Interdisciplinarité

Une réflexion interne sur les champs de recherches interdisciplinaires couverts par l’OSUR a permis de faire émerger la thématique des dynamiques des paysages comme marque originale de nos travaux. L’analyse des dynamiques des paysages doit être prise dans ses différentes échelles spatiales du microsite microbien aux paysages géologiques, et temporelles de la microseconde des réactions biogéochimiques aux temps géologiques.

Les travaux interdisciplinaires sont illustrés ci-dessous par quelques faits marquants pris dans les publications communes de l’OSUR pour montrer la diversité des champs de l’environnement couverts.

Cinétique des réactions chimiques des fronts de réaction dans les milieux poreux

De Anna P., Jiménez-Martínez J., Tabuteau H., Turuban R., Le Borgne T., Derrien M., Méheust Y. 2014. Mixing and Reaction Kinetics in Porous Media: An Experimental Pore Scale Quantification. Environnemental Science & Technology, 48(1):508-516. doi: 10.1021/es403105b

La cinétique chimique des fronts de réaction est directement liée à la distribution des concentrations à micro-échelle. Contrairement aux batchs réalisés classiquement en laboratoire pour mesurer les cinétiques chimiques, les champs de concentration sous écoulement développent une organisation spatiale hautement non-uniforme qui conditionne la vitesse de réaction effective (Figure 5). Nous avons initié cette thématique à Rennes avec la thèse de Pietro de Anna (2009-2012). Après une étude théorique qui a permis de prédire l’impact attendu de la dynamique du mélange sur les cinétiques de réaction, nous avons mis en place un dispositif expérimental basé sur les réactions chimi-luminescentes (Figure 5), permettant pour la première fois d’obtenir une imagerie à haute résolution des concentrations et des cinétiques de réaction en deux dimensions dans les milieux poreux. Ce dispositif unique au monde, réalisé en collaboration avec Yves Méheust (Géosciences Rennes) et Hervé Tabuteau (Institut de Physique de Rennes), nous permettra dans les prochaines années d'explorer la cinétique des fronts de réaction dans différentes conditions d'écoulement et pour différents types d'hétérogénéité. Ces travaux se poursuivront en collaboration avec Pietro de Anna (EPFL, Suisse) et dans le cadre du projet ERC ReactiveFronts (consolidated grant) obtenu par Tanguy le Borgne.

Interdisciplinarite Cinetique Deanna Interdisciplinarite Cinetique Deanna2

Figure 5: A gauche : Distribution spatiale de l’intensité lumineuse produite par une réaction chimiluminescente, mesurée expérimentalement à différents temps lorsque le front progresse de gauche à droite dans un milieu poreux 2D. Un réactif A est injecté dans un milieu initialement saturé par un réactif B. Le mélange des deux éléments crée un produit C lumineux (en couleur). La déformation du front par le milieu poreux favorise le mélange et les réactions en augmentant localement les gradients chimiques. A droite : évolution temporelle de l’intensité lumineuse globale représentant le taux de réaction effectif du front pour différentes vitesses d’écoulement.

Diversité microbienne dans les aquifères de socle sous agriculture

Bougon N., Aquilina L., Molénat J., Marie D., Delettre Y. R., Chancerel E., Vandenkoornhuyse P. 2012. Influence of depth and time on diversity of free-living microbial community in the variably saturated zone of a granitic aquifer. FEMS Microbiology Ecology, 80(1):98-113. doi: 10.1111/j.1574-6941.2011.01273.x

La diversité microbienne dans les aquifères a longtemps été négligée. Pourtant, de nombreux récents travaux relatifs au transfert de polluants dans les aquifères soulignent que l’évolution de ces polluants nécessite l’existence de processus biogéochimiques.

Interdisciplinarite Diversite Bougon

Figure 6 : Structure de la communauté microbienne de l’aquifère de Kerrien (AgrHyS) basée sur l’analyse des gènes 16S de l’ARNr

L’étude menée sur l’observatoire AgrHyS, démontre par des méthodes de génomique (Figure 6) que la diversité microbienne totale est fortement influencée par les caractéristiques hydrogéologiques liées à l’isolement plus ou moins marqué de la nappe avec la composante sol (nappe profonde ou nappe de recharge). Ces techniques moléculaires devraient nous permettre de mieux quantifier les relations sols nappes et leurs conséquences sur la diversité des communautés microbiennes, d’utiliser les structure des communautés microbiennes pour appréhender la distribution des temps de résidence de l’eau dans les aquifères mais aussi de déterminer quelles sont les fonctions microbiennes existantes dans les nappes.

