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 concentrere 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 soil-rivière-aquifère des agro-écosystèmes.

• HydroGeoLABS – pedagogical platform on aquifer functioning. HydroGeoLABS is a pedagogical plateform (coord. S. Payraudeau) on groundwater preservation under increasing anthropic and climatic pressures. HydroGeoLABS revisit our practices to train students for challenges and expectations of socio-economic actors in water sustainability.
• Critical Zone and society. The scientific equipment, projects, data of the experimental Strengbach OHGE were put in front in a dedicated art exhibition at the Karlsruhe Museum (May 2020-Jan 2022), built up during two years of exchanges between scientists, artists, and architects. BISE researchers were involved in most public events, and numerous communication events with local partners and artists, emphasizing the vital role of the critical zone.
• Reactivity of the bio/silicate/water interface (Wild et al., 2021). First quantification of silicate bioweathering, including microbially induced dissolution and identification of microbial actors. It combines DNA analyses to determine the fungal diversity and nanoscale topography of the altered mineral surface. It opens new avenues to improve elemental budgets in natural settings and confirm biosignatures on material surfaces, highlighting BISE interdisciplinary approaches.
• Organohalide transformation in groundwater (Prieto et al., 2021). Sheds light on the effect of environmental dynamics of organohalide transformation in groundwater to improve bioremediation. The novelty is to examine how water table fluctuations affect hydrochemistry, bacterial community composition, and dichloromethane degradation and pathways. Dual-isotope analysis, involving compound-specific isotope analysis (CSIA) of carbon and chlorine was used for the first time to follow-up transformation pathways of DCM in aquifers. This illustrates the experimental and analytical skills of BISE to track pollutant using multiple element CSIA.
• Imprint of water-rock interactions on river sediments (Ercolani et al., 2019). Part of C. Ercolani's thesis co-advised by Unistra and Wollongong (Australia), recipient of John Head Xian Excellence Award (2019), in a fruitful partnership of BISE. Non-traditional isotopes (e.g., 11B/10B) used as proxy to examine water/rock interactions in the CZ indicates that surface waters are not in equilibrium with uppermost particles in soil profile. The balance between deep water/rock chemical interactions and shallower plant/soil cycling is a major driver of geochemical imprint of surface waters.