Isotopic fractionation of copper and zinc during biogeochemical processes in soils
Fractionnement isotopique du cuivre et du zinc lors de processus biogéochimiques dans les sols
Résumé
Biogeochemical cycles of Cu and Zn are deeply influenced by anthropogenic activities, modifying their speciation, bioavailability and mobility. Understanding these cycles is then essential for risk evaluation of these anthropogenic inputs in the environment. Isotopic measurements allow us to better constrain pollution sources of metals and processes modifying their speciation. Its then necessary to determine the isotopic compositions of Cu and Zn sources in the environment and the main processes affecting them. Isotopic fractionation of Cu and Zn was assessed for two main processes: complexation with organic matter (OM) and plant uptake. First, Zn complexation with OM increases with pH. Below pH 6, adsorption of Zn on OM resulted in no measurable isotopic fractionation, while at higher pH, Zn bound to OM is heavier (Δ⁶⁶Zn 0.24 ± 0.06 %o) than free Zn in solution. It is explained by higher -complexation constants and shorter bond lengths for Zn-OM complexes compared to the aqueous free Zn. During hydroponic experiments, Cu and Zn exhibit significant isotopic fractionation but different behavior during uptake by plants. This difference between Cu and Zn during root uptake might be due to different speciation in the solution, reduction of Cu before uptake or difference in uptake strategy. Similar translocation behaviour suggests the implication of comparable internal transporter used by plants to mobilize Cu and Zn. During plant cultivation in soils, Cu isotopic fractionation in root of plants seems more dependant of the Cu speciation in the soils.
Les cycles biogéochimiques du Cu et du Zn, sont fortement perturbés par les activités anthropiques qui induisent de profonds changements dans les écosystèmes, modifient la spéciation des métaux, leur mobilité et leur biodisponibilité. La compréhension de ces cycles est indispensable pour l'évaluation des risques liés à ces apports anthropiques. Les mesures de compositions isotopiques dans l'environnement permettent de mieux contraindre les sources de pollution et les mécanismes affectant les métaux. Il est nécessaire de caractériser les compositions isotopiques des différentes sources de Cu et Zn, naturelle et anthropique mais aussi le fractionnement isotopique des processus modifiant la spéciation des métaux. Nous nous sommes intéressés à l'interaction du Cu et du Zn avec le compartiment organique. La complexation du Zn avec la matière organique - est responsable d'un enrichissement significatif en isotopes lourds du Zn complexé sur la MO de 0.24 ± 0.06 %o (2STD) par rapport au Zn en solution. Ceci s'explique par des constantes de complexation plus importantes pour le Zn complexé avec la MO que pour le Zn libre en solution. Le prélèvement par les plantes provoque aussi un fractionnement isotopique significatif pour le Cu et le Zn. Le Zn présente un enrichissement en ⁶⁶Zn sur les racines et un appauvrissement pendant la translocation. Le Cu fractionne différemment en fonction du mode de culture. En hydroponie, la spéciation en solution ou le mode de prélèvement du Cu (avec une éventuelle réduction) semble expliquer nos observations alors que sur sol, la spéciation du Cu dans le sol semble l'explication principale.