Les tourbières sont communément utilisées comme archives de dépôts de mercure (Hg). De nombreuses études ces dernières décennies ont montré que les taux d’accumulation de Hg (HgARs) ont augmenté en réponse à l’industrialisation. Les signatures isotopiques en Hg se révèlent très utiles pour mieux caractériser les dépôts de Hg. Elles ont permis de montrer que les dépôts secs de Hg élémentaire gazeux (GEM) dominent les dépôts de Hg sur la tourbière du Pinet. L’analyse d’échantillons de tourbe provenant de plusieurs tourbières en hémisphère nord montre que les dépôts secs de GEM dominent globalement les dépôts de Hg. Les tourbières pourraient donc être utilisées comme archives à la fois des dépôts humides et des concentrations en GEM pendant l’Holocène. On présente la première reconstruction quantitative des concentrations passées en GEM à partir de carottes de tourbe. L’impact de l’Homme sur le cycle du Hg a eu pour conséquence une augmentation graduelle des concentrations en GEM de 0,2 (10 000 – 4000 BP) à 3,5 ng m-3 (20ème siècle), accompagnée par des modifications de signatures isotopiques du Hg atmosphérique. Cette première utilisation de tourbières comme archives de concentration et d’isotopie du GEM est prometteuse, et devrait être étendue à la période pré-anthropique pour étudier les variations naturelles du cycle du Hg pendant l’Holocène. / During the past few decades, peatlands were successfully used to investigate historical mercury (Hg) deposition. The chronology of Hg accumulation rates (HgARs) to peatlands is well constrained, with recent increases in HgAR associated with anthropogenic Hg emissions and deposition. The use of Hg stable isotopes in peatland ecosystems provides new opportunities to better characterize and understand historical Hg deposition. In an extensive study conducted at the Pinet peat bog (French Pyrenees) we identify gaseous elemental Hg (GEM) dry deposition, via foliar uptake, as the dominant Hg transfer pathway from the atmosphere to peat vegetation. Based on the Hg isotope analysis of multiple northern hemispheric peat records, we find that GEM dry deposition dominates Hg deposition globally. We suggest that peatlands can be used as archives of both past Hg wet deposition, Hg dry deposition and GEM concentration. We present the first quantitative reconstruction of historical atmospheric GEM concentrations using peat archives from the Pyrenees. The Human impact on Hg cycling caused a gradual increase in GEM concentrations from 0.2 (10,000 – 4000 BP) to 3.5 ng m-3 (20th Century) and was accompanied by a change in atmospheric Hg isotope signatures. This first comprehensive study on Hg isotope deposition to peatlands is promising and should be extended to pre-anthropogenic times to investigate natural variations in atmospheric Hg dynamics during the Holocene.

Les dépôts azotés (DA) mesurés à l'étage subalpin des Pyrénées sont compris entre 8 et 15 kg N ha-1 an-1, soit égaux ou supérieurs à la charge critique actuellement définie pour ces milieux et supérieurs aux estimations fournies par les modèles de chimie-transport. Au cours des soixante dernières années, les pelouses subalpines pyrénéennes sont devenues plus thermophiles et mésotrophes, plus riches en espèces et plus homogènes à l'échelle des Pyrénées. Le changement climatique (CC) et le cumul de DA ont réduit les contraintes abiotiques de ces habitats, favorisant l'installation d'espèces moins stress-tolérantes. Ces milieux piègent et conservent efficacement l'azote d'origine atmosphérique, même en contexte de CC. Des effets des DA sont détectables sur la végétation (%N, biomasse et recouvrement de certains groupes) avant d'être détectables dans le sol. Ces effets sont plus marqués en réponse aux apports dominés par l'ammonium plutôt que par le nitrate, et sont additifs ou compensatoires avec ceux du CC, mais rarement interactifs. / Atmospheric nitrogen deposition in the subalpine Pyrenees is in order of 8 to 15 kg N ha-1 yr-1, equivalent or higher than the actual critical load for these habitats and higher than chemistry-transport models' estimates. During the past six decades, Pyrenean subalpine grasslands became more thermophilous and mesotrophic, richer in species and more homogeneous at the regional scale. Climate change and cumulative nitrogen deposition reduced the abiotic constraints in these habitats, favouring the installation of less stress-tolerant species. These habitats trap and store efficiently nitrogen from deposition, even in a climate change context. Effects are visible in the vegetation (% of nitrogen, biomass and cover of some groups) before being visible in the soil. These effects are more pronounced following ammonium than nitrate dominated additions, and are additive or compensatory with the effects of climate change, but rarely interactive.

