Titre :Interactions entre arsenic, matière organique et oxydes de fer. Les zones humides sont-elles des sources d As pour les aquifères?

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1 Acronyme : Arsenorg (ANR-JC) Titre :Interactions entre arsenic, matière organique et oxydes de fer. Les zones humides sont-elles des sources d As pour les aquifères? (Décembre Décembre 2015) S é m i n a i r e A N R C h a n g e m e n t s E n v i r o n n e m e n t a u x m a r s

2 Consortium Projet porté par : Mélanie Davranche, Géosciences, Rennes Partenaires : Geosciences-Rennes, UMR 6118 S é m i n a i r e A N R C h a n g e m e n t s E n v i r o n n e m e n t a u x m a r s 2014

3 Contexte et objectifs du projet Arsenic (As): Poison responsable d une grande mortalité et morbidité dans le monde Plusieurs types de cancers (peau, vessie, poumons ) Maladie des pieds noirs Lesions cutanées Origine de la contamination en As - Eau de boisson via les eaux souterraines.(inde, Chine, Pakistan, Bengladesh, Vietnam, Népal et Cambodge, Argentine, Chili et Mexique) S é m i n a i r e A N R C h a n g e m e n t s E n v i r o n n e m e n t a u x m a r s 2014

4 Contexte et objectifs du projet Origine de l As dans les eaux souterraines? Mécanisme 1 : Production in-situ Réduction biologique des oxydes de Fe porteurs d As dans les aquifères Mécanisme 2 (récent) : Production ex-situ, dans les zones humides Dépôt d oxydes de Fe porteurs d As par les rivières lors des crues dans les plaines d inondations et zones humides : 1. Réduction biologique des oxydes de Fe 2. Libération de l As 3. Transfert de l As dans les aquifères

5 Contexte et objectifs du projet Quelle est la biogéochimie de l As dans les ZH? -Identification des processus de solubilisation, piégeage de l As dans les zones humides Deux questions plus specifiques : - La MO est-elle uniquement une source carbone, un mode de transfert ou un piége? - Quel est l impact des alternances redox sur la mobilité de l As? Rôle de la réoxydation?

6 Etat d avancement Avancement Difficultés - Terrain + NanoSIMS : 50% livré -XAS : En cours (1 article soumis) - Préparation échantillons NanoSIMS - Temps machine XAS -50% livré - Microbiologie en cours (1 article paru, 1 soumis) -Difficulté de publication de travaux pluridisciplinaires -30% livré (1 article sous presse) -Expérience de sorption anoxique As(III)-MO -Analyse de la spéciation de l As : SEC/HPLC/ICP-MS S é m i n a i r e A N R C h a n g e m e n t s E n v i r o n n e m e n t a u x m a r s 2014

7 Premiers résultats obtenus : T2 Solubilisation/bioréduction ZH Kervidy-Naizin, ORE AGHRYS ZH Le Home, ZA Pleine-fougère Analyses directes des plaquettes : - Analyse quantitative (Fe et As) : FRX - Analyses des modifications morphologiques : MEB colonne anoxique de sol de zone humide - Analyses génomiques (nature et fonctionnalité de la microfaune) - Analyses spectroscopiques : XANES Analyses de la solution de sol S é m i n a i r e A N R C h a n g e m e n t s E n v i r o n n e m e n t a u x m a r s 2014

8 1 semaine Premiers résultats obtenus : T2 Solubilisation/bioréduction - Réduction + Biofilm Altération 2 mois Dissolution progressive des oxydes sur les plaquettes

9 Premiers résultats obtenus : T2 Solubilisation/bioréduction Couplage Chimie/microbiologie : Que se passe t-il? Firmicute Geobacter Nouveaux organismes Etape 1 : bactéries fermentatives pionnières (Firmicute) Production acétate Etape 2 : Geobacter, réduction du Fe(III) et de l As (V) à partir de l acétate Réduction du Fe(III) : libération de l As(V) puis réduction en As(III) Etape 3 : Nouveaux organismes Production acétate geobacter, bioreduction du Fe(III) Changement de la structure de la communauté reliée par la chimie

10 log(j/m0) distribution (%) Premiers résultats obtenus : T2 Solubilisation/bioréduction e e Bioréduction d oxydes de Fe dopés en As : Etude cinétique 1 0 Etude de la distribution en taille moléculaire de la MO, Fe(II), As 100% 80% -1 60% cite e log(mt/m0) As-Fe(III) oxydes (sol de ZH): dissolution intermediaire 40% 20% 0% Fe(II) DOC AsT >10 KDa 5-10 KDa 2-5 KDa < 2KDa Comportement intermédiaire du à la présence de MO 99 % du Fe(II) semble lié à la MO en solution MO = source de C + facteur de contrôle de la biodissolution As est fortement solubilisé, ne peut pas se ré-adsorber sur les minéraux secondaires qui ne se forment pas ou peu

11 Premiers résultats obtenus : T1 spéciation solide Produits de la réoxydation de la solution réduite de sol Eléments traces et majeurs As Fe C org ppm % Plaque PTFE H organominéral Solution de sol réduite ppb ppm Solides riches en MO et Fe capables de concentrer l As

12 Premiers résultats obtenus : T1 spéciation solide Echantillon 1 Analyses NanoSIMS Echantillon 2

13 Premiers résultats obtenus : T1 spéciation solide Co-localisation des éléments : coefficient de Bravais-Pearson Forte corrélation Rp Rp Faible corrélation Forte corrélation Associations As/Fe, As/CN et As/S Associations CN/Fe et CN/S Association Fe/S Association As/Fe uniquement

14 % As(III)ads Premiers résultats obtenus : T3, Spéciation en solution, modélisation As(III)-MO As(III)-Fe(II)-AH As(III)-AH %As ads Buschmann et al. (2006) E E E E-05 [As]tot (mol.l -1 ) Log K MA = -3, LK2 c = 2.5 (sites carboxyliques) Log K MB = -5.4 et LK2 p = 3 (sites forts) Adsorption faible, essentiellement sur les sites forts (peu nombreux) et dans la double couche (liaison faible Modélisation : PHREEQC-Model VI spécifique des interactions ions/mo Temps (heures) log K MA = 2.19 (complexation sites faibles) log K MB = 4.46 (complexation sites forts) ΔLK 2 = 3.90 (denticité des complexes) Complexation sur les sites forts Formation de complexes multidentés

15 Perspectives Analyses µxas et diffusion de neutrons (SANS) des produits de réoxydation nature des interactions entre As/MO/Fe/S (thèse en collaboration avec SOLEIL) Traitement des données de terrains Quid des communautés bactériennes Rôle de la MO? Incubations anoxiques de sols de ZH : Spéciation As et Fe en solution (SEC-HPLC-ICPMS) Production de données de sorption As(III), (V)-MO, As(III)-Fe(II)-MO, As(III)-SH-MO (greffage de fonction SH-) Modification des hypothèses de PHREEQC-Model VI : insertion de groupements SH et de ponts cationiques Fe(II) S é m i n a i r e A N R C h a n g e m e n t s E n v i r o n n e m e n t a u x m a r s 2014

16 Dissémination et valorisation Articles 2 parus, 2 soumis Conférences 1 internationale, 2 nationales Réunions scientifiques internes et extérieurs Vulgarisation -Interviews Ouest France, Telegramme, SciencesOuest, Radio Campus -Cérémonie des Oscars d Ille et Vilaine -Conférences Champs Libres de Rennes (Janvier 2015) S é m i n a i r e A N R C h a n g e m e n t s E n v i r o n n e m e n t a u x m a r s 2014