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Doctorant-e H/F - Nanoparticules et matière organique en infiltration des eaux pluviales

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : jeudi 13 mai 2021

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Informations générales

Référence : FR2488-BEABEC1-001
Lieu de travail : NANTES
Date de publication : jeudi 22 avril 2021
Nom du responsable scientifique : Denis COURTIER-MURIAS
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Contexte :
Les nanoparticules (NP), polluants émergents et particules fines de moins de 100 nanomètres, représentent une menace particulière en raison de leur utilisation très fréquente dans les technologies modernes (1-3). Les NP pénètrent facilement dans le corps humain et peuvent atteindre les organes les plus sensibles, perturbant l'environnement biochimique normal des cellules. En outre, leur risque écologique suscite de vives inquiétudes. Les NPs peuvent pénétrer dans le sol par le biais de déversements industriels, mais elles peuvent également être utilisées en dépollution des sols (par exemple, elles ont été utilisées pour éliminer divers types de polluants du sol (4)). L'introduction de ces particules dans l'environnement naturel pourrait constituer une menace pour les communautés microbiennes naturelles, telles que celles que l'on trouve dans le sol (5, 6). En outre, les modèles suggèrent que le sol est un récepteur majeur des NP - plus que l'air ou l'eau, mais les NP peuvent également s'infiltrer à travers la zone vadose jusqu'à la nappe phréatique par l'écoulement des eaux souterraines.
Pour améliorer l'évaluation des risques environnementaux des NP, les expériences sur les sols sont recommandées. Cependant, le sol naturel est extrêmement complexe et difficile à étudier in situ mais aussi en laboratoire car les constituants du sol (minéraux, matière organique, microbes...) peuvent interagir avec les contaminants. Par exemple, la matière organique dans les sols est connue pour jouer un rôle critique dans le transport et le devenir des NP dans l'environnement (7,8) mais aussi la fraction minérale (9). En raison de la complexité des sols et des difficultés techniques pour mesurer la contamination des sols in situ, de nombreux modèles environnementaux prédisant le devenir et le transport des contaminants dans les sols sont en cours de développement (10-12). Même si les modèles sont souvent utilisés avec succès pour ajuster un ensemble spécifique de données afin d'obtenir des informations physiques et chimiques significatives, il existe encore des limites en ce qui concerne les prédictions complètes du devenir des contaminants dans les sols. Les mécanismes de transport sont déduits des courbes de percée des particules (BTC) mesurées dans les effluents des colonnes, dont l'interprétation est susceptible d'être non unique. De même, un bon accord entre les courbes de percée modélisées et expérimentales peut ne pas être suffisant pour valider les hypothèses du modèle de transport (13).
Originalité du projet et objectifs :
Pour dépasser les limitations de l'analyse des BTCs, l'utilisation de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) s'est révélée ces dernières années, comme une technique non-destructive et non-invasive, qui peut produire des images à l'intérieur du sol des phénomènes dynamiques et statiques des NPs pendant les expériences de transport (14). Toutefois, ces expériences ont été réalisées dans des systèmes modèles et n'ont pris en compte que les interactions des NP avec la partie minérale des sols. Cela peut s'expliquer par le fait que l'ajout de matière organique du sol (MOS) aux systèmes modèles compliquera l'interprétation des données et la modélisation en raison de la complexité des interactions avec la MOS. Cependant, le transport des NP dans le milieu poreux d'un sol n'est pas seulement affecté par le réseau poreux mais aussi par la SOM, qui peut les adsorber mais aussi faciliter leur transport (15). En particulier, la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) a fourni un cadre puissant pour mieux comprendre le devenir, la biodisponibilité, la toxicité, la séquestration et la remédiation des contaminants au niveau moléculaire (16). Les informations obtenues à partir des expériences "batch" seront appliquées à l'approche de modélisation.
Un autre point important de cette thèse sera l'utilisation d'une nouvelle technologie RMN appelée spectroscopie RMN multiphase complète (CMP), qui a été récemment développée par André Simpson (Université de Toronto) en collaboration avec Bruker. Les technologies traditionnelles de RMN, à savoir la solution et l'état solide, se concentrent sur l'analyse dans un seul état physique. Le CMP-NMR peut permettre d'étudier les différentes phases telles que celles que l'on trouve dans les sols naturels gonflants et d'obtenir différents spectres RMN de type liquide, gel et solide dans un seul échantillon multiphasique. De façon générale, la recherche proposée vise à améliorer la compréhension du transport des NP, de leurs interactions avec le sol et de leur impact sur la qualité de l'eau dans les sols urbains.
Méthodologie scientifique :
Les conditions expérimentales seront conçues pour simuler l'infiltration de l'eau dans les sols urbains. Des nanoparticules seront préparées et caractérisées en termes de taille et de propriétés de surface (par exemple, potentiel zêta, spectrométrie de masse à plasma inductif à particule unique (spICP-MS)). Les suspensions seront injectées dans des sols modèles préparés dans des colonnes de laboratoire. Le doctorant pourrait bénéficier de l'appareil expérimental pour réaliser des expériences dans des conditions contrôlées. La caractérisation des processus de transport et de rétention sera effectuée par IRM et RMN afin d'imager le transport et de comprendre les interactions avec la matière organique du sol respectivement.
Des milieux poreux avec différentes tailles de pores (billes de verre, argiles... avec ajout de matière organique) seront utilisés comme systèmes modèles pour comprendre cet effet sur le transport des contaminants dans le sol. Ensuite, des sols reconstitués seront utilisés et des sols réels. De plus, des NPs avec différents groupes fonctionnels seront utilisés pour étudier les conséquences de l'adsorption des contaminants sur les surfaces caractérisées. Enfin, des échantillons de sols de différentes textures (déjà caractérisés) seront utilisés.
Dans la partie de simulation numérique, basée sur nos travaux précédents sur des systèmes modèles (17-20), l'impact des hétérogénéités physiques et/ou chimiques à l'échelle de la taille des pores sera considéré. Une attention particulière sera accordée à la modélisation de l'influence des hétérogénéités physico-chimiques sur les interactions électrostatiques et sur l'hydrodynamique, qui sont deux des principaux processus régissant le transport des NPs.
L'étudiant-e sera chargé-e de réaliser des expériences pour simuler l'infiltration des eaux de ruissellement dans des ouvrages de gestion des eaux pluviales ou de l'irrigation et de modéliser les données. Les nanoparticules seront caractérisées en termes de taille et de propriétés de surface (par exemple, le potentiel zêta). Les suspensions seront injectées dans des sols modèles préparés dans des colonnes de laboratoire. Le/la doctorant-e pourra bénéficier du système expérimental du LEE pour réaliser des expériences dans des conditions contrôlées. La caractérisation des processus de rétention pourrait se faire par imagerie IRM et avec la RMN afin d'imager le transport et de comprendre les interactions avec la MO respectivement. En outre, il/elle travaillera sur le couplage entre les données physiques (flux d'eau et processus de rétention des nanoparticules) et chimiques (interactions des nanoparticules avec la MO) et leur intégration dans un code numérique à l'échelle du pore sur la base des développements numériques en cours au LEE.

