thermodynamique et cinétique, pour une large gamme de gaz. Il participe également à la recherche
d'additifs, de nature thermodynamique pour abaisser les pressions opératoires, et de nature cinétique pour
accélérer les processus de cristallisation. A partir de ces données, et de données complémentaires sur la
rhéologie des coulis d'hydrates, l'objectif final du projet est de proposer et de dimensionner quelques
concepts technologiques pour cristalliser le CO
2
dans des quantités industrielles. Ce projet d’une durée de
3 ans (début en décembre 2007) regroupe 3 laboratoires d’écoles d’ingénieurs (Mines Paris, Mines Saint-
Etienne, ENSTA) et 2 laboratoires universitaires (LFC à Pau, PhLAM à Lille).
Notre équipe est chargée de mesures structurales et thermodynamiques pour la compilation d’une
base de données. Celle-ci servira au développement d’un software pour la modélisation thermodynamique
des hydrates. Notre expertise en micro-spectrométrie Raman couplée aux mesures in-situ (enceinte haute
pression ~ 100 bar, basse température) nous permet de recueillir des informations à l’échelle moléculaire
sur la répartition/distribution du gaz dans la structure. Cela représente une information complémentaire
difficilement accessible avec les techniques utilisées classiquement comme la DSC et la chromatographie
phase gaz. Cette nouvelle potentialité a été mise en évidence lors d’une étude précédente en micro-Raman
sur des hydrates naturels en collaboration avec l’IFREMER (Brest).

III. Réduction des émissions liées aux sources mobiles
Laboratoire impliqué : PC2A / Lille 1 et EMD
Les objectifs de la thématique de recherche concernent l’étude expérimentale en Machine à
Compression rapide (MCR) et en moteur entraîné instrumenté, et la modélisation thermocinétique d’une
part du phénomène d’autoinflammation dans les moteurs automobiles, et d’autre part de la formation des
polluants automobiles en relation avec la formulation des carburants.
Au niveau régional nous participons aux activités de la Fédération Régionale de Mécanique,
Energétique et Génie Civil sur l'autoinflammation en conditions HCCI (nouveau mode de combustion) de
mélanges isooctane/hydrogène avec le Laboratoire de Mécanique et Energétique de Valenciennes (LME
futur LAMIH) et le Laboratoire de Mécanique de Lille.
Au niveau national nous serons impliqués dans le PNIR CNRS "Carburants et Moteurs" et dans
des collaborations coordonnées avec le DCPR-Nancy et ICARE-Orléans en relation avec TOTAL et PSA
Peugeot-Citroën, éventuellement avec d’autres partenaires dans le domaine de la combustion HCCI, de la
co-oxydation et des carburants alternatifs.
Au niveau international nous maintiendrons les collaborations engagées, notamment avec le
Lawrence Livermore National Laboratory (USA), la National University of Ireland (Galway) dans le
domaine de la modélisation. Dans un deuxième temps, une collaboration avec l’Institut für Verbrennung
und Gasdynamik de Duisburg (IVG, Allemagne) est envisagée dans le domaine des diagnostics optiques
en condition moteur.
Les principaux axes de recherche développés seront les suivants :
- Etude de l’effet de l’hydrogène sur la cinétique d’auto-inflammation des carburants, les préoccupations
actuelles sur les émissions de gaz à effet de serre imposant de considérer l’utilisation de carburants
alternatifs comme l’hydrogène.
- Etudes cinétiques de l’oxydation et de l’autoinflammation de carburants modèles dans une matrice
connue : l’isooctane. Cette approche permettra d’acquérir des données sur la réactivité en co-oxydation de
composés très réactifs (comme le diméthyléther ou les alcanes à longue chaîne), ou à l’inverse des
composés très résistants à l’autoinflammation (tels les alcanes à chaîne courte ou ramifiée, ou les
aromatiques).
- Rationalisation des résultats obtenus en MCR : vers une comparaison possible entre les différents
dispositifs de mesure de délais d’auto-inflammation. Il pourra être nécessaire de mettre en œuvre
différents types de diagnostics pour caractériser l’état des gaz après compression, par exemple la PIV
(Particle Image Velocimetry), la mesure de champs de température par PLIF (Planar Laser Induced
Fluorescence) d’un traceur (collaboration avec le Laboratoire de mécanique de Lille, l’IVG (Duisburg),

29
l’Institut Jean Le Rond D'Alembert (UMR 7190) de l’Université de Paris VI et le Laboratoire de
Combustion et Détonique (UPR 9028) de Poitiers).
- Mise en évidence d’espèces réactives et agents de ramification de basse température : le développement
du moteur entraîné en partenariat avec le LME a fourni à l’équipe un nouveau dispositif expérimental
particulièrement adapté à la mise en évidence d’espèces réactives jouant le rôle critique d’agent de
ramification. L’adoption de nouvelles méthodes de prélèvement, ainsi que de techniques de piégeage et
dérivatisation perfectionnées sur ce moteur devrait permettre l’observation et la caractérisation cinétique
de ces espèces réactives en conditions moteur, par le biais de la chromatographie en phase gazeuse
couplée à la spectrométrie de masse tandem.
Toutes ces études expérimentales seront couplées à des études de modélisation notamment sur
l'oxydation et l'autoinflammation de mélanges gaz naturel-hydrogène, du n-butylbenzène et de
l'hexanoate de méthyle (ester méthylique). Le recours aux outils de la chimie théorique sera nécessaire
pour déterminer certaines données thermochimiques ou constantes de vitesse. Les délais
d'autoinflammation et la nature des produits d'oxydation intermédiaires formés pendant le délai seront
utilisés pour tester la validité des modèles thermocinétiques. L'utilisation d’un algorithme génétique est
envisagée pour améliorer l'accord entre l’expérience et la modélisation.
Le but de ces travaux est également la création d'une base de données cohérente de constantes de
vitesse déterminées grâce aux outils de la chimie théorique de manière quantitative, systématique et
rigoureuse. Cette base de données sera publiée sur internet et mise à disposition de la communauté
scientifique. Les premiers travaux concerneront des réactions de transfert intramoléculaire d'hydrogène
des mécanismes d'oxydation des alcanes et des alcènes.

IV. Etude expérimentale et modélisation de la réactivité de produits de fission (I, Cd, Cs)
transportés dans un mélange H
2
/H
2
O
Laboratoires impliqués : PC2A /Lille 1 et EMD, UCMS, PhLAM
Le programme de recherche en cours entre l’IRSN et le PC2A concerne d’une part l’étude
théorique thermochimique et cinétique du système moléculaire {I-O-H} en utilisant des outils de chimie
quantique et d’autre part l’étude expérimentale et par modélisation de la réactivité de produits de fission
(I, Cd, Cs) transportés dans un mélange H
2
/H
2
O en condition de combustion dans des flammes basse
pression prémélangées. Il s’agit d’étudier des systèmes chimiques impliquant l’iode et d’autres produits
de fission (PF), en faible concentration par rapport à un gaz porteur composé d'un mélange en proportions
variables de vapeur d’eau et d’hydrogène, et subissant des gradients thermiques.
L’objectif principal de ce travail est de mettre au point un réacteur de laboratoire instrumenté
permettant la mesure d'espèces chimiques (par microsonde couplée à la chromatographie en phase
gazeuse et à la spectroscopie d’absorption infrarouge à transformée de Fourier, par faisceau
moléculaire/spectrométrie de masse et/ou par diagnostics laser) dans des flammes représentatives de la
réactivité de produits de fission (HI) émis dans un environnement représentatif d’un accident grave
(mélange H
2
/H
2
Ovapeur). Il s'agira de valider le dispositif expérimental en étudiant la cinétique des
systèmes réactionnels impliquant l’iode (HI) transporté dans un mélange H
2
/H
2
Ovapeur. A moyen terme,
la réactivité d'autres produits de fission en présence d’iode (Cd, Cs) sera également entreprise. La finalité
est la mise au point d’un mécanisme réactionnel par comparaison expérience - modélisation.
Une étude spécifique sur la chimie de l’iode dans les aérosols issus d’accident nucléaire est
également en cours à l’UCMS dans le cadre d’un programme de recherche commun « CHimie de l’Iode
dans le circuit Primaire » avec L’IRSN. Il s’agit de simuler chimiquement en laboratoire les micro et nano
particules contenant de l’iode, libérées lors d’un accident grave d’un réacteur nucléaire à eau pressurisée.
Les aérosols seront constitués à partir d’un mélange de réactifs injectés à haute température dans un flux
gazeux H
2
O/H
2
, ce mélange pouvant contenir jusqu’à une dizaine d’éléments importants pour la chimie
de l’iode (I, Cs, Mo, Te, Rb, B, Ag, In, Cd, Sn). La réalisation de mélanges aussi proches que possible de
ceux attendus dans le réacteur en cas d’accident permettra d’obtenir des aérosols de structure et de
composition représentatifs. Les aérosols seront ensuite caractérisés en utilisant les moyens et les
compétences des CCM « Infrarouge et Raman » et « Microscopie électronique » de l’USTL.

30
Les questions liées à la gestion des combustibles nucléaires usés sont au cœur des préoccupations
de nos sociétés occidentales. Une meilleure gestion des matières fissiles et une minimisation des déchets
produits impliquent en particulier d’améliorer la compréhension des processus physicochimiques à
l’œuvre au sein des combustibles en réacteurs, dans les procédés de traitement des combustibles usés,
dans les procédés de transmutation, de conditionnement et de stockage réversible ou irréversible des
déchets.
L’un des problèmes fondamentaux est l’évaluation du risque radiologique dû aux actinides par la
modélisation de leur migration et transfert dans le cycle biogéochimique naturel et jusqu'à l'homme.
Mieux appréhender les propriétés physiques et chimiques des complexes d’actinides en phase solvatée,
c'est-à-dire, leur spéciation, la nature des liaisons chimiques entre les actinides et leur environnement,
leurs propriétés thermodynamiques et spectroscopiques, peut avoir des retombées sur la gestion des
déchets. Ces composés sont difficilement étudiables expérimentalement (danger radioactif, durée de vie
faible).. Dans ce contexte, les méthodes de la chimie théorique permettent de mieux comprendre les
interactions mises en jeu entre métal et ligands, la structure électronique…
Ce travail, réalisé au laboratoire PhLAM, entre dans le cadre de plusieurs projets de recherche
financés par le réseau européen d'excellence ACTINET (2004-2008) qui reconnaît l'utilité de recherche
fondamentale sur les composés radioactifs dans la gestion des déchets nucléaires.

