Comprendre le plancton à travers ses traits de vie
(pp. 187-208, 14/12/2024)
LOG, INSU - CNRS, ULCO, CNRS, IRD [Ile-de-France], ULCO, EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, BOREA, UNICAEN, NU, MNHN, IRD, SU, CNRS, UA
Etude de l'aérosol organique secondaire d'origine biogénique : caractérisation de marqueurs moléculaires et étude de leur réactivité hétérogène d'intérêt atmosphérique
Parmi les principaux enjeux environnementaux, la problématique des aérosols atmosphériques secondaires, dont on ne peut réguler les émissions, fait l’objet de toutes les attentions depuis plusieurs années de par leurs impacts sur le changement climatique et la qualité de l’air. Ce travail a eu pour objectif d’étudier les principaux traceurs d’aérosols organiques secondaires (AOS) issus de l’oxydation de terpènes émis par la végétation. Deux aspects complémentaires ont été étudiés expérimentalement sur le terrain et en laboratoire. Un premier a consisté en la caractérisation chimique à l’échelle moléculaire de particules collectées au cours de campagnes de mesures intensives coordonnées en forêt des Landes et en forêt de Rambouillet par chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol, dans le but de mieux comprendre les interactions biosphère-atmosphère. Le second volet s’est intéressé aux marqueurs atmosphériques en phase particulaire et plus spécifiquement aux limites de leur utilisation comme traceurs de sources et de processus atmosphériques de l’aérosol, en lien avec l’importance des processus (photo-) chimiques hétérogènes, très peu documentés jusqu’ici. Ainsi, la réactivité à l’interface gaz-particule de 6 traceurs (i.e. les acides térébique, terpénylique, pinonique, pinique, β-caryophyllinique et le MBTCA) issus de l’oxydation de l’α- et du β-pinène ainsi que du β-caryophyllène, a été investiguée avec les radicaux hydroxyles, l’ozone ou encore par photodégradation, avec l’objectif de déterminer les temps de vie atmosphériques de ces différents composés.
(13/12/2024)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Syndromes fonctionnels des plantes herbacées métallicoles et conséquences pour les interactions entre plantes dans les écosystèmes métallifères
Les écosystèmes métallifères sont caractérisés par des sols riches en divers éléments métalliques. L’exposition à ces éléments représente une contrainte importante pour les organismes vivants, et en particulier pour les plantes se développant sur ces sols. Ces écosystèmes peuvent être spontanés, comme les écosystèmes serpentiniques, ou liés aux activités humaines minières et sidérurgiques. De nombreuses recherches se sont intéressées aux adaptations physiologiques des plantes métallicoles tolérantes à une forte exposition aux métaux. Des études moléculaires ont aussi permis de mettre en évidence les gènes impliqués dans cette tolérance, et leur sélection au cours de l’évolution. La capacité singulière de certaines plaines dites « hyper-accumulatrices » qui surconcentrent les métaux dans leurs feuilles a stimulé la plupart de ces recherches. Dans le travail présenté ici, les conséquences d’une forte exposition aux métaux sont abordées à des échelles supérieures jusqu’ici très peu étudiées : celle de la plante entière et celle des interactions entre plantes. Concernant la plante entière, les recherches menées ont pour objectif de comprendre les conséquences des adaptations liées à la survie et la tolérance au stress métallique sur les autres fonctions primaires que sont la croissance et la reproduction. S’interroger sur ces conséquences implique de comprendre les compromis fonctionnels en jeu entre ces fonctions primaires. Pour cela le concept d’allocation ou de répartition optimale des ressources entre les différents organes des plantes a été d’abord été mobilisé. Il a été démontré que pour des plantes sensibles, l’exposition à un stress métallique provoque dans un premier temps une modification de la morphologie racinaire et une moindre disponibilité des ressources du sol. Dans un second temps, l’allocation des ressources aux racines augmente pour compenser cette perte d’accès aux ressources du sol. Dans un deuxième temps, l’étude des traits fonctionnels de nombreuses espèces métallicoles a permis de montrer les correspondances entre les stratégies spécifiques d’adaptation aux métaux (l’exclusion ou l’accumulation dans les parties aériennes) et les axes fonctionnels bien identifiés dans la littérature. Par exemple, les espèces accumulatrices semblent avoir une position spécifique sur l’axe du « Leaf Economic Spectrum » ; suggérant une exploitation active des ressources du sol et une activité photosynthétique