Biogéochimie ISotopique et Expérimentale BISE

Sylvain Payraudeau & Marie-Claire Pierret

  sylvain.payraudeau[at]engees.unistra.fr

  marie-claire.pierret[at]unistra.fr

BISE vise à comprendre et tracer les processus réactifs dans la Zone Critique (ZC)* de la Terre sous forçages climatiques et anthropiques graduels. La ZC correspond à la couche mince de la terre, du sommet de la canopée à la base des aquifères profonds, la plus profondément impactée par les activités humaines mais aussi celle qui fournit les nutriments à la biosphère et joue donc un rôle essentiel dans le maintien de la vie sur la planète.

La motivation scientifique de BISE est de contribuer à la connaissance et à la compréhension des interactions complexes, entre les processus physiques, chimiques et biologiques qui contrôlent le transfert de matière entre les écosystèmes continentaux et leur réponse aux pressions environnementales et anthropiques. Au-delà de la connaissance scientifique, ce projet répond également à des enjeux sociétaux, en lien avec des partenaires non académiques, dans les domaines de la gestion des eaux et des sols dans les bassins versants forestiers, agricoles et urbains, avec un accent sur les cycles biogéochimiques des nutriments et le transfert et la transformation des polluants.

* La Zone Critique désigne la pellicule la plus externe de la planète Terre, celle qui est le siège d'interactions chimiques entre l'air, l'eau, les organismes et les roches.

Fondements méthodologiques

Les fondements méthodologiques de BISE reposent sur une approche quantitative, transversale et intégrée basée sur des mesures de flux de matière depuis l'échelle du laboratoire à celle du bassin versant, et le développement de traceurs géochimiques et de modèles numériques.

BISE s'appuie sur quatre piliers :

• Le suivi des transformations, transferts et cycles de la matière, dont les polluants, de l'échelle de la colonne de sol à celle du bassin versant, pour identifier et quantifier les processus biogéochimiques contrôlant le fonctionnement de la ZC dans des bassins versants expérimentaux naturels, forestiers, agricoles et urbains;
• Le développement méthodologique de traceurs élémentaires et moléculaires de ces interactions dans la ZC en couplant les outils de caractérisation minéralogique (XRD sur les sols, les sédiments et les argiles) et chimique (majeurs : Ca, Mg, P et N et oligo-éléments : Sr, B, Rb, Ra, REE), les mesures des isotopes stables traditionnelles et non traditionnelles, radiogéniques et l'analyse isotopique spécifique des composés (AICS ou CSIA en anglais) des polluants organiques ;
• Les expériences biogéochimiques en laboratoire impliquant des systèmes d'interface simples (solutions idéalisées, minéraux purs, mono-fonction ou mono-spécifique/mono-phase) ou complexes (intégrant la complexité naturelle) tels que la rhizosphère ou la minéralosphère ;
• La conceptualisation des processus qui contrôlent le transfert de matière dans les systèmes eau-minéraux-sol-organismes, puis le développement d'approches de modélisation hydrogéochimique pour interpréter et prédire la dynamique hydrogéochimique et les empreintes isotopiques des polluants organiques depuis le profil du sol jusqu'aux eaux de surface et souterraines à partir de bassins versants expérimentaux.

Axes de recherche

Sur la base des compétences et des forces de l’équipe, BISE se concentre sur deux axes scientifiques :

• Interactions biotique et abiotique eau-minéraux avec un focus sur les cycles d’altération, les cycles des biogéochimiques et la fertilité des sols;
• Transport réactif de micropolluants synthétiques au sein des surfaces et interfaces continentales.

La compréhension du rôle et de l'impact des différents types de matières organiques en tant que source, vecteur de transport et de transformation constituera un thème transversal dans l'équipe BISE. L'objectif est de comprendre le rôle de la MO sur les processus réactifs de la ZC abordés dans les axes de recherche susmentionnés.

Etude des sites naturels

 L’équipe développe un ensemble de travaux s’appuyant notamment sur l’approche isotopique pour déterminer :

• la chronologie des étapes de formation et d’évolution des profils d’altération (U-Th-Ra),
• les échanges et les transferts sol-végétation (Li, B, Ca, Sr, Cu, Zn,…), ou encore
• la transformation de micropolluants en analyse isotopique composé-spécifique (CSIA).

Cela permet notamment d'identifier les mécanismes et les cinétiques d'altération des minéraux ou de transformation de micropolluants à l’interface eau/sol/organismes.

