Manuscrit - laboratoire PROTEE - Université du Sud - Toulon - Var

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Manuscrit - laboratoire PROTEE - Université du Sud - Toulon - Var

RAPPORT DE STAGE

MASTER II CHARME

RÔLE DE LA MATIERE ORGANIQUE DISSOUTE

DANS LES EQUILIBRES MINERAUX-SOLUTIONS

Encadrants : Janvier-Juin 2010

Pr. Yves Lucas

Dr. Stéphane Mounier

Dr. Débora Milori

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REMERCIEMENTS

Je tiens à remercier M.Yves Lucas, qui m'a accueilli au sein du laboratoire PROTEE, m’a

encadré tout au long de mon stage et de m’avoir permis de vivre cette expérience

exceptionnelle.

Je tiens à remercier M. Stéphane Mounier qui, malgré toutes ses occupations, a été on ne peut

plus présent et quand il le fallait.

Ensuite, « Obrigada » Dr. Debora Milori de m’avoir accueilli au sein du laboratoire de

spectroscopie LASER et de m’avoir soutenu tout au long de mon séjour au Brésil aussi bien

dans le cadre académique que dans le cadre extérieur.

Puis, merci à tous les enseignants rencontrés à Embrapa pour leur convivialité, leur

disponibilité et leur gentillesse.

Un grand merci à tous les collègues rencontrés au Laboratoire des Sciences du sol et de

Spectroscopie LASER pour toute leur aide lors des manipulations et dans la gestion des

plannings

Je tiens à remercier particulièrement Camilla et Augustinho avec qui j’ai partagé la vie de

tous les jours lors de mon séjour, qui m’ont permis de m’intégrer plus facilement et de

découvrir le Brésil.

Je remercie Anaëlle Zaho La déesse de PARAFAC qui a traité mes résultats obtenus par

spectroscopie 3D.

Et enfin, sincères remerciements à Nico, tous les stagiaires de M1 Charme ainsi qu'à tous les

autres membres de l'équipe CAPTE pour leur convivialité.

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Résumé :

La géochimie des formations d’un système de sol ferralitique podzols, de la Région du haut

Negro au Nord du Brésil est étudiée. Pour pouvoir mieux étudier le fonctionnement

géochimique de ce profil de sol, une étude de la spéciation des espèces Fe, Al et Si en

fonction de la matière organique dissoute est effectuée à la fois sur les solutions de sol et sur

une matrice solide pour pouvoir déduire l’influence de cette matière organique sur ces

espèces. Les échantillons de solution de sol sont passés d’abord sur les résines hydrophobes et

ensuite sur des résines cationiques, les concentrations en Si(OH)4, Fe 2+ et Al 3+ étant mesurer

par Colorimétrie ; Les mesures par spectroscopie de fluorescence et par l’analyseur de

carbone sont effectuées afin de vérifier la fiabilité de l’élution. Les échantillons solides quant

à eux après que les espèces liés à la MO soient extraites sont analysés par des techniques

spectroscopiques LIFS, FTIR et LIBS, d’abord pour déterminer l’influence de cette

extraction sur le comportement de la matière organique et ensuite pour quantifier les espèces

extraites. Les résultats obtenus montrent un comportement inattendu de la Si qui se trouve

liée à la MO que ce soit dans la matrice solide que dans du liquide.

Mots clés : métaux, MO, spodosols, oxisols, élution, extraction, spectroscopie

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SOMMAIRE

AVANT PROPOS…………………………………………………………………………….5

GLOSSAIRE………………………………………………………………………………… 5

I : INTRODUCTION…………………………………………………………………………6

I-1 : Contexte du stage……………………………………………………………………….6

I-2 : Présentation du cadre de recherche……………………………………………………..6

I-3 : Travaux existant sur les systèmes de sol ferralitiques podzols…………………………7

I-4 : Les sols amazoniens…………………………………………………………………….7

I-4-1 : Les spodosols………………………………………………………………………..7

I-4-2 : Les oxisols…………………………………………………………………………..8

I-5 : Interactions entre les cations et la MOD………………………………………………..8

II : MATERIELS ET METHODES………………………………………………………...9

II-1 : Présentation du site d’étude…………………………………………………………...9

II-2 : Présentation de la topo-séquence……………………………………………………...9

II-3 : Fonctionnement du système de sol…………………………………………………..10

II-4 : Présentation des échantillons…………………………………………………………12

II-5 : Traitements chimiques subis par les échantillons…………………………………. ..13

II-5-1 : Echantillons liquides : Elution sur colonne………………………………………13

II-5-2 : Echantillons solides : Extraction chimique des métaux………………………….16

II-6 : Analyses………………………………………………………………………………18

II-6-1 : Irradiation aux rayons UV………………………………………………………..18

II-6-2 : Carbone organique dissout……………………………………………………….18

II-6-3 : Colorimétrie……………………………………………………………………....18

II-6-4 : Techniques spectroscopiques…………………………………………………….20

II-6-4-1: Spectroscopie de Fluorescence………………………………………………..20

II-6-4-2: Laser Induced Fluorescence Spectroscopy (LIFS)……………………………21

II-6-4-3: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)……………………………..23

II-6-4-4: Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)…………………………….24

III: RESULTATS ET DISCUSSION……………………………………………………...26

III-1: Elution sur colonne…………………………………………………………………...27

III-2: Spectrométrie de fluorescence………………………………………………………..28

III-3: mesures de carbone…………………………………………………………………...28

III-4 : Interprétation des résultats obtenus sur les échantillons solides……………………..29

III-4-1 : Analyse LIBS………………………………………………………………….29

III-4-2 : Analyse LIFS…………………………………………………………………..32

III-4-3 : Analyse FTIR…………………………………………………………………..34

IV-CONCLUSION…………………………………………………………………………..37

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES…………………………………………………..38

INDEX DES LEGENDES…………………………………………………………………..40

ANNEXES…………………………………………………………………………………....41

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Avant propos

La forêt amazonienne dans son ensemble représente environ deux tiers des surfaces de forêt

tropicales subsistantes dans le monde ; la place prépondérante qu’elle occupe dans la

compréhension des processus pédologiques et surtout son rôle dans la préservation du climat

terrestre n’est plus à démontrer.

Si la richesse et la densité de la forêt ont pendant longtemps amené les explorateurs à penser

que les sols de l'Amazonie devaient être particulièrement riches et propices à une activité

agricole, des études ont montré depuis les années 1950 qu'il n'en était rien. Les sols de

l'Amazonie brésilienne sont au mieux pauvres par rapport à leurs homologues des régions

tempérés, au pire presque stériles. La forêt Amazonienne se présente en fait comme un

véritable système de recyclage des matières végétales qu'elle produit, n'empruntant que très

peu aux sols qu'elle recouvre. Ces sols ayant évolués pendant longtemps sous des conditions

pédoclimatiques agressives (forte pluviosité, chaleur élevée garantissant des cinétiques

rapides) se trouvent très appauvris en éléments alcalins et alcalino-terreux, ce qui leur confère

un caractère acide. Dans certaines, cette forte acidité déstabilise les alumino-silicates et les

(hydr) oxydes secondaires, permettant l’apparition de processus podzoliques et la formation

de sols sableux. De nombreuses études ont montré l’existence de systèmes ferralsols/podzols

en Amazonie, où les podzols évoluent aux dépens des ferralsols, ceci contribuant à rendre la

couverture pédologique de plus en plus pauvres en nutriments.

Pour mieux comprendre comment les sols ferralsols et les sols podzoliques sableux peuvent se

développer à partir d’un même matériel parent et sous le même climat, la compréhension de

tous les processus physico-chimiques qui régissent la formation des podzols s’avère

nécessaire. Par ailleurs, la pression de la déforestation soulève la question de savoir si la

reforestation est possible sur les podzols pauvres en nutriments. Enfin, il convient de prévoir

les conséquences de la présence des podzols dans le futur de l’Amazonie en général et aussi

sur le climat planétaire en particulier.

GLOSSAIRE

BCR : Bureau de la Commission Européenne de Référence

FAO : Food and Agriculture Organisation

FTIR : Fourier Transform Infrared Spectroscopy

LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LIBS : Laser Induced Breakdown Spectroscopy

LIFS : Laser Induced Fluorescence

M.O (D) : Matière organique (Dissoute)

MEEF : Matrice d’excitation/d’émission de Fluorescence

NIST : National Institute of Standards and Technology

SMTP: Standards Measurements and Testing Programme

YAG :Yttrium Aluminium Garnet

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I) INTRODUCTION

I-1 : Contexte du stage

Mon stage fait partie d’une des phases terminales d’un projet ARCUS entre les laboratoires

PROTEE et NUPEGEL (Université São Paulo, Brésil) dans le but de comprendre la formation

et le fonctionnement d’un système de sol ferralitiques podzols situé dans le Nord du Brésil

proche de la région de São Gabriel Da Cachoeira. Ce projet a duré plusieurs années (6ans) et

s’est déroulé en plusieurs phases de prélèvements et d’analyses aussi bien sur le terrain qu’en

laboratoire.

