Disponibilité et transfert des éléments trace dans les chaînes trophiques terrestres et leurs implications sur la santé de la grande faune arctique (ATCAF) – ATCAF

Le projet ATCAF a combiné des campagnes de terrain (ainsi que l’utilisation d’échantillons archivés), des analyses en laboratoire et des approches statistiques multi-échelles afin d’étudier la circulation des éléments traces essentiels et non essentiels dans les réseaux trophiques terrestres de l’Arctique, et d’évaluer leurs liens avec la santé de la faune, à l’échelle des individus comme des populations.

Le cadre méthodologique du projet reposait sur quatre axes de recherche intégrés et menés en parallèle :
Axe 1 – Écogéochimie et paysage
Axe 2 – Écogéochimie et chaîne alimentaire
Axe 3 – Écogéochimie et individu
Axe 4 – Écogéochimie et isotopes

Les échantillons analysés comprenaient des sols, des végétaux, des insectes et des araignées, ainsi que différents types de prélèvements (laine, sang, fèces) provenant d’un grand herbivore arctique emblématique : le bœuf musqué (Ovibos moschatus). L’étude a porté à la fois sur des populations sauvages (au Groenland et en Norvège) et sur des animaux en captivité (trois parcs zoologiques en Suède).

Les principales techniques analytiques mises en œuvre reposaient sur d’analyses par pXRF, la digestion acide des échantillons en salle blanche, suivie d’analyses par spectrométrie de masse à plasma induit (TQ-ICP-MS). D’autres méthodes complémentaires ont également été utilisées, notamment l’analyse des sérums sanguins, la spectrométrie de masse isotopique (IRMS), l’analyse directe du mercure (DMA) et la spectrométrie de masse multi-collecteur (MC-ICP-MS), afin d’obtenir une vision intégrée et détaillée des processus écogéochimiques étudiés.

Ce projet visait à mieux comprendre comment la chimie naturelle des paysages arctiques influence la santé de la faune sauvage, en se concentrant sur le bœuf musqué, une espèce emblématique de la toundra arctique. Nous avons en particulier étudié si le qiviut - la laine très douce que les bœufs musqués perdent naturellement chaque année - pouvait servir d’outil non invasif pour suivre leur santé sur le long terme.
Les premières études ont montré que les concentrations de certains éléments traces dans le qiviut, comme le sélénium, le cuivre et le molybdène, sont liées à l’état des populations. Nous avons également observé que ces éléments varient naturellement selon les sols et la végétation, et que ces différences se transmettent le long de la chaîne alimentaire. Autrement dit, ce qui se trouve dans le sol influence ce qui s’accumule dans les animaux et peut jouer un rôle dans leur santé. Certains éléments semblaient favoriser la croissance des populations, tandis que d’autres, comme le plomb ou l’arsenic, étaient associés à des effets négatifs. Toutefois, ces résultats reposaient sur des tendances générales et ne permettaient pas d’évaluer la santé d’animaux individuels.
Pour aller plus loin, nous avons étudié la répartition des éléments traces à l’intérieur du corps des bœufs musqués, notamment dans le foie, le sang et les muscles. Bien que ces éléments aient été mesurés dans tous les tissus, le qiviut ne reflétait pas fidèlement les signatures chimiques des organes internes. Cela suggère que des recherches supplémentaires sont nécessaires avant de pouvoir utiliser le qiviut comme indicateur fiable de la santé individuelle.
Nous avons ensuite comparé les éléments traces présents dans le qiviut, le sang et les fèces avec des marqueurs biologiques liés au stress, à l’inflammation et à l’état général. Les premiers résultats mettent en évidence le rôle central du sélénium et suggèrent une diminution progressive de ses concentrations, atteignant des niveaux potentiellement préoccupants. Si l’état corporel semble globalement stable, les hormones du stress apparaissent élevées, ce qui pourrait indiquer une dégradation progressive de la santé. Ces travaux sont toujours en cours.
Enfin, nous avons exploré si de légères variations dans la chimie du cuivre mesurées dans le sang pouvaient servir de nouvel indicateur de la santé animale. Les résultats préliminaires montrent des différences entre bœufs musqués sauvages et captifs, ainsi qu’un lien possible avec le stress.
Dans l’ensemble, ce projet apporte une vision plus claire des liens entre la chimie des paysages arctiques, l’alimentation des animaux et leur santé, tout en soulignant à la fois le potentiel et les limites des outils non invasifs comme le qiviut pour le suivi de la faune arctique.

L’un des principaux atouts du projet ATCAF réside dans son approche intégrée pour comprendre les écosystèmes arctiques. Plutôt que d’étudier séparément la chimie de l’environnement ou la santé de la faune, ATCAF a relié la géologie des paysages, les processus au sein des chaînes alimentaires et la santé des animaux dans un cadre cohérent. Cette vision à plusieurs échelles a permis d’aller au-delà de la simple description de la présence des éléments chimiques, pour mieux comprendre comment les différences naturelles de l’environnement influencent l’exposition des organismes, la performance des populations et le fonctionnement à long terme des écosystèmes.

Une autre caractéristique remarquable d’ATCAF est son focus sur les écosystèmes terrestres de l’Arctique, longtemps moins étudiés que les milieux marins. En produisant de nouvelles données sur les sols, les plantes, les invertébrés et les grands herbivores, le projet a comblé une lacune majeure de connaissances et fourni une base de référence pour de futures recherches dans les environnements arctiques continentaux. Les résultats ont également montré que les éléments essentiels à la vie et les éléments toxiques se comportent de manière très différente dans la nature, soulignant que les questions de nutrition et de pollution doivent être évaluées conjointement, et non séparément.