Effet de la bioturbation sur la redistribution des éléments dans le sol

Gicquel A., Francez A.-J., Delhaye T., Gruau G., Hallaire V., Binet F. 2013. Understanding the fate and linkage of N and S in earthworm-engineered peat soil by coupling stable isotopes and nano-scale secondary ion mass spectrometry. Biogeochemistry, 112(1-3):165-177. doi: 10.1007/s10533-012-9714-3

Les propriétés des écosystèmes sont étroitement liées aux caractéristiques fonctionnelles des espèces et il est important de relier les traits fonctionnels et comportementaux afin d'évaluer l'impact des organismes sur leur environnement. Dans un contexte de restauration de tourbière après exploitation, il s'est avéré que le ver de terre Lumbricus rubellus, espèce épi-anécique, pouvait jouer un rôle significatif dans les transferts et la redistribution des éléments et de la matière organique dans cet écosystème. La question était de savoir si ce ver, par son activité bioturbatrice, contribuait à la régénération de la fonction de puits ou, au contraire maintenait un fonctionnement de type "source" de carbone, en se focalisant sur la redistribution d'azote et de soufre, 2 éléments limitants l'activité microbienne en tourbière.

 Interdisciplinarite Effet Gicquel

Figure 7 : Images isotopiques CN (matrice organique) and O (à gauche) et N et S selon un gradient d'éloignement de la paroi de galerie du ver de terre Lumbriculus rubellus (0 µm, zone de contact indiquée par la flèche, à gauche en bas de figure ; e= ver ; p=tourbe). Les échelles de couleur indiquent l'intensité de marquage, du bleu (abondance naturelle = pas d'enrichissement) au rouge en fonction de l'importance du marquage.

 

Par une approche couplée de marquage isotopique des vers et d'analyse en imagerie nanoSIMS du devenir de l'N et du S issus du ver, nous avons confirmé que la sphère d'influence du ver était de l'ordre du mm (Figure 7). D'autre part, les transferts sont rapides et la sphère bien identifiable au bout de 24H d'activité du ver marqué introduit dans la tourbe. L'N dériverait de l'oxydation de produits labiles issus du métabolisme du ver comme l'urée et/ou l'ammonium comme l'indique le fort lien entre le N et l'O. Pour la première fois, nous avons montré des transferts significatifs de S d'un annélide vers la matrice sol. Ce S pourrait dériver de la sécrétion de mucoprotéines. Nous avons enfin montré une répartition spatiale inversée de l'N et du S, au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la paroi de galerie. Cette répartition indiquerait des devenirs distincts de l'N et du S issus de l'activité biologique du ver, probablement en lien avec des activités microbiologiques syntrophiques dans l'utilisation et la transformation des molécules organiques excrétées par cet organisme.

Relations entre structure du paysage et biodiversité

Vasseur C., Joannon A., Aviron S., Burel F, Meynard J.M. and Baudry J. 2013. The cropping systems mosaic: How does the hidden heterogeneity of agricultural landscapes drive arthropod populations? Agriculture, Ecosystems and Environment, 166(1):3-14, 2013. doi: 10.1016/j.agee.2012.08.013

Comment l’hétérogénéité cachée des paysages agricoles influence les communautés d’arthropodes ? Très souvent les recherches sur l’effet des mosaïques paysagères relient l’occupation du sol annuelle à la biodiversité. Or, au cours de la saison de croissance de la végétation et en fonction des pratiques réalisées par les agriculteurs, la qualité de l’habitat pour les arthropodes (hauteur de végétation, humidité, application de produits phytosanitaires, …) varie. Pour mieux appréhender la dynamique spatio-temporelle intra-annuelle de la biodiversité nous proposons donc un suivi temporel de la qualité de l’habitat au sein des mosaïques paysagères. Nous utilisons des outils de télédétection comme le radar pour suivre la phénologie de la végétation et associons des données de suivi des pratiques agricoles. Ces données sont ensuite reliées à des inventaires de biodiversité. Nous avons ainsi pu montrer l’importance de la densité et de la hauteur de la végétation sur l’abondance de coléoptères carabiques forestiers.

