Fractionnement du dioxygène lors des processus biologiques : application à la reconstruction de la productivité passée de la biosphère

Oxygen fractionation associated with biological processes : application to reconstruction of the past biosphere productivity

• Auteur / Autrice : Clémence Paul
• Direction : Amaëlle Landais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 18/01/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérémy Jacob
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Malaizé, Samuel Abiven, Nathalie Combourieu-Nebout
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Malaizé, Samuel Abiven

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isotopes

Productivité biologique

Photosynthèse

Paléoclimatologie

Oxygène

Cycle du carbone

Mots clés libres

Cycle de l'oxygène

Fractionnement isotopique

Paléoclimat

Effet Dole

Productivité

Dioxygène

Oxygen cycle

Isotopic fractionation

Paleoclimate

Dole effect

Productivity

Dioxygen

Résumé

La composition isotopique du dioxygène piégé dans les bulles d'air des carottes de glace peut être utilisée pour reconstituer la productivité globale de la biosphère dans le passé ainsi que pour documenter l'évolution du cycle de l'eau aux basses latitudes. Le travail de cette thèse a été d'améliorer l'interprétation du δ18O de l'O2. Pour cela, nous avons affiné la détermination des différents coefficients de fractionnement associés au cycle de l'oxygène au niveau de la biosphère terrestre, c'est-à-dire pendant les processus de respiration et de photosynthèse. Afin de quantifier ces coefficients de fractionnement, nous avons développé un nouveau dispositif expérimental qui repose sur un système de chambres biologiques fermées multiplexées dans lesquelles tous les paramètres environnementaux sont contrôlés, stabilisés et mesurés. Ces chambres biologiques fermées ont un volume de 120 L permettant d'étudier un système « plante + sol ». La première étape a été de développer un prototype avec une seule chambre biologique et de faire une première étude sur la fétuque. Ensuite, un deuxième développement a permis de travailler sur plusieurs chambres biologiques via un système multiplexé. Nous avons aussi développé un instrument de spectrométrie optique (SARA-O2) afin de mesurer en continu la concentration et composition isotopique de l'O2 pendant les expériences en chambres multiplexées. Ceci remplace la mesure par spectrométrie de masse d'échantillons prélevés dans les chambres de façon manuelle. Ce système a permis d'étudier les coefficients de fractionnement pour plusieurs plantes (fétuque, bananier, laurier, maïs). Nous avons notamment mis en évidence un fractionnement isotopique associé à la photosynthèse terrestre. Les fractionnements biologiques trouvés lors de ces expériences ont finalement été intégrés dans des calculs globaux de composition isotopique du dioxygène de l'air et comparés aux mesures effectuées sur la dernière déglaciation. Ceci permet de conclure que les variations passées de δ18O de l'O2 dans l'atmosphère sont principalement liées aux variations du cycle hydrologique aux basses latitudes.

The isotopic composition of oxygen trapped in air bubbles in ice cores can be used to reconstruct the global productivity of the biosphere in the past, as well as to document the evolution of the water cycle at low latitudes. The aim of this thesis was to improve the interpretation of δ18O de l'O2. Thus, we improved the determination of the various fractionation coefficients associated with the oxygen cycle at the level of the terrestrial biosphere, i.e. during the processes of respiration and photosynthesis. To quantify these fractionation coefficients, we have developed a new experimental set-up based on a system of multiplexed closed biological chambers in which all environmental parameters are controlled, stabilized and measured. These closed biological chambers have a volume of 120 L, enabling us to study a "plant + soil" system. The first step was to develop a prototype with a single biological chamber and carry out an initial study on fescue. This was followed by a second development, enabling us to work on several biological chambers via a multiplexed system. We also developed an optical spectrometry instrument (SARA-O2) for continuous measurement of O2 concentration and isotopic composition during multiplexed chamber experiments. This replaces manual mass spectrometry measurements of samples taken from the chambers. This system has enabled us to study fractionation coefficients for several plants (fescue, banana, laurel, maize). In particular, we highlighted isotopic fractionation associated with terrestrial photosynthesis. The biological fractionations found in these experiments were finally integrated into global calculations of the isotopic composition of atmospheric oxygen, and compared with measurements taken during the last deglaciation. This led to the conclusion that past variations in the δ18O of the O2 in the atmosphere are mainly linked to variations in the hydrological cycle at low latitudes.