Contrôles hydrologiques, géochimiques et microbiologiques sur la minéralisation du fer dans un cours d'eau intermittent
Le fer (Iron) est l’un des éléments les plus abondants sur Terre, largement présent dans la croûte terrestre, les masses d’eau et les organismes vivants. Les réactions d’oxydoréduction du fer dans les cycles naturels, en particulier dans les masses d’eau, jouent un rôle crucial dans le recyclage des nutriments et la dégradation des polluants dans les écosystèmes. Cependant, les mécanismes du cycle du fer dans les ruisseaux intermittents des bassins agricoles, ainsi que leurs interactions avec les activités microbiennes, n’ont pas été suffisamment étudiés. En particulier, les phénomènes de minéralisation du fer (tels que les flocons de rouille, les films de fer, etc.) dans les bassins stagnants des ruisseaux pourraient être étroitement liés aux apports d’eau souterraine, aux activités microbiennes et aux conditions hydrologiques. Comprendre ces processus permet non seulement de révéler le rôle écologique du fer dans les ruisseaux agricoles, mais aussi de fournir des bases scientifiques pour la gestion de la pollution de l’eau et le recyclage des nutriments.
Ainsi, les chercheurs Zackry Stevenson et ses collègues ont mené une étude intégrée combinant hydrologie, géochimie et microbiologie sur le ruisseau Clear Creek situé sur le campus de l’Université d’État de l’Iowa, dans le but de révéler les mécanismes contrôlant la minéralisation du fer dans les ruisseaux intermittents.
Source de l’article
Cet article a été rédigé par Zackry Stevenson, Mia Riddley, Tamara McConnell et Elizabeth D. Swanner, tous affiliés au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et du climat de l’Université d’État de l’Iowa. L’article a été publié en 2025 dans la revue Geo-Bio Interfaces sous le titre Hydrological, geochemical and microbiological controls on iron mineralisation in an intermittent stream.
Démarche et résultats de la recherche
1. Site d’étude et observations
Le site d’étude est le ruisseau Clear Creek, situé sur le campus de l’Université d’État de l’Iowa, dans un bassin agricole. Les chercheurs ont sélectionné quatre zones présentant une minéralisation intermittente du fer le long du ruisseau, situées respectivement en amont (Bridge Top, BT), au milieu (Log Jam, LJ et Beaver Dam, BD) et en aval (Dead End, DE). Après une année d’observations, les chercheurs ont documenté les phénomènes de minéralisation du fer dans le ruisseau, y compris les flocons de rouille, les films de fer (Schwimmeisen) et les précipitations minérales solides.
2. Mesures hydrologiques et géochimiques
Les chercheurs ont utilisé une sonde multiparamètres YSI ProDSS pour mesurer les paramètres physico-chimiques de l’eau du ruisseau, notamment l’oxygène dissous (DO), la température, la conductivité, le pH et le potentiel d’oxydoréduction (ORP). De plus, des piézomètres ont été installés pour surveiller les caractéristiques hydrologiques et les concentrations de fer dans les eaux souterraines. Les résultats ont montré que la conductivité dans les zones médianes était significativement plus élevée qu’en amont, indiquant un apport supplémentaire d’eau, probablement des eaux souterraines. Les eaux souterraines présentaient des concentrations élevées de fer et des conditions de faible teneur en oxygène, ce qui favorise les cycles d’oxydoréduction du fer.
3. Analyse quantitative du fer et du phosphore
Les chercheurs ont quantifié la concentration totale de fer dans l’eau par deux méthodes et ont mesuré les concentrations de Fe(II) et Fe(III) à l’aide de la méthode Ferrozine. Les résultats ont montré que la concentration de fer dans l’eau des bassins minéralisés ne différait pas significativement de celle des bassins non minéralisés, mais que la teneur en fer des sédiments des bassins minéralisés était significativement plus élevée que celle des bassins non minéralisés. Cela suggère que la source de fer pour la minéralisation ne provient pas de l’eau du ruisseau, mais probablement des eaux souterraines. Par ailleurs, l’analyse quantitative du phosphore a révélé que les concentrations de phosphore dans le ruisseau étaient plus élevées que dans les eaux souterraines, indiquant un apport possible de phosphore provenant du ruissellement agricole.
