Institut Méditerranéen d’Océanologie
Accueil du site > Recherche > Axes Transverses > DEBAT > Tâche 1 : Dégradation de la TOM apportée par les fleuves et les poussières (...)

Documents joints

Articles de cette rubrique

Tâche 1 : Dégradation de la TOM apportée par les fleuves et les poussières éoliennes en mer

(Responsables : Panagiotopoulos C. et Rontani J-F.)

Participants à cette tâche : Équipe 2 : CE et Équipe 3 : MEB

Collaborations : Radakovitch O. (CEREGE), CHARRIERE B. AUBERT D. KERHERVE P.(CEFREM),Tank S. (York Université - Canada).

Buts :

Des travaux menés récemment (Programme ANR Malina) dans le delta du Mackenzie en Arctique (zone particulièrement sensible au changement climatique) ont mis en évidence, grâce à l’utilisation de marqueurs lipidiques spécifiques (Christodoulou et al. 2009 ; Rontani et al., 2011), que la matière organique particulaire terrigène (TOM) (âgée de 5000 à 10000 ans, Drenzek et al., 2007), bien préservée dans le fleuve, subissait une dégradation très intense dès son arrivée en mer (Rontani et al., 2012). Nous avons montré que les deux processus de dégradation majeurs étaient d’une part la biodégradation bactérienne et d’autre part l’autoxydation, processus abiotique jusque-là totalement ignoré dans la littérature. Nous avons également noté une corrélation positive entre la salinité et l’intensité de la dégradation autoxydative. Nous avons donc attribué l’induction de ces processus radicalaires à la libération par les particules de certains ions métalliques dans les eaux de mélange. Certains ions métalliques (Fe+2, Cu+2, Mn+2 etc…) ont en effet la propriété de catalyser le clivage homolytique des hydropéroxydes produits lors de la photooxydation des végétaux supérieurs terrestres sénescents (Rontani et al., 2005) et donc de produire de grandes quantités de radicaux. Ces résultats ont été confirmés par plusieurs études récentes menées sur des fleuves Sibériens (Vonk et al., 2010, Karlson et al., 2011) et Méditerranéens (Bourgeois et al., 2011), qui ont mis en évidence que la TOM rejetée par les fleuves était très sensible à la dégradation microbienne dans les zones côtières.

Dégradation de la TOM apportée par les fleuves et les poussières éoliennes en mer
Figure 1 : Dégradation de la TOM apportée par les fleuves et les poussières éoliennes en mer.

Ces différents résultats constituent un faisceau d’éléments qui vont à l’encontre du paradigme qui considère que la POM des fleuves, constituée de résidus de végétaux terrestres préalablement dégradés, est réfractaire vis-à-vis des processus de décomposition en mer (de Leeuw and Largeau, 1993 ; Wakeham and Canuel, 2006). Toutefois, il semble que seule une petite fraction de la matière organique préservée dans les sédiments marins soit d’origine terrestre (Hedges and Keil, 1995). Ceci suggère que soit les budgets globaux et les estimations de distribution sont faux, soit que la TOM subit une dégradation très rapide et intensive en mer (Hedges et al., 1997).

Dans le cadre de cette tâche, nous étudierons tout d’abord le rôle des ions métalliques dans l’induction de l’autoxydation de la TOM en mer. Non seulement de celle déversée par les fleuves, mais également de celle amenée par les poussières atmosphériques. Les processus autoxydatifs, qui ont été jusqu’à ces dernières années quasiment ignorés dans l’environnement marin (Rontani, 2008), peuvent agir non seulement sur les lipides, mais également sur les sucres, les acides aminés et les polyphénols. Ils peuvent également affecter certains biopolymères comme les lignines ou les acides humiques (Schmid et al., 2007) en induisant des ruptures de chaînes ou de cycles, qui peuvent favoriser la dégradation bactérienne. Ces interactions ‘positives’ pourraient ainsi être à l’origine de la forte dégradation biotique de la TOM observée en mer de Beaufort.

Nous tâcherons de répondre aux questions suivantes :
- Est-ce que l’autoxydation très intense de la TOM observée en mer résulte effectivement de la libération d’ions métalliques capables de catalyser le clivage des hydropéroxydes produits lors de la sénescence des végétaux supérieurs terrestres ?
- Et si cela est le cas, quels sont les ions impliqués dans cette transformation ?

Un second volet concernera la biodégradation de la TOM par les communautés bactériennes. L’évolution de la diversité des communautés bactériennes le long de gradients de matières organiques entre les systèmes terrestres et aquatiques (Fortunato et al., 2011), ainsi que la plasticité des micro-organismes estuariens en terme de profil d’utilisation des matières organiques dissoutes (DOM) (Bonilla-Findji et al., 2009) ont été démontrés. Il a ainsi été théoriquement proposé que le long de gradients environnementaux, il y a un changement dans les espèces selon leurs stratégies nutritionnelles basées sur le principe d’exclusion compétitive : les espèces spécialisées qui ont relativement bien défini des niches et une gamme étroite de la tolérance sont remplacées par des espèces généralistes qui ont des niches larges et tolèrent des changements plus importants dans l’environnement (Pimm et al., 1991). Ainsi les espèces spécialisées sont susceptibles de se trouver dans des environnements simplifiés, alors que les espèces généralistes le seront davantage dans des environnements contenant un plus large éventail de ressources (Kassen, 2002). Ce concept de compromis dans l’utilisation des ressources (“Jack-of-all-trades, master of none”) a été largement appliqué à différents écosystèmes, mais rarement testé in situ et notamment en milieu marin (Macarthur et al., 1972). Ainsi, dans ce contexte nous pouvons émettre l’hypothèse selon laquelle les assemblages bactériens du milieu marin utilisent plus efficacement des portions spécifiques de la TOM que les assemblages bactériens des sols et des fleuves, où les sources de la MOD sont plus diverses. La possibilité de réactions de co-métabolisme (dégradation d’un substrat récalcitrant par des microorganismes en présence d’un substrat facilement assimilable) (Canfield, 1994) n’est toutefois pas à exclure du fait de la forte croissance phytoplanctonique généralement observée à l’embouchure des fleuves.

Nous tenterons donc de répondre aux questions suivantes :
- Comment la MO exportée du système terrestre impacte la structure et le fonctionnement des communautés bactériennes aquatiques ?
- Comment le changement de diversité génétique et fonctionnelle des communautés bactériennes dans le continuum fleuve-mer conduit à une plus grande efficacité dans la dégradation de la TOM ?
- Est-ce que la dégradation de la TOM est favorisée en présence d’un co-substrat algal ?
- Est-ce que l’autoxydation de la TOM favorise sa biodégradation ?


Références :

