« Fractionnement du dioxygène lors des processus biologiques : application à la reconstruction de la productivité passée de la biosphère », thèse de doctorat de Clémence Paul (LSCE/Ecotron de Montpellier)

Clémence Paul a soutenu sa thèse de Doctorat le 18 janvier 2024 au LSCE (Université Paris Saclay), qui s’intitule « Fractionnement du dioxygène lors des processus biologiques : application à la reconstruction de la productivité passée de la biosphère ». Cette thèse a été conduite sous la supervision d'Amaëlle Landais (LSCE) et de Clément Piel (ECOTRON de Montpellier). La partie expérimentale de son travail sur les écosystèmes terrestres a été réalisée à l’Ecotron de Montpellier sur les plateformes Microcosmes et IsoFlux.

Résumé

La composition isotopique du dioxygène piégé dans les bulles d'air des carottes de glace peut être utilisée pour reconstituer la productivité globale de la biosphère dans le passé ainsi que pour documenter l'évolution du cycle de l'eau aux basses latitudes. Le travail de cette thèse a été d’améliorer l’interprétation du δ18O de l'O2. Pour cela, nous avons affiné la détermination des différents coefficients de fractionnement associés au cycle de l’oxygène au niveau de la biosphère terrestre, c’est-à-dire pendant les processus de respiration et de photosynthèse. Afin de quantifier ces coefficients de fractionnement, nous avons développé un nouveau dispositif expérimental qui repose sur un système de chambres biologiques fermées multiplexées dans lesquelles tous les paramètres environnementaux sont contrôlés, stabilisés et mesurés. Ces chambres biologiques fermées ont un volume de 120 L permettant d’étudier un système « plante + sol ». La première étape a été de développer un prototype avec une seule chambre biologique et de faire une première étude sur la fétuque. Ensuite, un deuxième développement a permis de travailler sur plusieurs chambres biologiques via un système multiplexé. Nous avons aussi développé un instrument de spectrométrie optique (SARA-O2) afin de mesurer en continu la concentration et composition isotopique de l’O2 pendant les expériences en chambres multiplexées. Ceci remplace la mesure par spectrométrie de masse d’échantillons prélevés dans les chambres de façon manuelle. Ce système a permis d’étudier les coefficients de fractionnement pour plusieurs plantes (fétuque, bananier, laurier, maïs). Nous avons notamment mis en évidence un fractionnement isotopique associé à la photosynthèse terrestre. Les fractionnements biologiques trouvés lors de ces expériences ont finalement été intégrés dans des calculs globaux de composition isotopique du dioxygène de l’air et comparés aux mesures effectuées sur la dernière déglaciation. Ceci permet de conclure que les variations passées de δ18O de l'O2 dans l’atmosphère sont principalement liées aux variations du cycle hydrologique aux basses latitudes.