Indicateur de pression geochimique

INDICATEUR DE PRESSION GEOCHIMIQUE

En Nouvelle-Calédonie, l’industrie minière du nickel date de la fin du XIXème siècle. Elle est actuellement en plein essor et grâce à ses gisements latéritiques estimés à 25% des réserves connues à ce jour, le Territoire figurera, à l’horizon 2010-2012, parmi les trois premiers producteurs mondiaux. A terme, l’activité minière à ciel ouvert demandera la déforestation de plusieurs centaines de kilomètres carrés (400 à 500) de sols en Nouvelle-Calédonie. Cet essor industriel a rapidement conduit vers la mise en place de suivis environnementaux sur le milieu marin. Répondre à cette demande, c’est avant tout, proposer des indicateurs objectifs, robustes et opérationnels, en adéquation avec les objectifs et actions de gestion garantissant l’optimisation du rapport coût /efficacité. Le dosage des concentrations en métaux dissous dans les eaux de mer est un des indicateurs de pression indispensable à surveiller.

L’analyse des métaux dissous par les techniques « classiques » repose sur l’utilisation d’une méthodologie d’échantillonnage « ultra-propre » et la mise en œuvre de méthodes d’extraction/concentration et d’analyses complexes. Une technique optimisée a été développée par l’IRD pour répondre aux besoins de la NouvelleCalédonie (Moreton et al., 2009). Toutefois, pour diminuer les fréquences d’échantillonnage inhérentes aux fluctuations naturelles et anthropiques et effectuer des parallèles avec les informations fournies par les bioaccumulateurs (échantillonneur actif), il est intéressant de mettre en œuvre des techniques intégratrices. D’autre part, ce type de technique permet de lisser les phénomènes marginaux (crues, déversements accidentels, …) pour ne prendre en considération, pour les suivis environnementaux, que l’évolution moyenne des valeurs de concentration en contaminant du milieu.

L’utilisation d’échantillonneurs passifs (par exemple : Diffusive Gradient in Thin film ; DGT) en milieu marin permet, pour certains composés (métaux dans le cas des DGT), de les extraire et de les concentrer in situ réduisant ainsi une partie des difficultés (et du coût) liées à l’analyse des contaminants à l’état de traces (conditionnement du matériel nécessaire, échantillonnage, filtration et traitement de l’échantillon avant analyse, contaminations possibles lors de ces différentes opérations). Le dispositif DGT est composé d’un support plastique, sur lequel sont disposés successivement une phase pour laquelle les cations métalliques ont une très forte affinité (résine), un hydrogel de diffusion d’épaisseur connue et un filtre de protection (membrane) en polycarbonate (Figure 1). Les cations métalliques migrent à travers le gel de diffusion et se fixent de façon irréversible sur la résine. La diffusion, contrôlée par les propriétés physiques du gel, ainsi que la température et la concentration en métal dans le milieu à échantillonner, déterminent la cinétique d’accumulation sur la résine.

OBJECTIFS 

L’étude des échantillonneurs passifs DGT entre dans le cadre des demandes de développement souhaitées par le CNRT. Ce projet a pour objectif d’améliorer la connaissance sur les potentialités et les performances de ces dispositifs en étudiant notamment l’influence de la formation de « bio-salissures » (biofilm) à la surface des DGT et/ou le colmatage potentiel des dispositifs par les particules latéritiques micrométriques en suspension. Les performances des DGT dépendent d’un certain nombre de paramètres qui doivent se maintenir constants dans le temps et notamment les caractéristiques de la surface et l’épaisseur de la membrane disponible à travers laquelle les métaux diffusent jusqu’à la résine. Le développement d’un biofilm sur cette interface peut donc poser un problème en modifiant le taux de transfert des métaux à l’interface entre la résine . Le volet expérimental de laboratoire a été conduit par l’intermédiaire d’un radiotraceur Ni-63. En effet, pour déterminer au mieux les conséquences du biofilm, l’utilisation d’un radiotraceur permet de s’affranchir des problèmes de discrimination des masses de Ni accumulées pendant les phases successives d’exposition sur le terrain et d’expérimentation en laboratoire. Sur certaines stations expérimentales, des immersions en double ont été réalisées afin de comparer les résultats par analyse en ICP-OES et ICP-MS. D’une manière plus précise, il s’agit dans cette étude de valider l’utilisation des échantillonneurs passifs ‘DGT’ dans les conditions physico-chimiques et climatiques rencontrées dans les milieux tropicaux et en particulier dans le lagon de la Nouvelle-Calédonie.

METHODOLOGIE

ZONE D’ETUDE ET CONDITIONS DE MOUILLAGES 

Quatre stations ont été sélectionnées dans des zones contrastées en termes d’influences par différents types d’apports terrigènes/marins et donc susceptibles de présenter un développement de biofilms différents. Par ailleurs, ces quatre zones couvrent l’ensemble des conditions globalement présentes en Nouvelle-Calédonie, il s’agit des sites suivants :
1. Sèche Croissant : haut fond situé dans la zone mi-lagunaire, peu ou pas soumise à une influence terrigène ;
2. Baie de Boulari : baie estuarienne recevant de forts apports terrigènes par la rivière de La Coulée ;
3. Baie Saint Marie (bord ouest) : zone potentiellement soumise à des apports en sels nutritifs et composés organiques provenant d’émissaires urbains au droit de l’ilot; un potentiel de développement important/rapide du biofilm est donc à craindre ;
4. Grande Rade : baie soumise à des apports conjoints en sels nutritifs, en effluents industriels et en particules terrigènes.

Par ailleurs, ces quatre stations constituent un panel de concentrations en métaux représentatif des niveaux observés en Nouvelle Calédonie, à savoir : les zones côtières (soumises aux influences terrigènes avec forte présence en métaux dissous) jusqu’à la zone lagonaire (peu ou pas impactée par l’influence terrigène avec une faible concentration en métaux). Afin d’étudier les différentes conditions climatiques régnant en Nouvelle-Calédonie qui pourraient influencer le développement du biofilm et, par conséquence, le fonctionnement du dispositif de DGT, les expériences ont été conduites pendant deux périodes caractéristiques des variables saisonnières statistiquement rencontrées en Nouvelle-Calédonie, notamment en termes de température, d’ensoleillement et également de développement de l’activité biologique.

ETUDE EXPERIMENTALE SUR L’INFLUENCE DU BIOFILM 

Pour évaluer l’influence du biofilm avec le radiotraceur Ni-63, les DGT ont été déployées à chacune des quatre stations, en « saison chaude » et en « saison fraiche » entre 1 et 28 jours. Pour chaque station, à la fin de chaque période d’immersion, toutes les DGT ont été relevées simultanément et transférées au laboratoire. Les DGT récupérées dans les quatre stations d’étude ont été immergées dans un bac contenant une solution dopée en Ni-63 pendant une période de 24 heures. Afin de quantifier l’effet du biofouling, la quantité de Ni-63 accumulée dans chaque résine a été rapportée à la quantité mesurée dans la DGT témoin (sans biofilm). Au terme des 24 heures d’immersion, les DGT ont ensuite été démontées et le Ni-63 accumulé sur les résines a été dosé par scintillation liquide. En plus des comptages en Ni-63 accumulé sur la résine, les biofilms ont également été analysés pour déterminer la quantité de radiotraceur retenue par celui-ci et évaluer le ratio de radioactivité biofilm/résine. En parallèle de l’étude de traçage avec le Ni-63, une deuxième étude avec les métaux stables a été conduite pour évaluer l’influence du biofouling in-situ, sur quatre triplicats de DGT immergées sur les sites «SècheCroissant » et « Grande Rade ». Sur chaque station, les DGT ont été déployées durant 3 à 14 jours. A la fin des périodes d’immersion, les résines de chaque DGT ont été substituées par de la résine neuve, puis les DGT ont été, à nouveau, remises à l’eau pour 4 jours d’exposition supplémentaire. Au terme de ce délai, les DGT ont été à nouveau récupérées pour analyser les métaux retenus. Le résultat d’analyse permet de préciser le rôle du biofouling à différents moments de l’expérimentation, en termes de relargage et/ou de rétention des différentes formes des métaux présents dans la colonne d’eau. Lors de chaque sortie (immersion et récupération des DGT), les principaux paramètres physico-chimiques ont été mesurés et des prélèvements d’eau pour diverses analyses ont été réalisés afin de cerner les conditions les plus propices à la formation des biofilms.

COMPARAISON ENTRE DIFFERENTES TECHNIQUES ANALYTIQUES 

En parallèle de l’étude sur le développement du biofilm sur les DGT, le travail a également porté sur l’intercomparaison des résultats d’analyses obtenus par les techniques ICP-OES et ICP-MS. L’ICP-OES étant moins sensible que l’ICP-MS, plusieurs systèmes d’optimisation ont été testés et notamment le couplage d’un nébuliseur ultrason ou d’un micro-nébuliseur.

Table des matières

AVANT PROPOS
CONTEXTE ET POSITIONNEMENT DU PROJET
DESCRIPTION SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE DU PROJET
Etat de l’art
Objectifs, caractère ambitieux/novateur et pertinence du projet
PROGRAMMATION SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE, ORGANISATION DU PROJET
Volet 1 : Indicateurs de pression
Volet 2 : Indicateurs d’impact biologique
I. INDICATEUR DE PRESSION GEOCHIMIQUE
INTRODUCTION
OBJECTIFS
METHODOLOGIE
Zone d’étude et conditions de mouillages
Etude ExperimentalE sur l’influence du biofilm
Comparaison entre differentES techniqueS analytiqueS
RESULTATS
Paramètres physico-ChimiqueS
Observations visuelles du biofilm
effet du biofilm
Comparaison des techniques analytiques
CONCLUSION
II. INDICATEUR DE PRESSION PARTICULAIRE
CONTEXTE ET OBJECTIFS
METHODOLOGIE
Site d’études et campagnes de mouillages
Echantillonnage des Matières en Suspension
Paramètres physiques et géochimiques suivis
CONCLUSION
III. INDICATEUR DE PRESSION SEDIMENTAIRE
INTRODUCTION
MATERIEL ET METHODE
Analyses chimiques
Diffraction des rayons X
Vitesse de sédimentation
Analyses chimiques au microscope électronique à transmission
RESULTATS
Impact des mines sur la composition chimique du lagon
Age des sédiments
Nature des minéraux argileux
Composition chimique de la fraction argileuse
CONCLUSION
IV. BIO-SURVEILLANCE ACTIVE
CONTEXTE ET OBJECTIFS
METHODE
Principales caractéristiques des espèces cibles
Pinctada maculatA
Modiolus auriculatus
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
V. TESTS DE TOXICITE
INTRODUCTION
Contexte : écotoxicologie et surveillance
Objectifs de l’étude
Problématique et approche d’étude
METHODOLOGIE
RESULTATS CARACTERISTIQUES
Intercalibration, sensibilité et seuils d’innocuité, vis-à-vis des métaux, minerais et sédiments marins
Outils cartographique intégré de gestion de la toxicité (Pourcentage de Risque Net PRN et kriegeage)
AVANTAGES ET SIGNIFICATIVITE
Simplicité/compréhension
Représentativité environnementale
Compartiments d’étude et substances toxiques
Validité spatiale
Validité temporelle
Recommandations d’utilisation des bioessais
CONCLUSION
VI. CONCLUSION GENERALE

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