Université de Montréal Relier la spéciation chimique et la biodisponibilité des éléments traces dans les sols contaminés Sébastien Sauvé Université de Montréal email:sebastien.sauve@umontreal.ca http://mapageweb.umontreal.ca/sauves/

Objectifs Déterminer la spéciation chimique des ions divalents libres (Cu2+, Pb2+, Cd2+ et Zn2+) dans des solutions de sol Identifier les paramètres physicochimiques des sols qui contrôlent la solubilité et la spéciation des métaux Quantifier les contributions respectives du pH de la solution, du contenu total en métal et de la matière organique Proposer des modèles semi-empiriques de régressions pour estimer l’activité du métal libre Me2+ dans les sols Relier la spéciation chimique prédite avec les seuils de toxicité

Spéciation et Fractionnement  

Sols Ensembles de données d’échantillons de sols « réels » Métaux proviennent de sources variées: fonderie et recyclage de batteries automobiles, applications à long terme d’engrais phosphatés, déposition atmosphérique, application de boues d’épuration, utilisation de pesticides, contaminations indutrielles diffuses et locales Montréal, Ithaca (NY), Québec, France, Denmark & Colorado Sols proches de l’ « équilibre », dans la majorité des cas, la contamination remonte à plus de 10 ans avant l’échantillonage

Propriétés des sols Le pH des sols est mesuré dans un extrait au CaCl2 ou KNO3 0.01 M (pH de 3.5 à 8.9) Matière organique du sol (8.0 to 108 g C kg-1) Matière organique dissoute (1.1 à 140 mg C L-1) Niveaux de métaux varient des teneurs de fond jusqu’aux contaminations indutrielles

Méthodes analytiques «Totaux» par digestion au HNO3 Solutions de sols obtenues par extractions 1:2 sol:0.01 M KNO3 or CaCl2 extractions filtrées <0.22µm (ou <0.45µm) Métaux dissouts par GFAAS (Zeeman) Métaux labiles par électrochimie pour Cd, Pb et Zn redissolution anodique (differential pulse anodic stripping voltammetry-DPASV) Cd2+ Pb2+, Zn2+ libres pas calculs de spéciation pour départager les métaux labiles parmi les espèces inorganiques Cu2+ libre par potentiométrie (électrode à ion sélective)

Spéciation du Cd2+ Pb2+ et Zn2+ Assume que l’ASV n’est pas sensible aux métaux fortement liés à la matière organique dissoute Ex. le Cd labile par ASV est donc composé principalement d’espèces inorganiques:

Fractionnement Sauvé S. 2002. The Role of Chemical Speciation in Bioavailability. In: Naidu R., Gupta V.V.S.R., Kookana R.S., Rogers S., Adriano D. (Eds.), Bioavailability, Toxicity and Risk Relationships in Ecosystems. (in press).

Équilibre de solubilité minérale Sauvé S. 2002. «The Role of Chemical Speciation in Bioavailability » In: Naidu R., Gupta V.V.S.R., Kookana R.S., Rogers S., Adriano D. (Eds.), Bioavailability, Toxicity and Risk Relationships in Ecosystems. (in press).

Distribution du métal dans la solution du sol 20-60% lié à la matière organique dissoute 20-30% espèces inorganiques 10-40% libre

Fractionnement Total Lié à la matière organique Métal libre Complexes Cl Complexes SO4

Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb2+ and Cu2+. Environ. Toxicol. Chem. 17:1481-1489.

Modèle d’adsorption Assume sorption compétitive de H+ et Me2+ à une surface déprotonée (S):

Modèle d’adsorption Transforme en un coefficient de compétition:

Modèle d’adsorption Sous forme logarithmique: où p signifie le log10 négatif de l’activité molaire de Me2+ (i.e. comme le pH, un pCu2+ de 8 signifie une activité de 10-8 M Cu2+ libre)

Modèle d’adsorption Assumant que MeSur<<SurHy, donc: Assumant que la capacité de sorption dépend de la matière organique:

Modèle d’adsorption Simplifié sans le paramètre de matière organique: Appliqué avec succès à la spéciation chimique de Solutions de sol pour Cd2+, Cu2+, Pb2+ et Zn2+.

Cd2+ libre Cd total pH Données de sols du terrain et des sols adulés sont similaires

Régressions pour le Cd2+ libre Le sol adulé Combinaison des sols échantillonnés et adulés

Cu2+ libre Relation étroite du pH de la solution et du contenu total du sol N=94

Pb2+ libre Pb… N=84

Zn2+ libre Données préliminaires de spéciation du zinc libre N=30 (Tambasco et al., Sauvé non- publiées et Knight et al. 1999)

Régressions prédictives pour les métaux libres en solution Pb2+ Cu2+ Zn2+ Devrait être possible de dériver des régressions similaires pour d’autres métaux divalent cationiques ou même des anions.

Modèle des ions libres Ma H, Kim S, Cha D, Allen H (1999) Effect of kinetics of complexation by humic acid on toxicity of copper to Ceriodaphnia dubia. Environ Toxicol Chem 18: 828-837.

Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb2+ and Cu2+. Environ. Toxicol. Chem. 17:1481-1489.

Modèle des bio-essais où les mesures biologiques représentent des mesures de rendement, de croissance etc, tel que rapporté dans la littérature et le paramètre correspond soit au contenu total en Pb ou Cu ou soit à l’activité prédite d’ions libres Cu2+ ou Pb2+, a et b sont calculés par regressions statistiques

Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb2+ and Cu2+. Environ. Toxicol. Chem. 17:1481-1489.

Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb2+ and Cu2+. Environ. Toxicol. Chem. 17:1481-1489.

Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb2+ and Cu2+. Environ. Toxicol. Chem. 17:1481-1489.

Critères de qualité des sols From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb2+ and Cu2+. Environ. Toxicol. Chem. 17:1481-1489.

email: sebastien.sauve@umontreal.ca Conclusions La spéciation chimique du métal divalent libre dans une solution de sol peut être raisonnablement prédite avec des paramètres simples (pH de la solution et métal total) L’analyse de risque et les critères de qualité des sols devraient incorporer l’impact relatif des propriétés du sol tels le pH email: sebastien.sauve@umontreal.ca http://mapageweb.umontreal.ca/sauves/

Phytodisponibilité

Respiration du sol Dumestre A, Sauvé S, McBride M, Baveye P, Berthelin J. 1999. Copper speciation and microbial activity in long-term contaminated soils. Archives of Environmental Contamination and Toxicology:36:124-131.

Vers de terre Kennette D, Sauvé S, Hendershot W, Tomlin A. 2001. Uptake of trace metals by the earthworm Lumbricus terrestris L. in urban contaminated soils. Applied Soil Ecology (sous presse).