UMR CNRS 5805 EPOC
Environnements et Paléoenvironnements
Océaniques et Continentaux

        

Consignes de Sécurité et Numéros d'Urgence
(à l'usage des personnels du laboratoire)

B. Deflandre, O. Maire, P. Anschutz, P. Lecroart, J.C. Duchêne, D. Buquet, C. Charbonnier, S. Rigaud

Une grande partie des travaux de recherche de notre groupe repose sur l'étude in situ des processus biogéochimiques dans les sédiments côtiers. Nous étudions principalement la chimie des éléments et composés qui sont liés à la reminéralisation de la matière organique ainsi que le devenir des éléments chimiques sensibles aux conditions redox (c'est-à-dire aux conditions d'oxydation ou de réduction du sédiment). Ces réactions sont souvent les plus intenses dans les premiers centimètres du sédiment où la faune et la flore benthiques vivent et interagissent avec le sédiment modifiant ses propriétés physico-chimiques. Ces processus s'établissent sur des échelles spatiales allant de quelques µm à plusieurs dizaines de cm, et sur des échelles temporelles allant de quelques secondes à plusieurs heures. Notre expertise in situ de la biogéochimie benthique repose sur l'utilisation de techniques innovantes in situ pour mesurer, avec une haute résolution spatiale et temporelle, (1) les distributions verticales et horizontales de nombreux composés chimiques dans le sédiment mais aussi (2) les échanges de matière à l'interface eau-sédiment (ou flux benthique total).

Les microélectrodes

Les microélectrodes ampérométriques et potentiométriques sont monospécifiques (i.e., spécifique à une espèce chimique) avec un diamètre entre 10 et 500 µm. Elles permettent de mesurer les distributions verticales de la concentration de O₂ (typiquement appelée de type Clark) et de H₂S ainsi que le pH dans les sédiments marins avec une résolution spatiale submillimétrique. Avec un temps de réponse souvent très court, ces microélectrodes sont particulièrement adaptées à des mesures haute fréquence (i.e. une mesure de O₂/5s). Nous avons développé un logiciel de traitement des données de O₂, PrO2Flux (Deflandre et Duchêne, 2010) permettant de calculer le flux diffusif de O₂ selon les trois approches numériques les plus couramment utilisées (Fick, modèle quadratique et modèle de Berg).

Notre groupe vient de s'équiper d'un mini-profileur autonome de microélectrodes de type MP6 (Unisense A/S) permettant de mesurer in situ, simultanément et avec une résolution submillimétrique, les distributions verticales de la résistivité (permet d'accéder à la porosité du sédiment), O₂, H₂S et pH. Un déploiement de 4h permet par exemple de mesurer 12 profiles de O₂, 4 résistivité, H₂S et pH jusqu'à 5 cm de profondeur. Un logiciel de traitement des données du profileur, ProbeFlux, en actuellement en cours de développement.

Figure 2 : Mesure in situ de la résistivité, O₂, H₂S et pH à l'aide du profileur benthique MP6 dans le bassin d'Arcachon (Fev. 2013). Exemple de profils verticaux de la porosité (estimée à partir de la mesure de résistivité) et de l'oxygène dissous. Le flux diffusif est calculé à l'aide de PROFLUX et du modèle de Berg (1998).

La microélectrode voltammétrique à amalgame d'or Au/Hg nous permet d'élargir notre gamme d'espèces chimiques analysables in situ en y incluant la mesure simultanée de la plupart des espèces redox - O₂, HS^-, I^-, Fe²⁺, Mn²⁺, FeS, Fe³⁺ - impliquées dans les processus de diagenèse précoce des sédiments. Initialement développée par Brendel et Luther (1995), nous avons optimisé cette technique pour une utilisation en condition in situ jusqu'à des profondeurs de 40 m. Notre unité voltammétrique in situ est composée d'un lander sur lequel est fixé un micromanipulateur submersible permettant de descendre simultanément, avec une résolution millimétrique, jusqu'à 8 électrodes voltammétriques. Les électrodes sont reliées à un potentiostat, DLK-100A, (AIS Inc.) par un câble de 50 m équipé d'un système transmetteur/récepteur et d'un amplificateur du signal. Ce travail est réalisé en collaboration avec Edouard Metzger (Univ. Angers) et Donald Nuzzio (AIS, USA).