31
Effectif recherche participant à l'axe 4 « Remédiation des polluants atmosphériques »
Au 1/10/2008
Enseignants Chercheurs Chercheurs ITA - IATOS
Laboratoire ou
équipe impliquée
Nom Grade Nom Grade Nom Grade
PC2A
S. Canneaux MCF USTL M. Crochet ATER N. Lamoureux IR USTL

M. Ribaucour
MCF HDR
USTL
A. Faccinetto Doctorant B. Lecrenier
T
USTL

G. Vanhove MCF USTL Q. Dao Doctorant

B. Malet T EMD

A. El Bakali MCF USTL M. Wartel Doctorant

M. Ziegler IE CNRS

F. Louis MCF HDR USTL Y. Delicat Doctorant

JJ Ledee IE CNRS

JF. Pauwels PR USTL F. Le Gléau Doctorant



E. Therssen PR USTL T. Florea Doctorant

L. Gasnot
MCF HDR
Artois
B. Xerri
Post-
Doctorant


L. Alleman MCF EMD P. Molcan
Post-
Doctorant


B. Baudoin PR EMD P. Desgroux DR CNRS

E. Perdrix MCF EMD X. Mercier CR CNRS


PhLAM
C. Focsa
MCF HDR
USTL
A. Faccinetto Doctorant
Equipe
Spectroscopie et
Applications
M. Ziskind MCF USTL A. Oncea Doctorante

B. Chazallon MCF USTL S. Facq Doctorant
Equipe
physicochimie
moléculaire
théorique
D. duflot MCF USTL V. Vallet CR CNRS

I. Noiret MCF USTL JP. Flament DR CNRS

J. Schamps PR USTL



UCMS

F.X. Sauvage CR CNRS J. Laureyns IR CNRS
Equipe
Spectrochimie de
l’Environnement
S. Sobanska CR CNRS M. Moreau IE CNRS

J. Barbillat CR CNRS



M. Lacoue-
Negre
Doctorante

Total
17 19 7


32

Domaine scientifique transversal
Environnement, Risques, Nature et Société

Le domaine scientifique « Environnement, Risques, Nature et Société », impliquant le laboratoire
TVES, se concentre autour d’une thématique commune portante sur l’Environnement. En effet,
l’évolution de la problématique du développement durable, apparue dans le dernier quart du XX
é
siècle, a
profondément renouvelé les études scientifiques sur l’environnement. Conçu à l’origine comme un
concept d’application globale (planétaire), le développement durable se décline aujourd’hui à des échelles
plus diversifiées, du global au local et tend à réintroduire la dimension géographique dans la recherche en
environnement. À la notion de milieu, issue de l’écologie et qui privilégie les interactions au sein des
systèmes naturels, se superpose et se combine celle de territoire, conçu comme le cadre géographique de
l’organisation des systèmes sociaux et de la mise en œuvre des politiques de développement durable.
Dans ce contexte, le domaine scientifique « Environnement, Risques, Nature et Société » constitue à
la fois une réponse à la demande sociale induite par le développement durable, une contribution à la
recherche pluridisciplinaire sur les interactions Nature-Société et une participation à la construction du
savoir géographique.
Avec l’environnement on a d’emblée affaire à une notion beaucoup plus large. Sans aborder en
détail les arrière-plans théoriques de la notion d’environnement, peu explorés d’ailleurs en France, il n’est
sans doute pas inutile de les rappeler sommairement. En premier lieu, l’environnement n’est pas une
notion politique, mais un effet de sens réflexif étayé de la constitution de l’individualité moderne, de
l’expérience du monde agi et vécu (Lebenswelt chez Husserl) introduite par la modernité. La notion
d’environnement tient à l’interrogation que porte l’individu moderne quant à sa relation au monde, dans
sa double dimension de connaissance scientifique et d’appréhension subjective. On perçoit alors
facilement le caractère multiforme des enjeux environnementaux, à la fois sociaux, économiques,
éthiques, politiques, industriels, scientifiques, technologiques, etc. Loin de se laisser circonscrire à un
quelconque périmètre, l’environnement n’a cessé de « rebondir » d’une dimension, d’un domaine, d’un
niveau d’activité ou de réalité à un autre, de la nature et sa protection à l’univers technique et industriel, à
l’innovation technologique via les éco-technologies, de l’économie à la science, de la littérature à
l’opérationnalité concrète, pour signifier le caractère fondamentalement plurivoque et indéterminé qui est
le sien.

Dans ces conditions deux approches ont été retenues :
- une approche à travers les « Risques, crises et inégalités et environnementales » ;
- une seconde approche à travers : « Nature, cultures et sociétés : usages, préservation et représentations »
(Forêts : analyse des sylvo-anthroposystèmes).

Les perspectives qui nous conduisent à mettre en avant ces deux entrées ne sont pas par ailleurs
spécifiquement spatiales ou territoriales. Elles relèvent d’une investigation qui s’efforce d’appréhender à
tous les niveaux le jeu des relations dont l’espace peut être le support mais auquel elles ne s’attachent pas
en tant que tel, des implications liées à un ou des phénomènes particuliers, qui ne peuvent jamais être
saisis isolément, en dehors d’éléments, d’un contexte plus large qu’ils modifient et par lequel ils sont
modifiés.


33
Axe 5

Risques, crises et inégalités environnementales


Cet axe de recherche comprend deux volets :

I. Risques (et crises environnementales)

Ce volet rassemble des approches portant sur les risques naturels (notamment les risques
hydrologiques et côtiers) et les risques technologiques (en particulier, les risques industriels et liés aux
transports de matières dangereuses). La recherche privilégie les territoires soumis à de fortes contraintes
environnementales et à des pressions engendrées par le développement socio-économique (zones
inondables en milieu urbanisé, espaces côtiers, zones industrialo-portuaires, cônes de déjection torrentiels
…). Ce contexte, où se conjuguent des aléas naturels et anthropiques parfois mal identifiés, et des enjeux
importants, explique l’émergence des territoires à risques.
Les travaux de recherche explorent à travers l’aléa et la vulnérabilité, les différentes composantes du
risque et contribuent, en lien avec les partenaires institutionnels, à une gestion plus performante. L’aléa,
qu’il soit lié à des processus d’origine anthropique (pratiques culturales, imperméabilisation des sols,
implantations d’activités industrielles dangereuses et/ou polluantes…) ou naturelle (hydrologie,
mouvements de terrain, érosion des côtes) fait l’objet d’investigations qui visent à identifier les processus
et les dynamiques, à l’aide de méthodes et d’outils pouvant combiner l’approche de terrain (mesure,
cartographie, enquêtes…), les techniques de laboratoire (sédimentologie…) et l’usage d’outils
géomatiques (SIG, télédétection, géostatistiques). Ces outils contribuent à la prise en compte de la
dimension spatio-temporelle de l’aléa en facilitant l’analyse multiscalaire (du quartier à la ville, du cours
d’eau au bassin versant…) et en permettant d’appréhender les dynamiques au sein des territoires
(transferts hydrologiques, flux polluants, transport des matières dangereuses…). Les approches sont
développées à différents périodes de temps, le court terme (crues torrentielles, explosions, lessivages des
polluants urbains, mouvements de terrains …), le moyen terme (gouvernance des territoires : modification
de l’occupation des sols …) et le long terme (évolution des corridors fluviaux, du trait de côte…).

II. Inégalités et santé environnementales

La notion et la question des inégalités écologiques ou environnementales recouvrent un champ très
large et diversifié, tributaire à la fois du sens donné à « écologique » ou à « environnemental » (la
sémantique ne semble pas encore fixée en France) et de l’échelle spatio-temporelle à laquelle on se place.
La santé environnementale est un concept en émergence qui se situe dans le champ de la prévention, à la
croisée de deux approches : une vision scientifique et technique qui s’emploie à évaluer les risques liés à
l’environnement, comme le précise la vision très institutionnelle du PNSE et une vision plus pragmatique
qui s’inscrit dans la tendance sociétale à un investissement fort et individuel en faveur de la promotion de
la santé. Comment ces deux visions peuvent-elles s’articuler ? Comment les politiques locales peuvent-
elles concilier ces deux aspirations, l’une étant davantage axée sur la gestion des risques, l’autre
davantage sur la notion de qualité de vie.
L’analyse des disparités écologiques est susceptible de porter sur différents thèmes
environnementaux (exposition au risque industriel, pollutions atmosphériques urbaines ou autres,
modifications de la qualité de l’air en lien avec les changements climatiques, exposition aux pollutions
phoniques, bénéfice d’aménités environnementales, aspects redistributifs ou non de politiques de
l’environnement). Elle rejoint la notion, plus globale, de populations davantage exposées à des risques,
des nuisances ou des contaminants, ou encore tributaires d’une faible qualité de leur milieu ambiant. Des
politiques ou des situations environnementales et leurs implications sanitaires peuvent se conjuguer et
renforcer des inégalités constatées sur le plan social.


34

Axe 6

Nature, cultures et sociétés : usages, préservation et représentations


Dans le cadre de la période quadriennale qui s’achève, l’analyse des sylvo-anthroposystèmes a
concerné notamment les milieux forestiers en tant qu’écosystèmes complexes largement façonnés par
l’homme. Les forêts font donc l’objet d’une sollicitation importante sous de multiples formes
(préservation, déforestation, reforestation…) qui traduisent la variété et l’évolution historique de leurs
vocations, posant ainsi le problème de leur durabilité. Les usages sont clairement multifonctionnels.
Avec la nouvelle approche, il s’agira d’élargir la réflexion vers les espaces et les sites de protection de la
nature, lesquels ne cessent de prendre de l’ampleur partout dans le monde. Quelles formes revêt-elle et
quelles sont les raisons d’un tel essor ? De tels questionnements nous permettent de nous interroger sur le
sens que peut prendre cette préservation. A-t-on une vision hégémonique portée par la culture
anthropocentrée des Occidentaux mettant en exergue une nature extraordinaire s’opposant dans ce cas à
une nature ordinaire où tous les aménagements sont permis ? Assiste-t-on, au contraire, à des initiatives
de protection variées selon les cultures existantes à l’échelle de la planète où éventuellement la nature
protégée n’est pas mise à distance ? Ce qui nous conduit à nous intéresser aux continuités et
discontinuités que les humains tissent non seulement avec la nature et les éléments qui la composent mais
aussi entre ce qui est préservé et ce qui ne l’est pas. En nous intéressant aux différentes approches
possibles que les sociétés entretiennent avec la nature selon leur culture ainsi qu’à leur spatialisation, nous
en arrivons à poser ces questions importantes : à qui appartient la nature, de quelle nature parle-t-on, a t-
elle une valeur et de quelles valeurs parle-t-on.