Les travaux antérieurs ont permis d’établir une topo-séquence type d’un de ces systèmes de

sol, de comprendre les grandes lignes de son fonctionnement biogéochimique et de vérifier la

cohérence des résultats obtenus lors de différentes missions ; Les variations spatiales et

temporelles des caractéristiques de la matière organique ainsi que les caractéristiques des

solutions du sol ont en particulier été établies, ce qui a permis de se poser la question de

savoir si la matière organique dissoute (MOD) n’influençait pas le comportement des

principaux cations présents dans le sol.

Ainsi, Le but de notre stage sera de participer à la connaissance de l’influence de la MOD sur

les métaux en solution, en particulier en ce qui concerne les processus de complexation.

I-2 : Présentation du cadre de recherche

Le stage a été effectué dans les laboratoires PROTEE (Processus de Transfert et d’Echanges

en Environnement) de l’Université du Sud Toulon Var et L’institut nationale de recherche

agronomique brésilien EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária), qui est

une institution publique dépendant du Ministère brésilien de l’Agriculture :

• Le Laboratoire PROTEE dirigé par Mr Yves Lucas est divisé en 3 unités de

recherche :

- CAPTE : Chimie Analytique et Processus de Transfert en Environnement

- EBMA : Equipe de biologie des milieux aquatiques

- ISO : Instrumentation en Spectroscopie et Optique

Ces équipes ont respectivement pour thématique de recherche: L’étude des processus de

transferts d'espèces chimiques dans l'environnement, l’étude de l'impact de ces transferts sur

les communautés biologiques et le milieu minéral et le développement de l'instrumentation

dédiée à ces études.

• EMBRAPA est un des plus grands organismes de recherche en Amérique Latine, il

est constitué de nombreux centres de recherche à travers le Brésil et accueille des

chercheurs et stagiaires de plusieurs pays.

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Cette institution s’occupe de nombreux domaines entre autres les sciences du sol,

l’instrumentation dans le domaine de l’Agriculture, l’agro-énergie, les biotechnologies et

nanotechnologies.

Notre travail a été effectué sous la tutelle du Dr. Debora Milori qui a mis sur point un Laser

Portable pour les mesures de fluorescence de la Matière Organique dans une matrice solide et

s’occupe du Laboratoire de Spectroscopie et LASER.

I-3 : Travaux existants sur les systèmes de sol ferralitiques podzols

Différents travaux ont été effectués sur les systèmes de sol ferralitiques podzols (Chauvel et

al, 1987; Lucas et al, 1987 et Horbe et al, 2003) ; il ressort de ces études que le

développement de la podzolisation se fait soit de l’amont vers l’aval, soit de l’aval vers

l’amont. Les mécanismes qui amorcent ou favorisent ce phénomène de la podzolisation et son

expansion se rapportent à l’acidification prononcée du sol, avec apparition d’une alcalinité

négative, et aux conditions de percolation des solutions du sol.

Figure 1 : Processus de Podzolisation de l’amont vers l’aval (Lucas et al, 1987) : cas

identique à notre système de sol.

I-4: Sols Amazoniens

I-4-1: Spodosols

Les sols amazoniens sont généralement les spodosols ou podzols. C’est le seul ordre de sol

qui montre clairement une évidence entre des horizons d’illuviation et d’éluviation de la MO

le long d’un profil de sol.

Ainsi, les podzols sont habituellement formés d’un horizon organique de surface H ou O,

suivi par l’horizon minéral A, ensuite d’un horizon gris E éluvial et enfin d’un horizon B (Bh,

Bhs, Bs) brun rougeâtre qui contient des accumulations de Fe, d’Al avec des concentrations

variables en MO.

Les podzols apparaissent lorsque la MOD devient capable de percoler à travers le profil de

sol, permettant le transfert hors du système, vers les rivières, des espèces cationiques de Fe et

Al entraînant la disparition des (hydr)oxydes et des minéraux argileux. La migration de

certains cations tels que l’Al et le Fe contenus dans les roches favorisant ainsi le lessivage de

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certains oxydes et des minéraux argileux. La migration sous pente de l’Al et du Fe sous forme

de complexes organiques est le mécanisme dominant d’éluviation des podzols.

Deux étapes expliquent le mécanisme de la podzolisation des sols latéritiques (Nascimento et

al. 2004) :

• L’étape 1 marque l’apparition sur la marge de la dépression de podzols faiblement

exprimés riche en matières organiques dans les horizons A et Bhs. Les acides

organiques imprègnent les argiles latéritiques qui comprennent de manière

prédominante le quartz mais aussi certains minéraux tels que la kaolinite, gibbsite et

goethite ; les acides organiques favorisent ainsi le lessivage des minéraux argileux et

contribuent à la migration vers les bas de pente de complexes organométalliques

(principalement Fe et Al).

• L’étape 2 est marquée par une perte importante de minéraux argileux dans les horizons

A et AE des podzols bien exprimés et l’accumulation à des profondeurs plus élevées

d’une seconde génération de complexes organométalliques dans les horizons Bh et

2BCs. Nascimento et al. (2004) en outre lie l'étape 2 au développement des conditions

acides et réductrices dans l’eau souterraine qui alimente les ruisseaux pendant la

saison pluvieuse ; une première théorie propose la formation, le transport en bas de

pentes, la précipitation de l’Al et du Fe par les acides organiques complexes ; ainsi, la

podzolisation serait le transport en bas de pente des acides organiques complexes des

horizons de surface qui précipitent l’Al et Fe contenues dans les phases minérales. La

seconde théorie généralement non applicable aux podzols tropicaux propose un

transport sous forme de proto-imogolite, allophane, précipitation de ces sols dans

l’horizon B et une adsorption subséquente de l’humus mobile.

I-4-2 : Les ferralsols

Les ferralsols ou sols ferralitiques sont le type de sol dominant en zones tropicale humide. Ils

sont caractérisées par une altération en profondeur des minéraux primaires, exception faite

d’une partie du quartz et des minéraux lourds qui restent dans le profil de sol (Patel et al,

2007). Les minéraux néoformés sont principalement la kaolinite, la gibbsite, la goethite et

l’hématite. La balance d’équilibre entre l’altération et la formation des sols est une

accumulation relative de Fe et d’Al et une diminution de la concentration en Si.

I-5 : Interaction cations et MOD

Bien qu’elle ne constitue que 1% du carbone organique total présent dans les sols, la MOD est

par définition la fraction la plus mobile de la MO contenue dans les sols. Elle joue un rôle

primordial dans la formation des sols et dans l’altération des minéraux et aussi dans le

processus de solubilisation, de spéciation et dans la toxicité des métaux. Dans les podzols la

MOD a de très fortes interactions avec les cations et principalement, Fe et Al.

La complexation d’Al par la MOD contrôle la solubilité de l’Al et régule sa toxicité (vis-à-vis

des plantes).

La susceptibilité qu’à l’Al et Fe de se complexer avec la MO causant leur précipitation

dépend du pH.

Ainsi au vu des connaissances sur la podzolisation, il existe une relation mutuelle entre la

MOD et les cations.

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II- MATERIELS ET METHODES

II-1 : Présentation du site d’étude

Le site étudié est situé au nord-ouest du Brésil dans la région du Haut Rio Negro proche de la

Ville de Sao Gabriel Da Cachoiera ayant pour coordonnées géographiques 0°6’21’’ S et

66°54’22’’W. Il recoupe un plateau d’un système de sol ferralitique-podzolique constitué de

kaolins coexistant avec des podzols ; le tout sur un socle constitué de roches plutoniques

riches en feldspaths alcalins et en plagioclases et contenant du quartz.

Le climat de la région présente des températures moyennes annuelles supérieures à 25°C et

une pluviométrie annuelle aux environs de 3000 mm à 4000 mm (Dubroeucq et al. 1999).

Figure 2 : Localisation du site d’étude

II-2 : Présentation de la Topo-séquence

La topo-séquence a été réalisée et décrite par Montès et al, 2006 ; c’est un système de sol

ferralitique-podzols où les spodosols évoluent aux dépens des ferralsols de manière

centrifuge.

Elle est constituée en amont de la partie Podzolique formée de l’horizon O qui est un horizon

éluvial de surface de couleur gris foncé, sableux et composé de débris végétaux en voie de

décomposition et de l’horizon Es sableux blanc également d’éluviation. Ensuite les horizons

BhFe brun à brun rougeâtre issue de l’accumulation de la MO et du Fe qui sont également

observés au niveau de la transition des sols ferralitiques aux podzols et aussi dans les horizons

présentant une teneur perceptible (texture, couleur) en argiles et/ou oxydes s.l.

