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AVERTISSEMENT

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LIENS


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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm U.F.R. S.T.M.P Nancy-Université
  ~ .Université
Henri Poincaré
  Ecole Doctorale Science et Ingénierie, Ressources, 
Produits, Procédés, Environnement
 
THÈSE  
présentée pour l’obtention du titre de  
Docteur de Nancy‐Université en Géosciences  
par
BOLOU BI Bolou Emile 
 
 
Etude du rôle de la végétation dans le 
cycle biogéochimique du magnésium : 
approche isotopique 
 
 
 
soutenue publiquement le 23/10/2009 devant le jury composé de : 
 
M. François CHABAUX  Professeur, Université Louis Pasteur  Rapporteur  
M. Louis A. DERRY  Associate Professor, Cornell University  
Mme Corinne LEYVAL  Directeur de Recherche, LIMOS  Directrice de thèse  
Mme Anne POSZWA   Maître de conférences, Nancy université  Co‐directrice de thèse 
Mme Nathalie VIGIER  Chargé de Recherche, CRPG  Co‐ce de thèse 
M. Etienne DAMBRINE  Directeur de Recherche, INRA  Examinateur 
M. Jean Dominique MEUNIER  de  CEREGE  Examinateur 
M. Albert YAO‐KOUAME  Professeur, Université de Cocody‐Abidjan Examinateur 
 
 
 
~iMos 
  Laboratoire des Interactions Microorganismes‐cmrs
Minéraux‐Matière Organique dans les Sols,   15 rue Notre Dame des Pauvres F‐54501 •
Nancy‐Université, Faculté des Sciences et Techniques  VANDOEUVRE‐LES‐NANCY Cedex 1
Boulevard des Aiguillettes, BP 70‐239  
F‐54506 VANDOEUVRE‐LES‐NANCY Cedex  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A mes parents,  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A Clarisse,  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
iiRemerciements 
 
 
A la fin de ce travail de thèse, je ne cesse de me ressasser le long chemin parcouru durant ces 4 
années!! Années durant lesquelles les premiers moments de joie et dʹexcitation des premiers résultats ont 
fait place au fur et à mesure à des moments de doute et de remise en question. Mais, comme le dit un 
proverbe de la Côte dʹIvoire ʺQui sʹinstruit sans agir et sans douter, laboure sans semerʺ. Il a fallu donc 
tenir bon jusquʹà la production de ce mémoire. 
 
Je tiens donc à adresser toute ma gratitude à mes directrices de thèse, à Corinne Leyval, pour avoir 
accepté de diriger ce travail, à Anne Poszwa et Nathalie Vigier, pour leur confiance et pour mʹavoir donné 
lʹopportunité de réaliser ce travail. Je les remercie pour leur soutien et pour m’avoir fait partager leur 
expérience. Enfin, je leur adresse toute ma reconnaissance, pour leur patience (car je sais que jʹai été parfois 
tête en lʹair), leur disponibilité et leur participation à la rédaction des articles. 
 
Mes remerciements s’adressent à Ms. Etienne Dambrine, Louis Derry, François Chabaux, Jean‐
Dominique Meunier et Yao‐Kouamé Albert qui, malgré leurs emplois du temps chargés, se sont intéressés à 
ce travail et ont accepté de le juger. Soyez assurés de ma profonde reconnaissance. 
 
Un travail de thèse sʹinscrivant dans une équipe, un laboratoire, je remercie très chaleureusement 
tous les membres des deux laboratoires qui se reconnaitront dans ce travail. Merci à tous les thésards et 
thésardes des laboratoires ! Un grand merci à Hervé Marmier, pour les analyses chimiques au LIMOS et je 
me dois de rendre hommage à Delphine Yéghichyan, au CRPG, dont la porte de la salle dʹanalyse ne mʹa 
jamais été fermée. Merci Delphine ! Je remercie également Philippe Telouk à lʹENS, de Lyon, pour avoir 
sacrifié certains de ses weekends sur lʹautel de la science pour mʹassister dans les analyses isotopiques ! Et 
Je nʹoublie pas Jean‐Pierre Boudot, au LIMOS, pour les campagnes dʹéchantillonnage. Dommage que je 
nʹai jamais pu monter en raquette ! Il faut croire que durant toutes ces années la nature à été clémente à 
mon égard ! 
 
Un grand merci au personnel administratif des deux laboratoires, Aurélie, Odile et Catherine au 
CRPG  et  Dominique,  Chantal  et  Laetitia,   au  LIMOS,  pour  leur  efficacité  et  gentillesse.  J’exprime 
également toute ma reconnaissance au professeur Jacques Berthelin sans lequel ma venue, que dis‐je notre 
venue à Jeanne et moi, en France n’aurait pas été possible, au Gouvernement de la République de Côte 
dʹIvoire,  qui mʹa accordé une bourse dʹétude pour mon séjour en France pendant la période de la thèse. 
 
