L’impact des polluants sur les écosystèmes dans un contexte de changements globaux : de la connaissance à l’action

Intitulé et acronyme du projet: Les approches d’écotoxicologie dans un contexte de changements globaux : de la connaissance à l’action - CONNEXION.

Issu de l'appel à projets émergents 2016 du LabEx BASC, le projet CONNEXION a duré 2 ans (2017-2019).

Porteuse du projet: Isabelle Lamy (ECOSYS)        Partenaire dans BASC : LSCE (Bertrand Guenet). 

Ce projet est né de trois constats : 1) L’écotoxicologie (étude des polluants toxiques dans les écosystèmes), en particulier celle des contaminations diffuses, des faibles doses et chroniques, est un domaine scientifique encore peu connu des décideurs notamment dans le domaine de l’aménagement des espaces, 2) Le changement global pose de nombreuses questions à l’écotoxicologie, encore peu abordées (les sols et milieux contaminés sont-ils plus vulnérables ? …) et 3) Bien qu’en interface entre l’eau et l’air, il n’existe pas encore de directive cadre pour les sols permettant de les gérer durablement, et leur dégradation préoccupe moins les citoyens.

Pour permettre la mise en avant des écosystèmes faiblement contaminés dans la gestion des espaces en considérant le long terme et mieux interpeller les citoyens, nous avons travaillé sur deux axes : i)  Créer une dynamique interdisciplinaire de rapprochement entre scientifiques d’une part, et scientifiques décideurs d’autre part, et ii) Croiser des prospectives sur l’évolution des sols contaminés dans un contexte de changement global avec des scenarios d’évolution du climat qui sont eux, très parlants au grand public.

Schéma : Interactions sol, climat, et contamination : la contamination du sol impacte son fonctionnement ce qui peut augmenter ou diminuer ses émissions de gaz à effet de serre. Ces modifications entrainent des variations du climat (T°C, précipitations…) qui peuvent à leur tour impacter les processus ayant lieu dans le sol, ou les dynamiques de contamination.

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Dans une optique « proof of concept », nous avons travaillé sur deux problématiques majeures du projet :

• La vulnérabilité des sols contaminés aux changements climatiques
• La participation des sols contaminés aux émissions de gaz à effet de serre, avec une finalité d’étudier les rétroactions sur le climat

Des données expérimentales ont été utilisées pour quantifier, en condition de double stress (Cu + sécheresse), l’impact d’un contaminant sur la nitrification des sols avec un bio-essai. D’autre part, une méta-analyse des données de la littérature nous a permis de quantifier de façon générique l’impact du cuivre sur la minéralisation du carbone organique des sols. Les équations définies pour l’azote ont été implémentées dans le module DNDC du modèle ORCHIDEE pour déterminer les  émissions de gaz à effet de serre de sols contaminés suivant différents scénarios sur le long terme, et discuter du changement d’échelle des approches écotoxicologiques, plutôt à l’échelle spatiale de la parcelle, versus les modèles du climat, plutôt à l’échelle de continents.

Les résultats montrent que la vulnérabilité des sols pour un contaminant est fonction de son état de sécheresse, et que les sols contaminés émettent des gaz à effet de serre de façon inversement proportionnelle à la contamination, cette particularité n’est cependant pas soutenable dans le temps. Grâce aux cartes de contamination à l’échelle du globe, ces données peuvent être extrapolées et discutées en fonction de la fiabilité des données d’entrée et de la nature des modèles.

Ce projet a permis de financer une partie du fonctionnement d’une thèse financée par l’ENS dans le cadre de l’école doctorale ABIES (Laura Sereni) sur la problématique ‘Ecotoxicologie et Climat’, d’initier des collaborations sur ce thème entre communautés qui ne se connaissaient pas, de poser un sujet de projet d’étudiants au master INGS (Université paris Saclay/AgroParisTech) sur « les enjeux et attentes en matière d’écotoxicologie en Ile de France » avec rapport écrit et soutenance orale.

A la suite de ce projet, de nombreuses perspectives ont emergé sur la thématique des interactions entre le sol, les émissions de gaz à effet de serre et les contaminants, en y incluant la plante et les organismes du sol comme leviers de perturbations des sytèmes

====> La chercheuse vous explique le projet et ses RESULTATS EN VIDEO (journées scientifiques du LabEx BASC, février 2021)

Publications

Article :

> L. Sereni, B. Guenet, I. Lamy, 2021. Does copper contamination affect soil CO2 emissions? A literature review. “Frontiers in Environmental Science,-Toxicology, Pollution and the Environment”. https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.585677. Résumé: "Contaminated soils are widespread and contamination is known to impact several biotic soil processes. But it is still not clear to what extent soil contamination affects soil carbon efflux (CO2) occurring through soil microfauna respiration. Regarding the large stocks of organic carbon (Corga) stored in soils, even limited changes in the outputs fluxes may modify atmospheric CO2 concentration with important feedbacks on climate. In this study, we aimed at assessing and quantifying how soil respiration is affected by contamination. For that, we performed a quantitative review of literature focusing on 1) soil heterotrophic respiration measurements thus excluding autotrophic respiration from plants, 2) soil copper contamination, and 3) the influence of pedo-climatic parameters such as pH, clay content or the type of climate. Using a dataset of 389 data analyzed with RandomForest and linear mixed statistical models, we showed a decrease in soil CO2emission with an increase in soil copper contamination. Specific data from ex-situ spiking experiments could be easily differentiated from the ones originated from in-situcontamination due to their sharper decrease in soil Corga mineralization. Interestingly, ex-situ spikes data provided a threshold in soil Cu contents for CO2 emissions: CO2emission increased for inputs below 265 mgCu.kg−1 soil and decreased above this concentration. Data from long-term in-situ contaminations due to anthropogenic activities (industrialization, agriculture, … ) also displayed an impact on soil carbon mineralization, much particularly for industrial contaminations (smelter, sewage sludge, … ) with decreased in CO2 emissions when Cu contamination increased. Soil pH was identified as a significant driver of the effect of Cu on CO2 emissions, as soil C mineralization was found to be more sensitive to Cu contamination in acidic soils than in neutral or alkaline soils. Conversely the clay content and the type of climate did not significantly explain the responses in soil C mineralization. Finally, the collected data were used to propose an empirical equation quantifying how soil respiration can be affected by a Cu contamination. The decrease in soil CO2 emissions cannot be related, however, in a role of C sink as it comes together with a decrease in soil microbial biomass."         Illustration: "Daily Soil C mineralization per g organic C per day as a function of soil Cu concentration."

(+ 2 articles in prep)

Chapitre d’ouvrage :

> I. Lamy, L. Sereni & B. Guenet. 2020 ‘Sols contaminés, carbone organique des sols et dérèglement climatique : quelles relations ? ‘In « Les sols urbains sont-ils cultivables ? », Eds C. Mougin, F. Douay, M. Canavese, T. Lebeau, E. Rémy Partie 4 ‘Les sols urbains et périurbains aux mains de la Recherche’, Chapitre 1, Quae editions, Versailles