Laboratoire des Sciences de l’Environnement Marin (LEMAR)UMR 6539 (CNRS – IRD – UBO)

Equipo de Química Marina

Ricardo D. RISO; Matthieu WAELES,Virginie TANGUY

Importancia de la « especiación » en el estudio de los elementos metálicos en el

medio ambiente marino

Introducción

- Definición y contexto de los trabajos de investigación - Objectivos generales de las investigaciones

Material y métodos

- Presentación de las técnicas analíticas: la cronopotenciometría

Resultados

- Comportamiento de diferentes formas químicas de Cu y Cd en zona costera: Estuario del “Loire” – Golfo de Vizcaya. - Estudio de la distribución coloidal de los elementos metálicos en el estuario del “Penzé” (Francia)

Conclusiones

Perspectivas

SUMARIO

Definición y contexto de los trabajos de investigación

Introducción

Se trata de metales y metaloides.

Elementos presentes en el agua de mar en muy bajas concentraciones (10-12 à 10-9M) y bajo múltiples formas

químicas.

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se

Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te

La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po

¿Que engloba el término « elementos metálicos »?

Introducción

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se

Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te

La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po

Elementos esenciales

Elementos esenciales y tóxicos

Elementos tóxicos

¿Cuál es el interés en trabajar sobre estos elementos?

Introducción

Estuarios Atmósfera

Sistema hidrotermal

Cu, Cd, Fe, Pb, Sb, As, Mo

Fe Pb

FeCu

Se trata de los aportes principales en metales hacia el medio marino,

Podemos calcular los flujos de las diferentes formas químicas.

Sedimento

CuPbCd

- UPPA, (LCABIE), Pau

- IFREMER

IFREMER

University of East AngliaUniversité de Liverpool

Dónde trabajamos, con quién y porqué

Introducción

Ríos

Estuario

Plataforma continental

Océano

Las cantidades exportadas en « metal total » y sobre todo de las diferentes formas físico-químicas pueden ser

modificadas.

Los estuariosIntroducción

En la zona del gradiente salino los metales sufren modificaciones importantes.

identificar en las distintas etapas del pasaje « rio - plataforma continental » las formas químicas del metal,

cuantificar los flujos de las formas químicas,

- establecer una escala de tiempo en el pasaje del metal de la zona costera hacia el océano.

Objetivos generales de las investigaciones

Introducción

Estudio de procesosDesarrollo analítico

Puesta a punto de métodos de análisis capaces de

acceder a las diferentes formas químicas.

Conocer los procesos que explican la distribución y el

comportamiento de las diferentes formas metálicas.

Como trabajamos

Introducción

Material y Métodos

Cuáles son los métodos?

a) Espectroscópicos

- Absorción atómica (horno grafito)

- Asociación ICP- MS …

b) Cromatográficos

- Directas

- Asociación posible

c) Electroquímicos

- Directas

- Análisis luego de la separación de ciertas formas químicas

Material y Métodos

Elegimos los métodos electroquímicos:

métodos cronopotenciométricos por redisolucion asociados a electrodos « film » o sólidos (macro y

ultramicro)

Dos razones esenciales justifican la elección:

Material y Métodos

Son métodos:

- precisos y exactos,

- especialmente adaptados al agua de mar,

- de una aplicación fácil tanto en el laboratorio como a bordo de los buques oceanográficos,

- que permiten el análisis de diferentes formas químicas sin modificación de la muestra,

- poco costosas

Material y Métodos

En lo que se refiere a la cronopotenciometría…

Se trata de un planteamiento original

- Los equipos que hicieron la elección de la electroquímica, desarrollan generalmente métodos voltamperométricos de análisis,

-Utilizan de manera casi general un electrodo a gota de mercurio como electrodo de trabajo. (Polarografía).

- El análisis se efectúa en ausencia de oxígeno disuelto.

Material y Métodos

PSU 22

CTV 101

Electrodo de trabajo (2 o 5 mm)

Electrodo auxiliar Pt

Electrodo de referencia(Ag/AgCl/Cl- 0,3M)

Unidad PotenciométricaPSU 22 Radiometer

Equipamiento

10 publicaciones (Cu, Pb, Cd, Fe, Hg, Se, As, Sb) 1997 - 2010

Material y Métodos

Material y Métodos

Ejemplo del análisis de cobre con une técnica cronopotenciométrica con un electrodo de oro.

Resultados

¿Por qué estudiar las formas químicas?

Resultados

En numerosas ocasiones, se ha indicado que el interés o el peligro “biológico” de los elementos metálicos en el medio marino depende de la concentración pero sobre todo de la forma química.

