Nouveau système d'imagerie pour la biogéochimie de l'environnement – NISYEBIO

Le développement méthodologique de ce projet consiste en la combinaison de deux méthodologies maitrisées par les chercheurs du projet : d'une part par le porteur du projet pour la technique des gels DET 2D et d'autre part par les partenaires du projet, Michael Kühl et Kasper Brodersen de l'Université de Copenhagen, pour la technique des optodes planaires. Une première étape consiste donc à partager nos connaissances pratiques lors d'une mission méthodologique à Helsingor (Université de Copenhague).

Les gels DET 2D sont alors apposées sur une optode planaire pH ou oxygène dissous puis recouvert d'une membrane de protection avant la mise au contact avec le sédiment et l'immersion dans un aquarium pour une mise à l'équilibre. L'optode planaire (OP) quant à elle, est directement scotchée sur une paroi transparente afin de réaliser la prise d'image nécessaire après excitation UV. Après un temps d'équilibration d'une vingtaine de minute, le système combiné gel DET 2D et OP est retiré de l'aquarium afin d'effectuer l'analyse du gel DET 2D. Cette analyse consiste à placer sur le gel DET 2D un second gel réactif qui permettra de révéler des zones colorées à intensité de coloration proportionnelle à la concentration de l'espèce chimique dissoute étudiée (e.g. fer, phosphates, nitrites, nitrates, ammonium, manganèse, sulfures).

Cette méthodologie présente un intérêt fort pour l'étude des environnements à forte réactivité chimique à petite échelle dit "hotspot". C'est le cas notamment des environnements à herbiers où le système racinaire, au travers des relargages d'oxygène observés dans les sédiments, crée une forte variabilité dans la distribution des espèces chimiques dissoutes. Afin de mettre en avant cette distribution particulière, cette méthodologie est appliquée dans des sédiments à herbiers de Zostères. La création de rhizobox pour ce projet permet de réaliser cette méthodologie dans nos laboratoires et de faire varier les conditions expérimentales en aquarium.

La combinaison des optodes planaires et des gels DET 2D d'épaisseur variables (i.e. 0,4 ou 0,8mm) ont présenté des résultats concluants quant à la réponse des optodes pH et oxygène dissous.

Le temps d'attente d'équilibration maximale avec un gels DET 2D d'épaisseur maximale de 0,8mm placé devant une optode planaire afin d'obtenir un résultat identique à une mesure en l'absence de gels DET 2D est de l'ordre de 5 minutes pour les optodes à oxygène et d'une heure pour celle de pH.

La première application dans les sédiments à herbiers de Zostera marina a permis d'observer la co-distribution en deux dimensions des espèces chimiques dissoutes nitrites/ nitrates et oxygène d'une part et pH et fer d'autre part. Ce développement méthodologique permet ainsi de mettre en avant les relargages d'oxygène racinaires présents dans les sédiments et d'associer des augmentations de concentrations en nitrites, nitrates et fer ainsi qu'une acidification très localisée. L'approche 2D va également permettre de conduire une analyse plus précise des rapports élémentaires observés en 2D (analyse en cours).

Une première expérimentation en milieu contrôlé est également en cours de programmation afin d'étudier la réponse racinaire d'un herbier de Nanozostera noltei de l'anse du Cul-de-Loup (Manche) face à des modifications de conditions de température et luminosité.

Parallèlement des mesures in situ sur les sites de l'archipel des Chausey et de l'anse du Cul-de-Loup (Manche) ont lieu afin de connaitre les conditions environnementales respectivement des sites à herbiers de Zostera marina et à Zostera noltii. Les analyses sont en cours.

Le projet NISYEBIO a trois perspectives principales 1) multiplier les espèces chimiques dissoutes analysées grâce aux gels DET 2D, 2) déployer cette nouvelle méthodologie combinée pour la compréhension des environnements à forte réactivité à petite échelle tel que les sédiments à herbiers, les mangroves, les habitats à forte bioturbation de la macrofaune benthique et 3) transférer cette nouvelle méthodologie pour des mesures in situ.

Dans un premier temps, une forte collaboration avec l'université d'Angers est en cours afin de faire évoluer les analyses colorimétriques actuellement en 1D en mesure 2D tel que les sulfures, le pH. Ces nouvelles analyses permettront ainsi de mieux déterminer les gradients des réactifs et produits issus de la diagenèse précoce.

Cette nouvelle méthodologie permettra dans un premier temps d'étudier divers environnements par mesure ex situ. A terme, la création d'un module étanche pour isoler la caméra et les led UV nécessaires pour les optodes planaires permettraient d'effectuer ce couplage directement sur le terrain.

Les écosystèmes côtiers colonisés par les herbiers fournissent d’importants services en termes de protection côtière, zone de nurserie et de séquestration de carbone. Cependant, les herbiers sont affectés par le changement climatique global et les stress anthropiques. A ce jour, les mécanismes d’interactions entre ses écosystèmes et les changements environnementaux sont peu connus en raison de la complexité d’étudier les habitats d’herbiers où il existe une multitude de gradients chimiques. L'exigence de techniques de mesure à haute résolution pour résoudre la dynamique biogéochimique et les microenvironnements entourant les herbiers marins dans leur habitat naturel a conduit au développement d'une variété de techniques chimiques quantifiant généralement un seul analyte à la fois, ce qui donne un aperçu limité de la véritable dynamique de l'interaction herbiers-sédiments, pourtant essentielle pour le métabolisme et la survie des herbiers au regard des changements environnementaux. Le projet NISYEBIO développera une nouvelle technique d’imagerie basée sur le couplage d’une optode planaire et d’un gel DET 2D afin de mesurer en simultanée l’oxygène dissous, le fer dissous, les phosphates, les nitrites/nitrates, le manganèse, le dioxyde de carbone et le pH. Cette nouvelle technique sera appliquée pour l’étude de la dynamique des microenvironnements des herbiers (Zostera marina et Zostera noltei) et sa modulation face aux changements environnementaux et au stress de la plante au travers différents sites d’étude localisés dans le Cotentin et subissant une pression anthropique variable. Une approche pluridisciplinaire intégrant des mesures de flux totaux biogéochimiques, de l’écologie et de la sédimentologie viendra compléter les résultats obtenus afin de comprendre les mécanismes observables en deux dimensions et d'améliorer nos connaissances actuelles sur les fonctionnements des herbiers.