(1) Hagens, W. I.; Oomen, A. G.; de Jong, W. H.; Cassee, F. R.; Sips, A. J. A. M. What Do We (Need to) Know about the Kinetic Properties of Nanoparticles in the Body? Regulatory Toxicology and Pharmacology 2007, 49 (3), 217–229.
https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2007.07.006.
(2) Nemmar, A.; Hoet, P. H. M.; Vanquickenborne, B.; Dinsdale, D.; Thomeer, M.; Hoylaerts, M. F.; Vanbilloen, H.; Mortelmans, L.;Nemery, B. Passage of Inhaled Particles Into the Blood Circulation in Humans. Circulation 2002, 105 (4), 411–414.
https://doi.org/10.1161/hc0402.104118.
(3) Takenaka, S.; Karg, E.; Roth, C.; Schulz, H.; Ziesenis, A.; Heinzmann, U.; Schramel, P.; Heyder, J. Pulmonary and Systemic Distribution of Inhaled Ultrafine Silver Particles in Rats. Environmental Health Perspectives 2001, 109 (suppl 4), 547–551. https://doi.org/10.1289/ehp.01109s4547.
(4) Araújo, R.; Castro, A. C. M.; Fiúza, A. The Use of Nanoparticles in Soil and Water Remediation Processes. Materials Today: Proceedings 2015, 2 (1), 315–320. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.04.055.
(5) Simonin, M.; Richaume, A. Impact of Engineered Nanoparticles on the Activity, Abundance, and Diversity of Soil Microbial Communities: A Review. Environmental Science and Pollution Research 2015, 22 (18), 13710–13723.
https://doi.org/10.1007/s11356-015-4171-x.
(6) NANOMATERIALS FOR SOIL REMEDIATION; ELSEVIER: S.l., 2021.
(7) Yu, S.; Liu, J.; Yin, Y.; Shen, M. Interactions between Engineered Nanoparticles and Dissolved Organic Matter: A Review on Mechanisms and Environmental Effects. Journal of Environmental Sciences 2018, 63, 198–217.
https://doi.org/10.1016/j.jes.2017.06.021.
(8) Sani-Kast, N.; Labille, J.; Ollivier, P.; Slomberg, D.; Hungerbühler, K.; Scheringer, M. A Network Perspective Reveals Decreasing Material Diversity in Studies on Nanoparticle Interactions with Dissolved Organic Matter. Proceedings of the National Academy of Sciences 2017, 114 (10), E1756–E1765. https://doi.org/10.1073/pnas.1608106114.
(9) Wang, R.; Dang, F.; Liu, C.; Wang, D.; Cui, P.; Yan, H.; Zhou, D. Heteroaggregation and Dissolution of Silver Nanoparticles by Iron Oxide Colloids under Environmentally Relevant Conditions. Environmental Science: Nano 2019, 6 (1), 195–206. https://doi.org/10.1039/C8EN00543E.
(10) Alexander, M. Aging, Bioavailability, and Overestimation of Risk from Environmental Pollutants. Environmental Science &Technology 2000, 34 (20), 4259–4265. https://doi.org/10.1021/es001069+.
(11) McGinley, P. M.; Katz, L. E.; Weber, W. J. A Distributed Reactivity Model for Sorption by Soils and Sediments. 2.Multicomponent Systems and Competitive Effects. Environmental Science & Technology 1993, 27 (8), 1524–1531.
https://doi.org/10.1021/es00045a006.
(12) Lafolie, F.; Hayot, C.; Schweich, D. Experiments on Solute Transport in Aggregated Porous Media: Are Diffusions Within Aggregates and Hydrodynamic Dispersion Independent? Transport in Porous Media 1997, 29 (3), 281–307.
https://doi.org/10.1023/A:1006513725029.
(13) Tufenkji, N.; Elimelech, M. Breakdown of Colloid Filtration Theory: Role of the Secondary Energy Minimum and Surface Charge Heterogeneities. Langmuir 2005, 21 (3), 841–852. https://doi.org/10.1021/la048102g.
(14) Nestle, N.; Baumann, T.; Niessner, R. Peer Reviewed: Magnetic Resonance Imaging in Environmental Science. Environmental Science & Technology 2002, 36 (7), 154A-160A. https://doi.org/10.1021/es0222723.
(15) Cuny, L.; Herrling, M. P.; Guthausen, G.; Horn, H.; Delay, M. Magnetic Resonance Imaging Reveals Detailed Spatial and Temporal Distribution of Iron-Based Nanoparticles Transported through Water-Saturated Porous Media. Journal of Contaminant Hydrology 2015, 182, 51–62. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2015.08.005.
(16) Simpson, A. J.; Simpson, M. J.; Soong, R. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy and Its Key Role in Environmental Research. Environmental Science & Technology 2012, 46 (21), 11488–11496. https://doi.org/10.1021/es302154w.
(17) Courtier-Murias, D.; Michel, E.; Rodts, S.; Lafolie, F. Novel Experimental–Modeling Approach for Characterizing Perfluorinated Surfactants in Soils. Environ. Sci. Technol. 2017, 51 (5), 2602–2610. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b05671.
(18) Lehoux, A. P.; Faure, P.; Michel, E.; Courtier-Murias, D.; Rodts, S.; Coussot, P. Transport and Adsorption of Nano-Colloids in Porous Media Observed by Magnetic Resonance Imaging. Transport in Porous Media 2017, 119 (2), 403–423.
https://doi.org/10.1007/s11242-017-0890-4.
(19) Lehoux, A. P.; Faure, P.; Lafolie, F.; Rodts, S.; Courtier-Murias, D.; Coussot, P.; Michel, E. Combined Time-Lapse Magnetic Resonance Imaging and Modeling to Investigate Colloid Deposition and Transport in Porous Media. Water Research 2017, 123,12–20. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.06.035.
(20) Lehoux, A. P.; Rodts, S.; Faure, P.; Michel, E.; Courtier-Murias, D.; Coussot, P. Magnetic Resonance Imaging Measurements Evidence Weak Dispersion in Homogeneous Porous Media. Physical Review E 2016, 94 (5). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.053107.