Ella condiciona la utilización “pasiva” o “activa” de los elementos metálicos.

El problema no es simple si se tiene en cuenta el bajo nivel de las concentraciones!!!

Comportamiento de diferentes formas químicas de Cu y Cd en zona costera:

Estuario del “Loire” – Golfo de Vizcaya.

Resultados

Estuario del Loire y Golfo de Vizcaya (Programa PNEC) 2001 - 2002

- 2 campañas (Invierno y primavera)

- 50 estaciones de muestreo

Resultados

Cu total disuelto (nM) Programa PNEC Golfo de Vizcaya.

Resultados

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40

salinity

Cu

(n

M)

salinitySalinity Salinity

Cu

(n

M)

Comportamiento no conservativo Comportamiento « casi » conservativo

Winter 2001 Spring 2002

Desorpción del metal favorecida por la expulsión importante de partículas en

período de fuerte caudal

Observamos el problema de más cerca, gracias al estudio de la “especiación” en

las partículas en suspensión y en solución…

Resultados

¿A qué tipo de partículas esta asociado el cobre en el estuario?

Primera pregunta

Resultados

Materiarefractaria

óxidos

Materia orgánica

*O=C

*O

-O

Fe-O

Mn-O

Si-O

Al-O

carbonatos

Extracción secuencial del Cobre asociado a las partículas en suspensión (Marin et al., 1997)

Resultados

Especiación de Cu particular

Carbonatos Materia orgánica

Óxidos de Fe et Mn Materia refractaria

El Cobre esta repartido entre la materia orgánica, los óxidos de Fe y Mn y la materia refractaria . La desorpción del cobre se produce a partir de

la materia orgánica

Resultados

Cu

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

20salinity

%

Segunda pregunta

¿A qué forma química en solución favorece el transfer del metal a partir de la materia

orgánica?

Resultados

Fracción orgánica refractaria (C18Cu)

Cu

L-Cu

L-L-

Cu-LL-L-

colloïdes

Fracción inorgánica y orgánica lábil (non C18 Cu)

(Cu2+)

(CuCO3, CuOH-)

Cu-LL- L-Cu-LL-

Especiación fisico-química de cobre disuelto; utilización de columnas C18 (Mills et Quin; 1981).

Formas libres >> nonC18Cu>> C18Cu

Biodisponibilidad creciente

Resultados

TDCu nonC18Cu C18Cu

separación sobre columna C18

(Isolute® 200 mg)

fracción no retenida fracción retenida

Filtración (0.45 µm, HATF,

47 mm, Millipore®)

0,5 L

Obtención de las diferentes fracciones del cobre disuelto

Las manipulaciones se realizan bajo campana extractora a flujo laminar clase 100

Resultados

Cu total disuelto (nM) Programa PNEC Golfo de Vizcaya.

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40

Winter Printemps

Cu

(n

M)

salinity

Waeles, Riso, et al., (2004)

-Formación de complejos orgánicos

refractarios poco biodisponibles!!!

-Los complejos inorgánicos y orgánicos lábiles son majoritarios

Resultados

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40

Spring

flujos brutos

Flujos netos Modificaciones en el estuario

0

100

200

300

400

W S W S W S

Los flujos (Kg.day-1) de las distintas formas químicas pueden así calcularse.

Resultados

a) El cobre disuelto entra en el estuario sobre todo como complejos inorganicos y organico lábiles.

b) El estuario constituye esencialmente una fuente de complejos orgánicos refractarios poco biodisponibles!!!

Cd total disuelto (nM) Programa PNEC Golfo de Vizcaya.co

nce

ntr

atio

ns

(nM

)v

Salinity

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 10 20 30 40

Winter

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 10 20 30 40

Spring

- Comportamiento no conservativo

- Formación de cloro - complejos (CdCl+; CdCl2…) a causa de la desorpción del metal a partir de las

partículas en suspensión.

2001 2002

Resultados

¿A qué tipo de partículas esta asociado el cadmio en el estuario?

Primera pregunta

Resultados

Carbonatos Materia orgánica

Óxidos de Fe et Mn Materia Refractaria

Especiación de Cd particular

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 salinité 20

%

- El Cd esta preferencialmente asociado a los carbonatos y a los óxidos de Fe y Mn. La desorpción del Cd se produce a partir de los

óxidos de Fe y Mn.

Resultados

Segunda pregunta

¿A qué forma química en solución favorece el transfer del metal a partir de los óxidos de

Fe y Mn?

