Mesure du carbone organique dissous et particulaire (COD et COP)

Le carbone organique dissous (COD) est défini comme la matière organique capable de passer à travers un filtre (les filtres ont généralement une taille comprise entre 0,7 et 0,22 um). À l’inverse, le carbone organique particulaire (COP) est le carbone qui est trop gros et qui est filtré hors d’un échantillon. Si vous avez déjà vu un plan d’eau de couleur paille, thé ou brunâtre, il est probable que sa charge en carbone organique soit élevée. Cette couleur provient de la lixiviation des substances humiques de la matière organique des plantes et du sol. Cette matière organique apporte des acides au cours d’eau, ce qui entraîne une coloration jaune-brun, ainsi que l’altération des sols. Le carbone organique peut être allochtone, c’est-à-dire provenir de l’extérieur du système (par exemple, par dépôt atmosphérique ou transporté sur de longues distances par le débit du cours d’eau) ou autochtone, c’est-à-dire provenir de l’environnement immédiat du système (par exemple, la matière végétale et microbienne et les sédiments/sols du bassin versant). Des quantités élevées de matière organique sont courantes dans les zones à faible teneur en oxygène, comme les tourbières et les zones humides.

Pourquoi s’intéresser au COD et au POC ?

Le carbone organique dissous et particulaire est un élément important du cycle du carbone et sert de source de nourriture primaire pour les réseaux trophiques aquatiques. En outre, le COD modifie la chimie des écosystèmes aquatiques en contribuant à l’acidification des systèmes d’eau douce à faible alcalinité et faiblement tamponnés. En outre, le COD forme des complexes avec les métaux traces, créant des complexes hydrosolubles qui peuvent être transportés et absorbés par les organismes. Enfin, le carbone organique, ainsi que d’autres matières dissoutes et particulaires, peut affecter la pénétration de la lumière dans les écosystèmes aquatiques, ce qui est important pour les phototrophes de l’écosystème qui ont besoin de lumière pour subsister.

Comment mesure-t-on le COD?

Le carbone organique dissous peut être mesuré par plusieurs techniques différentes. Les méthodes de combustion à haute température et d’oxydation par UV/persulfate sont examinées en détail ci-dessous, mais les deux méthodes partagent le même protocole de préparation des échantillons :

1. L’échantillon est recueilli dans un récipient en verre qui a été cuit en laboratoire à 550° C pendant 2 à 4 heures (le processus de cuisson élimine tout carbone résiduel dans ou sur le récipient de collecte qui pourrait causer une contamination).
2. L’échantillon est ensuite filtré avec un dispositif de filtration en verre. Les filtres couramment utilisés comprennent les filtres en fibre de verre (GF/F), les filtres à membrane d’argent ou un filtre en nitrocellulose/polypro et ont une taille de pores comprise entre 0,7 et 0,25 um. Les filtres en nitrocellulose/polypro sont les moins coûteux de ces filtres, mais peuvent lixivier le DOC, ils doivent donc être nettoyés en passant de l’eau déminéralisée à travers eux avant la collecte.
3. Une fois collectés, les échantillons doivent être conservés au froid (par exemple dans le réfrigérateur ou sur de la glace) jusqu’à ce qu’ils puissent être traités. Ils doivent être traités dès que possible pour éviter l’altération des échantillons après filtration.

Mesure du COD par combustion à haute température : La méthode de combustion à haute température pour mesurer le COD implique la conversion du carbone inorganique en CO2 dissous, et la purge de celui-ci de l’échantillon. Le carbone (organique) restant est ensuite oxydé à haute température en CO2 qui peut être détecté par le capteur infrarouge non dispersif (NDIR) de l’instrument et directement corrélé à la teneur en carbone organique total (COT).

Mesure du COD par oxydation UV/Persulfate:

Cette méthode combine l’échantillon avec un acide, abaissant le pH de l’échantillon à 2,0. Ce processus convertit le carbone inorganique en CO2 dissous, qui est ensuite purgé de l’échantillon. Un réactif persulfate est ensuite ajouté à l’échantillon et le carbone restant est oxydé par le rayonnement UV pour former du CO2, qui peut être détecté par le capteur NDIR et directement corrélé à la teneur en carbone organique total (COT).

