Chimie de coordination appliquée à l’environnement

E. Guillon – N. Maurin – S. Sayen

Domaines de compétence :

  • Transfert de polluants organiques et inorganiques dans l’environnement
  • Approche multi-échelle des phénomènes de sorption
  • Caractérisation et modélisation des interactions solide-solution
  • Typologie fonctionnelle des matières organiques dissoutes dans les sols
  • Remédiation contre les pollutions
  • Gestion intégrée de l’eau en milieu rural

Les activités de recherche de l’équipe sont consacrées pour l’essentiel à l’étude et à la compréhension des phénomènes de transfert des polluants organiques (pesticides et polluants émergents) et inorganiques (éléments traces métalliques) dans les sols, les sédiments et les boues de stations d’épuration (STEP).

Une méthodologie, basée à la fois sur l’étude des isothermes de sorption et sur l’utilisation de techniques physico-chimiques d’analyse de surface (EXAFS et XANES, fluorescence X, XPS, MEB/EDX), permet de rendre compte des propriétés de surface des divers solides naturels étudiés (interface solide-solution) et ainsi de mieux comprendre les phénomènes de transfert des polluants dans l’environnement.

Les objectifs principaux de l’équipe sont ainsi d’obtenir des informations à l’échelle macroscopique, qui combinées à celles obtenues à l’échelle moléculaire, devraient permettre d’établir des systèmes prédictifs pertinents de transfert de polluants. Ces travaux sont donc abordés tant sur un plan fondamental qu’appliqué.

L’étude de la sorption de polluants sur des surfaces est ainsi abordée, de façon originale, par une approche physico-chimique multi-échelle. Il est en effet fondamental de pouvoir vérifier la validité des extrapolations et des modélisations à l’ensemble des échelles pour valider les systèmes prédictifs. Ceci est notamment le cas lors de l’étude de la réactivité des surfaces de solides pour laquelle la connaissance de l’ensemble des interactions est particulièrement importante dans la compréhension du mode de réactivité.

Dans ce contexte, nos activités se déclinent en 3 axes principaux :

1 - Transfert des éléments traces métalliques dans l’environnement

Dans cet axe thématique, les travaux sont menés sur des sols, des sédiments, des boues de stations d’épuration et des sols amendés, mais aussi sur des constituants individuels de ces différents solides.

  • Tracé d’isothermes d’adsorption/désorption
  • Expériences en colonne
  • Vieillissement
  • Modélisation
  • Spéciation à l’échelle moléculaire

L’obtention de cartographies et les études à l’échelle atomique et moléculaire sont indispensables pour comprendre précisément les interactions mises en jeu entre la surface et le milieu qui l’environne. Elles permettront d’expliquer les mécanismes de sorption, migration, diffusion, etc.

2 - Transfert des produits phytosanitaires dans les sols

Nous nous intéressons dans cet axe à l’étude de l’influence des paramètres physico-chimiques des sols et des paramètres intrinsèques des molécules sur les processus d’adsorption/désorption de produits phytosanitaires dans les sols.

  • Tracé d’isothermes d’adsorption/désorption
  • Expériences en colonne
  • Modélisation

Le tracé d’isothermes d’adsorption et/ou de courbes de percées peut conduire à l’établissement de relations empiriques permettant de proposer des modèles prédictifs de transfert des molécules.

3 - Transfert des produits pharmaceutiques dans l’environnement

Les produits pharmaceutiques, classés parmi les polluants émergents, se retrouvent de plus en plus fréquemment dans l’environnement, notamment dans les eaux de surface et les boues de STEP. L’étude de leur devenir dans ces systèmes est primordiale tant les données sont manquantes. Les activités de notre équipe s’inscrivent donc dans cette optique.

  • Tracé d’isothermes d’adsorption/désorption
  • Expériences en colonne
  • Modélisation
  • Spéciation à l’échelle moléculaire
  • « Effet cocktail »
  • Interactions produits pharmaceutiques – métaux
  • Détermination de constantes d’acidité et de complexation

Mise en évidence de la formation d’un complexe ternaire à la surface d’un sol par combinaison d’approches à différentes échelles

Quelques références significatives

[1] Aging effect on the copper sorption on a calcareous soil: column studies and SEM-EDS analysis.

S. Sayen, J. Mallet, E. Guillon, J.Colloid Interf. Sci., 2009, 331, 47-54.

[2] Relationship between soil composition and retention capacity of terbumeton onto chalky soils. A. El arfaoui, S. Sayen, E. Marceau, l. Stievano, E. Guillon, M. Couderchet, Environ. Chem., 2009, 6, 245-252.

[3] Deprotonation of the Asp1-Ala2 peptide bond induces a strong modification of the highly dynamic CuII environment in the amyloid-βpeptide near physiological pH. C. Hureau, Y. Coppel, P. Dorlet, P. Lorenzo Solari, S. Sayen, E. Guillon, l. Sabater, P. Faller, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 9522-9525.

[4] X-ray absorption spectroscopy study of Cu2+ geochemical partitioning in a vineyard soil. S. Sayen, E. Guillon, J.Colloid Interf. Sci., 2010, 344, 611-615.

[5] Copper(II) influence on flumequine retention in soils : macroscopic and molecular investigations. D. Perez Guaita, S. Sayen, S. Boudesocque, E. Guillon, J.Colloid Interf. Sci., 2011, 357, 453-459.