Resultados

Análisis cronopotenciométrico al pH natural del agua de mar

Especiación electroquímica de Cd disuelto

Análisis cronopotenciométrico en medio acido (pH ~2)

Medida de la fracción lábilLabCd

Medida del cadmio total disuelto TDCd

La fracción orgánica sera determinada por diferencia

OrgCd

Resultados

CdTd, LabCd et OrgCdco

nce

ntr

atio

ns

(nM

)v

Salinity

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 10 20 30 40

TDCd

LabCd

OrgCd

Winter

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 10 20 30 40

Spring

-Formación de cloro - complejos entre 0 y 15 de salinidad.

-Formación de complejos orgánicos a partir de 15 de salinidad.

Waeles, Riso et al., 2004; Weales, Riso et al., 2005

Resultados

2001 2002

desorción

CdCl2Cd - óxidos

OrgCd

Cd- MOP

degradación

Explicación del proceso de enriquecimiento del cadmio disuelto

O 15 34

Salinidad

Waeles, Riso et al., 2004; Weales, Riso et al., 2005

Resultados

0

5

10

15

20

W S

kg d

ay-1

OrgCd

LabCd

0

5

10

15

20

W S

kg d

ay-1

OrgCd

LabCd

OrgCd

LabCd

Los flujos de las formas químicas pueden así calcularse

En invierno, el cadmio disuelto se exporta esencialmente en forma de complejos orgánicos (80%). En la primavera las

formas orgánicas representan 55% del metal disuelto.

Resultados

Tercera pregunta

Cuál es la incidencia sobre la distribución horizontal del Cd disuelto en el Golfo?

Hiver

-6 .0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0

46.5

47.0

47.5

48.0

48.5

N

W

Hiver

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

LabCd /TDCd (%)

Distribución horizontal de la relación LabCd/TDCd en la Plataforma Continental

Invierno

Contribución importante de la forma orgánica

Resultados

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

LabCd /TDCd (%)

Primavera

Distribución horizontal de la relación LabCd/TDCd en la Plataforma Continental

Resultados

La forma lábil es mayoritaria

-6 .0 -5 .0 -4 .0 -3 .0 -2 .0

46.5

47.0

47.5

48.0

48.5

N

W

Printem psPrimavera

Actualmente pusimos a punto un enfoque complementario….

Resultados

Estudio de la distribución coloidal de los elementos metálicos en el estuario “del

Penzé” (Francia)

Coloide: pequeña partícula que tiene al menos una dimensión incluida entre 1µm y 1 nm

-10 -9 -8 -7 -6 -5

1 Å 1 nm 1 µm

Log (taille/m)

particulesColloïdes ou macromolécules

molécules

0,45 µm

Débris cellulaireAcidesaminés

Polysaccharides

Peptides Peptidoglycanes

Protéines

fulviques Agrégats humiques

humiques Virus Bactéries Algues

Composés organiques adsorbéssur des particules inorganiques

Com

pos

és o

rgan

ique

sC

omp

osés

inor

gani

ques Argiles (aluminosilicates)

Oxyhydroxydes de fer

Oxydes de Mn

Sulfures métalliques

Carbonates, phosphates

SiO2 amorphe

Ions « simples »

hydratés(e.g. OH-,Cl-,SO4

2-,HS-, Na+,

Ca2+,Mg2+,Cu2+,…)

Hydroxydes de Al

-10 -9 -8 -7 -6 -5

1 Å 1 nm 1 µm

Log (taille/m)

-10 -9 -8 -7 -6 -5

1 Å 1 nm 1 µm

Log (taille/m)

particulesColloïdes ou macromolécules

molécules

0,45 µm

Débris cellulaireAcidesaminés

Polysaccharides

Peptides Peptidoglycanes

Protéines

fulviques Agrégats humiques

humiques Virus Bactéries Algues

Composés organiques adsorbéssur des particules inorganiques

Com

pos

és o

rgan

ique

sC

omp

osés

inor

gani

ques Argiles (aluminosilicates)

Oxyhydroxydes de fer

Oxydes de Mn

Sulfures métalliques

Carbonates, phosphates

SiO2 amorphe

Ions « simples »

hydratés(e.g. OH-,Cl-,SO4

2-,HS-, Na+,

Ca2+,Mg2+,Cu2+,…)

Hydroxydes de Al

Resultados

Resultados

Como hacer para recuperar las fracciones coloidales; rapidamente, simplemente sin contaminar la muestra?

