Apport de la géochimie organique à l’étude du fonctionnement de zones humides

Sylvie Derenne

Zones humides

Etendues de terres recouvertes ou imprégnées d’eau permanentes ou temporaires, où l’eau est stagnante ou courante, douce, saumâtre ou salée

6% des terres émergées mondiales

- Réserve de biodiversité.- Ressource en eau essentielle.- Fixent 20% du carbone mondial.- Couvrent 25% des besoins alimentaires mondiaux.

Grenelle de l’Environnement (2010) : plan national d’action pour la sauvegarde des zones humides

Pergélisol (permafrost)

Sols gelés en permanence

≈ 20% de la surface terrestre

Dominant dans les régions de haute latitude

Deux exemples

Tourbières

Sols acides partiellement ou totalement ennoyés

3-5% de la surface des terres émergées

Pergélisol (permafrost)

Sols gelés en permanence

≈ 20% de la surface terrestre

Dominant dans les régions de haute latitude

Deux exemples

Stocks importants de C

Des écosystèmes menacés

Grande vulnérabilité au changement climatique

Tourbières

Sols acides partiellement ou totalement ennoyés

3-5% de la surface des terres émergées

Impact de la fonte du pergélisol sur le fonctionnement des écosystèmes boréaux ?

Impact du réchauffement sur des tourbières de différents

régimes hydriques ?

Coll. F. Chabaux (LyGeS), O. Prokrowsky (GET), projets EC2CO

Coll. F. Laggoun-Défarge (ISTO), SO tourbières (INSU), ANR Peatwarm

Variations chimiques corrélées aux variations hydrologiques

Mais 2 comportements très contrastés :

éléments « solubles » (Ca, Cl, Na , Mg, K, …) et éléments « insolubles » (Fe, Al, Terres rares, …)

3 périodes hydrologiques :-basses eaux (hiver)-hautes eaux (fonte des neiges)-basses eaux avec crues d’orages

Les environnements boréaux

Fonctionnement hydrologique spécifique:

FeAl

DOC

Et COD suit le comportement des éléments « insolubles »

Transport colloïdal ?Bagard et al., GCA, 2011

Site d’étudeRégion de la rivière Kochechum (Sibérie Centrale)

[collaboration GDRI CAR-WET-SIB, Institute of Forest Research of RussianAcademy of Science (Krasnoyarsk)]

Lithologie et végétation homogènes

Prélèvements réguliers d’échantillons d’eaux dans 2 grandes rivières (Kochechum et Tunguska)

Caractérisation de la matière organique

RMN 13C à l’état solide

Prédominance des carbohydrates (C-O), surtout au maximum de

la crue

MO fraîche

Changement de composition en fin de crue :diminution relative des carbohydrates,

MO plus dégradée

(a)

(b)

(c)

200 100 0(ppm)

(b)

(c)

200 100 0(ppm)

Kochechum

Tunguska

Début de crue

2 campagnesd’échantillonnage

Max de crue

Fin de crue

C=O

CO32-

C-O

Changement de composition en fin de crue / début et maximum de crueen accord avec ≠ de flux hydrologiques révélées par éléments inorganiques

Rôle de la MO dans la mobilisation des éléments insolubles?

C ali

Pyrolyse point de Curie (650 °C)-CG-SM

Diminution relative des composés aromatiques au profit des phénoliquesConfirme le changement de composition en fin de crue / début et maximum de crue

Kochechum(b)

(c)

(b)

(c)

Tunguska

Dérivés polysaccharidiques

Hydrocarbures aromatiquesDérivés phénoliques

Hydrocarbures polyaromatiques

Caractérisation de la matière organique

Max de crue

Fin de crue

Pyrolyse point de Curie (TMAH)-CG-SM

Confirme le changement de composition en fin de crue / début et maximum de crueRôle de la MO dans la mobilisation des éléments insolubles?

Kochechum Tunguska

Max de crue

Fin de crue

10 20 30 40 50 60 70 80Time (min)

10 20 30 40 50 60 70 80Time (min)

Hydrocarbures aromatiquesDérivés phénoliquesAcides gras

Analyse des composés polaires

Caractérisation de la matière organique

-300-200-1000100200300

KGa2

II A13 minérauxkaol KGa2

delta ppm

-500

0

500

1000

1500

2000

-300-200-1000100200300

AlTR3Bha

II BhKGa2spectre-min

delta ppm

Horizonkaolinitedifference

Relation MO-Al ?RMN 27AlDifficultés : Noyau quadrupolaire (spin 5/2)

proximité de résonances entre 27Al et 13C (pas de 2D possible)

Etude précédente sur des sols amazoniens:

(Coll. C. Bonhomme, LCMCP/UPMC)

Soustraction des spectres de minéraux

Identification des minéraux par destruction de la

MO / H2O2

Spectre de Al lié à la MO

-500

0

500

1000

1500

2000

-300-200-1000100200300

AlTR3Bha

II BhKGa2spectre-min

delta ppm

Horizonkaolinitedifference

Précédente étude en RMN 27AlSol amazonien

Forme caractéristique liée à la distribution de la constante de couplage quadrupolaire

confirmée par RMN 2D (5QMAS)

Bardy et al., GCA, 2007

Quantification possible de Al-MOvalidée par dégradations sélectives

Bh

Bhs

A13

A11

BCs

pyrophosphate27Al NMR

Sols amazoniens:C/Al : 1-10, échantillons solides

Eaux arctiques:C/Al ≈ 200échantillons solubles

0100 ppm

Al IV

Al VI

Kochechum

Tunguska

Relation MO-Al dans les eaux arctiques ?

