In situ measurements of pH and O2 by planar optodes: improvements and adaptations for soil and rhizosphere applications - DUMAS - Dépôt Universitaire de Mémoires Après Soutenance Access content directly
Master Thesis Year : 2018

In situ measurements of pH and O2 by planar optodes: improvements and adaptations for soil and rhizosphere applications

Gabrielle Daudin

Abstract

Soil is a highly heterogeneous system in which complex biogeochemical interactions occur at fine scale affecting ecosystem functioning at larger scale. Knowledge of spatio-temporal dynamics of soils processes is still scarce as access and continuous monitoring is challenging. Planar optodes are an emerging technology allowing the imaging of pH and oxygen dynamics in a non-invasive way and at sub-mm scale. It is based on the reversible interaction between protons or oxygen with a sensitive fluorescent probe and combined with a dedicated imaging set-up. The objective of this work was to develop and adapt oxygen and pH optodes (pH range of 5.5–7.5 and 6.5-9.5) for monitoring soil chemical processes as well as soil-root interactions. In addition, we focused on determining the effect of soil experimental conditions on optode measurements, including background heterogeneity, soil water content and experiment duration. Results revealed the need to test and overcome effects of background heterogeneity when working with transparent optodes, Moreover, depending on experimental condition, optode signals were occasionally found to be affected by biogeochemical processes, highlighting the necessity to assess optode performance after its application to soil. Improved optodes were applied in two case studies: the imaging of (1) oxygen dynamics in the rhizosphere of flooded rice and of (2) pH changes around metallic tungsten sources in non-water saturated soil.
Le sol est un milieu très hétérogène, lieu d’interactions biogéochimiques complexes à fine échelle affectant le fonctionnement des écosystèmes à plus large échelle. La connaissance de leurs dynamiques spatio-temporelles reste limitée car difficile d’accès. Les optodes planaires sont une technologie émergente permettant le suivi des dynamiques du pH et de l’oxygène de manière non-invasive et à l’échelle infra-millimétrique. Son principe est basé sur l’interaction réversible entre une sonde fluorescente et l’analyte, combiné à un système de détection optique. L’objectif de ce travail a été de développer et d’adapter une optode oxygène et deux optodes pH (gamme de pH entre 5.5-7.5 et 6.5-9.5) pour le suivi de processus biogéochimiques dans le sol et la rhizosphère. L’effet des conditions expérimentales sur la mesure a été particulièrement étudiée, telles que l’hétérogénéité structurale, l’humidité du sol, la durée de l’expérimentation. Les résultats ont montré la nécessité de vérifier l’impact de l’hétérogénéité du système lors de l’utilisation d’optodes transparentes. La mesure peut aussi être affectée par les processus biogéochimiques du sol renforçant la nécessité de vérifier l’intégrité de l’optode après application. Ces optodes ont été appliquées à deux études de cas : le suivi (1) de la dynamique d’oxygène dans la rhizosphère du riz immergée et (2) des gradients de pH autour d’apport de tungstène dans des sols non saturés en eau.
Fichier principal
Vignette du fichier
2018.TH.Daudin.Gabrielle.pdf (5.98 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Files produced by the author(s)

Dates and versions

dumas-02893946 , version 1 (08-07-2020)

Identifiers

  • HAL Id : dumas-02893946 , version 1

Cite

Gabrielle Daudin. In situ measurements of pH and O2 by planar optodes: improvements and adaptations for soil and rhizosphere applications. Inorganic chemistry. 2018. ⟨dumas-02893946⟩
102 View
241 Download

Share

Gmail Facebook X LinkedIn More