Traitement des échantillons

Tous les produits utilisés sont de qualité analytique.

a. Fractionnement par taille des sols et sédiments

Lorsque les échantillons solides sont bien secs, un tamisage est effectué sur une série de tamis afin de séparer les différentes fractions en taille, notamment la fraction fine (<50µm) sur laquelle l’extraction séquentielle aura lieu. C’est la fraction fine qui est considérée dans la littérature comme la plus réactive vis-à-vis des métaux (Dassenakis et al., 2003).

Dans la littérature, de très nombreuses études ont été faites pour une fraction fine <63µm principalement pour les milieu marin (Quevauviller et al., 1997 ; Morillo et al., 2004) mais aussi sur des fractions <50µm principalement pour les eaux douces (Cornu et al., 2004 ; Fernandez et al. 2004). Certains auteurs utilisent même des fractions <150µm (Fuentes et al., 2004).

La série de tamis utilisée va de 2 mm à 50 µm en passant par 1 mm et 500 µm, l’agitation est réalisée sur un agitateur mécanique pendant 30 à 90 min suivant les échantillons de manière à obtenir au minimum 3 grammes de la fraction < 50 µm.

La fraction < 50 µm qui sera analysée est ensuite placée dans des tubes en polystyrène cristal.

b. Fractionnement particulaire/dissous

Dans des études environnementales, il est important de différencier la fraction dissoute de la fraction particulaire. Plusieurs méthodes existent mais dans ce travail la technique utilisée est la filtration, et en particulier, la microfiltration frontale. Elle est rapide, peu coûteuse et facile à mettre en place. C’est la technique la mieux adaptée pour traiter un nombre important d’échantillons.

Les filtres utilisés sont des filtres en nitrate de cellulose à 0,45 µm pour les échantillons destinés à la mesure des métaux et des filtres de verre à 0,7 µm pour les échantillons destinés à l’analyse du carbone. Deux types différents ont été utilisés pour limiter au maximum les contaminations. En effet, les filtres en nitrate de cellulose sont susceptibles de relarguer du carbone et, inversement, les filtres de verre peuvent libérer des métaux.

Les volumes filtrés sont de 250 à 500 mL en fonction de la charge en MES. Après filtration, chaque filtre est séché à température ambiante durant 1 jour.

c. Conservation des échantillons

Avant l'analyse pour la conservation des échantillons d’eau, ceux-ci sont traités puis stockés à l’abri de la lumière à 5°C. Afin de ramener le pH de l’échantillon inférieur à 2, on ajoute 100 µ L d'acide nitrique ultra-pure (dans 250 mL d’échantillon) pour les échantillons destinés à la mesure des métaux car l’acide limite l’adsorption des métaux sur les parois et la matière organique, tue et empêche le développement de microorganismes qui pourraient capter les métaux. Pour les échantillons destinés à la mesure du carbone, 100 µ L d'azoture de sodium sont ajoutés. L’azoture de sodium est un poison, il tue et évite le développement des microorganismes sans pour autant détruire ou changer les propriétés de la matière organique présente en solution.

Les sols et sédiments tamisés sont stockés, après séchage, à l’abri de la lumière à 5°C sans traitement particulier.

d. Prétraitement pour la mesure des métaux totaux particulaires

et sédimentaires

Les mesures de métaux par ICP-AES ou ICP-MS, décrites ci-après, nécessitent des échantillons liquides à cause de l’existence d’un capillaire amenant l’échantillon au nébuliseur. Il faut donc traiter les échantillons de manière à les passer sous forme liquide et rendre alors leurs analyses possibles. Une technique possible est de faire de l’extraction assistée par micro-ondes. Les filtres en nitrate de cellulose ont donc été digérés en utilisant un four micro-ondes Multiwave 3000 (Anton Paar) avec une puissance maximale de 1400 W. L’extraction effectuée est dite pseudo totale (Davidson et al., 1998) car le mélange utilisé est

de l’eau régale (HCl/HNO₃ ; 2/1), ce qui ne permet pas une dissolution de la silice,

contrairement au mélange à base d’acide fluorhydrique (HF) utilisé par certains auteurs (Alonso-Alvarez et al., 2002). Ce choix a été fait car pour les métaux analysé (Cd, Pb, Cu et Zn), métaux non-réfractaires, la différence entre les deux méthodes est minime (se qui n’est pas le cas pour Al, Cr, Ni).

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La silice ne nous intéressant que peu dans cette étude, l’utilisation de l’eau régale a été préférée à celle de l’acide fluorhydrique qui demande beaucoup de précautions du fait de son affinité avec le calcium sanguin.

Avant chaque digestion, tous les réacteurs subissent un cycle de nettoyage: 6 ml de HNO3

69% sont placés dans le tube à réaction (téflon) puis une séquence de minéralisation est lancée, comportant, une montée en puissance de 10 minutes jusqu’à 1000 W suivie d’un palier de 5 minutes à 1000 W et d’une phase de refroidissement de 20 minutes.

Ensuite, l’extraction pseudo totale se fait de différentes façons selon que l’on minéralise un filtre (particule) ou un sédiment.

Pour les filtres (Application Note Anton Paar), chaque filtre en nitrate de cellulose séché est coupé en morceaux puis placé dans le réacteur avec 10 mL d’eau régale. Puis la séquence de mesure suivante est réalisée :

une montée en puissance de 5 minutes jusqu’à 900 W

un palier de 15 minutes à 900 W

une phase de refroidissement de 25 minutes

Pour les sédiments, 0,3 g d’échantillon sec de taille inférieure à 50 µm est mis dans les tubes à réaction avec 10 mL d’eau régale. Seulement 0,3 g de sédiments sont utilisés, contrairement au 0,5 g employé par d’autres auteurs (Gismera et al., 2004) de manière à ne pas dépasser les 60 bars de pression et 240°C : facteurs limitants de l’appareil.