  • Bonilla-Findji O, Rochelle-Newall E, Weinbauer MG, Pizay MD, Kerros ME, Gattuso JP (2009)
  • Bourgeois S., Pruski A. M., Sun M.-Y., Buscail R., Lantoine F., Vétion G., Rivière B. and Charles F. (2011) Distribution and lability of land-derived organic matter in the surface sediments of the Rhône prodelta and the adjacent shelf (Mediterranean Sea, France) : A multi proxy study. Biogeosciences Discuss. 8, 3353-3402.
  • Canfield D. E. (1994) Factors influencing organic carbon preservation in marine sediments. Chem. Geol. 114, 315–329.
  • Christodoulou S., Marty J.-C., Miquel J.-C., Volkman J. K., and Rontani J.-F. (2009) Use of lipids and their degradation products as biomarkers for carbon cycling in the northwestern Mediterranean Sea. Mar. Chem. 113, 25-40.
  • de Leeuw J. W. and Largeau C. (1993) A review of macromolecular organic compounds that comprise living organisms and their role in kerogen, coal, and petroleum formation. In Organic Geochemistry principles and applications (eds. M. H. Engel and S. A. Macko), Plenum Publishing, New York, 23-72.Rontani J.-F., Rabourdin A., Pinot F., Kandel S. and Aubert C. (2005) Visible light-induced oxidation of unsaturated components of cutins : a significant process during the senescence of higher plants. Phytochemistry 66, 313-321
  • Drenzek N. J., Montluçon D. B., Yunker M. B., Macdonald R. W. and Eglinton T. (2007) Constraints on the origin of sedimentary organic carbon in the Beaufort Sea from coupled molecular 13C and 14C measurements. Mar. Chem. 103, 146-162.
  • Fortunato CS, Herfort L, Zuber P, Baptista AM, Crump BC (2011) Spatial variability overwhelms
  • Hedges J. I. and Keil R. G. (1995) Sedimentary organic matter preservation : an assessment and speculative synthesis. Mar. Chem. 49, 81-115.
  • Hedges J. I., Keil R. G. and Benner R. (1997) What happens to terrestrial organic matter in the ocean ? Org. Geochem. 27, 195-212.
  • Karlson E. S., Charkin A., Dudarev O., Semiletov I., Vonk J. E., Sanchez-Garcia L., Andersson A. and Gustafsson O. (2011) Carbon isotopes and lipid biomarker investigation of sources, transport and degradation of terrestrial organic matter in the Buor-Khaya Bay, SE Laptev Sea. Biogeosciences 8, 1865-1879.
  • Macarthur H, Diamond JM, Karr JR (1972) Density Compensation in Island Faunas. Ecology 53:330
  • Pimm SL, Lawton JH, Cohen JE (1991) Food Web Patterns and Their Consequences. Nature 350:669- 674
  • Rontani J.-F. (2008) Photooxidative and autoxidative degradation of lipid components during the senescence of phototrophic organisms. In Phytochemistry Research Progress (ed. T. Matsumoto), Nova Publishers, New York, pp. 115-154.
  • Rontani J.-F., Zabeti N. and Wakeham S. G. (2011) Degradation of particulate organic matter in the equatorial Pacific Ocean : Biotic or abiotic ? Limnol. Oceanogr. 56, 333-341
  • Rontani, J.-F., Charriere, B., Sempéré, R., Doxaran, D., Vaultier, F., and Volkman, J.K. (2012) Lipid biomarker evidence for extensive degradation of terrestrial organic matter in Arctic coastal waters. Geochim. Cosmochim. Acta (Submitted).
  • Schmid M., Ritter A., Grubelnik A. and Zinn M. (2007) Autoxidation of medium chain length polyhydroxyalkanoate. Biomacromolecules 8, 579-584.
    seasonal patterns in bacterioplankton communities across a river to ocean gradient. ISME J
  • Vonk J. E., Sanchez-Garcıa L., Semiletov I., Dudarev O., Eglinton T., Andersson A. and Gustafsson O. (2010b) Molecular and radiocarbon constraints on sources and degradation of terrestrial organic carbon along the Kolyma paleoriver transect, East Siberian Sea, Biogeosciences 7, 3153–3166.
  • Wakeham S. G. and Canuel E. A. (2006) Degradation and preservation of organic matter in marine sediments. In The Handbook of Environmental Chemistry (ed. J. K. Volkman), pp. 295-321.

Avancement :

Publications effectuées dans le cadre de cet axe :

  • Rontani J-F., Charriere B., Petit M., Vaultier F., Heipieper H., Link H., Chailloux G. et Sempéré R. (2012) Degradation state of organic matter in surface sediments from the Beaufort Shelf : a lipid approach. Biogeosciences , 9, 3513-3530 icone pdf
  • Rontani J-F., Charriere B., Sempéré R., Doxaran, D., Vaultier F., Vonk J.E. et Volkman J.K. (2012) Degradation of sterols and terrigenous organic matter in waters of the Mackenzie Shelf, Canadian Arctic. Org. Geochem, 75 (2014) 61-73. icone pdf
  • Rontani J-F., Vaultier F. et Bonin P. (2014) Biotic and abiotic degradation of marine and terrestrial higher plant material in intertidal surface sediments from Arcachon Bay (France) : a lipid approach. Mar. Chem. 158 : 69-79. icone pdf
  • Galeron M-A., Amiraux R., Charriere B., Radakovitch O., Raimbault P., Garcia N., Lagadec V., Vaultier F. et Rontani J-F. (2015) Seasonal survey of the composition and degradation state of particulate organic matter in the Rhône River using lipid tracers. Biogeosciences. 12, 1431-1446 icone pdf
  • Galeron M-A., Vaultier F. et Rontani J-F. (2016) Oxidation products of α- and β -amyrins : potential tracers of abiotic degradation of vascular plant organic matter in aquatic environments Environ. Chem. doi.org/10.1071/EN15237. icone pdf
  • Galeron M-A., Volkman J.K. et Rontani J-F. (2016) Oxidation products of betulin : New tracers of abiotic degradation of higher plant material in the environment. Org. Geochem. 91 : 31-42. icone pdf
  • Rontani J-F. et Galeron M-A. (2016) Autoxidation of chlorophyll phytyl side-chain in senescent phototrophic organisms : a potential source of isophytol in the environment. Org. Geochem. (Sous presse).


