Sources and fate of methylmercury in the Southern Ocean : use of model seabirds and mercury stable isotopes

par Marina Renedo Elizalde

Thèse de doctorat en Chimie organique, minérale et industrielle

Sous la direction de David Amouroux et de Paco Bustamante.

  • Titre traduit

    Sources et devenir du méthylmercure dans l’Océan Austral : utilisation des oiseaux marins modèles et des isotopes stables du mercure


  • Résumé

    Malgré leur distance de la pression industrielle, les milieux marins austraux et antarctiques sont contaminés par des polluants globaux, tels que le mercure (Hg), par le transport atmosphérique et les courants océaniques. Jusqu'à présent, les voies de contamination du Hg dans l'Océan Austral restent peu connues, en particulier dans le secteur Indien, et de nouvelles études sont nécessaires pour élucider son devenir et son impact dans ces régions. Les oiseaux marins, en tant que prédateurs supérieurs des chaînes alimentaires marines, sont exposés à des concentrations élevées de méthylmercure (MeHg) via leur régime alimentaire. De plus, ils présentent des habitats de prédation contrastés dans les différents compartiments marins (en termes spatiaux et de profondeur). Par conséquent, ils sont considérés comme des bioindicateurs efficaces de la contamination par Hg et la bonne connaissance de leurs caractéristiques écologiques permet leur application comme traceurs du Hg dans des environnements éloignés, qui sont autrement difficiles à échantillonner. L'objectif principal de ce travail de doctorat est la caractérisation des voies d'exposition de MeHg accumulé par les oiseaux marins et l'identification des processus impliqués dans le cycle biogéochimique du Hg dans l'Océan Austral (des eaux antarctiques aux eaux subtropicales). L'approche méthodologique proposée consiste à combiner la composition isotopique du Hg et la spéciation du Hg dans les tissus d’espèces d’oiseaux marins de l'Océan Austral choisis précisément. Dans une première étape, une évaluation des signatures isotopiques de Hg spécifique de chaque tissu a été réalisée, notamment dans le sang et les plumes, car ceux-ci peuvent être échantillonnés de manière non létale. Chez les poussins, les deux tissus peuvent être utilisés efficacement et indifféremment comme bioindicateurs de la contamination locale en utilisant des isotopes du Hg, alors que chez les adultes, chaque tissu donne accès à une exposition temporelle différente : le sang à l'échelle récente (c'est-à-dire l'exposition pendant la période de reproduction) et les plumes à l'échelle annuelle, fournissant ainsi des informations isotopiques complémentaires aux différentes étapes du cycle annuel des oiseaux. Une deuxième partie a été axée sur l'exploration des sources de MeHg dans quatre espèces de manchots d’une même zone subantarctique, les îles de Crozet. Les populations ont été discriminées par leurs signatures isotopiques du Hg en fonction de leurs habitats de prédation et leurs mouvements latitudinaux, qui se trouvent être les facteurs principaux déterminant leur exposition à différentes sources de MeHg. Dans une troisième partie, les isotopes du Hg ont été étudiés dans deux modèles d'oiseaux (poussins de labbes et manchots adultes) sur une grande échelle latitudinale de l'Antarctique à la zone subtropicale. Les variations latitudinales des valeurs isotopiques du Hg (δ202Hg, Δ199Hg) semblent être influencées par une différente amplitude des processus photochimiques et d'autres voies biogéochimiques telles que la réduction du Hg, et les processus de méthylation / déméthylation, ainsi que les processus trophiques ou métaboliques.


  • Résumé

    Despite their distance from industrial pressure, marine southern and Antarctic environments are contaminated by worldwide distributed pollutants, such as mercury (Hg), through atmospheric transport and oceanic currents. So far, Hg contamination pathways in the Southern Ocean remains poorly understood, particularly in the Indian sector, and new studies are required to elucidate its fate and impact in these regions. Seabirds, as top predators of marine food webs, are exposed to elevated concentrations of biomagnified methylmercury (MeHg) via dietary intake and moreover, they forage in the different marine compartments both in spatial and depth terms. Therefore, they are considered as effective bioindicators of Hg environmental contamination and the good knowledge of their ecological characteristics permits their application for tracing Hg in such remote environments otherwise of difficult access. The main objective of this doctoral work is the characterization of the exposure pathways of the MeHg accumulated in model seabirds and the identification of the processes involved in the Hg biogeochemical cycle in the Southern Ocean (from Antarctic to subtropical waters). The proposed methodological approach consisted on the combination of Hg isotopic composition and Hg speciation in tissues of a precise selection of seabirds of the Southern Ocean. In a first step, the evaluation of tissue-specific Hg isotopic signatures was accomplished notably in blood and feathers, as they can be non-lethally sampled. In chicks, both tissues can be effectively and indifferently used for biomonitoring of local contamination using Hg isotopes, whereas in adults each tissue provides access to different temporal exposure : blood at recent scale (i.e. exposure during the breeding period) and feathers at annual scale, thus providing complementary isotopic information at the different stages of seabird annual cycle. A second part was focused on the exploration of MeHg sources in four penguin species within a same subantarctic location, the Crozet Islands. Hg isotopes effectively discriminated the four populations and species-specific foraging habitats and latitudinal movements were found the main factors determining their exposure to distinct environmental MeHg sources. In a third part, Hg isotopes were investigated in two ubiquitous seabird models (skua chicks and penguins) over a large a latitudinal scale from Antarctica to the subtropics. Latitudinal variations of Hg isotopic values (δ202Hg, Δ199Hg) appeared to be influenced by different extent of photochemical processes and other biogeochemical pathways such as Hg reduction, and methylation/demethylation processes, as well as trophic or metabolic processes.


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