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Thèse de doctorat

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Titre

Dégradation photochimique et biodégradation des colloïdes organiques dans les eaux de surface boréales

Auteur

Oleinikova, Olga

Directeur de thèse

Pokrovsky, Oleg

Bychkov, Andrey

Date de soutenance

2018-02-01

Établissement de soutenance

Université de Toulouse

Université Toulouse III - Paul Sabatier

École doctorale

Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)

Structure de recherche

Géosciences Environnement Toulouse (GET), UMR 5563

Discipline

Surfaces et interfaces continentales, Hydrologie

Sujet

Sciences de la terre

Mots-clés en français

Carbone organique dissous

Boréal

Fer

Eléments traces

Biodégradation

Adsorption

Coagulation

Photodégradation

Complexation

Fractionnement granulométrique

Résumé en français

La matière organique dissoute (MOD) est un composant important des eaux naturelles, déterminant la forme des éléments et les émissions de gaz à effet de serre (CO2, CH4), et influence la biodiversité des milieux des eaux. Les eaux boréales sont connues pour être généralement riches en fer, et cela est vrai en particulier pour les eaux de la région étudiée (Carélie du Nord, Russie). Le fer est associée aux MOD dans les complexes de bas poids moléculaire et les colloïdes organo-ferreux de haut poids moléculaire, qui agissent comme les principaux transporteurs d'éléments traces métalliques dans le continuum hydrologique typiques de cette région : sol - marais - rivière - lac. La transformation des colloïdes organo-ferreux se fait sous l'influence de deux facteurs principaux: la dégradation bactérienne et la dégradation photochimique. Cette étude est consacrée à l'analyse du comportement du carbone organique dissous (COD) et des éléments traces (ET) des eaux de surface en zone boréale sous l'influence de l'activité métabolique des bactéries hétérotrophes et de l'oxydation photolytique des MOD sous l'effet de la lumière du soleil. Dans les expériences, un lixiviat de tourbière, un échantillon d'eau de marais, un échantillons d'eau de ruisseaux, un échantillon de rivière, un échantillon d'eau de lac humique, un échantillon d'eau de lac oligotrophique et un pluvio-lessivat collecté sous un pin, échantillons dans lesquelles dominent les MOD de nature humique, ont été utilisés comme substrats. Des expériences en laboratoire utilisant des communautés monosouches de bactéries aérobies hétérotrophes Pseudomonas aureofaciens et Pseudomonas saponiphila (prélevées sur le territoire de Carélie) ont permis d'établir que la MOD allochtone des milieux aquatiques en zone boréale possède une forte résistance à l'activité des bactéries étudiées. Le taux de minéralisation bactérienne du COD était de 0 à 4.3 mgC.L-1.jour-1 selon le substrat, et la fraction de faible poids moléculaire (<1 kDa) de la MOD est plus susceptible de destruction que celle de poids moléculaire élevé (de 1 kDa à 0.22 µm). L'interaction des bactéries avec divers substrats aqueux a montré pour une large gamme d'éléments (Al, Fe, Mn, Ni, Co, Cu, Cd, REE, U) une prédominance significative d'une adsorption rapide sur la surface cellulaire observée lors de la première heure d'expérience (t < 1h) par rapport à une diminution lente observée lors de la suite de l'expérience (1h < t < 96h), diminution lente lié à l'assimilation intracellulaire des métaux et à la coprécipitation extracellulaire des éléments avec des hydroxydes de Fe et Al. L'analyse de divers substrats a montré une augmentation de l'adsorption des métaux avec le rapport DOC/Fe dans la solution initiale, ce qui peut être due à la compétition entre Fe et d'autres cations métalliques pour les sites d'adsorption anioniques des surfaces des cellules bactériennes. Le suivi des dynamiques d'élimination des métaux des solutions expérimentales pendant 96 heures n'a pas mis en évidence de lien entre l'élimination des métaux et le pH et les valeurs absolues de concentration de DOC et de Fe. Une relation a été établie entre la diminution lente (96 h) des éléments et le degré initial de sursaturation de la solution en oxydes et hydroxydes de fer et d'aluminium. Des expériences en conditions naturelles avec des échantillons d'eau de rivière et de marais a montré que la destruction photolytique de la MOD est beaucoup plus efficace pour l'eau de marais. Le taux de minéralisation du COD était de 0.3 mgC.L-1.jour-1 dans la rivière et de 2.5 mgC.L-1.jour-1 dans l'eau de marais. Il existe trois processus principaux responsables de l'élimination et de la redistribution des microéléments entre les différentes fractions colloïdales dans les eaux de tourbières riches en MOD et en Fe sous l'action de la lumière du soleil: 1) la dégradation de la partie organique de la fraction colloïdale (1 kD - 0.22µm) avec la formation de ligands organiques à faible poids moléculaire (<1 kDa); 2) la coagulation et la précipitation des oxydes et des hydroxydes de Fe et Al avec les éléments-hydrolysat trivalents et tétravalents comme V, P, Cr et As, après l'élimination de la partie organique par rayonnement solaire; 3) libération de métaux alcalins et alcalino-terreux, Mn, Co, Ni, Zn et SO42- à partir de complexes organiques avec les MOD. Ainsi, la dégradation des MOD en zone boréale provoquée par la lumière du soleil peut conduire à la formation des formes ioniques, donc potentiellement biodisponibles, d'éléments traces tels que K, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Ba; à une réduction de la concentration dans l'eau les éléments toxiques (Cr, As); et enfin à une diminution de la concentration de l'élément limitant le développement des microorganismes - le phosphore.

