Thesis (Ph.D. (Zoology & Entomology)) - Rhodes University, 2008.

abstract: Applications of non-traditional stable isotope variations are moving beyond geosciences to biomedicine, made possible by advances in multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) technology. Mass-dependent isotope variation can provide information about the sources of elements and the chemical reactions that they undergo. Iron and calcium isotope systematics in biomedicine are relatively unexplored but have great potential scientific interest due to their essential nature in metabolism. Iron, a crucial element in biology, fractionates during biochemically relevant reactions. To test the extent of this fractionation in an important reaction process, equilibrium iron isotope fractionation during organic ligand exchange was determined. The results show that iron fractionates during organic ligand exchange, and that isotope enrichment increases as a function of the difference in binding constants between ligands. Additionally, to create a mass balance model for iron in a whole organism, iron isotope compositions in a whole mouse and in individual mouse organs were measured. The results indicate that fractionation occurs during transfer between individual organs, and that the whole organism was isotopically light compared with food. These two experiments advance our ability to interpret stable iron isotopes in biomedicine. Previous research demonstrated that calcium isotope variations in urine can be used as an indicator of changes in net bone mineral balance. In order to measure calcium isotopes by MC-ICP-MS, a chemical purification method was developed to quantitatively separate calcium from other elements in a biological matrix. Subsequently, this method was used to evaluate if calcium isotopes respond when organisms are subjected to conditions known to induce bone loss: 1) Rhesus monkeys were given an estrogen-suppressing drug; 2) Human patients underwent extended bed rest. In both studies, there were rapid, detectable changes in calcium isotope compositions from baseline - verifying that calcium isotopes can be used to rapidly detect changes in bone mineral balance. By characterizing iron isotope fractionation in biologically relevant processes and by demonstrating that calcium isotopes vary rapidly in response to bone loss, this thesis represents an important step in utilizing these isotope systems as a diagnostic and mechanistic tool to study the metabolism of these elements in vivo. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Chemistry 2011

Le silicium est le second élément le plus abondant de la croûte terrestre et un nutriment clefs des écosystèmes aquatiques. Il existe de fortes interactions entre Si, le cycle du carbone et les processus biogéochimiques. Cette étude porte sur la variabilité de Si (amorphe-ASi, lithogène-LSi et dissous-DSi) et les isotopes de Si le long du continuum continent-océan. Nous avons étudié la variabilité saisonnière et spatiale de ASi, LSi, DSi et des isotopes dans ~20 estuaires indiens. Nous avons catégorisé les estuaires selon une analyse statistique (PCA et regroupement). Le prélèvement par les diatomées semble être le principal processus contrôlant ASi en saison sèche, surtout au Sud. L’altération et l’érosion contrôlent LSi dans les autres estuaires. En saison humide, l’impact des diatomées n’est pas observé à cause d’une trop forte charge sédimentaire et tous les estuaires sont dominés par les apports lithogéniques. Les compositions isotopiques de Si peuvent tracer les sources de Si et les interactions biogéochimiques. Les résultats isotopiques montrent une différence saisonnière claire avec un impact fort de l’altération aux deux saisons. Les bassins versants du sud-ouest sont très différents des autres bassins du fait de leur topographie et climat. L’impact de l’agriculture et de la couverture forestière est aussi clairement présent dans tous les bassins tandis que la composition isotopique de Si des eaux souterraines résulte d’une combinaison de production et dissolution de minéraux. Ainsi, cette étude montre le rôle prépondérant de l’altération et du type d’argiles formées sur les isotopes de Si, indépendamment des saisons, plutôt que des processus biologiques ou de mélange tels que rapportés précédemment. / Silicon is the second most abundant element in Earth’s crust and one of the key nutrient in aquatic ecosystems. There are strong interactions of Si with carbon cycle and biogeochemical processes. The present thesis focused on variability of silicon (amorphous-ASi, lithogenic-LSi and dissolved-DSi) and Si isotopes along the land to ocean continuum. We investigated the seasonal and spatial variability of ASi, LSi & DSi and Si isotopes in ~20 Indian estuaries. We categorize the estuaries using statistical analysis (PCA and cluster analysis). Diatom uptake seems to be the main process controlling ASi during dry period, especially in the South. Weathering and erosion control the variability of LSi in the remaining estuaries. Similarly lithogenic supply controls Si during wet period in all estuaries and no impact of diatoms was seen because of high suspended load. Si isotopic compositions trace the Si sources and biogeochemical pathways. The isotopic results exhibit clear seasonal difference with high impact of type of weathering during both seasons. They show that southwest watersheds are very special in terms of weathering regime compared to the other watersheds because of topography and climate. The impact of agriculture and forest cover on Si cycle is also clearly evidenced in all the basins during wet period. We show that groundwater Si isotopic variability results from a combination of dissolution and production of minerals. Overall, this study shows the preponderant influence of weathering and type of secondary clays on Si isotopes irrespective to the seasons, rather than the biological uptake or mixing as reported elsewhere

