Levels of ⁶⁵Zn in water, sediments, plants, and animals in Alder Slough, a small ecosystem in the Columbia River Estuary, were determined periodically during a one year period. Concentrations of total Zn in organisms were also measured to permit computation of specific activities (μCi⁶⁵Zn/g total Zn). Temporal fluctuations in the activities of ⁶⁵Zn and the concentrations of total Zn occurred in all components of the ecosystem. Activities of ⁶⁵Zn and concentrations of total Zn varied among individual fish from the study area. Pooled estimates of population standard deviations of these values in all samples of two fish species taken during the year amounted to about 20% of their grand means. Usually, individuals with high ⁶⁵Zn activities also proved to have high total Zn concentrations, hence specific activities were less variable than either ⁶⁵Zn or total Zn. The nuclear reactors at Hanford, Washington, the source of most of the ⁶⁵Zn in the Columbia River, were shut down for approximately 45 days during this study. This event presented the opportunity to investigate the response of various components of the ecosystem to reduced ⁶⁵Zn input. The rates of ⁶⁵Zn specific activity decline in several organisms were measured following reactor shutdown. The time required for specific activity of an organism to be reduced by one-half under the conditions prevailing is termed "ecological half-life". The "ecological half-life" differs from the biological half-life of an organism because: 1. it is defined in terms of specific activity 2. it reflects the continued addition of radioactivity to the organism from its food web and water. "Ecological half-lives" vary with the trophic levels of the organisms and with changes in prevailing ecological conditions. / Graduation date: 1968

Thesis (Ph. D.)--Joint Program in Chemical Oceanography (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences; and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2007. / Includes bibliographical references. / Zinc (Zn) stable isotopes can record information about important oceanographic processes. This thesis presents data on Zn isotopes in anthropogenic materials, hydrothermal fluids and minerals, cultured marine phytoplankton, natural plankton, and seawater. By measuring Zn isotopes in a diverse array of marine samples, we hope to understand how Zn isotopes are fractionated in the oceans and how Zn isotopes may be used as tracers of marine biogeochemical processes. Common forms of anthropogenic Zn had [delta]66Zn from +0.08 %o to +0.32 %o, a range similar to Zn ores and terrigenous materials. Larger variations were discovered in hydrothermal fluids and minerals, with hydrothermal fluids ranging in 666Zn from 0.02 %o to +0.93 %o, and chimney minerals ranging from -0.09 %o to +1.17 %o. Lower-temperature vent systems had higher [delta]666Zn values, suggesting that precipitation of isotopically light Zn sulfides drives much of the Zn isotope fractionation in hydrothermal systems. In cultured diatoms, a relationship was discovered between Zn transport by either high-affinity or low-affinity uptake pathways, and the magnitude of Zn isotope fractionation. We established isotope effects of [delta]66Zn = -0.2 %o for high-affinity uptake and [delta]66Zn = -0.8 %o for low-affinity uptake. This work is the first to describe the molecular basis for biological fractionation of transition metals. Biological fractionation of Zn isotopes under natural conditions was investigated by measuring Zn isotopes in plankton collected in the Peru Upwelling Region and around the world. / (cont.) Seawater dissolved Zn isotopes also reflect the chemical and biological cycling of Zn. The [delta]66Zn of deep seawater in the North Pacific and North Atlantic is about 0.5%0, and the dissolved [delta]66Zn gets lighter in the upper water column. This is unexpected based our observations of a biological preference for uptake of light Zn isotopes, and suggests that Zn transport to deep waters may occur by Zn adsorption to sinking particles rather than as primary biological Zn. The thesis, by presenting data on several important aspects of Zn isotope cycling in the oceans, lays the groundwork for further use of Zn isotopes as a marine biogeochemical tracer. / by Seth Greeley John. / Ph.D.

