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Ferreira Araujo, Daniel. Investigations into isotope biogeochemistry of Zn in coastal areas and mangroves

Ferreira Araujo, Daniel (2016). Investigations into isotope biogeochemistry of Zn in coastal areas and mangroves.

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Résumé en francais

Les zones côtières du monde entier sont sous fort pression de contamination anthropique comme conséquence de la concentration de la plupart de la population mondiale et des activités économiques le long des côtes et des estuaires. La menace de contaminant sur les écosystèmes rend primordial le développement d'outils capable de détecter les modifications biogéochimiques en vue d'aider dans la prévention, la gestion, et la prédiction de risques dans les études environnementales. Dans ce but, cette thèse étudie la biogéochimie des isotopes du Zinc (Zn) en vue de développer un outil capable de tracer les sources naturelles et anthropiques, d'identifier les processus biogéochimiques et de permettre à la biosurveillance de la contamination par les métaux dans les zones côtières et les mangroves. A cette fin, les compositions isotopiques du Zn ont été déterminées à plusieurs échantillons naturels prélevés dans la baie de Sepetiba (au sud-est du Brésil), un estuaire lagunaire affecté par une côte industrialisée située près de Rio de Janeiro. Cette baie constitue un laboratoire naturel idéal pour valider le système isotopique du Zn. En effet, cette zone héberge des écosystèmes d'intérêt commercial et écologique -estuaire, mangrove, estran- menacés par la contamination d'une ancienne activité de galvanoplastie, et d'autres sources diffuses. Les échantillons collectés comprennent des carottes de sédiments, des sédiments de la superficie des mangroves, des matériaux particulaires en suspension (SPM), des feuilles provenant d'arbres de mangrove, des tissus de mollusques bivalves (huîtres et moules) et des roches. Minéraux de dépôt de Vazante (Brésil) ont été collecté pour representé matière première utilisée par l'industrie de la galvanoplastie. Tout d'abord, un travail initial de laboratoire a établi une méthode exacte et précise pour les déterminations isotopiques Zn en échantillons naturelles par spectrométrie de masse avec plasma couplé par induction et multicollecteur (MC-ICP-MS). Des analyses spatiales et temporelles des compositions isotopiques du Zn des échantillons de sédiments et de roches s'ajustent bien à un modèle de mélange entre trois principales extrémités : i) les matériaux continentaux charriés par les rivières ; ii) les sources marines ; et iii) une source anthropique majeure associée aux anciens déchets de galvanoplastie jetés dans la baie. Les carottes de sédiment collectées dans la vasière ont montré une haute corrélation entre la composition isotopique du Zn et le facteur d'enrichissement du Zn. Ceci suggère : i) une bonne préservation du registre isotopique des sources naturelle et anthropique, ii) l'absence de fractionnement isotopique significatif durant le transport de sédiments ou durant les réactions diagénétiques pos-dépositions dans le système estuarien. La carotte de sédiments collectée dans la mangrove, située dans la zone impactée par l'ancienne activité galvanoplastique a présenté des concentrations de Zn au-dessus de 4% (pèse sec) et a préservé les signatures isotopiques des déchets de la galvanoplastie. Cependant, il est évident que les processus biogéochimiques déclenchés par les processus hydrodynamiques, par la bioturbation, et par la rhizosphère peuvent altérer les signatures isotopiques de certaines couches de sédiment. Les calculs basés sur ce modèle de mélange quantifient les contributions de la principale source anthropique variant de valeurs négligeables en périodes préindustrielles jusqu'aux 80% pendant les périodes d'activités de galvanoplastie entre les années 60 and 90. La systémique des isotopes du Zn des mollusques bivalves n'est pas associée au processus de mélange des sources. Au lieu de cela, ces signatures bioisotopiques semblent liées à différentes routes de bioaccumulations, i.e. par l'incorporation de phase dissoute ou de particules. L'hypothèse est que, dans les zones sévèrement impactées par les anciens rejets de galvanoplastie, les bivalves incorporent les hautes concentrations du Zn sous forme dissoute via les branchies. Cependant, hors de cette zone, ces organismes incorporent via la digestion le Zn labile. Les signatures isotopiques du Zn des feuilles également n'ont pas permis l'identification des sources en raison du fractionnement isotopique significatif au cours de l'incorporation du Zn par les racines. Les feuilles des sites hautement contaminé ont montré des standards isotopiques du Zn diffèrent des feuilles des sites peu ou non contaminé. Ces standards peuvent être associés à l'activation de mécanismes de tolérance par les arbres de la mangrove où le Zn atteint des niveaux toxiques. En conclusion, les compositions isotopiques du Zn des échantillons abiotiques, comme les sédiments, permettent de détecter les changements biogéochimiques déclenchés par des activités anthropiques. Ainsi, elles sont utiles pour donner des supports á la prévention, á la gestion, et á la prédiction de risques dans les zones impactées par la contamination métallique. Échantillons biologiques de mollusques bivalves et de feuilles provenant d'arbres de mangroves ne sont pas appropriés pour tracer les origines du Zn. Cependant, les distinctes compositions isotopiques du Zn des échantillons collecté aux sites hautement contaminé sont prometteurs pour l'application de ces isotopes comme marqueurs biologiques de réactions métaboliques et de réponse physiologiques. Toutefois, il faut plus de recherches afin de comprendre la relation entre la speciation du Zn, mécanismes de d'incorporation et les signatures bioisotopiques de cet élément dans les tissus de bivalves et feuilles.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Viers, Jérôme
Boaventura, Geraldo Resende
Ecole doctorale:Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)
laboratoire/Unité de recherche :Géosciences Environnement Toulouse (GET), UMR 5563
Mots-clés libres :Contamination de l'environnement - Isotopes stables - Métaux traces
Sujets :Sciences de l'environnement
Déposé le :28 Sep 2017 10:32