Contexte de travail

Cette thèse sera développée dans le cadre d'un programme de collaboration de recherche entre l'Université de Toronto (UofT) et le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Ce travail de thèse sera encadré par le Laboratoire Eau et Environnement (LEE) de l'Université Gustave Eiffel (UGE) sur le campus de Nantes et l'Institut de Recherche en Sciences et Techniques de la Ville (IRSTV, FR2488). De plus, le/la doctorant-e passera 3 semaines par an à l'Université de Toronto. En outre, le/la doctorant-e bénéficiera d'une collaboration avec un/une doctorant-e de l'Université de Toronto et pourra travailler avec deux experts français reconnus en RMN (Jonathan Farjon, CEISAM, et Denis Courtier-Murias, LEE) sur le développement d'expériences de RMN liquide et solide multi-échelles (à haut et bas champ) ainsi que d'expériences d'IRM à bas champ (profils 1D) pour étudier les interactions des NPs avec le MO des sols.

Informations complémentaires

Le/La candidate devra être titulaire d'un diplôme de master ou équivalent d'un bon niveau, en physique, mécanique des fluides, chimie physique, sciences de l'environnement, sciences informatiques ou mathématiques appliquées. Des connaissances générales sur le transport de solutés dans des milieux poreux complexes sont attendues. Une expérience préalable en RMN ou en IRM n'est pas obligatoire mais serait un plus. Par contre une expérience préalable en modélisation serait très appréciée. Le/la candidat-e devra être fortement intéressé(e) par la réalisation de travaux expérimentaux précis à l'aide d'équipements avancés et de méthodes de traitement de données. Une excellente maitrise orale et écrite de l'anglais est requise. Le/la candidat-e explicitera sa capacité à communiquer et à transmettre (rédaction d'articles scientifiques, participation à des congrès). De plus, l'aptitude à travailler en équipe sera nécessaire. Le/la candidat-e adressera : CV, lettre de candidature, lettre de recommandation, diplômes de master 1 et 2.

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