Cette étude visait à développer un modèle dynamique du pergélisol-carbone à intégrer dans le modèle CLIMBER-2 et d'effectuer des simulations en vue de contribuer à la connaissance du cycle du carbone. Ce travail pourrait, pour la première fois, permettre une étude de modélisation avec un modèle de système terrestre qui comprendrait l'atmosphère dynamique, l'océan dynamique, la végétation dynamique et les composantes de la cryosphere, y compris les terres gelées, afin d'étudier le paléoclimat. La disponibilité des données récentes du CO2 et de δ13C de CO2 dans l'atmosphère fourni un moyen de valider les résultats du modèle pour déterminer si une dynamique pergélisol-carbone pourrait avoir joué un rôle important au cours des climats changeants.Un mécanisme pergélisol-carbone simplifié a été développé et validé et à été réglé en utilisant les données de la terminaison 1 (T1). Il a été constaté que, pour reproduire des données de CO2 et δ13C atmosphériques (pour l'atmosphère et l'océan) au cours de T1, une combinaison des mécanismes océaniques-glaciaires et pergélisol-carbone ont été nécessaires. Suite à cette constatation, plusieurs cycles glaciaires ont été modélisés pour étudier la sensibilité du mécanisme pergélisol-carbone aux forçages de CO2, les calottes glaciaires et l'insolation. l'étendue des calottes glaciaires a été jugée particulièrement importante pour le contrôle de la superficie des terres disponibles pour le pergélisol, et donc aussi pour la dynamique du carbone du pergélisol-carbone. La libération du carbone dans les sols de dégel en réponse à l'augmentation de l'insolation d'été dans les hautes latitudes, a été jugée très probable comme la source des hausses initiales de CO2 dans l'atmosphère au cours des terminaisons glaciaires.Les données CO2 de terminaison 1 peuvent être bien reproduits, y compris le plateau de CO2 BA / YD, quand le forçage de l'eau douce est appliqué à l'Atlantique nord. Expériences avec forçage de l'eau douce ont souligné l'importance du mécanisme du pergélisol-carbone dans l'évolution rapide des climats. Les augmentations très rapides des niveaux de CO2 dans l'atmosphère peuvent être expliqués par la libération rapide des sols en carbone en réponse à l'augmentation du transport de chaleur vers l'hémisphère nord. C'est en réponse à la reprise de l'AMOC suite d'un événement AMOC arrêt/réduction, tels que des événements D/O vu dans les données du δ18O Groenland. Les projections de changement climatique représentent des événements de réchauffement rapide. La conduite du modèle par des projections d'émissions (base de données RCP) a prédit l'augmentation du CO2 de pic et une plus longue période a des niveaux élevées de CO2 par rapport aux sorties du modèle qui ne comprennent pas les évaluations du pergélisol-carbone.L'analyse de δ13C de l'océan doit tenir compte de la dynamique du pergélisol et du carbone de la terre en général et de son effet sur les niveaux de δ13C atmosphériques. Si ce n'est pas pris en compte alors la circulation océanique peut être trop invoquée pour tenter d'expliquer les changements de δ13C de l'océan et du CO2 atmosphérique.Le mécanisme pergélisol-carbone réagit aux changements de température et amplifie la réponse du cycle du carbone. Il est fortement dépendant non seulement de l'apport d'énergie (qui détermine la température du sol et de l'emplacement du pergélisol), mais également de la surface de terres disponible à l'échelle mondiale sur laquelle le pergélisol peut exister. Afin de modéliser et de comprendre correctement la réponse du système terrestre dans les climats futurs et passés, le mécanisme de rétroaction pergélisol-carbone est un élément important du système. Ce travail a été une première étape pour aborder le rôle que la cryosphere terrestre joue dans le cycle du carbone et du système climatique sur de longues échelles de temps, et que d'autres études sont essentielles. / This study aimed to develop a permafrost-carbon dynamic model to incorporate into the CLIMBER-2 Earth system model and to carry out simulations with a view to contributing to the knowledge of the carbon cycle. The work would, for the first time, allow a fully coupled modelling study with an earth system model which included dynamic atmosphere, ocean, vegetation and cryosphere components including frozen land to study paleoclimates. The availability of recent ice core data for CO2 and δ13C of atmospheric CO2 was to provide a means of validating model findings to identify whether a permafrost-carbon dynamic could have played a significant role in past changing climates.The deep Southern Ocean is an area of particular interest for glacial-interglacial CO2 variability, and current modelling efforts aim to recreate the observed CO2 changes using ocean mechanisms. These are often related to deep southern ocean carbon storage and release. So far the terrestrial biosphere has not been well-considered in transient simulations