Je  n’aurai  garde  d’oublier  ma  seconde  famille  dans  les  Vosges,  les  famillse  Parisse  (Fabien, 
Alexandra, Camille et Louane) à Vincey, Valette (Frédéric, Mickaëlle, Maxime, Cécile et Axel) à Nomexy,  
et Martine Balland, à la Verrerie de Portieux, pour les agréables moments, ces weekends extraordinaires 
passés ensemble et la légende continue ! Je remercie très chaleureusement la famille Devisme, Jeanne (ma 
jumelle dans les études en France), au petit Simon (mon homonyme!!!!) et Olivier (le seul et authentique 
ivoirien ʺfranciséʺ) pour leur soutien et leur aide, à la famille Louvel (Brice et Elsa) qui nʹont jamais hésité 
à nous inviter en Normandie, de même quʹà la rue des Carmes à Nancy,  pour partager de bons moments! 
Je remercie également tous mes amis de la diaspora ivoirienne, les familles Gballet, Koffi, Adou et Traoré, de 
même qu’à Cheick Jean‐Jacques et Isabelle, Merci à vous ! 
 
Enfin, je ne saurai terminer ces propos sans dire un grand merci à ma fée,  avec qui,  pour moi tout 
devient possible et qui m’a accompagné durant toute ma thèse. Spéciale dédicace à toi ma tendre épouse 
Clarisse, MPC, pour ton soutien, ta patience et tes encouragements dans les moments les plus difficiles ! 
iiiTABLE DES MATIERES 
 
 
 
INTRODUCTION GENERALE  
 
I. Contexte général de lʹétude ……………...……………...…………………………………...………... 1 
II. Références bibliographiques …..……………...…...………………...…………...………….……… 7 
 
 
CYCLE CONTINENTAL DU MAGNESIUM ET DE SES ISOTOPES  
 
I. Généralités sur le magnésium ……………..……….……………………………….…..…………… 9
I‐1. Propriétés et distribution du magnésium ……………….…………………….……………….…… 9
I‐2. Système isotopique du magnésium …………………….……………….…………………….…… 11
I‐2.1. Généralités sur les isotopes.……………………………….…………...………………….…… 11
I‐2.2. Abondance des isotopes naturels du Mg …………….………….…..…………………...…. 12
I‐2.3. Théorie des fractionnements des isotopes stables ...………....….……….…….…………. 13
I‐2.3.1. Notations …..……………………………………….…………...……………… 13
I‐2.3.2. Mode de fractionnement des isotopes stables et application au Mg  14
Fractionnement isotopique à lʹéquilibre ………….…………………..…...…… 16 nt isotopique cinétique …………………….…..………..…..…… 18
Applications au magnésium……………………………………………………… 19 
II. Cycle biologique du magnésium ………………..…….……………………..…………………. 20
II‐1. Prélèvement racinaire………………………………..…………………...…...………………..… 20 
II‐1.1. De la solution du sol à la surface racinaire …...…………………………………………… 21 
II‐1.2. De la surface racinaire à lʹintérieur de la racine …….…………………………………… 21 
II‐1.2.1 Migration des cations de la surface racinaire aux sites dʹabsorption ……… 22 
II‐1.2.2. Passage des cations à travers la membrane cellulaire des racines ……....… 22 
II‐1.2.3 Rôle de lʹadsorption dans le prélèvement racinaire des cations ………….… 24 
II‐2. Translocation, distribution et rôles physiologiques du Mg ………………………...………..… 27 
II‐2.1. Translocation et distribution du Mg ……………………………………………………...… 27 
II‐2.2. Rôles physiologiques du Mg dans la plante ……………………………………................ 29 
II‐2.3. Effet des cations sur le cycle interne du Mg ………………………………………............. 30 
II‐3. Restitution du Mg des plantes …………………………………………………….………………..… 31 
III.  Variation  naturelles  des  compositions  isotopiques  du  Mg  des  roches 
continentales aux rivières .…….…..………………..………………...….…..………….….……. 34 
III‐1. Estimation de la composition isotopique de la croûte continentale ……….……………….. 34 
III‐2. Des roches continentales aux rivières ……….….……...…….…..………………….…………….. 36 
III‐2.1. Rôle de lʹaltération des minéraux et de la lithologie ……….…..……..……................... 36 
III‐2.2. Premières estimations du fractionnement isotopique du Mg lors de la croissance de  
plante ...…………....…………………………………………………...………………….…..…… 39 
III‐3. Des rivières aux océans ...………..…………………………………………………………...……….. 41 
IV. Références bibliographiques ……….…..……………..…………..…….…..………………..….. 43
 