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Latéralement et vers l’aval la partie ferralitique est observé avec ses horizons caractéristiques

(A, B1, B2 …).

Figure 3 : Topo-séquence étudiée (Montès et al, 2006).

Les lettres majuscules se rapportent aux nomenclatures FAO. B1, horizons ferralitiques

passant de sableux à l’amont à argilo-sableux à l’aval ; B2, horizons ferralitiques argilosableux

; B3, horizons ferralitiques à caractères hydromorphes ; Bk, horizons de

Kaolin ; Ef, horizon éluvial non podzolique.

II-3 : Fonctionnement du système de sol

III-3-1 : Genèse des kaolins déferrifiés amazoniens.

Les kaolins sont des formations constituées presque exclusivement d'argile de type kaolinite

[Al2Si2O5(OH) 4]. Ils présentent des conditions de genèse variées, hydrothermales,

sédimentaires ou d’altération supergène. La genèse des kaolins d’Amazonie brésilienne

procède des deux dernières catégories, mais fait encore l’objet de controverses : genèse

sédimentaire, altération in situ ou genèse mixte.

Les études sur la genèse et la dynamique des systèmes sols ferralitiques-podzols

d’Amazonie ont montrées la présence fréquente, en profondeur, d’horizons d’altération

kaolinitiques de type kaolin, plus ou moins déferrifiés, aussi bien sur des roches sédimentaires

que sur des roches du socle cristallophyllien. Kaolinisation massive et déferrication

apparaissent ainsi généralisées dans ces formations anciennes d’Amazonie. Une étude

extensive des systèmes sols du Haut Rio Negro (Dubroeuqc et al, 1998) montrent que la

déferrification des kaolins profonds est plus intense sous les podzols que sous les sols

ferralitiques. Il se pose alors la question des relations entre processus podzoliques et la genèse

de kaolins déferrifiés (Montès et al, 2007). Les nappes observées dans les horizons éluviés

des podzols sont chargées en matière organique dissoute (MOD) à forte capacité complexante,

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susceptible d’exporter fer et aluminium sous forme de complexes organométalliques. La

MOD ne peut, cependant, percoler à travers des matériaux contenant plus de quelques pour

cent de minéraux argileux ou d’oxydes, qui ont une grande capacité d’adsorption de la MOD,

en raison de leurs fortes surfaces spécifiques et de leurs propriétés de surface. La MOD des

nappes circulant dans les horizons éluviés des podzols s’immobilise donc dès qu’elle

rencontre un matériau contenant argile ou oxydes, formant un horizon Bh d’accumulation de

matière organique.

II-3-2 : Fonctionnement de la couverture de sol

Les connaissances déjà acquises sur la morphologie, la minéralogie, le fonctionnement

biogéochimique et la dynamique de ce type de système permettent d’identifier, à partir de la

description de la séquence, plusieurs caractéristiques de son fonctionnement hydrologique et

biogéochimique.

II-3-2-1 Appauvrissement progressif par solutions hyperacides

Les horizons ferralitiques argilo-sableux de type B2 et B3, ainsi que les altérations

profondes kaolinitiques, sont formés par désilicification progressive de la roche mère au cours

de longues périodes de pédogenèse en conditions ferrallitisantes. Les horizons à caractères

ferrallitiques sablo-argileux à sableux B1 et Ef, observés à la partie supérieure des versants,

sont caractéristiques d’un appauvrissement en argile en profondeur, qui s’explique par une

hyperacidité des solutions percolantes (pH autour de 4). Celle-ci résulte d’une réserve alcaline

négative, due aux effets conjoints d’un intense lessivage du sol et de l’efficacité du recyclage

racinaire des cations nutritifs. L’hyperacidité des solutions augmente la solubilité de FeIII et

surtout d’Al sous forme d’espèces monomères en solution (acidolyse) : à pH 4,5, la solubilité

du FeIII à l’équilibre avec la goethite de l’ordre de 10 -4 M et celle de Al à l’équilibre avec la

gibbsite est de l’ordre de 10 -6 M (valeurs calculées à partir du jeu de données

thermodynamiques de la référence). Ceci permet la dissolution progressive de la kaolinite et

des oxydes de Fe et d’Al. Les horizons sableux Ef sont des magasins de nappes perchées dont

l’écoulement latéral rapide permet l’exportation des métaux dissous vers, d’une part, les

micro-vallées, puis le réseau hydrographique, et, d’autre part, les sols de bas de versant. Le

résultat de ces processus est la formation d’horizons de plus en plus sableux,

jusqu’à permettre le déclenchement de la podzolisation qui commence au centre des plateaux.

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Figure 4 : Ecoulement et nature des solutions percolantes, déduits des caractéristiques

de la couverture de sol (les flèches doubles et simples représentent respectivement des

écoulements rapides et lents). Position présumée des solutions dans un diagramme pepH

(Montès et al., 2007)..

II-3-2-2 Podzolisation dans cette topo-séquence

Les horizons sableux O et Es sont caractéristiques d’un fonctionnement de type podzolique,

leurs faibles surfaces d’échange permettant le transfert d’une MOD qui participe à l’acidité

des solutions et complexe Al et Fe (acido-complexolyse). La couleur de ces horizons

témoigne de la disparition des oxydes de FeIII. La MOD transportée s’insolubilise dès qu’elle

rencontre des surfaces d’échange, formant les Bhfe. La géométrie des transitions des BhFe est

caractéristique de transformations géochimiques in situ.

II-4: Présentation des échantillons de sol

5 échantillons de solutions de sol FONTE, CA-1, P4-510, P6-460 et P12-380. Ces solutions

de sol sont situées le long de la topo-séquence aussi bien dans la partie Podzolique,

intermédiaire et ferralitique et correspondent respectivement aux horizons de surface 0 et Es,

Bk1 (dans les kaolins deférrifiés non aluminisés), Bk4 (Kaolins contenant de la muscovite

inaltérable) et Bk2 (kaolins).

Les échantillons de sol solides SGA-4I, SGA-4G, SGA-4E, SGA-4D et SGA-4A quant à eux

sont situés le long d’un même profil vertical à différentes profondeurs (de 5 à 313m). Ils

correspondent respectivement aux horizons de surface 0 et Es, BhFe (horizon B

d’accumulation de MO et de fer), Bk1 (kaolins ss).

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Figure 5 : Localisation des différents échantillons sur la topo-séquence : En noir, les

échantillons de solution de sol et en Violet les échantillons de sol solide.

II-5 : Traitements chimiques subis par les échantillons

Selon la nature de l’échantillon, un traitement différent est appliqué ; l’élution sur colonne

pour les solutions de sol et une extraction chimique des métaux liés à la MO pour les

échantillons de sols solides.

II-5-1: Echantillon Liquide : Elution sur colonne

La MO influence fortement le comportement des métaux dans les eaux naturelles. Afin de

quantifier ces espèces Fe 2+ , Fe 3+ , Si(OH)4 et Al 3+ liés à la matière organique, l’élution sur

colonne est réalisée à la l’aide de la résine C18 ,résine hydrophobe et de la résine chelex

cationique. En effet cette élution permettra de déterminer la spéciation des espèces.

A la suite de ces élutions, les échantillons sont passés à l’irradiation aux rayons UV pour

déterminer les fractions masquées par la MO.

Percolat du

Rétentat C18 (PR)

Solution de

sol brute (B)

Passage

Résine C18

Rétentat C18 (R) Percolat C18 (P)

Passage

Résine chelex

Rétentat du

Rétentat C18(RR)

Passage

Résine chelex

Percolat du

percolat C18 (PP)

Figure 6 : Schéma de l’élution sur les colonnes

Rétentat du

Percolat C18 (RP)

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II-5-1-1 : Résine C18

La résine C18 utilise la technique de l’extraction en phase solide. L’extraction en phase solide

(SPE) est une technique de séparation facile, rapide qui peut être réalisée automatiquement.

Cette technique est basée sur le comportement hydrophobe des composés organiques dissous

de plus en plus utilisée ne tient pas compte de nombreux autres problèmes rencontrés par

d’autres techniques de séparations. En plus, la quantité de solvant utilisé et le temps de

manipulation est réduit.

La résine C18 de SUPELCO et plus précisément la LC-18 a été utilisée car cette dernière est

particulièrement efficace pour les extractions en phase inverse des composés non polaires à

modérément polaires tels que la M.O et les hydrocarbures. La rétention des analytes

organiques des solutions polaires est due principalement aux forces attractives des liaisons

carbone-hydrogène présents et aux groupes fonctionnels à la surface de l’analyte. La LC-18 se

présente sous forme de pack de groupes de silanols hydrophiles à la surface, constitués de

particules de silice de 40µm ayant un diamètre de pores de 60Ä chimiquement modifiés par

les groupes fonctionnels alkyle ou aryle des réactions avec les silanes correspondants.

