Membrane échangeuse d'ions

D1 - Etude de la dynamique des nutriments disponibles dans le sol via l'utilisation d'une membrane absorbant facilement les nutriments en solution.

Résumé

Par un procédé chimique simple (échange d'ions), les éléments minéraux de la solution du sol sont extraits afin d'être dosés au laboratoire. Ce test mime l'absorbtion des sels minéraux par les racines.

Question posée

Quels sont les nutriments disponibles dans la solution du sol pour les racines ?

Source

Ce protocole est issu du cahier de protocoles Biofunctool® rédigé par Alexis Thoumazeau (2019).

Principe

Le protocole consiste à charger une membrane avec une étape d'élution, avant de l'enfouir dans le sol. La membrane échange ses ions avec les ions de la solution du sol. Lorsque le contact est suffisamment établi, la membrane est retirée du sol et désorbée dans une solution fortement chargée. Les ions visés sont analysés quantitativement.

Condition de mise en œuvre

Le protocole se réalise préférentiellement au printemps.

Matériels et fournitures

(quantités données pour 72 membranes)

Il existe du matériel prêt à l'emploi disponible au Canada auprès de la société Western AG

Préparation de la membrane

• bicarbonate de soude

• 1 paquet de feuilles de membrane échangeuse d'ions

• 9 L d'eau distillée

• 2 plaques en verre

• 1 récipient de 8 L ou plusieurs récipients

• règle graduée propre

• cutter propre

• marqueur indélébile fin

• fil de pêche fin

• aiguille

• ciseaux

• 72 sachets en plastique (8x4 cm)

• glacière avec pains de glace/glaçons

• feuilles d'aluminium

Préparation de la solution d'extraction

• 72 tubes coniques en plastique de 50 mL

• chlorure de potassium (KCl)

• 4 L d'eau distillée

• verrerie de laboratoire

Installation de la membrane (terrain)

• truelle

• 72 piquets colorés

• pince fine

• cylindre PVC de diamètre 10 cm

• marteau

• planche de bois

• 10 L d'eau distillée

• 72 tubes en plastique contenant une solution de KCl

• ciseaux

• brosse à dents

Extraction de la membrane

• règle

• 72 seringues de 10 mL

• aiguilles stériles

• 72 filtres de 0,2 μm de diamètre

• 72 tubes Vacutainer de 10 mL sans additif

• agitateur horizontal automatique

Réalisation du protocole

Préparation de la membrane

1. Préparer une solution de bicarbonate de soude à 0,5 M. Compter environ 2 L de solution pour 20 membranes.

2. Déposer une feuille de membrane sur une plaque en verre et l'arroser d'eau distillée.

3. Délimiter des zones de 60x20 mm à l'aide du marqueur et de la règle. Couper ces zones avec le cutter. Utiliser la seconde plaque en verre pour couper droit.

4. Couper 30 cm de fil de pêche. Percer le dessus de la membrane avec l'aiguille et nouer le fil à la membrane.

5. Déposer la membrane dans la solution de bicarbonate. Laisser tremper au minimum 24 heures. Mélanger régulièrement la solution pour que les membranes ne s’agrègent pas.

Préparation de la solution d'extraction

1. Préparer une solution de KCl à 1 M.

2. Verser 35 mL de la solution de KCl dans un tube en plastique. Préparer autant de tubes qu'il y a de membranes.

Au maximum 24 heures avant la session terrain : mettre la membrane dans un sachet plastique et noter la zone d'échantillonnage correspondante. Garder les membranes au froid en les mettant dans une glacière. Mettre des feuilles d'aluminium entre les sachets contenant les membranes et les pains de glace/glaçons pour éviter un contact direct.

Installation de la membrane (terrain)

1. Creuser un trou de 8 cm de profondeur. Retirer la membrane du sachet plastique à l'aide de la pince et la déposer horizontalement dans le trou.

2. Nouer le fil de pêche cousu à la membrane à un piquet pour pouvoir retrouver la membrane. Refermer le trou en couvrant délicatement de terre.

3. Insérer le cylindre en PVC dans le sol, à environ 1 cm de profondeur, à l'aide du marteau et de la planche de bois.

4. Verser de l'eau distillée dans le cylindre de manière à ce qu'il y en ait sur 3 cm.

Environ 2 semaines après la session terrain : extraire la membrane du sol. Retirer la membrane du sol en suivant le fil de pêche. Retirer le plus de particules de sol possible en secouant la membrane ou en brossant délicatement avec la brosse à dents. Mettre la membrane dans un tube contenant une solution de KCl. Couper le fil avec des ciseaux.

Extraction de la membrane

1. Secouer le tube contenant la membrane à l'aide d'un agitateur automatique pendant 16 heures à 100 tr/min à 30°C.

2. Nettoyer la seringue avec une petite quantité de surnageant.

3. Adapter un filtre de 0,2 μm de diamètre sur la seringue et prélever 10 mL de surnageant.

4. Injecter la solution dans un tube Vacutainer à l'aide d'une aiguille stérile.

5. Mesurer la surface de membrane restante après l'étape d'extraction.

Analyser quantitativement les ions ciblés en solution.

Exploitation des données

Traitement des données

Calculer le flux d'ions (I) en μg/cm2/jour d'après la formule suivante :

$$I = a * b / c * d$$

a : résultat de l'analyse quantitative (μg/L)

b : volume de solution d'extraction utilisée (L)

c : surface de la membrane

d : temps d'incubation dans le sol (jours)

Références

• Qian, P., Schoenau, J.J., 2002. Practical applications of ion exchange resins in agricultural and environmental soil research. Canadian Journal of Soil Science 82, 9–21.

• Saggar et al., 1990. A simplified resin membrane technique for extracting phosphorus from soils. Fertilizer Research 24, 173–180.

• Alexis Thoumazeau, Cécile Bessou, Marie-Sophie Renevier, Jean Trap, Raphaël Marichal, Louis Mareschal, Thibaud Decaëns, Nicolas Bottinelli, Benoît Jaillard, Tiphaine Chevallier, Nopmanee Suvannang, Kannika Sajjaphan, Philippe Thaler, Frédéric Gay, Alain Brauman (2019) - Biofunctool®: a new framework to assess the impact of land management on soil quality. Part A: concept and validation of the set of indicators. Ecological Indicators 97 (2019) 100–110