Photochemistry of organic micropollutants in the sea surface microlayer – PhotoSeaSMiL
Comment l’interface mer-atmosphère modifie-t-elle la persistance des micropolluants organiques en milieu marin ?
L’interface mer-atmosphère constitue un milieu particulier, appelé microcouche de surface marine, connu pour concentrer de nombreux micropolluants organiques. Ce projet vise à caractériser la persistance et les voies de dégradation des micropolluants organiques vis-à-vis des processus photo-induits dans ce milieu largement soumis à l’irradiation solaire.
La microcouche de surface marine, un milieu particulier pour les micropolluants organiques
D’un point de vue chimique, la microcouche de surface marine (ou SML pour « Sea Surface MicroLayer ») constitue un milieu significativement différent de l’eau sous-jacente concentrant de la matière organique de diverses origines (exsudats du microbiote marin, produits industriels ou pétroliers, …) et de diverses natures (polysaccharides, surfactants, acides gras, protéines, …). La SML est aussi un milieu vivant, abritant une activité microbienne spécifique ainsi que les oeufs et larves de nombreuses espèces de vertébrés et d’invertébrés. Celle-ci est donc essentielle au bon fonctionnement d’une partie de l’écosystème marin. Elle est également en constante interaction avec le milieu atmosphérique.<br />Or, s’il est reconnu que la SML concentre de nombreux micropolluants organiques par rapport à leur présence dans la colonne d’eau sous-jacente, leur devenir dans ce milieu reste peu documenté. Les objectifs de ce projet sont ainsi :<br />- De caractériser le partage eau-jacente/SML et SML/atmosphère des micropolluants organiques<br />- D’évaluer la persistance des micropolluants dans ce milieu vis-à-vis des processus photo-induits en phase aqueuse : leur temps de vie est-il plus court ou plus important que dans l’eau sous-jacente ?<br />- D’évaluer le temps de vie des micropolluants à l’interface mer-atmosphère vis-à-vis des réactions hétérogènes avec les photo-oxydants atmosphériques (ozone, radical hydroxyle, …)<br />- De caractériser les voies de dégradation des micropolluants dans la SML afin d’évaluer la formation de sous-produits non attendus dans l’eau sous-jacente et présentant potentiellement une dangerosité pour le milieu.
Ce projet se base pour l’essentiel sur des essais de laboratoire, utilisant des réacteurs chimiques permettant de reproduire les conditions rencontrées dans la SML. La complexité de la nature chimique de cette dernière est progressivement abordée : composés modèles commerciaux seuls et mélanges, production à dessein d’exsudats de bactéries marines (fraction importante de la SML, avec le laboratoire MAPIEM), prélèvements de SML réelle en mer Méditerranée.
Les processus photo-induits en phase aqueuse sont initiés au moyen d’un système d’irradiation artificielle permettant de sélectionner une gamme de longueur du spectre solaire spécifique au processus étudié, ainsi qu’au moyen de composés modèles générant sous irradiation les principales espèces réactives rencontrées en milieu aqueux (radical hydroxyle, état excité triplet de la matière organique, oxygène singulet). Les réactions hétérogènes à l’interface air-eau sont étudiées en générant au sein de la phase gazeuse du réacteur les principaux oxydants atmosphériques. Les vitesses de dégradation de différents micropolluants sélectionnés sont évaluées par suivi cinétique au moyen de techniques chromatographiques, couplées à la spectrométrie de masse pour l’étude des produits de dégradation.
Le partage SML/atmosphère des micropolluants et de leurs produits de dégradation est étudié en couplant le réacteur à un analyseur en ligne séquentiel de la phase gazeuse (de type thermodésorption - chromatographie en phase gazeuse - spectrométrie de masse)
Le partage eau sous-jacente/SML des micropolluants est caractérisé en fonction de la composition de la SML et de la polarité des micropolluants étudiés. La présence des micropolluants à l’interface air-eau d’un milieu aqueux reconstitué est évaluée au moyen d’un laser rasant induisant la fluorescence des micropolluants et permettant de sonder l’interface
aqueuse sur une profondeur compatible avec les épaisseurs de SML rapportées dans la littérature (avec l’Université de Toronto).
en cours
Le projet PhotoSeaSMiL aidera à évaluer le devenir et les impacts écotoxicologiques des micropolluants organiques en milieu marin, et notamment leurs impacts sur le microbiote de la SML. Le projet pourrait en ce sens déboucher sur des collaborations permettant une étude plus approfondie de ce microbiote en milieu méditerranéen. De façon élargie, ce projet apportera une meilleure connaissance fondamentale du fonctionnement physico-chimique de la SML, en tant que partie intégrante de l’écosystème marin mais également interface particulière d’échanges avec l’atmosphère.
en cours
This project aims to characterize the photochemical fate of marine organic micropollutants in a specific and ubiquitous media, the Sea Surface MicroLayer (SSML). The SSML, that includes the air-water interface as well as the few hundreds of micrometers below, is a very particular photoreactor due to both significant enrichment in organic material, mainly biogenic one, and constant interactions with the atmosphere. The SSML is also known to accumulate numerous organic contaminants but is for now surprisingly almost ignored when talking about reactive fate of contaminants in marine surface waters.
The first aspect of this project will be to study the effects of the organic material accumulation in the SSML on the photo-induced degradation of organic pollutants. We will develop an original experimental approach in order to kinetically and mechanistically evaluate the impacts of each main class of SSML components. The objective is to test the following hypotheses: the SSML is a sufficiently different media than the underlying water to modify reaction kinetics and thus lifetime of pollutants therein; the concentration of organic material can lead to SSML specific chemical routes and to the formation of degradation products unexpected in the underlying water.
The investigation of multiphase and heterogeneous physico-chemical processes constitutes the second aspect of this project. The first objective will be to characterize the parameters leading to the enrichment of organic micropollutants in the SSML, in order to provide the classes of organic pollutants that can be significantly impacted by SSML specific processes. This SSML enrichment in pollutants will be tentatively linked with pollutant volatilization, via the relative quantification of this transfer as a function of SSML composition. In addition, the heterogeneous reactions of organic pollutants with some major atmospheric photooxidants will be investigated. We will provide kinetic and mechanistic data, with a focus on specific degradation products. The objective is to answer the question of the significance (quantitative and qualitative) of these heterogeneous reactions as a loss process of organic pollutants in marine surface waters.
The third part of this project will aim to confirm laboratory-based conclusions through the case-study of the SSML in the marine coastal area of Marseille (Mediterranean Sea, France). In particular, SSML enrichment factors will be determined and SSML-specific transformation products will be extensively searched for.
Project coordination
Stéphanie Rossignol (Laboratoire de Chimie de l'Environnement)
The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.
Partner
LCE Laboratoire de Chimie de l'Environnement
Help of the ANR 266,796 euros
Beginning and duration of the scientific project:
October 2018
- 48 Months