Le protocole d’extraction de la MOD est problématique car ne tenant pas compte de petite

quantité de MO disponible. Et aussi, cette technique est très susceptible à une sélectivité et

une contamination pendant l’extraction (Roubeuf et al, 1999).

Le méthanol (MeOH) est utilisé tout d’abord en addition avec le HCl pour pré-conditionner la

résine et ensuite comme éluant. Le méthanol est un solvant polaire donc nécessaire pour

détruire toute interaction polaire qui retient les composés, il est également miscible dans l’eau

et capable de détruire toute liaison hydrogène (faibles liaisons) de l’analyte.

Le tube de LC-18 est pré-conditionné par passage successif de 10mL de MeOH, 10mL de

HCl 0,3mM, 10mL de MeOH et 400mL d’eau (Roubeuf et al, 2009). Après cette phase de pré

conditionnement, 250mL de solution de sol est introduite dans notre colonne. Pour faciliter le

passage de la solution à travers la colonne, une pompe péristaltique est utilisée et le débit

réglé à 10mL/min. La matière organique retenue sur la résine est éluée avec 30mL de MeOH :

H20 (85 : 15) ; Le perméat et l’éluat sont séparément évaporés dans un rotavapor à 60°C et

dilués avec une quantité connue d’eau nécessaire pour avoir la balance du carbone et pour

éliminer le méthanol de la phase de conditionnement.

II-5-1-2 : La résine chelex 100

L’éluat et le perméat obtenus après passage sur la résine C18 seront utilisés comme

échantillon.

La résine chelex 100 de Bio rad a été utilisée. Elle est classée dans la même catégorie que les

résines cationiques faiblement acide mais diffère des résines échangeuses ordinaires car

possédant des qualités telles qu’une grande sélectivité pour les métaux et une force de liaison

très élevée. Cette résine est composée de copolymères de divinylbenzène est constitué des

paires d’ions d’iminodiacétate qui agissent comme des groupes chélatants en attachant les

ions métalliques polyvalents. La résine chelex 100 opère dans les pH basiques, neutres et

faiblement acide (pH 4). La quantité de résine utilisée dépend de la concentration en cations

de la solution. Notre solution n’ayant pas une proportion élevée en cations, seuls 0,4g de

résine est utilisée pour 250mL d’échantillon. Avant toute élution, la résine est introduite dans

de l’eau milliQ car celle-çi gonfle en présence de l’eau et pourra briser notre colonne. Ensuite,

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une phase de pré-traitement s’avère nécessaire pour pouvoir activer la résine, pour cela 20 mL

de HN03 est utilisée. Enfin 20 mL de HCl seront nécessaires pour pouvoir éluer les cations

retenus.

La résine chelex 100 est réutilisable et pour pouvoir la régénérer sont successivement utilisés

20 mL de HCl 1M, 50 mL d’eau milliQ, 20 mL de NaOH 1M et lavage avec l’eau milliQ

jusqu’à obtention d’un pH neutre.

II-5-1-3 : Différentes analyses à effectuer sur les échantillons liquides.

Solution de sol

perméat C18

éluat C18

Figure 7 : Analyses effectuées sur les échantillons liquides

II-5-2 : Echantillons solides : Extraction chimique des métaux

UV

Colorimétrie, NPOC,

Spectroscopie de Fluorescence

Perméat chelex

éluat chelex

L’extraction chimique séquentielle des métaux dans les sols est généralement très utilisée

dans les études environnementales. Il existe plusieurs méthodes d’extraction mais la plus

utilisée est la BCR modifiée puisque référenciée par la commission européenne SMTP

(Rauret et al, 1998).

Le processus d’extraction séquentielle modifiée de la BCR se fait en 4 étapes : D’abord

l’extraction des métaux liés aux espèces solubles et aux sites cationiques échangeables (acide

acétique), ensuite l’extraction de ceux liés aux oxy hydroxydes de Fer et Mn (oxalate

d’ammonium), puis celle des métaux liés aux sulfures et à la MO (peroxide d’hydrogène) et

enfin, l’extraction des métaux liés aux espèces non silicatés (aqua régia solution, HNO3 (1:1),

HCl (1:4) ).

Cette technique d’extraction a été adaptée à notre travail car généralement après l’extraction,

les analyses sont effectuées que sur du liquide (et non sur du solide comme dans notre cas). Et

aussi, nous nous intéresserons uniquement aux métaux liés à la MO ; dans un premier temps,

l’oxalate d’ammonium (H4NOOC-COONH4) a été utilisé pour déterminer les espèces des

associations organo-minérales, mais aussi des formes à organisation cristalline de petite taille

15


(formes dites « mal cristallisées »), et ensuite toutes les étapes de la procédure d’extraction

séquentielle est faite sauf la troisième (utilisation du peroxide d’hydrogène) pour garder

intacte la MO dont la présence est indispensable pour les mesures spectroscopiques (voir

annexes).

4g de sol sec + 170mL de

N4HCOO-COONH4 0,2 mol/L

Agitation pendant 16h et 20h à

40tr/min

Centrifugation à 3500 tr/min pendant

20 min

Ajout de 80mL d'eau milliQ, agitation

5min, centrifugation 5min

Filtration et séchage au four à 50°C

Figure 8 : Protocole expérimental de l’extraction des espèces sous forme minérale mal

cristallisée.

Echantillon de sol sec

Broyage manuel

Tamisage à 103 µm de

diamètre de pores

Extraction chimique

séquentielle Fe2+, Fe3+, Al3+

et H4SiO4

Analyses

FTIR LIBS LIFS

Figure 9 : Analyses subies par les échantillons solides.

16


II-6 : Analyses

II-6-1 : Irradiation aux rayons UV

Le digesteur UV 705 serie 1 de Metrohm a été utilisé afin de pouvoir irradier nos échantillons

liquides.

Cet appareil de digestion constitué d’une lampe UV (lampe à mercure de haute pression) est

utilisée pour la photolyse par rayons UV d’échantillons liquides peu chargés en substances

organiques. La digestion par photolyse à rayons UV permet l’élimination de teneurs basses ou

modérées de substances organiques dissoutes qui souvent, gênent sensiblement les analyses

de traces de métaux lourds. En effet, cette méthode repose sur la production par photolyse de

radicaux OH qui, quant à eux, réagissent avec les composés organiques et les décomposent.

La digestion est faite pendant 2h avec des solutions à pH


Les mesures sont réalisées avec un spectromètre DR 2800 HACH qui mesure l’absorption de

la solution sur une gamme de longueur d'onde comprise entre 340 et 900 nm. Cet appareil

fonctionne selon le principe de la loi de Beer-Lambert et donne les résultats en absorbance en

mg/L ou encore en transmission ; Il est facile d’utilisation et les résultats sont rapides

(quelques secondes). De plus, pour chaque élément analysable, il existe des protocoles pré-

établis par la société LANGE ; le spectromètre reconnaît ainsi par lecture laser la cuve

d'analyse LANGE grâce à un code-barres et applique automatiquement la méthode

correspondante issue de sa très large banque de données. Lors de l'analyse, le DR 2800

effectue une série de 10 mesures sur l'échantillon les valeurs fausses ou liées aux impurétés

sont automatiquement éliminées ce qui contribue à la robustesse de l'analyse.

Figure 10: Colorimètre DR 2800 HACH

II-6-3-2 : Mesure des concentrations en H4SiO4, Al 3+ , Fe 2+ et Fe 3+

• Détermination de la concentration en Silicium

Le protocole de détermination de la concentration en silicium est donné par la société

LANGE. La silice dissoute ou les silicates forment une solution acide avec le molybdate

d’ammonium, un acide silico-molybdique colorée jaune. L’ajout d’un agent réducteur génère

une coloration bleue de la solution. Les variations de la gamme de mesure de la silice et du

silicium sont respectivement de 0,01-0,80 mg/L et de 0,005 – 0,400 mg/L.

L’échantillon utilisé doit avoir un pH situé entre 3 et 10 et une température comprise entre 15

et 25°C ; les réactifs doivent également avoir cette température. Dans un bécher en plastique

25mL d’échantillon sont pipetés : dans un premier temps, 1mL d’une solution A (LCW 028

A) est ajouté, après agitation un repos de 3 min est observé. Il s’en suit un ajout de 1mL de

solution B (LCW 028B) après mélange, un temps d’attente de 3 min est une fois de plus

observé. Enfin 1mL de solution C (LCW 028 C) est ajouté après agitation, repos de 25min. La

solution obtenue est transféré dans une cuve ronde, l’extérieur de la cuve est bien nettoyé et la

mesure est effectuée en utilisant le programme enregistré dans le Spectromètre DR 2800

HACH. La mesure d’un blanc n’est pas indispensable.