La mise en œuvre des stratégies de protection de la nature a abouti à la délimitation de périmètres
ou de zonages à différentes échelles (par exemple en France : parcs nationaux, réserves naturelles, sites
classés, propriétés du Conservatoire du Littoral ; dans l’Union Européenne : le réseau écologique des sites
Natura 2000) ou de projets de territoires dans lesquels la place de la nature est négociée (par exemple en
France les parcs naturels régionaux). Dans de nombreux territoires (littoraux, montagnes, espaces ruraux
périurbains, zones humides…) les enjeux de protection de la nature liés à une haute valeur écologique du
patrimoine naturel sont concurrencés par des usages de l’espace qui exercent une pression forte sur les
milieux naturels ou l’artificialisent. Les conflits d’usage du sol provoqués par le télescopage entre ces
deux stratégies de protection et de développement dans les territoires ont suscité une forte mobilisation
des acteurs (notamment pour défendre la protection de la nature en référence à une conception
biocentrique) et l’élaboration de nombreuses politiques publiques pour rechercher un « équilibre » entre
celles-ci et définir un ensemble de limites, de normes, de méthodes de régulation ou de gestion des
conflits. Dans ce système dominé par l’interaction entre la nature et le développement, la dimension
sociale ou les relations entre la nature, l’environnement et les populations ont été négligées. Les formes
d’appropriation et d’usages et de représentation de la nature diffèrent fortement selon les territoires et les
groupes sociaux. Le développement récent de recherches sur les inégalités écologiques ou
environnementales en relation avec les inégalités sociales apporte un éclairage sur ces questions.


35
Personnels du laboratoire TVES impliqués dans le domaine scientifique
« Environnement, Risques, Nature et Société » (axes 5 et 6)
Au 1/10/2008
Enseignants Chercheurs Chercheurs ITA-IATOS
Laboratoire ou
équipe impliqué
Nom Grade Nom Grade Nom Grade

TVES
EA 4019


O. BLANPAIN PR USTL L. Commagnac IE USTL
E. GLON PR USTL J. Domont
CT.A
USTL
PG. SALVADOR PR USTL C. Morice IE USTL
H. SCARWELL PR USTL N. Devaux
ADT
USTL
E. CASTEX MCF USTL
P. DEBOUDT MCF USTL
P. GAUTREAU MCF USTL
C. HINNEWINKEL MCF USTL
P. LAHOUSSE MCF USTL
E. MASSON MCF USTL
C. NORRANT MCF USTL
G. PIERRE
MCF HDR
USTL

D. DE WOLF PR P. Chagnon IGE

I. CALVO-
MENDIETA
MCF ULCO D. Groux SASU
H. FLANQUART MCF ULCO N. Hannebau ADT
S. FRERE MCF ULCO G. Guilleman SASU
AP. HELLEQUIN MCF ULCO
V. HERBERT MCF ULCO
A. LE BLANC MCF ULCO

HB. LEFER

PAST ULCO
M. SZPIRGLAS MCF ULCO
Total 21 8


36
Domaine scientifique
Milieux, écosystèmes et biodiversité, structure et dynamique

Le domaine « Milieux, écosystèmes et biodiversité : structure et dynamique » groupe dans une
approche pluridisciplinaire biologistes, physico-chimistes, géologues, géomorphologues, océanologues.
Les recherches proposées concernent essentiellement les conséquences des activités humaines et des
changements climatiques aux différents niveaux d'intégration, depuis les gènes jusqu'aux milieux et aux
écosystèmes.

Axe 7

Comportement des contaminants métalliques dans les sols et

effets sur les organismes et les écosystèmes


Laboratoires impliqués : Géosystèmes, GEPV, UCMS

Du fait de son ancien passé industriel, la région Nord-Pas-de-Calais compte parmi les territoires
français les plus pollués. Ce constat a conduit l’Université à initier le regroupement de chercheurs de
différents départements (Biologie, Chimie, Sciences de la Terre) autour d’une problématique commune
centrée sur l’étude de la pollution des sols et l’effet sur les organismes et les écosystèmes. Depuis une
dizaine d’années, des travaux initiés dans le cadre du Programme de Recherches Concertées ont permis à
plusieurs équipes de développer des synergies et d’acquérir une expérience et des compétences
communes dans ce domaine. La création de cet institut permettrait de pérenniser et de renforcer ces
échanges au travers de différentes thématiques de recherche.
I. Modélisation des interactions métaux-matière organique des sols
L’étude au niveau moléculaire de la réactivité chimique dans les milieux naturels contribue à une
meilleure connaissance des effets des activités humaines sur les écosystèmes. La relation évidente entre la
spéciation d’un métal et sa réactivité, que ce soit dans un contexte géochimique ou toxicologique, a été
largement confirmée. Dans ce projet, nous nous intéresserons aux interactions, en solution, des métaux
avec des ligands organiques représentatifs des acides humiques, constituants présents à la surface des
sols, de manière à mettre en évidence la régiosélectivité des processus de complexation, qui sont très
sensibles aux conditions physico-chimiques. Notre stratégie consiste à combiner deux approches
complémentaires: l’expérimentation (spectroscopie moléculaire) et les calculs de chimie quantique
(méthodes DFT et TD-DFT), afin de mieux appréhender les mécanismes, au niveau moléculaire, de
fixation des métaux avec une distribution discrète de sites potentiels de complexation (fonctions
carboxyliques ou carboxylates, polyphénoliques, hydroxy-carbonyles…).

Parmi les paramètres qui influencent la composition et les propriétés de la matière organique des
sols l’effet de l’irradiation solaire a été peu étudié. Nous envisageons également de poursuivre l’étude du
comportement photochimique de molécules modèles des substances humiques ainsi que de leurs
complexes métalliques. Nous aborderons la photochimie de molécules modèles et de leurs complexes
dont la structure et les propriétés physicochimiques (spectres d’absorption et fluorescence, propriétés de
complexation,…) ont déjà été déterminées. En particulier, nous focaliserons notre attention sur l’acide
caféique et la quercétine.

Ces mêmes systèmes seront également étudiés à l’aide de techniques spectro-électrochimiques
disponibles au laboratoire. Nous nous intéresserons plus particulièrement à leur comportement en
oxydation.
On essayera de comprendre les mécanismes de photo-décomposition et d’oxydation, leur
influence sur différents paramètres chimiques (pH, présence d’oxygène…) et surtout le rôle joué par le
cation métallique, ainsi que son devenir suite à la transformation de la molécule complexante.

37
Le but ultime sera l'étude du comportement photochimique de certains acides humiques, d’abord
isolés, puis en présence de métaux. Notamment, il sera possible, grâce aux données acquises sur les
modèles, de connaître certains mécanismes typiques des fonctions chimiques les plus répandues.
II. Mécanismes de transfert de polluants métalliques dans les écosystèmes
II.1. Localisation et caractérisation des sources de pollution (du rejet industriel au sol)
Les environnements de surface et de subsurface sont des milieux dynamiques d’un point de vue
chimique. Ils sont caractérisés par les cinétiques des réactions de précipitation, dissolution, sorption,
transformation de phases alors que l’équilibre thermodynamique est rarement atteint. Des contaminants
tels que les éléments traces métalliques ou micropolluants organiques sont tributaires de cette dynamique,
et peuvent être alternativement retenus, puis relargués et remis en solution. Pour prévoir les flux de
polluants d’un milieu, il convient alors de connaître les interactions possibles avec le solide et les vitesses
de ces réactions. Bien que l’interface soit le site principal de réactions entre le solide et l’eau, les études
sur le solide lui même apparaissent fondamentales. En effet, ces réactions sont fortement liées à la
composition initiale du matériau, à son homogénéité et à son contexte de conservation (conditions
physico-chimiques).
Dans les milieux meubles, les particules sont pour une partie importante formées in situ. Pour répondre
aux changements physico-chimiques de la solution ou simplement par mûrissement pour atteindre une
forme thermodynamiquement plus stable, ces phases se transforment par dissolution-reprécipitation, ou
par réorganisation interne. Ces processus de thermodynamique du solide influencent à leur tour le devenir
de contaminants qui peuvent être incorporés, retenus en surface ou remis en solution.
II.2. Influence des paramètres environnementaux sur le transfert et l’effet des métaux dans
les plantes (du sol à la plante)
L’écologie des milieux pollués est complexe, car ils ne sont pas seulement enrichis en métaux, ils
présentent aussi d’autres caractéristiques comme la sécheresse, un environnement ionique
particulier…etc. Ces paramètres modifient la biodisponibilité des métaux et donc les capacités
d’absorption par les plantes. Pour étudier les facteurs de l’environnement influençant le transfert des
métaux vers les plantes, Arabidopsis halleri sera prise comme espèce modèle car elle présente des
niveaux importants d’accumulation de métaux (notamment le zinc) dans les parties aériennes, aussi bien
dans les populations de sols pollués (appelées « métallicoles ») que dans les populations de sols non
pollués (appelées « non métallicoles »). Ces populations sont déjà disponibles au laboratoire GEPV.
Ainsi, des expériences faisant intervenir différents niveaux de contamination en zinc associés à d’autres
stress abiotiques présents sur les sites pollués, seront conduites, et ceci à différents stades phénologiques
de la plante. L’application d’un autre stress abiotique devrait modifier la réponse des plantes à la teneur
en zinc. L'accent sera mis sur les mesures morphologiques (caractères végétatifs et reproducteurs) et
physiologiques (rendement photosynthétique, activités enzymatiques, teneur en pigments…) des
individus dans les deux types de populations, et sur leur niveau d’accumulation du zinc.

III. Bases génétiques, écologiques et physiologiques de la réponse des organismes aux pollutions
métalliques
III.1. Etude des bases génétiques de l’adaptation de la métallophyte modèle Arabidopsis
halleri aux sites pollués par les métaux lourds : approche par QTL et évolution moléculaire
Ce volet de recherche a pour but d’identifier les facteurs génétiques responsables de l’adaptation
aux environnements pollués par les métaux lourds sur l’ensemble de l’aire de distribution de l’espèce
pseudo-métallophyte modèle A. halleri. Le préfixe « pseudo » désigne l’existence de populations
métallicoles (M) et non métallicoles (NM). Cette espèce est aujourd’hui considérée comme modèle pour
l’étude de la tolérance et de l’hyperaccumulation vis-à-vis du zinc et du cadmium. Il s’agit d’identifier les
gènes potentiellement impliqués dans l’apparition ancienne de la tolérance et l’hyperaccumulation dans
l’espèce, et ceux qui interviennent dans la variation quantitative récente ayant accompagné l’apparition
des pollutions liées à l’activité industrielle. Dans ce projet, nous souhaitons intégrer véritablement les

38
outils de la génomique en exploitant la possibilité du transfert de l’ensemble des données génétiques et
physiologiques accumulées ces dernières années sur A. thaliana mais aussi en développant les outils
spécifiques à A. halleri. Le projet s’appuie sur un matériel génétique tout à fait original produit au
laboratoire GEPV : une collection de génotypes (plus de 2000) représentative de l’aire de distribution de
l’espèce et des croisements interspécifiques entre A. halleri espèce pseudo-métallophyte modèle et A.
lyrata espèce non tolérante et non accumulatrice. Les régions du génome associées à l’expression de la
variation phénotypique seront recherchées par cartographie QTL (QTL mapping). Dans le cadre du
précédent contrat PRC Etat-Région, nous avons démontré les possibilités de transfert des régions QTL
définies sur la carte génétique d’A. halleri vers la carte physique d’A. thaliana. Nous pouvons maintenant
rechercher dans ces régions les gènes dont la littérature indique un rôle avéré dans l’homéostasie des
métaux (ces gènes sont qualifiés de candidats). L’ensemble des gènes détectés nécessite d’être validé.
L’étude des séquences nucléotidiques devrait nous permettre d’identifier parmi les gènes candidats ceux
qui ont répondu à la sélection liée à la présence des métaux dans le sol. De manière concrète, nous
proposons 3 étapes pour utiliser la variation nucléotidique naturelle chez A. halleri :
- évaluer de façon précise la divergence moléculaire entre chaque paire d’espèces congénériques
(A. thaliana, A. lyrata, A. halleri M et NM, et A. arenosa) et affiner les relations phylogénétiques
au sein du genre établies sur la base de séquences chloroplastiques.
- comparer entre espèces et entre accessions (grandes régions géographiques chez A. halleri) les
niveaux de polymorphisme intraspécifique en relation avec leur système de reproduction et autres
caractéristiques biologiques (tolérante au zinc vs. sensible, type M vs. NM).
- détecter et localiser sur l’arbre phylogénétique d’éventuels phénomènes d’accélération de
l’évolution d’une séquence nucléotidique sous l’effet de la sélection.
III.2. Etude génomique de la variation quantitative de la sensibilité aux métaux chez la
plante modèle Arabidopsis thaliana : approche par génétique d’association
Bien que la tolérance aux métaux lourds ne soit pas un caractère présent chez l’espèce modèle A.
thaliana, l’étude de la sensibilité au métal peut toutefois s’avérer pertinente dans l’identification de
nouveaux gènes candidats de tolérance aux métaux lourds chez son espèce sœur A. halleri. Pour mener à
bien ce volet, nous proposons d’associer les techniques de cartographie par déséquilibre de liaison (LD
mapping) et de cartographie QTL (QTL mapping) qui nous permettrons d’identifier rapidement et
précisément les gènes impliqués dans la tolérance au zinc chez A. thaliana. Le LD mapping quantifie les
associations entre un polymorphisme génétique et un trait qualitatif ou quantitatif. Cette technique
d’association tire avantage de la recombinaison accumulée sur des milliers de générations en population
naturelle, et permet ainsi une localisation très précise des gènes associés au trait étudié. Le degré de
précision est fonction de la densité de marqueurs génétiques utilisés pour tester les associations avec un
phénotype. La cartographie QTL, bien quelle soit beaucoup moins précise dans le ciblage des gènes
impliqués dans l’expression d’un caractère (nombre d’événements de recombinaison limité dans une
descendance de croisements artificiels), détecte des régions génomiques très robustes parce qu’elles ne
peuvent pas résulter d’un quelconque effet de la structuration géographique. De fait, le LD mapping et le
QTL mapping sont des méthodes extrêmement puissantes quand elles sont utilisées en association. De
manière concrète, nous proposons 3 étapes pour utiliser la variation génétique naturelle chez A. thaliana
et identifier de nouveaux gènes candidats pour la tolérance aux métaux lourds chez A. halleri.
- Détection des gènes de tolérance au zinc chez A. thaliana par LD mapping :
- Validation des associations détectées par LD mapping et par QTL mapping :
- Validation fonctionnelle de gènes candidats et extrapolation à A. halleri des gènes candidats
identifiés chez A. thaliana.
III.3. Biomarqueurs de pollution métallique et composante immunitaire de la réponse au
stress métallique chez les Annélides Oligochètes
Certaines activités humaines et en particulier les activités métallurgiques, conduisent à
l’accumulation d’Eléments Traces Métalliques (ETMs) dans les couches supérieures du sol, où les
concentrations observées dépassent nettement les normes en vigueur. En plus de constituer une menace
pour la santé publique, la présence d’une quantité importante d’ETMs peut générer un stress
environnemental susceptible d’affecter les organismes exposés aux sols pollués. De nombreuses études

39
chez des plantes et des animaux vivant en contact étroit avec des sols contaminés ont permis de mieux
comprendre les changements physiologiques, les mécanismes d’acclimatation (adaptation physiologique)
et les mécanismes de détoxication causés par les métaux.

La santé du sol et le maintien de sa productivité dépendent des organismes vivants qui le peuplent
et qui affectent le recyclage et la biodisponibilité des composés organiques et non organiques majeurs
dans leur recherche constante de nourriture et de sources d’énergie. Un des groupes faunistiques les plus
étudiés est le groupe des Annélides Oligochètes. Ces animaux, qui représentent une part importante de la
macrofaune du sol, jouent un rôle clé dans la plupart des écosystèmes continentaux et sont impliqués dans
l’entretien de la structure et de la fertilité des sols. De plus, ils sont souvent fortement affectés par la
pollution métallique. Par exemple, il a été montré qu’une pollution métallique peut retarder la maturation
sexuelle, ralentir la croissance, modifier des activités enzymatiques, et modifier l’expression génique. Le
projet vise donc à étudier la réponse au stress métallique chez les Annélides Oligochètes et en particulier
sur l’espèce importante et recommandée en écotoxicologie : Eisenia fetida.

Selon Weeks (1995), un « biomarqueur » est une réponse biologique à un produit chimique
(pesticides, hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs), ETMs,…) qui induit un stress et peut
donner une estimation de l’exposition ou une mesure des effets toxiques potentiels. Les biomarqueurs ont
également été définis comme une variation observable et/ou mesurable au niveau moléculaire,
biochimique, cytologique, physiologique, biologique et comportemental qui révèle une exposition passée
ou présente d’un organisme à un ou plusieurs polluants (Lagadic et al., 1997). La plupart sont des
marqueurs d’exposition précoce qui ne montrent pas les effets à long terme sur l’écosystème. Le
développement de biomarqueurs permettant un diagnostique précoce des perturbations à long terme d’un
écosystème représente un défi pour les écotoxicologues.

L’émergence des techniques de biologie moléculaire appliquées à l’écotoxicologie a permis de
mieux appréhender les mécanismes d’action des contaminants sur les organismes vivants. En effet, les
profils d’expression génique représentent le premier niveau d’intégration entre les « stress »
environnementaux et le génome qui, à travers la synthèse de protéines, conduit la réponse des organismes
aux changements externes. L’analyse des changements dans l’expression génique est donc un outil
puissant, 1- pour diagnostiquer l’existence d’un stress dans une population et 2- pour analyser les
mécanismes de réponse à un stress. Ces dix dernières années, l’analyse des profils d’expression génique a
permis l’identification de biomarqueurs candidats chez les Annélides Oligochètes. Le candidat le plus
connu est la métallothionéine (MT), une protéine de faible poids moléculaire (6000-8000 Da), riche en
cystéine (environ 30%), impliquée dans la détoxication de métaux tels que le cadmium et dans
l’homéostasie des éléments traces essentiels tels que le zinc. La MT est considérée comme un bon
biomarqueur d’exposition car elle montre une réponse dose-dépendante à certains contaminants
métalliques. Ainsi, la quantité de protéines et le nombre de transcrits codant la MT augmentent lorsque
les vers sont exposés à une contamination métallique et en particulier aux contaminations au cadmium.

Récemment, des approches de biologie moléculaire ont permis d’identifier des gènes dont
l’expression varie suite à une exposition à un mélange complexe de métaux et de mettre en lumière des
candidats biomarqueurs de pollution chez E.fetida.
Concrètement, nous proposons de développer trois aspects :
- L’étude des profils d’expression des nombreux gènes sélectionnés, comme la MT et des nouveaux
candidats identifés par l’équipe, peut constituer une « signature » des changements dus aux ETMs
et par conséquent être utilisés comme des biomarqueurs de pollution métallique. La mesure
d’expressions géniques pourrait également être utilisée dans un test de diagnostique utilisant le
ver E.fetida.
- L’analyse qualitative et quantitative de l’expression génique de ces candidats est utilisée pour
étudier la partie immunitaire de la réponse au stress métallique..
- Une analyse fine de l’expression des gènes sélectionnés chez des lombriciens proches d’E.fetida
que l’on rencontre sur les sites pollués est envisagée. Dans ce cas, il convient de voir si ces
animaux exposés in situ depuis de nombreuses générations aux ETMs présentent les mêmes

40
réponses que le modèle E.fetida naïf. Le but de cette troisième partie est d’explorer les
mécanismes qui régissent acclimatation et/ou adaptation à la pollution métallique.
IV. Evaluation des impacts et risques pour les écosystèmes
Les métaux contenus dans les sols ou les sédiments sont des éléments perturbateurs pour les
écosystèmes en fonction de leurs teneurs, mais également de leurs biodisponibilités. Comment la faune et
la flore présentes réagissent-elles face à ces perturbations ? Quelle est l’action réelle des micro-
organismes sur le métabolisme de ces espèces et leurs résistances face à une pollution ? Dans cette
thématique, il s’agit d’intégrer les réponses à court terme (réponses infra-individuelles : moléculaires,
biochimiques, cytologiques,…) et à moyen terme (traits d’histoire de vie : croissance, reproduction,…)
dans un diagnostic à l’échelle des populations, des communautés et des écosystèmes. Les applications in
situ portent plus particulièrement sur les communautés de macroinvertébrés du sol. Les principaux
modèles expérimentaux utilisés pour le développement et la validation de biomarqueurs sont des
annélides oligochètes (en particulier Eisenia fetida et Lumbricus rubellus) et des arthropodes (e.g.
Crustacés isopodes ou cloportes). Les situations expérimentales privilégiées sont les sols contaminés de
manière diffuse et chronique, soumises ou non à des procédés de remédiation (cendre LFC, zéolites,
polymères organiques, phytoremédiation) (lien avec le § c ci-dessous). Pour atteindre ces objectifs,
l’accent est mis sur l’utilisation de grands microcosmes en laboratoire (en vue de la validation des
biomarqueurs moléculaires, biochimiques, de génotoxicité, et physiologiques) et sur des mésocosmes
extérieurs (permettant des expérimentations prolongées en conditions plus écologiques et d’intégrer la
mise en présence de plusieurs espèces). Le suivi de parcelles in situ est réalisé, entre autres dans le site
expérimental d’Auby/Evin-Malmaison, site historiquement contaminé par les métaux, dans lequel de
nombreuses données sont acquises (en particulier au travers des travaux réalisés par plusieurs équipes
dans le cadre du programme de recherches concertées Etat-Région).
V. Traitement des sols et sédiments contaminés
V.1. Vers l’amélioration de la technique de phytoextraction
La phytoextraction serait indiquée pour le traitement de sites peu ou moyennement pollués.
Pourtant, cette méthode, qui présente de nombreux avantages économiques et écologiques par rapport aux
techniques physico-chimiques de remédiation, reste peu utilisée. Son inconvénient majeur réside dans la
durée du processus (qui peut aller au delà de la dizaine d’années) nécessaire pour ramener les taux de
contamination en dessous des seuils admis. Cependant cet inconvénient peut être réduit voir annulé si la
phytoextraction met en œuvre des espèces permettant à la fois l’extraction des métaux du sol et la
production d’énergies renouvelables comme par exemple le bois de chauffage ou des agro-carburants.
Aujourd’hui la phytoextraction peine à se développer en particulier sur les sites pollués par le zinc et le
cadmium parce qu’il n’a pas été possible d’identifier de plante à forte biomasse qui accumulerait les
métaux en fortes concentrations. Les espèces hyperaccumulatrices identifiées dans la nature sont petites et
n’ont jamais fait l’objet d’amélioration de leur potentiel agronomique et les collections d’espèces d’intérêt
agronomique n’ont en général jamais été sélectionnées pour leur potentiel d’accumulation (ou
d’exclusion) des métaux du sol. Un des principaux freins pour disposer de la plante « idéale » est le
manque de connaissances fondamentales sur les mécanismes responsables des processus d’homéostasie
des métaux et en particulier ceux conduisant à la tolérance et à l'hyperaccumulation des métaux. Les
résultats obtenus au point C donneront des pistes en vue de l’amélioration d’espèces utilisables en
phytoextraction.
V.2. Stabilisation des métaux
La liaison des métaux traces aux particules du sol est le processus clé régissant le mouvement du
Cd et du Pb dans les sols, leur lessivage, ainsi que leur assimilation par la végétation. Cependant, cette
liaison résulte le plus souvent d’un phénomène de sorption, et est de ce fait réversible. Une des voies
possibles consisterait donc à piéger ces métaux non plus en surface (adsorption) mais au cœur des phases
minérales. Ce processus, concomitant avec la croissance cristalline permettrait dès lors une plus grande
pérennité de l’immobilisation des éléments traces métalliques.

41
Un des objectifs serait de pouvoir suivre la rétention de métaux durant la croissance de phases
minérales. Il comporterait un premier volet sur la synthèse des phases les plus propices à la rétention des
métaux (zéolites, apatite, ….). Par la suite, une étude de plusieurs systèmes comprenant un ou plusieurs
métaux, serait menée afin d’évaluer le degré de compétitivité de ces derniers. Le rôle d’acides organiques
naturellement présents dans les sols sera également étudié afin de déterminer leurs influences sur la
cinétique et la nature des phases néo-formées, et sur la complexation des métaux. Nombre de questions
demeurent en effet quant au comportement d’éléments au cours de l’organisation structurelle d’un gel.
Les métaux participent-ils à l’édification du réseau cristallin, ou au contraire, la mise en place de phases
minérales a-t-elle pour conséquence une potentielle remise à disposition dans le milieu environnant de ces
éléments ? Une approche cristallochimique et thermodynamique permettra de mieux appréhender les
phénomènes de mûrissement de la phase « primaire » (gel…) et le devenir des métaux durant cette étape.


42
Effectif recherche participant à l’axe 7 « Comportement des contaminants
métalliques dans les sols et effets sur les organismes et les écosystèmes »
Au 1/10/2008
Enseignants Chercheurs Chercheurs ITA - IATOS
Laboratoire ou
équipe impliquée
Nom Grade Nom Grade Nom Grade

GEOSYSTEMES
G. Billon MCF USTL Li Sechuang Doctorant
C. Coquerelle MCF USTL J.P. Ursule Doctorant
P. Delplace MCF USTL S.C. Dehou Doctorant

S. Demuynck MCF USTL
JC. Fischer PR USTL
A. Gauthier MCF USTL
F. Grumiaux MCF USTL
A. Hofmann MCF USTL
S. Lemière MCF USTL
A. Lepretre PR USTL
B. Ouddane PR USTL
F. Vandenbulcke PR USTL
GEPV
A Creach MCF USTL
P. Saumitou-
Laprade
DR CNRS N. Faure IE USTL

H Frerot MCF USTL F. Roux CR CNRS C. Godé T CNRS

CL. Meyer Doctorante

I. Decombeix Doctorante

A Kostecka Doctorante
F. Brulle Doctorante


UCMS

Equipe
Spectrochimie de
l’Environnement
JP. Cornard PR USTL F.X. Sauvage CR CNRS J. Laureyns IR CNRS

C. Lapouge MCF USTL E. André Doctorant M. Moreau IE CNRS

A. Mezzetti MCF USTL


Total 17 10 4



43
Axe 8

Analyse des processus aux interfaces mer-continent, eau-sédiment et air-eau


Laboratoires impliqués : GEOSYSTEMES; LOA, LOG

Cet axe s’intéresse aux processus actuels qui se déroulent aux interfaces dans l’environnement.
Les interfaces, sites de réactivité par définition, sont en effet les lieux où s’enregistrent le mieux les
changements liés à des perturbations d’origine naturelle ou anthropique. De plus, ce sont des zones clef
en raison des nombreuses activités humaines qui s’y développent, liées à l’exploitation par les pêcheries
et au renouvellement de la ressource halieutique (nourriceries, frayères...), mais aussi à diverses activités
économiques (exploitations des grandes algues, tourisme, transport maritime...). A ce titre,
l’environnement présente une opportunité pour à la fois étudier les perturbations actuelles, et répondre à
des demandes sociétales. Toutefois, malgré leur importance majeure, le fonctionnement des interfaces est
encore mal connu, en raison de sa complexité, tant du point de vue hydrodynamique que géochimique ou
biologique. Il s’agit d’un thème multidisciplinaire dans lequel nous souhaitons mettre en commun nos
expertises dans les domaines de l'océanologie, des sciences de la terre, de la chimie et de la biologie des
organismes.
Les sites d’étude de ces processus sont les milieux continentaux et les milieux marins de faible
profondeur. Dans ces milieux, l’Homme intervient de façon plus ou moins directe. Le lien entre les études
de ce thème et les préoccupations en matière de connaissance et gestion de l’environnement est clair et
revendiqué. Des retombées sociétales positives de nos études sont attendues en parallèle à la recherche
d’une meilleure compréhension des processus qui agissent dans ces milieux.

I. Observation de la couleur de l’eau depuis l’espace
L’observation du système océan-atmosphère à partir de l’espace permet d’appréhender des
échelles spatio-temporelles clés à l’étude des processus de couplages intervenant entre les différents
compartiments physique, biologique et chimiques. L’observation de la couleur de l’eau (spectre visible
rétrodiffusé depuis l’océan) apporte des informations essentielles sur ces compartiments biogéochimiques
marins. Dans ce contexte, l’observation satellitale de l’océan nécessite de corriger le signal total mesuré
par les capteurs des perturbations atmosphériques : ce sont les corrections atmosphériques.
Les schémas de corrections atmosphériques standard appliqués aux mesures délivrées par les
différents capteurs « couleur de l’océan » utilisent l’hypothèse d’un océan noir (totalement absorbant)
dans le proche infrarouge. Or, on sait maintenant que sous cette hypothèse le signal atmosphérique est
surestimé au-dessus des eaux océaniques relativement « productives », ce qui conduit à une sous-
estimation de la luminance marine. Ceci est d’autant plus vrai pour les eaux côtières, pour lesquelles les
propriétés optiques dépendent non seulement du matériel phytoplanctonique mais également de tout autre
matériel d’origine terrigène (comme les particules minérales). Différentes approches seront développées
afin de prendre en compte la contribution du signal marin dans le proche infra-rouge.
Pour ce faire, des études spécifiques seront entreprises en collaboration entre le LOG et le LOA :
- caractérisation des aérosols en milieu côtier ;
- impact des nuages fins sur les corrections atmosphériques ;
- apport de la directionnalité et de la polarisation sur les corrections atmosphériques en milieu
côtier.

II. Interface mer - continent : le domaine côtier et les estuaires
Les estuaires marquent la rencontre des eaux continentales avec les eaux marines. Dans les
environnements du Nord Pas-de-Calais, comme dans la plupart des zones françaises, cette limite est
également le lieu d’échanges sédimentaires entre divers compartiments physiographiques. Ces estuaires et
leurs abords concentrent un certain nombre de problèmes :
- Ils représentent des zones naturelles rares et précieuses,

44
- Certains sont totalement anthropisés et concentrent des activités industrielles importantes (La
Liane à Boulogne par exemple)
- Les mouvements sédimentaires induisent des changements dans la stabilité des rivages en érosion
sévère ou en sédimentation,
- Leurs évolutions à une échelle historique a conduit l’Homme à modifier ses implantations.
Homme qui, en retour, a aménagé leurs cours,
- Les abords côtiers et les espaces inter-estuariens que constituent les plages revêtent une grande
importance socio-économique de loisir,
- Ils sont également des lieux d’interfaces entre le sédiment et des organismes vivants pouvant être
considérés comme indicateurs de la qualité et de l’évolution des milieux.

Dans ces lieux de transition entre continent et domaine salé interagissent des processus physiques,
chimiques et biologiques actuels et récents dont la compréhension permet d’envisager de les utiliser pour
des périodes plus reculées. Dans ces lieux également, les contraintes anthropiques peuvent être fortes et
modifier la répartition naturelle d’indicateurs.

Notre démarche se décompose en trois étapes :
- Rechercher des environnements côtiers les moins affectés par l’Homme afin de déterminer quelles
sont les distributions naturelles de divers éléments indicateurs : éléments traces métalliques,
hydrocarbures ou organiques, propriétés sédimentologiques des dépôts, contenu biologiques
(micro-organismes essentiellement) et des formes de résistance (œufs de diapause des organismes
planctoniques). Cette recherche se fait au niveau de sédiment et sur la colonne d’eau proche.
- Travailler sur des environnements à contrainte anthropique forte (estuaires très aménagés tel que
l’estuaire de la Seine) ou très fortes (les divers ports régionaux par exemple) afin d’y retrouver les
contraintes étudiées dans les environnements naturels et d’estimer la part de l’Homme et de ses
activités dans ces modifications.
- Rechercher par des forages ou des coupes de terrain sur des périodes de temps récentes ou plus
reculées (Holocène essentiellement) comment les indicateurs définis précédemment ont évolué et
en déduire les modifications de l’environnement au cours du temps (niveau marin, contraintes
hydrodynamiques et hydrologiques, sources sédimentaires, pollutions chimiques, …).
III. Morphodynamique des littoraux
Le programme de recherche a pour objectif principal d’améliorer notre compréhension de la
dynamique morphologique et sédimentaire des milieux littoraux en privilégiant une approche par mesures
in situ des processus hydro-sédimentaires et des réponses morphodynamiques qu’ils engendrent à
diverses échelles spatiales et temporelles. L’expérimentation in situ ne représentera toutefois pas la seule
approche dans les travaux qui seront menés, car plusieurs actions reposent sur un couplage de mesures sur
le terrain avec des observations et quantifications par télédétection. Le milieu littoral s’entendant ici
comme allant de la zone infra-tidale à la zone supra-tidale, ces recherches s’inscriront dans la continuité
des travaux menés ces dernières années sur les plages, dunes côtières, avant-plage et estuaires, notamment
du Nord-de-la France, mais aussi de plusieurs régions tropicales.

Les littoraux étant des milieux particulièrement sensibles aux changements climatiques qui
risquent d’entraîner une augmentation des phénomènes d’érosion et de submersion marine des côtes
basses (GIEC, 2007), nous poursuivrons également nos recherches visant à évaluer les impacts de
l’élévation du niveau marin et d’événements extrêmes sur l’évolution des côtes meubles. L’amélioration
de notre compréhension des réactions physiques des côtes face à une hausse du niveau de la mer et à des
variations dans les conditions climatiques constitue en effet un enjeu majeur pour les années à venir et
demande dès aujourd’hui une meilleure connaissance du comportement morphodynamique des côtes en
réponse aux forçages hydrométéorologiques. Cet aspect de nos recherches lié à l’évolution future des
risques côtiers s’inscrit dans les préoccupations d’une part de plus en plus importante de la communauté
scientifique internationale travaillant sur les milieux côtiers comme en témoigne le nombre grandissant de
programmes de recherche nationaux et internationaux (EUROSION, RESPONSE, Beaches At Risk,…)
consacrés aux impacts du changement climatique sur les milieux côtiers.

45

Les travaux de recherche s’articuleront autour de deux thématiques de recherche principales, la
distinction étant basée sur le caractère cohésif (vaseux) ou non-cohésif (sableux) des sédiments présents
dans ces milieux côtiers.

Les conséquences de ces modifications morphodynamiques sur les habitats littoraux et côtiers
seront également abordées d’une façon multidisciplinaire.
IV. Evolution holocène du comblement des estuaires picards et de leurs abords côtiers
Dans la Manche orientale, les seuls lieux dans lesquels ont pu être préservés des sédiments marins
sont les fosses Dangeard et le cours inférieur des zones estuariennes. Des raisons morphologiques
préexistantes ainsi qu’un contrôle structural possible ont permis à de grands corps sédimentaires de se
mettre en place, en particulier dans la plaine maritime de Picardie. Les questions posées sont les suivantes
:
- Quelles sont les contraintes géologiques spécifiques liées à cette zone ? Par des analyses diverses
telles que la microgravimétrie, nous voulons essayer d’identifier des blocs séparés par des failles
pouvant avoir joué au cours du Quaternaire et responsables de la localisation de certains corps
sédimentaires tels que des cordons littoraux.
- Quelles sont les extensions des corps sédimentaires servant d’aquifères dans la plaine picarde ou
s’étendant plus au large ? Est-il possible dans l’enregistrement sédimentaire d’identifier des
variations eustatiques contrôlées par certains épisodes chauds tel que l’optimum Romain ? Cette
recherche se fera par l’intermédiaire de campagnes de sondages profonds (décamétriques) mais
aussi grâce à de la sismique aux résolutions différentes. Des missions océanographiques côtières
sont prévues dès 2009 et se prolongeront les années suivantes.
- Quelles sont les relations entre l’évolution du climat Holocène, la sédimentation, et l’implantation
humaine dans les basses vallées des fleuves côtiers ? En collaboration avec des équipes
internationales d’archéologues, par l’intermédiaire de sondages courts (plurimétriques) de
tranchées et par un travail sur des données anciennes, nous désirons contraindre un cycle évolutif
‘refroidissement-réchauffement’ en contexte interglaciaire modérément anthropisé. Les sédiments
renferment en effet des informations capitales pour comprendre l’évolution des conditions
climatiques locales ayant eues des répercutions sur l’implantation humaine. Une partie des études
se fera également en mer dans les abords côtiers des estuaires par des missions répétées, la
première étant programmée pour 2009.
V. Processus biogéochimiques aux interfaces eau-sédiment et air-sédiment
Le fonctionnement biogéochimique des interfaces eau-sédiment ou air-sédiment (pour les zones
situées dans la zone de balancement des marées) montre une large variabilité tant dans l’espace que dans
le temps, en raison de la multitude des forçages environnementaux qui s’y exercent (marée, lumière,
érosion, dépôt,...). Un couplage entre les mécanismes physiologiques (à l’échelle individuelle ou
intracellulaire), les interactions entre les organismes et leur environnement (sédiment, eau, air), ainsi que
les relations trophiques entre les peuplements benthiques nous semble nécessaire et pertinent au regard
des échelles spatiales et temporelles qui constituent les contraintes majeures de cet écosystème. Sur la
base de ce constat, les principales actions de recherche envisagées sont déclinées en plusieurs thèmes qui
permettent d’aborder les différents mécanismes mis en jeu.

- Quel est le rôle de l’environnement géochimique des sédiments superficiels sur les organismes
benthiques ?
Tout d’abord, une partie de notre activité sera focalisée sur les producteurs primaires benthiques
(microphytobenthos et macroalgues), avec pour objectif de définir les principaux forçages qui
régulent l’intensité de cette production in situ et les bilans (carbone, sels nutritifs) qui en résultent. Un
autre volet traitera plus spécifiquement de la macrofaune, dont la diversité comme la productivité
dépend directement de l’environnement dans lequel elle se développe.


46
- Quel est le rôle des organismes benthiques sur les mécanismes géochimiques dans les sédiments
superficiels ?
Si la répartition et l’activité des organismes benthiques est en majeure partie contrôlée par
l’environnement géochimique dans lequel ils évoluent, les producteurs primaires benthiques (en
particulier le microphytobenthos via son activité photosynthétique) comme la macrofaune (à travers la
construction de galeries) modifient en retour la composition géochimique de l’eau interstitielle et la
dynamique des sédiments superficiels (modification du pH, des équilibres Redox, amplification des
mécanismes de diffusion, ...). Les mécanismes de diagenèse précoce seront étudiés, et les interactions
entre les macro- et micro-organismes et leur milieu environnant seront établies et quantifiées, ainsi
que les échanges dissous (diffusifs ou advectifs) qui en résultent.

- Quels sont les effets de la contamination des écosystèmes côtiers sur le fonctionnement des
écosystèmes benthiques ?
L’importance des activités anthropiques en Manche orientale (présence de grands ports,
urbanisation et industrialisation importantes) soulève des problèmes de pollution, dégradation des
habitats, voire diminution des ressources. La question de la contamination chimique des écosystèmes
marins par les polluants fait partie des enjeux publics actuels (eg DCE): elle touche au fonctionnement
d'habitats essentiels pour l'ichtyofaune, à la "bonne santé des pêcheries" ainsi qu’à la santé humaine.
De plus, ces modifications d’origine anthropique dans les sédiments superficiels modifient largement
les interactions naturelles entre organismes benthiques et environnement géochimique.


47
Effectif recherche participant à l’axe 8 « Analyse des processus aux interfaces
mer-continent et eau-sédiment »
Au 1/10/2008
Enseignants Chercheurs Chercheurs ITA - IATOS
Laboratoire ou
équipe impliquée
Nom Grade Nom Grade Nom Grade

GEOSYSTEMES
A. Trentesaux PR USTL G. Gosselin Doctorant Debeauvais L. T USTL
G. Billon MCF USTL L. Lesven Doctorant

Malengros D. T USTL

E. Armynot du
Châtelet
MCF USTL A. Charriau Doctorante


L. Bodineau MCF USTL
B. Lourino-
Cabana
Doctorante


G. Thoumelin MCF USTL


LOG
S. Souissi PR USTL FG Schmitt DR CNRS V. Sipka IE ULCO

A. Hequette PR ULCO S Alvain CR CNRS M.A. Janquin IE USTL

R. Amara PR ULCO G. Delebecq Doctorant D. Dessailly IE ULCO
H. Loisel PR ULCO A. Cartier Doctorant X Meriaux AI ULCO
N. Spilmont MCF USTL I. Filipuci
Doctorant

L Courcot IE ULCO

F. Gevaert MCF USTL E. Kerambrun
Doctorant



L. Denis MCF USTL A. Maspataud
Doctorant


S. Lesourd MCF ULCO
G.
Neukermans
Doctorant



A. Gardel MCF ULCO Q. Xing Postdoctorant

V. Lahaye MCF ULCO
PE
Desreaumaux
Doctorant

J. Caillaud MCF ULCO

S. Gontharet MCF ULCO

M.-H. Ruz MCF ULCO

L. Duforet MCF ULCO

C Jamet MCF ULCO

A Sentchev MCF ULCO


LOA
P. Dubuisson PR USTL

G. Brogniez
PR USTL



F. Parol
PR USTL


Total 24 14 7

48
Axe 9

Fonctionnement des écosystèmes et dynamique évolutive de la biodiversité


Laboratoires impliqués : LOG, GEPV
I. Ecologie planctonique
Les activités menées par sur ce thème concernent l’étude générale de la structure et du
fonctionnement du réseau trophique planctonique depuis le picoplancton jusqu’au mésozooplancton.
Notre démarche s’appuie sur une approche à la fois de terrain et de laboratoire ainsi que de la
modélisation, et vise (i) à étudier la variabilité et la dynamique des communautés planctoniques en
relation avec les principaux forçages de l’environnement (ii) à déterminer les processus clefs (production,
consommation) des compartiments constitutifs du réseau trophique planctonique pour (iii) déterminer le
rôle des organismes planctoniques dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques sous différents
régimes trophiques.
Les actions proposées peuvent se décliner selon 2 thématiques principales comprenant 6 actions
(Figure 1) :
• Thème 1 : Production, physiologie et dynamique du phytoplancton
• Thème 2 : Fonctionnement et régulation du réseau trophique planctonique



Compte tenu de l’importance de certains groupes zooplanctoniques (i.e. les copépodes) des études
ciblées sur les stratégies de cycle de vie de ces organismes sont envisagées. Nous ciblerons les copépodes
estuariens capables de se développer dans des milieux très variables. En plus de l’approche in situ
appliquée depuis plusieurs années, nous envisageons de poursuivre nos efforts expérimentation entrepris
lors du dernier quadriennal. En effet, la maîtrise des cultures de copépodes sur plusieurs générations a
permis d’étudier dans des conditions contrôlées les capacités adaptatives et les traits de vie de ces
organismes clefs des réseaux trophiques estuariens. Ce savoir faire développé à Wimereux depuis
quelques années intéresse certains partenaires régionaux (Ecloseries Marines de Gravelines, Nausicaa,
Mareis et le Pôle filière aquatique), nationaux (Pôle mer Bretagne et l’industrie d’aquaculture) et

49
internationaux. Nous envisageons, à travers ces projets en phase d’élaboration, de développer une
plateforme expérimentale à Wimereux en appui à plusieurs actions multidisciplinaires proposées dans ce
document.