RMN 27Al

Maximum de crue

Fin de cruetrès faible rapport signal/bruit

Contient Al-MO ?

(Coll. F. Pourpoint, UCCS Lille)

Réchauffement climatique : effet négatif ou positif ?

Accélération de la décomposition de la MO ?

Augmentation des émissions de CO2 dans l’atmosphère?

Tourbières

Deux types de tourbières selon régime hydrologique :Ombrotrophe (alimentation en eau uniquement par les précipitations)Minérotrophe (alimentation en eau également par réseau souterrain)

Deux zones distinctes :Acrotelme / CatotelmeDifférences d’ennoiement et d’oxygénationDifférences de comportement face au réchauffement ?

Site d’étudeTourbière de Frasne (Jura)

Réserve Naturelle Régionale depuis >20 ans

Précipitations annuelles : 1300 – 1500 mm

Température moyenne de l’air : 7-8°C

Tourbière ombrotrophe

2 types de régime hydrique révélés par des différences de végétation: « bog » / « fen »

Weatherstation

Weatherstation

Open‐Top‐Chambers(OTC) plots

Control plots

Fen

Bog

10 m

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1012

11

Weatherstation

Weatherstation

Open‐Top‐Chambers(OTC) plots

Control plots

Fen

Bog

10 m

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1012

11Instrumentation avec Mini-serres

(OTCs – Open Top Chambers)

Delarue et al., OG, 2011

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Years 2008-2010 Winter Spring Summer Autumn

BogFen

∆O

TCs

-con

trol

s(°

C)

*

*

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Years 2008-2010 Winter Spring Summer Autumn

BogFen

∆O

TCs

-con

trol

s(°

C)

*

*

**

Effet des mini-serres

Augmentation artificielle de la température de l’air en 2 ans

(≈ + 0,6 °C Tmoy annuelle)

Surtout en printemps-été(≥ 1 °C Tmoy annuelle)

Surtout Tmax(≈ + 3,5 °C Tmax été)

T moyenne (2008-2010)

T maximale (2008-2010)

Lipides marqueurs d’environnementTetraéthers de glycérol (GDGT) : lipides complexes membranaires (M>1000 Da)

Présents dans les archaea (chaînes isopréniques)OH

O

O

O O

OH

OH

O

OO

O

OH

et certaines bactéries (chaînes ramifiées non isopréniques)

Lipides marqueurs d’environnementTetraéthers de glycérol (GDGT) : lipides complexes membranaires (M>1000 Da)

Diversité de structures

Variabilité du degré de méthylation et de cyclisation ⇒ index MBT et CBTOH

O

OO

O

OHOH

O

OO

O

OH

OH

O

O

O

O

OH

OH

O

O

O

O

OH

Distribution des GDGTs = f (paramètres environmentaux )

Applications importantes pour les reconstructions paléoenvironnementalesApplicable aux tourbières ? Vitesse d’adaptation des microorganismes ? Autres paramètres à considérer ?

MBT = f (T, pH) et CBT = f (pH)proposées pour les sols

Huguet et al, GCA, 2013

Effet de T (OTCs) sur les GDGTs

Réponse rapide des bactéries(< 2 ans)

Lipides reflètent augmentation T air (∆T ≈ +2 °C Tmoy annuelle)

Saisonnalité (printemps-été)

T reconstruite pour 3 profondeurs

0

2

4

6

8

10

5-7 cm 7-12 cm 12 - 17 cm

TémoinsMini-serres

Tem

péra

ture

est

imée

(°C

)

5-7 cm 7-12 cm 12-17cm

ControlOTC 2 ansOTC 2 ans

Reconstruction de T à partir de la calibration MBT/CBT proposée pour les sols

Control

OTC2 ans

Analyse par HPLC-MS

Huguet et al, OG, 2010; GCA, 2013

Humidité ?

Influence d’autres paramètres environnementaux sur les GDGTs?

Effet de l’humidité du milieu

Etude de sites de ≠ degrés d’ennoiementComparaison avec la profondeur

0

2

4

6

8

10

5-7 cm 7-12 cm 12 - 17 cm

TémoinsMini-serres

Tem

péra

ture

est

imée

(°C

)

5-7 cm 7-12 cm 12-17cmT reconstruite pour 3 profondeurs

humidité ⇒ T reconstruite0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

1 2 3 4

MB

T

Fenhumide

Bogsec

surf surfprofond profond

MBT

ControlOTC 2 ansOTC 2 ans

Effets d’autres paramètres sur distribution GDGTs dans zones humides ?

-Effet de l’humidité à mieux contraindre:

expériences en milieu contrôlé(phytotrons)

-Effet de la salinité? (autre stress osmotique)

Echantillonnage le long d’un gradient(estuaire de Seine)

Projet Seine Aval

Remerciements

Projet PergélisolJoëlle Templier (BioEMCo)François Chabaux (LHyGeS)Marie-Laure Bagard (LHyGeS)Oleg Prokrowsky (GET)

Projet TourbièresArnaud Huguet (BioEMCo)Fatima Laggoun-Défarge (ISTO)Frédéric Delarue (ISTO)

Vous pour votre attention