Chapitre I : Synthèse bibliographique
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Au cours de la décroissance du potentiel d’oxydation, différentes espèces vont alors
successivement se réduire : le dioxygène dissous, le nitrate, les hydroxydes de fer et de
manganèse et finalement le sulfate (Lesven, 2008).
A- La respiration :
L’oxygène est le premier oxydant a être activement consomme des l’interface eau-sédiment. Sa
consommation utilisée pour la dégradation de la matière organique, également appelée
respiration aérobie, est modélisée par la réaction suivante :
CH 2 O(s) + O 2 → CO 2 + H 2 O (ΔG°= - 479 kJ.mol
-1
).
La profondeur de pénétration de l’oxygène dépend avant tout de la quantité de matière organique
présente. Ainsi, dans les sédiments pélagiques dits profonds, la faible teneur en matière
organique va limiter la consommation en oxygène qui sera alors présent sur plusieurs
centimètres.
En revanche, pour des sédiments peu profonds riches en matière organique (rivières, zones
côtières subissant d’importants « upwellings »), l’oxygène est très vite consomme et disparait
souvent des les premiers millimètres. L’énergie libérée lors de la première phase de
décomposition de la matière organique conduit a l’intervention d’un autre oxydant, le nitrate.
B- La dénitrification :
L’azote est apporte au sédiment principalement par le biais de la matière organique. Cet azote
organique conduit, par hydrolyse, a la production de l’ion ammonium, qui a son tour, est oxyde
par les bactéries en nitrite puis en nitrate. Si le milieu est réducteur, ce qui est généralement le
cas dans les sédiments, le nitrate est réduit en azote gazeux par les bactéries dénitrifiantes.
La réduction du nitrate s’accompagne d’une oxydation du carbone organique selon la réaction
type suivante :
5CH 2 O(s) + 4NO 3
-
→ 2N 2 + 4HCO 3
-
+ CO 2 + 3H 2 O (ΔG°= - 453 kJ.mol
-1
).
Dans les sédiments fluviaux, la dénitrification est souvent limitée aux centimètres supérieurs.
Le nitrate est complètement réduit dés les 2 à 3 premiers centimètres étant donne le faible flux du
nitrate de la colonne d’eau vers le sédiment.
C- La réduction des hydroxydes de fer et de manganèse :
Sous la zone de réduction du nitrate, les oxydes et les hydroxydes de fer et de manganèse sont les
oxydants les plus puissants. Le fer et le manganèse sont présents dans le sédiment sous forme de
minéraux composes d’un mélange complexe d’oxydes et d’hydroxydes. L’avancement de la
décomposition de la matière organique induit un déséquilibre des oxydes de manganèse (III et
IV) et de fer (III). Ces derniers sont réduits sous forme d’ions libres Mn
+2
et Fe
+2
, qui diffusent
alors dans l’eau interstitielle. Il est a noter que les oxydes de fer jouent un rôle plus actif que
celui joue par les oxydes de manganèse du fait de leur abondance dans le sédiment.
CH 2 O(s) + 3CO 2 + 2H 2 O + 2MnO 2 (s) → 2Mn
+2
+ 4HCO 3
-
+ H 2 O (ΔG°= -349 kJ.mol
-1
).
CH 2 O(s) + 7CO 2 + 4Fe (OH) 3 (s) → 4Fe 2 + + 8HCO 3
-
+ 3H 2 O
(ΔG°= -114 kJ.mol
-1
).
D- La réduction du sulfate :
Mise a part la réduction à haute température dans les systèmes hydrothermaux, le sulfate est
stable d’un point de vue thermodynamique. Il n’y a donc pas, ou pratiquement pas, de réduction
purement chimique du sulfate dans le sédiment. Cette réduction est très majoritairement
d’origine biologique, contrôlée par les bactéries sulfato-réductrices. Elle peut être formalisée par
la réaction suivante :
2CH 2 O(s) + SO4 2
-
→ HS
-
+ 2HCO 3
-
+ H
+
(ΔG°= -77 kJ. mol
-1
).
La production de sulfure lors de la diagenèse précoce est souvent déterminante pour le devenir
d’un certain nombre de métaux présents ou non a l’état de traces, comme Fe, Mn, Pb, Cd, Hg,
Cu, As et Zn.
L’étude du cycle du soufre dans les sédiments est donc primordiale lorsque l’on s’intéressé à la
répartition des ETM dans les eaux interstitielles et les particules, ainsi qu’a leur biodisponibilité.
