Biogeochemistry of organic carbon in permafrost peatland waters : an experimental approach

Dans le contexte actuel du réchauffement climatique et de son amplification dans les régions nordiques, l'objectif principal de cette thèse est d'évaluer les facteurs pouvant influencer la dégradation de la matière organique (MO) contenue dans les tourbières à pergélisol. Dans ce but, nous avons étudié l'effet des paramètres, directement ou indirectement influencés par le changement climatique, sur la dégradation de la MO. Des études de terrains et des expérimentations ont été effectuées dans des zones à pergélisol discontinu de la Suède et de l'Est Sibérien, associées à des expériences en laboratoire utilisant des substrats de ces régions et du Nord-Est de l'Europe. Ces études ont eu pour but de déterminer l'influence des paramètres physico-chimiques suivant sur la dégradation de la MO: la température, la biomasse microbienne, l'origine de la MO, le type de végétation, l'hétérogénéité des plans d'eau, les cycles de gel-dégel (CGD), les conditions anoxiques et la profondeur des sols. L'originalité de ce travail réside dans la combinaison d'analyses (bio)géochimiques variées, utilisées à la fois lors des missions de terrain et en laboratoire, liant la microbiologie et la géochimie, pour comprendre la transformation de la MO dans les régions arctiques. Après une introduction générale présentant l'impact et la rétroaction positive que peut avoir le dégel du pergélisol sur le réchauffement climatique, le premier chapitre de cette thèse présente le contexte général du sujet d'étude, traitant de la MO et des problèmes actuels des régions arctiques face à ce réchauffement. Il contient aussi les techniques, analyses et méthodes utilisées durant cette thèse. Le second chapitre décrit les 3 sites d'étude et les caractéristiques générales des travaux réalisés sur le terrain, dont l'étude du comportement de la MO durant les cycles nycthéméraux. Le troisième chapitre traite de l'influence de l'origine de la MO et de l'hétérogénéité des plans d'eau sur la biodégradation de la MO. Le chapitre quatre s'intéresse aux effets des CGD subis par les eaux des tourbières durant les périodes de transition (début du printemps et fin de l'automne). Finalement, le cinquième chapitre traite d'expérimentations aérobies et anaérobies de dégradation de la MO. Les expérimentations aérobies traitent de l'effet de la température et des bactéries hétérotrophes sur la biodégradation, et les expérimentations anaérobies ont été effectuées pour déterminer le potentiel de production en gaz à effet de serre d'un profil de sol issu d'une tourbière. Parmi les résultats les plus importants de cette thèse, on retiendra que : i) durant la nuit les petits lacs thermokarstiques relarguent jusqu'à 3 fois plus de CO2 que durant la journée et que les grands lacs passent de puits à source de CO2 ; ii) le long d'un continuum hydrologique (des dépressions jusqu'aux rivières en passant par les lacs thermokarstiques), la vitesse de biodégradation de la MO diminue et la biodégradabilité des eaux augmente ; iii) les CGD fréquents durant les périodes de transition n'influencent pas la dégradation de la MO mais favorisent la complexation MO-métaux dans les eaux à pH neutres des grands lacs et rivières; iv) les températures de ces périodes (4°C environ) ont le même impact sur la biodégradation de la MO que celles observées en été (25°C) ; v) enfin, lors du dégel anaérobie du pergélisol, la biodégradation de la MO de ce dernier ne produit pas plus de CH4 ni de CO2 que celle de la couche active. Les études menées lors de cette thèse devraient préciser les effets, directs et/ou indirects, du changement climatique sur la dégradation de la MO dans les régions à pergélisol discontinu. De plus, l'étude du devenir du carbone contenu dans les sols et les eaux des tourbières ainsi que les émissions de CO2 et de CH4, permettra d'appréhender l'influence du changement climatique sur les interactions entre le carbone biodégradé de la pédo- et de l'hydrosphère pouvant être émis vers l'atmosphère.The anthropogenic emissions of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere are held responsible for the current global warming experienced by the Earth. Given the amplified effect of warming in the northern regions, the main objective of this thesis is to assess the factors that could influence the organic matter (OM) degradation within a carbon-rich permafrost peatland. For this purpose, we studied the effect of biological and geochemical parameters, which are directly or indirectly influenced by climate change, on the degradation of OM. Field studies and experiments were carried out in discontinuous permafrost areas of Eastern Siberia and Sweden, along with laboratory experiments using substrates from these regions and from peatlands of NE Europe. Experiments were conducted as a function of temperature, bacterial biomass, OM origins, water bodies heterogeneity, vegetation type, freezing and thawing cycles, anoxic conditions and soil depths. The originality of this work consists in the combination of various (bio)geochemical analyses using both fieldwork and laboratory approaches linking the different systems controlling OM degradation in the natural environment (mainly microbiology and geochemistry). After an introduction dealing with possible positive feedback of OM degradation in northern peatlands on climate warming, the first chapter is dedicated to a general context giving an insight of the OM in the arctic region under climate change challenges and presenting all the techniques, analyses and methods employed for this thesis. The second chapter describes the three studied sites and the general fieldwork, which involved the study of OM behaviour during diel cycles. The third chapter tackles the origin of OM and the water bodies heterogeneity effect on the biodegradation of OM. The fourth chapter investigates the impact of freeze-thaw cycles of peatland water bodies on OM degradation during transitional periods, such as early spring and late autumn. Finally, the last chapter reports the result of aerobic and anaerobic experiments. The aerobic experiment tests the effect of temperature and heterotrophic bacteria on biodegradation, while the anaerobic experiment deals with the potential production of greenhouse gases from a soil profile collected in a peatland. The main results of this thesis highlight that i) during the night, small thermokarst lakes release up to three times more CO2 compared to day-time, and big lakes become a source of CO2 rather than a sink; ii) along a hydrological continuum, from supra-permafrost water to rivers through thermokarst lakes, the degradation rate of OM decreases and the biodegradability of waters increases; iii) recurrent freeze-thaw cycles during early spring and late autumn do not influence the degradation of carbon but favor the OM-metals complexes in neutral pH waters of large lakes and rivers; iv) temperatures during these transitional periods (4 °C) exhibit the same effect on biodegradation than the summer temperatures (25 °C); and v) when frozen peat thaws, it does not release a significantly different amount of CH4 and CO2 from biodegradation processes compared to the active layer. The studies carried out in this work bring an overview of the various direct and/or indirect effects of climate change on the OM transformation by biotic and abiotic factors in a discontinuous permafrost area. Furthermore, the study of carbon behaviour in wetlands soils and waters, as well as CO2 and CH4 emissions, may help to determine the influence of climate change on the interactions of biodegraded carbon from pedo- and hydrosphere with the atmosphere