Spéciation chimique et isotopique d´élèments trace dans l´environnement : arsenic dans le pantanal et mercure dans la forêt amazonienne

Especiação química e composição isotópica de elementos traço no ambiente : arsênio no pantanal e mercúrio na floresta amazônica

Chemical speciation and isotopic composition of trace elements in the environment : Arsenic in the Pantanal and mercury in the Amazon rainforest

• Auteur / Autrice : Larissa Richter
• Direction : Anne Hélène Fostier, David Amouroux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique et environnement
• Date : Soutenance le 24/07/2020
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Universidade estadual de Campinas (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Hélène Fostier, David Amouroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spéciation (chimie)

Mots clés libres

Spéciation chimique

Composition isotopique

Arsenic

Lagunes alcalines-saline

Mercure

Feux de forêts

Especiação química

Composição Isotópica

Arsênio

Mercúrio

Lagoas alcalinas

Combustão de floresta

Chemical speciation

Isotopic composition

Arsenic

Alcaline-saline lakes

Mercury

Forest burning

Résumé

L'arsenic (As) et le mercure (Hg) sont des éléments toxiques et leur présence dans l'environnement peut avoir une origine naturelle et / ou anthropique. Dans les deux cas, la toxicité et la dynamique dans l'environnement dépendent fortement de la forme/espèce chimique dans laquelle se trouve l’élément. Dans le Pantanal, des études antérieures ont révélé des concentrations élevées d'As dans les lagunes alcalines-salines et de faibles concentrations dans les eaux douces. Afin d'étudier les différences entre les lagunes, l'origine et la spéciation de l'As, des échantillons d'eau, de sédiments et de sols ont été collectés dans différentes lagunes et à différentes périodes. Les concentrations de As ont été déterminées par ICP-MS et la spéciation chimique (SC) analysée par LC-ICP-MS. Il a été observé que l'espèce prédominante était l’As(V) dont l’origine a été attribuée à trois facteurs: 1) le régime des inondations du Pantanal combiné à des forts taux d'évaporation; 2) le pH élevé des eaux des lagunes et 3) la présence de concentrations élevées de Fe, Al et de matière organique. Dans la forêt amazonienne, des émissions de Hg élevées sont observées en raison des feux de forêts. Cependant, aucune étude n'a évalué les changements qu'ils provoquent dans la spéciation chimique ou dans la composition isotopique du Hg (CI). Pour combler cette lacune, des expériences de feux programmés ont été menées sur deux parcelles de forêts en Amazonie brésilienne, où des échantillons de litière, de sols et de cendres ont été collectés. La CI a été analysée par MC-ICP-MS et la SC par GC-ICP-MS. Les résultats de la CI ont indiqué que pendant les incendies, le Hg n'est pas fortement fractionné isotopiquement. Ainsi, il a été estimé que les émissions de Hg ont une signature isotopique qui correspond à un mélange de signatures de litière et de sol. Pour la SC, il a été observé que les feuilles captent le méthylmercure atmosphérique (MMHg) et le déposent dans le sol, qui l'accumule avec le temps. Après le brûlage, le MMHg de la litière peut être principalement perdu tandis que celui présent dans le sol peut n’être perdu que partiellement.

O arsênio (As) e o mercúrio (Hg) são elementos tóxicos cuja presença no ambiente pode ter origem natural e/ou antrópica. Em ambos casos tanto a toxicidade quanto a dinâmica no ambiente são fortemente dependentes da forma/espécie química na qual se encontra o elemento. No Pantanal, estudos anteriores encontraram altas concentrações de As em lagoas alcalino-salinas e baixas concentrações em águas doces. Visando investigar as diferenças entre as lagoas, a origem e a especiação do As, coletaram-se amostras de águas, sedimentos e solos em lagoas distintas e em diferentes períodos. Os teores de As foram determinadas por ICP-MS e a especiação química (EQ) foi analisada por LC-ICP-MS. Observou-se que a espécie predominante foi o As(V), atribuindo-se a sua origem à três fatores: 1) o regime de cheias somado as altas taxas de evaporação; 2) O pH elevado das lagoas e 3) A presença de altos teores de Fe, Al e matéria orgânica. Na floresta Amazônica, por sua vez, observam-se elevadas emissões de Hg devidas às queimadas. Todavia, nenhum estudo investigou as mudanças que essas provocam na EQ ou na composição isotópica (CI) do Hg. Para sanar essa lacuna, efetuaram-se experimentos de queima programada em duas localidades na Amazônia Legal, nas quais amostras de liteira, solos e cinzas foram coletadas. Analisou-se a CI por MC-ICP-MS e a EQ por GC-ICP-MS. Os resultados da CI indicaram que durante as queimadas o Hg não se fraciona isotopicamente de maneira acentuada. Assim, estimou-se que as emissões de Hg possuem uma assinatura isotópica que corresponde a uma mistura das assinaturas da liteira e dos solos. Para a EQ, observou-se que as folhas captam o metilmercúrio (MMHg) atmosférico e o depositam nos solos, que o acumulam com o tempo. Após a queimada, o MMHg da liteira pode ser majoritariamente perdido enquanto aquele encontrado nos solos pode ser apenas parcialmente perdido.

Arsenic (As) and Mercury (Hg) are toxic elements which presence in the environment may be attributed to natural or anthropic sources. In both cases, the toxicity and the dynamics in the environment are strongly dependent of the elements form/chemical specie. At the Pantanal, previous studies found high As concentrations in alkaline-saline lakes and low concentrations in fresh water lakes. Aiming to investigate the difference between these lakes, As origin and chemical speciation (CS), samples of water, sediments and soils were collected in distinct lakes and in different periods. As content was quantified by ICP-MS and its CS was analyzed by LC-ICP-MS. Results shown that As(V) was the main specie in this environment, which origin was attributed to three main factors: 1) the flood system combined with the high evaporation rates; 2) the high pH of the lakes and 3) the presence of high concentrations of Fe, Al and organic matter. On the other hand, in the Amazon rainforest, high rates of Hg emissions are observed due to forest burning. Nonetheless, no work in the literature has investigated what changes forest burning causes in Hg’s CS nor in its isotopic composition (IC). To fill this gap, prescribed burning experiments were performed in two different localities of the Brazilian Amazon rainforest, where samples of litter, soils and ashes were collected. IC was investigated by MC-ICP-MS and CS by GC-ICP-MS. IC results showed that during forest burning Hg isotopes did not fractionate sharply. Thus, Hg emissions to the atmosphere have an isotopic signature that correspond to a mixture of litter and soils’ isotopic signatures. For CS, it had been shown that forest leaves capture atmospheric methylmercury (MMHg), transferring it to the litter and consequently, to the soils, which cumulate this contaminant along the time. After burning, MMHg from litter can be lost completely whilst soils MMHg can be partially lost.