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Au cours de la décroissance du potentiel d’oxydation, différentes espèces vont alors
successivement se réduire : le dioxygène dissous, le nitrate, les hydroxydes de fer et de
manganèse et finalement le sulfate (Lesven, 2008).
A- La respiration :
L’oxygène est le premier oxydant a être activement consomme des l’interface eau-sédiment. Sa
consommation utilisée pour la dégradation de la matière organique, également appelée
respiration aérobie, est modélisée par la réaction suivante :
CH 2 O(s) + O 2 → CO 2 + H 2 O (ΔG°= - 479 kJ.mol
-1
).
La profondeur de pénétration de l’oxygène dépend avant tout de la quantité de matière organique
présente. Ainsi, dans les sédiments pélagiques dits profonds, la faible teneur en matière
organique va limiter la consommation en oxygène qui sera alors présent sur plusieurs
centimètres.
En revanche, pour des sédiments peu profonds riches en matière organique (rivières, zones
côtières subissant d’importants « upwellings »), l’oxygène est très vite consomme et disparait
souvent des les premiers millimètres. L’énergie libérée lors de la première phase de
décomposition de la matière organique conduit a l’intervention d’un autre oxydant, le nitrate.
B- La dénitrification :
L’azote est apporte au sédiment principalement par le biais de la matière organique. Cet azote
organique conduit, par hydrolyse, a la production de l’ion ammonium, qui a son tour, est oxyde
par les bactéries en nitrite puis en nitrate. Si le milieu est réducteur, ce qui est généralement le
cas dans les sédiments, le nitrate est réduit en azote gazeux par les bactéries dénitrifiantes.
La réduction du nitrate s’accompagne d’une oxydation du carbone organique selon la réaction
type suivante :
5CH 2 O(s) + 4NO 3
-
→ 2N 2 + 4HCO 3
-
+ CO 2 + 3H 2 O (ΔG°= - 453 kJ.mol
-1
).
Dans les sédiments fluviaux, la dénitrification est souvent limitée aux centimètres supérieurs.
Le nitrate est complètement réduit dés les 2 à 3 premiers centimètres étant donne le faible flux du
nitrate de la colonne d’eau vers le sédiment.
C- La réduction des hydroxydes de fer et de manganèse :
Sous la zone de réduction du nitrate, les oxydes et les hydroxydes de fer et de manganèse sont les
oxydants les plus puissants. Le fer et le manganèse sont présents dans le sédiment sous forme de
minéraux composes d’un mélange complexe d’oxydes et d’hydroxydes. L’avancement de la
décomposition de la matière organique induit un déséquilibre des oxydes de manganèse (III et
IV) et de fer (III). Ces derniers sont réduits sous forme d’ions libres Mn
+2
et Fe
+2
, qui diffusent
alors dans l’eau interstitielle. Il est a noter que les oxydes de fer jouent un rôle plus actif que
celui joue par les oxydes de manganèse du fait de leur abondance dans le sédiment.
CH 2 O(s) + 3CO 2 + 2H 2 O + 2MnO 2 (s) → 2Mn
+2
+ 4HCO 3
-
+ H 2 O (ΔG°= -349 kJ.mol
-1
).
CH 2 O(s) + 7CO 2 + 4Fe (OH) 3 (s) → 4Fe 2 + + 8HCO 3
-
+ 3H 2 O
(ΔG°= -114 kJ.mol
-1
).
D- La réduction du sulfate :
Mise a part la réduction à haute température dans les systèmes hydrothermaux, le sulfate est
stable d’un point de vue thermodynamique. Il n’y a donc pas, ou pratiquement pas, de réduction
purement chimique du sulfate dans le sédiment. Cette réduction est très majoritairement
d’origine biologique, contrôlée par les bactéries sulfato-réductrices. Elle peut être formalisée par
la réaction suivante :
2CH 2 O(s) + SO4 2
-
→ HS
-
+ 2HCO 3
-
+ H
+
(ΔG°= -77 kJ. mol
-1
).
La production de sulfure lors de la diagenèse précoce est souvent déterminante pour le devenir
d’un certain nombre de métaux présents ou non a l’état de traces, comme Fe, Mn, Pb, Cd, Hg,
Cu, As et Zn.
L’étude du cycle du soufre dans les sédiments est donc primordiale lorsque l’on s’intéressé à la
répartition des ETM dans les eaux interstitielles et les particules, ainsi qu’a leur biodisponibilité.