BISE s'appuie sur différents sites expérimentaux allant de contextes forestiers à des contextes urbains. La forte implication de plusieurs membres de BISE dans la recherche et la coordination de l'observatoire forestier OZCAR OHGE favorise les collaborations avec des chercheurs français et à l’international pour développer des études conjointes interdisciplinaires sur la ZC, comme dans le PEPR OneWater ou FairCarbon.

Les recherches sur l'exportation de pesticides et de cuivre dans les bassins versants agricoles de Rouffach (68) et de la Souffel (67) ou sur les biocides urbains dans le quartier d'Adelshoffen (Schiltigheim, 67) contribuent à soutenir et accompagner la transition vers des agrosystèmes sans pesticides et des villes sans biocides.

Etudes expérimentales

Notre démarche consiste à :

• Décrire les mécanismes et formuler les lois cinétiques des interactions eau-minéraux/sol(sédiment)-organismes
• Développer des traceurs de ces interactions et des processus de transformation
• Concevoir des approches expérimentales en laboratoire et/ou sur le terrain, en mettant en jeu des systèmes d’interfaces simples ou proches de la complexité naturelle.

Cette démarche permet, par exemple, de comprendre la relation entre les processus réactionnels à l’échelle cristalline et les taux de dissolution à l’échelle macroscopique, ou de quantifier la dégradation et de suivre les voies de transformation de résidus de pesticides ou d'antibiotiques dans le continuum sol-rivière-aquifère des agro-écosystèmes.

• HydroGeoLABS – plateforme pédagogique sur le fonctionnement des aquifères. HydroGeoLABS est une plateforme pédagogique (coord. S. Payraudeau) dédiée à la préservation des eaux souterraines face aux pressions anthropiques et climatiques croissantes.HydroGeoLABS propose une réflexion sur nos pratiques afin de former les étudiants aux enjeux et aux attentes des acteurs socio-économiques en matière de gestion durable de l'eau.

   

• Zone critique et société. Les équipements scientifiques, les projets et les données de la plateforme expérimentale Strengbach OHGE ont été présentés lors d'une exposition artistique au Musée de Karlsruhe (mai 2020-janvier 2022), fruit de deux années d'échanges entre scientifiques, artistes et architectes.Les chercheurs du BISE ont participé à la plupart des événements publics et à de nombreuses actions de communication avec les partenaires locaux et les artistes, soulignant le rôle essentiel de la zone critique.

   

• Réactivité de l'interface bio/silicate/eau (Wild et al., 2021).Première quantification de la bio-altération des silicates, incluant la dissolution induite par les micro-organismes et l'identification des acteurs microbiens.Cette méthode combine des analyses d'ADN pour déterminer la diversité fongique et la topographie à l'échelle nanométrique de la surface minérale altérée.Elle ouvre de nouvelles perspectives pour améliorer les bilans élémentaires dans les milieux naturels et confirmer les bio-signatures à la surface des matériaux, illustrant ainsi les approches interdisciplinaires de BISE.

   

• Transformation des organohalogénés dans les eaux souterraines (Prieto et al., 2021).Cette étude met en lumière l'effet de la dynamique environnementale sur la transformation des organohalogénés dans les eaux souterraines afin d'améliorer la bioremédiation.La nouveauté réside dans l'examen de l'influence des fluctuations de la nappe phréatique sur l'hydrochimie, la composition des communautés bactériennes, ainsi que la dégradation et les voies métaboliques du dichlorométhane.L'analyse à double isotope, impliquant l'analyse isotopique spécifique aux composés (CSIA) du carbone et du chlore, a été utilisée pour la première fois pour suivre les voies de transformation du DCM dans les aquifères.Ceci illustre les compétences expérimentales et analytiques du BISE pour le suivi des polluants grâce à la CSIA multi-éléments.

   

• Interactions eau-roche sur les sédiments fluviaux (Ercolani et al., 2019).Ce travail fait partie de la thèse de C. Ercolani, codirigée par Unistra et Wollongong (Australie), et récompensée par le prix d'excellence John Head Xian (2019), fruit d'un partenariat fructueux avec le BISE.L'utilisation d'isotopes non traditionnels (par exemple, 11B/10B) comme indicateurs des interactions eau/roche dans la zone de conflit (ZC) révèle que les eaux de surface ne sont pas en équilibre avec les particules superficielles du profil de sol.L'équilibre entre les interactions chimiques profondes eau/roche et les cycles plus superficiels plante/sol est un facteur déterminant de l'empreinte géochimique des eaux de surface.