Published May 25, 2009 | Version v1
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Isotopic fractionation of copper and zinc during biogeochemical processes in soils

Description

Biogeochemical cycles of Cu and Zn are deeply influenced by anthropogenic activities, modifying their speciation, bioavailability and mobility. Understanding these cycles is then essential for risk evaluation of these anthropogenic inputs in the environment. Isotopic measurements allow us to better constrain pollution sources of metals and processes modifying their speciation. It is then necessary to determine the isotopic compositions of Cu and Zn sources in the environment and the main processes affecting them. Isotopic fractionation of Cu and Zn was assessed for two main processes: complexation with organic matter (OM) and plant uptake. First, Zn complexation with OM increases with pH. Below pH 6, adsorption of Zn on OM resulted in no measurable isotopic fractionation, while at higher pH, Zn bound to OM is heavier (Δ66Zn 0.24 ± 0.06 %o) than free Zn in solution. It is explained by higher -complexation constants and shorter bond lengths for Zn-OM complexes compared to the aqueous free Zn. During hydroponic experiments, Cu and Zn exhibit significant isotopic fractionation but different behavior during uptake by plants. This difference between Cu and Zn during root uptake might be due to different speciation in the solution, reduction of Cu before uptake or difference in uptake strategy. Similar translocation behaviour suggests the implication of comparable internal transporter used by plants to mobilize Cu and Zn. During plant cultivation in soils, Cu isotopic fractionation in root of plants seems more dependent of the Cu speciation in the soils. (author)

Abstract (French)

Les cycles biogeochimiques du Cu et du Zn, sont fortement perturbes par les activites anthropiques qui induisent de profonds changements dans les ecosystemes, modifient la speciation des metaux, leur mobilite et leur biodisponibilite. La comprehension de ces cycles est indispensable pour l'evaluation des risques lies a ces apports anthropiques. Les mesures de compositions isotopiques dans l'environnement permettent de mieux contraindre les sources de pollution et les mecanismes affectant les metaux. Il est necessaire de caracteriser les compositions isotopiques des differentes sources de Cu et Zn, naturelle et anthropique mais aussi le fractionnement isotopique des processus modifiant la speciation des metaux. Nous nous sommes interesses a l'interaction du Cu et du Zn avec le compartiment organique. La complexation du Zn avec la matiere organique - est responsable d'un enrichissement significatif en isotopes lourds du Zn complexe sur la MO de 0.24 ± 0.06 %o (2STD) par rapport au Zn en solution. Ceci s'explique par des constantes de complexation plus importantes pour le Zn complexe avec la MO que pour le Zn libre en solution. Le prelevement par les plantes provoque aussi un fractionnement isotopique significatif pour le Cu et le Zn. Le Zn presente un enrichissement en 66Zn sur les racines et un appauvrissement pendant la translocation. Le Cu fractionne differemment en fonction du mode de culture. En hydroponie, la speciation en solution ou le mode de prelevement du Cu (avec une eventuelle reduction) semble expliquer nos observations alors que sur sol, la speciation du Cu dans le sol semble l'explication principale. (auteur)

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Original title (French)
Fractionnement isotopique du cuivre et du zinc lors de processus biogeochimiques dans les sols

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Imprint Pagination
245 p.
Report number
FRNC-TH--10524

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Notes
379 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses