Colloids and soil solution elemental compositions

Mémoire de Géosciences-Rennes n°136Ubiquitous, dynamic, as well as characterized by important surface complexation ability, colloids are meant to play a key role in trace element sequestration in both waters and soils. This study was aimed on improving the understanding of the role played by colloids in trace element carriage in focusing on: (i) the study of the impact exerted by physico-chemical parameters on the colloidal and elemental composition of the dissolved phase circulating within wetlands, (ii) the colloid genesis ways and their respective role as carriers and vectors of trace elements in waters and soils. The different performed experiments put forward a colloidal control for a lot of trace elements occurring in the soil solution. Some of these latter are strongly complexed by the colloidal pool such as (Al, Cr, U, Mo, Pb, Ti, Th, Fe, and REE), while others are more little complexed (Cu, Cd, Co, and Ni), and a last part which remains unreactive regards to colloids (Li, B, K, Na, Rb, Si, Mg, Sr, Ca, Mn, Ba and V). pH appears to be one major control parameter on the elemental composition of the soil solution, with any pH increase or decrease putting strong impact on the soil solution colloidal and elemental compositions. Furthermore, pH does largely play on the humic substance conformation, which are the main active organic molecules involved in the trace element sequestration within nature, impacting thus their own mobility and that of associated trace elements as well. This study also evidences the occurrence of supramolecular associations of small organic molecules within humic substances, as well as the presence of Fe-nanoparticles intimately bound to organic matter. These latter can sequestrate specific elements such as Pb or Ti. This study allowed also to evaluate the impact of the humic substances on both the Fe oxidation-hydrolysis rate and the size of the precipitated oxyhydroxides. Humic substances slow down and decrease the Fe oxidation-hydrolysis reactions and impact directly the Fe oxide size. Iron is therefore, either as ionic state complexed with humic substances, or as nanoparticles included within an organic matrix. The bioavailability of these Fe-nanoparticles to be used as electron acceptor by Schewanella putrefaciens bacteria during bio-reduction was then tested compared to that of crystallyzed iron in inorganic medium. Mixed Fe-humic substance colloids showed a more important bioavailablity than did inorganic crystallyzed Fe. This latter result evidences that in wetlands, mixed Fe-organic matter colloids represent a major Fe stock, which is regularly requested by microfauna, since much more available than can be that of the geochemical bedrock/soil.Ubiquistes, dynamiques et caractérisés par d'importantes capacités de complexation de surface, les colloïdes sont supposés jouer un rôle majeur dans la mobilisation des éléments traces dans les eaux et les sols. Cette étude a pour objectif d'améliorer la compréhension du rôle des colloïdes dans la mobilisation des éléments traces en définissant (a) l'impact de paramètres physico-chimiques sur la composition élémentaire et colloïdale de la phase dissoute d'un sol de zone humide, (b) les modes de genèse de ces colloïdes, ainsi que leur rôle de phases porteuses et vectrices d'éléments traces dans les eaux et les sols. Les différents travaux accomplis mettent en avant un contrôle colloïdal pour de nombreux éléments traces présents dans la solution de sol. Ainsi, certains éléments sont fortement complexés par le compartiment colloïdal (Al, Cr, U, Mo, Pb, Ti, Th, Fe, et les REE), d'autres le sont plus modérément (Cu, Cd, Co, et le Ni) et une autre partie ne réagit pas avec les colloïdes (Li, B, K, Na, Rb, Si, Mg, Sr, Ca, Mn, Ba et le V). Le pH apparaît être un facteur majeur de contrôle de la composition élémentaire de la phase dissoute ; un changement du pH, à la hausse ou à la baisse impactant fortement les concentrations et la composition colloïdale et élémentaire de la solution de sol. De plus, le pH apparaît un acteur non négligeable de la conformation des substances humiques, principales molécules organiques actives dans la mobilisation des éléments traces dans le milieu naturel, impactant ainsi leur mobilité et celles des éléments associés. Les résultats ont confirmé la présence d'associations supramoléculaires de petites molécules organiques au sein des substances humiques, ainsi que la présence de nanoparticules de Fe intimement liées à la matière organique, et pouvant mobiliser certains éléments traces comme le Pb ou le Ti. De plus, ce travail a permis de mesurer l'impact des substances humiques sur la vitesse d'oxydation-hydrolyse du Fe, et sur la taille des oxyhydroxydes formés. Les substances humiques tendent ainsi à ralentir et à diminuer les réactions d'oxydation-hydrolyse du Fe, et impactent directement la taille des oxydes de Fe. Le Fe est ainsi présent soit sous forme ionique et complexé aux substances humiques, soit sous forme de nanoparticules et inclus dans la matrice organique. La biodisponibilité de ces nanoparticules de Fe à être utilisée comme accepteur d'électrons par des bactéries Schewanella putrefaciens a ensuite été testée en comparaison de celle de particules de Fe formées en absence de substances humiques. Les résultats évoquent une biodisponibilité accrue des nanoparticules de Fe associées aux substances humiques lors de la bioréduction. Ce résultat prouve que les colloïdes mixtes Fematière organique représentent dans les zones humides, un stock majeur de fer régulièrement sollicité par la microfaune, bien plus accessible que celui du fonds géochimique