La dégradation photochimique et biologique de la matière organique dissoute provenant de mares thermokarstiques et de sources terrestres des paysages de pergélisol arctique de l’est du Canada / Photochemical and biological degradation of dissolved organic matter from thermokarst ponds and terrestrial sources in arctic permafrost landscapes of eastern Canada.

Mazoyer, Flora (2023). La dégradation photochimique et biologique de la matière organique dissoute provenant de mares thermokarstiques et de sources terrestres des paysages de pergélisol arctique de l’est du Canada / Photochemical and biological degradation of dissolved organic matter from thermokarst ponds and terrestrial sources in arctic permafrost landscapes of eastern Canada. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 238 p.

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Résumé

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Le réchauffement climatique en cours bouleverse la structure du paysage Arctique. Le carbone des sols est de plus en plus mobilisé, sous forme de matière organique dissoute (MOD), dans les nombreux plans d’eau thermokarstiques issus du dégel du pergélisol, ainsi que dans le reste du réseau aquatique. Les immenses stocks de carbone organique séquestrés dans le pergélisol depuis des milliers d’années se retrouvent progressivement accessibles, et peuvent être dégradés en gaz à effet de serre et libérés dans l’atmosphère. Le devenir de ce carbone ancien est un enjeu brûlant car il pourrait exercer une rétroaction positive sur le climat et accélérer la transformation de l’Arctique. De fortes émissions de CO2 et de CH4 à la signature ancienne sont régulièrement mesurées dans les eaux arctiques continentales, mais les facteurs qui contrôlent l’efficacité de ce transfert de carbone sont encore mal définis. Au long de cette thèse, j’ai étudié la dégradation de la MOD et sa minéralisation en CO2 dans des petits plans d’eau thermokarstiques et des lixiviats de sources organiques du paysage environnant (pergélisol et couche active du sol, producteurs primaires). Les recherches ont été menées dans deux sites de l’est du Canada, caractérisés par un environnement hautement organique : le site subarctique de SAS (Nunavik, Québec), une zone de tourbière, et le site Arctique de l’île Bylot (parc national Sirmilik, Nunavut), une zone de toundra découpée en polygones à coin de glace. La photodégradation et la biodégradation de la MOD, ainsi que l’interaction entre ces processus, ont été expérimentalement évaluées ensemble. Je me suis particulièrement intéressée aux effets des propriétés intrinsèques de la MOD sur sa labilité photochimique et biologique, et à l’influence du paysage sur la qualité et la transformation de la MOD dans les mares. Trois expériences d’incubation ont été réalisées en laboratoire ou directement sur le terrain, dans le but de caractériser l’évolution de pools de MOD sélectionnés pour explorer la variabilité temporelle et spatiale. La lumière solaire a largement dominé la dégradation de la MOD hivernale d’un lac de tourbière du site de SAS. Environ 5 mgC L-1 ont été perdus en 18 jours d’exposition : 78% par photodégradation directe et 22% grâce à la stimulation photochimique de la consommation bactérienne. A peu près la moitié de cette perte a été minéralisée, tandis que le reste semblerait avoir floculé. A l’obscurité, la biodégradation n’a pas généré de résultats mesurables, indiquant une certaine récalcitrance de cette MOD de fin d’hiver. L’effet positif de la lumière solaire sur les bactéries s’est aussi traduit par une augmentation de l’abondance et de la production bactérienne. Cette première étude suggère que la lumière solaire est susceptible de jouer un rôle majeur dans la transformation de la matière organique de surface des tourbières au cours de la période de fonte printanière. Au site de Bylot, la dégradation de la MOD collectée dans six mares, constituant un gradient d’apports d’érosion du pergélisol, a été examinée pendant 14 jours. Les pertes de MOD mesurées étaient inférieures à celles du site de tourbière, mais les résultats suggèrent que le brunissement de l’Arctique – c’est-à-dire l’augmentation attendue de la concentration de la MOD chromophorique dans les écosystèmes aquatiques continentaux résultant de l’augmentation des apports en matière terrestre humique – pourrait favoriser la photodegradation dans les eaux de surface. Ainsi, le dégel et l’érosion du pergélisol sont susceptibles de provoquer une augmentation des émissions de CO2 par voie de dégradation photochimique. Par contre, la variation de la biodégradation le long du gradient n’était pas significative, suggérant que l’érosion du pergélisol tendrait à surtout mobiliser des composés photolabiles. La troisième étude s’est focalisée sur la comparaison de la qualité et de la labilité de pools de MOD d’âge variable (datation 14C), provenant de quatre composantes typiques des paysages de thermokarst : le pergélisol ancien, la plus jeune couche active, les modernes producteurs primaires et l’eau de mare. Les lixiviats de producteurs primaires ont été les plus dégradés et minéralisés par les bactéries, tandis que les lixiviats de couche active et les eaux de mare ont été les plus dégradés et minéralisés par la lumière. Les lixiviats de pergélisol ont été davantage biodégradés en moyenne, mais ils étaient également sensibles à la photodégradation. Dans tous les cas, il semblerait qu’une fraction de la MOD ait floculé. D’après les résultats, le devenir des différents types d’apports de MOD terrestre dans les mares serait très variable, dépendamment de leur source. Enfin, étant donné les rendements de lixiviation en MOD très élevés des plantes terrestres, et en réponse au verdissement de l’Arctique, les flux de carbone moderne et biolabile vers les mares pourraient devenir de plus en plus massifs. Les résultats de cette thèse ont montré que l’efficacité de la photodégradation était liée à la présence de groupes de composés chromophoriques, aromatiques et humiques. À l’inverse, l’efficacité de la biodégradation a été liée à la présence de groupes de composés non chromophoriques, aliphatiques et de type protéique. Ce travail suggère que la photodégradation et la biodégradation de la MOD dans les eaux continentales pourraient toutes deux augmenter à l’avenir, sous l’influence de potentiels changements de long-terme au sein du paysage (brunissement, verdissement). La quantification des différents flux de MOD terrestre vers le compartiment aquatique, ainsi que des processus de floculation et d’enfouissement de la MOD, seront essentielles pour estimer correctement l’importance de l’effet de rétroaction du pergélisol sur le climat.

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Ongoing global warming in the Arctic is considerably disturbing the landscape. Thawing permafrost is creating numerous thermokarst water bodies in which soil carbon is increasingly mobilized, as well as in the rest of the aquatic network, mainly in the form of dissolved organic carbon (DOM). The immense stocks of organic carbon locked up in permafrost for thousands of years thus become available to be degraded and released into the atmosphere as greenhouse gases (GHG). The fate of this ancient carbon has become a hot research topic, as it could have a positive feedback on climate and accelerate the transformation of the Arctic. High CO2 and CH4 emissions with a 14C value signing the mineralization of organic carbon that was produced thousands of years ago are regularly reported in Arctic inland waters, but the factors controlling the efficiency of this carbon transfer are not yet well defined. In this thesis, I studied the degradation of DOM and its mineralization to CO2 in small thermokarst water bodies and in leachates from organic sources found in the surrounding landscape (permafrost and active layer soils, primary producers). Two organic-rich study sites of eastern Canada were considered: the subarctic peatland site of SAS (Nunavik, Quebec) and the Arctic ice-wedge polygonal tundra site of Bylot Island (Sirmilik national park, Nunavut). Photodegradation and biodegradation of DOM, along with their interaction, were measured simultaneously. I was particularly interested in understanding the effect of DOM intrinsic properties on its bio- and photo-lability, as well as the influence of the landscape on the quality and transformation of DOM in ponds. Three incubation experiments have been carried out in the laboratory or in the field, and present the characterization and monitoring of DOM pools exploring temporal and spatial variability. Sunlight largely dominated the degradation of peatland DOM collected in late winter at the SAS site. Approximately 5 mgC L-1 was lost in 18 days of exposure: 78% through direct photodegradation and 22% through photostimulation of bacterial consumption. About half of this loss was mineralized, while the rest apparently flocculated. In the dark, no biodegradation was recorded, indicating that DOM at the end of the winter was relatively recalcitrant. The positive effect of sunlight on bacteria was demonstrated by an increase in bacterial abundance and production. These results suggest that sunlight is likely to play a major role in the processing of organic matter at peatland surface during the spring melt period. At the Bylot site, DOM degradation was examined for 14 days in 6 ponds located along a gradient of inputs from permafrost soil erosion. Although DOM losses were overall lower than in the peatland water, the results of this second study suggest that Arctic browning – the expected increase in chromophoric DOM (CDOM) in inland waters caused by increasing mobilization of humic terrestrial material – could promote photodegradation in surface waters. Permafrost thawing and erosion are thus likely to cause an increase of CO2 emissions due to photochemical degradation. On the other hand, biodegradation did not vary significantly along the gradient, suggesting that permafrost erosion mainly mobilizes photo-labile molecules. The third study focused on comparing the quality and lability of DOM pools with a variable 14C age, originating from four components typical of thermokarst landscapes: ancient permafrost (AP), younger active layer (AL), modern primary producers (PP), and pond water (PW). PP leachates were the most degraded and mineralized by bacteria, while AL leachates and PW were the most degraded and mineralized by light. AP leachates were more biodegraded on average, but also sensitive to photodegradation. In all cases, a fraction of the DOM lost seems to have flocculated. The results suggest that terrestrial DOM inputs to ponds will have different fates depending on their source. Moreover, as plants were found to leach huge quantities of DOM, and given the predicted Arctic greening, modern and biolabile carbon inputs could become more important in the future. The results of the thesis showed that DOM photodegradation efficiency was linked to the presence of chromophoric, aromatic and humic groups of compounds. Conversely, DOM biodegradation efficiency depended on the presence of non-chromophoric, aliphatic and protein like groups of compounds. This work suggests that both photodegradation and biodegradation of inland water DOM could be likely to increase in the future, depending on long-term potential changes in the landscape (browning, greening). It will be essential to quantify the different DOM fluxes from land to water, as well as DOM flocculation and burial processes, in order to properly assess the importance of permafrost feedback on climate.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Laurion, Isabelle
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Rautio, Milla
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	matière organique dissoute ; CO2 ; photodégradation ; biodégradation ; mares thermokarstiques, cycle du carbone ; Arctique ; pergélisol ; couche active ; producteurs primaires ; lixiviats ; brunissement ; verdissemen; dissolved organic matter; photodegradation; biodegradation; thermokarst ponds; carbon cycling; Arctic, permafrost; active layer; primary producers; leachates; browning; greening
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	06 févr. 2024 20:55
Dernière modification:	06 févr. 2024 20:55
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/14163

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