élevée pour ces espèces. A l’inverse, les espèces qui évitent le transfert vers les organes aériens ont des stratégies plus conservatrices de nutriments. Ces relations montrent la diversité jusqu’ici inconnue des stratégies écologiques parmi les plantes métallicoles. Une fois les compromis et stratégies fonctionnelles mieux compris, l’évolution des interactions entre plantes le long de gradients de contamination métallique a été étudiée. La cadre théorique mobilisé est celui de l’hypothèse du gradient de stress (Stress Gradient Hypothesis) prédisant l’évolution de ces interactions à mesure que les contraintes environnementales augmentent. Les effets en jeu dans ces interactions ont aussi été évalués, que ce soit les modifications micro-climatiques sous la canopée des plantes métallicoles ou les modifications des propriétés du sol à proximité de leur rhizosphère. Globalement, les interactions étudiées suivent l’hypothèse de la SGH dans les systèmes étudiés. La facilitation est en effet l’interaction dominante mesurée dans les environnements fortement contaminés. Les espèces accumulatrices de métaux qui ont une activité photosynthétique élevée sont celles qui produisent les effets micro-climatiques les plus favorables pour les plantes voisines, via une atténuation de la sécheresse de l’air. Ce sont aussi les espèces qui produisent régulièrement une litière concentrée en métaux. Elles induisent alors des effets de négatifs au niveau du sol, par enrichissement en métaux disponibles dans leur proximité immédiate. Ces effets négatifs ne s’expriment que pour des plantes voisines peu tolérantes, et donc dans des environnements où la disponibilité en métaux est peu élevée et où ces plantes peu tolérantes sont présentes. Ces résultats précisent les conditions d’application d’une théorie importante pour expliquer la sélection de l’hyper-accumulation : l’allélopathie dite « élémentaire », théorie qui s’appuie sur l’avantage compétitif fournit par l’hyperaccumulation par rapport aux plantes voisines. Enfin les orientations des recherches possibles dans le futur sont discutées. Elles reposent sur la caractérisation de la distribution des métaux dans les différents organes des plantes hyperaccumulatrices au cours de leur développement (en lien avec les concepts d’allocation) ; sur la précision des syndromes fonctionnels racinaires des plantes hyper-accumulatrices ; et sur l’étude des effets de complémentarité entre espèces liés à la facilitation observée sur sols contaminés. Les perspectives appliquées concrètes qui en découlent pour la végétalisation de sites contaminés, ou pour favoriser la productivité des cultures dans le cadre de l’agromine sont aussi abordées.
(11/12/2024)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Lessons from paleoclimates for recent and future climate change: opportunities and insights
Paleoclimate information has played an instrumental role in showing how fast climate can vary and how large these changes can be. It provided the first vivid demonstration of the relationships between atmospheric greenhouse gas concentrations and surface air temperatures, as well as striking representations of climate change impacts and possible feedbacks within the climate system, such as those associated with vegetation or ice sheet changes. Here, a short review of recent advances in paleoclimate studies is provided, with the objective of showing what this information on past climates and environments can bring to research on current and possible future climates. We advocate that (1) paleoclimatic and paleoenvironmental information can be leveraged for narratives about climate change, in particular at the local and regional levels, (2) paleoclimate data is essential for out-of-range tests of climate models, since future climates are also out of the range of recent climate information used for calibrating climate models, (3) paleoclimate data, in particular for the last millennia, is essential for taking multi-centennial and multi-millennial variability into account when describing trends related to anthropogenic forcings and attributing climate change signals, in particular for extreme and rare events, and (4) paleoclimates also provide extremely valuable information for initializing the slow components of climate models. In addition, we show how paleoclimate studies can be beneficial to put recent and future climate change into context and improve our knowledge on key
(Frontiers in Climate. vol. 6, n° 2624-9553, 11/12/2024)
LSCE, UVSQ, INSU - CNRS, CNRS, DRF (CEA), CEA, USP, UM6P, UdeM, EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, BRIN, LPG, UM, UA, INSU - CNRS, CNRS, Nantes univ - UFR ST, Nantes Univ, CCRC, UNSW, NCAR, INPE, MCTI, MARUM, WHOI, CAM, BAS, NERC