of the carbon cycle in Earth system models.A simplified permafrost-carbon mechanism was developed and validated and tuned using data from termination 1. It was found that in order to reproduce atmospheric CO2 and δ13C data (for atmosphere and ocean) during the termination, a combination of glacial ocean mechanisms and the permafrost-carbon mechanism was required. Following this finding, several glacial cycles were modelled to study the sensitivity of the permafrost-carbon mechanisms to CO2, ice sheets and insolation. Ice sheet extent was found to be particularly important in controlling the land area available for permafrost and therefore the carbon dynamics of permafrost-carbon. The permafrost-carbon mechanism, via carbon release from thawing soils responding to increasing summer insolation in higher northern latitudes, was found to very likely be the source of initial rises in CO2 on glacial terminations.Termination 1 CO2 data could be well reproduced, including the B-A/YD CO2 plateau, when fresh water forcing was applied to the north Atlantic. Fresh water forcing experiments pointed to the importance of the permafrost-carbon mechanism in fast changing climates. Very fast increases in atmospheric CO2 levels may be explained by fast soil-carbon release responding to increased heat transport to the northern hemisphere on AMOC resumption following an AMOC switch-off/reduction event, such as D/O events seen in the Greenland δ18O record. Future climate change projections represent fast warming events. Driving the model by emissions projections (RCP database) predicted increased peak CO2 and much longer term elevated CO2 levels relative to model outputs which did not include the permafrost carbon feedback.Analysis of ocean δ13C must take into account the dynamics of permafrost and land carbon in general and its effect on atmospheric δ13C levels. If this is not taken into account then ocean circulation may be over-invoked in attempting to explain changes in ocean δ13C and atmospheric CO2. The Earth system is not simply atmosphere and ocean. The findings in this work highlight that it is essential to consider land carbon dynamics when interpreting paleo-indicators for the carbon cycle.The permafrost-carbon mechanism reacts to temperature changes and amplifies the carbon cycle's response. It is stongly dependent not only on energy input (that determines soil temperature and permafrost location), but also on the area of land available globally on which it can exist. In order to properly model and understand the Earth system response to forcing in both future and past climates, the permafrost-carbon feedback mechanism is an important system component. This work has been a first step to address the role that the land cryosphere plays in the carbon cycle and climate system on long timescales, and further studies are essential.

There are broad differences in regional oceanography and primary production around the South African coast, which we might expect to give rise to major differences in trophic pathways. δ⁻¹³C and δ⁻¹⁵N isotopic ratios of suspended particulate matter (SPM), mussels, various intertidal consumers and common macroalgae along the South African coastline were explored using stable isotope analysis to investigate biogeographic and temporal variability of isotopic signatures of marine intertidal consumers and their food sources around the coast of South Africa, with a focus on evaluating the dependence of intertidal mussels on phytoplankton and macroalgal-derived organic carbon. Isotopic equilibration rates of four mussel tissues were determined through laboratory feeding experiments, which established that adductor tissue had the slowest isotopic turnover rate, and was subsequently used as an indication of overall mussel diet. Biogeographic, temporal and nearshore/offshore trends of isotopic ratios of SPM were investigated along 10km transects perpendicular to the coast and SPM exhibited overall trends of carbon depletion when moving from west to east along the coastline and from nearshore to offshore water, in both cases suggesting a shift from macrophyte detritus to a phytoplankton signature. δ⁻¹³C signatures of SPM also revealed temporal and biogeographic variation that had strong ties to local oceanography, being closely correlated to regional hydrographic features and tidal influences. Mixing models indicated filter feeders demonstrated over 50% dependence on nearshore SPM for organic carbon and it was possible to categorize them into geographic groups based on their carbon and nitrogen signatures, suggesting biogeographic shifts in resources. Biogeographic shifts in diet were also seen in some grazers. Difficulties in relating macroalgae to mussel diet led to investigations into the isotopic changes associated with macroalgal decomposition. Variation in photosynthetic fractionation, leaching and microbial mineralization are believed to have resulted from species-specific patterns of degradation. Although the strong links between carbon signatures and local oceanography indicate that stable isotope analysis is a powerful tool for the study of water mixing and coastal hydrography in relation to food-web analyses, substantial variation in fractionation of primary consumers, along with different periods of time integration between consumers and their food sources must be considered in future studies, to resolve trophic links in marine food webs successfully.