Le cycle de digestion est alors le suivant :

Un palier de 6 min à 250 W

une montée en puissance de 12 minutes jusqu’à 700 W

un palier de 6 minutes à 700 W

un palier de 6 minutes à 250 W

une phase de refroidissement de 25 minutes

Remarque : Après cette digestion, une centrifugation de 20 minutes à 1348 g est effectuée afin d’éliminer le résidu persistant qui gênerait pour la mesure ultérieure. Le culot de centrifugation a ensuite été récupéré et analysé au microscope électronique à balayage (MEB) munis d’une sonde EDAX afin de s’assurer de la composition de ce dernier. Ce résidu est

constitué uniquement de silice SiO2 provenant des squelettes siliceux des organismes

planctoniques et de la matrice minérale des sols (Figure 7).

e. Prétraitement pour l’étude de la répartition des métaux

sédimentaires

Le protocole suivi est celui de l’extraction séquentielle à 3 étapes cité précédemment et utilisé par Quevauviller et al. (1997), le protocole complet initial est fourni en annexe 1.

Contrairement à la méthode utilisée par ces auteurs, nous avons conservé les eaux de rinçage de chaque fraction afin d’éviter les pertes en éléments traces métalliques. De plus, nous avons ajouté 400 µ L d’acide nitrique 69% dans les 60 mL obtenus à la première fraction (acide acétique) afin de limiter le développement de microorganismes dans ce milieu en fixant le pH< à 2.

Première étape : fraction « hydrosoluble et acidosoluble ».

La préparation de l’acide acétique s’est faite à partir d’acide acétique glacial 100% anhydre

(CH3COOH) (Merck, d=1,05, M=60,05 g.mol^-1).

On ajoute 40 mL de la solution préparée à environ 1 g de sol ou de sédiment dans un tube à

centrifuger de 85 ml. Tous les tubes sont alors mis sous agitation horizontale à 195 tr.min^-1

pendant 16 heures. Au bout de 16 heures, les échantillons sont mis à centrifuger pendant 25 minutes à 1835 g. On récupère ensuite le surnageant dans des bouteilles en polyéthylène (PE) et on ajoute 20 mL d’eau milliQ dans les tubes à centrifuger, afin de récupérer entièrement la première fraction. On agite à nouveau pendant 15 min puis on centrifuge pendant 25 min comme précédemment. Le surnageant est récupéré et mis avec la première fraction dans les bouteilles en PE qui seront placées au réfrigérateur à 4°C.

Les culots sont conservés dans les tubes à centrifuger pour la seconde étape. Seconde étape : fraction « réductible ».

Le chlorure d’hydroxylammonium (0,11M), ajusté à pH=2 avec de l’acide nitrique 69%, est

préparé à partir de chlorure d’hydroxylammonium en poudre (HONH3Cl) (Merck, M= 69,49

g.mol^-1).

On ajoute alors dans chacun des tubes à centrifuger 40 mL de cette solution puis on les place sous agitation pendant 16 heures à 6 g. Au bout de 16 heures, les échantillons sont centrifugés pendant 25 min à 1835 g. On récupère ensuite le surnageant dans des bouteilles en polyéthylène (PE) et on ajoute 20 mL d’eau milliQ dans les tubes afin de récupérer entièrement cette seconde fraction. On agite à nouveau pendant 15 min puis on centrifuge pendant 25 min comme précédemment. Le surnageant est récupéré et ajouté dans les bouteilles en PE que l’on met dans le réfrigérateur à 4°C.

Les culots sont conservés dans les tubes à centrifuger pour la troisième étape.

Troisième étape : fraction « oxydable ».

Du peroxyde d’hydrogène (H2O2) 30 % (Merck) stabilisé à un pH compris entre 2 et 3 est

utilisé.

On ajoute lentement 10 mL de H₂O₂ afin d’éviter les pertes dues à des réactions violentes puis

on laisse digérer 1 heure à température ambiante en couvrant les tubes avec des verres de montre. Les tubes couverts sont alors placés dans l’étuve à 85°C pendant 1 heure. Ils sont ensuite découverts et la température est augmentée afin de réduire le volume à quelques mL.

Une seconde addition de 10 mL de H2O2 est faite, puis on remet à digérer à l’étuve pendant 1

heure avant de redécouvrir les tubes pour, à nouveau, réduire le volume à quelques mL.

Enfin on verse 50 mL d’acétate d’ammonium 1M, préparé à partir d’acétate d’ammonium en

poudre (Merck, M=77.08 g/mol) et ajusté à pH 2 avec HNO3 69%, au résidu humide froid

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Au bout de 16 heures, les échantillons sont mis à centrifuger pendant 25 minutes à 3500

tr.min^-1. On récupère ensuite le surnageant dans des bouteilles en polyéthylène (PE) que l’on

met dans le réfrigérateur à 4°C. Le culot est conservé pour la quatrième étape. Quatrième étape : fraction « résiduelle ».

On laisse tout d’abord sécher sous une hotte à température ambiante le culot obtenu précédemment afin de pouvoir peser 0,3 g d’échantillon sec.

Ensuite, on utilise la même méthode que pour l’extraction pseudo totale décrite précédemment.