Thèses effectuées ou en cours dans le cadre de cette tâche :

  • Marie-Aimée GALERON (2013-16) : Dégradation biotique et abiotique de la matière organique particulaire d’origine terrestre en sortie des grands fleuves Méditerranéens (Rhône, Pô, Ebre) - Impact sur leur devenir en milieu côtier.


Présentations à des meetings :

  • Galeron, M.-A., Amiraux, R., Charriere, B., Radakovitch, O., Raimbault, P., Garcia, N., Lagadec, V., Vaultier, F., and Rontani, J.-F. Composition et dégradation de la matière organique particulaire d’origine terrestre dans le Rhône Implications sur son devenir en milieu marin. Journées Internationales de Limnologie et d’Océanographie, Marseille. 23/05/2014.
  • Galeron, M.-A., Radakovitch, O., and Rontani, J.-F.Biotic and abiotic degradation of terrestrial particulate organic matter transported from rivers into the Mediterranean Sea. Colloque COMECOM - MERMEX, Aix-en-Provence & Toulon. 24/09/2014.
  • Galeron, M.-A., Amiraux, R., Charriere, B., Radakovitch, O., Raimbault, P., Garcia, N., Lagadec, V., Vaultier, F., and Rontani, J.-F.Determining the origin and fate of particulate plant-derived organic matter in the Rhone River (France) : a lipid tracer review. American Geophysical Union Fall Meeting, San Francisco, CA. 15-19/12/2014.
  • Galeron, M.-A., Rontani, J.-F., Radakovitch, O., Vaultier, F., Charriere, B.The MORTIMER Project. Colloque AMIDEX - Aix-Marseille et la Méditerranée : défis et coopérations scientifiques, Marseille. 12-13/02/2015.
  • Galeron, M.-A., Volkman, J.K., and Rontani, J.-F.Can we use betulin as a biogeochemical tracer ? Oxidation products of betulin : new tracers of abiotic degradation of higher plant material in the environment. IMOG (International Meeting of Organic Geochemistry), Prague, Czech republic. 13-
    18/09/2015.
  • Galeron, M.-A., Volkman, J. K., Charrière, B., Amiraux, R., Radakovitch, O. and Rontani J.-F.Terrestrial Particulate Organic Matter Degradation in Estuarine and Coastal Areas : Coupling Lipid Tracers and Molecular Tools to Better Understand Deltaic Biogeochemical Cycles. American
    Geophysical Union/Association for the Sciences of Limnology and Oceanography - Ocean Sciences Meeting 2016
    , New Orleans, LA. 21 – 25/02/2016


    Financement :

  • Afin de financer cet axe de recherche, le projet MORTIMER (Réévaluation de la labilité biotique et abiotique de la Matière ORganique Terrestre rejetée par les fleuves et les rIvières en MER) a été soumis et accepté à LEFE-CYBER. (Partenaires : équipes 2 et 3 du MIO, CEREGE et CEFREM (Perpignan). Financement obtenu : 70 k€, 2014-2017.
  • Un financement de 10 k€ vient d’être obtenu du LABEX OT-MED en soutien de la thèse de A. Nouara (projet AIOLOS, P.I. Panagiotopoulos C. et Pulido-Villena E.)
  • Deux financements de thèses ont été obtenus auprès du LABEX OT-MED (Thèse de Marie-Aimée Galeron, 2013-2016, co-direction Rontani J-F. et Radakovitch O.) et du ministère (Thèse de A. Nouara, 2014-2017, co-direction Panagiotopoulos C. et Sempéré R.).
  • Programme MALINA (ANR, NASA …)(P.I. M. Babin) 2009-2012 (financement LMGEM : 100 k€)
  • Participation financière du MIO de 3k€ en 2013 et 4k€ en 2014.

►Accès direct vers :

- Introduction - Principaux objectifs - Organisation et Fonctionnement

- Tâche 2 : Relations phytoplancton-bactéries
(Responsable : Bonin P. et Rontani J-F.)

- Tâche 3 : Sources et dégradation de la MO dans les aérosols marins
(Responsable : Piazzola J. et Pulido-Villena E.)