Une étude spatio-temporelle de la géochimie et de la microbiologie de l'aquifère résultant du fonctionnement de systèmes de pompes à chaleur d'eau souterraine

Wong, Charis Sin-Yee (2025). Une étude spatio-temporelle de la géochimie et de la microbiologie de l'aquifère résultant du fonctionnement de systèmes de pompes à chaleur d'eau souterraine Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 197 p.

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Résumé

Les systèmes de pompes à chaleur d’eau souterraine (PCES) constituent une technologie prometteuse et économe en énergie qui peut être utilisée pour réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation des locaux. Le fonctionnement de ces systèmes est souvent difficile, car des réactions indésirables peuvent se produire au sein du système (par exemple, des dépôts minéraux abiotiques et biotiques provoquant des obstructions des puits) en raison de la modification des conditions de l'eau (par exemple, augmentation de la température de l'eau, homogénéisation de la colonne d'eau souterraine verticale). En outre, les PCES ont également un effet sur l'aquifère lui-même, en modifiant la chimie des eaux souterraines, la composition et le fonctionnement de la communauté bactérienne. Cette thèse vise à évaluer comment la géochimie d’un aquifère et sa communauté bactérienne réagissent à un PCES dans l'espace et dans le temps. Pour ce faire, une étude pilote sur le terrain et des expériences en laboratoire ont été menées. Tout d'abord, afin de simuler les processus opérationnels, l'étude pilote sur le terrain a comporté deux essais d'injection de chaleur (EIC), au cours desquels l'eau souterraine a été pompée, puis chauffée à 40 °C (afin d'imiter le mode de refroidissement du PCES), après quoi l'eau chaude a été réinjectée dans l'aquifère. Des échantillons ont été prélevés au cours des différentes phases du test (avant le test, pendant les tests, récupération à court et à long terme), à différents endroits tout au long du circuit de circulation (eau pompée avant et après chauffage, eau injectée, eau de l'aquifère). Les échantillons ont été analysés pour déterminer leur géochimie générale (carbone organique/inorganique dissous, cations, anions, paramètres physico-chimiques) et les paramètres de la communauté microbienne (composition issue du séquençage de l'ARNr 16S, capacité métabolique par l’utilisation de substrats carbonés, abondance par cytométrie en flux). En outre, la spéciation chimique, les indices de saturation minérale et le potentiel de corrosion ont également été examinés à l'aide d'une modélisation géochimique. Les principaux facteurs affectant la géochimie et la microbiologie de l'aquifère ont été identifiés à partir de l'essai pilote et ont fait l'objet d'une étude plus approfondie au moyen d'expériences en conditions contrôlées. Il s'agit notamment des changements de température, des conditions redox et du mélange d'eau provenant de différents horizons au sein de l'aquifère. En outre, les expériences en laboratoire ont été menées afin de déterminer si l'oxydation du fer était également médiée par des bactéries oxydant le fer (BOFe), en plus de l'oxydation abiotique du fer. Enfin, la possibilité de redissoudre les oxydes de fer par les bactéries réductrices de fer (BRFe) par dissolution réductrice dissimilatrice a également été évaluée dans des expériences avec ajout d'un donneur d'électrons (acétate) et/ou d'un accepteur (sulfate). Les résultats de l'essai pilote ont d'abord montré que les signatures chimiques et microbiologiques de l'eau injectée se déplaçaient à une vitesse plus rapide que les signatures thermiques, indiquant que des changements géochimiques et microbiologiques dans les conditions de l'aquifère peuvent se produire avant même que tout changement de température puisse être détecté. Les résultats de l'essai pilote et des expériences ont démontré que si les impacts de la température sur le système étaient indéniables, l'ampleur de ses effets dépendait fortement de la composition initiale de l'eau. En général, la composition initiale de l'eau et le rapport de mélange entre les eaux profondes et peu profondes avaient un impact plus important que la température sur la chimie de l'eau et la communauté microbienne. Cependant, la modélisation géochimique et les indices de saturation suggéraient que l'oxygène dissous était le facteur dominant pour les indices de saturation en ferrihydrite, indépendamment du rapport de mélange ou de la température. En outre, une plasticité métabolique a également été observée dans la communauté à la suite des effets cumulés de deux événements d'injection de chaleur, ainsi que de l'assemblage de la communauté induit par les processus opérationnels. Les processus dominants d'assemblage de la communauté sont passés d'une limitation de la dispersion (EIC1) à une sélection homogène (EIC2), où une composition homogène de la communauté et une perte de diversité bêta ont été observées. Enfin, les expériences ont confirmé la contribution biotique aux processus d'oxydation du fer. L'ajout d'un donneur d'électrons (acétate) a modifié la morphologie des précipités, qui sont passés de solides en suspension dans une eau orange trouble à des précipités de fer biogéniques en forme de tiges et de gaines en suspension dans une eau claire. Ces dernières caractéristiques sont typiques des précipités formés par les BOFe Gallionella et Leptothrix, dont la présence a été confirmée par des données de séquençage et des images au microscope électronique à balayage. La redissolution des oxydes de fer n'a pas eu lieu au cours de la période expérimentale de sept jours. Cependant, les conditions expérimentales avec ajout d'acétate ont permis d'obtenir une dissolution complète environ 3 jours après la fin des expériences, avec une eau claire sans précipités visibles. Dans l'ensemble, les résultats montrent que les systèmes PCES impliquent des réactions complexes avec l'environnement hôte et soulignent l'importance des évaluations spécifiques au site, ainsi que la prise en compte de facteurs qui ne se limitent pas à la température. Les résultats de ce projet contribueront à l'élaboration de la conception du système et du régime opérationnel, non seulement pour optimiser l'utilité de cette technologie, mais aussi pour minimiser ses effets potentiels sur l'environnement.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Comte, Jérôme
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Bordeleau, Geneviève
Mots-clés libres:	Système de pompe à chaleur d’eau souterraine; spatio-temporel; redox; mélange; précipitation minérale; métabarcoding 16; utilisation du substrat carbonés; assemblage communautaire; plasticité métabolique; redondance fonctionnelle
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	18 juin 2026 13:46
Dernière modification:	18 juin 2026 13:46
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16829

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