[6] X-Ray and solution structures of CuGHK and CuDAHK complexes. Influence on their redox properties. C. Hureau, H. Eury, R. Guillot, C. Bijani, S. Sayen, P.L. Solari, E. Guillon, P. Faller, P. Dorlet, Chem. Eur. J., 2011, 17, 10151-10160.

[7] Is organic matter alone sufficient to predict isoproturon sorption and leaching in calcareous soils? A. El Arfaoui, S. Sayen, M. Paris, M. Couderchet, E. Guillon, Sci. Total Environ., 2012, 432, 251-256.

[8] Copper coordination to N-terminally modified amyloid-βpeptides versus native amyloid-β: illustration of second sphere effects and of N-term involvement. B. Alies, C. Bijani, S. Sayen, E. Guillon, P. Faller, C. Hureau, Inorg. Chem., 2012, 51, 12988-13000.

[9] Tetra-kis{2-[2-(2,6-dichloro-anilino)phen-yl]ethano-ato-κ 2 O:O′}bis-[(dimethyl sulfoxide-κO) copper(II)](Cu-Cu): A binuclear Cu(II) complex with the non-steroidal anti-inflammatory drug diclofenac. S. Sayen, E. Guillon, Acta Cryst., 2012, E68, m474-m475.

[10] Impact of sewage sludge spreading on nickel mobility in a calcareous soil: adsorption-desorption through column experiments. Y.Mamindy-Pajany, S. Sayen, E. Guillon, Environ. Sci. Poll. Res., 2013, 20, 4414-4423.

[11] Zn impact on Cu coordination to the Alzheimer's peptide and its associated cell toxicity. B. Alies, I. Sasaki, S. Sayen, E. Guillon, P. Faller, C. Hureau, Chem. Commun., 2013, 49, 1214-1216.

[12] Mononuclear copper(II)-diclofenac anti-inflammatory complex: structural characterization and biological activity. S. Sayen, A. Carlier, M. Tarpin, E. Guillon, J. Inorg. Biochem., 2013, 120, 39-43.

[13] Molecular properties affecting the adsorption coefficient of phenylurea herbicides. A. Blondel, J. Langeron, S. Sayen, E. Henon, M. Couderchet, E. Guillon, Environ. Sci. Poll. Res., 2013, 20, 6266-6281.

[14] Macroscopic and molecular approaches of enrofloxacin retention in soils in presence of Cu(II). M. Graouer-Bacart, S. Sayen, E. Guillon, J. Colloid Interf. Sci., 2013, 408, 191-199.

[15] Impact of lime-stabilized biosolid application on Cu, Ni, Pb and Zn mobility in an acidic soil. Y.Mamindy-Pajany, S. Sayen, E. Guillon, Environ. Sci. Poll. Res., 2014, 21, 4473-4481.

[16] Aging effect on zinc retention on a calcareous soil: column experiments and synchrotron X-ray microspectroscopic investigation. S. Sayen, E. Guillon, Sci. Total Environ., 2014, 487, 545-556.

[17] Copper, Nickel and Zinc speciation in a biosolid-amended soil: pH adsorption edge, µ-XRF and µ-XANES investigations. Y.Mamindy-Pajany, S. Sayen, J.F.W. Mosselmans, E. Guillon, Environ. Sci. Technol., 2014, 48, 7237-7244.

[18] Molecular properties affecting the adsorption coefficient of pesticides from various chemical families. J. Langeron, A. Blondel, S. Sayen, E. Henon, M. Couderchet, E. Guillon, Environ. Sci. Poll. Res., 2014, 21, 9727-9741.

[19] Quality assessment of biosolids produced by novel sludge processing. C.M. Braguglia, N. Carozza, A. Coors, A. Gallipoli, A. Gianico, E. Guillon, U. Kunkek, G. Mascolo, P. Oleszczuk, E. Richter, M.C. Tomei, T. Ternes, G. Mininni, Environ. Sci. Poll. Res., 2014, sous presse.

Principales collaborations

- Laboratoire Stress Environnementaux et BIOsurveillance des milieux aquatiques, UMR-I 02 SEBIO, Université de Reims Champagne-Ardenne (Pr. A. Geffard)

- Unité de Recherche Vignes et Vins de Champagne, EA 4707, Université de Reims Champagne-Ardenne (Pr. M. Couderchet)

- Laboratoire Biomatériaux et inflammation en site osseux, EA 4691 BIOS, Université de Reims Champagne-Ardenne (Dr. F. Velard)

- Laboratoire de Réactivité de Surface, UMR CNRS 7609, Université Paris VI (Dr. E. Marceau)

- UMR INRA-SupAgro Biogéochimie du Sol et de la Rhizosphère, Montpellier (Dr. Y. Dudal)

- Laboratoire de Chimie de Coordination, UPR CNRS 8241, Toulouse (Pr. P. Faller et Dr. C. Hureau)

- CNR - Istituto di Ricerca Sulle Acque, Rome, Italie (Dr. G. Mininni)

- Diamond Ligth Source Synchrotron, Royaume-Uni (Dr. F.W. Mosselmans)

- Prairie View A&M University, Texas, Etats-Unis (Pr. H.G. McWhinney)

Principaux financements

- CPER Aqual

- AESN

- 2011-2014 : Projet FP7 n°265156 : « Novel processing routes for effective sewage sludge management ».

- Membre du projet COST ES-13-02 « Réseau européen sur les fonctions écologiques des éléments traces métalliques dans les réacteurs biologiques anaérobies ».