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Blanc - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (Blanc SIMI 6)
Edition 2013


BIOCAP


Impacts BIOlogiques et photochimiques sur la CAPacité oxydante du nuage

Impact biologiques et photochimiques sur la capacité oxydante du nuage (BIOCAP)
La chimie multiphasique du nuage perturbe la chimie homogène en phase gaz ainsi que les propriétés physico-chimiques des particules d'aérosols. Ceci modifie donc la formation des nuages; cet effet demeure une des incertitudes majeures des modèles climatiques qui évaluent le bilan radiatif Terrestre. Ce projet de recherche s'inscrit dans ce cadre et permettra de mieux appréhender comment la chimie des nuages influe sur le changement climatique, problème sociétal majeur.

Le principal objectif de ce projet est d’évaluer la contribution relative des processus photochimiques et microbiologiques dans la capacité oxydante des nuages.
Les enjeux et objectifs du projet sont les suivants:
1) Décrire en détail des aspects encore méconnus de la composition de la phase aqueuse des nuages que sont la spéciation des complexes de fer et les différents microorganismes métaboliquement actifs.
2) Déterminer la production photochimique du radical hydroxyle en fonction de la composition chimique de la phase aqueuse des nuages.
3) Décrire les mécanismes biologiques conduisant à la production ou à la dégradation de différentes espèces oxydantes (H2O2, NO2-, NO3-) et leur impact vis-à-vis du fer (production de sidérophores, spéciation du fer) dans la phase aqueuse des nuages.
4) Construire un modèle numérique prenant en compte les mécanismes biologiques et photochimiques impactant la capacité oxydante des nuages.
5) Créer une nouvelle paramétrisation des voies biologiques et photochimiques importantes contrôlant la capacité oxydante des nuages. Ces voies seront implémentées dans un modèle de chimie/transport permettant de prendre en compte la capacité oxydante du nuage dans l’évolution de la chimie atmosphérique à l’échelle régionale.

Approche fortement interdisciplinaire impliquant des microbiologistes et des bio-géochimistes, des photochimistes, des physiciens et des modélisateurs
Le consortium impliqué dans ce projet a des spécificités uniques et complémentaires pour réaliser avec succès ce projet. L’ICCF et le LaMP ont travaillé ensemble (18 articles communs) sur la transformation de composés organiques dans l'eau des nuages collectée à la station du puy de Dôme; le LEMAR a une longue expérience sur l'étude de l'interaction (et spéciation) des complexes de fer avec les cellules vivantes à l'interface océan-atmosphère.
Le projet est construit autour de six tâches interconnectées: Tâche 1: coordination ; Tâche 2: échantillonnage, caractérisation microbiologique et chimique ; Tâche 3: évaluation de la photoproduction de HO• et de la contribution relative des principales sources photochimiques ; Tâche 4: impact microbiologique sur les espèces oxydantes ; Tâche 5: impact photo-biochimique sur les espèces oxydantes ; Tâche 6: modélisation de la chimie atmosphérique.

Résultats

Les résultats et faits marquants obtenus sont résumés ci-après:
1) Quantification de la vitesse de formation et des rendements quantiques de production du radical hydroxyle dans des échantillons d’eau de nuage.
2) Compréhension du rôle des différentes sources photochimiques et de leur impact au niveau de la production du radical hydroxyle.
3) La description des sidérophores produits par des microorganismes des nuages est une première mondiale, elle pose la question très originale de leur impact sur la complexation du fer dans l’eau atmosphérique encore inconnue ainsi que sur le cycle du fer dans ce milieu.
4) Evaluation des mécanismes chimiques en phase aqueuse dans le modèle de chimie des nuages.
5) Evaluation de l'efficacité des cinétiques de biodégradation dans le modèle de chimie des nuages M2C2.

Perspectives

Suite aux premiers résultats obtenus les perspectives du projet restent les mêmes que celles affichées dans les objectifs lors de la soumission :
- mieux caractériser la phase aqueuse des nuages
- évaluer la photoproduction des radicaux hydroxyles et leurs principales sources
- description des sidérophores présents dans la phase aqueuse des nuages et identification de leur rôle dans le chimie du fer.
- identification et quantification des processus photochimiques et microbiologiques impactant la capacité oxydante du nuage.
- établissement d'un modèle de chimie des nuages prenant en compte les nouvelles spécificités du fer et de ses complexes et des processus biologiques.

Productions scientifiques et brevets

Publications:
1. A., , M., PASSANANTI, H., PERROUX, G., VOYARD, C., MOUCHEL-VALLON, N., CHAUMERLIAC, G., MAILHOT, L., DEGUILLAUME, and M., BRIGANTE “A better understanding of hydroxyl radical photochemical sources in cloud waters collected at the puy de Dôme station : Experimental versus modeled formation rates” Atom. Chem. Phys. Disc. acp-2015-293.

