Datation et traçage isotopique ( C, C) du carbone organique dissous

Ecole Doctorale « Sciences de la Matière » de Rennes, n°254.
Géosciences Rennes – UMR 6118, Groupe de Biogéochimie.
Datation et traçage isotopique (13C, 14C) du carbone organique
dissous des fleuves et rivières
Encadrement: A.-C. Pierson-Wickmann (M.C.), G. Gruau (DR CNRS, HDR)
([e-mail], [e-mail])
Cette thèse se déroulera au sein de l’UMR 6118 – Géosciences Rennes
Thèmes prioritaires de rattachement:
3- Sciences de La Terre et de l'Univers, Ecologie, Environnement
3b. Impact des changements globaux sur le fonctionnement et la dynamique des
écosystèmes naturels et "anthropisés";
3e. Cycles de contaminants physiques, chimiques ou biologiques dans les
écosystèmes.
Projet de thèse :
Depuis une vingtaine d’années, la teneur en carbone organique dissous
(COD) augmente dans une majorité des rivières mondiales, alors qu’elle décroit ou
reste stable dans une minorité 1-5. Ces augmentations long-terme ont été reliées à
une accélération du taux de décomposition de la matière organique des sols de leurs
bassins versants, elle-même reliée au réchauffement global de la Terre. Cette
hypothèse, dite « globale », impliquerait donc une augmentation de la concentration
en CO2 atmosphérique engendrant un emballement du réchauffement climatique en
cours (rétroaction positive) et sous-entend un lien entre le climat terrestre et la teneur
en COD des rivières 6-10. Cependant, comme ce phénomène n’est pas rencontré
dans toutes les rivières mondiales : une hypothèse alternative, dite « locale », basée
sur l’effet de facteurs locaux non reliés au climat est proposée. Ces facteurs locaux
sont liés à l’hydrologie ou aux activités humaines, comme les activités agricoles qui
peuvent modifier les stocks de matière organique solubilisable du sol ou les quantités
de matière organique produite dans les cours d’eau. Comprendre les causes de
l’augmentation de la teneur en COD des rivières est un intérêt majeur scientifique et
économique avec des implications à la fois sur le changement climatique global
(déstabilisation du cycle du carbone) et sur la ressource en eau potable.
Selon les facteurs impliqués, les matières organiques solubilisables pourront être
jeunes ou anciennes, réfractaires ou non. Ainsi, si l'hypothèse "globale" est vraie, le
COD des rivières à la hausse devrait présenter des âges anciens, sachant que cette
hypothèse implique une origine du COD à partir du fond humique ancien du sol. Si à
l'inverse, l'origine du COD est à rechercher dans les blooms de phytoplancton
engendrés dans les eaux par les activités agricoles (hypothèse "locale"), alors l'âge
du COD devrait être jeune.
La géochimie isotopique du carbone (14C et 13C/12C) a la capacité de trancher
entre ces deux hypothèses. En effet, le radiocarbone (
14C) permet de déterminer
l’âge du COD transportée par les rivières. Par ailleurs, les isotopes stables du

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carbone à travers le rapport 13C/12C permettent de déterminer les sources de COD
en distinguant par exemple le COD récent issu de phytoplancton ou des résidus de
cultures du COD ancien issu du fond humique des sols.
L’objectif de la thèse est de mettre en œuvre ces techniques isotopiques dans
le contexte ouest européen (Bretagne, Angleterre) dans lequel coexistent des
rivières montrant des tendances en COD à la hausse, stable et à la baisse. L’enjeu
n’est pas seulement fondamental. Il est aussi économique et sanitaire. En effet, les
concentrations croissantes de COD renchérissent et complexifient le coût du
traitement. En outre, la présence de concentrations élevées de COD dans les eaux
brutes peut conduire à la formation de sous-produits cancérogènes lors du
traitement.
Ce sujet de thèse s’intéresse à un problème scientifiquement « chaud » à
travers le problème des rôles respectifs du climat et des activités humaines sur la
qualité de l’eau et des rétroactions engendrées par le réchauffement climatique sur la
teneur en CO2 de l’atmosphère et sur le climat lui-même. De plus, étant donné la
croissance de la demande mondiale en eau potable, il devient urgent de comprendre
l'origine du COD "polluant" des eaux. Cette compréhension permettra d'édicter et de
mettre en place les mesures de protection ou de remédiation permettant de contrôler
ou de diminuer cette pollution.
Les techniques isotopiques du carbone sont encore peu utilisées pour définir
le COD. Actuellement la mise au point de techniques de concentration (osmose
inverse et lyophilisation) dans le laboratoire de géochimie organique moléculaire
permettra une meilleure extraction et purification du COD à analyser.
Cette thèse, au travers de financement, se fera en partenariat avec l’Agence
de l’Eau Loire-Bretagne, des Départements 22, 29, 35 et 56 et Région Bretagne.
D’autres sources de financement sont actuellement prospectées comme Véolia Eau
et l’ANR.
Compétences et connaissances requises
Nous recherchons un ou une candidat(e) ayant une formation générale en
Chimie ou Sciences de l’Environnement et des connaissances en géochimie
isotopique. Un intérêt et/ou une formation en bio-géochimie sera apprécié. Des
compétences en géochimie isotopique (isotopes stables, préparation des
échantillons, analyses par IRMS) seraient un plus.
Références :
1. Worrall and Burt, J. Hydrol., 346, 81-92 (2007).
2. Driscoll et al., Environ. Sci. Technol., 37, 2036-2042 (2003).
3. Evans et al., Environ. Pollution 137, 55-71 (2005).
4. Jardé et al., Appl. Geochem. 22, 1814-1824 (2007).
5. Gruau et al., Rapport Régio Bretagne (2006).
6. Worrall et al., Biogeochemistry 64, 165–178 (2003).
7. Freeman et al., Nature 412, 785–786 (2001).
8. Bellamy et al., Nature 437, 245-248 (2005).
9. Davidson et Janssens, Nature 440, 165-173 (2006).
10. Roulet et Moore, Nature 444, 283-284 (2006).