Les nuages représentent en moyenne 7% du volume de la troposphère. Bien qu'ils correspondent à un très faible volume d'eau par rapport à tous les systèmes aquatiques de notre planète, ils n'en sont pas moins des milieux extrêmement réactifs, qui contribuent à l'évolution chimique de l'atmosphère et donc du climat. Du fait de l'accroissement des activités humaines, ce milieu est le récepteur de nombreux composés chimiques et sera donc le lieu d'une multitude de réactions. Il apparaît donc très important de suivre son évolution et de comprendre les mécanismes réactionnels prépondérants qui y prennent place.
Depuis 2003, l'équipe d'Anne-Marie DELORT, au laboratoire de Synthèse et Etude de Systèmes à Intérêt Biologique [1] à Clermont-Ferrand en France, s'intéresse aux microorganismes présents dans les nuages et à leur rôle dans la chimie atmosphérique. La structure et la fonction des populations microbiennes dans les nuages restent très mal connues à ce jour, c'est un sujet novateur au niveau international, car seuls les physiciens et les chimistes de l'atmosphère s'étaient intéressés à ce compartiment de l'environnement.
Le premier aspect des recherches de cette équipe concerne la description du contenu microbien dans l'eau atmosphérique. Cette activité s'intègre dans la mission du SO-BEAM [2]. L'objectif à long terme est d'évaluer comment l'activité de l'Homme (comparaison milieu urbain/naturel) modifie la composition chimique, biologique et l'état physique de l'eau dans les nuages au sommet du Puy de Dôme. Le site du Puy de Dôme (1465 m, Figure 1) est unique en Europe car il permet d'étudier des masses nuageuses en troposphère libre très caractéristiques : à l'ouest, rurales et océaniques, non polluées ; au nord, industrielles et urbaines, polluées. L'eau atmosphérique est prélevée grâce un impacteur à nuage (Figure 2). La flore microbienne totale (environ 105 cellules /mL d'eau nuageuse) est comptée par microscopie à épifluorescence, l'activité métabolique caractérisée par le dosage d'ATP (Adénosine Tri-Phosphate, "molécule de la vie") et enfin la flore microbienne cultivable est identifiée (1% de la flore totale). A ce jour plus de 200 souches ont été isolées au laboratoire.
Outre l'étude de la structure des populations microbiennes, la recherche s'intéresse à leur fonction potentielle dans les nuages. Les microorganismes jouent-ils un rôle dans la chimie des nuages ? Autrement dit, sont-ils capables de bio-transformer certaines espèces présentes dans l'eau atmosphérique ? Les cinétiques de ces réactions sont-elles compétitives face à celles engendrées par l'action de la lumière ? Ce type de questions n'avait jamais été posé auparavant par les physiciens et chimistes de l'atmosphère alors que les microorganismes en tant que biocatalyseurs sont capables a priori d'effectuer les mêmes transformations que des réactions purement chimiques ou photochimiques.
Après l'étude systématique par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) des potentialités dégradatives des bactéries isolées des nuages vis-à-vis de l'acétate, du L et D-lactate, du formiate, du succinate, du méthanol et du formaldéhyde, espèces organiques majeures dans les nuages, ces deux dernières années l'étude plus fine de quelques souches ciblées a été entreprise. Les vitesses de dégradation de ces souches sont mesurées avec précision et à des températures proches de celles des nuages (température moyenne de 5°C au sommet du puy de Dôme). En laboratoire un travail est effectué : 1) soit sur des souches pures en présence d'un seul substrat, 2) soit avec une souche pure en milieu nuage reconstitué, 3) soit avec de l'eau de nuage réelle contenant la flore et les composés endogènes. Nous travaillons en biodégradation seule, en photodégradation (collaboration avec le LPMM) seule ou en photo-biodégradation. Les premiers résultats montrent que les voies de dégradation biologiques et photochimiques sont très proches (Figure 3) et que le temps de vie des composés mesurés lors des biodégradations sont du même ordre de grandeur que ceux obtenus en photodégradation. Ces résultats sont à confirmer par un nombre d'études plus larges mais sont extrêmement encourageants.
Ce programme de recherche est soutenu par le programme LEFE-CHAT du CNRS mais également par le programme PHC Stefanik Franco-Slovaque (ainsi qu'une thèse en cotutelle financée par l'ambassade de France en Slovaquie, collaboration avec Maria MATULOVA, Académie des Sciences de Slovaquie à Bratislava).
Pour aller plus loin, ces résultats devront être intégrés à des modèles numériques. En effet, caractériser la composition chimique et microbiologique de l'eau nuageuse, et réaliser des expériences de dégradation en laboratoire ne suffisent pas à comprendre ce qui se passe réellement au sein du nuage. Le nuage est un milieu multiphasique (eau/gaz/particules) en perpétuelle évolution que seuls des modèles mathématiques permettent de représenter.
Le modèle M2C2 (Model of Multiphase Cloud Chemistry, développé par le LaMP) permettra de simuler finement les processus physico-chimiques au sein des nuages et, donc, d'aider à l'interprétation les mesures de terrain et à la compréhension des interactions complexes entre chimie et microphysique au sein des nuages. Cette approche nous permettra à long terme de conclure sur l'activité réelle des microorganismes dans la chimie des nuages et de son efficacité comparée à l'activité solaire.
Bibliographie produite durant la coopération :
- DEGUILLAUME L. , LERICHE M. , AMATO P. , ARIYA P. A. , DELORT A.-M. , POSCHL U. , CHAUMERLIAC N., BAUER H. , FLOSSMANN A. I. , MORRIS C. E. . Microbiology and atmospheric processes: chemical interactions of primary biological aerosols. Biogeosciences, 2008, 5, 1073-1084. - AMATO P., DEMEER F. , MELHAOUI A. , FONTANELLA S. , MARTIN-BIESSE A.-S. , SANCELME M. , LAJ P. , DELORT A.-M. , A fate for organic acids, formaldehyde and methanol in cloud water: their biotransformation by micro-organisms. Atmospheric Chemistry and Physics , 2007, 7 , 4159- 4169. - AMATO P., PARAZOLS M. , SANCELME M. , LAJ P. , MAILHOT G. , DELORT A-M. , An important oceanic source of microorganisms for cloud water at the puy de Dôme (France). Atmos. Environ ., 2007, 41 , 8253- 8263. - AMATO P., PARAZOLS M. , SANCELME M. , LAJ P. , MAILHOT G. , DELORT A-M. Microorganisms isolated from the water phase of tropospheric clouds at the Puy de Dôme: major groups and growth abilities at low temperatures. FEMS Microbiol. Ecol., 2007, 59, 242-254. - AMATO P., PARAZOLS M. , SANCELME M. , LAJ P. , MAILHOT G. , DELORT A-M. Microbial population in cloud water at the Puy de Dôme: implications for the chemistry of clouds.Atmosph. Environ., 2005, 39, 4143-4153.
- [1] SEESIB, UMR 6504 du CNRS-université Blaise Pascal, contact : http://redirectix.bulletins-electroniques.com/54PGJ - [2] Service d'Observation: "Bio-physico-chimie de l'Eau Atmosphérique et Modifications anthropiques" alliant l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand, le laboratoire de Météorologie Physique (LaMP), le laboratoire de Photochimie Moléculaire et Macromoléculaire (LPMM) et l'équipe d'Anne-Marie DELORT (SEESIB) - Anne-Marie DELORT : A-Marie.DELORT@univ-bpclermont.fr - Maria MATULOVA : matulova@savba.sk - "Programme Stefanik 2008-2009" - BE Slovaquie 7 (4/11/2008) : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/56511.htm
