Métaux traces

2.3.7.a Métal total dissous

Les métaux sont analysés par ICP-MS (HP 4500, Agilent). La fraction dissoute est conservée jusqu’à analyse en tube en polypropylène de 10mL à 4°C et à l’obscurité, en milieu acide (1 % d’acide nitrique concentré ultrapur, pH < 2).

Pour la détermination de l’arsenic, l’utilisation de la procédure standard précédente est limitée par l’interaction avec les ions chlorure. Afin de valider les résultats obtenus par ICP-MS, nous avons effectué des mesures spécifiques par HG-ICP-MS (ICP-MS avec génération d’hydrures) sur 7 échantillons prélevés. Cette méthode consiste en une pré-réduction de l’arsenic par l’iodure de potassium en présence d’acide ascorbique, l’arsenic III étant la seule espèce formant des hydrures. Les mesures ont été effectuées sur un ICP-MS (VG- Plasmaquad) couplé à une génération d’hydrures selon la méthode d’Andrea (1977), modifiée par Branch et al. (1991).

2.3.7.b Métal total particulaire (MES)

Les MES séchées subissent préalablement une minéralisation totale en bombe Téflon.

L’attaque des MES (200mg) est effectuée par micro-ondes (ETHOS, Milestone) avec un mélange eau + HNO3 + HCl + HF (3+5+2+2), selon le programme résumé dans le tableau 9.

Durée (min)

Puissance (W)

Pression (bar)

Température (°C)

5 400 20 110

20 250 20 110

8 600 20 110

15 250 20 110

20 ventilation Tableau 9 : Protocole d’attaque des MES au four micro-ondes.

Le minéralisat est évaporé à sec sur plaque chauffante en salle blanche, puis repris par 5mL d’HNO3 ultrapur. Pour chaque série d’analyses, un blanc des réactifs et un standard international sont ajoutés, et la méthode a été montrée comme étant juste et reproductible pour le manganèse, le cuivre, le zinc, l’argent, le cadmium et le plomb (Guéguen, 2001).

Pour l'étude de la dynamique des concentrations en métaux dans les MES au cours des crues (préleveurs automatiques), le grand nombre d'échantillons à traiter a amené à choisir une autre méthode, la méthode « Osol » extraite de l'ordonnance fédérale des sols en Suisse. Les MES séchées (1g) sont mises en solution dans 10mL d'acide nitrique 2 mol/L, mis à reflux à 100°C pendant 16h en bombe téflon hermétiques. Le culot est centrifugé 15 min à 4 000 tr/min et le surnageant analysé directement.

2.3.7.c Spéciation chimique des formes dissoutes Calcul de la spéciation chimique

♦

Pour les expériences en milieu synthétique, les concentrations en ligands et métaux ont été choisis après calcul de la spéciation chimique à l’équilibre dans les solutions avec MINEQL+ 3.01a (Schecher and McAvoy, 1994). Les précipitations et solides n’ont pas été considérés, après vérification que les concentrations choisies étaient inférieures aux limites de solubilité. Les calculs ont été effectués dans les différents milieux utilisés pour les bioessais, équilibrés avec l’atmosphère à une pression partielle de CO2 de 3.12×10^-9 Pa. Les constantes de complexation utilisées pour le calcul sont contenues dans la base de donnée du programme MINEQL+ 3.01a (Schecher and McAvoy, 1994). Dans le cadre de l’étude des complexes formés avec l’oxine et le DDC, le logarithme des constantes de complexation, Logβn, pour les différents complexes de type MeLn sont résumés dans le tableau 10, mis à part pour la complexes du cadmium et du DDC pour lesquels aucune constante de complexation n’a pu être trouvée.

oxine^- DDC^-

Constantes de complexation Logβ1 Logβ2 Ref. Logβ1 Logβ2 Ref.

Cu⁺⁺ 13.50 26.20 (1) 14.90 28.80 (2)

Zn⁺⁺ 8.52 15.80 (2) nd 11.60 (2)

Cd⁺⁺ 9.40 17.10 (3) nd

Pb⁺⁺ 9.02 17.11 (2) 3.85 18.30 (2)

Constantes conditionnelles de complexation :

milieu AAPm (bioessai algal) Logβ’₁ Logβ’₂ Logβ’₁Logβ’₂

Cu⁺⁺ 9.99 20.56 13.53 27.43

Zn⁺⁺ 6.33 11.48 c 11.54

Cd⁺⁺ 7.22 12.79 nd nd

Pb⁺⁺ 6.14 12.09 3.10 17.55

NaCl 2% (bioessai bactérien) Logβ’₁ Logβ’₂ Logβ’₁Logβ’₂

Cu⁺⁺ 8.89 17.29 14.58 28.48

Zn⁺⁺ 3.85 6.83 nd 11.21

Cd⁺⁺ 3.16 6.56 nd nd

Pb⁺⁺ 3.34 7.14 2.47 16.91

Constantes d’acidité pKa1 pKa2 pKa1 pKa2

H+ 5.16 9.63 (1) 3.38 nd (2)

Valeurs d’après (1)(Garay et al., 1999) ; (2)(Martell, 1964) ; (3) (Garay and Solis, 1999) nd : constante non définie

Tableau 10 : Logarithme des constantes de complexation utilisées pour le calcul de la spéciation chimique avec oxine et diethyldithiocarbamate.