Interdisciplinarite Relations Vasseur

Figure 8 : Carte de la dynamique infra-annuelle de l’habitat d’un carabe sous l’effet de la gestion des cultures.
A: carte des usages des sols. B: Calendrier de la croissance du couvert (en mètres) des interventions culturales. C: évolution de la qualité du couvert pour le carabe


Détermination du temps de résidence des nitrates dans les bassins versants

Fovet O., Ruiz L., Faucheux M., Molénat J., Sekhard M., Vertès F., Aquilina L., Gascuel-Odoux C., Durand P. 2015. Using long time series of agricultural-derived nitrates for estimating catchment transit times. Journal of Hydrology, 522:603-617. doi: 10.1016/j.jhydrol.2015.01.030

L’estimation du temps de transit de l’eau et des solutés dans les bassins versants est cruciale pour prédire les temps de réponses des hydrosystèmes aux variables de forçage, qu’elles soient climatiques ou anthropiques. La signature hydrogéochimique de traceurs naturels ou de polluants dans les cours d’eau a été beaucoup utilisée pour estimer les temps de transit dans la mesure où ils intègrent les différents processus hydrologiques et biogéochimiques qui se déroulent dans les bassins versants. L’objectif de l’étude était d’évaluer si un modèle conceptuel simple était capable de simuler les dynamiques des concentrations en nitrate à différentes échelles temporelles (saisonnières et pluriannuelles) et le cas échéant pouvait être utilisé pour estimer le temps de transit de l’azote dans les petits bassins versants agricoles.

Les chroniques long-terme de concentrations en nitrates dans les cours d’eau de deux bassins élémentaires de l’ORE AgrHyS ont permis d’estimer des temps de transit des nitrates de plusieurs années (proches de la dizaine d’année) dans ces systèmes, à l’aide d’une modélisation globale simple (Figure 9).

Interdisciplinarite Determination Fovet

Figure 9: Simulation des tendances long-terme sur la période 1965-2012 : débits simulés et mesurés (a), concentrations en nitrate simulées et mesurées à l’exutoire (b) et simulées dans les réservoirs de nappe (c) sur le bassin versant de Kerrien (AgrHyS).

Ces estimations sont cohérentes avec celles obtenues par d’autres méthodes (datation, modélisation mécaniste) sur ces sites ou dans la région Bretagne. Le modèle est cohérent sur sa capacité à représenter les saisonnalités et les variations interannuelles contrastées des concentrations en nitrates dans les deux bassins, dans le cours d’eau et dans la nappe superficielle, ainsi que leur tendance à long terme supposées sur les décennies passées. La variabilité sur l’estimation de ces temps de transit du nitrate associée aux incertitudes sur les paramètres est du même ordre que celle liée à la variabilité des entrées climatiques.

Quantification de la capacité dénitrifiante des petits bassins versants agricoles

Pinay G., Peiffer S., De Dreuzy J.R., Krause S., Hannah D.M., Fleckenstein J.H., Sebilo M, Bishop K., Hubert-Moy L. 2015. Upscaling nitrogen removal capacity from local hotspots to low stream orders’ drainage 1 basins. Ecosystems, doi: 10.1007/s10021-015-9878-5

La dénitrification est un processus microbien basé sur la réduction des oxydes d’azote qui servent d’accepteur d’électron lors de la décomposition de la matière organique. D’autres mécanismes de réduction des nitrates ont été mis en évidence (oxydation de la pyrite, DNRA, Anammox) mais il n’en demeure pas moins que la dénitrification microbienne reste le processus majeur dans les environnements terrestres et aquatiques d’eau douce. Si les facteurs limitant la dénitrification sont maintenant bien connus, l’estimation précise de la dénitrification à l’échelle du paysage reste un exercice très difficile du fait des oscillations spatio-temporelles très fortes que ces facteurs limitant subissent. Ceci rend hasardeuses les extrapolations à l’échelle du paysage de données acquises à l’échelle de sites spécifiques locaux. Plusieurs types de structures paysagères sont avancées comme jouant un rôle de zone tampons vis-à-vis de l’azote, que ce soit les sols, les ripisylves, les zones hyporhéiques, les fossés de drainage, ou les pieds de pentes et les haies. Cependant, l’identification de ces « hotspots » dénitrifiants et la quantification de leur activité globale restent des challenges, notamment à l’échelle des paysages et des petits bassins qui les drainent.

Pour tester cette nouvelle hypothèse nous proposons une caractérisation hydrologique des bassins versants à travers la mesure des temps de résidence et des flux souterrain/surface (mesure des CFC, SF6 et radon) et leur fréquence de distribution (Figure 10). Cette caractérisation hydrologique sera couplée avec l’utilisation de 3 types de proxys biogéochimiques aptes à quantifier l’interaction de l’eau avec les hotspots dénitrifiants du bassin versant, à savoir les isotopes de l’azote et de l’oxygène pour les nitrates, les isotopes du carbone pour le carbone organique dissous et la mesure de l’anomalie du cérium dans la série des terres rares.

Interdisciplinarite Quantification Pinay

Figure 10 : Schéma d’un petit bassin versant et les distributions hypothétiques (log-log) des temps de résidence de l’azote en années dans A : les zones insaturées du sol où percolation et rétention coexistent, entrainant une longue queue de distribution des temps de résidence correspondant à la rétention biogéochimique et au stockage dans les zones faiblement connectées hydrologiquement ; B : les aquifères superficiels dans lesquels la dispersion est fonction de la complexité du paysage ; et : dans les aquifères profonds où la dilution est prédominante.