Les pathologies du métabolisme du fer, dont les surcharges en fer, se caractérisent par une grande variabilité de leur expression phénotypique pour des étiologies similaires. Les mécanismes de cette variabilité ne sont pas pleinement identifiés. L’existence d’interrelations entre le fer et d’autres métaux pourrait y contribuer. L’objectif de ce travail, réalisé chez la souris, a été de préciser les interactions entre le métabolisme du fer et ceux d’autres métaux. Nous avons : i) montré que le fond génétique des souris module le métabolisme d’autres métaux, en sus du fer ; et ii) identifié des liens entre les paramètres de ces métaux en situation physiologique. Nous avons également mis en évidence, dans des modèles de souris surchargées en fer par supplémentation exogène ou bien du fait d’une déficience en hepcidine (le régulateur du métabolisme systémique du fer), un lien fort entre le métabolisme du fer et ceux du molybdène et du manganèse particulièrement au niveau splénique. Ces résultats suggèrent que des mécanismes de régulation, pouvant impliquer de façon directe ou indirecte l’axe hepcidine / ferroportine, pourraient être partagés entre le fer, le molybdène et le manganèse. Le rôle de l’hepcidine devra être précisé. Les explorations dynamiques in vivo avec les isotopes stables constituant une approche possible pour mieux comprendre les mécanismes du métabolisme du fer, nous avons caractérisé la répartition des isotopes stables du fer (par le ratio isotopique 56Fe/54Fe) dans les tissus liés à son métabolisme. Ceci nous a permis de confirmer la variation du ratio isotopique 56Fe/54Fe entre les organes, et de mettre en évidence un fractionnement isotopique du fer différent selon les fonds génétiques de souris au niveau hépatique. Ces résultats montrent ainsi l’importance de prendre en compte cette caractéristique essentielle dans les études métaboliques visant à mieux comprendre le métabolisme du fer et ses liens avec celui d’autres métaux, dans un contexte physiologique ou pathologique. / Iron metabolism disorders, including iron overloads, are characterized by important phenotypic expression variabilities for similar etiologies. The mechanisms involved are not fully identified. Interrelations between iron and other metals may contribute to this variability. The aim of this work, performed in mouse, was to investigate interactions between iron and other metals metabolisms. We have: i) shown that mice genetic background modulates other metals metabolism, besides iron; and ii) identified links between parameters of these metals in physiological condition. We have also highlighted, in mice models of iron overload, related either to exogenous iron exposure, or to deficiency in hepcidin (the systemic iron metabolism regulator), a strong link between iron metabolism and molybdenum and manganese metabolisms, particularly in spleen. These results suggest that regulatory mechanisms, possibly involving directly or indirectly the hepcidin / ferroportin axis, may be shared by iron, molybdenum and manganese. The clarification of hepcidin role needs further investigations. In vivo dynamic explorations with stable isotopes being a possible approach to better understand mechanisms of iron metabolism control, we have characterized the distribution of iron stable isotopes (using 56Fe/54Fe isotope ratio) in tissues involved in its metabolism. We have confirmed the variation of 56Fe/54Fe isotope ratio between organs, and highlighted a different iron isotope fractionation in liver according to mice genetic backgrounds. These results show the importance to take into account this essential feature for metabolic studies aspiring to better understand iron metabolism and its links with other metals metabolism, in physiological or pathological conditions.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:33:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-05Bitstream added on 2014-06-13T18:45:25Z : No. of bitstreams: 1 mori_c_dr_botfmvz.pdf: 326000 bytes, checksum: 0ec30e51a3d43636409c064480add1c6 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / Estudos para detecção de subprodutos de origem animal em carne de aves são escassos e, em se tratando de codornas são inexistentes. O trabalho teve por objetivo a detecção de farinha de vísceras de aves (FVA) em dietas de codornas de corte no músculo peitoral quilha e tíbia pela técnica dos isótopos estáveis de carbono (13C/12C) e nitrogênio (15N/14N). Foram