Mécanismes de capture et de détachement de gouttelettes d'huile par les organismes filtreurs aquatiques

Abstract

L'alimentation par filtration est omniprésente chez les invertébrés aquatiques. On retrouve des organismes se nourrissant de cette manière dans la plupart des embranchements du règne animal. Les organismes filtreurs capturent les particules présentes dans la colonne d'eau à l'aide d'appendices ramifiés. Ces particules peuvent alors être manipulées, goûtées et potentiellement ingérées. Les particules filtrées sont généralement des algues unicellulaires, des débris variés ou encore des protistes. Cependant, ces organismes filtreurs peuvent aussi filtrer, capturer et consommer des particules liquides de lipides. Ces particules liquides peuvent provenir de la décomposition naturelle d'un organisme vivant ou par le biais d'un déversement d'hydrocarbures dans les milieux aquatiques. L'objectif principal de ma thèse était de déterminer les mécanismes principaux de capture des gouttelettes d'huile et de décrire les paramètres contrôlant leur capture et leur détachement.

Tout d'abord, les principes de mécanique des fluides permettant de décrire la capture de particules solides et le courant passant près d'une fibre cylindrique ont été adaptés aux particules liquides. Une revue exhaustive de la littérature existante a été synthétisée sous un article de synthèse. Une étude du volume critique de détachement en fonction de la tension d'interface y est présentée. De plus, les modes de filtration de la balane et de la daphnie sont décrits.

Par la suite, le détachement de gouttelettes d'un appendice filtreur a été observé à l'aide de la vidéographie haute vitesse. Nous avons déterminé les facteurs régissant le détachement et établi une courbe permettant de prédire le comportement des gouttelettes, à savoir si celles-ci vont demeurer sur l'appendice filtreur ou si elles vont retourner dans la colonne d'eau. En effet, pour qu'une gouttelette se détache du collecteur, le ratio des forces inertielles et des forces capillaires doit atteindre un seuil critique. Plus le ratio de taille entre la gouttelette et le collecteur sera petit, plus le seuil critique sera élevé. Cet outil a ensuite été validé en utilisant la taille maximale des gouttelettes retrouvées sur les appendices filtreurs de trois espèces de copépodes marins. Ce résultat permet de facilement déterminer quelle distribution de gouttelettes est à risque de demeurer sur les appendices des organismes filtreurs, advenant un rapide survol des espèces présentes au lieu du déversement.

Je me suis ensuite intéressé aux mécanismes de capture des gouttelettes. Pour ce faire, l'alimentation de Daphnia magna, Balanus crenatus et Balanus glandula a été observé sous le microscope et dans une chambre de courant à l'aide d'une caméra haute vitesse afin de décrire précisément les méthodes de capture. Daphnia magn} capturent les gouttelettes à l'aide des couches limites très épaisses des paires de pattes thoraciques 3 et 4. Ainsi, les gouttelettes capturées ne touchent pas les setae et les sétules. À faible nombre de Reynolds, les balanes vont capturer les gouttelettes par un processus similaire. Par contre, à haut nombre de Reynolds, les gouttelettes seront majoritairement capturées par interception directe. À l'aide de la microscopie électronique à balayage et de la microscopie à fluorescence, nous avons observé que les surfaces filtrantes sont très lisses et hautement lipophobes, Ainsi les angles de contact des gouttelettes capturées sont supérieurs à 90 degrés.

Finalement, puisque la dispersion de surfactants est un des moyens principaux de nettoyage après un déversement, son rôle sur la capture et le détachement des gouttelettes se devait d'être étudié. Donc, l'impact d'un surfactant sur la taille des gouttelettes dans la colonne d'eau et dans le tube digestif de Daphnia magna a été étudié. De plus, nous avons comparé les conditions de détachement de gouttelettes avec et sans surfactant présent dans l'émulsion. Ainsi, l'ajout d'un surfactant diminue significativement la taille des gouttelettes dans la colonne d'eau. Avec ou sans surfactant présent, la taille des gouttelettes ingérées par Daphnia magna est similaire. L'ajout d'un surfactant facilite le détachement de gouttelettes d'une fibre en diminuant la tension d'interface. Une gouttelette dispersée avec un surfactant se détachera donc à plus faible vélocité qu'une gouttelette dispersée mécaniquement.

