Etude du rôle de la végétation dans le cycle biogéochimique du magnésium : Approche isotopique, Study of vegetation role on the biogeochemical cycle of magnesium: isotopic approach

Bolou Emile Bolou Bi

Description

Sous la direction de Corinne Leyval
Thèse soutenue le 23 octobre 2009: Nancy 1
La connaissance des cycles biogéochimiques dans les écosystèmes, et celle des processus biologiques responsables de la mobilité des éléments dans les sols reste encore aujourd’hui un challenge. Un certain nombre de travaux montrent bien le rôle important des plantes sur l’altération des minéraux et la mobilisation des éléments dans l’environnement. Cependant, l’identification et la quantification des mécanismes biologiques à l’origine de la dynamique du cycle des éléments restent encore à améliorer. A l'échelle globale, ou même à celle, plus petite, d'un bassin versant, l'impact des plantes sur les flux d'éléments dissous transportés par les rivières demeure difficile à quantifier. L'objectif de cette thèse était de développer, puis d'exploiter un nouveau traceur isotopique pour permettre une identification plus précise des phases minérales altérées et des processus biologiques impliqués. Parmi les éléments dont on peut, depuis peu, caractériser la signature isotopique de façon précise, le magnésium (Mg) a été choisi (1) en raison de son lien avec le cycle du carbone, et (2) parce qu’il représente un macroélément essentiel pour les organismes vivants : il est particulièrement très important pour la croissance des plantes. Ainsi, la dynamique du cycle du magnésium va dépendre des mécanismes biologiques et physico-chimiques mis en oeuvre pour le mobiliser ou l’assimiler. La première partie de cette thèse a été consacrée au développement d'un protocole chimique et analytique pour l'analyse des isotopes du Mg, dans une large gamme d'échantillons. Ce protocole a été validé par la mesure des compositions isotopiques en Mg de divers matériaux de références incluant des roches typiques de la croûte continentale, des plantes et des eaux. Il a ensuite été appliqué à l'étude du rôle de la végétation sur le cycle biogéochimique du Mg. Une première étude a permis de quantifier les fractionnements isotopiques du Mg lors de la croissance en conditions contrôlées de plantes réalisée avec deux espèces végétales et deux sources de Mg différentes (disponible (en solution) ou peu (dans la structure de minéraux). Les deux espèces de plantes sont systématiquement enrichies en isotopes lourds par rapport aux sources de nutriments. Au sein de la plante, les isotopes légers migrent préférentiellement depuis les racines vers les feuilles. Ce fractionnement, lors de la translocation du Mg à l’intérieur de la plante, semble d’autant plus fort que la source est pauvre en Mg, suggérant un rôle clé du milieu de croissance. Pour la première fois, des analyses isotopiques en Mg de plantes naturelles sont réalisées, et affichent une gamme non significativement distincte de celle des roches et eaux de la croûte continentale. Une étude menée sur un petit bassin versant silicaté vosgien (Nord-Est de la France) démontre que la composition isotopique en Mg des végétaux de la strate herbacée ou de jeunes épicéas s’explique par les mêmes fractionnements isotopiques que ceux identifiés expérimentalement. Pendant la saison de végétation, la composition isotopique du Mg des solutions de sol dans les horizons de surface n’est pas le résultat d’un simple mélange et s'explique par le rôle essentiel du prélèvement et du recyclage biologique. La composition isotopique du ruisseau fluctue avec le débit. Elle est alimentée, soit par les eaux de ruissellement, soit par des eaux ayant un trajet plus long reflétant les interactions eau-roche en profondeur, et qui masquent, sur ce site d'étude, l'éffet de la végétation observé dans les horizons supérieurs du sol. L'ensemble de ces études démontre l'intérêt d'exploiter ce nouveau traceur isotopique à l'échelle d'un sol ou d'un écosystème, mais met également en évidence ses limites à plus grande échelle.
-Fractionnement isotopique
The knowledge of biogeochemical cycles in ecosystems and the biological processes responsible for the mobility of elements in soil is still a challenge. Some studies show the important role of plants on mineral weathering and mobilization of elements in the environment. However, identification and quantification of biological mechanisms behind the dynamics of the elements are still improving. On a global scale, or even a smaller scale such as a watershed, the impact of plants on dissolved elements carried by rivers is difficult to quantify. Therefore, the objective of this thesis was to develop and use a new isotopic tracer to allow identification of altered mineral phases and biological processes involved. Among the elements for which it is now possible to characterize accurately the isotopic signatures, magnesium (Mg) has been chosen (1) because of its link with the carbon cycle, and (2) because it represents a macronutrient essential for living organisms: it is particularly important for plant growth. Thus, the dynamics of Mg will depend on the biological and physico-chemical mechanisms implemented to its mobilization and/or assimilation. The first part of this thesis has been devoted to the development of a protocol for chemical and analytical analysis of Mg isotopes in a wide range of samples. This protocol was validated by measuring the Mg isotope compositions of various reference materials including typical continental crust rocks, plants and waters. It was then applied to study the role of vegetation in the biogeochemical cycling of Mg. A first study was carried out under controlled conditions to quantify the Mg isotope fractionation during plant growth, using two plant species and two different sources of Mg (directly available for plant nutrition (in solution) or not (in the structure of minerals). Both plant species are systematically enriched in heavy isotopes relative to Mg initial sources. Within the plant, the light isotopes preferentially migrate from roots to leaves. This fractionation during the translocation of Mg within the plant seems even stronger the source is poor in Mg, suggesting a key role in the growth environment. For the first time, Mg isotope compositions of natural plants were analyzed, and show a range not significantly different from that of the continental rocks and silicate rivers. A study conducted on a small silicate watershed in Vosges (Northeast of France) shows that the Mg isotope compositions of the herbaceous plant or young spruce reflects the same sense of fractionation than those identified experimentally. During the growing season, the Mg isotopic composition of soil solutions in the surface horizons cannot be explained by a simple mixture and reflect the essential role of Mg uptake by plant and biological recycling via litter degradation. The isotope composition of Mg of the stream varies with the discharge. The streamwater results from either soil surface runoff or water, with a long residence time in the saprolith reflecting water-rock, precipitation-dissolution, interactions. All these studies demonstrate the interest to exploit this new tracer isotope at a soil or ecosystem scale, but also highlight its limits on a larger (continental) scale.
Source: http://www.theses.fr/2009NAN10077/document

Sujets

• Fractionnement isotopique

Informations

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• Nombre de lectures: 492
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

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  ~ .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,  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
i 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 dʹ&#