Analyse de la composition élémentaire de Pecten maximus par HR-ICP-MS Element 2

Recherche de traceur et d’indicateur 

Si l’impact anthropique sur le climat de la planète ne peut désormais plus être nié, son ampleur reste toutefois relativement difficile à évaluer. Plus précisément, il est difficile d’estimer les parts respectives des activités anthropiques et de la variabilité climatique naturelle sur les changements observés de nos jours au niveau de la structure et du fonctionnement des écosystèmes. Ce découplage est aujourd’hui l’une des priorités de la communauté scientifique internationale. Dans cette optique, mais également dans l’objectif de modéliser correctement l’évolution future de ces écosystèmes, il est crucial de disposer d’informations permettant de quantifier l’importance des variations climatiques et environnementales naturelles avant toute influence humaine majeure (exemple avant le début de l’ère industrielle). Il est notamment capital d’appréhender la variabilité naturelle passée du système océanique (température, salinité, production primaire), l’océan mondial étant un acteur essentiel du système climatique (circulation thermohaline, pompe biologique de carbone, …) .

L’étude de la production primaire passée fait appel, pour les périodes récentes, à des enregistrements instrumentés ou historiques de divers paramètres environnementaux (température de l’eau de mer, concentration en nutriments, en oxygène, en dioxyde de carbone, vitesse des vents…). Cependant, la longueur de ces séries temporelles n’excède généralement pas deux siècles pour les plus longues. Au-delà, la communauté scientifique utilise des traceurs dont les variations sont enregistrées au sein de différents types d’archives naturelles.

Un traceur correspond à une variable, souvent géochimique (rapports d’isotopes stables, concentrations élémentaires). Sa valeur est « corrélée » à un paramètre environnemental comme la température, la salinité, la vitesse des vents, le cycle des marées, la concentration en nutriments, la productivité, etc. (Jones, 1983 ; Wefer et al., 1999). Leur découverte est généralement issue d’études portant sur la période actuelle établissant un lien statistique ou mécanistique entre le traceur et un paramètre environnemental. La particularité principale des archives de traceurs est de croître par dépôts successifs et périodiques sous forme de couches (organiques par exemple). Si cette croissance est datable (dépôt annuel, saisonnier, voire même journalier), toutes les strates peuvent être replacées sur une échelle chronologique établissant ainsi un enregistrement précis des variations environnementales.

Potentiel des bivalves comme archives de l’environnement marin 

Les mollusques présentent de nombreux avantages par rapport aux carottes de sédiments ou de coraux, le premier d’entre eux étant la présence de marques de croissance formées, chez quelques familles de bivalves, avec une fréquence très élevée (marques journalières) dans la matrice calcaire, permettant de replacer les variations du traceur étudié sur une échelle calendaire. Cette caractéristique confère à ces bivalves un potentiel considérable en terme de reconstruction hauterésolution des variations infra-saisonnières des conditions environnementales, alors que les coraux et les sédiments n’offrent le plus souvent qu’une résolution infra-annuelle à décennale. D’autre part, les mollusques permettent une couverture géographique très large des enregistrements de type « proxies » (écosystèmes polaires, tempérés et tropicaux, estuaires, zones côtières, plateau continental, sources hydrothermales, etc.). Enfin, le taux de croissance très élevé de certaines espèces permet d’étudier précisément, en conditions contrôlées, les mécanismes d’incorporation des signaux géochimiques dans la matrice coquillière. Les études des coquilles de bivalves, une des huit classes de l’embranchement des mollusques connaît un essor grandissant. Leur croissance par incréments successifs de couches de carbonate de calcium, à une fréquence très rapide (marquage journalier chez certaines espèces) offre des informations intéressantes. Cette rythmicité élevée donne un dispositif reconstructeur de grande qualité sur le biotope chimique environnemental et l’état physiologique que l’animal a connu durant son existence.