L’accroissement des dépôts de nitrate atmosphérique (NO3-atm) sur les bassins versants d’altitude, limités en ressources, entraîne des changements nets de disponibilité d’azote. Ces apports modifient la diversité biologique (végétation, plantes), les processus des sols liés à l’azote et conduisent à l’eutrophisation des cours d’eau. A terme, l’impact sur les populations humaines se traduira par la perte d’importants services fournis par ces écosystèmes (alimentation en eau, qualité du fourrage, contrôle de l’érosion, biodiversité). Si les effets des dépôts de NO3-atm sur les bassins versants pauvres en azote sont maintenant bien documentés, il n’en reste pas moins à comprendre les processus régissant la rétention de NO3-atm dans les écosystèmes de montagne. Pour ce faire, la variabilité spatio-temporelle de la répartition du NO3-atm dans tous les compartiments subalpins est ici étudiée en utilisant un traceur multi-isotopique (17O, 18O, 15N) du NO3-. L’importante proportion de NO3-atm dans les cours d’eau de montagne, tout au long de l’année et plus particulièrement à la fonte des neiges, laisse à penser que les bassins versants sont cinétiquement saturés en azote. La composition isotopique du NO3- dans les eaux de surface illustre la transformation rapide de l’ammonium de la neige et confirme que la fonte des neiges est une période cruciale du cycle de l’azote dans les montagnes enneigées. La proportion de NO3-atm dans les sols varie, quant à elle, en fonction du type d’occupation des sols et des propriétés biotiques et abiotiques afférentes. Le suivi de la végétation a montré une forte teneur en NO3-atm dans les tissus, par assimilation racinaire et foliaire. Ces avancées scientifiques permettront, à terme, de mieux comprendre comment les dépôts de NO3-atm affectent l’environnement. / Increasing rates of atmospheric nitrate (NO3-atm) deposition in nutrients poor mountainous regions have led to critical changes in nitrogen (N) availability, with consequences on biodiversity (plants, microbes), soils N turnover, and water nutrients status. This will ultimately affect human populations through the loss of critical ecosystem services (e.g., provision of clean freshwater, erosion control, biodiversity). If the impacts of NO3-atm deposition to N-limited basins are now well documented, little is known about the processes driving NO3-atm retention in subalpine ecosystems. In this context, new tools are necessary to better understand the fate of NO3-atm in mountains and to predict the mid and long-term ecological consequences of increasing NO3-atm deposition. This work uses a high-resolution multi-isotopic technique combining 17O, 18O and 15N signatures of NO3- in the different subalpine compartments to understand the temporal and spatial evolution of NO3-atm partitioning in a subalpine watershed of the French Alps. Subalpine streams elevated year-round exports of NO3-atm suggest that the watersheds are kinetically N saturated, especially after snowmelt. The isotopic composition of NO3- in freshwaters also points at the rapid processing of snow ammonium, confirming that snowmelt is “hot moment” for the N cycle in seasonally snow-covered catchments. The monitoring of soils reveals varying NO3-atm proportions depending on the land management treatments and implied biotic and abiotic characteristics. Two dominant subalpine plants showed high proportions of NO3-atm in organs acquired by both root and foliar uptake. These scientific breakthroughs will ultimately lead to a better understanding of how NO3-atm deposition affects the environment.

