Flux métalliques à l’interface eau-sédiment

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1 Flux métalliques à l’interface eau-sédiment
Programme INTERREG III : STARDUST Spatial and Temporal Assessment of high Resolution Depth profiles Using novel Sampling Technologies VLIZ Vlaams Institute Voor de Zee Université des Sciences et Technologies de Lille Vrije Universiteit Brussel Flux métalliques à l’interface eau-sédiment Metallic fluxes at water-sediment interface Ludovic Lesven, Martine Leermakers, Gabriel Billon Bruxelles, 20 septembre 2007

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Introduction Bruxelles, 20 septembre 2007 La plupart des études menées in situ révèlent le rôle primordial des sédiments dans le cycle biogéochimique des métaux : ils constituent des sites privilégiés pour l'accumulation de ces éléments. Sous l’effet de modification des conditions physico-chimiques du milieu, les sédiments peuvent se comporter comme des “bombes à retardement”, avec des évolutions de la spéciation des métaux et de leurs toxicités. Afin d’appréhender au mieux le devenir de certains contaminants métalliques provenant du sédiment, qu’il soit naturel ou dû à des remises en suspension d’origine humaine, de nombreuses études ont été menées. Néanmoins, il existe encore peu d’information sur la diffusion naturelle de certains métaux provenant du compartiment sédimentaire. Les études préliminaires menées dans ce cadre par l’USTL et le VUB ont donc pour objectif d’étudier ces flux diffusifs à l’interface eau sédiment. Le site retenu, Helkijn, appartient à la zone transfrontalière définie par le projet STARDUST INTERREG III.

3 Introduction BOAT Natural metallic fluxes Resuspension Bioturbation
INTERREG III : STARDUST Introduction Bruxelles, 20 septembre 2007 BOAT Water Natural metallic fluxes Mn(II) Resuspension Mn(II) Organic matter Bioturbation Mn(II) Oxic zone Oxygen reduction: O2  H2O Denitrification: NO3-  N2 Reduction of manganese hydroxides: Mn(III, IV)  Mn2+ Reduction of iron hydroxides: Fe(III)  Fe2+ Sulfate reduction: SO42-  S2- …  MS with M= Fe, Pb, Zn, Cu, Cd… Anoxic zone Sediment

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Prélèvements Bruxelles, 20 septembre 2007 Prélèvements ont été effectués par plongée : 4 carottes (50 cm de long / 15 cm de diamètre) : 40 cm de sédiment, 10 cm d’eau surnageante pour incubation 50 litres d’eau de surface (pour la nourrice) pour incubation 15cm 50cm

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Incubation Bruxelles, 20 septembre 2007 Lors de l’incubation, sont mesurés les paramètres suivants à des temps d’intervalles T: Métaux dissous : eau surnageante et nourrice par ICP-MS HR Anions : eau surnageante et nourrice par Technicon Ammonium : eau surnageante et nourrice par colorimétrie / UV-visible Oxygène : eau surnageante et nourrice par ampérométrie / microélectrode O2 Microélectrode O2 Cellule Robinet d’ouverture de la cellule Prélèvement d’eau au temps T Ampéromètre

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Incubation (2) Bruxelles, 20 septembre 2007 Aimant en U 60mL d’eau surnageante est prélevée dans chaque carotte à chaque intervalle de temps T prédéfini Chaque échantillon est filtré à 0.45µm et acidifié (HNO3 1M) pour l’analyse des métaux traces

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Calcul des flux benthiques Bruxelles, 20 septembre 2007 Le calcul total des flux est basé sur les variations des concentrations métalliques dans l’eau surnageante de chaque carotte Chaque concentration obtenue est corrigée de la dilution due à l’eau de la nourrice Une régression linéaire est tracée pour chaque métal fonction de la concentration à chaque intervalle de temps Si la régression est significative, un flux métallique peut être calculé : Pente de la régression linéaire en µmol.dm-3.h-1 h Hauteur de la colonne d’eau dans la carotte en m R Rayon de la carotte en m Dans toutes les expériences, h = 0.058m. Le volume de l’eau surnageante est 1,08L