Les potentiels de nouveaux moyens d’investigation en sciences de l’environnement, tel que la géochimie des isotopes stables du Cu et du Zn et l’étude de la spéciation des éléments en trace métalliques (ETM) par titrage acidimétrique sont évalués dans le cadre de trois cas d’études, faisant intervenir des matériaux de matrices et de concentrations en ETM variables. Afin de mettre en évidence de très subtiles variations des compositions isotopiques du Cu et du Zn dans les matériaux particulaires variablement pollués, une attention particulière à été voué à la mise au point des méthodes de séparation chimique et d’analyse par MC-ICP-MS. La méthodologie analytique a été développée afin d’exploiter tout les avantages techniques offerts par le spectromètre de masse à l’ULB. Différents modes d’introduction (plasma humide vs plasma sec (Aridus/DSN), d’acquisition des mesures (mode statique ou dynamique) de correction du biais de masse (dopage au Cu, au Zn et au Ga; correction SSBM, SSBC et EEN)ont été évaluées, pour leurs effets sur la précision et la reproductibilité des mesures. D’autres travaux ont permis de quantifier les effets des interférences spectrales et non spectrales par les éléments de la matrice (Ti, Cr, Co,Fe, Ba, Si, Na, Mg et Ca)et par le rapport dopant/analyte en vue de comprendre les sources d’inexactitudes des mesures isotopiques et d’y remédier. Les données isotopiques acquises sur des minerais, sur des (plaques de) dépôts atmosphériques (usine Pb-Zn Metaleurop de Noyelles-Godault), sur des sédiments et des matières en suspension (estuaire de l’Escaut et mer du Nord), révèlent des variations significatives des compositions isotopiques du cuivre et du zinc. Dans l’estuaire de l’Escaut, les variations temporelles (carotte non perturbée, enregistrant la sédimentation sur 30 ans) et spatiales (matières en suspension échantillonnées sur 100 km, selon le profil de salinité) sont caractérisées par des signatures isotopiques en Zn anticorrélées à celle du Cu. Les données peuvent permettre de distinguer le fond géochimique naturel (le « réservoir naturel »), les pollutions diffuses (le « réservoir anthropique commun »- intégrant de multiples sources de contamination en provenance du bassin versant) et certaines pollutions ponctuelles associées à la métallurgie du Zn. Alors que les procédés utilisés en métallurgie sont eux,capable de produire des signatures isotopiques très fractionnées en Zn, ni la diagenèse précoce dans les sédiments, ni les gradients physicochimiques développés lors du mélange des eaux continentales et marines ne sont capables d’affecter significativement la signature isotopique du Cu et du Zn en phase particulaire. Dans de tels milieux, les signatures isotopiques en Cu et Zn (ainsi que celles en Pb) semblent n’être contrôlées que par le mélange conservatif entre le « réservoir naturel » et le « réservoir anthropique commun ». Les données en elles-mêmes constituent la seule base de données isotopiques en Cu, Zn, Pb dans des matériaux particulaires anthropisés estuariens et marins jamais produite à ce jour. Elles permettent de prédire que la signature isotopique en Cu du « réservoir naturel » devrait être légèrement plus enrichie en isotopes lourds que celle du réservoir « anthropique commun » (par analogie au Zn).<p>Si la géochimie isotopique du Cu et du Zn a le potentiel de distinguer différentes sources de pollution, l’évaluation des risques liés à ces pollutions doit tenir compte des formes chimiques des ETM, typiquement mises en évidences par les méthodes d’extraction sélectives (séquentielles, dont le protocole BCR). La méthode alternative proposée pour l’étude de la spéciation, plus versatile (capable de mettre en évidence des phases non prédéfinies et applicable à une variété de matrices plus large) est capable de surmonter plusieurs limitations (dont les problèmes de sélectivité liées au mauvais contrôle de l’acidité du milieu réactionnel) caractéristiques des méthodes traditionnelles. Appliquée à des sédiments marins/estuariens et des sols, la méthode de titrage acidimétrique s’est révélée capable de quantifier les proportions relatives des phases acido-solubles (principal problème des méthodes d’extraction sélectives), ce qui permet d’établir univoquement la spéciation des éléments qui leurs sont associés, d’évaluer la réactivité des ETM vis-à-vis du pH, mais aussi d’évaluer la sélectivité des protocoles d’extraction séquentielle « BCR » et « Tessier ». La méthode de titrage acidimétrique apporte également des informations importantes sur la géochimie des éléments majeurs dans l’estuaire de l’Escaut et met en évidence les particularités minéralogiques des sols pollués en comparaison aux sédiments.<p>Les études de cas démontrent que ces nouvelles techniques ont des applications dans le domaine de la géochimie de l’environnement, mais peuvent également être vouées, sur le moyen/long terme à une utilisation sortant du cadre des sciences exactes. En effet, l’identification/discrimination des sources de pollutions et l’évaluation des risques de remobilisation des polluants métalliques font partie des nombreuses questions posées par la société aux scientifiques de l’environnement. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished