Article Dans Une Revue Aquatic Sciences - Research Across Boundaries Année : 2024

Unlocking the potential of hydrogen isotopes (δ2H) in tracing riverine particulate organic matter sources and dynamics

Exploiter le potentiel des isotopes de l'hydrogène (δ2H) pour retracer la dynamique des sources de la matière organique particulaire fluviale

Résumé

This study explores the efficacy of hydrogen isotopes in tracing the origins and dynamics of particulate organic matter (POM) in the Loire River, employing a novel dual vapor equilibration method to measure its nonexchangeable hydrogen (δ2Hn). By integrating δ2Hn with traditional carbon (δ13C) and nitrogen (δ15N) isotopes and C/N ratios of POM, we compared the ecological information using multivariate analyses. Fortnightly river sampling over three years showed seasonal patterns in the δ2Hn values of POM, highlighting two primary POM end-members: phytoplankton and terrestrial matter. Bayesian mixing models confirmed that using δ2Hn as a tracer effectively discriminated these riverine POM end-members, with phytoplankton predominating in spring-summer and terrestrial matter in winter. Redundancy analyses revealed the main environmental drivers of POM composition, identifying significant correlations between the POM sources, chlorophyll a, suspended particulate matter, and river discharge. Our findings demonstrate that δ2Hn, alone or combined with δ13C, δ15N or N/C ratio, provided a new robust tracer for POM source dynamics, thereby offering valuable insights into riverine biogeochemical cycles and ecosystem functioning. Our study underscores the novel potential of δ2Hn as a tool in environmental and ecological research, advocating for its broader application across various aquatic ecosystems to enhance our understanding of organic matter dynamics.

Dans le continuum aquatique continent-océan, les fleuves sont des conduits privilégiés de transport de la matière organique particulaire (MOP) continental vers les estuaires puis l’océan côtier. Cette MOP est régulièrement étudiée pour sa quantité et sa qualité, puisqu’elle peut provenir de compartiments adjacents (continent, atmosphère, sédiment) ou être produite in situ. La MOP peut donc être composé d’un ensemble de sources aux intérêts chimiques, biogéochimiques et écologiques variés. Les rapports isotopiques et élémentaires sont régulièrement employés pour déterminer les signatures de sources de MOP. Si les paramètres du carbone et de l’azote sont considérés fiables et robustes, le rapport isotopique de l’hydrogène était moins étudié pour la faible justesse de ses méthodes d’analyses, bien qu’il puisse distinguer des sources. Cette étude explore l'efficacité des isotopes de l'hydrogène pour retracer les origines et la dynamique de la matière organique particulaire (MOP) dans la Loire, en utilisant une nouvelle méthode de double équilibrage de la vapeur pour mesurer son hydrogène non échangeable (δ2Hn). Cette méthode supprime le biais de la contamination des échantillons par l’humidité du laboratoire d’analyse, ainsi que le biais du manque de standards pour la MOP. En appliquant la même méthode de quantification de la composition de la MOP avec le δ2Hn que pour les isotopes traditionnels du carbone (δ13C) et de l'azote (δ15N) et le rapport C/N de la MOP, nous avons comparé : - les capacités de discrimination du phytoplancton et de la MOP terrestre labile, - de quantification de la composition de la MOP ; - les informations écologiques apportées par les analyses multivariées pour chaque élément. L'échantillonnage bimensuel des rivières pendant trois ans a révélé des schémas saisonniers dans les valeurs δ2Hn de la MOP, mettant en évidence deux sources primaires de la MOP : le phytoplancton et la matière terrestre labile. Tout comme pour le δ13C et le δ15N, le δ2Hn du phytoplancton a fortement varié le long du cycle annuel selon la biomasse phytoplanctonique (chl a + pheo), mais également avec la température de l’eau. Au final, le δ2Hn du phytoplancton va de -144 à -111 ‰ (moyenne de -133 ± 5 ‰). Le δ2Hn de la MOP terrestre labile, tout comme le carbone et l’azote, est caractérisé par des valeurs stables le long de l’année (-109,1 ± 3,3 ‰). Les modèles de mélange bayésiens ont confirmé que l'utilisation du δ2Hn comme traceur seul permettait de discriminer efficacement ces sources de la MOP fluviale, le phytoplancton prédominant au printemps et en été (moyenne annuel de 70%) et les matières terrestres en hiver (moyenne de 30%). Ces résultats sont similaires à ceux du carbone et de l’azote utilisant chacun deux traceurs. Cependant, les incertitudes associées au modèles de mélanges utilisant le δ2Hn sont supérieures aux modèles carbones et azotes, ainsi qu’aux modèles hybrides couplant l’hydrogène, le carbone ou l’azote comme traceurs. Les analyses de redondance effectuées sur chaque modèle ont globalement révélé les mêmes principaux facteurs environnementaux de la composition de la MOP, identifiant des corrélations significatives entre le phytoplancton, la chlorophylle a et les phéopigments et la MOP terrestre labile et les matières en suspension et le débit de la Loire. Nos résultats démontrent que le δ2Hn, seul ou combiné avec le δ13C, le δ15N ou le rapport N/C, constitue un nouveau traceur robuste de la dynamique des sources de MOP, offrant ainsi des informations précieuses sur les cycles biogéochimiques fluviaux et le fonctionnement de l'écosystème. Cela souligne l'importance d'intégrer le δ2Hn de la MOP avec des traceurs établis tels que le δ13C, le δ15N et les rapports C/N pour obtenir un aperçu écologique plus complet. Par conséquent, nous recommandons d'utiliser le δ2Hn en même temps que d'autres traceurs robustes pour garantir sa précision dans le traçage des origines de la MOP dans les études futures. Grâce à nos résultats, nous montrons le potentiel du δ2Hn pour une application plus large dans divers écosystèmes aquatiques afin d'améliorer la compréhension de la dynamique de la MOP.

Fichier non déposé

Dates et versions

hal-05033375 , version 1 (14-04-2025)

Identifiants

Citer

Florian Ferchiche, C. Liénart, N. Savoye, L. Wassenaar. Unlocking the potential of hydrogen isotopes (δ2H) in tracing riverine particulate organic matter sources and dynamics. Aquatic Sciences - Research Across Boundaries, 2024, 87 (1), pp.5. ⟨10.1007/s00027-024-01127-1⟩. ⟨hal-05033375⟩
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