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Étude du cycle biogéochimique du dihydrogène et du mercure en utilisant une approche intégrée

Constant, Philippe (2008). Étude du cycle biogéochimique du dihydrogène et du mercure en utilisant une approche intégrée Thèse. Québec, Université du Québec, Institut National de la Recherche Scientifique, Doctorat en biologie, 215 p.

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Résumé

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Les interactions complexes entre le climat et les systèmes biogéochimiques pourraient amplifier ou atténuer les déséquilibres engendrés par l'activité anthropique. C'est dans cette optique qu'un programme de recherche a été entrepris pour étudier les dépôts secs du dihydrogène (Hz) et déterminer les sources potentielles ainsi que la stabilité du méthyle mercure (MeHg) détecté dans la neige subarctique. Ces deux processus ont été sélectionnés non seulement en raison de leur importance dans le cycle biogéochimique du Hz et du mercure (Hg), mais aussi à cause de leur susceptibilité au changement global. Les résultats obtenus au cours de ce programme de recherche ont été analysés en utilisant une approche intégrée, permettant ainsi d'identifier leurs interrelations et de prédire l'impact du changement global sur les réactions étudiées. Environ 80% des pertes du Hz troposphérique sont causées par son dépôt sec. La résolution spatiotemporelle des dépôts secs du H 2 est présentement limitée par quatre études réalisées en Eurasie et les modèles actuels ne permettent pas de reproduire la distribution des concentrations de Hz troposphérique. Les concentrations de Hz modélisées sont supérieures à celles qui sont détectées in situ, particulièrement dans la région de 1 'hémisphère nord. Cette différence fut attribuée à une sous-estimation de la vitesse de dépôt sec du Hz, un paramètre dont la variation est extrapolée à partir des travaux réalisés en Eurasie. Sachant que le Hz est perçu comme la source d'énergie du futur et qu'il est un gaz à effet de serre indirect impliqué dans les réactions contrôlant la capacité oxydative de la troposphère, il devient important d'identifier les paramètres environnementaux modulant son dépôt sec. Les pertes de Hz au sol seraient dues à l'activité d'hydrogénases à forte affinité pour le Hz, mais aucun micro-organisme démontrant cette activité métabolique n'a encore été isolé. L'objectif de cette portion du programme de recherche était donc de caractériser les dépôts secs du Hz de l'échelle écosystémique à l'échelle microbiologique. Tout d'abord, l'établissement d'un bilan annuel des flux micrométéorologiques du H2 a été entrepris dans une région rurale. Le site représentait un puits de Hz, avec une vitesse de dépôt sec moyenne de 0,15 cm s-1,une valeur qui se situe à la limite supérieure de celles rapportées en Eurasie. Le dépôt sec du Hz était optimal lorsque le sol était sec et que sa température était supérieure à l0°C. Après avoir établi le bilan des échanges surface-air du H2, des expériences ont été réalisées en laboratoire afin d'identifier des micro-organismes pouvant être responsables de la consommation du H2 observée. Une approche originale, la chambre à microcosme dynamique (DMC), a permis d'établir une corrélation entre la maturation de l'activité de consommation du H2 et l'évolution de la population microbienne colonisant un sol stérile. L'efficacité de cette stratégie fut démontrée par 1'isolement de Streptomyces sp. PCB7, le premier micro-organisme ayant une forte affinité pour le H2 troposphérique. La consommation du H2 serait un métabolisme secondaire de la souche PCB7, impliquant des hydrogénases de type NiFe à forte affinité pour le H2 (Km apparent de ll ppmv). La souche PCB7 pourrait devenir un micro-organisme modèle pour étudier l'activité de consommation du H2 troposphérique en purifiant et en caractérisant ses hydrogénases. Pour sa part, le Hg est un métal qui se retrouve naturellement dans la croûte terrestre. En exploitant des ressources naturelles pour générer de l'énergie, des quantités importantes de Hg sont transférées vers l'atmosphère. Ce sont ensuite les réactions d'oxydoréduction qui déterminent la compartimentation du Hg, où les formes volatiles demeurent dans l'atmosphère alors que les formes réactives se déposent sur les surfaces humides. Des micro-organismes et/ou des réactions chimiques impliquant entre autres les acides humiques peuvent ensuite transformer le Hg déposé en MeHg, une neurotoxine bioaccumulable. Des travaux récents ont démontré que l'eau de la fonte des neiges représente une source importante de MeHg pour les écosystèmes arctiques. Le rôle exact de ce MeHg dans la contamination du biota arctique demeure néanmoins obscur et les réactions responsables de sa production sont encore inconnues. Puisque les événements de lessivage du mercure atmosphérique (ELMA) sont associés à un dépôt du Hg atmosphérique qui se retrouve alors sous forme biodisponible dans la neige, des micro­ organismes ou des réactions abiotiques pourraient transformer le Hg déposé en MeHg. Une étude a donc été réalisée pour déterminer l'impact des ELMA printaniers sur les concentrations de MeHg du manteau neigeux d'un écosystème subarctique. Deux sources de MeHg ont été identifiées : ( 1) le dépôt des aérosols marins et (2) une production in situ lors de la fonte des neiges. Alors que le MeHg issu des aérosols marins était instable suivant son dépôt atmosphérique, le MeHg détecté lors de la fonte des neiges était persistant et ses concentrations étaient corrélées avec celles des solides totaux, des solides totaux volatils ainsi qu'avec les dénombrements de bactéries hétérotrophes cultivables. Les sites localisés en périphérie de parcelles d'arbres et d'arbustes étaient donc ceux où les concentrations de MeHg étaient les plus élevées, mais les données disponibles ne permettent pas de confirmer la nature biologique ou abiotique du MeHg détecté. L'utilisation d'une approche intégrée a permis d'élaborer des scénarios envisageables concernant l'impact du changement global de la biosphère sur le cycle biogéochimique du H2 et du Hg. Puisque les écosystèmes arctique et subarctique sont ceux qui subiront la plus forte influence du réchauffement global, ils ont servis de modèle pour l'établissement des scénarios. L'analyse des résultats obtenus démontre qu'il est raisonnable d'anticiper que la variance des dépôts secs du H2 troposphérique ainsi que les décharges printanières du MeHg via l'eau de la fonte des neiges augmentent en réponse au changement global.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Villemur, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Poissant, Laurier (Environnement Canada/Université d'Ottawa)
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: troposphere ; environnement ; sol ; arctique ; ecosysteme ; subarctique ; atmosphere ; streptomyces ; neige
Centre: Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt: 11 oct. 2013 18:52
Dernière modification: 08 déc. 2015 14:52
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/170

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