Influence of Rocky Obstacle Sand Bypassing on Embayed Beach Dynamics Using a Reduced-Complexity Shoreline Model
Headland and groyne sand bypassing greatly influences embayment dynamics at medium to long timescales, but is often disregarded or partially included in reduced-complexity shoreline models. This study explores how accounting for subaqueous sediment bypassing in a shoreline model affects mean embayed beach planshape and spatial variability. We implement a generic parametrization of sand bypassing in the LX-Shore model, with simulations on a synthetic embayment in two configurations: "full bypassing" (FB) where the sediments bypass the obstacle in the surfzone and beyond, and "shoreline bypassing" (SB) where bypassing occurs only when the shoreline extends beyond the obstacle. Time-invariant wave simulations show significant differences in updrift shoreline position between FB and SB. Simulations with time-varying wave angles and fixed wave height and period reveal that FB significantly impacts the embayment mean planform and spatial variability: FB reduces beach rotation by about 1/3, particularly under slightly oblique and slightly asymmetrical wave climates, and decreases shoreline curvature, especially under highly oblique wave climates. Downdrift shoreline erosion may be overestimated by up to 20% under SB. Our simulations provide new insight into the influence of subaqueous sand bypassing on embayed beach dynamics and emphasize the importance of including this process when modelling shoreline evolution in coastal embayments.
(Journal of Marine Science and Engineering. vol. 12, n° 2077-1312, pp. 2266, 10/12/2024)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, BRGM, BW-CGC
Interactions entre le comportement mécanique des ouvrages de défense pour la protection du littoral et les processus hydro-sédimentaires contrôlant la dynamique du trait de côte : approche expérimentale couplée numérique
Dans un contexte d’augmentation des risques de submersion et d’érosion des littoraux, les gestionnaires disposent de plusieurs méthodes pour mieux prévenir les risques associés. L’une d’elles consiste à travailler avec les défenses dites « dures » existantes en les étendant ou en les renforçant. L’objectif général de ce travail est de mieux comprendre les interactions entre l’hydrodynamique et ce type d’ouvrages de défense déployés en haut de plage et, plus particulièrement, les enrochements. Pour cela, différents processus hydrodynamiques en jeu sur le haut de plage, tels que les ondes longues ou infragravitaires et l’aquifère côtier, sont étudiés en parallèle avec le comportement des enrochements. Dans un premier temps, différentes méthodes de décomposition du signal de la surface libre, en composantes dirigées vers le large et vers la côte, ont été explorées afin d’analyser ensuite les transformations des ondes infragravitaires en condition de tempête sur une plage sableuse protégée par un enrochement. Dans un second temps, des données expérimentales ont été utilisées pour calibrer des simulations numériques réalisées avec le modèle XBeach en 2D (mode SurfBeat). L’analyse de ces simulations a mis en évidence l’importance de la bathymétrie et du modèle de déferlement choisi pour configurer le modèle numérique. Une génération significative d’ondes infragravitaires ainsi que la formation d’ondes stationnaires ont été observées. En condition de houle modérée, les données montrent une corrélation entre le R2% (proxy couramment utilisé pour prédire le runup) et les variations bathymétriques parallèles à la côte au niveau de la barre externe. Aucun impact notable de l’enrochement sur la réflexion des ondes infragravitaires n’a été observé dans ces conditions. Des données expérimentales collectées sur la plage de Lacanau ont également été analysées pour étudier la dynamique de l’aquifère côtier sous une plage sableuse avec enrochement, soumise aux marées et aux vagues. Une cellule de recirculation a été identifiée, sans toutefois détecter d’effet immédiat notable de l’enrochement. Enfin, un modèle numérique, basé sur la méthode des éléments discrets a été développé avec le logiciel LMGC90. Cette première approche fournit une base et des éléments de recherche sur la réponse géomécanique des ouvrages tels que les enrochements, sous l’effet des phénomènes de runup et de vagues.
(10/12/2024)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Fate of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in estuaries : focus on interactions with suspended sediments.