Ces travaux apportent de nouvelles connaissances nous permettant de comprendre comment le pétrole est capturé par le zooplancton. Ceci est d'une grande importance considérant que c'est par ce groupe que la majorité du pétrole entre dans les réseaux trophiques marins. Cette thèse décrit les principaux mécanismes de capture, de détachement et l'impact de l'ajout d'un surfactant sur ce dernier.

Filter feeding is ubiquitous in aquatic invertebrate clades. Species feeding this way are found in almost every animal phyla. Filter feeders capture food particles from the water column using ramified appendages. These particles can then be manipulated, tasted and potentially ingested. Captured particles generally include unicellular algae, various debris and protists. However, these filter feeders can also filter, capture and consume lipid particles. These lipid particles can come from decaying organisms or from the release of hydrocarbons during an oil spill. The main goal of this thesis was to identify the main capturing mechanisms of oil droplets and to describe the parameters controlling the capture and detachment from a filtering appendage.

At first, the general principles of fluid mechanics required to describe the capture of solid particles and the flow around a cylindrical fiber were adapted to liquid particles. An exhaustive review of the literature was published as a review paper. A study of the critical volume needed for vertical detachment in function of the interfacial tension was presented. Also, the feeding mechanisms of daphnids and barnacles were described.

Then, we used high speed videography to observe the detachment process of oil droplets from fibers. We described the key factors responsible for detachment and established a curve to predict whether a captured droplet will remain on the fiber or detach and re-enter the water column. Indeed, for a droplet to detach from a fiber, the ratio of inertial to capillary forces must reach a critical value. The smaller the droplet to fiber size ratio, the higher this critical value will be. This predictive tool was then validated using the size of droplets captured by three marine copepods. This result allows us to predict the size distribution of droplets that will remain captured by filtering appendages, following a quick survey of the filter feeding species in the vicinity of the spill.

Afterward, I studied the capture mechanisms of oil droplets. To do so, the feeding behavior of Daphnia magna,Balanus crenatus and Balanus glandula was observed under the microscope and in a flume using high speed videography to precisely describe capture events. Daphnia magna captures droplets using the thick boundary layers around the third and fourth pair of thoracic legs. Thus, the oil droplets are captured without direct contact with the fibers. At low Reynolds number, barnacles capture droplets using a similar process. However, at high Reynolds number, droplets are mainly captured via direct interception. Using scanning electron microscopy and fluorescence microscopy, we observed that the filtering surfaces of the organisms are smooth and extremely lipophobic. Indeed, the contact angles of captured droplets were well above 90 degrees.

Finally, because chemical dispersion is one of the main clean-up methods used after an oil spill, the effect it can have on capture and detachment of droplets needed further research. I studied the impact of a chemical surfactant on the size distribution of oil droplets in the water column and in the gut of Daphnia magna. I also compared the detachment conditions of droplets with and without a surfactant present during the mixing of the emulsion. Adding a surfactant significantly reduces and narrows the size distribution of droplets in the water column. With or without a surfactant, the size of ingested droplets remains the same. The presence of a surfactant facilitates droplet detachment from a fiber by lowering the interfacial tension. For similar droplet to fiber size ratios, a chemically dispersed droplet will detach at a lower velocity than a mechanically dispersed droplet.

This research brings a better understanding on how oil droplets are handled by the zooplankton. These results are significant considering that most spilled crude oil enters the marine food webs via this group of organisms. This thesis describes the main mechanisms of capture, detachment and the impact of a surfactant on the latter.