• Détermination de la concentration en Al 3+

Le chromazurol S forme avec l’Aluminium en milieu tampon acétate légèrement acide une

laque colorée verte. La gamme de mesure se situe entre 0,02 – 0,50 mg/L

18


Le pH de la solution à mesurer doit être situé entre 2,5 et 3,5 ceci est primordial. 2mL de la

solution A est introduit dans la cuve LCK 301, ensuite à cette solution est ajouté 3mL

d’échantillon puis, 1 cuillère rase du réactif B (LCK 301 B) et Enfin après agitation, un temps

d’attente de 25 min est observé.

• Détermination de la concentration en Fe 2+ et Fe 3+

Les ions fer(II) forment avec la 1.10-phénantroline un complexe rouge orangée. Les ions

fer(III) sont réduits à l’état fer (II). La gamme de mesure situe entre 0,2 et 6 mg/L.

2mL d’échantillon ayant un PH situé entre 3 et 9 est introduit dans une cuve LCK 320

spécialement construite pour les analyses. La mesure d’un blanc est nécessaire, afin de

s’affranchir des interférences liées à la couleur du COD initialement contenu dans

l'échantillon. Cette première analyse permet la mesure du Fe 2+ , ensuite un Dosicap A

(LCK 320 A) est vissé sur le tube permettant la réduction du Fe 3+ en Fe 2+ , on obtient ainsi la

concentration en Fe total.

Les mesures colorimétriques ont été réalisées afin de confronter les résultats obtenus in situ

en 2008 et observer les éventuels changements temporels. Tous les protocoles nécessaires à la

réalisation des mesures colorimétriques sont rigoureusement les mêmes que lors des

précédentes missions afin de travailler dans les mêmes conditions.

Il serait intéressant de vérifier l'ensemble des mesures colorimétriques par des analyses

d'ICP-MS, ICP-AES ou AAS afin de valider cette méthode analytique (contrôle de

plausibilité), tout en sachant que les autres méthodes sont susceptibles de quantifier des

espèces inaccessibles aux réactions colorimétriques. Dans ce contexte, la colorimétrie est

particulièrement intéressante, car elle quantifie des espèces réactives, donc susceptibles de

participer aux équilibres entre phase dissoute et phase solide.

II-6-4: Techniques spectroscopiques

Présentement, certaines substances organiques sont reconnues comme émettant de la lumière

lorsqu’ils sont activés par différentes radiations (luminescence). Dépendant du type d’énergie

d’excitation, une distinction du processus est faite.

II-6-4-1 : Spectroscopie de fluorescence.

La fluorescence est la propriété d'une molécule, ou d'un atome d'émettre un photon suite à

l'absorption d'un autre photon. Nous nous intéresserons plus particulièrement à la

spectroscopie moléculaire, c'est-à-dire l'émission d'un photon par une molécule.

Les molécules fluorescentes contenues dans la M.O possèdent la capacité d’absorber l’énergie

lumineuse (lumière d’excitation), une fois le photon absorbé, la molécule se retrouve dans la

plupart des cas dans un état électronique excité, un état singulet S1*. Le retour à l’état

fondamental se fait en restituant rapidement l’énergie absorbée sous forme de lumière

fluorescente (lumière d’émission).

19


Le spectromètre de fluorescence utilisé de marque HITACHI est constitué d’une source de

radiation allant de l’ultraviolet au visible (200 à 600 nm) pour l’excitation (lampe de xénon) ;

d’un sélectionneur de longueur d’onde utilisé pour choisir la longueur d’onde d’excitation, un

système optique qui sert à diriger l’excitation et à la collecte des rayonnements émis par le

système de détection. La mesure est effectuée sur une cuve rectangulaire en quartz miroitée de

3,5mL. Les paramètres suivants ont été utilisés : vitesse de scan 2400 nm, bande passante de 5

mm, balayage de 200 à 600 nm pour la longueur d’onde d’excitation et de 200 à 650 nm pour

l’émission.

Dans le cas présent, un spectre de fluorescence 3D est effectué c’est à dire le graphique

obtenu est alors constitué des longueurs d’onde d’émission et d’excitation et de l’intensité

des axes. Ces longueurs d’onde permettent de savoir le type de molécule organique contenue

dans notre échantillon (acides fulviques, acides humiques ou protéines) et l’intensité du signal

nous donne la concentration de cette molécule (Stedmon et al 2003) : c’est la fluorescence 3D

représentée sous forme de matrice d’excitation et d’émission de fluorescence (MEEF).

Lorsque les fluorophores sont présent en trop grande quantité, un effet écran est observé. Pour

corriger cela, Les résultats obtenus par spectroscopie 3D sont traités par un modèle

PARAFAC (Luciani et al, 2008). Il va parvenir à donner à partir de deux mesures du même

échantillon (l’un étant l’échantillon d’origine, et l’autre étant dilué par deux), une intensité de

fluorescence proportionnelle à la concentration.

Les mesures de fluorescence ont été effectuées sur solutions de sol brutes et ceux passés sur

les résines chelex et C18.

Type de pic Famille de molécules λexcitation λémission

T Humique marin 290 - 310 370 -410

M Tryptophane 275 340

Tableau 1: caractérisation des familles de molécules (fluorophores) en fonction des

longueurs d’onde d’émission et d’excitation.

II-6-4-2: Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy (LIFS)

La LIF est une méthode spectroscopique permettant de mesurer le degré d’humidification de

la matière organique contenue dans le sol. Cette technique d’autant intéressante puisqu’elle

permet d’effectuer les mesures sans aucun traitement préalable des échantillons.

• Principe

La Spectroscopie induite par LASER est une technique généralement utilisée dans la

recherche et possède de nombreuses applications ; c’est l’une des techniques les plus

sensitives utilisée pour les analyses environnementales car relativement facile à utiliser, les

mesures sont rapides et elle est non destructive vis-à-vis de la M.O. (Milori et al, 2006).

La LIF est une technique spectroscopique comme toutes les autres, la seule différence étant le

fait que l’excitation se fait à l’aide d’un LASER qui à l’avantage de présenter de la

cohérence, la polarisation et l’intensité élevée de la lumière ; cette intensité produit une

longueur d’onde d’excitation spécifique produisant un bon rapport signal/bruit comparé à la

fluorescence induite par une lampe. Et aussi, il donne une sélectivité élevée dans l’excitation

20


causant ainsi une décroissance des facteurs d’interférences sur le signal fluorescent ; en plus,

la possibilité de travailler avec une longueur d’onde d’excitation polarisée, cohérente qui sont

des outils importants pour certaines études de caractérisations.

Figure 11 : Schéma expérimental du principe de fonctionnement de la LIFS pour les

échantillons de sol.

Les mesures sont effectuées sur des petites pastilles de 1cm de diamètre, La mesure se fait à

l’aide d’un Laser en Argon.

• Paramètres de réglage

paramètres Réglage

Longueur d’onde initiale 430 nm

Longueur d’onde finale 800 nm

Intensité du signal 0 – 4000 u.a

Temps d’intégration 300 mS

Nombre de mesures 3

Boxcar 3

Tableau 2: Paramètres de réglages de la LIFS

II-6-4-3 : Laser Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS

21


La LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique d’analyse avancée

basée sur la mesure directe des spectres d’émission des espèces excitées d’un laser induit par

plasma ; elle permet de déterminer la composition élémentaire détaillée d’un échantillon.

Les mesures par LIBS tirent leur intérêt dans le fait que la mesure est non seulement directe,

rapide, non destructive et ne nécessite que de quelques milligrammes d’échantillon mais aussi

par le fait qu’elle soit qualitative (multi-élémentaire) et quantitative bien que nécessitant pour

ce dernier d’une calibration; la mesure est également indépendante de l’état physique de

l’échantillon (solide ; liquide ou gaz) (Ferreira et Al, 2008). Dans notre cas, nous aurons à

déterminer la concentration en carbone, Aluminium, silicium et fer des échantillons analysés

par LIFS.

Néanmoins, cette technique ne revêt aussi de nombreux inconvénients notamment celui des

résultats pas très satisfaisants qui serait dû à la faible quantité d’échantillon utilisé (car

l’exactitude et la précision des analyses peuvent dépendre de l’homogénéité de l’échantillon)

et au temps minimal de préparation (Ferreira et Al, 2008).

Figure12 : appareillage LIBS Figure 13: exemple d’un spectre LiBS

• Principe

intensité (u.a)

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

-500

200 400 600 800 1000

longueur d'onde (nm)

A-1-16

La LIBS est une technique de spectroscopie d’émission atomique qui emploie un puissant laser

énergétique pour simultanément préparer et exciter les espèces chimiques. Généralement, les

espèces excitées retournent dans leur état fondamental en émettant un rayonnement

caractéristique donnant ainsi la composition de l’élément. Les sources laser généralement

utilisées en LIBS sont de type YAG nanoseconde ayant 1064 nm de longueur d’onde délivre

des impulsions d’énergies de l’ordre de dizaines de millijoules.

