Relier la spciation chimique et la biodisponibilit des
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 n Déterminer la spéciation chimique des ions divalents libres (Cu 2+, Pb 2+, Cd 2+ et Zn 2+) dans des solutions de sol w Identifier les paramètres physicochimiques des sols qui contrôlent la solubilité et la spéciation des métaux • Quantifier les contributions respectives du p. H de la solution, du contenu total en métal et de la matière organique n Proposer des modèles semi-empiriques de régressions pour estimer l’activité du métal libre Me 2+ dans les sols n Relier la spéciation chimique prédite avec les seuils de toxicité © Sauvé 2002
Spéciation et Fractionnement © Sauvé 2002
Sols n Ensembles de données d’échantillons de sols « réels » w 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 w Sols proches de l’ « équilibre » , dans la majorité des cas, la contamination remonte à plus de 10 ans avant l’échantillonage © Sauvé 2002
Propriétés des sols n Le p. H des sols est mesuré dans un extrait au Ca. Cl 2 ou KNO 3 0. 01 M (p. H de 3. 5 à 8. 9) n Matière organique du sol (8. 0 to 108 g C kg-1) n Matière organique dissoute (1. 1 à 140 mg C L-1) n Niveaux de métaux varient des teneurs de fond jusqu’aux contaminations indutrielles © Sauvé 2002
Méthodes analytiques n «Totaux» par digestion au HNO 3 n Solutions de sols obtenues par extractions 1: 2 sol: 0. 01 M KNO 3 or Ca. Cl 2 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) • Cd 2+ Pb 2+, Zn 2+ libres pas calculs de spéciation pour départager les métaux labiles parmi les espèces inorganiques • Cu 2+ libre par potentiométrie (électrode à ion sélective) © Sauvé 2002
Spéciation du Cd 2+ Pb 2+ et Zn 2+ n Assume que l’ASV n’est pas sensible aux métaux fortement liés à la matière organique dissoute n Ex. le Cd labile par ASV est donc composé principalement d’espèces inorganiques: © Sauvé 2002
Fractionnement © Sauvé 2002 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 n 20 -60% lié à la matière organique dissoute n 20 -30% espèces inorganiques n 10 -40% libre © Sauvé 2002
Fractionnement Total Lié à la matière organique Métal libre Complexes Cl Complexes SO 4 © Sauvé 2002
Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb 2+ and Cu 2+. Environ. Toxicol. Chem. 17: 1481 -1489.
Modèle d’adsorption n Assume sorption compétitive de H+ et Me 2+ à une surface déprotonée (S): © Sauvé 2002
Modèle d’adsorption n Transforme en un coefficient de compétition: © Sauvé 2002
Modèle d’adsorption n Sous forme logarithmique: où p signifie le log 10 négatif de l’activité molaire de Me 2+ (i. e. comme le p. H, un p. Cu 2+ de 8 signifie une activité de 10 -8 M Cu 2+ libre) © Sauvé 2002
Modèle d’adsorption n Assumant que Me. Sur<<Sur. Hy, donc: n Assumant que la capacité de sorption dépend de la matière organique: © Sauvé 2002
Modèle d’adsorption n Simplifié sans le paramètre de matière organique: Appliqué avec succès à la spéciation chimique de Solutions de sol pour Cd 2+, Cu 2+, Pb 2+ et Zn 2+. © Sauvé 2002
Cd 2+ libre n Cd total n p. H n Données de sols du terrain et des sols adulés sont similaires © Sauvé 2002
Régressions pour le Cd 2+ libre n Le sol adulé n Combinaison des sols échantillonnés et adulés © Sauvé 2002
Cu 2+ libre © Sauvé 2002 n Relation étroite du p. H de la solution et du contenu total du sol n N=94
Pb 2+ libre © Sauvé 2002 n Pb… n N=84
Zn 2+ libre n Données préliminaires de spéciation du zinc libre w N=30 (Tambasco et al. , Sauvé nonpubliées et Knight et al. 1999) © Sauvé 2002
Régressions prédictives pour les métaux libres en solution n Pb 2+ n Cu 2+ n Zn 2+ w Devrait être possible de dériver des régressions similaires pour d’autres métaux divalent cationiques ou même des anions. © Sauvé 2002
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. © Sauvé 2002
Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb 2+ and Cu 2+. 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 Cu 2+ ou Pb 2+, a et b sont calculés par regressions statistiques © Sauvé 2002
Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb 2+ and Cu 2+. Environ. Toxicol. Chem. 17: 1481 -1489.
Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb 2+ and Cu 2+. Environ. Toxicol. Chem. 17: 1481 -1489.
Inhibition From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb 2+ and Cu 2+. Environ. Toxicol. Chem. 17: 1481 -1489. © Sauvé 2002
Critères de qualité des sols From: Sauvé et al. 1998. Derivation of soil quality criteria using predicted chemical speciation of Pb 2+ and Cu 2+. Environ. Toxicol. Chem. 17: 1481 -1489. © Sauvé 2002
Conclusions n La spéciation chimique du métal divalent libre dans une solution de sol peut être raisonnablement prédite avec des paramètres simples (p. H de la solution et métal total) n L’analyse de risque et les critères de qualité des sols devraient incorporer l’impact relatif des propriétés du sol tels le p. H email: sebastien. sauve@umontreal. ca http: //mapageweb. umontreal. ca/sauves/ © Sauvé 2002
Phytodisponibilité © Sauvé 2002
Respiration du sol © Sauvé 2002 Dumestre A, Sauvé S, Mc. Bride 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). © Sauvé 2002
- Slides: 34