utilizadas 64 codornas de corte macho de um dia de idade advindas de granja comercial. As aves foram divididas em sete grupos distintos distribuídos aleatoriamente em relação às dietas experimentais que continham diferentes percentagens de FVA: 0; 1,5; 3,0; 4,5; 6,0; 7,5 e 15. As dietas foram formuladas de forma a serem isoenergéticas, isoprotéicas e isoaminoacídicas. Quatro aves de cada tratamento foram abatidas aos 42 dias de idade para colheita do músculo peitoral (Pectoralis major), quilha e tíbia para posteriormente serem analisadas. Observou-se enriquecimento isotópico de d13C e d15N nos três tecidos analisados. Em codornas de corte com 42 dias de idade, o nível de inclusão de farinha de vísceras de aves detectado compreende o intervalo de 3,0 a 4,5%. / Detection of animal origin by-products studies in poultry meat are rare and inexistent when related to quail meat. This paper aims the detection of increasing levels of poultry visceral meal (FVA) in quail meat, using carbon (13C/12C) and nitrogen (15N/14N) stable isotopes technique. Sixty four male quails aging one day originally from a commercial producer were divided in seven different groups in a random distribution. Those groups received different experimental diets containing 0; 1,5; 3,0; 4,5; 6,0; 7,5 e 15% of FVA. Those diets were formulated to be isoenergetic, isoproteic and to have the same level of amino-acids. Four individuals per treatment were sacrificed at the 42nd day for breast muscle (Pectoralis major), keel and tibia collection to later analysis. Isotopic enrichment of d13C and d15N were observed in all analyzed tissues. In 42 day old quail were detect a 3,0 and 4,5% poultry visceral meal inclusion in its diet.

Les thons tropicaux (thon jaune, thon obèse et bonite à ventre rayé) sont des espèces largement exploitées dont un quart des prises mondiales provient de l'océan Indien. Capturés en bancs mixtes à la senne, ces prédateurs de haut niveau trophique présentent une physiologie particulière (e.g. thermorégulation partielle, nage obligatoire) mais différents traits de vie (e.g. taille maximale, stratégie de reproduction). L’objectif est ici de contribuer à une meilleure compréhension de l'allocation d'énergie chez ces espèces. Pour cela un échantillonnage mensuel a été mis en place en 2013 aux Seychelles, de manière à collecter des thons sur une large gamme de taille et de conditions environnementales. Un premier travail méthodologique nous a conduit à étudier l'effet de la teneur en lipides sur les valeurs isotopiques, et nous avons montré que l'utilisation d'équation de correction du taux de lipides lors des analyses isotopiques nécessite un ajustement spécifique. Au travers de traceurs écologiques (isotopes stables du carbone et de l'azote et acides gras), une comparaison trophique des trois espèces a montré qu'elles n'exploitent pas exactement les mêmes ressources énergétiques, notamment grâce à un changement alimentaire au cours de l'ontogénie. Ce changement se traduit par l'assimilation de proies plus riches en acides gras mono-insaturés pour les individus supérieurs à 100 cm FL. L'étude des contenus en lipides et protéines de quatre tissus aux fonctions physiologiques différentes (muscles blanc et rouge, foie et gonades) a montré que ces espèces font peu de réserves énergétiques et uniquement dans le foie et le muscle rouge. Les mâles consacrent également moins d'énergie que les femelles à la synthèse de cellules germinales. D'autre part, seul l'indice gonado-somatique permet de rendre compte de variations énergétiques, les autres indices testés (facteur de condition de Le Cren, indice hépato-somatique et circonférence) sont de mauvais proxies du contenu énergétique des tissus. Enfin, l'étude des acides gras membranaires indique une incorporation particulière du 20:4n-6 et du 22:6n-3, dont le niveau varie avec l'ontogénie et selon les tissus. Une grande variabilité intra-spécifique est cependant observée et suggère une certaine plasticité physiologique chez ces espèces. / Tropical tunas (yellowfin, bigeye and skipjack tuna) are exploited worldwide with a quarter of the catches coming from Indian Ocean. Caught by purse seine in mixed schools, these top predators displayed a specific physiology (e.g. partial endothermy, ram-ventilators) but various life history traits (e.g. maximal size, reproduction batches). The objective of this work is to contribute to a better understanding of energy allocation in these species. For