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Premiers résultats : décembre 2006 Bruxelles, 20 septembre 2007 Une première expérience de flux benthique a été réalisée en décembre 2006 sur le site d’Helkijn : 3 carottes ont été prélevées et placées en chambre d’incubation à température ambiante de 5°C Les échantillonnages ont été effectués directement après ajout de l’eau de nourrice après 15min, 30min, 1h et toutes les heures jusqu’à 8h

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Premiers résultats : décembre 2006 Bruxelles, 20 septembre 2007

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Premiers résultats : décembre 2006 Bruxelles, 20 septembre 2007 unités Mn Fe Co Ni pente nmol/L/h 307 18 0.22 0.41 Flux nmol/m²/h 1.0 12.8 23.8 Le calcul des flux à l’interface eau-sédiment pour le Mn et le Co pour les 3 carottes donne une bonne reproductibilité On observe un flux positif de ces métaux Les coefficients des régressions linéaires pour les autres métaux sont faibles et ne permettent pas de calculer de flux Pour le Fe(II), cela peut s’expliquer en partie par la rapide oxydation et la précipitation en Fe(III) Pour les autres métaux, trop de paramètres entrent en jeu pour un calcul cohérent des flux dans cette expérience : remobilisation, précipitation, complexation…

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Premiers résultats : mars 2007 Bruxelles, 20 septembre 2007 Une deuxième expérience de flux benthique a été réalisée en mars 2007 sur le site d’Helkijn : 3 carottes ont été prélevées et placées en chambre d’incubation à température ambiante de 15°C (printemps) Les échantillonnages ont été effectués directement après ajout de l’eau de nourrice après 15min, 30min, 1h et toutes les heures jusqu’à 8h Des expériences en milieu oxique, anoxique, avec et sans remobilisation ont été réalisées Pour chaque intervalle de temps, un suivi du taux d’oxygène à été effectué

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Premiers résultats : mars 2007 Bruxelles, 20 septembre 2007

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Premiers résultats : mars 2007 Bruxelles, 20 septembre 2007 unités Mn Fe Co Ni pente nmol/L/h 209 16 / -13 0.27 0.7 Flux nmol/m²/h 12 900 / -750 15.7 44.7 Le calcul des flux à l’interface eau-sédiment pour le Mn et le Co pour les 3 carottes donne une bonne reproductibilité On observe un flux positif de ces métaux comme en décembre 2006 Les coefficients des régressions linéaires pour les autres métaux sont à nouveau faibles et ne permettent pas de calculer de flux Les résultats pour le fer montrent un flux positif pour un réplicat et un négatif pour un autre Pour beaucoup d’autres métaux, même si les flux ne sont pas calculables, le rôle de source ou de puits pour le sédiments est aisément interprétable

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Conclusion Bruxelles, 20 septembre 2007 L’étude préliminaire des flux métalliques à l’interface eau sédiment a fourni de premiers résultats encourageant notamment pour le Mn, Co et Ni La difficulté d’interpréter certains flux métalliques obtenus montre la complexité biogéochimique du sédiment : les flux du fer sont tantôt positifs tantôt négatifs selon l’équilibre précipitation oxydation D’autres expériences ont été réalisées en simulant une anoxie et une remobilisation : les résultats seront présentés ultérieurement Ces expériences de flux métalliques seront reconduits sur les sites de l’Espierre (milieu fortement anoxique) et de la Deûle (fortement contaminé par le Pb et Zn) Des comparaisons avec les flux mesurés par la technique DGT – Chelex seront effectuées Des essais de mesure des flux métalliques seront testés par électrochimie / microélectrode d’or

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Conclusion Bruxelles, 20 septembre 2007 Microélectrode d’or eau 1.6cm sédiment sédiment

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Remerciements Bruxelles, 20 septembre 2007 Remerciements à Lionel DENIS pour le prêt de son système d’incubation pour la mesure des flux métallique (L. Denis, Dynamique des flux d’oxygène et des sels nutritifs à l’interface eau sédiment sur la marge continentale du golfe de Lion, 1999)