From specific production to homogenisation of dissolved organic matter produced by vegetation - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

From specific production to homogenisation of dissolved organic matter produced by vegetation

De la production spécifique à l’homogénéisation des matières organiques dissoutes produites par les végétaux

Résumé

Although dissolved organic matter (DOM) represents a small fraction of soil organic matter (OM), it is involved in many biogeochemical processes in the environment. Its composition reflects its sources of production, and the processes it has been exposed to. However, the processes taking place immediately after DOM production are still poorly understood, due to its high reactivity. In terrestrial environments, fresh leaf litter is one of the major initial sources of DOM, before it is degraded. This PhD focused on the characterisation of DOM produced by different vegetation species, and the evolution of their properties during biodegradation. The relationship between the composition of vegetation cover and the molecular signature of DOM has been assessed, in order to determine the influence of molecular signature of vegetation leachate on natural DOM composition in the environment. The water extractable OM (WEOM) produced by 6 vegetation species (C. stellaris, F. nivalis, E. vaginatum, B. nana, B. pubescens, and Salix sp.) were characterised through complementary analytical technics. The results showed that the quantity and composition of WEOM produced by vegetation were different between plant functional types (PFT). It was also pointed out that some proxies commonly used to characterise DOM were not relevant to the study of unprocessed WEOM. However, the comparison of relevant proxies indicated that graminoids were potentially less biodegradable than lichens, but more than shrubs. WEOM biodegradation experiments were carried out under controlled conditions. For this purpose, 4 species belonging to different PFT were selected, and their WEOM extracted. These species were C. stellaris (lichen), E. vaginatum (sedge), A. polifolia (dwarf evergreen shrub), and B. nana (deciduous dwarf shrub). The results showed a significantly higher consumption of WEOM produced by C. stellaris and E. vaginatum, than A. polifolia and B. nana, at the end of the experiment. In the meantime, the accumulation of recalcitrant compounds in WEOM was observed, especially for B. nana. These results put into light a more important biodegradability of lichens and graminoids compared to shrubs. Furthermore, the molecular diversity of WEOM significantly decreased for C. stellaris and E. vaginatum, whereas it increased for B. nana. Species-specific biodegradation processes have been brought to light. Finally, samples of DOM were collected from Arctic ecosystems with contrasted vegetation cover compositions. DOM samples were analysed by high resolution mass spectrometry (HRMS). Their molecular signatures were compared to each other, and to WEOM produced by vegetation. A great amount of compounds were common to all DOM samples. Despite these ubiquitous compounds, it was possible to discriminate ecosystems, based on the molecular compositions of their DOM. The contributions of each species to the vegetation cover were compared to the contributions of their WEOM to the molecular signature of DOM. These comparisons showed a significant positive correlation for B. nana, but not for other studied species. The results of this thesis show that the quantity and composition of produced WEOM are vegetation-specific. Consequently, WEOM biodegradability is also vegetation-specific. Furthermore, the WEOM produced by vegetation are homogenised during their biodegradation. Therefore, the DOM produced by different vegetation species won’t have the same dynamic in the environment.
Bien que représentant une petite proportion de la matière organique (MO) des sols, la MO dissoute (MOD) est au cœur de nombreux processus biogéochimiques dans l’environnement. Sa composition reflète ses sources de production, et les processus auxquels elle a été exposée. Cependant, les processus ayant lieu dans les premiers instants suivant la production de MOD naturelle sont encore mal connus, du fait de la haute réactivité de celle-ci. Dans les environnements terrestres, la litière végétale est une des sources initiales majeures de MOD, avant que cette dernière ne soit dégradée. Les travaux effectués au cours de ce doctorat se sont donc focalisés sur la caractérisation des MOD produites par différentes espèces végétales, ainsi que sur leurs évolutions qualitatives et quantitatives, au cours de la biodégradation. Le lien entre la composition de la couverture végétale et la signature moléculaire de la MOD naturelle a également été évalué, afin de déterminer le lien entre les signatures végétales caractérisées et la composition des MOD naturelles. Les MO extractibles à l’eau (WEOM) produites par 6 espèces végétales (C. stellaris, F. nivalis, E. vaginatum, B. nana, B. pubescens, et Salix sp.) ont été caractérisées grâce à l’utilisation de techniques analytiques complémentaires. Les résultats ont montré que la quantité et la composition de la WEOM produite par les végétaux étaient dépendantes du type fonctionnel de plante (PFT). Il a également été mis en avant que certains proxys classiquement utilisés pour caractériser la MOD n’étaient pas applicables à l’étude de WEOM non transformées. Néanmoins, la confrontation des proxys appropriés a permis d’affirmer que la WEOM des graminées étaient potentiellement moins biodégradables que celle des lichens, mais plus que celle des arbustes. Des expériences de biodégradation de WEOM ont ensuite été effectuées en conditions contrôlées. Pour cela, 4 espèces appartenant à différents PFT ont été sélectionnées, et leurs WEOM extraites. Ces espèces sont C. stellaris (lichen), E. vaginatum (carex), A. polifolia (arbuste persistant), et B. nana (arbuste à feuilles caduques). En fin d’incubation, les résultats montrent une consommation significativement plus importante des WEOM produites par C. stellaris et E. vaginatum, que par A. polifolia et B. nana. En parallèle, l’accumulation des composés récalcitrants dans les WEOM a été observée, en particulier pour B. nana. Ces résultats reflètent des biodégradabilités plus importantes pour les WEOM de lichens et graminées que pour celles des arbustes. La diversité moléculaire de la WEOM a également significativement diminué pour C. stellaris et E. vaginatum, et à l’inverse, a augmenté pour B. nana. Des processus de biodégradation propres aux espèces produisant ces WEOM ont donc été mise en évidence. Enfin, des échantillons de MOD ont été prélevés dans des écosystèmes Arctiques aux compositions de couvertures végétales contrastées. Ces MOD ont été analysées par spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS). Leurs signatures moléculaires ont été confrontées les unes aux autres, puis comparées à celles des WEOM issues des végétaux. Une majorité de composés sont communs à toutes les MOD. Malgré ces composés ubiquistes, les écosystèmes peuvent être distingués à partir des compositions moléculaires de leurs MOD. Pour chaque espèce végétale étudiée, la contribution de celle-ci à la couverture totale (en % de surface) a été confrontée à la contribution des molécules spécifiques à cette espèce à la composition totale de la MOD. Ces comparaisons ont montré une corrélation positive significative pour B. nana, contrairement aux autres espèces étudiées. L’ensemble des résultats de cette thèse montrent que les quantités et les qualités de WEOM produites par les végétaux sont spécifiques, et par conséquent, leurs biodégradabilités aussi. Lors de leur biodégradation, les MOD issues des végétaux sont homogénéisées, ce qui semble indiquer que les MOD produites par différentes espèces végétales n’ont pas les mêmes dynamiques dans l’environnement.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-03979367 , version 1 (08-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03979367 , version 1

Citer

Alienor Allain. From specific production to homogenisation of dissolved organic matter produced by vegetation. Environmental Sciences. Sorbonne Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022SORUS308⟩. ⟨tel-03979367⟩
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