this purpose, a monthly sampling was carry out throughout 2013 in Seychelles, to collect tunas on a large range size and environmental conditions. In a first methodological step, we studied the lipids influence on isotopic values in tropical tunas and showed that using mathematical correction of lipids content requires a specific adjustment. Then, using ecological tracers (stable isotope of carbon and nitrogen and fatty acids), a trophic comparison of the three species showed that they do not exploited exactly the same energetic resources, especially due to an ontogenic diet shift. This shift was illustrated by an increasing assimilation of mono-unsaturated fatty acids over 100 cm FL. Study of lipid and protein content in four tissues presenting different physiological function (white and red muscles, liver, gonads) showed these species make little energetic reserves, only in liver and red muscle. In addition, males invest less energy for germinal cells production than females. Furthermore, only the gonado-somatic index brought information concerning energetic variations, the others tested indices (Le Cren condition factor, hepato-somatic index, girth) were bad proxies of energetic content in tissues. Finally, study of membrane fatty acids indicates a specific incorporation of 20:4n-6 and 22:6n-3 that varies with ontogeny. A great intra-specific variability was also observed and could suggest a specific physiological plasticity in these species.

L'ion nitrate (NO3-) présent dans les neiges Antarctiques est issus de l'oxydation des oxydes d'azote (NOx = NO + NO2) dans l'atmosphère. Aux sites de faible accumulation de neige tels que Vostok et Dôme C sur le plateau de l'Est de l'Antarctique, le nitrate n'est pas piégé de manière ultime dans la neige, ce qui limite fortement l'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace. Des mesures récentes de la composition isotopique en azote du nitrate (δ15N) montrent des valeurs extrêmement élevées (+339‰) dans les premiers décimètres de la neige de Dôme C. Ces valeurs ont été attribuées à la photolyse du nitrate et au recyclage important qui en résulte. Le nitrate possède, par ailleurs, une anomalie isotopique en oxygène (Δ17O) qui permet de tracer l'activité de l'ozone (O3) au cours de sa formation. Ce travail de thèse présente le premier enregistrement de la composition isotopique complète du nitrate (δ15N, Δ17O et δ18O) dans une carotte de glace : la carotte de glace de Vostok dont les 64 échantillons analysés couvrent une période de 150 000 ans. Ce jeu de données a été complété par 313 échantillons collectés entre 2007 et 2010 dans le continuum atmosphère/givre/neige au Dôme C ainsi que dans 21 puits de neige prélevés dans une zone couvrant l'essentiel de l'Est de l'Antarctique. L'analyse isotopique de ces échantillons modernes a permis de contraindre le modèle conceptuel TRANSITS développé au cours de cette thèse et dont le but est de représenter le recyclage du nitrate à l'interface entre l'atmosphère et la neige ainsi que son impact sur la composition isotopique du nitrate archivé. Les valeurs positives et élevées du δ15N du nitrate piégé dans la carotte de glace de Vostok montrent que le recyclage du nitrate a toujours eu lieu sur le plateau Antarctique au cours de la période étudiée. Les variations du flux primaire de nitrate reçu au site de Vostok estimées à l'aide du modèle TRANSITS montrent, en périodes glaciaires, un flux primaire plus important qui pourrait être lié à une dénitrification stratosphérique plus conséquente. Les valeurs de Δ17O du nitrate montrent que l'incursion d'ozone d'origine stratosphérique dans la troposphère était plus fréquente en périodes glaciaires. Nous proposons enfin que les résultats acquis dans le cadre de cette thèse pourraient permettre de mieux contraindre le cycle de l'azote sur la côte Antarctique et d'apporter des éléments d'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace de sites de plus forte accumulation de neige (au Groenland par exemple). / Nitrate ions (NO3-) found in Antarctic snows stem from the degradation of nitrogen oxydes (NOx = NO + NO2) in the atmosphere. At sites with low snow accumulation rates such as Vostok or Dome C (East Antarctic plateau), nitrate deposition to the snow is not irreversible and this strongly hampers the interpretation of nitrate concentration records in ice cores. Nitrogen stable isotopic (δ15N) as high as +339‰ were measured in nitrate in the upper firn