ivPROCEDURES ET DEVELOPPEMENTS ANALYTIQUES 
 
Introduction …..……….…………………………..……….……………………………………..……….…….. 48
I. Mesures des compositions isotopiques du magnésium ………………..………..… 49
  I‐1. Analyse isotopique par MC ICP‐MS ……….…..………………………………………..…………. 49
I‐1.1. Principe général de fonctionnement ……….…..……………………………………….…… 49
I‐1.2. Résolution et interférences …..………………………………………………………………… 53
I.1.3 Fractionnement instrumental …..……………………………………………………………… 54
II. Séparation chimique du Magnésium ………………….…...……..……...………...…… 57
II‐1. Chimie séparative des isotopes du Mg ….....…………….…………………………………….…… 57
II‐2. Développement de la chimie séparative du Mg des échantillons de plantes et de roches 
granitiques …..…..…………………………………………………………………............................ 60 
III. Protocole de chimie : ʺMagnesium Isotope composition of natural Reference 
Materialsʺ.……………..……….…………………………………………………………………….…… 66
Abstract …………..…………………..…………..…………………..……………..……………… 67
French abstract…..…………………..…………..…………………..………….....……….............. 67
Introduction ..…………..…………………..…………..………………………..………………… 68
Samples and analytical methods ..…………..…………………..……………..………………… 69
Reference materials ..…………..…………………..…………..……………………...……… 69
Samples digestion procedure ..…………..…………………..…………..…………..……… 69
Ion exchange chromatographic separation ..…………..…………………..……….……… 69
Major and trace element analyses ..…………..…………………..…………..……...……… 71
Magnesium isotopes measurements ..…………..…………………..…………..…..……… 71
Results and Discussion ..…………..…………………..…………..………………………..…….. 72
Total procedure blank, Mg fraction purity and chemistry yield ..…………..…………… 72
Reproducibility and accuracy ..…………..…………………..…………………..…..……… 74
Magnesium isotope analyses of new reference materials ..…………..……….…..……… 77
Continental crust silicates: diorite and granite ..…………..……..…..….....……… 77 
Weathering products: soil (TILL1) and river water (SRM 640) ..….…...……… … 77 
Plants and organic matter ..…………..…………………..………….......………… 78 
Conclusion ……...……..…………………..…………………………….…………79 
Acknowledgements  ..…………..…………………..…………..…………………………............ 79
References ...…………..…………………..…………..………………………………………..… 79 
IV. Systèmes expérimentaux des cultures des plantes …………………....……………… 82
IV‐1 Composition de la solution nutritive et choix des plantes  …………………....……………… 82
IV‐2 Stérilisation des graines et tests de germination  …………………..………….………………… 84
IV‐3 Cultures sur substrats solides …………………..………………………………….…..…………… 85
IV‐3.1. Culture avec des sources de Mg minérales facilement altérables  ….……………… 85
IV‐3.2. Culture avec des sources minérales silicatées ………………..…..…...………………… 87 
IV‐4. Cultures hydroponiques  ….………………..………………………………………...……………… 87 
V. Conclusion …….……………..……………..………………..…………..…………..………..…………… 89 
VI. Références bibliographiques hors article …..….……………………...…………...……… 90
 
 
 
vDETERMINATION  DES  FRACTIONNEMENTS  ISOTOPIQUES  DU  MAGNESIUM 
LORS DE LA CROISSANCE EXPERIMENTALE DES PLANTES 
 
I. Résumé de lʹétude …..……….…..………………..……….…..……………..………………….…..…… 92
I‐1. Contexte et objectifs de lʹétude ..……….…..………………..….…….…..…………………………… 92
II‐2. Matériel et méthodes ..……….…..………………..……….…..…..…………………………………… 92
I‐3. Principaux résultats ..……….…..………………..……….…..……..…… 93 
II. ʺExperimental determination of magnesium isotope fractionation during 
higher plant growthʺ.…..………..…………..…………..…………..…………...……………………..…… 94 
Abstract ……..…………..…………..…………..…………..…………..…………...………….… 95
1. Introduction ……..…………..…………..…..………….… 96
2. Materials and Methods ……..…………..…………..…………..…………..….……........... 98
2.1. Plants, material and growth conditions ……..…………...…………...…...…..… 98
2.1.1. Hydroponic cultures ……..…………..…………..………………………. 99 
2.1.2. Mineral cultures ……..…………..…………..…………..…….……… 100 
2.1.3. Root immersion in pure Mg solution ..…...……...… 100 
2.2. Chemical analysis and Mg isotope measurements ……..…………..….......... 101
3. Results ……..…………..…………..…………..…………..…………..…………..………… 101
3.1. Plant growth and magnesium concentration ……..…………..……………… 101
3.2. Mg isotope compositions ……..…………..…………..…………..…………......... 106
4. Discussion ……..…………..…………..………………… 109
4.1. Root level processes ……….………..…………..…………..…………..……..…… 111
4.2. Shoot level processes ……..…………..…………..…………..…………..…...…… 114
4.3. Implications for Mg biogeochemical cycle…..…..…………..………………… 116
5. Conclusion ….…..…………..…………..…………..…………..…………………………… 118
Acknowledgements ….…..…………..…………..…………..……….…..…………..……… 119
6. References ………..………………….………..……………..………………………............. 120 
 
