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Soutenance de thèse de chimie marine par Gabriel Dulaquais

"Cycle biogéochimiques du cobalt dans des environnements marins contrastés : l'Atlantique Ouest, la Mer Méditerranée et la Mer noire".

Le cobalt est un métal de transition essentiel pour la croissance du phytoplancton, et en particulier pour les cyanobactéries qui ont un besoin absolu pour cet élément. En étant l'atome central de la cobalamine (vitamine B12), le cobalt est aussi indirectement essentiel aux eucaryotes marins qui ne synthétisent pas cette vitamine. Cet élément peut se substituer au zinc et au cadmium au sein de la carbonique anhydrase, l’enzyme permettant la fixation du dioxyde de carbone dans la cellule phytoplanctonique. Il pourrait intervenir également dans l’activation de l’alcaline phosphatase. De part ses implications biologiques, le cobalt pourrait jouer un rôle important dans le cycle océanique du carbone. Cependant, les connaissances du cycle biogéochimique du cobalt en milieu marin sont encore largement limitées.

Ce travail de thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre du programme international GEOTRACES au sein duquel le cobalt y est désigné comme un élément clé de la biogéochimie marine.

Au cours de ces travaux, l’un des plus larges jeux de données, rapporté à ce jour, incluant les différentes fractions du cobalt (soluble, dissous, particulaire, spéciation organique) a été produit. Les données recueillies proviennent d’échantillons collectés au sein de domaines océaniques contrastés. Une stratégie de prélèvement à haute résolution et à grande échelle a été mise en place dans diverses régions océaniques du monde lors de campagnes à la mer. Ainsi pour la première fois, une cartographie du cobalt dissous (DCo) et particulaire (PCo) a pu être définie pour l’ensemble de l’Atlantique Ouest, ainsi que des bassins Méditerranéens et de la Mer Noire.

Ce jeu de données a pu être produit par l’utilisation de différentes techniques d’analyses (Flow-Injection-Analysis and Chemiluminescence detection ; Voltamétrie, SF-ICP-MS) aux limites de détections basses permettant la détermination de cet élément, présent dans l’eau de mer à des concentrations de l’ordre du pico-molaire (10-12 M). Le cobalt est en effet l’un des micro-nutritifs le moins abondant dans l’eau de mer.

Les concentrations les plus faibles en DCo ont été observées dans les eaux oligotrophes de l’Atlantique Ouest (< 15 pM) alors que les plus élevées sont enregistrées dans la couche supérieure des eaux sulfidiques de la Mer Noire (> 5 nM). La distribution verticale du cobalt dissous variait selon les systèmes biogéochimiques. Ainsi, le profil vertical est de type nutritif comme les phosphates dans les eaux de surface de l’océan Atlantique. Les concentrations y augmentent avec la profondeur, jusqu’à un maximum relatif dans les eaux intermédiaires, puis décroissent dans l’océan profond. Ce comportement contraste avec le profil observé pour l’ensemble des bassins de la Mer Méditerranée. Dans cette mer, les fortes concentrations en DCo mesurées en surface (100-300 pM) diminuent en effet avec la profondeur. En Mer Noire, la distribution verticale varie selon les conditions d’oxygénation des eaux. Les concentrations y sont extrêmement élevées par comparaison aux autres systèmes marins.

L’étude approfondie de l’ensemble de ces résultats a mis en évidence l’importance de la circulation à grande échelle dans la distribution du cobalt en milieu océanique. Ainsi, les circulations intermédiaires et profondes semblent régir la distribution profonde du cobalt dissous en Atlantique Ouest, ainsi qu’en Mer Méditerranée. De plus, le processus de minéralisation de la matière particulaire est une source importante de DCo dans les eaux de minimum d’oxygène de l’Atlantique Ouest impactant ainsi sa distribution. Cependant, la minéralisation n’est pas significative en Mer Méditerranée. Dans le bassin Méditerranéen, l’apport sédimentaire identifié par des traceurs lithogéniques, est une source importante en DCo et en PCo. Les processus  d’adsorption/désorption à la surface des oxydes de manganèse et de fer pourraient contrôler la distribution verticale du DCo dans les eaux anoxiques et sulfidiques de la Mer Noire.

Une forte collaboration internationale au cours de ces travaux a permis d’établir le premier budget en cobalt dans les eaux de surface à l’échelle d’un océan. Ainsi, l’ensemble des flux du cycle biogéochimique du cobalt dissous et particulaire a été paramétré dans les eaux de surface de l’Atlantique Ouest. Ce budget met en évidence des cycles contrastés entre les domaines biogéochimiques, et souligne l’importance de l’assimilation biologique du cobalt dans les zones oligotrophes. Dans ces zones où les cyanobactéries sont abondantes, le processus de régénération du cobalt soutiendrait le besoin absolu en cobalt de ces espèces.

Lors de ces travaux, un effort particulier a été apporté sur la quantification des apports externes en cobalt (atmosphère, rivière) le long de l’Atlantique Ouest et en Mer Méditerranée par le développement de modèles. Ainsi, les implications biogéochimiques des apports atmosphériques ont été estimées en Atlantique Ouest. Elles suggèrent un possible effet cascade entre l’apport atmosphérique, le développement des cyanobactéries de type Synechococcus et la production de vitamine B12.

Ces travaux sont une contribution majeure aux études en cours qui visent à comprendre et estimer les interactions biologiques et géochimiques du cycle du cobalt en milieu marin. Ce type d’étude permettra de développer des représentations en 4 dimensions (échelle de temps inclue) du cycle biogéochimique du cobalt en milieu marin.

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(C) Pascale Lherminier / Ifremer