apport de la géochimie organique à l’étude du
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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