Célula de ultrafiltración

AMICON 8200

180 mL

60 mL

Entrada del gas

Célula

Sistema de agitación

recuperación del filtrado

Válvula de presión

Membrana

0,5 L

Filtración 0,45µm

Filtración 0,22µm

Ultrafiltración

300kDa

50kDa

30kDa

10kDa

5kDa

Acidificación

Acidificación

Acidificación

Acidificación

Acidificación

Acidificación

Acidificación

Pré-filtración

Resultados

Protocole de prefiltración y de ultrafiltación

Distribución del cadmio en las fracciones coloidales

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0.140

0,45-0,22µm

0,22µm-9 nm

9 nm - 6 nm

6 nm - 5 nm

5 nm - 4 nm

4 nm -2.5 nm

<2.5 nm

Cad

miu

m (

nM

)0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0 5 10 15 20 25 30 35

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0 5 10 15 20 25 30 35

salinity

TDC

d (n

M)

cSalinidad = 0

Iones Hidratados

Óxidos de Fe y Mn

Aluminosilicatos

Agregados húmicos

Bacterias, virus Acidos húmicos y fúlvicos

En el agua dulce el cadmio se asocia de manera preferencial a coloides de gran tamaño > 6 nm (50kDa)

Resultados

Distribución del cadmio en las fracciones coloidales

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0.140

0,45-0,22µm

0,22µm-9 nm

9 nm - 6 nm

6 nm - 5 nm

5 nm - 4 nm

4 nm -2.5 nm

<2.5 nm

Cad

miu

m (

nM

)

La desorpción del metal desde las partículas en suspensión favorece en particular los complejos orgánicos de bajo peso molecular (< 300 kDa) y el metal realmente disuelto (< 10kDa)

Salinité = 10

Acidos húmicos y fúlvicos

Iones Hidratados

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0 5 10 15 20 25 30 35

TD

Cu

(n

M)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0 5 10 15 20 25 30 35

TD

Pb

(n

M)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0 5 10 15 20 25 30 35

salinity

TD

Cd

(n

M)

a

b

c

Resultados

Distribución del cadmio en las fracciones coloidales

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0.140

0,45-0,22µm

0,22µm-9 nm

9 nm - 6 nm

6 nm - 5 nm

5 nm - 4 nm

4 nm -2.5 nm

<2.5 nm

Cad

miu

m (

nM

)

Salinité = 34

Entre 10 y 34 de salinidad existe una disminución importante de la totalidad de formas (dilución). Se notara la aparición de cadmio asociado a coloides de gran dimención.

Óxidos de Fe y Mn

Aluminosilicatos

Agregados húmicos

Bacterias, virus

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0 5 10 15 20 25 30 35

TD

Cu

(n

M)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0 5 10 15 20 25 30 35

TD

Pb

(n

M)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0 5 10 15 20 25 30 35

salinity

TD

Cd

(n

M)

a

b

c

Waeles,Tanguy, Riso., 2008

Resultados

Los últimos resultados

Resultados

Nos estamos interesando al estudio de la distribución coloidal en un año en la zona de

mezcla.

Cd

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0 10 20 30 40

salinité

[Cd

] (n

M)

Novembre

Septembre

Juillet

Juin

Mai

Mars

février

Distribución del cadmio total disuelto

Resultados

- Comportamiento no conservativo independientemente del período del año

Cd juin

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0 5 10 15 20 25 30 35 40

salinité

[Cd

] (n

M)

0,45-0,22µm0,22µm-300kDa300-50kDa50-30kDa

30-10kDa10-5kDa<5kDa

Resultados

Coloides de bajo peso molecular e iones hidratados

Distribución del cadmio en las fracciones coloidales (Junio)

Cd novembre

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 5 10 15 20 25 30 35salinité

[Cd

] (n

M)

0,45-0,22µm0,22µm-300kDa300-50kDa50-30kDa30-10kDa10-5kDa<5kDa

Resultados

Aparición de compuestos orgánicos de bajo peso molecular

Distribución del cadmio en las fracciones coloidales (Noviembre)

Conclusión

-Las técnicas analíticas desarrolladas permiten el estudio de la distribución de las formas químicas metálicas.

-Es posible conocer con una buena precisión la modificación de las formas en la zona de mezcla que constituyen los estuarios.

-Los cálculos de los flujos metálicos pueden ampliarse a las formas metálicas.

- Este tipo de estudio puede permitir avanzar en la comprensión de la interacción entre los metales - y la materia viva en el medio

marino.

Perspectives

-Puesta a punto de una técnica capaz de analizar en las distintas clases de coloides la materia orgánica a fuerte poder complejante de los metales.

-Utilizar la cronopotenciometría con el fin de evaluar la capacidad complejante del medio frente a los metales

-Desarrollo de las técnicas cronopotenciométricas con ultramicroelectrodos.