Charge particulaire fluviale : effet sur productivité primaire et implications sur le cycle global du carbone organique

The effect of riverine particulate material on primary productivity and the global organic carbon cycle

• Auteur / Autrice : Christian Grimm
• Direction : Eric H. Oelkers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie
• Date : Soutenance le 12/10/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Teneur en carbone

Eau douce -- Microbiologie

Matière organique particulaire

Mots clés libres

Matériel particulaire de rivière

Productivité primaire

CO2

Changement de climat

Cycles géochimiques globaux

Cycle de carbone organique

Riverine particulate material

Primary productivity

CO2

Global geochemical cycles

Organic carbon cycle

Résumé

L'apport de matière particulaire fluviale (MPF) aux eaux naturelles joue un rôle essentiel dans le cycle global des éléments et influence le cycle du carbone organique (Corg) de deux façons: 1°, les MPF comprennent une source importante d'éléments nutritifs qui peuvent augmenter la production primaire dans les océans. Par exemple, le flux global de MPF de nutriments tels que Si, P et Fe dépasse son flux dissous par des facteurs de 50, 100 et 350. 2°, l'apport de MPF des continents aux océans est un contrôle majeur de la séquestration du Corg, un processus essentiel dans la réduction du CO2 à long terme par le cycle de Corg. Pour explorer le lien entre l'apport de MPF et la production primaire dans les eaux naturelles, une série d'expériences de croissance a été réalisée impliquant deux producteurs primaires abondants: la cyanobactérie d'eau douce Synechococcus sp. (SYN), et la diatomée marine Thalassiosira weissflogii (TW). Des expériences ont été réalisées en présence et en l'absence de différentes MPF et à différents niveaux nutritifs initiaux. Les résultats démontrent que les MPF augmentent nettement la croissance de la biomasse en fonction de la concentration du MPF. Dans les expériences menées avec la cyanobactérie SYN, la présence de MPF a 1) déclenché une croissance bactérienne dans des conditions pourtant défavorables, 2) augmenté la concentration totale de biomasse et 3) déclenché une croissance bactérienne même après la consommation des nutriments initiaux. L'effet positif des MPF sur la croissance de la diatomée marine TW a été le plus évident pour les expériences n'impliquant pas de nutriments, où les diatomées se sont multipliées linéairement en présence de MPF alors que ces cultures sont mortes en absence des MPF. De plus, des études MEB ont montré un contact physique direct entre les microbes ou les substances organiques excrétées par les microbes et les MPF. Conformément aux travaux issus de la littérature, nous suggérons que les microbes peuvent acquérir des nutriments directement à partir des minéraux, ce qui augmenterait le potentiel des MPF en tant que source de nutriments. Le contact direct suggère aussi une augmentation de l'efficacité de piégeage du Corg par l'augmentation 1) du contenu de Corg absorbé sur les surfaces minérales, 2) de l'agglomération des particules organiques et inorganiques et donc la formation de neige marine ou 3) des vitesses de chute de Corg par "mineral ballasting". La fixation directe des microbes sur les surfaces minérales a également été observée dans les échantillons naturels obtenus au cours d'une étude de terrain sur la côte sud islandaise. Dans l'ensemble, cette étude fournit des preuves expérimentales de l'importance des MPF dans le cycle de Corg grâce à son impact sur la production primaire. En outre, ces travaux rassemblent des preuves que les MPF peuvent faciliter l'inhumation de Corg grâce à la fixation de microbes sur les surfaces ou à la formation des agglomérats minéraux- microbes qui chutent rapidement dans la colonne d´eau. Des études complémentaires ont été effectuées pour évaluer la qualité des compositions isotopiques du carbone, afin de préserver les estimations des taux de séquestration du Corg à travers une période géologique donnée. Les variations du degré de production primaire et du piégeage du Corg au cours des temps géologiques sont conservées dans la signature isotopique du C des carbonates. L'utilisation de ces signatures pour reconstruire les conditions environnementales passées exige cependant que ces signatures soient conservées pour des vastes échelles de temps. Les résultats expérimentaux démontrent que la composition isotopique du C de la calcite évolue continuellement vers l'équilibre isotopique entre les fluides et les minéraux. Cette observation suggère que les compositions isotopiques de C dans la calcite pourraient changer notablement si la calcite était constamment dans un déséquilibre isotopique avec son fluide coexistant.

The supply of riverine particulate material (RPM) to natural waters plays a vital role in the global cycle of the elements and is considered to influence the organic carbon cycle in two ways. First, RPM comprise a vast source of nutrients which can increase primary production in the oceans. For example, the global RPM flux of nutrients such as Si, P and Fe exceeds its corresponding dissolved flux by factors of 50, 100 and 350. Second, the supply of RPM to the oceans is a major control of organic matter (Corg) burial, an essential process in the long term CO2 drawdown via the organic pathway. To explore the link between RPM supply and primary production in natural waters, a series of microcosm growth experiments was performed with two common primary producing microbes, the freshwater cyanobacteria Synechococcus sp. and the marine diatom Thalassiosira weissflogii. Experiments were performed in the presence and absence of different RPM at different initial nutrient levels. Results demonstrate that RPM significantly increase bacterial biomass growth as a function of RPM concentration. Notably, in experiments conducted with the freshwater cyanobacteria Synechococcus sp., the presence of RPM 1) triggered bacterial growth in otherwise unfavorable conditions, 2) increased total biomass concentration, and 3) induced steady bacterial growth even after consumption of the initial nutrients. The positive effect of RPM on the growth of the marine diatom Thalassiosira weissflogii was most obvious in nutrient free experiments where cultures grew linearly with time in the presence of RPM, whereas these cultures died in RPM free controls. Furthermore, SEM investigations showed direct physical contact between microbes or microbially excreted organic substances and the particulates. In accord with reports in the literature, we suggest that microbes may acquire nutrients directly from the rock, which would again enhance the potential of RPM as source of limiting nutrients. The direct physical contact also suggests an increase in the burial efficiency of Corg through either 1) increasing Corg content absorbed on mineral surfaces, 2) increasing agglomeration and marine snow formation of organic and inorganic particles or 3) increasing organic matter settling velocities through mineral ballasting. The direct attachment of microbes on mineral surfaces was also observed in natural samples obtained from a field study at the Icelandic South coast. The positive effect of RPM on microbial growth and its effect on Corg burial are complimentary. Agglomeration is a function of suspended particle concentration, organic or inorganic. An elevated biomass concentration induced by the presence of RPM results in a high total suspended matter concentration, thus increasing the particle agglomeration rate. Taken together, this study provides experimental evidence for the importance of RPM in the organic C-cycle through its positive impact on primary production. Furthermore, it compiles evidence that particulates may facilitate organic matter burial through direct attachment of microbes on sediment surfaces or the formation of fast settling mineral/microbe agglomerations. Complimentary studies were performed to assess the quality of carbon isotope compositions to preserve estimates of Corg burial rates over geological time. Variations in the degree of primary production and Corg burial during Earths' history are recorded in the C-isotopic signature of marine carbonates. The use of carbon isotopic signatures in carbonates to reconstruct past environmental conditions, however, requires that these signatures are preserved over vast timescales. Experimental results demonstrate, that the carbon isotopic composition of calcite continuously evolves towards mineral-fluid isotopic equilibrium. This observation suggests that calcite C-isotopic compositions might change noticeably if the calcite were continuously in isotopic disequilibria with its co-existing fluid.