La chimie et la physique: des outils pratiques en environnement

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1 La chimie et la physique: des outils pratiques en environnement
Utilisation des isotopes en recherche Collège Lionel-Groulx

2 Collège Lionel-Groulx
Plan du cours Les isotopes stables et radioactifs Isotopes stables L’ 18O et la paléoclimatologie Le 13C, le 15N et l’étude des réseaux trophiques Isotopes radioactifs La datation des fossiles au 14C L’utilisation du 137Cs en modélisation bioénergétique Collège Lionel-Groulx

3 Collège Lionel-Groulx
Les isotopes Isotopes: différentes formes atomiques d’un élément, où le nombre de neutrons varie [1]. Si le noyau d’un isotope n’a pas tendance à perdre de particules, ont dit que c’est un isotope stable. Si le noyau se désintègre spontanément, ont dit que c’est un isotope radioactif, ou radio-isotope. Collège Lionel-Groulx

4 La signature isotopique
La signature isotopique d’un échantillon est représentée sous forme d’un ratio entre deux isotopes stables comparé avec un standard. Par exemple, pour le 18O:16O 𝛿 18 𝑂 = 𝑂 𝑂 é𝑐ℎ𝑎𝑛𝑡𝑖𝑙𝑙𝑜𝑛 𝑂 𝑂 𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑 −1 ×1000 ‰ La valeur de la signature est positive si l’échantillon est plus riche que le standard pour l’isotope le plus lourd. Collège Lionel-Groulx

5 Étudier le climat passé: la paléoclimatologie
L’invention du thermomètre remonte au 17ième siècle. Comment savoir la température qu’il faisait il y 6000 ou 30,000 ans? C’est en étudiant la signature isotopique de glaces anciennes. [2] [3] © British Antarctic Survey, Pete Bucktrout Collège Lionel-Groulx

6 δ18O: la signature isotopique de la glace
L’oxygène existe de façon stable sous deux formes: le 16O et le 18O. L’eau formée avec 18O est plus lourde que celle formée avec le 16O. Lorsqu’il fait plus chaud, la proportion d’eau évaporée contenant du 18O augmente. Plus il fait froid, moins de vapeur d’eau contenant du 18O se rend jusqu’aux pôles. La signature isotopique de la glace aux pôles est un reflet de la température moyenne du globe au moment de la formation de la glace. δ18O [4] [4] Collège Lionel-Groulx

7 La signature isotopique pour étudier les réseaux trophiques
13C vs 12C Atmosphère: δ13C = -7‰ Photosynthèse C3, couche limite mince δ13C = -37‰ Plante: Atmosphère: δ13C = -7‰ Photosynthèse C3, couche limite épaisse δ13C = -22‰ Plante: Le 12C représente environ 99% du carbone de la planète. La ribulose diphosphate carboxylase, l’enzyme responsable de la fixation du carbone lors de la photosynthèse des plantes de type C3, fixe préférentiellement le 12C [5]. Le taux de discrimination contre le 13C dépend de la turbulence et de la viscosité du milieu, en lien avec l’épaisseur de la couche limite [5]. Collège Lionel-Groulx

8 La signature isotopique pour étudier les réseaux trophiques
δ13C = -30‰ Lors de la digestion/respiration, la discrimination enzymatique contre le 13C est négligeable. La signature isotopique d’un consommateur est donc identique à celle de sa nourriture. Permet de savoir ce que mange un individu en moyenne sur une grande période de temps. Si l’organisme étudié est assez gros, permet d’éviter la mort de l’organisme étudié en faisant une biopsie (plutôt que de sacrifier l’animal pour déterminer son contenu stomacal). Si des humains allaient nourrir ces poissons avec de la nourriture pour laquelle δ13C = -15‰, qu’arriverait-il à la signature isotopique des poissons? δ13C = -30‰ δ13C = -30‰ adapté de [1] Collège Lionel-Groulx

9 Collège Lionel-Groulx
Exercice L’omble de fontaine mange des insectes aquatiques (δ13C = -28‰) et des insectes terrestres (δ13C = -36‰). Si la signature isotopique de l’omble est δ13C = -30‰, quelle proportion de sa nourriture est d’origine aquatique? Collège Lionel-Groulx

10 Collège Lionel-Groulx
Petit problème… L’omble de fontaine mange des insectes aquatiques (δ13C = -28‰), des petits poissons (δ13C = -28‰) et des insectes terrestres (δ13C = -36‰). Si la signature isotopique de l’omble est δ13C = -30‰, les petits poissons représentent quelle proportion de sa nourriture? Solution: changer la signature isotopique (unidimensionnel) pour la position isotopique… Collège Lionel-Groulx