 
ROLE DE LA VEGETATION SUR LES COMPOSITIONS ISOTOPIQUES DU 
MAGNESIUM DES EAUX ET DES SOLS DANS LE BASSIN VERSANT DU VAL 
DE SENONES  
 
I. Résumé de lʹétude …..……….…..………………..……….…..……………..………………….…..….. 128 
I‐1. Contexte et objectifs de lʹétude ..……….…..………………..….…….…..……………………….… 128 
II‐2. Matériel et méthodes ..……….…..………………..……….…..…..………………………….……… 129 
I‐2.1. Site dʹétude ….…………………………...………………………………………………….…… 129 
I‐2.1. Echantillonnage et analyse ..….………...……………………………………………….…… 129 
I‐3. Résultats ..…………………….…..………………..……….…..……..……………………………..…… 130 
I‐3.1. Plantes ….…………………………...…………….…… 130 
I‐3.1. Sols, solutions de sol et ruisseau ..…………...…………………………………...…….…… 131 
 
II.  ʺMagnesium and strontium isotope systematics in the Senones catchment 
(Vosges Mountains): role of vegetationʺ……..………...……………………………….…..…… .132 
1. Introduction ……..…...……..……….……………..…………..…………..…………..…… 133 
2. Materials and Methods ……..………………..…..…..………..………………………..… 134 
vi2.1. Site description …………………………………...……..……………...……….. 135 
2.2. Sampling and analytical techniques ……..…..…….…..……….… 136 
.…….………...…. 136 2.2.1. Rock, soil and extraction of the exchangeable Mg 
2.2.2. Bulk precipitations, soil solutions and stream water..……...…….… 136 
2.2.3. Vegetation ……………………….……..……………...……...…….… 137 
2.2. Magnesium separation procedure and isotope measurements ....….… 137 
2.2.5. Strontium se  and isotope measurements …........ 138 
3. Results ……..………….…………..…………..…….……..…………..…………...………… 138 
3.1. Soil profile and bedrock ……..…………..………...………………….…………… 138 
3.1.1. Mineralogy, major elements and Sr…………...……………..……..… 138 
3.1.2. Exchangeable fractions …………….……………………....…………... 141 
3.1.3. Mg and Sr isotope compositions…………………….…….………...… 144 
3.2. Water samples ……..…………..…………..………..……………………….............. 144 
3.2.1. Precipitations….……..…………..………………….…………..…….… 144 
3.2.2. Soil solutions …………………………………...……….………..… 147 
3.2.3. Streamwater ………………………………………………....………..… 148 
3.3. Vegetation ……..…………..…………..…………..…………………………….......... 149
3.3.1. Spruce ……………………….....………………….…………..…….… 149 
3.3.2. Grass and organic layer …...………….…….………………...……..… 152 
4. Discussion ……..…………..…………...…………..……...…..…………..………………… 152 
4.1. Role of vegetation …………………………..…………..…………..…..………...… 153 
4.1.1. Mg isotope systematic in plants .…………….….……..……..….…… 153 
4.1.2.  Effect  of  Mg  biocycling  on  soil  solution  and  bulk  soil  Mg  isotope 
compositions ……………………………...………………………… 155 
4.2. Effect of weathering process on Mg isotope composition of soil …...…… 156 
4.3. Streamwater ………………………………………………...…..…………..…...…… 157 
5. Conclusion ….…..…………….….……..…………..…………..…………………………… 159 
….…...………..…………..…………..…..………..…………..……… 160 Acknowledgements
                              6. References….…..…….…..………..…………..…………..….…………………………......... 160 
 
 
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 
 
I. Synthèse des résultats obtenus….................................................................................................. 165
II. Comparaison avec les autres systèmes isotopiques ʺnon traditionnelsʺ....... 167 
III. Conclusions générales et perspectives….…..……………........……..………………….… 173 
IV. Références bibliographiques..…..………………........................................................................ 176 
 
ANNEXES 
Annexe 1 : Liste des figures et liste des tableaux  
Annexe 2 : Analyse des plantes  
Annexe 3 : Analyse des sols 
Annexe 4 : Article 1 
Annexe 2 : Article 2 

vii











Introduction Générale