Respirez profondément. Faites attention à la façon dont l’air passe de votre nez à votre gorge avant de remplir vos poumons d’oxygène. Lorsque vous expirez, un mélange d'oxygène et de dioxyde de carbone quitte votre nez et votre bouche.
Saviez-vous que les ruisseaux et les rivières « respirent » de la même manière ?
Les États-Unis abritent plus de 250 000 de ces masses d’eau qui se connectent aux zones côtières et aux océans. Leur taille varie, des petits ruisseaux aux grandes rivières, mais tous absorbent de l'oxygène et dégagent du dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre comme le méthane.
Ces dernières années, une équipe de scientifiques dirigée par le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) s’est plongée dans des recherches cruciales sur les processus et les interactions qui contribuent à la dynamique des gaz à effet de serre. Leur travail se concentre sur des réseaux entiers de ruisseaux et de rivières, ainsi que sur les terres entourant ces systèmes.
Leur travail inclut également des facteurs qui peuvent perturber la respiration des ruisseaux et des rivières. Certaines de ces perturbations se produisent au-delà des cours d’eau, comme les incendies de forêt, mais elles ont quand même un impact sur la façon dont les cours d’eau respirent en modifiant la manière dont les matières y pénètrent. Comprendre ces impacts est essentiel pour relever les défis liés à la qualité de l'eau, au cycle mondial du carbone et au changement climatique.
Les scientifiques du PNNL ont mené des études de modélisation, sur le terrain et en laboratoire à travers les États-Unis, certaines études étant particulièrement intensives dans le bassin du fleuve Columbia. Cette zone couvre 258 000 milles carrés et le fleuve Colombie coule sur plus de 1 270 milles, des Rocheuses canadiennes à l'océan Pacifique. Ce bassin comprend des forêts luxuriantes, des déserts secs et de vastes terres agricoles. Le campus principal du PNNL est situé dans le bassin de l'est de l'État de Washington.
Les recherches menées par le PNNL ont produit des modèles et des données qui peuvent aider à prédire comment protéger les ruisseaux et rivières du pays ainsi que les communautés qui en dépendent. Les travaux sont publiés dans la revue Frontiers in Water .
"Notre équipe utilise des modèles et des données pour obtenir de nouvelles informations et développer des prédictions qui éclaireront les décisions prises par les régulateurs et les gestionnaires de ressources naturelles", a déclaré Timothy Scheibe, chercheur au laboratoire PNNL et spécialiste de la Terre, l'un des dirigeants de cette recherche.
Les modèles et les données peuvent contribuer à éclairer les pratiques de gestion de l’eau et de l’utilisation des terres, notamment sur la manière de répondre aux catastrophes naturelles telles que les incendies de forêt et la sécheresse. Ils peuvent également contribuer à déterminer comment les futurs changements environnementaux pourraient affecter les systèmes naturels et humains qui sont importants pour la santé de notre planète.
L'un des facteurs permettant de comprendre comment les ruisseaux et les rivières respirent est un ensemble de processus appelés respiration :un ensemble de réactions chimiques qui, ensemble, déterminent la quantité de carbone qui reste en place et celle qui pénètre dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone.
La respiration combine le carbone et l'oxygène pour générer de l'énergie pour les organismes vivants. Ce processus crée également un certain « échappement » sous forme de dioxyde de carbone qui est « expiré » par des organismes tels que les algues et les bactéries dans les écosystèmes des cours d'eau et des rivières. En étudiant la respiration dans de nombreux types de cours d'eau et de rivières, les chercheurs peuvent comprendre pourquoi certains systèmes respirent plus que d'autres.
Comprendre le « pourquoi » est essentiel. C'est ce qui permet aux chercheurs de prédire l'avenir des ruisseaux et des rivières.
