sont appliquées au cas du Cs, du Sr et à leur analogue chimique, K et Ca respectivement. Un focus particulier sera mis sur la modélisation de la dynamique des processus de désorption de ces éléments (disponibilité physicochimique) qui contrôle la réalimentation de la solution du sol à partir d'un sol contaminé.


Pour atteindre ces objectifs, il faut :

i) tenir compte des effets de l’activité racinaire et de la composition chimique de la solution du sol (pH, concentrations des autres éléments : K, Ca) ;

ii) considérer explicitement les différents constituants des sols (les minéraux, la matière organique et les (hydr)oxydes de Fer et d’Aluminium) par l’utilisation des modèles de complexation de surface ;

iii) déterminer si l’utilisation d’une approche à l’équilibre (adsorption/désorption) est suffisante, ou s’il est nécessaire d’y associer une composante cinétique.


En support à ces développements, une série d'expérimentations, en milieux contrôlés et sur des systèmes simples de laboratoire, permettra de confronter les simulations numériques à des données expérimentales et aux modèles opérationnels disponibles pour décrire le continuum sol/solution/plante.