Spéciation et isotopie du soufre inorganique en milieu aqueux

par Mathieu Martinez

Thèse de doctorat en Chimie analytique et environnement

Sous la direction de Isabelle Le Hécho et de Corinne Parat.


  • Résumé

    Le soufre existe dans l’hydrosphère dans des état d’oxydation allant des sulfates (+VI) aux sulfures (-II) et incluant de nombreuses espèces à des états d'oxydation intermédiaires, telles que le soufre élémentaire (0), les thiosulfates (-I, V) et les sulfites (IV). Ces espèces en particulier sont considérées comme des intermédiaires importants dans les réactions biologiques et abiotiques qui transforment (oxydent, réduisent ou dismutent) le soufre et sont fréquemment couplées aux cycles biogéochimiques du carbone, de l’azote, de l'oxygène et du fer.Les processus du cycle du soufre sont étudiés en mesurant les concentrations des différentes espèces contenant du soufre (analyse de spéciation) et en mesurant leur rapport isotopique respectif (analyse isotopique). Des difficultés analytiques sont fréquemment rencontrées, car les espèces soufrées, notamment celles de valence intermédiaire, sont présentes en faibles concentrations et sont difficiles à isoler. Ainsi, les rapports isotopiques des espèces de valence intermédiaire sont rarement déterminés. Les études des processus du cycle du soufre gagneraient grandement à l'amélioration des méthodes de mesure des rapports isotopiques des espèces de soufre inorganiques, en particulier des espèces intermédiaires les moins abondantes.Dans ce contexte, ce travail de thèse s’est consacré à l’élaboration de stratégies analytiques combinant spéciation et isotopie du soufre, afin de réaliser la mesure des rapports isotopiques du soufre de plusieurs espèces inorganiques présentes simultanément dans des échantillons liquides. Une méthode de spéciation permettant de quantifier les sulfites, les sulfates et les thiosulfates par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse à plasma à couplage inductif haute résolution (LC-HR-ICP-MS) a tout d’abord été mise en place. Ensuite, une approche hors-ligne a été développée pour l’analyse isotopique des sulfures, des sulfates et des thiosulfates. Elle consiste en une préparation d’échantillon par précipitation séquentielle des espèces soufrées, suivie de leur analyse par analyseur élémentaire couplé à un spectromètre de masse à rapport isotopique (EA-IRMS). Cette méthode permet de déterminer les valeurs de δ34S des sulfures, des sulfates et des thiosulfates avec des incertitudes de mesure inférieures à 0,5 ‰ pour des échantillons d’eau contenant au moins 27 µg de soufre. Cette méthode a été appliquée à l’étude d’eaux de source et d’eaux d’un aquifère profond et au suivi du fractionnement isotopique du soufre dans une culture de bactéries sulfato-réductrices.Un couplage entre séparation anionique et détection par spectromètre de masse à plasma à couplage inductif multicollecteur (LC-MC-ICP-MS) a été mis au point pour la détermination en ligne des valeurs de δ34S des sulfites, des sulfates et des thiosulfates. Cette méthode nous a permis de déterminer δ34S des sulfites, des sulfates et des thiosulfates pour des échantillons d’eau contenant 1 µg de soufre par espèce avec des incertitudes de mesure inférieures à 0,6 ‰.

  • Titre traduit

    Speciation and isotopy of inorganic sulfur in aqueous media


  • Résumé

    Sulfur is present in the hydrosphere at oxidation states ranging from sulfate (+VI) to sulfide (-II) and including many species at intermediate oxidation states, such as elemental sulfur (0), thiosulfate (-I, V) and sulfite (IV). These species in particular are considered as important intermediates in biological and abiotic reactions (oxidation, reduction or disproportionation) involving sulfur and are frequently coupled to the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen, oxygen and iron.Sulfur cycle processes are studied by measuring the concentrations of different species containing sulfur (speciation analysis) and by measuring their respective isotope ratios (isotopic analysis). Analytical difficulties are frequently encountered because sulfur species, especially intermediate valence species, are present in low concentrations and are difficult to isolate. Thus, the isotope ratios of intermediate valence species are rarely determined. Methods for measuring isotope ratios of inorganic sulfur species, particularly the least abundant intermediate species, would be a great assistance in deciphering sulfur cycle processes.In this context, this thesis work was devoted to the development of analytical strategies combining speciation and isotopic analysis of sulfur, in order to measure sulfur isotope ratios of several inorganic species that can be simultaneously present in liquid samples. First, a speciation method for quantifying sulfite, sulfate and thiosulfate by liquid chromatography coupled to high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer (LC-HR-ICP-MS) was set up. Then, an off-line approach was developed for the isotopic analysis of sulfide, sulfate and thiosulfate. It consisted of a sample preparation by sequential precipitation of the sulfur species, followed by elemental analyzer coupled to isotope ratio mass spectrometer (EA-IRMS) analysis. This method made it possible to determine the δ34S values of sulfide, sulfate and thiosulfate with measurement uncertainties below 0.5 ‰ for water samples containing at least 27 µg of sulfur. This method has been applied to the study of spring waters and deep aquifer waters and the monitoring of isotopic fractionation of sulfur in a culture of sulfate-reducing bacteria.Moreover, an on-line analytical method coupling anionic separation and detection by multicollector inductively coupled plasma mass spectrometer (LC-MC-ICP-MS) has been developed for the determination of δ34S values of sulfite, sulfate and thiosulfate. This method allowed us to determine δ34S of sulfite, sulfate and thiosulfate for water samples containing as little as 1 µg of sulfur per species with measurement uncertainties below 0.6 ‰.


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