To understand the fate of legacy and emerging PFAS at the land-sea interface, this work focused on the interactions with estuarine sediments. More precisely, we mainly studied the influence of co-existing PFAS, salinity (S) and suspended particulate matter (SPM) on the sediment-water partitioning of PFAS. First, to investigate the effect of coexisting PFAS on their adsorption and desorption, competitive adsorption and desorption experiments were conducted using single and mixed PFAS solutions at low concentrations, using kaolinite as model sorbent. Selected PFAS include eight perfluoroalkyl carboxylates (PFCAs), two perfluoroalkyl sulfonic acids (PFSAs) and one zwitterionic PFAS (8:2 fluorotelomer sulfonamide alkylbetaine (8:2 FTAB)), which were studied in three single-solute solutions and two mixture solutions. A pseudo-second-order kinetic model was used to fit in the adsorption and desorption kinetics data correctly. Their sorption and desorption on kaolinite were quite fast, with equilibrium reached within 2h. Sorption processes appeared to be influenced by the PFAS molecular structure: sorption increased and desorption decreased with increasing fluoroalkyl chain length, characterized by the increase of log Kd. Besides, PFSAs (i.e, PFHxS and PFOS) had greater sorption and weaker desorption than PFCAs (i.e, PFHpA and PFNA) with similar fluoroalkyl chain. The zwitterionic 8:2 FTAB showed stronger sorption and smaller desorption than anions (i.e., PFOS or PFNA) with a similar fluoroalkyl chain. Sorption and desorption data obtained for single and multi-solute experiments indicated that there was no significant statistical difference between such conditions. Thus, the influence of competitive adsorption and desorption was negligible at low concentrations. To study the influence of salinity and SPM on the sorption of PFAS, we used a sediment sample collected in the fluvial sector of the Garonne-Gironde system. We performed sorption kinetics and sorption isotherms tests for the same PFAS, under 35 combination of salinity and turbidity. Based on response surface methodology (RSM) modelling approach, results indicated the sorption kinetics of PFAS onto sediment can be described by pseudo-second-order model and 24h is the equilibrium time for targeted PFAS. Besides, PFAS sorption can be well fitted by linear model and Freundlich model, the linear sorption range for PFAS studied was in the range of 0.12 to 1.31 nM (equilibrium concentration). Moreover, based on RSM modelling approach, we found that Kd varied between 0.62 and 55271 L/kg and that both S and SPM were significant factors, i.e. the Kd of PFAS was positively related to S due to salting-out effect while it was negatively related to SPM concentration. Moreover, SPM had a stronger effect than salinity (S) for PFHxA and PFHpA, whereas S was the more dominant factor for most other compounds. For PFUnDA and 8:2 FTAB, S and SPM displayed nearly equivalent weights as drivers of Kd. In addition, a negative interaction between both factors was observed, i.e. if SPM increases, the effect of S on Kd is weaker. Overall, this work provides original results to model the sorption of legacy and emerging PFAS on estuarine sediments based on RSM modelling approach. It provides a new perspective to investigate the fate of PFAS at the land-sea interface.
(10/12/2024)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Anthropogenic legacy of potassium-40 in French large rivers reconstructed from sediment cores
Environmental imprint of inorganic fertilizer uses was assessed over the last hundred years at the downstream part of large French rivers (Loire, Moselle, Rhine, Rhone, Meuse and Seine rivers) based on Potassium-40 (40K) activity concentration data sets acquired from soil monitoring (1980–2022) and from sediment coes collected from 2020 to 2022 to reconstruct the temporal trajectories of 40K activity concentrations since the beginning of the last century. Cultivated soils were significantly enriched in 40K compared to non-cultivated ones in the 1980s and 1990s when they turned back to the contents of non-cultivated soils during the following decades. In riverine sediments, all the rivers displayed close 40K temporal trajectories with peaking 40K contents in fine grain size sediments in the 1980s. Maximum 40K enrichment factors from this period were related to the proportion of agricultural areas in the river catchment. In the Loire and Moselle rivers, some high 40K contents were associated with sandy sedimentary strata deposited by flood events before the end of the 1950s due to the presence of potassium enriched minerals. The comparison of 40K activity concentration in sediments with potassic fertilizer delivery in France highlighted very similar temporal trajectories giving evidence that the uses of potassic fertilizers imprint the riverine sediments of most French large rivers. Finally, the environmental resilience face to this anthropic pressure was fast as 40K levels decreased immediately after the decreases of the delivery in most of cases.
