Caractérisation de la matière organique dissoute et de sa dégradation bactérienne dans les mares de la toundra polygonale à coins de glace

Pacoureau, Thomas (2023). Caractérisation de la matière organique dissoute et de sa dégradation bactérienne dans les mares de la toundra polygonale à coins de glace Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 192 p.

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Résumé

Les paysages de polygones à coins de glace abritent de nombreuses mares peu profondes qui sont façonnées par des processus géomorphologiques. Ces mares ont un impact significatif sur le cycle du carbon des écosystèmes de la toundra et pourraient jouer un rôle sur le climat mondial. Cependant, la composition de la matière organique dissoute (MOD) et la dynamique des nutriments dans ces masses d’eau sont mal comprises, ce qui empêche de prédire leur rôle dans la biogéochimie du carbone à mesure que l’Arctique se réchauffe. Pour combler cette lacune, nous avons mené une étude approfondie pendant trois étés consécutifs dans un terrain de pergélisol en cours de dégradation dans l’est de l’Arctique canadien, en analysant les mares appartenant aux catégories géomorphologiques dominantes. Nos résultats révèlent que les mares du paysage polygonal étudié sont riches en carbone et en nutriments, avec des caractéristiques distinctes influencées par l'érosion du pergélisol. Nous avons constaté une augmentation significative de la MOD et des nutriments inorganiques dans les mares affectées par l'érosion du pergélisol. Malgré leur faible profondeur, l’eau de fond des mares stratifiés présentaient des concentrations plus élevées de MOD et de nutriments. L'origine première de la MOD est terrestre dans ces masses d'eau, mais nous avons trouvé une gamme variée de fluorophores façonnée par la morphologie des mares. Les conditions météorologiques plus chaudes et plus humides ont été associées à une augmentation de la teneur en MOD, en particulier des fluorophores caractéristiques des tapis de cyanobactéries et des lixiviats du sol du pergélisol. Ces modèles doivent être pris en compte lors de l'évaluation du fonctionnement biogéochimique de ce paysage limnique dynamique. Nous avons ensuite étudié la bioréactivité de la MOD en menant une expérience d'incubation de 188 jours sur une série de mares, et mesuré la respiration bactérienne et la production de biomasse dans des essais à court terme, dans le but d'explorer le lien entre la composition de la MOD, les concentrations de nutriments et la consommation de DOC par les bactéries planctoniques hétérotrophes. Nos résultats indiquent qu'environ un tiers du pool de COD a été consommée par les bactéries sur une période de 100 jours. La perte de COD a été partiellement expliquée par la fluorescence d'un composant PARAFAC de type tryptophane lié à la végétation et aux lixiviats de tapis de cyanobactéries. L'ajout de nutriments a doublé la perte de COD dans les étangs caractérisés par des niveaux élevés d'érosion du pergélisol. Le métabolisme bactérien global était élevé dans les étangs, mais variable selon les catégories géomorphologiques et la profondeur des étangs. Ces résultats mettent en évidence la capacité des bactéries ix hétérotrophes à utiliser des sources allochtones et autochtones de MOD, ainsi que le rôle important des mares dans la transformation du carbone dans les régions pergélisolées, y compris son incorporation dans le réseau trophique et sa minéralisation en gaz à effet de serre. Alors que le changement climatique entraîne la dégradation du pergélisol et la croissance de la végétation, ces résultats donnent un aperçu de l'impact potentiel sur le cycle du carbone dans les régions dominées par des paysages polygonaux. L'allongement des saisons de dégel estival et l'augmentation des précipitations peuvent favoriser la décomposition de la matière organique, ce qui souligne encore davantage le rôle des mares dans la dynamique du carbone dans les écosystèmes nordiques et, potentiellement, sur le climat.

Ice-wedge polygonal landscapes are home to numerous shallow ponds shaped by geomorphological processes. These ponds have a significant impact on the carbon cycle of tundra ecosystems and could play a role on global climate. However, the composition of dissolved organic matter (DOM) and nutrient dynamics in these water bodies are poorly understood, hindering predictions of their role in carbon biogeochemistry as the Arctic warms. To address this gap, we conducted an in-depth study over three consecutive summers in a degrading permafrost terrain in the eastern Canadian Arctic, analysing ponds from the dominant geomorphological categories. Our results reveal that ponds in the polygonal landscape studied are rich in carbon and nutrients, with distinct characteristics influenced by permafrost erosion. We found a significant increase in DOM and inorganic nutrients in ponds affected by permafrost erosion. Interestingly, despite their shallowness, the bottoms of stratified ponds had higher concentrations of DOM and nutrients. The primary origin of DOM is terrestrial in these water bodies, but we found a diverse array of fluorophores shaped by pond morphology. Warmer, wetter meteorological conditions were associated with increased DOM content, especially fluorophores characteristics of cyanobacterial mats and permafrost soil leachates. These patterns need to be taken into account when assessing the biogeochemical functioning of this dynamic limnoscape. We then studied DOM bioreactivity by conducting a 188-day incubation experiment on a series of ponds, and measured bacterial respiration and biomass production in short-term assays, with the aim of exploring the link between DOM composition, nutrient concentrations, and dissolved organic carbon (DOC) consumption by heterotrophic planktonic bacteria. Our results indicate that approximately a third of the DOC pool was lost to bacterial consumption over 100 days. The DOC loss was partly explained by the fluorescence of a tryptophan-like PARAFAC component linked to vegetation and cyanobacterial mat leachates. The addition of nutrients doubled DOC loss in ponds characterized by high levels of permafrost erosion. Overall bacterial metabolism was high in the ponds, but variable according to geomorphological categories and pond depths. These results highlight the ability of heterotrophic bacteria to utilize both allochthonous and autochthonous sources of DOM, and the important role of ponds in carbon transformation in permafrost regions, including its incorporation into the food web and its mineralization into greenhouse gases. vii As climate change drives permafrost degradation and vegetation growth, these findings provide insights into the potential impact on carbon cycling in regions dominated by polygonal landscapes. The lengthening of summer thawing seasons and increased precipitation may enhance organic matter decomposition, further emphasizing the role of ponds in carbon dynamics in northern ecosystems and, potentially, on climate in return.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Laurion, Isabelle
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Rautio, Milla
Mots-clés libres:	toundra polygonal en coins de glace; pergélisol; mares de fonte; matière organique dissoute; carbone; phosphore; azote; analyse factorielle parallèle; respiration bactérienne; production bactérienne; ice-wedge polygonal tundra; permafrost; thaw ponds; dissolved organic matter; carbon; phosphorus; nitrogen; parallel factor analysis; bacterial respiration; bacterial production
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	24 juill. 2024 15:13
Dernière modification:	24 juill. 2024 15:13
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15890

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