Résumé en anglais

Dissolved organic matter (DOM) is an important component of natural waters, determining the form of elements and the emission of greenhouse gases (CO2, CH4), as well as affecting water biodiversity. A feature of boreal waters, and in particular the study area waters (North. Karelia, Russia), is high concentration of Fe (III), associated with DOM in low-molecular complexes and in high-molecular organo-ferric colloids, which act as the main carriers of metallic trace elements in the most typical hydrological continuum soil - bog - river - lake. The transformation of organo-ferric colloids occurs under the influence of two main factors: bacterial and photochemical degradation. The present study is devoted to the analysis of dissolved organic carbon (DOC) and trace elements (TE) behavior in surface waters of the boreal zone under the influence of the heterotrophic bacteria metabolic activity and photolytic oxidation of DOM under sunlight exposure. For the purpose of experiments there were used substrates with predominate allochthonous DOM of humic nature, including peat leachate, pine crown throughfall, fen, humic lake, stream, river and oligotrophic lake. An experiment carried out in laboratory conditions using monocultures of heterotrophic aerobic bacteria Pseudomonas aureofaciens and Pseudomonas saponiphila (isolated on the territory of Karelia) allowed to establish that allochthonous DOM of the boreal zone reservoirs possesses high resistance to the activity of the explored bacteria. The rate of bacterial mineralization of DOC was observed in range from 0 to 4.3 mgC L-1day-1, depending on the substrate, and the low molecular weight fraction (<1 kDa) of DOM was found to be more prone to destruction than high molecular weight (from 1 kDa to 0.22 µm). The interaction of bacteria with various aqueous substrates showed a significant predominance of short-term (< 1 h) adsorption on the cell surface for a wide range of elements (Al, Fe, Mn, Ni, Co, Cu, Cd, REE, U) over a long term (1 h - 96 h) intracellular uptake of metals and extracellular coprecipitation of elements with Fe and Al hydroxides. Among different substrates, there was an increase in the adsorption with the increase of DOC/Fe ratio in solution, which can be linked to a competition between Fe and metal cations for anionic adsorption sites on cell surface. The long-term removal of dissolved metals did not show any link to pH, DOC, and Fe concentration. However, there was a consistency between long-term element removal and initial supersaturation degree with respect to main secondary phases (Fe and Al oxy(hydr)oxides). An experiment in natural conditions with samples of river and bog water showed that photolytic destruction of DOM is much more effective for bog water. The rate of the DOC mineralization was 0.3 mgC L-1day-1 for the river and 2.5 mgC L-1day-1 for bog water respectively. Three major processes of dissolved load transformation under sunlight in natural waters include: (i) degradation of organic part of colloidal (1 kDa - 0.22 µm) organic matter and production of low molecular weight (< 1 kDa) organic ligands; (ii) coagulation and precipitation of Fe and Al-rich oxy(hydroxide) and incorporated trivalent and tetravalent hydrolysates, V, P, Cr and As, after the solar radiation-induced removal of stabilizing dissolved organic matter, and (iii) liberation of alkalis, alkaline-earth, Mn, Co, Ni, Zn and SO42- from organic complexes. It follows that the sunlight- induced degradation of natural DOM in the boreal zone is capable of producing ionic (and thus potentially bioavailable) micro-nutrients such as K, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Ba, while scavenging sizeable amount of toxic trace elements (Cr, As) but also phosphorus - the life-limiting element for microorganisms.

Numéro national de thèse

2018TOU30014

Date de publication

2018-09-19T14:41:30