Figure 3 : Lander avec microélectrodes voltammétriques in situ dans le Bassin d'Arcachon (Avril 2009). Exemple de distributions verticales des principales espèces redox mesurées dans les vases nues du bassin d'Arcachon (Delgard et al., 2012).


Les techniques de gel de type DET (Diffusive Equilibration in Thin-films)

Les DETs (Diffusive Equilibration in Thin-films ; Davison et al., 1991) sont des supports plats composés de 72-75 compartiments d'environ 0,8 mm (environ 75µL) dans lesquels est coulée une solution d'Agarose à 1,5%. Une fois le DET mis en place, les espèces chimiques du milieu de mesure se déplacent dans le gel par diffusion jusqu'à ce que les concentrations entre le milieu ambiant et le gel soient égales (temps d'équilibration: 6-12 heures). Nous utilisons des DETs pour mesurer les éléments majeurs (e.g. SO₄^2-, Cl_-, ΣCO₂ voire NH₄⁺) ainsi que les espèces métalliques dissoutes (e.g. Mn²⁺, Fe²⁺) avec une résolution millimétrique.

Figure 4 : Schéma d'un DET (Metzger, 2004). Photo sous-marine (©Jezequel) de DETs installés dans la Baie de Banyuls sur mer (projet MESO-PNEC). Exemple de profils verticaux de la concentration de manganèse et de fer dissous dans les sédiments du Bassin d'Arcachon (Mars 2005/mai 2006).


Les techniques de peepers

Aucun senseur électrochimique ou optique n'est disponible à ce jour pour mesurer les sels nutritifs (e.g. NO₃^-, NO₂^- et NH₄⁺) ou le carbone organique dissous dans les sédiments marins, et ce malgré leur rôle particulièrement important dans la biogéochimie sédimentaire. Certains éléments chimiques sont même présents en très faible concentration dans le sédiment (ex. nitrate dans le bassin d'Arcachon) limitant l'utilisation des DETs décrits précédemment. Une alternative intéressante est l'utilisation de dialyseur de type peeper. Il s'agit de supports plats en plastique composés de 55 compartiments d'environ 10 mm (environ 5 mL) dans lesquels est placée de l'eau. Une fois en place, les espèces chimiques du milieu se déplacent dans le peeper par diffusion jusqu'à ce que les concentrations entre le milieu ambiant et le peeper soient égales (temps d'équilibration : 15-30 jours). Ils sont utilisés pour mesurer les éléments majeurs/mineurs (e.g. NO₃^-, NO₂^-, SO₄^2-, salinité, ΣCO₂ voire NH₄⁺) ainsi que les espèces métalliques dissoutes (e.g. Mn²⁺, Fe²⁺, trace) avec une résolution centimétrique.

Figure 5 : Un Peeper placé dans un sédiment colonisé par Zostera noltii dans le Bassin d'Arcachon (Mai 2011). Exemple de distributions verticales de la concentration en phosphate, fer dissous, sulfures et sulfate dans des sédiments du bassin (Avaro, 2012).


Les techniques de rhizons (ou bougies poreuses)

Une alternative intéressante dans les sédiments perméables où il est laborieux de récupérer de l'eau interstitielle, consiste à utiliser des rhizons (ou bougies poreuses) afin de prélever in situ et avec une haute fréquence d'échantillonnage jusqu'à 6 mL d'eau interstitielle avec une résolution centimétrique.

Figure 6 : Mise en place de rhizons sur les plages sableuses du Bassin d'Arcachon (Janvier 2008). Exemple de distributions verticales de la concentration en silice dissoute dans des sédiments marins (d'après Seeberg-Elverfeldt et al., 2007).


