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Exploration des liens entre les propriétés optiques de la matière organique dissoute et la complexation des métaux traces dans les eaux douces naturelles.

Mueller, Kristin K. (2012). Exploration des liens entre les propriétés optiques de la matière organique dissoute et la complexation des métaux traces dans les eaux douces naturelles. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 230 p.

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Résumé

La matière organique dissoute (MOD) joue un rôle clé dans l'écotoxicologie des métaux puisqu'elle complexe les ions métalliques libres, et diminue ce faisant la concentration de l'ion libre. Une telle complexation atténue la biodisponibilité et la toxicité des métaux. Le modèle Windermere Humic Aqueous Model (WHAM) est un modèle d'équilibre chimique qui incorpore la complexation des métaux par la MOD. WHAM est partie intégrante du modèle du ligand biotique (BLM), lequel est couramment utilisé pour prédire la biodisponibilité de métaux environnementalement importants, tels que Cd, Cu, Ni et Zn, envers les organismes aquatiques dans les systèmes naturels. WHAM prend en compte la quantité mesurée de MOD, mais l'utilisateur doit définir la « qualité» de la MOD en imposant le pourcentage (%) de la MOD qui est réellement active dans la complexation des métaux. Ici, nous proposons une approche plus rigoureuse, laquelle consiste à mesurer le % de MOD active en utilisant des méthodes spectroscopiques bien établies. Nous avons mesuré les concentrations de Cd²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ et Zn²⁺ dans huit lacs et trouvé des accords raisonnables entre les mesures et les prédictions faites par WHAM pour Cd²⁺ et Zn²⁺. Au contraire, des différences significatives ont été observées pour Cu²⁺ et Ni²⁺. Pour les métaux Cd, Ni et Zn, le % de MOD actif requis pour ajuster les prédictions du modèle aux mesures d'ion libre est bien expliqué par les variations inter-lacs dans la qualité spectroscopique de la MOD. La proportion de MOD active dans la complexation de Cd et Zn augmente avec l'augmentation de la fluorescence caractéristique de la MOD de type allochtone; une tendance inverse a été observée pour Ni, suggérant que les sites de complexation de Cd et Zn sur la MOD sont différents que pour Ni. L'utilisation de la qualité spectroscopique de la MOD pour estimer le % de MOD actif vis-à-vis de la complexation des métaux a amélioré les capacités de WHAM à prédire les concentrations de Cu²⁺ et particulièrement Ni²⁺ libres. Nous concluons que le raffinement du modèle WHAM pour qu'il incorpore les variations dans la qualité de la MOD doit aller au-delà du simple ajustement du pourcentage de la MOD qui est actif, par exemple en tenant compte de l'affinité des différents sites de complexation des métaux, notamment Cu et Ni. Nous discutons ensuite comment les variations dans la qualité de la MOD, telles que révélées par les différences observées dans les spectres de fluorescence, peuvent être utilisées pour améliorer les prédictions du modèle WHAM vis-à-vis des concentrations des métaux environnementalement importants dans les systèmes aquatiques naturels.

Abstract

Dissolved organic matter (DOM) plays a key role in metal ecotoxicology by complexing free metal ions, an action that decreases the free metal ion concentrations and thus attenuates metal bioavailability and toxicity. The Windermere Humic Aqueous Model (WHAM) is a chemical equilibrium model that incorporates DOM-metal complexation and is an integral part of the Biotic Ligand Model, which is widely used to predict the bioavailability of environmentally significant metals, such as Cd, Cu, Ni and Zn, to aquatic organisms in natural systems. WHAM incorporates the measured quantity of DOM, but users must define the "qua lit y" of the DOM by choosing the % of DOM that is actively involved in metal complexation. The ability to estimate this % active DOM spectroscopically would be useful. We measured Cd²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ and Zn²⁺ concentrations in eight lakes and found reasonable agreement between measured and predicted concentrations of Cd²⁺ and Zn²⁺, but there were marked differences between measured and WHAM-modeled concentrations of Cu²⁺ and Ni²⁺. Relationships between the model-optimized % active DOM needed to fit modeled to measured free metal concentrations and the lake-to-lake variation in the spectroscopic quality of the DOM were apparent for Cd, Ni and Zn. The proportion of DOM involved in Cd and Zn complexation was found to increase with an increase in the allochthonous DOM fluorescence signature; the opposite trend was observed for Ni, suggesting that the DOM binding sites involved in Cd and Zn binding differ from those involved in Ni complexation. Improved WHAM predictions of Cu²⁺ and, especially, Ni²⁺ concentrations were achieved when the DOM spectroscopic qua lit y was used to estimate the % of DOM active in metal complexation. We conclude that the refinement of the WHAM model to incorporate variations in DOM quality must go beyond the simple adjustment of the "percent active DOM" and possibly include changes to DOM metal binding affinities, notably for Cu and Ni. We discuss the application of variations in DOM quality, as revealed by differences observed in the fluorescence spectra, to refine metal speciation predictions obtained with WHAM for environmentally significant trace metals in natural aquatic systems.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Campbell, Peter G.C.
Co-directeurs de mémoire/thèse: Fortin, Claude
Mots-clés libres: eau douce; propriété optique; matière organique; métaux traces; MOD; lacs; spectroscopie; bassin versant; environnement; modèle WHAM-VI
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 13 janv. 2014 19:13
Dernière modification: 25 nov. 2015 14:43
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1756

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