at Dome C and have been attributed to nitrate photolysis initiating a strong recycling at the snow surface. The oxygen isotopic anomaly (Δ17O) reflects the activity of ozone (O3) in nitrate formation. We present the first comprehensive isotopic analysis of nitrate (δ15N, Δ17O and δ18O) in a deep ice core. 64 samples of nitrate from the Vostok ice core have been analyzed and cover the last 150 000 years. This dataset has been completed with 313 samples recently collected in the atmosphere/surface hoar/snow continuum at Dome C as well as in several snowpits from various sites covering most of the East Antarctica. Those present-day samples are used to evaluate a conceptual model (named TRANSITS) developped during this PhD and which aims at representing nitrate recycling at the snow/atmosphere interface and at modelling its impact on the isotopic composition of the archived nitrate. High positive δ15N values measured in the Vostok ice core reveal that nitrate recycling has always occurred at the surface of the Antarctic plateau over this period. Past variations of the primary flux of nitrate to the Vostok site have been estimated using the TRANSITS model. They show that glacials are characterized by higher inputs which may be linked to a greater stratospheric denitrification. The Δ17O values indicate that intrusions of stratospheric air masses to the troposphere may have been more frequent in glacials thus incorporating significant amounts of stratospheric ozone to the lower atmosphere. Last, we suggest that this study may have some relevance to the coastal nitrogen budget in Antarctica and to the interpretation of ice cores retrieved from high accumulation sites (e.g. in Greenland).

Le nitrate, produit de la fin de chaîne de réaction des oxydes d’azotes de l’atmosphère (NOx = NO +NO2), est l’un des ions le plus abondant de la neige et de la glace polaire. Ses rapports isotopiques stables (δ18O, δ15N et Δ17O) ont été abondamment utilisés pour contraindre ses sources et les chemins réactionnels. De plus, le nitrate archivé dans les carottes de glace profondes peut apporter de nouvelles contraintes sur les conditions climatiques passées. Cependant, le dépôt de nitrate dans les régions polaires à faible accumulation est réversible en raison des processus post-dépôts, compliquant l’interprétation des enregistrements. Actuellement, il existe des enregistrements de nitrate issus de carottes de glace profonds couvrant de l’information climatique sur plusieurs milliers d’années dont leur interprétation dépend d’une quantification précise ces phénomènes post-dépôts. Nous avons étudié expérimentalement le transfert d’excès-17O de l’ozone durant la réaction en phase gaz de NO2 + O3  NO3 + O2, qui est une réaction importante de la chimie nocturne de formation du nitrate. De cette étude nous avons déterminé la fonction de transfert du 17O donnée par : ∆17O(O3*) = (1.23 ± 0.19) × ∆17O(O3)bulk + (9.02 ± 0.99). Nous avons aussi évalué la distribution intramoléculaire des isotopes de l’oxygène de l’ozone et observé que l’excès d’enrichissement résidait de manière prépondérante sur les atomes terminaux de l’ozone. Ces résultats auront une implication importante sur la compréhension de la formation du nitrate via les mécanismes d’oxydation des précurseurs NOx. L’impact de la photolyse sur les concentrations et les compositions isotopiques stables du nitrate est étudié dans ce travail de thèse sur la base d’étude de laboratoire et de terrain. Une étude de laboratoire a été conduite en irradiant de la neige naturelle de Dôme C avec une lampe UV à xénon et en utilisant différents filtres UV (280 nm, 305 nm et 320 nm). Sur la base des mesures des rapports isotopiques de l’oxygène et de l’azote, la dépendance aux longueurs d’onde des fractionnements isotopiques a été déterminée. En conséquence, en présence de lumière UV de haute énergie, le fractionnement isotopique est décalé vers des valeurs moins négatives et vice versa. Sur la base des fractionnements isotopiques obtenus en laboratoire, nous avons dérivé un décalage apparent de la valeur du zéro point d’énergie (ZPE) qui apporte une meilleure contrainte sur la section efficace d’absorption du 15NO3-. Ce décalage apparent est obtenu en minimisant les écarts entre les observations et les fractionnements isotopiques calculés basés sur un modèle de décalage ZPE, modèle qui inclut outre le décalage ZPE, le changement des largeurs, de l’asymétrie et de l’amplitude des sections