ludovic lesven, martine leermakers, gabriel billon bruxelles, 20 septembre 2007 vliz spatial and...
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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
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.
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
INTERREG III : STARDUST
Introduction
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
INTERREG III : STARDUST
Prélèvements
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
Ampéromètre
Prélèvement d’eau au temps T
Robinet d’ouverture de la cellule
Cellule
Microélectrode O2
INTERREG III : STARDUST
Incubation
Bruxelles, 20 septembre 2007
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
INTERREG III : STARDUST
Incubation (2)
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 :
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
INTERREG III : STARDUST
Calcul des flux benthiques
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
INTERREG III : STARDUST
Premiers résultats : décembre 2006
Bruxelles, 20 septembre 2007
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
INTERREG III : STARDUST
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
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…
INTERREG III : STARDUST
Premiers résultats : décembre 2006
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
INTERREG III : STARDUST
Premiers résultats : mars 2007
Bruxelles, 20 septembre 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
INTERREG III : STARDUST
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
INTERREG III : STARDUST
Premiers résultats : mars 2007
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
INTERREG III : STARDUST
Conclusion
Bruxelles, 20 septembre 2007
sédiment
eau 1.6cm
sédiment
Microélectrode d’or
INTERREG III : STARDUST
Conclusion
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)
INTERREG III : STARDUST
Remerciements
Bruxelles, 20 septembre 2007