Nouveaux outils de surveillance pour les invasions d’espèces aquatiques

Tréguier A., Paillisson J.M., Dejean T., Valentini A., Schlaepfer M.A., and Roussel J.M. 2014. Environmental DNA surveillance for invertebrate species: advantages and technical limitations to detect invasive crayfish Procambarus clarkii infreshwater ponds. Journal of Applied Ecology, 51(4):871-879, August 2014a. doi: 10.1111/1365-2664.12262

L’introduction accidentelle ou intentionnelle d’espèces exogènes est un enjeu majeur pour la biodiversité locale, en provoquant souvent une diminution significative et modifiant le fonctionnement, la dynamique et l’évolution des écosystèmes impactés. Les hydrosystèmes continentaux sont des hots pots de biodiversité. Dans la plupart des écosystèmes de l’hémisphère nord les communautés d’eau douce et les réseaux trophiques ont été profondément altérés par des invasions d’espèces en connexion avec la dégradation des habitats.

De récentes études ont démontré que l’ADN environnemental (ADNe, technique moléculaire visant à rechercher une séquence d’ADN spécifique d’une espèce cible dans des échantillons d’environnement) était un outil efficace pour détecter la présence d’espèces, notamment dans les milieux aquatiques. Son intérêt est évident dans l’optique de détecter précocement l’arrivée d’espèces introduites, alors qu’elles ne sont encore présentes qu’à faible densité.

Nous avons testé cette technique sur une espèce d’écrevisse hautement invasive, l’écrevisse de Louisiane, dans une multitude de mares en comparant les résultats à ceux obtenus par une méthode plus conventionnelle reposant sur l’emploi de pièges appâtés (Figure 11).

Interdisciplinarite Nouveau Treguier

Figure 11 : Probabilité de détection de l’écrevisse par la méthode de l’ADNe. Les cercles blancs correspondent aux mesures de succès et d’échec de détection.

Contrairement à d’autres modèles biologiques, le relargage d’ADN par l’écrevisse dans son environnement serait limité et réduirait significativement l’efficacité de l’ADNe qui n’est pas plus élevée que le piégeage. La probabilité de détection de l’écrevisse par l’ADNe est même inférieure à 50 % lorsque son abondance est en dessous de 2 écrevisses par piège et par journée de piégeage. Actuellement, seule la combinaison des deux techniques permet de fournir une idée précise de la présence de l’espèce puisque, dans certaines configurations de mares, le piégeage est moins efficace que l’ADNe.

Analyse des séries à long terme de charbons de bois pour séparer les effets des changements climatiques et anthropiques sur l’occurrence des feux

Olsson F., Gaillard M.-J., Lemdahl G., Greisman A., Lanos P., Marguerie D., Marcoux N., Skoglund P. & Wäglind J. 2010. A continuous record of fire covering the last 10,500 calendar years from southern Sweden - The role of climate and human activities. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 291(1-2):128-141. doi: 10.1016/j.palaeo.2009.07.013

Les changements climatiques devraient causer plus de feux du fait de l’augmentation des périodes de sécheresse, du vent et des éclairs dans certaines régions du monde. Cette hypothèse est basée sur l’analyse des séries passées qui montrent des changements de fréquence et intensités induits par les augmentations de température. Cependant, ces études corrélatives globales ne permettent pas de comprendre les effets du changement du climat sur la végétation et la faune aux échelles locales et régionales. Pour ce faire, il est nécessaire de procéder à des reconstructions historiques sur le dernier millénaire dans différentes parties du monde.

Dans ce contexte, le contenu en micro-charbons de bois a été étudié dans deux longues archives sédimentaires de 10 000 ans collectées au fond de lacs du sud de la Suède (Storasjö et Stavsakra). Les épisodes de feux holocènes les plus marquants ont ainsi été mis en évidence (Figure 12).

Interdisciplinarite Analyse Olsson

Figure 12: Résultats de l'analyse des charbons de bois prélevés dans les sédiments du lac de Storasjö.

Après comparaison avec les données climatiques régionales connues pour la région et la période, il a été possible de séparer l'origine climatique et anthropique des feux. Si les plus anciens sont d’origine climatique, ceux des derniers millénaires sont clairement anthropiques. Pour la première fois, l’anatomie des bois appliquée à des particules d’une centaine de microns a permis d’identifier les taxons ayant servi de combustible et de renseigner sur la nature et l’intensité des feux.