Characterization and contribution of colloidal fraction in the mobility and bioavailability of sedimentary phosphorus
Caractérisation et contribution de la fraction colloïdale dans la mobilité et la (bio)disponibilité du phosphore sédimentaire
Résumé
The mobilization of phosphorus (P) from sediment is a persistent internal nutrient source sustaining eutrophication, especially in reservoir. Current knowledge about sedimentary P release does not consider colloidal form, although it is well-known for its efficiency as P-carrier, its high mobility and potentially bioavailability. This thesis provides new constraints to place sedimentary colloids and sedimentary colloidal P into light concerning their important stock and release potential in the reservoir. Colloids are shown to be an intrinsic component of reservoir sediment, and their recovery under sediment resuspension indicated the contribution of water mobilizable colloids up to 2.3 % of the sediment mass in Champsanglard dam reservoir (Creuse, France). The amount of P associated with colloids was up to 6 % of total sedimentary P and 80 % of water-mobilizable P. After the application of different protocols for colloid extraction, separation and for sediment storage, a framework for selecting appropriated method for colloid recovering from a sediment is proposed. The recommendation for colloid recovery is to work with wet sediment, avoid using high-power extraction protocol (i.e. sonication), using filtration with pre-separation step instead of successive centrifugation to avoid under or overestimation in quantity and quality of recovered colloids. The quantity and quality of sedimentary colloids and associated P varied spatially in the reservoir according to sediment size grain distribution and the influence of flow hydrodynamics, the presence of tributaries and fluctuations in the water-level. The highest content of water mobilizable colloids and especially large colloids (0.2 - 1 μm) were found in lacustrine bottom sediments, downstream of the tributary confluence. Bank sediments impacted by water-level fluctuations released P in bioavailable forms (dissolved P and small/nano P-colloids). Under anoxic condition, the potential of sediment to mobilize colloidal P was significantly higher than truly dissolved P and represented up to 40 % of total sedimentary P. When condition became oxic subsequently, major portion of released P remained in suspension under small/intermediate size (300 kDa - 0.45 μm). In redox changing conditions, the closely linked biogeochemical cycles of iron and organic matter could be the key parameters involved in mobility of colloidal P. This thesis highlights the need to consider colloids and their contribution in the P mobility at the boundary of sediment-water and associated bioavailability to aquatic plankton, particularly in dam reservoir context.
Le relargage de phosphore sédimentaire constitue une source interne de nutriments dans les eaux conduisant à l’eutrophisation des milieux aquatiques, en particulier des retenues. Les connaissances actuelles concernant le relargage du P sédimentaire ne tiennent pas compte de la fraction colloïdale, qui est pourtant considérée comme une importante phase porteuse de P, très mobile et potentiellement biodisponible. Cette thèse souligne le rôle majeur des colloïdes sédimentaires vis-à-vis de leur teneur en phosphore ainsi que leur fort potentiel à être mobilisé dans l’eau. Il a été démontré que les colloïdes sont une composante intrinsèque essentielle des sédiments au sein du barrage de Champsanglard (Creuse, France) et qu’ils peuvent être remobilisés à hauteur de 2.3 % de la masse totale du sédiment lors de la resuspension de ce dernier. Le phosphore colloïdal représentait jusqu’à 6 % du phosphore sédimentaire total et 80 % du phosphore total mobilisable. L’étude des différents protocoles d'extraction, de séparation et de conservation des sédiments a permis de proposer une méthodologie opérationnelle permettant la sélection du protocole le plus approprié. Il est ainsi recommandé de réaliser les extractions de colloïdes sur sédiment humides, par une méthode douce (agitation) et de réaliser la séparation des colloïdes extraits par filtration avec une étape de pré-séparation. Les centrifugations successives sont déconseillées car elles conduisent à une estimation biaisée de la quantité et de la qualité des colloïdes extraits. Au travers de l’étude de la retenue de Champsanglard, il a été mis en évidence une forte hétérogénéité de la répartition spatiale de la quantité et de la qualité des colloïdes sédimentaires et du P associé. La granulométrie des sédiments, l'hydrodynamique des écoulements, la présence d'affluents et le marnage apparaissent comme des facteurs clés. La plus importante quantité de colloïdes mobilisables et en particulier les colloïdes de plus grande taille (0.2 – 1 μm) concerne les sédiments lacustres des zones profondes, en amont de la confluence avec les tributaires. Les sédiments de berge régulièrement impactés par le marnage de l’eau relarguent du phosphore sous une forme biodisponible (forme dissoute et nano/petits colloïdes). En condition anoxique, les sédiments ont la capacité de libérer du phosphore colloïdal, dans des proportions largement supérieures au phosphore dissous. Jusqu’à 40 % du phosphore sédimentaire total a ainsi été remobilisé sous forme colloïdale. Lorsque les conditions redeviennent oxiques, une majeure partie du phosphore mobilisé persiste en solution et notamment sous la forme de colloïdes de tailles petites et intermédiaires (300 KDa - 0.45 μm). En conditions d’oxydo-réduction variables, les processus biogéochimiques impliquant le fer et la matière organique seraient les paramètres clés contrôlant la mobilité du P colloïdale. Ce travail met en évidence la nécessité de considérer la contribution des colloïdes pour l’évaluation de la mobilité et de la biodisponibilité du P, en particulier en contexte de retenue de barrage.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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