4. Analyse des communautés microbiennes
Les chercheurs ont analysé les communautés microbiennes des bassins minéralisés et non minéralisés par séquençage d’amplicons de l’ARNr 16S. Les résultats ont montré que l’abondance des bactéries présumées oxydantes du fer (telles que Gallionellaceae et Comamonadaceae) et des bactéries réductrices du fer (telles que Geobacteraceae et Rhodobacteraceae) était significativement plus élevée dans les bassins minéralisés que dans les bassins non minéralisés. De plus, les variations saisonnières ont eu un impact significatif sur la composition des communautés microbiennes, avec une abondance accrue de bactéries oxydantes du fer en hiver, suggérant que l’oxydation biologique pourrait surpasser l’oxydation chimique à basse température.
5. Caractérisation des films de fer
Les chercheurs ont caractérisé les films de fer à l’aide de la microscopie électronique à balayage (SEM) et de la microscopie électronique en transmission (TEM). Les résultats ont montré que les films de fer étaient principalement composés de fer et d’oxygène, avec une épaisseur d’environ 150 nanomètres, et présentaient une structure minérale à courte portée ordonnée. L’état d’oxydation des films de fer était principalement Fe(III), mais leur cristallinité était faible, probablement en raison de la présence d’ions phosphate ou carbonate perturbant la croissance minérale.
Conclusions et implications de l’étude
Cette étude a révélé les mécanismes contrôlant la minéralisation du fer dans les ruisseaux intermittents, avec les conclusions principales suivantes : 1. La source de fer provient des eaux souterraines : La source de fer pour la minéralisation ne provient pas de l’eau du ruisseau, mais des apports d’eaux souterraines. Le Fe(II) des eaux souterraines s’oxyde pour former des minéraux de Fe(III) dans le ruisseau. 2. Les activités microbiennes entraînent la minéralisation du fer : L’abondance des bactéries présumées oxydantes et réductrices du fer était significativement plus élevée dans les bassins minéralisés que dans les bassins non minéralisés, indiquant que les activités microbiennes jouent un rôle clé dans le processus de minéralisation du fer. 3. Mécanisme de formation des films de fer : Les films de fer sont principalement composés de Fe(III), et leur structure minérale à courte portée pourrait être due à la présence d’ions phosphate ou carbonate perturbant la croissance minérale.
La valeur scientifique de cette étude réside dans la révélation des mécanismes complexes du cycle du fer dans les ruisseaux agricoles, en particulier l’influence des apports d’eaux souterraines et des activités microbiennes sur la minéralisation du fer. De plus, l’étude fournit des bases scientifiques importantes pour la gestion de la pollution de l’eau et le recyclage des nutriments dans les bassins agricoles.
Points forts de l’étude
- Étude multidisciplinaire intégrée : Cette étude combine des méthodes hydrologiques, géochimiques et microbiologiques pour révéler de manière exhaustive les mécanismes contrôlant la minéralisation du fer.
- Caractérisation des films de fer : Une caractérisation détaillée des films de fer a été réalisée à l’aide de la SEM et de la TEM, révélant leur composition minérale et leur état d’oxydation.
- Impact saisonnier : L’étude a montré que les variations saisonnières ont un impact significatif sur la composition des communautés microbiennes et le processus de minéralisation du fer, en particulier avec une abondance accrue de bactéries oxydantes du fer en hiver.
Autres informations utiles
Cette étude a également révélé que les débris organiques dans le ruisseau (comme le bois) pourraient prolonger le temps de résidence hydraulique de l’eau en formant de petits barrages et des bassins stagnants, favorisant ainsi les échanges entre les eaux souterraines et l’eau du ruisseau, ce qui stimule davantage le processus de minéralisation du fer. Cette découverte offre une nouvelle perspective pour comprendre le cycle du fer dans les ruisseaux agricoles.
Cette étude fournit des bases scientifiques importantes pour le cycle du fer et la dynamique des nutriments dans les bassins agricoles, avec une large applicabilité.