Leur seul inconvénient peut résider dans une durée de vie moins élevée en général comparée aux coraux incluant un enregistrement de fenêtre temporelle plus petite, même si celui-ci est à très haute résolution. Pourtant, il existe des exceptions pour certaines espèces ; dernièrement un clam Arctica islandica des côtes islandaises aurait vécu entre 405 et 410 ans homologuant un nouveau record du règne animal (www.bangor.ac.uk/news/full.php.en?Id=382). La combinaison de plusieurs espèces de bivalves sur un site peut permettre un suivi environnemental avec des résolutions et échelles de temps variables selon les espèces étudiées. C’est dans ce cadre que les propriétés intrinsèques des bivalves, en font de bons candidats pour la compréhension de l’incorporation des signaux environnementaux ainsi que, pour in fine, la reconstruction des fluctuations environnementales passées (Wefer et Berger, 1991 ; Richardson, 2001a).

Constitution de la coquille – un creuset de traceurs 

Afin de comprendre comment des informations environnementales peuvent s’incorporer dans les coquilles des bivalves, il est nécessaire d’expliquer au préalable le processus de fabrication de la coquille. Cette bio-minéralisation n’est pas complètement régulée par des facteurs environnementaux mais aussi par des processus biologiques car les deux valves, communes à tout ce groupe zoologique, constituent l’exosquelette calcifié de l’animal. La coquille des mollusques se forme par précipitation à partir d’éléments dissous (Ca2+ et HCO3- ) (Wilbur & Saleuddin, 1983), et est secrétée par le bord du manteau, à savoir le Fluide Extra-Palléal (FEP). Il s’agit d’une couche de tissu qui entoure le corps de l’animal situé entre les cellules épithéliales du manteau et la surface de calcification de la coquille (Figure 1). Cette caractéristique apparaît importante car si des éléments métalliques sont présents dans ce fluide, ils peuvent être incorporés dans la matrice coquillière. Typiquement, FEP est isolé de l’eau de mer et présente des concentrations élémentaires ou isotopiques différentes. La composition de l’exosquelette des mollusques diffère selon les espèces mais se caractérise toujours par un montage complexe d’une fraction minérale (essentiellement du carbonate de calcium CaCO3) incluse dans une matrice organique (composée de protéines et glycoprotéines) pour une proportion avoisinant 95%CaCO3/5%Matière Organique (Carroll et al., 2006). Le processus de fabrication de la coquille, d’une grande complexité, n’est pas complètement élucidé compte tenu de la difficulté rencontrée pour comprendre le rôle des substances organiques et le peu d’études sur ce sujet. Explicitement, le principe réside dans la construction à la périphérie de la coquille d’une mince enveloppe éventuellement colorée et pourvue d’ornements dénommée périostracum. Cette strate s’élabore à partir de substances organiques essentiellement des protéines conchyolines. Ensuite, une épaisse couche sous-jacente, l’ostracum (couche des prismes) s’établit et se constitue de cristaux de carbonate de calcium séparés et emprisonnés dans une trame organique.

