1. How does calcium drive the structural organization of iron–organic matter aggregates? A multiscale investigation
- Author
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Marie-Sousai Appavou, Camille Rivard, Andrea Sorrentino, Delphine Vantelon, Elaheh Lotfi-Kalahroodi, Anthony Beauvois, Anne-Catherine Pierson-Wickmann, Martine Bouhnik-Le Coz, Jacques Jestin, Thomas Bizien, Baohu Wu, Valérie Briois, Aurélien Dupont, Mélanie Davranche, Géosciences Rennes (GR), Université de Rennes (UR)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes (OSUR), Université de Rennes (UR)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Synchrotron SOLEIL (SSOLEIL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), LLB - Matière molle et biophysique (MMB), Laboratoire Léon Brillouin (LLB - UMR 12), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Département Caractérisation et Elaboration des Produits Issus de l'Agriculture (CEPIA), Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Biosit : biologie, santé, innovation technologique (SFR UMS CNRS 3480 - INSERM 018), Université de Rennes (UR)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique ), ALBA Synchrotron light source [Barcelone], Forschungszentrum Julich, Outstn MLZ, JCNS, D-85747 Garching, Germany, ORPHREA - ARED, Région Bretagne, 'ISAAP' project, Institut national des sciences de l'Univers, ANR-10-EQPX-45, Agence Nationale de la Recherche, ANR-10-EQPX-0045,ROCK,Spectromètre EXAFS Rapide pour Cinétiques Chimiques(2010), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes (OSUR)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay, Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique ), and Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes (OSUR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Subjects
chemistry.chemical_classification ,Total organic carbon ,010504 meteorology & atmospheric sciences ,Absorption spectroscopy ,Materials Science (miscellaneous) ,Dimer ,chemistry.chemical_element ,010501 environmental sciences ,Calcium ,01 natural sciences ,chemistry.chemical_compound ,Ferrihydrite ,chemistry ,Chemical engineering ,[SDU.STU.GC]Sciences of the Universe [physics]/Earth Sciences/Geochemistry ,13. Climate action ,ddc:333.7 ,Leonardite ,Humic acid ,Organic matter ,0105 earth and related environmental sciences ,General Environmental Science - Abstract
International audience; Iron-organic matter (Fe-OM) aggregates are a key factor in the control of pollutant mobility. Their physical and structural organization depends on the prevailing physicochemical conditions during their formation and on subsequent exposure to variations in porewater goechemistry. Among these conditions, calcium (Ca) could be a major parameter given its high concentrations in the environment and its affinity for OM. Mimetic environmental Fe-OM-Ca associations were synthesized at various Fe/organic carbon (OC) and Ca/Fe molar ratios using Leonardite humic acid as OM model. The impact of Ca on Fe-OM aggregates was studied by a combination of X-ray absorption spectroscopy, small angle X-ray and neutron scattering and imaging techniques (TEM, cryo-TEM and cryo-TXM). Iron phases are constituted of Fe(III)-oligomers, Fe(III)-nanoparticles and ferrihydrite (Fh), all bound or embedded by OM. Iron phases exhibit a fractal organization with Fe-primary beads aggregated as Fe-primary aggregates (Fe-PA) which themselves are embedded in an OM aggregates. For Ca/OC (mol/mol) < 0.026, Fe-PA aggregate in a third level as a Fe-secondary aggregate. For Ca/OC ≥ 0.026, OM forms a large Ca-branched network in which Ca is bound as a dimer to OM carboxylic sites. In such conditions, Fe-PA are distributed in the OM network, distant from each other. All these structural transitions are driven by Ca which partially screens the Fe-OM interactions. The formation of such micrometric network should impact both the surface reactivity of the Fe phases as well as the mobility of Fe, OM and associated elements, notably in the soil porosity where they are produced under natural conditions.
- Published
- 2020
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