Les capteurs autonomes

Notre groupe possède trois types de capteurs de mesure autonomes :

• des enregistreurs autonomes de type SDOT300 (NKE) qui permettent l'acquisition et l'enregistrement des mesures de concentration et de saturation de l'oxygène dissous et de la température. L'enregistreur utilise un capteur optique de type optode Aanderaa modèle 3835 (SDOT300) ou 4330F (réponse rapide; SDOT300).
• des enregistreurs autonomes de type STPS (NKE) qui permettent de mesurer et d'enregistrer la température, la conductivité (salinité) et la pression (profondeur).
• un enregistreur SPAR (NKE) qui permet de mesurer et d'enregistrer le rayonnement actif pour la photosynthèse (PAR: Photosynthetically Active Radiation). Il utilise un capteur LI-COR Plat. L'énergie lumineuse reçue s'exprime en µmol.m^-2.s^-1.

Les applications sont diverses: (i) mesure de l'évolution temporelle de O₂ dans les sédiments perméables, (ii) mesure en continu des paramètres de la colonne d'eau, et (iii) mesure du flux benthique total de O₂ à l'aide de chambres benthiques.

L'eddy-covariance aquatique

Il s'agit d'une technique non invasive développée par Peter Berg et al. (2003) permettant de mesurer rapidement (64Hz) et simultanément la composante verticale de l'hydrodynamisme (ADV) et la concentration en O₂ (microélectrode O₂) au sein d'un même volume d'eau situé à quelques cm au dessus du fond afin de déterminer le flux benthique de O₂. Elle est applicable sur tout type de sédiment: cohésif, perméable, substrat dur (corail, maërl) ou colonisés par des herbiers. Sa résolution temporelle permet de caractériser la dynamique du flux benthique de O₂ sur des échelles diurne et tidale.

La mesure est intégrée sur une grande surface de sédiment (la footprint) allant de quelques dm² à plusieurs dizaines de m² selon la vitesse du courant, la rugosité du sédiment et la position de la microélectrode par rapport au sédiment. Ce travail est réalisé en collaboration avec Filip Meysman (NIOZ, Pays-bas).

Figure 9 : Système d'eddy-covariance aquatique pour la mesure in situ du flux benthique totale de O₂ dans le bassin d'Arcachon (Janv. 2013). Exemple de résultats bruts obtenu montant la dynamique du flux total de O₂ dans le chenal de Courbey (Bassin d'Arcachon). Données acquises pendant le stage postdoctoral du Dr P. Polsenaere.


Les chambres benthiques

Les cloches benthiques ont un diamètre interne de 20 cm. Elles sont composées de deux valves pour les prélèvements d'eau (pour la mesure des flux benthiques de nutriments) et deux sondes autonomes: un SDOT300 (NKE) équipé d'optode 3850 (Aanderaa) pour la mesure continue de O2 et T, et une sonde SPTS (NKE) pour la mesure de la pression, de la température et de la salinité. La variation de salinité résultant de l'ajout d'un volume connu d'eau douce en fin d'incubation permet d'évaluer le volume réel de la cloche. Un système central d'agitation assure l'homogénéisation du volume d'eau de la cloche sans causer la resuspension du sédiment. Ce système est en cours de développement. La version finale sera composée de 2 cloches transparentes pour mesurer les processus de photosynthèse et de respiration, et 4 cloches opaques pour mesurer la respiration.

Le carottier multitubes Carottier d'interface de type MC600 (Oktopus GmbH, Allemagne) qui permet de prélever simultanément 6 carottes de sédiment (60 cm de long et 10 cm de diamètre) avec une interface eau-sédiment parfaitement bien préservée. Spécifiquement dimensionné pour être utilisable dans le Bassin d'Arcachon à partir du navire de station Planula IV. Figure 11 : Le carottier d'interface MC600 Oktopus GmbH au cours de la mission BIOMIN-3 dans le Golfe de Gascogne (Juillet 2012) et exemple de carotte de sédiment obtenue avec cet outil de prélèvement.

Le carottier monotube Carottier d'interface Uwitec (Autriche), léger et très maniable, qui permet de prélever une carotte de sédiment (60 ou 120 cm de long et 10 cm de diamètre) avec une interface eau-sédiment parfaitement bien préservée. Utilisable à partir d'une petite embarcation de type zodiac ou barque. Figure 12 : Le carottier d'interface Uwitec en cours d'utilisation.