Comment le COP est-il mesuré ?

Le carbone organique particulaire est mesuré en déterminant la masse perdue lors de la combustion d’un échantillon. Dans les échantillons aqueux, cela peut se faire en mesurant la masse sèche d’un filtre qui a été traversé par une quantité connue d’eau avant et après avoir été soumis à une combustion via le chauffage du filtre à 550° C. Cette méthode nécessite que le filtre soit purgé du COP étranger avant la filtration (en le faisant brûler à 550° C pendant 2 heures), et que le filtre et l’échantillon soient secs (cela peut être fait en les mettant dans un four chaud) lors de leur mesure de poids avant combustion. La méthode exige également que l’échantillon contienne une quantité mesurable de carbone organique. Le POC dans les échantillons de sol peut également être mesuré par perte de masse en mesurant le poids sec d’un volume donné d’échantillon avant et après la combustion. Ces méthodes supposent que la perte de masse est attribuable uniquement au carbone, plutôt qu’à tout autre composant de l’échantillon.

Autres analyses du COD – (Caractérisation)

En plus de mesurer les concentrations de COD dans un échantillon, le COD peut être caractérisé pour déterminer sa réactivité (y compris sa qualité et sa composition), sa source et son importance potentielle dans son écosystème. La caractérisation par absorbance et fluorescence est abordée ci-dessous.

Absorbance :

Les substances humiques d’origine terrestre et microbienne diffèrent par leur rapport carbone/azote (rapport C:N).

1. Les acides humiques d’origine terrestre ont des rapports C:N élevés car ils sont dérivés de la lignine, et la lignine ne contient pas d’azote. Ces acides humiques contiennent de grandes quantités de carbone sous forme de carbones aromatiques et de phénols.
2. Les substances humiques d’origine microbienne ont des teneurs élevées en N, par rapport aux sources terrestres, ainsi qu’une faible teneur en carbone aromatique et en phénols.

En utilisant ces différences, l’absorbance UV peut fournir une estimation de l’aromaticité du COD dans un échantillon et ainsi déterminer sa source.
Fluorescence:

Le COD peut être caractérisé par des différences dans les spectres de fluorescence également, ce qui est associé à différentes sources de carbone organique dans les systèmes aquatiques. Cette méthode implique l’excitation d’un échantillon et l’examen de sa matrice d’excitation-émission 3-d pour les acides fulviques. Fondamentalement, un échantillon est excité et l’intensité d’émission correspondante est utilisée pour déterminer sa source. Le rapport d’intensité d’émission est généralement plus élevé pour les acides fulviques d’origine microbienne que pour les acides d’origine terrestre.

Analyse des résultats

Comme indiqué ci-dessus, le COD est un élément important dans un écosystème. Il constitue une source alimentaire primaire pour les réseaux alimentaires aquatiques, ce qui suggère qu’un taux élevé de DOC est bénéfique pour un écosystème. Cependant, le COD peut également contribuer à l’acidité d’un plan d’eau et peut augmenter l’atténuation de la lumière, ce qui nuit aux organismes phototrophes dans un environnement aquatique. Par conséquent, comme pour la plupart des choses, la modération est la clé pour la teneur en COD. En fonction de facteurs tels que le pouvoir tampon, ou la capacité d’un système aquatique à stabiliser son acidité/alcalinité, la composition et la quantité de biomasse, et la profondeur de l’eau, le COD nécessaire au fonctionnement d’un écosystème varie selon la zone. Les valeurs typiques de COD pour divers environnements sont couramment rapportées dans la littérature scientifique, comme les articles de revues à comité de lecture et les manuels scolaires.

Liens connexes

• Mesure du carbone organique total (COD et POC) – un guide complet pour mesurer le carbone organique, y compris l’échantillonnage et les analyses sur le terrain. Ce guide a été rédigé par Brian Schumaher, PhD, de l’EPA.
• Ressources en eau de l’USGS – ce site, par le programme national de recherche de l’USGS, fournit des liens vers diverses publications impliquant la qualité de l’eau et les analyses de carbone organique.