Communications orales internationales:
1.A.-M. DELORT (conférence invitée)
Do microorganisms play a role in atmospheric processes? 114thGeneral Meeting of the American Society for Microbiology, Boston (USA), 17-20 mai 2014.
2.A.-M. DELORT (conférence invitée)
Do microorganisms play a role in atmospheric processes?
International Summer School «Transfer and interactions between ecosystems«, Bordeaux, 17-20 juin 2014.
3.A. BIANCO, M. PASSANANTI, L. DEGUILLAUME, G. MAILHOT, M. BRIGANTE «Toward a better understanding of cloud aqueous phase oxidant capacity: relation between hydroxyl radical and carboxylic acids fate« EMEC 15, Brno 3-6 décembre 2014
4.N. WIRGOT, V. VINATIER, M. JOLY, M. SANCELME, M. ABRANTES, L. DEGUILLAUME, A-M. DELORT Production of siderophores by cloud microorganisms: occurrence and potential impact on cloud chemistry. AAAR 34th Annual Conference , Minneapolis, USA, October 12-16, 2015
5.CHEIZE, M., BAUDOUX A.C., BUCCIARELLI E., DESBOEUFS K., SANCELME M., DELORT A.M., BAKER A., SARTHOU G. «Wet deposition is a potential source of Fe binding organic ligands into the surface seawater«. Celebrating the 20 years of AMT Conference (23-25 June 2015), Plymouth, UK.

Partenaires

ICCF Institut de Chimie de Clermont-Ferrand

LaMP Laboratoire de Météorologie Physique

LEMAR Laboratoire des Sciences de l'Environnement Marin

Aide de l'ANR 452 926 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

La chimie multiphasique du nuage perturbe la chimie homogène en phase gaz ainsi que les propriétés physico-chimiques des particules d'aérosols. Ceci modifie donc la formation des nuages; cet effet demeure une des incertitudes majeures des modèles climatiques qui évaluent le bilan radiatif Terrestre. Ce projet de recherche s'inscrit dans ce cadre et permettra de mieux appréhender comment la chimie des nuages influe sur le changement climatique, problème sociétal majeur.
Les constituants tels que H2O2, NO3-, NO2- et les complexes de Fe(III), présents dans la phase aqueuse du nuage sont des sources photochimiques de •OH à l’intérieur de la goutte d'eau. Cependant, peu de données précises sont disponibles dans la littérature sur le taux de formation des •OH ainsi que sur la contribution relative des sources photochimiques; la spéciation des complexes organiques de fer dans les nuages reste également méconnue.
Le concept de réactions biologiques intervenant dans la chimie atmosphérique comme une voie alternative à la photochimie a été mis en avant à la suite de la découverte de microorganismes actifs métaboliquement dans le nuage. Les micro-organismes pourraient interagir avec les espèces oxydantes (ou leurs précurseurs), à travers leur métabolisme oxydant et nitrosant qui pourront agir directement sur ces espèces et les complexants du fer (métalloprotéines et sidérophores).
La question principale de ce projet est d'évaluer la contribution relative de la photochimie et de l'activité microbienne sur la capacité oxydante du nuage. Du fait que ce sujet soit très nouveau, afin d'atteindre ces objectifs, nous devons dans la phase aqueuse des nuages: 1) décrire les aspects inexplorés de sa composition, 2) évaluer en détail la production photochimique de •OH, 3) décrire les mécanismes biochimiques conduisant à la production ou la dégradation des espèces oxydantes, 4) construire des modèles intégrant les voies biologiques et photochimiques qui auront un impact sur la capacité oxydante, 5) évaluer l'effet global des processus sur les composés chimiques à l'échelle régionale en utilisant un modèle de chimie/transport.
Ces questions scientifiques sont très originales et ont besoin d'une approche fortement interdisciplinaire impliquant des microbiologistes et des bio-géochimistes (ICCF-Clermont-Fd et LEMAR-Brest), des photochimistes (ICCF-Clermont-Fd), des physiciens et des modélisateurs (LaMP-Clermont-Fd). Le consortium actuel a des spécificités uniques et complémentaires pour réaliser avec succès ce projet. L’ICCF et le LaMP ont travaillé ensemble (18 articles communs) sur la transformation de composés organiques dans l'eau des nuages collectée à la station du puy de Dôme; le LEMAR a une longue expérience sur l'étude de l'interaction (et spéciation) des complexes de fer avec les cellules vivantes à l'interface océan-atmosphère.
Le projet est construit autour de six tâches interconnectées: Tâche 1: coordination ; Tâche 2: échantillonnage, caractérisation microbiologique et chimique ; Tâche 3: évaluation de la photoproduction de •OH et de la contribution relative des principales sources photochimiques ; Tâche 4: impact microbiologique sur les espèces oxydantes ; Tâche 5: impact photo-biochimique sur les espèces oxydantes ; Tâche 6: modélisation de la chimie atmosphérique.
Cinq réunions seront organisées, 4 rapports d’avancement établis, un accord de consortium signé et un workshop international organisé. Nos résultats seront valorisés à travers des publications scientifiques et communications lors de conférences et lors d’actions spécifiques auprès du grand public. Ce projet permettra également de participer à la formation des étudiants. Les données microbiologiques et chimiques du nuage et la description du projet seront sur un site web dédié. Enfin, les sidérophores bactériens pourraient être utilisés à des fins industrielles. Le modèle WRF-Chem pourra être utilisés pour la mise en place de scénarios météorologiques et chimiques en Auvergne.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (Blanc SIMI 6) 2013

Référence projet : ANR-13-BS06-0004

Coordinateur du projet :
Monsieur Gilles MAILHOT (Institut de Chimie de Clermont-Ferrand)
gilles.mailhot@nulluniv-bpclermont.fr

 

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