Le mercure, polluant toxique pour les êtres vivants est présent dans tous les compartiments de l'environnement. Son cycle biogéochimique est encore mal connu, et des lacunes existent, notamment dans les sites de hautes altitudes comme les Alpes françaises. Au cours de ces travaux, nous avons examiné la dynamique du mercure dans les écosystèmes lacustres alpins, par l'étude du transfert de ce polluant entre les différents réservoirs que sont la neige (bassin versant), l'eau des lacs, et les poissons. Par des échantillonnages réguliers (janvier à juin 2009) de la neige de surface du lac Bramant, nous montrons que le manteau neigeux est le siège de processus de dépôts atmosphériques de mercure et de méthylmercure provenant des sources anthropiques de la région de Grenoble. Nous montrons également qu'une proportion de ces espèces rejoint le lac notamment lors de la fonte du manteau neigeux. Cependant, elles s'avèrent rapidement évacuées du lac en raison d'un fort et rapide renouvellement de ces eaux. Par ailleurs, la caractéristique spécifique (peu de végétation, grande minéralité) de ces bassins versants d'altitude explique également les faibles quantités de mercure présentes dans ces lacs. La faible contamination en mercure retrouvée dans les poissons de ces lacs est certainement due notamment à un faible temps de séjour du mercure dans l'eau. Enfin, grâce à un outil de prédiction et d'aide à la décision (WARMF), nous suggérons que les paramètres essentiels gouvernant la méthylation du mercure et la contamination des poissons dans nos lacs ne sont pas les dépôts atmosphériques mais plutôt les caractéristiques physico-chimiques du lac et de son bassin versant.

Les lacs d'altitude sont soumis à des retombées atmosphériques de polluants organiques persistants (POP) issus pour la plupart des activités humaines malgré leur éloignement des sources d'émissions de ces composés. Si les mécanismes de transport atmosphérique de ces polluants jusqu'aux sites d'altitude sont désormais bien connus (« global distillation » ou « grasshopper effect »), on dispose en revanche de très peu d'informations quant à leur devenir dans ces écosystèmes montagnards. Le travail présenté a pour objectif de déterminer les processus internes au lac influençant le devenir de ces polluants, avec un accent plus particulier sur leurs interactions avec les phases organiques et leur intégration dans les réseaux trophiques. En raison de leurs propriétés physico-chimiques très variables entre congénères (e.g., peu à très hydrophobes), les polychlorobiphényles (PCB) ont été choisi comme modèles de POP.L'étude a été conduite sur deux lacs alpins du Parc National des Ecrins (Isère, France): le lac de la Muzelle (2110 m) et le lac de Plan Vianney (2250 m). Le suivi en 2012 et 2013, à fréquence saisonnière,des concentrations en PCB des composants biologiques, des fractions particulaires et dissoutes et des flux atmosphériques déposés sur les lacs a permis d'évaluer à la fois les variations saisonnières, interannuelles, et entre les lacs, de la contamination de la faune piscicole et de les relier aux intrants atmosphériques et aux processus biogéochimiques lacustres.Nos résultats identifient la fonte du manteau neigeux comme vecteur rapide et important de transfert des PCB atmosphériques aux lacs d'altitude (40% des apports annuels en seulement 2 à 3 semaines). Le bilan de masse révèle aussi que les flux de PCB entrants sont supérieurs aux flux sortants des lacs et met ainsi en évidence leur rôle de puits de PCB atmosphériques. La distribution des PCB entre les phases "particules" et "eau" varie à la fois entre lacs et saisons, révélant une succession d'équilibre et de non-équilibre thermodynamiques. En effet, la couverture de glace en hiver isole les lacs de l'atmosphère et donc des sources de polluants, permettant aux PCB d'atteindre l'équilibre thermodynamique de partition entre les phases particulaire et dissoute. A l'opposé, en périodes d'eaux libres, les paramètres d'influence de l'adsorption des PCB sur la matière particulaire (température, concentration et nature des particules, concentration de PCB) répondent à la variabilité environnementale, empêchant l'atteinte de l'état d'équilibre. Enfin, si la contamination de la faune piscicole varie tant entre lacs qu'entre saisons, l'absence de relation entre concentrations en PCB et divers indicateurs trophiques (composition en isotopes stables du carbone ou biomarqueurs lipidiques) révèle que cette contamination ne dépend ni de l'habitat ni de la variabilité trophique des individus. Au contraire, la contamination de la faune piscicole est liée à la concentration des polluants en phase dissoute. Dans les lacs d'altitude, les POP, même s'ils sont présents à faible concentration, seraient donc essentiellement transférés à la faune piscicole par un phénomène de bioconcentration et non par un mécanisme de bioaccumulation.Nos résultats mettent en évidence la nécessité de mieux connaître l'éco-dynamique des POP, y compris dans les milieux faiblement contaminés. Dans un contexte de changement global pour lequel les intrants dans les écosystèmes d'altitude risquent de varier en intensité ou en temporalité, ces connaissances permettront (i) d'évaluer le rôle futur des lacs comme puits ou sources secondaires de POP pour l'atmosphère et (ii) prévoir l'évolution des niveaux de contamination de la faune piscicole dans les écosystèmes aquatiques éloignés des sources de production. / Altitude lakes undergo atmospheric deposition of persistent organic pollutants (POPs) resulting mainly from human activities despite their distance from emission sources. If the mechanisms driving the atmospheric transport of these pollutants to altitude environment are now fairly known ("global distillation" or "grasshopper effect"), there is still few information about their fate in these mountain ecosystems. This work aims to identify the internal lake processes influencing the fate of POPs, with a particular focus on their interaction with the organic phases and their integration into food webs. Due to their variability of physico-chemical properties between congeners (e.g., less to more hydrophobic), polychlorinated biphenyls (PCBs) have been chosen as POP models.The study was conducted on two alpine lakes from the National Park of Ecrins (Isère, France): Lake Muzelle (2110 m) and Lake Plan Vianney (2250 m). A monitoring was conducted in 2012 and 2013 to assess PCBs concentration in aquatic organisms, particulate and dissolved fractions and atmospheric PCBs inputs. Thus, seasonal, interannual and inter-lakes variability of PCBs level in fish have been assessed and linked to atmospheric inputs and biogeochemical lake processes.Our results show that snowmelt corresponds to an important and sudden flux of PCBs to altitude lakes (40% of annual contributions during the few weeks of spring thaw). Mass balance also reveals that PCBs inputs are higher than outputs, highlighting the role of altitude lakes as atmospheric PCBs sinks. PCBs partition between particulate and dissolved phases varies both between lakes and seasons, revealing a succession of thermodynamics equilibrium and non-equilibrium. In fact, when lakes are ice-covered, the water column is isolated from the atmosphere and therefore from sources of pollutants, allowing to reach a thermodynamic equilibrium partition of PCBs between the particulate and dissolved phases. On the contrary, when lakes are ice-free, parameters affecting PCBs adsorption on particulate matter (temperature, concentration and nature of the particles, PCBs concentration) are subject to environmental variability, preventing chemicals to reach thermodynamic equilibrium. Finally, even though PCBs fish contamination varies both between lakes and between seasons, the lack of relationship between PCBs concentrations and trophic indicators (stable isotope composition of carbon or lipid biomarkers) highlights that fish level of PCBs does not depend on habitat use and inter-individual trophic variability. In contrast, the PCBs concentration in fish is related to the concentration of pollutants in the dissolved phase. In altitude lakes, even though POPs are presented at low concentrations, these chemicals are mainly transferred to the fish compartment by bioconcentration rather than bioaccumulation.These results highlight the need to improve our knowledge on POPs ecodynamics even in low contaminated environments. In a context of global change for which pollutant inputs in altitude ecosystems might vary in intensity or temporality, this research appears essential to (i) assess the future role of altitude lakes as atmospheric POPs sinks or secondary sources and (ii) predict any modification of PCBs levels in fish in remote aquatic ecosystems.