Ludovic Lesven, Martine Leermakers, Gabriel Billon Bruxelles, 20 septembre 2007 VLIZ Spatial and Temporal Assessment of high Resolution Depth profiles

Ludovic Lesven, Martine Leermakers, Gabriel Billon

Bruxelles, 20 septembre 2007

VLIZ

Spatial and Temporal Assessment of high Resolution Depth profiles Using novel Sampling Technologies

Vlaams Institute Voor de Zee Université des Sciences et Technologies de Lille Vrije Universiteit Brussel

Programme INTERREG III : STARDUST

Flux métalliques à l’interface eau-sédiment Metallic fluxes at water-sediment interface

INTERREG III : STARDUST

Introduction


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.

BOAT

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…

Organic matter

Water

Sediment

Natural metallicNatural metallicfluxesfluxes

Mn(II)

ResuspensionResuspension

Mn(II) BioturbationBioturbation

Mn(II)

Anoxi

c zo

neOxi

c zo

ne


Introduction


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


Prélèvements


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

Ampéromètre

Prélèvement d’eau au temps T

Robinet d’ouverture de la cellule

Cellule

Microélectrode O2


Incubation


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

Aimant en U


Incubation (2)


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 :

2

2

*

1000****

R

Rht

C

Flux

t

C

Dans toutes les expériences, h = 0.058m. Le volume de l’eau surnageante est 1,08L

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


Calcul des flux benthiques


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


Premiers résultats : décembre 2006


Mn

y = 307.57x + 3747.5

R2 = 0.975

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

0 2 4 6 8 10

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er n

mol

/L

Coy = 0.2213x + 11.653

R2 = 0.8819

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 2 4 6 8 10

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er n

mol

/L

Fe

y = 17.797x + 780.56

R2 = 0.2932

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 2 4 6 8 10

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er n

mol

/L

Ni

y = 0.4197x + 55.929

R2 = 0.2722

30

35

40

45

50

55

60

65

0 2 4 6 8 10

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er n

mol

/L

Cu

y = -0.5811x + 18.606

R2 = 0.7619

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er n

mol

/L

Zn

y = 13.023x + 289.66

R2 = 0.9409

y = -6.0984x + 253.07

R2 = 0.7556

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er n

mol

/L




unités Mn Fe Co Ni

pente nmol/L/h 307 18 0.22 0.41

Flux nmol/m²/h

18 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…




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


Premiers résultats : mars 2007


Mn

y = 208,55x + 4271,5

R2 = 0,8049

01000200030004000500060007000

0 2 4 6 8

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er

nmol

/L

Fe y = 16,727x + 431,07

R2 = 0,1124

y = -13,43x + 451,4

R2 = 0,25290

200

400

600

800

0 2 4 6 8

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er

nmol

/L

Co

y = 0,2742x + 8,0002

R2 = 0,556

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er

nmol

/L

Niy = 0,6627x + 61,322

R2 = 0,1354

01020304050607080

0 2 4 6 8

time (hours)

Con

c ov

erly

ing

wat

er

µmol

/L




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




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


Conclusion


sédiment

eau 1.6cm

sédiment

Microélectrode d’or


Conclusion


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)


Remerciements


Documents

Ludovic Lesven, Martine Leermakers, Gabriel Billon Bruxelles, 20 septembre 2007 VLIZ Spatial and Temporal Assessment of high Resolution Depth profiles