(Science of the Total Environment. vol. 954, n° 0048-9697, pp. 176479, 01/12/2024)
IRSN/PSE-ENV/STAAR/LRTA, IRSN/PSE-ENV/STAAR, IRSN, METIS, EPHE, PSL, INSU - CNRS, SU, CNRS, IRSN/PSE-ENV/SPDR/LT2S, IRSN/PSE-ENV/SPDR, IRSN, IRSN/PSE-ENV/SAME/LMRE, IRSN/PSE-ENV/SAME, IRSN, LIEC, INSU - CNRS, UL, CNRS, ITES, ENGEES, UNISTRA, INSU - CNRS, CNRS, EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, M2C, UNICAEN, NU, INSU - CNRS, UNIROUEN, NU, CNRS, GéHCO, UT, NEOLAiA
Circulation in a tropical embayment with two inlets and complex geometry: The Itamaracá-Itapessoca system, Brazil
Along the northeast coast of Brazil, numerous estuaries with intricate morphologies, characterized by multiple channels, islands, and intertidal areas, are found. These estuaries undergo significant seasonal variations, experiencing pronounced wet and dry periods. While some of these systems have small drainage basins with minimal freshwater inflow and sediment production, they boast extensive intertidal mangrove areas. This study focuses on assessing the hydrodynamics and residual circulation of the Itamaracá-Itapessoca Estuarine System (IIES) to elucidate the impact of residual circulation on estuary-shelf exchange dynamics. The IIES comprises two main islands and two inlets surrounded by extensive intertidal areas. Field observations collected during the wet season were used to calibrate and validate a numerical model. Two model scenarios were examined: a 'dry' scenario, considering hydrodynamics driven solely by interactions between morphology and tides, and a 'wet' scenario, incorporating freshwater inflow. Key findings include: (a) the inclusion of freshwater inflow minimally alters system dynamics; (b) tidal dynamics are amplified within the system, resulting in a null zone between the inlets; and (c) residual circulation circulates around the islands, with net importation through the larger inlet and net exportation through the smaller one. The intensity of exchange is heightened under wet conditions.
(Regional Studies in Marine Science. vol. 77, n° 2352-4855, pp. 103671, 01/12/2024)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Dynamics of Cu and Pb during sediment remobilization and associated risk for coastal water quality
Laboratory resuspension experiments were performed using three sediments and seawater, contrasted in terms of metals concentration/contents, metals partitioning in sediments as well as physical-chemical characteristics of both sediment and seawater. The aim of the study was to examine if the variability in metals content and metals distribution onto carrier phases are influencing the dynamics of metal transfers from and to sediment. Since Cu and Pb are classical contaminants found in coastal areas, their dissolved concentrations were monitored (up to 360 h) to assess their release or removal by particles, with a particle concentration of 2.5 g L−1 (wet weight). The dynamics of Cu and Pb transfers were similar between experiments while the amplitude of transfers was specific to each sediment. The results of the study clearly demonstrated that while Cu first undergoes an adsorption onto particles (after few minutes of mixing), Pb first undergoes a desorption from particles (after few hours of mixing). Then Cu was desorbed from particles (from 48 to 360 h), while Pb remained adsorbed onto particles (from few 24 to 360 h). The impact of the quantity of resuspended particles was evaluated after 24 h (Pb) and 360 h (Cu) of mixing with different sediment:water ratio. The increase of resuspended particles leads to a non-linear release of dissolved Cu with Cu concentration overpassing the trigger values to protect 80 % (La Spezia), 90 % (Toulon) and 95 % (Olbia) marine species as defined by the ANZECC (Australian and New Zealand Environment and Conservation Council). On the contrary, the increase of resuspended particles leads to a bell-shaped curve for dissolved Pb pointing out Pb affinity for particles.
(Science of the Total Environment. vol. 957, n° 0048-9697, pp. 177476, 01/12/2024)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS