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Les écosystèmes situés à l’interphase terrestre-aquatique, comme les zones humides, les lacs, les réservoirs, les rivières et les ruisseaux, sont d’importants puits et sources de gaz à effet de serre (GES) comme le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O)1,2. Le CH4, en particulier, est produit lors de la respiration anaérobie dans les espaces interstitiels saturés des pores des sédiments. Une fois produite, une fraction est oxydée et transformée en CO2, tandis que le reste finira par se diffuser dans la colonne d’eau et la végétation ou éclater en bulles3. La concentration de CH4 dans l’eau qui sature les pores des sédiments (c’est-à-dire l’eau interstitielle) à un moment donné donne un aperçu de l’équilibre entre le CH4 produit, consommé et transporté4. Mesurée sur des profils verticaux ou dans le temps, la concentration en eau interstitielle permet également d’identifier les zones les plus actives dans la production et la consommation de CH4 et leur variation saisonnière.
Traditionnellement, les méthodes pour déterminer la concentration de GES de l’eau interstitielle dans les écosystèmes impliquent le traitement d’échantillons d’eau prélevés sur le terrain pour équilibrer les gaz dans un espace de tête créé. Ensuite, l’espace de tête est analysé par chromatographie en phase gazeuse pour déterminer les concentrations5. Bien que cette méthode soit largement appliquée dans les études écologiques, elle nécessite des systèmes de chromatographie en phase gazeuse et de détection par ionisation de flamme (GC-FID) de paillasse qui impliquent l’allocation d’un espace de laboratoire conventionnel et un haut degré de connaissances spécialisées pour l’étalonnage et le fonctionnement (par exemple6). Cela nécessite également l’utilisation de consommables spécialisés, tels que de grands réservoirs de gaz vecteurs (c’est-à-dire de l’azote (N2) et de l’hélium (He)), qui ne sont pas facilement disponibles dans les endroits éloignés. Ces exigences et la logistique associée au transport des échantillons au laboratoire peuvent limiter la conception de l’échantillonnage et, dans certains cas, limiter la portée de l’étude lorsque l’équipement de chromatographie n’est pas disponible.
Cette étude visait à développer une méthode alternative pour mesurer les concentrations de gaz à effet de serre dissous à partir d’échantillons de solutions aqueuses dans l’espace de tête à l’aide d’analyseurs de gaz portables basés sur la spectroscopie optique. Ce type d’analyseur de gaz optique est une alternative rentable aux systèmes GC-FID standard, et sa portabilité en fait un choix idéal pour les applications de travail sur le terrain. Les analyseurs de gaz portables basés sur la spectroscopie optique produisent des mesures de concentration de gaz à haute fréquence (c’est-à-dire ~ 1 s-1) avec des temps de réponse de 2 à 5 s, selon les marques et les modèles. Ces instruments sont conçus et commercialisés principalement pour déterminer les flux de gaz à partir de surfaces émettrices de GES comme les sols, l’eau et la végétation 7,8,9. Les analyseurs optiques permettent de calculer le flux à partir de mesures de concentration continues dans des chambres d’espace de tête non stationnaires déployées sur les surfaces d’émission d’intérêt. Dans le cadre de leur utilisation habituelle avec des chambres de surface, les mesures à haute fréquence du taux de variation des concentrations observées dans la chambre et des dimensions, de la pression et de la température connues de la chambre permettent d’interpréter ces données comme pour le taux d’émission (ou d’absorption) par surface (c’est-à-dire les flux de surface)10. Cependant, les analyseurs de gaz portables ne sont ni équipés ni optimisés pour les concentrations dissoutes dans les milieux aqueux, ce qui nécessite des adaptations et des interprétations supplémentaires pour ce type d’analyse.
En nous appuyant sur les démonstrations précédentes de l’utilisation d’analyseurs optiques pour déterminer les concentrations dans des échantillons discrets à partir d’espaces de tête8, nous avons conçu une petite chambre fermée (c’est-à-dire sans surfaces d’émission) qui se connecte à l’analyseur en boucle fermée. La variation des concentrations après l’injection du sous-échantillon de gaz dans l’espace de tête, suivie des calculs de dilution, permet de déterminer les concentrations de l’espace de tête d’origine. La précision de cette approche a été évaluée en comparant ses résultats à ceux obtenus par GC-FID dans les mêmes échantillons. La méthode est également démontrée par un cas d’utilisation qui a analysé les profils verticaux de CH4 dans des échantillons d’eau interstitielle prélevés sur des sites expérimentaux dans un marais d’eau douce en Louisiane.