Competition between particles and dissolved organic matter for trace metal binding in unpolluted soil solutions: Monitoring and thermodynamic approaches

• Autores: Aurélie Pelfrene, Nathalie Gassama
• Localización: Bulletin de la Société Géologique de France, ISSN 0037-9409, Vol. 183, Nº. 3, 2012, págs. 189-201
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Complexation des métaus traces dans des solutions de sols non pollués: compétition entre la phase particulaire et les composés organiques dissous --confrontation des données de terrain et des calculs thermodynamiques
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• Resumen
  • English

    In this study, monitoring and thermodynamic approaches were combined in order to identify the dominant features, which control the speciation of Cd, Cu, Pb, and Zn in solutions from unpolluted planosolic soil (North Massif Central, France). Three sites were selected according to topography and monitored from January to May 2006 using piezometers. The sandy-loam to clay-loam organic-rich horizon (horizon A) and the gravely and concretion-rich horizon (horizon E) were chosen to assess the potential impact of type of horizon on the chemical speciation of metals in the soil solutions. Binding of metals to organic ligands was studied by differential pulse anodic stripping voltammetry (DPASV) in order to acquire experimental data which could be used for the validation of speciation models. These data, together with data from the literature on properties of natural particulate matter, were used to determine the speciation of Cd, Cu, Pb and Zn with a thermodynamic code (PHREEQC). The observed and predicted speciation were compared to estimate the contributions of natural dissolved organic matter and of particles to the binding of metal ions. There was a good match between observed and predicted results, validating the approach used. Results show that particles (mixed iron and aluminium oxides ± clays ± organic matter) play the main role in the speciation of the trace metals in soil waters rather than complexation with dissolved organic matter. Moreover, particles govern speciation to a greater extent in horizon E than in horizon A, which can be linked to hydrodynamics (reaction time between water and soil due to porosity) and chemical reactivity of the solution circulating.

  • français

    Dans cette étude, deux approches (approche terrain et approche thermodynamique) ont été couplées pour étudier la spéciation de Cd, Cu, Pb et Zn dans des eaux de subsurface circulant dans un sol non anthropisé de type planosol (nord du Massif central, France). Trois stations ont été sélectionnées sur un transect topographique au niveau desquelles les eaux du sol ont été prélevées de janvier à mai 2006. L'horizon éluvial appauvri et blanchi (horizon A) et l'horizon concrétionné riche en oxyhydroxydes de fer et de manganèse (horizon E) ont été choisis afin d'évaluer l'impact potentiel de la nature de l'horizon sur la spéciation chimique des métaux dans les solutions de sol. Les affinités potentielles des métaux avec les ligands organiques ont été déterminées expérimentalement par voltamétrie (DPASV) ; celles avec les matières particulaires naturelles ont été prises dans la littérature. L'ensemble de ces données a été utilisé pour déterminer la spéciation de Cd, Cu, Pb et Zn par calcul thermodynamique (PHREEQC). La spéciation des métaux prédite par le modèle a été comparée à celle observée sur le terrain afin d'estimer les contributions des composés organiques dissous et des particules minérales et/ou organiques vis-à-vis de Cd, Cu, Pb et Zn. Les résultats obtenus (prédits/observés) sont en accord et permettent de valider l'approche proposée. Les résultats montrent que les métaux traces étudiés ont des affinités beaucoup plus fortes pour les réactions de surface avec les particules mixtes (oxydes de fer et d'aluminium +- argiles +- matière organique) que pour les réactions de complexation en solution avec les composés organiques dissous. La régulation de la spéciation par la phase particulaire est plus forte dans l'horizon E que dans l'horizon A, et est principalement liée à la texture du sol (et donc la porosité) et à l'hydrodynamique du système.