II. Phylogeographie des copépodes Eurytemora affinis et Acartia tonsa
Eurytemora affinis est un des copépodes dominants des estuaires européens et nord-américains.
L’analyse génétique des populations nord-américaines a montré l’existence de deux clades dont
l’importance du niveau de divergence suggère qu’il s’agit de deux espèces en formation (Lee 2000). Des
travaux récents ont montré que ces deux clades différaient pour un certain nombre de traits, reflétant en
particulier leur adaptation différente aux variations environnementales, telles que la salinité et la
température. Or, ce copépode a récemment été proposé comme biomarqueur de la qualité des estuaires en
Europe et il est donc crucial de déterminer si de telles variations d’ordre génétique peuvent être à l’origine
de variations phénotypiques observées entre estuaires.

Une étude préliminaire a permis en 2006 l’échantillonnage de plusieurs estuaires, incluant la
Gironde, la Loire, la Seine, l’Escaut, l’Elbe et la mer Baltique (d’une façon ponctuelle). Le protocole
utilisé pour la mise en évidence des clades nord américains a été modifié et adapté aux populations
européennes, et les résultats révèlent l’existence d’une discontinuité génétique majeure entre les
populations Atlantiques et les populations de la Manche et de la Mer du Nord (Winkler, Castric, Souissi
unpub. data).

Ces travaux seront poursuivis en étendant l’échantillonnage à des populations de régions plus
nordiques de façon à réaliser une couverture plus complète de l’aire de répartition de l’espèce en Europe.
Les individus seront caractérisés avec des marqueurs mitochondriaux et nucléaires. Les séquences du
fragment mtDNA-COI (Lee 1999, 2000) seront déterminées pour au moins 20 individus échantillonnés
dans chaque site (~ 600 séquences). Une approche par PCR- RFLP des substitutions différentiant
génétiquement des groupes distincts d’E. affinis sera également utilisée pour évaluer la stabilité
temporelle et annuelle de la distribution des clades (~ 1500 PCR-RFLP). Cinquante individus de chaque
site seront caractérisés pour des régions non-codantes (introns) de gènes nucléaires tels que ef1-a et/ou
ITS1, qui ont tous les deux permis la discrimination entre entités génétiquement différenciées à l’échelle
intra-spécifique chez des crustacés dont la divergence à COI était similaire (~1500 génotypes multilocus).
Ces échantillons seront collectés dans des écosystèmes estuariens et saumâtres le long d’un gradient
latitudinal. Une approche de génétique du paysage sera utilisée pour relier les estimations de
différentiation génétique à un ensemble de distances environnementales pondérées par des facteurs
environnementaux pertinents.

L’approche développée sur le copépode E. affinis sera adaptée à l’espèce cryptique Acartia tonsa
qui se trouve dans les mêmes estuaires que le copépode E. affinis.

Les conséquences de l’isolement géographique et la divergence génétique entre les populations
d’E. affinis, sur les traits de vie seront testées expérimentalement. Le protocole individu-centré développé
récemment (Devreker et al., 2007 ; sous presse) sera appliqué.
Cette action à une dimension internationale puisqu’elle associe Dr. Gesche Winkler
(collaborations avec le LOG et GEPV depuis 2006) actuellement à l’ISMER, Rimouski, Québec et
bénéficiant d’un soutien de l’USTL en professeur invité en 2009 ainsi que plusieurs contacts avec des
chercheurs européens travaillant sur les estuaires qui faciliteront la collecte des échantillons sur le
gradient latitudinal.
III. Dynamique évolutive de la gynodioecie: des génomes aux populations
La gynodiœcie est un système de reproduction qui se caractérise par la coexistence de plantes
hermaphrodites et femelles (mâle-stériles) dans les populations naturelles. Ce polymorphisme sexuel peut
être interprété comme le résultat d’un conflit génétique entre le génome mitochondrial qui produit des
facteurs stérilisants et le génome nucléaire producteur de facteurs de restauration de la fertilité mâle. Nous

50
appuyant sur une subvention ANR-Jeunes chercheurs (2006-2009), un projet Génoscope, deux bourses de
thèse ayant débuté en octobre 2006 et un post-doctorat, nous voulons continuer nos efforts sur la
description et la compréhension de ce système complexe non seulement sur la betterave maritime, espèce
modèle des estuaires de la Manche pour lesquelles des données ont été collectées depuis plusieurs années,
mais aussi sur les silènes, genre modèle en biologie évolutive.

Notre stratégie vise à construire un cadre général de connaissances sur la gynodiœcie, en étudiant
l’impact de certains traits d’histoire de vie sur ce système de reproduction. En effet, bien que toutes deux
gynodioïques, ces deux espèces diffèrent pour certains aspects de leur reproduction, qui affectent sans
aucun doute la diversité génétique et la dynamique de leurs populations. Notamment, tandis que la
betterave maritime est auto-incompatible, Silene nutans est partiellement autogame, ce qui nous permettra
d’étudier les conséquences de l’autogamie (en termes d’assurance reproductive, mais aussi de dépression
de consanguinité) sur la gynodiœcie. Par ailleurs, Silene nutans est entomophile (tandis que la betterave
est anémophile), ce qui nous permettra d’intégrer l’influence du comportement du pollinisateur dans nos
études.

Les différentes approches proposées reposant sur les compétences complémentaires des membres
du thème sont :
- une approche de génomique évolutive, i) afin de discriminer deux scénarios du maintien de la
gynodiœcie (sélection balancée versus purge sélective/épidémie) qui doivent laisser des patrons de
diversité nucléotidique cytoplasmique contrastés ; ii) mais aussi de mieux comprendre les
mécanismes responsables de l’évolution du génome mitochondrial au niveau d’une espèce ;
- une approche de génétique des populations, puisque les flux de gènes entre populations doivent
influencer la dynamique de la gynodiœcie, et qu’en retour ce système de reproduction va avoir un
effet sur l’organisation de la diversité génétique ;
- une approche de biologie des populations, en vue de mieux comprendre à un niveau plus fin le
fonctionnement des populations gynodioïques, et de déterminer expérimentalement les différentes
valeurs de succès reproducteur (mâle et femelle) associées aux différents génotypes ;
- une approche théorique par modélisation, afin de prédire les conditions maintien de la gynodiœcie
dans les deux systèmes, d’interpréter les données empiriques et en retour de tester des scénarios
plus réalistes.
IV. Evolution de l'auto-incompatibilité
L'objet principal du groupe de recherche concerne l'étude des différentes formes de sélection
naturelle agissant sur les systèmes d'auto-incompatibilité chez les plantes. Lors du précédent quadriennal,
nos travaux se sont principalement focalisés sur la mise en évidence de cette sélection à deux niveaux
différents, d'une part au travers de ses effets sur la distribution des fréquences d'haplotypes d'auto-
incompatibilité au sein ou entre populations, et d'autre part au niveau de ses signatures nucléotidiques et
génomiques. Bien que certains objectifs empiriques précédents seront poursuivis au cours du prochain
quadriennal, l'essentiel de nos travaux théoriques et empiriques s'articuleront autour de deux nouveaux
thèmes principaux: l'étude de la dynamique des systèmes génétiques d'auto-incompatibilité; et l'étude des
conséquences évolutives de l'auto-incompatibilité.

Malgré une attention considérable de la part des théoriciens de la génétique des populations, la
dynamique des systèmes d'auto-incompatibilité chez les plantes pose encore une double énigme de
biologie évolutive: (1) Comment un système clé-serrure multiallélique tel que l'interaction entre les
protéines S du pollen et du pistil peut-il générer de nouvelles spécificités haplotypiques coordonnées aux
gènes S pollen et pistil? (2) Comment un système complexe multigénique peut-il se maintenir à très long
terme alors que l'inactivation d'un seul des composants devrait être évolutivement avantagée car
entraînant une rupture du système permettant directement un accès accru à la reproduction?

Nous aborderons ces questions à l'aide d'une double approche utilisant d'une part la modélisation,
et d'autre part l'analyse des polymorphismes moléculaires au locus d'auto-incompatibilité (locus S) et dans
son environnement génomique proche. Une source importante de données proviendra d'un projet en cours

51
de séquençage par le Génoscope de toute la région du locus S chez plusieurs haplotypes (projet piloté par
V. Castric). Au travers d'une collaboration avec Denis Roze (Station marine de Roscoff), nous
chercherons également à déterminer si la subdivision des populations joue un rôle dans ces deux
phénomènes évolutifs.


52
Effectif recherche participant à l’axe 9 « Fonctionnement des écosystèmes et
dynamique évolutive de la biodiversité»
Au 1/10/2008
Enseignants Chercheurs Chercheurs ITA - IATOS
Laboratoire ou
équipe impliquée
Nom Grade Nom Grade Nom Grade


GEPV
JF Arnaud MCF USTL I De Cauwer Doctorante A Courseaux AI CDD USTL
S Billiard MCF USTL A Darracq Doctorante M. Poiret T CDD USTL
V. Castric MCF USTL C Gervais Doctorante
J. Cuguen PR USTL P. Goubet Doctorante
M. Dufay MCF USTL C. Roux Doctorant
P. Touzet MCF USTL M. Pauwels
Post-
doctorant


X Vekemans PR USTL S. Le Cadre
Post-
doctorante



LOG
S. Souissi PR USTL
A. Ben
Radhia
Doctorante N Degros AI CNRS

U. Christaki PR ULCO A. Lagaria Doctorante E Breton IR ULCO

F. Artigas MCF ULCO O. Glippa Doctorant D. Menu AI CNRS
V. Gentilhomme MCF USTL
JD
Grattepanche
Doctorant
F. Lizon MCF USTL E. Houliez Doctorante

D. Vincent MCF USTL
Total 13 12 4


53
Axe 10

Impact des changements climatiques sur les milieux, les écosystèmes et la biodiversité

Laboratoires impliqués : Geosystèmes, LOG, GEPV
I. Changements à l'échelle de la géobiosphère
L'objectif scientifique principal est l'analyse des relations entre l'évolution biologique et les
changements des paléoeonvironnements. Il ne s'agit pas seulement d'étudier les réactions des écosystèmes
et/ou des communautés biologiques aux changements paléoenvironnementaux mais aussi d'analyser
comment les phénomènes évolutifs majeurs de la biosphère ont eux-mêmes contribué aux transformations
(souvent irréversibles) des paléoenvironnements (ex. composition atmosphérique, climat).
I.1. Transition vers les écosystèmes marins modernes
La transition Néoprotérozoïque-Phanérozoïque se caractérise par des remplacements drastiques
des communautés marines qui s'accompagnent d'une augmentation quasi-continue de la diversité depuis
l'Ediacarien jusqu'à la crise fini-Ordovicienne. Cette biodiversification initiale est généralement
interprétée comme la succession de trois grandes Faunes Evolutives: la Faune Ediacarienne, dont les
métazoaires énigmatiques se distinguent nettement d'écosystèmes majoritairement microbiens ; la Faune
Cambrienne, caractéristique de la radiation de métazoaires au cours de la transition Néoprotérozoïque-
Cambrien ('Explosion Néoprotérozoïque-Cambrienne'); et la Faune Paléozoïque, qui apparaît lors du
Cambrien terminal mais qui explose lors de la « Grande Biodiversification Ordovicienne ». Enfin, une
quatrième Faune Evolutive dite Moderne trouve ses origines dans le Cambrien mais ne se diversifie que
dans le Mésozoïque. Plus récemment, différents auteurs ont indépendamment présenté l'Explosion
Néoprotérozoïque-Cambrienne ou la Radiation Ordovicienne comme marquant le passage à des
écosystèmes dit « modernes ».
Cet axe de recherche se propose donc de contraindre l'influence relative des différents contrôles
paléogéographiques, paléoécologiques (paléosynécologiques) et paléoenvironnementaux sur les
remplacements des communautés observées depuis le Néoprotérozoïque terminal jusqu'à l'Ordovicien
terminal et de traduire ces remplacements en termes d'évolution des structures (réseaux trophiques) et des
acteurs (biodiversité) des écosystèmes.

Bien que les données paléontologiques, paléobiologiques et paléoenvironnementales sur la
transition Néoprotérozoïque-Phanérozoïque (incluant l‘« explosion cambrienne » et la « radiation
ordovicienne ») aient considérablement augmenté au cours de la dernière décennie, de nombreuses
questions restent ouvertes et de nouvelles discussions apparaissent. En particulier, les facteurs qui ont
contrôlé ces événements complexes, et leur influence relative restent à préciser. Différentes études ont
indépendamment mis en évidence le rôle primordial des facteurs extrinsèques et intrinsèques sur les
processus évolutifs des communautés. Les facteurs extrinsèques ou environnementaux incluent les
fluctuations climatiques, les fluctuations du niveau marin relatif, les processus géodynamiques ou encore
l'intensité et le type de volcanisme. D'autre part, les facteurs intrinsèques ou processus biotiques eux-
mêmes jouent un rôle remarquable dans les changements environnementaux. Ainsi, l'apparition de la
biominéralisation et l'intensification de la bioturbation ont influencé la sédimentation et le type de substrat
disponible pour les communautés benthiques (synécologie) tandis que les biotes successifs ont modifié la
chimie marine, et impliqué d'importantes innovations écologiques et biologiques.

La compréhension de l’évolution vers des écosystèmes marins « modernes » pendant le
Néoprotérozoïque et le Paléozoïque Inférieur nécessite donc une collaboration étroite entre géologues
(facteurs extrinsèques) et biologistes (facteurs intrinsèques.

Ce projet de recherche, vise à
1) établir et comparer pour la première fois les écosystèmes du Cambrien (structure et réseaux trophiques)
dans différents environnements et à contraindre l'influence relative des différents contrôles

54
paléogéographiques, paléoécologiques et paléoenvironnementaux sur les remplacements des
communautés benthiques depuis le Néoprotérozoïque terminal jusqu'au Cambrien supérieur.
2) comprendre les causes de la biodiversification de l’Ordovicien en relation avec les changements
climatiques et paléoéographiques d’un côté et en relation avec l'évolution et changements des chaînes
trophiques d’un autre côté, notamment en analysant le phytoplancton et le plancton hétérotrophe;
évolution et changements des relations trophiques complexification des relations trophiques.
I.2. Crises biologiques : contrôles et réponses
Depuis la formation de la Terre, l'évolution de la paléogéographie a engendré des perturbations
environnementales d'intensité variable affectant inévitablement les organismes marins. Le regroupement
ou le morcellement des continents, d'une part, et les variations climatiques extrêmes, d'autre part,
particulièrement remarquables au Paléozoïque, ont ainsi en partie contrôlé la restructuration des systèmes
biologiques. On reconnaît ainsi habituellement cinq grandes crises biologiques dans le Phanérozoïque, les
« Big Five ». En fait, 24 bioévénements au total ont été identifiés, dont 18 pour le seul Paléozoïque.
Certains de ces événements ont des causes extraterrestres, mais très majoritairement ces crises ont pour
cause des modifications drastiques du climat terrestre. Reconstituer, interpréter et prévoir les variations du
gradient climatique global, par l’étude approfondie des crises biologiques, est donc un outil indispensable.

Le projet proposé se fonde sur l’étude détaillée des crises paléozoïques affectant les organismes,
au travers de leurs enregistrements morphologique et taphonomique. Dans un cadre plus général, l’étude
des contrôles et des réponses nécessite la connaissance des interactions entre la dynamique de la
Géosphère et celle de la Biosphère

Notre but sera de comprendre comment ces extinctions massives/catastrophes écologiques peuvent
(a) mettre un terme aux lignées phylogénétiques, (b) créer des opportunités pour l’établissement de
nouveaux clades, (c) changer le processus historique de l’évolution biologique et (d) interrompre
brutalement les processus paléoécologiques et paléobiogéographiques. Dans ce projet, il est proposé
d'étudier principalement les communautés marines, et plus particulièrement, (a) les modalités et les
rythmes des transformations morphologiques des organismes sous l'influence de l'environnement, (b) les
processus évolutifs sous-jacents pouvant expliquer la diversité biologique, (c) les événements de
dispersion paléogéographique et (d) les phénomènes d’extinctions massives et les phases de récupération
post-crises.
I.3. Contrôle climatique de la sédimentation
En travaillant sur l’enregistrement sédimentaire, son contenu minéral et organique, et sa
structuration, ce projet a pour objectif de décrypter le message lié aux paléoclimats et à l’activité
tectonique. Les approches spécifiques sur lesquelles s’appuie la recherche (modélisation analogique
couplée au terrain, minéralogie des argiles) conduisent à s’intéresser des périodes des temps situées
principalement dans le Quaternaire.
Les variations du climat, qui se traduisent essentiellement par des modifications de températures et
de salinité, reflètent avant tout une réorganisation des systèmes océaniques et atmosphériques. Cette
réorganisation affecte l'ensemble des processus de transfert de chaleur par les enveloppes fluides à la
surface de la terre. On peut tenter de reconstituer les caractéristiques hydrologiques des masses d'eau lors
de changements climatiques passés par diverses techniques faisant appel à des marqueurs de température,
de salinité, de ventilation (d
18
O et d
13
C des tests carbonatés, association de faune/flore, marqueurs
géochimiques, alkénones, Mg/Ca, etc…). Une alternative à ces reconstitutions consiste en l'étude des
particules allochtones- terrigènes et organiques- transportées par ces enveloppes fluides. Une approche
minéralogique-géochimique permet de caractériser la/les source(s) des particules terrigènes qui
composent le sédiment. L'approche granulométrique permet de préciser les caractéristiques physiques des
vecteurs de ces particules. On est alors en mesure de proposer des scénarios de variations de ces vecteurs
océaniques et/ou atmosphériques au cours du temps (1) via la caractérisation des particules advectées.
L'approche organique et élémentaire permet de retracer les conditions hydrologiques (2) et climatiques
(3) qui ont présidé au transfert des particules au sein de la colonne d'eau, à l'accumulation de ces

55
particules, à leur dépôt ainsi qu'à leur préservation. Ces données sont de nature à améliorer la
compréhension de cette étape du cycle du C.
I.3.1. Paléoclimats et marqueurs terrigènes
Notre problématique de recherche est de comprendre comment interagissent les systèmes
climatique, océanique et atmosphérique. Les grandes masses d’eaux et la circulation atmosphérique
assurent en effet le transfert latitudinal de chaleur, à la surface de la terre, garant de la pérennité du climat
global. Les modifications des paramètres climatiques, en réponse aux forçages externes, internes et
anthropiques affectent les caractéristiques hydrologiques et hydrodynamiques des principales masses
d’eaux, ainsi que la physiographie du domaine océanique. Il en résulte des modifications majeures des
configurations des circulations océanique et atmosphérique. L’étude de l’enregistrement sédimentaire
permet d’apporter des éléments de réponse à cette question scientifique. En effet, la compréhension des
messages terrigènes permet d’établir les variations spatio-temporelles et hydrodynamiques des différentes
masses d’eaux et, dans certaines régions, des régimes de vents. Ces reconstitutions apportent des
informations majeures sur les modalités et la chronologie des mécanismes d’interaction entre les systèmes
climatiques, océaniques et atmopshériques.
L’approche que nous développons consiste à utiliser la fraction terrigène argileuse des sédiments
océaniques comme traceurs des modifications qui affectent le transfert de ces particules -transport
fluviatile (Golfe du Mexique-Atlantic Warm Pool), courants océaniques (Antarctique) et apports éoliens
(Méditerranée-Atlantique tropical) - des sédiments depuis le continent vers l’océan profond.
I.3.2. Influence hydrologique sur les marqueurs, authigenèse métallique sous contrôle
hydrologique
En particulier, nous allons étudier dans le cadre de la thèse de Jean Carlos Montero Serrano,
plusieurs sous-bassins du Golfe du Mexique (Golfe du Mexique - Atlantic Warm Pool) montrant des
conditions contrastées. Nous avons des carottes (campagnes IMAGES) des bassins d’Orca (conditions
stratifiées avec présence de saumures et anoxie de la base de la colonne d’eau), de Pigmy (colonne d’eau
ventilée mais sédiments parfois réducteurs) et La Salle (colonne d’eau et sédiments ventilés). Nous