Une innovation majeure du projet concerne le développement et l’évaluation d’outils de suivi non invasifs. ATCAF a démontré que le qiviut (la laine du bœuf musqué) peut refléter des tendances à long terme de l’exposition aux éléments traces à l’échelle des populations. Cette approche représente une alternative prometteuse aux méthodes invasives, souvent difficiles à mettre en œuvre sur les plans éthique, logistique et culturel dans les régions arctiques reculées. Le projet a toutefois aussi mis en évidence certaines limites, notamment pour relier directement la composition de la laine à la santé individuelle des animaux. Reconnaître ces limites constitue une étape essentielle vers des stratégies de suivi plus réalistes et robustes.

Pour l’avenir, ATCAF ouvre plusieurs perspectives importantes. Les recherches futures pourront s’appuyer sur ce cadre pour mieux comprendre comment les éléments traces sont traités par l’organisme des animaux, comment l’état de santé influence les signaux chimiques observés, et comment les changements climatiques pourraient modifier la disponibilité de ces éléments dans le temps. Étendre cette approche à d’autres espèces et à d’autres régions de l’Arctique permettrait d’évaluer plus largement la santé et la résilience des écosystèmes.
Dans l’ensemble, ATCAF apporte à la fois de nouvelles connaissances et des outils pratiques, favorisant une détection plus précoce des pressions environnementales et une gestion plus éclairée des écosystèmes terrestres arctiques.

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L'Arctique est l'une des régions qui se réchauffent le plus rapidement de la planète, ce qui modifie les processus biogéochimiques impliqués dans la biodisponibilité et le transfert des éléments essentiels (e.g. Cu, Zn, Se) et non essentiels (e.g. Pb, Cd, Hg). Simultanément, la présence humaine dans la région augmente en raison d'une augmentation de l'exploration/extraction pétrolière et minière, le tout avec un risque de conséquences environnementales négatives. Malgré cela, la plupart des connaissances sur les processus chimiques et biologiques impliqués dans le transfert des éléments traces à travers les chaînes trophiques de l'Arctique sont basées sur les systèmes marins et aquatiques, alors que l'écosystème terrestre en général, et les chaînes trophiques en particulier, sont largement inexplorés. Une meilleure compréhension de ces éléments est donc cruciale car elle peut avoir des implications de grande envergure sur les interactions trophiques, la biodiversité et le fonctionnement de l'écosystème.

L’ATCAF comblera ce manque de connaissances en ciblant l'interaction environnement - biote - éléments traces dans un paysage terrestre de l'Arctique, tout en adoptant une approche originale en liant directement les concentrations d'éléments traces dans la grande faune à la santé des individus et des populations. Plus précisément, l'objectif est de quantifier les liens au sein l’aériens/souterrains des éléments traces dans un écosystème terrestre (Zackenberg, Groenland), d'estimer l'efficacité du transfert au sein des chaînes trophiques locales (dans le sol, végétation, proies & prédateurs-invertébrés, herbivores et carnivores), et évaluer les effets potentiels de ces éléments sur la santé de la grande faune arctique (bœuf musqué & renard arctique).

Pour atteindre cet objectif, ATCAF sera organisé en quatre tâches:
Tâche 1) Écogéochimie & paysage: cartographie de la disponibilité et de la variation spatiale des éléments trace à travers les sols et la végétation d'un paysage arctique
Tâche 2) Écogéochimie & chaînes trophiques: efficacité de transfert des éléments trace à travers les chaînes trophiques terrestres de l'Arctique
Tâche 3) Écogéochimie & individu: distribution des éléments trace au sein des individus et lien potentiel entre les poils d'animaux sauvages et la santé de la population
Tâche 4) Écogéochimie & isotopes: composition isotopique d'échantillons sanguins de grande faune arctique comme outil de diagnostic de sa santé

En étudiant l'accumulation de contaminants dans les chaînes trophiques terrestres de l'Arctique en tandem avec l'absorption des oligo-éléments, l'ATCAF fournira des informations indispensables sur leurs effets combinés sur la santé du biote local. Unissant données empiriques et approches de modélisation prédictive, l'ATCAF fournira donc 1) des cartes montrant la variabilité spatiale de la composition en éléments traces de différents types de sol et de végétation dans un écosystème terrestre de l'Arctique, 2) des valeurs quantitatives sur l’interface atmosphère-sol et l'efficacité du transfert des éléments trace entre les niveaux trophiques dans le système étudié 3) une évaluation approfondie de la distribution des éléments trace au sein de l'individu et un nouveau protocole analytique utilisant les poils d'animaux sauvages comme un bioindicateur non-invasif de la santé individuelle et de la population, 4) un nouveau protocole analytique utilisant la composition isotopique du sang comme outil de diagnostic pour la santé de la faune.

L’ensemble du projet ATCAF et sa réussite révolutionneront la surveillance scientifique de la santé de la faune et des tendances démographiques dans les systèmes sous pression. Cela permettra de promouvoir des stratégies de conservation bien informées, la surveillance de la faune et la gestion de l'écosystème, avec des valeurs socio-économiques et culturelles supplémentaires pour les populations locales qui dépendent de cette faune/cet écosystème pour leur subsistance.