Biophysico-chimie de l’atmosphère

Pierre Amato (CR)
Marcello Brigante (MC)
Isabelle Canet (MC)
Cyril Jousse (IR)
Anne-Marie Delort (DR)
Gilles Mailhot (DR)
Martine Sancelme (IR)
Mounir Traïkia (MC)
Virginie Vinatier (MC)

L’étude de la capacité oxydante des milieux naturels est un sujet de recherche actuel et fondamental pour la compréhension du devenir des composés organiques et plus largement du bilan radiatif et de la pollution atmosphérique. Un rôle important est joué par la phase aqueuse des nuages qui peut être considérée comme un grand réacteur photochimique ou de nombreuses réactions ont lieu. Dans l’objectif de mieux comprendre la réactivité et l’impact de la phase aqueuse des nuages nos travaux de recherche visent à :

1. étudier comment les espèces telles que le peroxyde d’hydrogène, les nitrate, les nitrites, les complexes de fer ainsi que des molécules d’origine anthropique peuvent initier la formation de radicaux dans la phase aqueuse du nuage (principalement les radicaux hydroxyles (HO●) et halogènes (Cl2●- et Br2●-))
2. quantifier l’impact de ces radicaux sur la spéciation chimique et en particulier sur la fonctionnalisation des composées présents dans ce milieu naturel (acides carboxyliques, aldéhydes, aminoacides et macromolécules).
3. déterminer les constantes de réaction et les voies de transformation des espèces organiques sous irradiations directe et via les réactions radicalaires

En effet nous avons dernièrement démontré que les radicaux hydroxyles peuvent porter à l’accumulation d’acides carboxyliques sous irradiation solaire.

Malgré les conditions drastiques régnant dans les nuages, des microorganismes viables sont présents. Nous les suspectons de participer aux processus chimiques (transformation de composés organiques, chimie radicalaire) et microphysiques (nucléation) s’y déroulant. Dans des problématiques d’études du fonctionnement de l’atmosphère, notre objectif est d’évaluer le niveau d’implication de l’activité biologique dans ces processus, en nous basant sur des échantillons de nuage collectés sur le site-observatoire du puy de Dôme (1465 m d’altitude). En complément, des approches par métagénomique/métatranscriptomique sont actuellement utilisées pour décrire la structure et le fonctionnement des « écosystèmes » nuage.

Nous étudions :

• les interactions microorganismes - chimie des nuages et en particulier la capacité des microorganismes à dégrader, dans les conditions du nuage, des composés organiques atmosphériques tels que le formiate, le formaldéhyde, le méthanol ou encore l’acétate. Les vitesses de biodégradation déterminées en laboratoire nous permettent de développer un modèle numérique de chimie atmosphérique multiphasique incluant l’activité biologique. D’autre part, nous nous intéressons à l’influence de la présence de microorganismes sur la chimie radicalaire, très active dans ces environnements.
• les interactions microorganismes - microphysique du nuage : Les précipitations apparaissent souvent après la formation de gel dans un nuage dû à la présence de noyaux glaçogènes (ice nuclei, IN), dont l’efficacité dépend de leur nature. En collaboration avec plusieurs équipes de recherche au niveau international, nous nous interrogeons donc sur la capacité des IN biologiques à induire des précipitations et aux conséquences sur la dispersion microbienne par voie atmosphérique, ainsi qu’à l’influence des conditions physico-chimiques du nuage sur l’activité glaçogène.
• Par ailleurs, nous étudions actuellement la production de surfactants par les souches microbiennes isolées des nuages. Ces bioproduits pourraient en effet favoriser la condensation de l’eau en gouttelettes de nuage, et donc la formation de nuage.

ANR Biocap (2014-2017 ; ANR franco-américain SONATA (2014-2016) ; EC2CO CNRS Microbien-Biohefect (2014-2015) ; Collaboration avec la société BIOVITIS (Saint-Etienne de Chaumeil, 2013-2015)

1. L. Deguillaume, T. Charbouillot, M. Joly, M. Vaitillingom, M. Parazol, A. Marinoni, P. Amato, A.M. Delort, V. Vinantier , A. Flossmann, N. Chaumerliac, J.M. Pichon, S. Houdier, P. Laj, K. Sellegri, A. Colomb, M. Brigante, G. Mailhot, “Classification of clouds sampled at the puy de Dôme (France) from 10-year monitoring : mean features of their physico-chemical properties” Atmospheric Chemistry and Physics, 2014, 14, 1485-2014.

2. Y. Long, T. Charbouillot, M. Brigante, G. Mailhot, A. M. Delort, N. Chaumerliac, L. Deguillaume “Evaluation of modeled cloud chemistry mechanism against laboratory irradiation experiments : the iron/HxOy/carboxylic acid chemical system” Atmospheric Environment, 2013, 77, 686-695.

3. M. Vaïtilingom, L. Deguillaume, V. Vinatier, M. Sancelme, P. Amato, N. Chaumerliac, A.-M. Delort Potential impact of microbial activity on the oxidant capacity and organic carbon budget in clouds. Proceedings of the National Academy of Science USA, 2013,110, 559-564.