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Table des matières

Sommaire
Avant-propos
Introduction
I L’ICP-MS comme outil de recherche sur l’évolution climatique (via l’étude des mollusques)
I-1 Historique
I-2 Qu’est ce qu’une source plasma
I-3 Différents spectromètres à source plasma
I-3-1 L’ICP-AES
I-3-2 L’ICP-MS
I-3-2-a L’ICP-MS quadripolaire
I-3-2-b Le HR-ICP-MS
I-4 Fonctionnement de l’Element 2
I-4-1 Analyse en phase liquide
I-4-2 Analyse par couplage avec un système d’ablation-laser
I-5 Etudes antérieures sur les mollusques par ICP-MS
I-5-1 Etudes antérieures
I-5-2 Objectifs de ce travail
II L’ICP-MS Element 2 comme outil de recherche pertinent des traceurs contenus dans les valves de Pecten maximus
II-1 Méthodologie
II-1-1 Traitement des données
II-2 Elaboration d’une solution standard liquide à matrice CaCO3
II-2-1 Vérification de l’abondance du calcium dans les valves de Pecten maximus
II-2-1-a Description brève de la microsonde électronique
II-2-1-b Préparation des échantillons et choix analytiques
II-2-1-c Résultats concernant le calcium le long d’un axe de croissance (période : mars-septembre 2004)
II-2-1-d Résultats concernant le calcium le long d’une strie
II-2-2 Conception de la solution standard à matrice carbonate de calcium (“Calcite Brest”)
II-2-2-a Les constituants majeurs
II-2-2-b Les éléments en traces
II-2-3 Calibration de “Calcite Brest”
II-3 Analyse des coquilles par ICP-MS en mode liquide
II-3-1 Préparation des coquilles avant dosage par ICP-MS
II-3-2 Préparation des solutions avant dosage par ICP-MS
II-3-2-a Les échantillons de poudre
II-3-2-b Les blancs
II-3-2-c L’étalon externe, contrôle de la reproductibilité
II-3-2-d Le standard de calcite artificiel (l’étalon externe)
II-3-3 Réglage de l’ICP-MS avant dosage des solutions
II-3-4 Définition de la méthode d’analyse des coquilles Saint-Jacques en mode indirect
II-3-4-a Choix des éléments et du mode de résolution
II-3-4-b Définition de la méthode “Ca-Mg réduite”
II-3-5 Traitement des données en analyse indirecte
II-4 Méthodologie d’analyse des coquilles de Pecten maximus par LA-ICP-MS
II-4-1 Généralité sur l’analyse LA-ICP-MS
II-4-2 Amélioration de l’analyse des coquilles Saint-Jacques via LA-ICP-MS
II-4-2-a Choix de l’étalon interne
II-4-2-b Choix de la méthode d’ablation
II-4-3-c Réglage du système LA-ICP-MS
II-4-3-d Eléments composant la méthode “Laser mollusque”
II-4-3-e Conditions opératoires de la méthode “Laser mollusque”
II-4-3 Mesure et traitement des données
II-4-3-a Choix des Standards et déroulement d’une séquence de mesure
II-4-3-b Traitement des données
II-5 Recalage temporel des prélèvements et calcul du profil de croissance
II-5-1 Recalage temporel des prélèvements
II-5-2 Calculs des profils de croissance
II-6 Présentation des sites d’études
II-6-1 La rade de Brest
II-6-2 Belle-Ile en mer et la baie de Saint-Brieuc
III Etude comparative des méthodes d’analyse des carbonates de Pecten maximus
III-1 Comparaison entre une analyse LA-ICP-MS et ICP-MS
III-1-1 Les constituants majeurs des coquilles Saint-Jacques
III-1-2 Les éléments en traces
III-1-3 Un échantillonnage différent
III-1-4 Conclusion
III-2 Comparaison aux résultats antérieurs obtenus chez Pecten maximus
III-2-1 Comparaison des « bruit de fond »
III-2-2 Comparaison des enrichissements épisodiques
III-2-2-a Comparaison des profils pour une saison équivalente
III-2-2-b Reproductibilité sur les 3 années étudiées
III-2-2-c Nécessité de prélever pendant la période de croissance pour un enregistrement à haute-résolution
III-3 Comparaison des abondances élémentaires obtenues le long des coquilles de Pecten maximus par ICP-MS et microsonde
III-3-1 Le calcium
III-3-2 Les autres éléments
III-3-3 Analyse microsonde à l’échelle de la strie
III-3-4 Mode d’incorporation de certains éléments dans la matrice organique
III-4 Reproductibilité et homogénéité des teneurs élémentaires sur la valve gauche de Pecten
Synthèse – Perspective
Synthèse
Perspective
Références bibliographiques
Glossaire
Liste des Tableaux
Liste des Figures
Annexes
Abstract
Résumé

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