efficaces d’absorption lors de la substitution isotopique. Nous avons validé le nouveau ZPE apparent en conduisant une étude de terrain à Dôme C, Antarctique. Dans cette étude, un dispositif expérimental a été construit sur le site et l’effet du rayonnement solaire UV sur la photolyse du nitrate de la neige investigué. Cette étude était basée sur la comparaison de deux puits remplis par de la neige soufflée homogénéisée dont l’un des deux puits n’était pas soumis aux rayonnements UV. Le fractionnement isotopique de 15N pour la neige exposée aux UV (-67.9 ± 12 ‰) est en bon accord avec le modèle de décalage ZPE estimé au cours de ce travail de thèse (-55.4 ‰). Ces valeurs sont aussi dans la gamme des fractionnements isotopiques apparents observée précédemment au Dôme C. Nous pensons que l’inclusion des ces nouvelles connaissances dans un modèle prédisant l’enrichissement du 15N dans les carottes de glace permettra une interprétation quantitative de l’information préservée dans la glace. / Nitrate, the end product of oxidation of atmospheric NOX (= NO + NO2), is one of the most abundant anions present in polar snow and ice. Its stable isotope ratios (δ18O, δ15N and Δ17O) have been widely used to constrain its sources and oxidation pathways. In addition, the nitrate archived in deep ice cores may be an important metric to constrain past climatic conditions. However, deposition of nitrate in polar regions with low snow accumulation is reversible due to post-depositional processes, and interpretation of this record is complicated. Currently, there exist deep ice core records of nitrate encompassing climatic information of millennial time scales, and their interpretation relies on careful quantification of post-depositional effects. We have experimentally studied the 17O-excess transfer from ozone during the gas phase NO2 + O3 → NO3 + O2 reaction, which is an important nighttime nitrate formation pathway. From this study, we have determined the ∆17O transfer function given by: ∆17O(O3*) = (1.23 ± 0.19) × ∆17O(O3)bulk + (9.02 ± 0.99). We have also evaluated the intramolecular oxygen isotope distribution of ozone and have observed the excess enrichment resides predominantly on the terminal oxygen atoms of ozone. The findings from this study will have an important implication for understanding nitrate formation pathways via different NOX oxidation mechanisms. The impact of photolysis on the amount and stable isotope enrichments of nitrate is investigated in this PhD study based on laboratory and field experiments. A laboratory study was conducted by irradiating a natural snow from Dome C with a Xe UV lamp and a selection of UV-filters (280 nm, 305 nm and 320 nm). Based on the oxygen and nitrogen isotope ratio measurements, wavelength dependent isotopic fractionations were determined. Accordingly, in the presence of high-energy UV light, isotopic fractionation is shifted towards less negative values and the reverse for lower energy UV photons. Based the isotopic fractionations obtained in the laboratory study, we derived an apparent ZPE-shift value, which better constrains the absorption cross-section of 15NO3-. This apparent shift is derived from the best fit between the experimental observations and calculated fractionations based on existing ZPE-shift model and it includes actual ZPE-shift and changes in width, asymmetry and amplitude in absorption cross-section during isotopic substitution. We have validated the newly derived apparent ZPE-shift by conducting a field study at Dome C, Antarctica. In this study, an experimental setup was built on-site and the effect of solar UV photolysis on snow nitrate was investigated. This study was based on a comparison of two snow pits filled with locally drifted snow and by allowing/blocking the solar UV. The 15N fractionation for the UV exposed samples (-67.9 ± 12 ‰) was in fairly good agreement with the ZPE-shift model estimate from this study (-55.4 ‰). These values are also within the range of apparent isotopic fractionation observed at Dome C in previous studies. Further calculations to better constrain the absorption cross-section of 15NO3- with the ZPE-shift are underway, and we propose that the newly derived apparent ZPE-shift value should be used in future studies. We believe that incorporating these new findings in models predicting the enrichments of 15N nitrate in ice cores will allow a quantitative interpretation of the information preserved in ice.