L’impulsion LASER focalisée à l'aide d'une lentille (généralement protégée par un hublot de

protection interchangeable) sur la surface du matériau va provoquer la vaporisation de quelques

micromètres cubes, pour enfin créer un plasma. La signature spectrale de ce plasma (mélange

d'électrons libres, d'ions, d'atomes et de molécules) sera analysée par un spectromètre dans les

22


microsecondes qui suivent l’excitation grâce à une fibre optique. Après que la lumière

transmise par la fibre ait été envoyée dans le spectromètre, nous avons obtenu instantanément la

nature des éléments présents dans le matériau analysé. La bande spectrale que nous avons

utilisée est comprise entre 188,83832 et 966,22370 nm avec une résolution de 0,1 nm, comme

ci-dessus avec le spectre de l’un de nos échantillons.

• Méthode

Les analyses ont été effectuées avec le LIBS 2500 first in photonics d’Ocean optics inc. Les

mesures ont été effectuées sur des pastilles de 2mm d’épaisseur et 1 cm de diamètre. De ce

fait, malheureusement nous sommes plus susceptibles à des effets de matrice (Anzano et al.

2006) mais nous diminuons le risque de projection de particules et d’erreur sur la mesure qui

existent lorsque les analyses sont effectuées directement sur des poudres de sol. Pour essayer

d’avoir une homogénéité des résultats, 20 mesures seront faites pour chaque échantillon.

Paramètre Réglages

intensité 0 – 4000 u.a

Longueur d’onde 0 – 1000 nm

Nombre d’impulsions 2

Moyenne de mesure 1

Temps intermédiaire 2 s

Tableau 3 : paramètres de réglages de la LIBS

II-6-4-4 : FTIR (Fourier Transform Infrared spectroscopy)

Un spectre FTIR caractéristique montre des bandes caractéristiques de la structure complexe

des molécules organiques qui identifie la diversité des groupes fonctionnels présents dans la

structure. C’est une technique qualitative intéressante car elle est non destructrice vis-à-vis

des principaux groupes chimiques de la MO contenue dans les échantillons. Cette technique

dispose de nombreux avantages notamment la non utilisation d’un monochromateur entraîne

le passage de la gamme de rayonnement total à travers l’échantillon, on a ainsi un gain de

temps et aussi une résolution est très élevée (


Figure 14 : schéma de fonctionnement de l’infrarouge.

24


III- RESULTATS ET DISCUSSION

III-1 : Elution sur colonne

L’élution sur colonne nous a permis de déterminer la proportion d’espèces liés à la MO et les

différentes interactions existantes entre la MOD et les espèces (Fe

Nous distinguons à la fin de cette étude, les es

liées à la MO et les espèces libres. Les résultats obtenus sont présentées ci

2+ , Fe 3+, L’élution sur colonne nous a permis de déterminer la proportion d’espèces liés à la MO et les

Al

Nous distinguons à la fin de cette étude, les espèces fortement liées à la MO, c

liées à la MO et les espèces libres. Les résultats obtenus sont présentées ci-

3+ , Si(OH)4).

pèces fortement liées à la MO, celles faiblement

-dessous.

100%

50%

0%

100%

50%

0%

100%

50%

0%

-50%

FONTE (0)

P4-510 510 (Bk1)

P12-380 (B2)

H4SiO4

Al3+

Fe2+

Fe3+

Clibre

CfMO

CFMO

Clibre

CfMO

CFMO

Clibre

CfMO

CFMO

100%

80%

60%

40%

20%

0%

100%

CA-1(Es)

Clibre

CfMO

CFMO

Figure 15: : histogrammes représ représentants la spéciation des espèces en présence de la MOD

Lors de ces analyses, il a pu être constaté qu’il existait it une fraction d’espèces liés à la MO

non sorbable par la résine C18 C18. L’existence de cette fraction serait due à la présence d’une

fraction organique complexante nnon

retenue par la résine hydrophobe ou bien les UV

détruisent des autres composés présents dans les sols ; les micro-minéraux minéraux par exemple.

50%

0%

P6-460 (Bk4)

Clibre

CfMO

CFMO

25


Il peut également être constaté que la fraction d’espèces faiblement liées à la MO peut se

subdiviser en espèces faiblement liés retenus par la résine chelex et celles faiblement liés non

retenus par la résine.

Cette étude nous a apporté divers renseignements :

• Le fer que ce soit le Fe 2+ ou le Fe 3+ se retrouve soit faiblement ou

fortement liés à la MO, soit sous forme libre.

• L’Al se retrouve généralement faiblement liés à la MOD et sous forme

libre dans les podzols et fortement liés à la MOD ou faiblement reliés à la

MOD dans les sols ferralitiques.

• Si(OH)4 quant à lui présente un comportement inattendu. Alors qu’il est

reputé ne pas se complexer avec la MO, il apparaît dans les tous les

échantillons comme faiblement ou fortement lié à la MO.

Ces résultats nous permettent de constater que les liaisons existant entre ces espèces étudiées

et la MO dépendent de la nature des sols, ferralitiques, kaolins ou podzoliques, le

comportement de Si d’ailleurs n’est pas en conformité avec la littérature où la Si n’est jamais

complexée avec la MOD.

III-2 : La spectroscopie de fluorescence

Les mesures de fluorescence effectuées sur les échantillons dissous nous permettront de

vérifier l’efficacité de l’élution.

La Spectroscopie de fluorescence par PARAFAC nous a permis de déterminer 4 familles de

composés majoritaires de MO, les humiques, les fulviques, les marines (pic M) et les

protéines. Ainsi, d’une manière générale, selon la profondeur ; les horizons de surface O et Es

contiennent en majorité des acides fluviques et humiques, ensuite, un pic de protéine qui

serait due à une activité bactérienne poussée est observé dans l’horizon BK2, un pic d’acide

humique qui correspond à la MO jeune est observé au niveau de l’horizon BK1 et le pic M

est obtenu dans l’horizon Bk4 ce qui marque un horizon profond et une MO « vieille ». Tous

ces résultats sont en conformités avec ceux antérieurs obtenus par la spectroscopie 3D.

Les résultats obtenus après le passage sur la résine nous permet de dire que la spectroscopie

de fluorescence n’est pas « conservatif ».Car la somme des intensités de fluorescence de

l’éluat et du perméat est supérieur à celles de la solution initiale.

26


Intensité de fluorescence (u.a)

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Figure 17:Caractère « non conservatif » de la fluorescence

La fluorescence nous permet de déceler la présence de nombreux fluorophores dans la

fraction hydrophile.La présence de ces fluorophores peut être due au méthanol utilisé lors de

l’élution.

III-3 : Le carbone

Les mesures de carbone dissout sont effectuées pour vérifier que le traitement aux UV ainsi

que l’élution sur les résines est efficace. Lors de cette analyse, il s’est avéré que le méthanol

utilisé lors de l’extraction avait tendance à augmenter considérablement la concentration en

carbone ; de ce fait le peroxyde d’hydrogène (initiateur de la réaction radicalaire) a été utilisé.

On constate que l’irradiation aux rayons UV entraîne comme attendu une destruction de

composés organiques présents dans la solution ; ceci se traduisant par une baisse totale de la

concentration en carbone.

concentration en carbone

(mg/L)

40

35

30

25

20

15

10

5

0

PCA-1 PPCA-1 RPCA-1

protéine

marine

humique

fulvique

BrutePC18 RC18 PPch RPch PRch RRch

Différentes fractions obtenues

Intensité de fluorescence (u.a)

Figure 18: Effets de l’irradiation sur les échantillons

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

fonte

après irradiation

RCA-1 PRCA-1 RRCA-1

protéine

marine

humique

fulvique

27


Concentration en carbone (mg/L)

40

35

30

25

20

15

10

Variation du Carbone dans les différentes fractions

Figure 19 : Evolution du carbone dans les différentes fractions

La concentration en carbone dans la solution brute est presque identique à celle contenue dans

la fraction hydrophobe. Et aussi, on remarque une proportion élevée de carbone dans la

fraction hydrophile, ceci peut encore être due au méthanol.

Les résultats obtenus après passage sur la résine cationique permettent de constater la

conformité avec la littérature, car cette résine retient très peu (certains cations fortement liés à

la MO) voir pas du tout de la MO.

III-4 : Interprétation des résultats sur les échantillons solides

III-4-1 : Les analyses LIBS

5

0

III-4-1-1 : Identification des pics

Brute PC18 RC18 PPch RPch PRch RRch

Différentes fractions obtenues

Les mesures de LIBS permettent de déterminer les concentrations en carbone, silicium,

aluminium et fer.

La LIBS malgré la facilité et la simplicité des mesures, reste une technique complexe dans le

traitement des données obtenues notamment par la multiplicité des pics obtenus (milliers de

pic sur les spectres) ; ceci est dû à la largeur de la gamme spectrale qui varie de 183,83832 à

960,22370 nm. Le nombre de pics obtenus sur le spectre dépend de la forme chimique, de la

forme moléculaire, de la forme atomique et même aussi de l’état d’ionisation.