11 La position isotopique pour étudier les réseaux trophiques
15N vs 14N δ15N = 12,4‰ Le 14N représente 99,64% de l’azote de la planète. Les processus d’assimilation des consommateurs imposent une grande discrimination des isotopes. Les consommateurs sont enrichis en 15N par rapport à leurs sources de nourriture. Cet enrichissement peut varier légèrement mais une valeur moyenne de 3,4‰ a été proposée [6]. En tenant compte à la fois de δ13C et de δ15N, on obtient la position isotopique (bidimensionnelle). δ15N = 9‰ δ15N = 5,6‰ adapté de [1] Collège Lionel-Groulx

12 La position isotopique pour étudier les réseaux trophiques
Avec deux signatures isotopiques (δ13C et δ15N), on obtient la position isotopique et il devient possible de déterminer la proportion de chacune des trois sources de nourriture [7]. Collège Lionel-Groulx

13 Collège Lionel-Groulx
Comment déterminer les proportions quand il y a 3 sources de nourriture? Pour le 13C: δ13Cconsommateur = a*δ13CA + b*δ13CB + c*δ13CC Pour le 15N: δ15Nconsommateur corrigée = a*δ15NA + b*δ15NB + c*δ15NC Et sachant que: a + b + c =1 Où a, b et c sont les proportions qu’occupent chaque source dans la diète du consommateur (nombre de 0 à 1) δ13CA ou B ou C sont les signatures isotopiques du C de chaque source δ15NA ou B ou C sont les signatures isotopiques du N de chaque source Le δ15N du consommateur est corrigé pour l’enrichissement trophique (-3,4 ‰) Il y a deux façons de résoudre le problème: la méthode d’élimination-substitution ou avec des matrices (votre cours NYC-05…). Collège Lionel-Groulx

14 L’utilisation des radio-isotopes: la datation radiométrique
Technique basée sur le ratio entre le 14C et le 12C dans l’échantillon. La demi-vie du 14C est de 5730 ans. Plus l’échantillon est âgé, plus le ratio 14C:12C est petit. [1] Au-dessus de 75,000 ans, un autre isotope (demi-vie plus longue) doit être utilisé (limite de détection) [1]. Collège Lionel-Groulx

15 La modélisation bioénergétique
Combien de kg de larve de moustique mange un jeune saumon en 1 mois? Le 137Cs est un contaminant omniprésent dans l’environnement et comme il est similaire au potassium, il est facilement absorbé mais lentement éliminé par les être vivants. Si on connaît: la concentration de 137Cs Des larves de moustique Du saumon à t = 0 Du saumon à t = 30 jours Le taux d’élimination (k) de 137Cs du saumon (évalué au laboratoire) … il sera facile de calculer la quantité de larves consommées par le bilan du 137Cs [8]. Collège Lionel-Groulx

16 Collège Lionel-Groulx
Le taux d’élimination du 137Cs évalué en laboratoire: la méthode graphique des résiduelles [9] Cette méthode est aussi utilisée en pharmacologie pour l’étude de la cinétique des médicaments. Collège Lionel-Groulx

17 Collège Lionel-Groulx
En résumé L’utilisation des isotopes stables et des radio- isotopes en environnement permettent: De déduire les conditions climatiques du passé. De mieux comprendre les cycles biogéochimiques de certains éléments dans les écosystèmes. De simplifier le travail des chercheurs. D’éviter de sacrifier un grand nombre d’organismes. Collège Lionel-Groulx

18 Collège Lionel-Groulx
Médiagraphie [1] Reece, J.B. et coll. (2012). Campbell Biologie. 4ième éd., Éditions du Renouveau pédagogique (ERPI), 1348 pages. [2] NOAA. Page consultée le 10 février Temperature change and carbon dioxide change. [En ligne], URL: [3] Ice stories: dispatches from polar scientists. Page consultée le 13 février Climate change. [En ligne], URL: [4] NASA Earth Observatory. Page consultée le 13 février Paleoclimatology: the oxygen balance. [En ligne], URL: [5] Hecky, R. E., et R. H. Hesslein. (1995). Contributions of benthic algae to lake food webs as revealed by stable isotope analysis. Journal of the North American Benthological Society, vol. 14, p [6] Cabana, G., et J. B. Rasmussen. (1994). Modelling food chain structure and contaminant bioaccumulation using stable nitrogen isotopes. Nature, 372(6503), p [7] Chagnon, G. (2001). The relative contribution of pelagic primary production to the littoral food web of lakes. Mémoire de maîtrise, Université McGill. 68 p. [8] Forseth, T., et coll. (1992). Radioisotope method for estimating food consumption by brown trout (Salmo trutta). Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, vol. 49, p [9] Chagnon, G. (1998). A model for the elimination of radiocesium by unionid bivalves. Essai, Département de biologie, Université McGill. 26 p. Collège Lionel-Groulx