Géochimie du cadmium dans un lac oligotrophe acide

Abstract

Au cours du dernier siècle, les émissions des métaux dans l'atmosphère ont augmenté considérablement. Ces éléments peuvent être transportés dans les aérosols sur de longues distances et être déposés sur les écosystèmes aquatiques et terrestres loin des sources d'émission. Cependant, l'accumulation des métaux dans les écosystèmes aquatiques n'est généralement pas équivalente aux flux atmosphériques; il y a plusieurs facteurs spécifiques au bassin versant, aux systèmes aquatiques eux-mêmes et au comportement chimique des métaux qui peuvent influencer leur transport dans la colonne d'eau et leur accumulation dans les sédiments. Les lacs sont des récepteurs importants de ces métaux traces et supportent une vie aquatique diversifiée d'où l'importance de comprendre les processus physiques et biogéochimiques qui contrôlent la mobilité et la distribution de ces métaux.

Malgré leur importance, peu d'études systématiques ont été réalisées sur la géochimie des métaux traces dans les lacs. La plupart de ces travaux impliquent des lacs productifs, de pH élevé et très peu d'information concerne les lacs oligotrophes, pourtant abondants en Amérique du Nord. Nous avons choisi d'étudier la géochimie du cadmium dans ce type de lac parce qu'il est un métal toxique pour le biota et que les organismes planctoniques et benthiques peuvent l'accumuler facilement; de plus, les émissions de Cd dans l'atmosphère sont encore importantes et font actuellement l'objet de mesures de contrôle. Nous avons voulu comprendre avec ce travail, les processus qui contrôlent le transfert de Cd de la colonne d'eau vers les sédiments et les processus responsables de l'accumulation de Cd dans les sédiments.

Une étude systématique des profils de concentration du Cd dissous et d'autres éléments en fonction de la profondeur dans la colonne d'eau a été réalisée durant la période de stratification du lac Tantaré (mai - novembre); ce lac est situé dans une réserve écologique à 40 km au nord de la ville de Québec et à la limite sud du plateau précambrien des Laurentides. Pour la mesure de ces profils on a utilisé des dialyseurs (à 8 reprises) et des échantillonneurs à gel (DGT; Diffusion Gradients in Ihin films) à 3 reprises. On a observé que les concentrations de Cd ne changent pas appréciablement dans la colonne d'eau pendant la période de stratification; elles ne changent pas non plus appréciablement en fonction de la profondeur à l'exception de quelques faibles variations, principalement dans le métalimnion et dans l'hypolimnion, attribuées au relargage du métal lors de la décomposition de la matière organique. L'application de la technique DGT dans sa conception actuelle dans les eaux de faible contenu en cations est limitée par les effets électriques dus à la co-diffusion des ions à travers le gel de diffusion qui nous amènent à surestimer les concentrations de Cd in situ.

Afin de comprendre comment le Cd est transporté vers les sédiments, nous avons utilisé des trappes à sédiment (à 8 reprises) pour récolter des particules dans l'hypolimnion. La composition de ces particules est dominée par la matière organique d'origine allochtone (substances humiques) provenant du bassin versant et par les oxydes de Fe probablement formés dans le lac. La corrélation positive du flux particulaire de Cd avec ceux de ces deux phases solides est un indice que le métal est très probablement associé à ces substrats durant son transport vers le sédiment.

Abstract (AI English translation)

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Over the past century, emissions of metals into the atmosphere have increased dramatically. These elements can be transported in aerosols over long distances and be deposited on aquatic and terrestrial ecosystems far from emission sources. However, the accumulation of metals in aquatic ecosystems is generally not equivalent to atmospheric fluxes; there are several factors specific to the watershed, the aquatic systems themselves, and the chemical behavior of metals that can influence their transport through the water column and their accumulation in sediments. Lakes are important receptors of these trace metals and support a diverse aquatic life hence the importance of understanding the physical and biogeochemical processes that control the mobility and distribution of these metals.

Despite their importance, few systematic studies have been performed on the geochemistry of trace metals in lakes. Most of this work involves productive, high pH lakes and very little information concerns oligotrophic lakes, which are abundant in North America. We chose to study the geochemistry of cadmium in this type of lake because it is a toxic metal for biota and planktonic and benthic organisms can easily accumulate it; in addition, Cd emissions into the atmosphere are still significant and are currently being controlled. We wanted to understand with this work, the processes that control the transfer of Cd from the water column to the sediments and the processes responsible for the accumulation of Cd in the sediments.

A systematic study of the concentration profiles of dissolved Cd and other elements as a function of depth in the water column was carried out during the stratification period of Lake Tantaré (May - November); this lake is located in an ecological reserve 40 km north of Quebec City and at the southern limit of the Precambrian plateau of the Laurentians. For the measurement of these profiles, dialyzers were used (8 times) and gel samplers (DGT; Diffusion Gradients in Ihin films) 3 times. It has been observed that Cd concentrations do not change appreciably in the water column during the stratification period; they also do not change appreciably with depth except for some small variations, mainly in the metalimnion and in the hypolimnion, attributed to the release of metal during the decomposition of organic matter. The application of the DGT technique in its current design in waters of low cation content is limited by the electrical effects due to the co-diffusion of ions through the diffusion gel which leads us to overestimate the Cd concentrations in situ. .

In order to understand how Cd is transported to sediments, we used sediment traps (8 times) to collect particles in the hypolimnion. The composition of these particles is dominated by organic matter of allochthonous origin (humic substances) coming from the watershed and by Fe oxides probably formed in the lake. The positive correlation of the Cd particle flux with those of these two solid phases is an indication that the metal is most likely associated with these substrates during its transport to the sediment.