Pour résoudre le problème de la multiplicité des spectres obtenus, la banque de données NIST

(National Institute of Standards and Technology) agence de commerce des Etats-Unis, fournit

une banque de données sur les pics et les éléments qui leur sont associés; mais jusque là, le

problème de l’identification des pics reste difficile à trouver. Edinger et al dans leurs travaux

sur l’étude du pic de carbone obtenu par LIBS détermine un pic à 193,09 nm mais il est

susceptible que ce pic soit sujette à des interférences avec les éléments tels que le fer ou

fonte

ca-1

P4-510

P6-460

P12-380

28


l’aluminium (communication personnelle) mais, Nunes et al (2001) utilise une approche

multi-variante pour pouvoir résoudre ce problème pour cela les pics suivants sont utilisés pour

les différents éléments : Carbone 193,03 nm ; Fer 259,94 nm, Aluminium 309,271, Silicium

251,611. Certains auteurs aussi ont montré que le pic de carbone qui était le moins soumis aux

interférences avec les autres éléments est celui à 193,03 nm. Pour pouvoir confirmer les

résultats de la LIBS, les analyses de TOC des échantillons de sol brut pourront être effectuées

pour pouvoir confirmer les résultats obtenus.

III-4-1-2 : Les résultats

Les différences significatives sont d’abord recherché entre les différents spectres et les

spectres s’éloignant le plus de la moyenne sont supprimés.

L’extraction des métaux par le traitement chimique des échantillons entraîne une diminution

de l’intensité du signal.

On constate ainsi que le temps d’extraction n’a aucune influence significative sur le

comportement des métaux dans les sols.

intensité (u.a)

900

600

300

190 200 210 220

Longueur d'onde (nm)

A120

Abrut

A116

Figure 20: Influence du temps d’extraction (16H et 20H) sur les résultats de la LIBS

Les valeurs des erreurs sur les mesures effectuées sont très élevées par exemple pour

l’horizon BK1 après un traitement de 16h, les erreurs obtenues peut atteindre 1215,5± 299,6

pour l’aluminium (voir annexes).

Il est également constaté que le pourcentage de métaux liés à la matière organique dépend de

la nature de l’échantillon étudié, ferralitique ou podzols variant ainsi respectivement de 6,9%

à 61%.

29


Figure 21: pourcentage d’espèces associées à la MO ou sous forme minérale mal

cristallisée au temps d’extraction 16H.

Figure 22: Pourcentage d’espèces associées à la MO ou sous forme minérale mal

cristallisée au temps d’extraction 20H.

Les figures 21 et 22 expriment les différences de teneurs en Si, Al et Fe mesurées par LIBS

avant et après extraction à l’oxalate d’ammonium. Dans la mesure où les formes très bien

cristallisées ne participent pas au plasma créé par la LIBS, cette différence doit représenter les

éléments liés à la matière organique ou présents sous forme de composés mal cristallisés. Il

serait de ce point de vue intéressant de comparer ces résultats avec les mesures de ces

éléments dans la solution d’extraction.

30


A partir des résultats, on constate tout d’abord que le temps d’extraction n’a pas d’influence

importante sur le pourcentage d’éléments extraits.

En ce qui concerne Si, les formes labiles sont les plus importantes dans les horizons O, Es et

Bh en comparaison avec les horizons BhFe et Bk. Elles sont plus importantes dans l’horizon

Es, qui est essentiellement quartzeux, et faibles dans l’horizon Bk kaolinitique. Ceci laisse

supposer la présence de formes labiles de Si éventuellement associées à la matière organique,

en conformité avec les résultats précédents obtenus sur les solutions.

En ce qui concerne Al, les valeurs très importantes sont obtenues pour les horizons O et Es.

Ces valeurs peuvent être liées à des complexes organo-métalliques ou à des gibbsites de petite

taille, l’hypothèse de formes aluminosilicatées mal cristallisées ne peut cependant être écartée.

En ce qui concerne Fe, les formes labiles sont importantes dans presque tous les horizons,

elles sont un peu plus faible dans l‘horizon BhFe, alors qu’il s’agit de l’horizon

potentiellement le plus riche en (hydr)oxydes de fer. Ceci laisse supposer que les valeurs

élevées obtenues dans les horizons O, Es et BhFe sont effectivement liées à des complexes

organométalliques.

Pour vérifier la fiabilité de la LIBS, une comparaison des concentrations de carbone du sol

brut obtenu et de TOC est effectuée. On constate qu’il ya pas de corrélation entre elles. Ce

qui nous permet de douter des résultats obtenus en utilisant la technique LIBS. Ces résultats

ne mets pas en doute la fiabilité de la technique LIBS car hors mis le pic de C où il peut avoir

interférence avec le pic d’Al, tous les autres Pics sont bien définis.

concentration carbone LIBS (%)

120

100

80

60

40

20

0

0 0,5 1 1,5

concentration carbone: TOC (%)

LIBS C

tendance

Figure 23: Corrélation concentration de carbone obtenue par LIBS et par le TOC

La LIBS analyse les éléments excités dans le plasma produit par le faisceau laser. Les

mesures que nous avons effectuées doivent être considérées comme exploratoires, car le faible

temps d’expérience acquis sur l’appareil ne permet pas encore de déterminer avec précision

l’origine des éléments présents dans le plasma. Nous en savons pas en particulier dans quelle

mesure les réseaux cristallins fortement énergétiques (quartz, minéraux argileux,

(hydr)oxydes) participent aux éléments présents dans le plasma.

L’extraction de tous les éléments présents dans les phases du sol sauf ceux liés à la MO grâce

à l’extraction chimique séquentielle devait permettre d’avoir des idées plus nettes sur la

31


quantification de la spéciation mais, le doute subsiste sur les fortes proportions de Si obtenues

qui pourraient juste être dues à la présence du quartz dans les échantillons, ceci est vérifié par

la forte concentration de Si dans l’horizon Es quartzeux après extraction.

III-4-2 : Analyse par Laser Induced Fluorescence Spectroscopy (LIFS)

La LIFS permet d’avoir le degré d’humification de la matière organique. En effet, le degré

d’humidification estimé par LIFS (HLIF) est le ratio entre l’aire de fluorescence d’un spectre

LIF, d’autant plus importante que la matière organique a une structure rigide, donc riche en

structures cycliques, et la concentration en carbone. Longtemps, les chercheurs ont

cru que la fluorescence était uniquement due à la matière organique mais des études plus

poussées ont permis de constater que certains minéraux, notamment la calcite, pouvaient être

fluorescents (communication personnelle). Des études antérieures effectuées sur les mêmes

échantillons de sol et notamment des mesures de fluorescences effectuées après la calcination

de l’échantillon permettent de s’affranchir de ce doute et d’affirmer que ma fluorescence

observé est bien celle de la matière organique (la présence de calcite est, par ailleurs,

impossible dans les échantillons considérés). On constate que l’extraction de la MO entraîne

une baisse considérable de l’intensité de fluorescence.

Intensité (u.a)

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

-200

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

Longueur d'onde (nm)

Figure 24: Exemple de mesures de fluorescence de la MO avant et après l’extraction

Abr

A120

A116

32


Degré d'humification (u.a)

2500

2000

1500

1000

500

0

BK1 BhFe BhFe- Es O

Figure 25 : Variation du degré d’humification avec le traitement

Dans le sol brut, le degré d’humification est généralement associé à la complexité moléculaire

qui croit avec l’augmentation des composés aromatisées. En effet, les structures telles que

les chaînes aliphatiques sont facilement dégradables et leur disparition s’accompagne d’une

accumulation relative des structures aromatiques.

Dans la figure 25, on constate que le degré d’humification peut soit diminuer (échantillon

Bk), soit augmenter (échantillons BhFe et O) après extraction à l’oxalate. Cette variation

pourrait être liée à des effets de type quenching/exhaustion de fluorescence par les métaux

liés, une réponse à cette question demanderait cependant des investigations complémentaires.

Relation entre la fluorescence et la concentration en carbone.

Les corrélations sont effectuées entre les concentrations de carbone obtenus par LIBS et l’aire

des spectres de fluorescences obtenus par LIFS.

Intensité de

fluorescence (u.a)

200000

150000

100000

50000

0

1 2 3 4 5

Echantillons de sol

150

100

50

0

C

aire des pics

H

H après

traitement

33


Figure 26: Corrélation entre la fluorescence et la concentration en carbone avant et

après l’extraction des métaux

Ici sont comparées les concentrations de carbones obtenus par LIBS et l’aire des spectres de

fluorescences obtenus par LIFS.

On constate que les maxima de carbone dans les échantillons de sol brut ne correspondent pas

toujours à des aires de fluorescence maximales et qu’il n’y a pas de corrélation, comme déjà

observé par Débora et al, 2002.

Tous les horizons de sol à l’exception de l’horizon BK présente une corrélation entre l’aire

du spectre de fluorescence et la concentration en carbone avant et après l’extraction.

L’horizon BK quant à lui montre une aire du spectre de fluorescence plus élevée que la

concentration en carbone et après le traitement la teneur maximale de carbone correspond au

maximun de fluorescence. Ceci nous permet de conclure que dans cet horizon, la fluorescence

est aussi due l’extraction. En effet, l’extraction a entraîné une diminution de la concentration

en fluorophores, l’hypothèse qui peut être émise est que l’excédent de fluorescence dans

l’échantillon brut est principalement due à la MO qui complexe les cations et notamment l’Al

dont le pourcentage d’extraction est très élevé dans cet horizon.

III-4-3 : Analyses par infrarouge FTIR

L’identification des substances par les spectres FTIR commence par la détermination du

groupe fonctionnel le plus probable en observant une région de fréquence suivit par une

comparaison détaillée du spectre avec une table de corrélation.

La FTIR nous permet juste d’observer les variations de la concentration en kaolinite et

gibbsite.

Pour que l’IR puisse nous donner des informations plus précises sur les caractéristiques de la

M.O. il faudrait qu’elle soit associée à d’autres techniques tel que la RPE ou la RMN mais

malheureusement nous n’avons pas pu effectuer ces analyses.

Transmittance

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Longueur d'onde (cm-1)

0 1000 2000 3000 4000 5000

E-1-16

E-1-20

E-br

Figure 27 : Variations des spectres obtenus par FTIR dans l’horizon BhFe

34


Les spectres ont été réalisés avant et après le traitement (16h et 20h), et les résultats obtenus

ont été normalisés. Pour cet échantillon comme pour tous les autres, Les pics observés sont

dus au groupe hydroxyle (OH), un pic est observé entre 3694 et 3620 cm -1 ceci correspond au

pic de kaolinite (Al-OH) et entre 3620 et 3525 le pic de gibbsite est observé. Les pics compris

entre 1000 et 400 cm -1 sont encore les pics de kaolinite et de gibbsite, mais malheureusement,

il n’est pas possible d’avoir les effets de l’interaction entre le MO et les cations car cette

technique ne nous fournit aucun pic associé à la MO ; ainsi nous ne pouvons pas avoir des

fluctuations, On obtient juste une diminution de la transmittance après l’extraction chimique.

Cette technique peut par contre permettre la définition des différents horizons de sol.

Ainsi on a pu déterminer que tous les horizons sont constitués de kaolinite et de gibbsite à

l’exception de l’horizon Es constitué uniquement de gibbsite. Tous les échantillons

contiennent également à proportions différentes un groupe vibrationnel de silicate (Si-OH

entre 1035 et 1080 cm -1 ) marquant la présence du quartz dans le profil.

En général nous pouvons dire les minéraux présents dans les différents horizons contiennent

en majorité de la gibbsite (présents dans tous les horizons) mais aussi de la kaolinite qui est

présente en très petites quantités voir sous forme de traces dans l’horizon Es.

35


IV : CONCLUSION

L’élution sur colonne, bien qu’ayant posé des problèmes de part la difficulté d’élimination du

méthanol utilisé comme éluant, a permis d’évaluer les relations entre éléments majeurs

présents et matière organique. L’utilisation des techniques spectroscopiques et notamment la

LIBS bien que très délicat dans la détermination des éléments a permis d’évaluer l’intérêt de

cette technique pour l’étude des formes labiles de Si, Fe, Al.

Le résultat le plus important de cette étude concerne le comportement inattendu du silicium.

Cet élément semble pouvoir être associé à la matière organique naturelle, aussi bien à la MOD

qu’à la matière organique solide du sol. La forme de cette association reste à déterminer, on

peut d’ors et déjà émettre l’hypothèse de complexes vrais, tels que le complexe Si-Tiron

utilisé pour la dissolution des phytolithes, ou l’hypothèse d’alumino-silicates de très petites

tailles qui seraient adsorbés sur la matière organique.

Des études complémentaires telles que les analyses de RMN et de RPE pourraient être

effectuées pour confirmer ces hypothèses.

36


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38


INDEX DES LEGENDES

Liste des figures

Figure 1 : Processus de podzolisation de l’amont vers l’aval

Figure 2 : Localisation du site d’étude

Figure 3 : Présentation de la Toposéquence utilisée

Figure 4 : Ecoulement et nature des solutions percolantes

Figure 5 : Localisation des échantillons sur la toposéquence

Figure 6 : Les principales fractions obtenues lors de l’élution sur colonne

Figure 7 : Analyses à effectuer sur les échantillons liquides

Figure 8 : Protocole expérimental de l’extraction des métaux

Figure 9 : Analyses subies par les échantillons solides

Figure 10 : Colorimètre DR 2800 HACH

Figure 11 : Schéma expérimental du fonctionnement LIFS

Figure 12 : Appareillage LIBS

Figure 13 : Exemple d’un spectre LIBS

Figure 14 : Schéma de fonctionnement de l’Infrarouge

Figure 15 : Histogrammes représentant la Spéciation des métaux en fonction de la MO

Figure 16 : Résultats obtenus par spectroscopie de fluorescence

Figure 17 : Evolution de la fluorescence en fonction de l’élution sur colonne

Figure 18 : Effets de l’irradiation sur les échantillons

Figure 19 : Evolution du carbone dans les différentes fractions

Figure 20 : Influence du temps d’extraction

Figure 21 : Pourcentage de métaux associés à la MO (16H d’extraction)

Figure 22 : Pourcentage de métaux associés à la MO (20h d’extraction)

Figure 23 : Corrélation entre les concentrations de carbone obtenues par LIBS et par le TOC

Figure 24 : Mesures de fluorescence avant et après l’extraction

Figure 25 : Variation du degré d’humification avec l’extraction

Figure 26 : Corrélation entre la fluorescence et la concentration en carbone avant et après le

traitement.

Figure 27 : Spectres obtenus par FTIR avant et après le traitement

Liste des tableaux

Tableau 1 : Caractérisation des familles de molécules

Tableau 2 : Paramètres de réglages de la LIFS

Tableau 3 : Paramètres de réglages de la LIBS

39


ANNEXES

C Al Si Fe

A-br 71,85 ± 9,13 1098,17 ± 112,30 382,95 ± 31,63 80,25 ± 14,83

A-1-16 67,2 ± 9,12 1005,5 ± 299,66 376, 85 ± 69,85 57,65 ± 14,54

A-1-20 54,55 ± 5,92 1037,00 ± 181,93 358,35 ± 51,63 55,50 ± 10,71

D-br 109,47 ±14,83 753,29 ± 413,95 499,29 ± 117,77 599,25 ± 92,23

D-1-16 45,79 ± 9,83 725,75 ± 374,29 426,29 ± 113,99 457,37 ± 103,67

D-1-20 92,73 ± 24,13 657,00 ± 205,66 432,12 ± 120,77 412,6 ± 116,11

E-br 82,1 ± 22,5 968,24 ± 233,11 487,05 ± 124,89 413,74 ± 104,64

E-1-16 31,41 ± 9,58 887,64 ± 476,22 428,27 ± 106,10 203,76 ± 57,52

E-1-20 35,4 ± 18,32 807,06 ± 425,36 469,39 ± 256,49 213,53 ± 95,24

G-br 61,22 ± 17,73 299,59 ±30,76 789,37 ± 109,06 97,55 ± 37,42

G-1-16 30,95 ± 10,87 154,95 ± 61,54 647,11 ± 171,11 28,28 ± 12,22

G-1-20 48,06 ± 16,87 139,10 ± 93,93 639,59 ± 103,76 29,16 ± 22,23

I-br 102,8 ± 25,74 649,18 ± 84,63 395,8 ± 49,11 110,94 ± 23,69

I-1-16 53,44 ± 21,66 485, 94 ± 109,08 338,33 ± 63,63 50,74 ± 24,42

I-1-20 69,58 ± 27,77 496,68 ± 156,68 327,25 ± 40,62 47,84 ± 25,22

Résultats obtenus par LIBS avec les erreurs

40


4g de sol sec + 170mL de CH3COOH 0,11mol/L

Surnageant

conservé à 4°C

Surnageant

conservé à 4°C

Surnageant

conservé à 4°C

Agitation 16h et 20h à 40tr/min

Centifugation à 3000 tr/ min pendant 20 min

Filtration

Agitation 15min et centrifugation 20 min

du résidu + 80 mLeau milliQ

Résidu1 + 170mL

N4HOOC-COONH4 0,2mol/L

Répétition du processus

après ajout CH3COOH

Résidu2+ Aqua régia(18mL HNO3(1:1)

+ 42mL Hcl (1:4) )

Répétition du processus

après ajout CH3COOH

Résidu 3

extraction totale sauf fraction liée à M.O

41

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