Il est également important de comprendre si l’eau ou les sédiments des rivières et des ruisseaux respirent davantage. Pour répondre à cette question, le PNNL s'est associé à des chercheurs de l'Université de l'État de Washington et de l'Université du Montana. L’équipe a découvert que dans le fleuve Columbia, la majeure partie de la respiration est assurée par des organismes présents dans l’eau. Cela est probablement dû au fait que le fleuve Columbia contient beaucoup d'eau dans laquelle la respiration peut avoir lieu.
Mais dans d’autres systèmes hydrographiques, les microbes présents dans les sédiments assurent l’essentiel de la respiration. Certains sédiments « respirent » beaucoup plus rapidement que d’autres et, par conséquent, produisent plus de dioxyde de carbone.
L'équipe du PNNL a montré que la quantité de dioxyde de carbone produite par les sédiments est liée à la taille des roches qui composent le lit des rivières. Des roches plus grosses entraînent souvent plus de respiration. C'est important, car plus les sédiments respirent vite, plus ils peuvent éliminer les polluants des ruisseaux et des rivières.
En plus des gaz comme l’oxygène et le dioxyde de carbone, les ruisseaux et les rivières contiennent des particules d’organismes morts comme des plantes et des algues. C'est ce qu'on appelle la matière organique, et c'est le « carburant » ou la « nourriture » qui alimente la respiration et joue un rôle dans la qualité de l'eau et la santé des espèces aquatiques. La composition de la matière organique est contrôlée en partie par l'utilisation des terres, les polluants, la gestion forestière et les perturbations naturelles et humaines. Comprendre sa relation avec la respiration peut donc motiver différentes pratiques de gestion des terres et de l'eau.
L’équipe du PNNL a mené des recherches sur la façon dont les changements dans les types de matière organique provoquent des changements dans la respiration. Dans une série d'études, l'équipe a montré que la respiration dans les sédiments est liée à la chimie de la matière organique. Les Frontières dans l'eau L'étude, menée en partenariat avec des chercheurs de l'Université du Nebraska, a révélé des règles générales dans divers flux qui définissent les liens entre la chimie de la matière organique et la respiration des sédiments.
Les scientifiques du PNNL ont également révélé comment les incendies de forêt peuvent modifier la matière organique des cours d’eau à la suite d’un incendie de forêt. L'équipe a découvert qu'il existait un lien entre la composition de la matière organique et l'impact des incendies sur le paysage lors de la première tempête après un incendie de forêt majeur en 2020. Cela rend difficile la compréhension de la manière dont les microbes utilisent différents types de matière organique pour alimenter la respiration dans les cours d'eau. et des rivières.
Il existe des dizaines de milliers de composés différents qui composent la matière organique. Il existe également une variété d’organismes qui utilisent la matière organique comme carburant. Il est donc difficile de déterminer le degré de respiration des différents types de matière organique et d'organismes présents dans les ruisseaux et les rivières.
Malgré les défis, le PNNL et les chercheurs partenaires ont révélé des règles générales sur le fonctionnement de ces systèmes complexes. Ces règles permettent aux scientifiques de résoudre d'autres défis importants, comme comment améliorer la qualité de l'eau et prédire la quantité de dioxyde de carbone qui quittera les ruisseaux et les rivières à la suite d'événements majeurs comme les incendies de forêt.
"Comprendre quels principes régulent les processus et comment ils fonctionnent dans les systèmes est un objectif clé de notre travail", a expliqué Allison Myers-Pigg, spécialiste de la Terre au PNNL. "Ces connaissances constituent une base pour construire des modèles capables de prédire la santé future des cours d'eau et des rivières, y compris la manière dont ils pourraient être affectés par de grandes perturbations. Sans ces connaissances, nous ne pouvons pas faire de prévisions précises."
Plus d'informations : Firnaaz Ahamed et al, Exploration des déterminants de la biodisponibilité de la matière organique grâce à une modélisation thermodynamique explicite du substrat, Frontiers in Water (2023). DOI :10.3389/frwa.2023.1169701
Fourni par le Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