Les constantes de complexation sont données selon l’équation 1 suivante : Équation 1 : Calcul de la constante de stabilité d’un complexe MeLn.

n n

n Me L

MeL ) ( ) (

) (

= × β

Le logarithme des constantes conditionnelles de complexation, Logβ’n, a aussi été calculé pour les conditions spécifiques du milieu du bioessai algal (Logβ’n alg) et le milieu du bioessai bactérien (Logβ’n bact). Les constantes conditionnelles de complexation sont calculées selon l’équation 1 où les activités des espèces libres (Me) et (L) sont remplacées par la somme des concentrations de toutes les espèces présentes du métal et du ligand, mis à part

MeLn. Ainsi Logβ’n prend en compte l’influence des autres ligands en solutions et la compétition pour la formation du complexe MeLn.

Les constantes d’acidité, pKan, utilisées pour le calcul de spéciation ont été déterminées suivant l’équation 2.

Équation 2 : Calcul de la constante d’acidité de l’espèce HnL.

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ ×

−

= ^{+ −}

] [

] [

]

[ ₁

L H

L H Log H

pKa

n n n

Pour l’interprétation de la toxicité en fonction du calcul de la spéciation chimique, seule la concentration en ion libre a été prise en compte, ainsi que les concentrations en complexes avec l’oxine et le DDC dans le cas de l’étude de la toxicité des complexes lipophiles. Les autres complexes sont considérés comme n’étant pas biodisponibles. En effet, même si certains complexes inorganiques, comme les complexes avec les hydroxydes, peuvent être toxiques, nous avons considéré que :

ƒ la toxicité est majoritairement liée à la présence d’ion libre en solution ;

ƒ pour les études en milieux synthétiques, les concentrations en complexes inorganiques sont toujours présents dans les mêmes proportions par rapport à l’ion libre quelle que soit la concentration totale en métal, car les conditions de pH, de force ionique et d’alcalinité sont constantes (Allen and Hansen, 1996).

Pour les échantillons prélevés, le calcul de la spéciation chimique a été effectué sur la base des concentrations en ligands inorganiques et métaux totaux dissous uniquement. La cohérence des résultats avec la toxicité observée sera discutée par rapport à l’influence des ligands colloïdaux et de la matière organique, qui n’auront pas été pris en compte dans le calcul.

Mesure de l’ion libre/labile

♦

Notre choix s’est porté sur la DPASV, méthode de sensibilité suffisante pour l’analyse des métaux labiles dans les eaux naturelles. Des études préliminaires en laboratoire ont par ailleurs confirmé que les mesures par résine complexantes de type Chelex-100, ou d’autres résines capables de retenir certaines fractions de métal de caractéristiques données, n’étaient pas satisfaisantes car l’adsorption non spécifique des complexes organiques (ex. : substances humiques) interférait avec la complexation.

♦

L’appareil Metrohm utilisé pour toutes les manipulations réalisées est constitué d’un processeur (Processor 646V) et d’un poste électrodes-cellule (Stand 647V) avec une électrode de référence Ag/AgCl, une contre-électrode en platine et une électrode indicatrice multi-mode à goutte pendante (diamètre intermédiaire de 0.4 mm²). Les mesures ont été effectuées avec une amplitude d’impulsion de 50 mV et un potentiel de pré-electrolyse de –0.8 V. Les analyses ont été effectuées dans une cellule de mesure en verre siliconée avec un électrolyte (KNO3 0.1 mol/L) relativement neutre vis-à-vis de la spéciation chimique du cuivre, sans tampon (Florence, 1982a), après dégazage sous flux d’azote (> 10 min) et une durée d’équilibrage de 30 s (Cheng and Chakrabarti, 1994). La mise au point de la méthode a fait l’objet d’un travail de DEA (Devez, 2000) et la validation de l’analyse du cuivre labile par DPASV a été effectuée sur l’eau de ruissellement de la crue du 16 avril 2000.

Spéciation des formes de l’arsenic

Afin d’interpréter les résultats de toxicité observés dans les échantillons, il est important de connaître l’état d’oxydation sous lequel est présent l’arsenic dissous (III ou V). Nous avons pour cela utilisé la même méthode que pour le dosage de l’arsenic total (HG-ICP-MS) : l’arsenic total est analysé après réduction, alors que l’arsenic III est analysé sans l’étape de réduction (pH = 5.5), ce qui permet de doser uniquement l’arsenic III initialement présent dans l’échantillon. Les concentrations en arsenic V sont évaluées par différence ([As]tot - [As III]).

2.3.7.d Spéciation des formes particulaires

Notre choix s’est porté sur la méthode la plus utilisée (Tessier et al., 1979) afin que les résultats obtenus soient comparables aux études existantes (Tableau 11). La concentration en cuivre dans les extraits a été analysée par absorption atomique en four graphite (Varian), l’ICP-MS utilisé ne permettant pas d’analyser de telles matrices.

Outre cette méthodologie, l’évaluation de la mobilité potentielle et de la toxicité de la fraction particulaire du cuivre s’est appuyée sur une extraction aqueuse : 200 mL de MES sont dilués à 100 g/L dans un flacon en polyéthylène de 250 mL, agités 1 h à 10 tr/min. La fraction mobilisée est séparée par filtration (Nuclepore 1 µm). Pour l’extraction, l’eau utilisée pour les biotests a été utilisée (milieu AAP pour le tes algal ; NaCl 2 % pour le test bactérien).