Des chercheurs ont récemment confirmé que les lacs du monde entier perdent rapidement de l’oxygène. Qu’est-ce que cela signifie pour la qualité de l’eau que l’oxygène diminue à l’échelle mondiale ?
Des scientifiques ont récemment confirmé que les lacs du monde entier perdent rapidement de l’oxygène. Grâce à une étude de sept ans portant sur l’ensemble de l’écosystème, une équipe de scientifiques spécialisés dans les eaux douces de Virginia Tech a été l’une des premières à franchir l’étape suivante en posant la question suivante : Qu’est-ce que cela signifie pour la qualité de l’eau que l’oxygène diminue dans le monde ?
Collées par les sédiments, les eaux de fond des lacs sont plus que leur couche la plus profonde et la plus sombre. Elles enfouissent une grande partie du carbone, de l’azote et du phosphore présents dans les eaux de ruissellement provenant de la terre. En tant que l’un des principaux puits de nutriments de la nature, les lacs méritent leur réputation de “sentinelles” de leur environnement, a déclaré Cayelan Carey, spécialiste des eaux douces.
“Nous considérons les lacs comme des sentinelles parce qu’ils intègrent véritablement tous les changements qui se produisent sur terre”, a déclaré Cayelan Carey, professeur associé de sciences biologiques au Virginia Tech College of Science et scientifique affilié à l’Institut Fralin des sciences de la vie. “Les lacs font ce très bon travail de réception et de traitement de tout ce carbone, cet azote et ce phosphore, les empêchant de descendre en aval et d’atteindre l’océan.”
Mais ce travail pourrait être démantelé par l’anoxie, la perte de disponibilité de l’oxygène, a constaté l’équipe de Carey dans une étude publiée le 25 mai 2022 dans le journal Global Change Biology. Redoutée par les scientifiques depuis des années et récemment confirmée comme répandue par les données de centaines de lacs, l’anoxie aspire l’oxygène des eaux douces du monde.
Il s’agit d’un phénomène lié au réchauffement des eaux provoqué par le changement climatique et à l’excès de polluants provenant de l’utilisation des terres. Le réchauffement des eaux diminue la capacité de l’eau douce à retenir l’oxygène, tandis que la dégradation des nutriments contenus dans les eaux de ruissellement par les microbes d’eau douce engloutit l’oxygène.
Cayelan Carey, professeur adjoint de sciences biologiques au College of Science (au centre) travaille avec les étudiants diplômés Jonathan Doubek (à gauche) et Ryan McClure pour filtrer des échantillons d’eau au réservoir de Falling Creek afin d’analyser les concentrations de fer et de manganèse. Crédit : Virginia Tech
Au cours d’une expérience de terrain de sept ans qui a permis de manipuler les niveaux d’oxygène dans les eaux de fond d’un réservoir voisin, l’équipe de Carey a constaté que les conditions anoxiques entraînaient des effets auxquels elle s’attendait : les sédiments libèrent beaucoup de nutriments et de carbone. Mais ils n’étaient pas aussi préparés à l’ampleur des changements. Ils ont observé que le lac passait du statut de puits – qui retient plus de nutriments et de carbone qu’il n’en exporte – à celui de source de nutriments en aval, amorçant un cycle dans lequel l’anoxie dans un lac pouvait engendrer l’anoxie dans un autre.
“Je ne m’attendais pas à ce qu’il y ait un tel changement dans la chimie de l’eau”, a déclaré Carey. “Et de le voir de manière constante et de le voir sur les sept années de l’étude – l’effet de l’anoxie était de plusieurs ordres de grandeur plus important que ce que j’avais prédit à l’origine”.
La fusion de l’eau douce et de la science des données
Pour faire ces découvertes, l’équipe a conçu une expérience inédite à plusieurs égards. Elle devait être réalisée à l’échelle de l’écosystème tout entier, non seulement à l’aide d’échantillons testés en laboratoire ou dans de petites enceintes d’eaux de fond d’un lac, mais aussi en ayant accès à l’ensemble du plan d’eau. L’équipe de Carey a réalisé des expériences sur le terrain dans le réservoir de Falling Creek à Vinton, en Virginie, où les membres de l’équipe ont manipulé les niveaux d’oxygène dans les eaux de fond du lac à l’aide d’un système d’oxygénation artificiel capable de prélever de l’eau du fond, d’y injecter de l’oxygène dissous à des concentrations sursaturées à terre et de renvoyer l’eau oxygénée au fond sans modifier la température de l’eau.
Pour comprendre l’impact de l’anoxie, il est essentiel de manipuler uniquement les niveaux d’oxygène dans les eaux de fond, ce qui permet de dissocier les effets des changements de température, a déclaré Carey, membre de la faculté Roger Moore et Mojdeh Khatam-Moore du College of Science. “En manipulant l’oxygène sans modifier la température, nous pouvons comprendre et isoler quels seront ses effets. Nous pouvons vraiment dire que ce que nous observons est le résultat d’un changement d’oxygène et non pas dû à d’autres facteurs étrangers qui se produisent dans le lac.”
Cayelan Carey. Crédit : Photo par Steven Mackay pour Virginia Tech
Mais l’analyse des effets de l’anoxie ne s’arrête pas à l’augmentation ou à la diminution des niveaux d’oxygène et à la surveillance de la chimie de l’eau. Dans le cadre d’une expérience sur le terrain, il y a toujours des données dont vous avez besoin mais que vous ne pouvez pas collecter, a déclaré Carey. Il s’agit deIl est difficile d’échantillonner et de mesurer “ces interactions sédiments-eau” sans les perturber sur le terrain. Il y a aussi la question de la logistique : Carey ne pouvait pas envoyer quelqu’un pour collecter des données tous les jours pendant sept étés.
L’équipe a donc introduit les données recueillies dans un modèle que Carey décrit comme un “jeu vidéo d’un lac”, qui simule ces interactions importantes mais délicates. “La base du jeu vidéo était un ensemble d’équations que nous pouvions manipuler pour comprendre quels processus étaient les plus importants lorsque le réservoir avait des niveaux d’oxygène faibles ou élevés”, a-t-elle déclaré.
Le modèle a également permis à l’équipe d’obtenir des données toutes les heures. “Cela nous a permis de vraiment comprendre à quelle vitesse le lac réagissait aux changements d’oxygène”, a déclaré Carey.
Une inversion des rôles
Les chercheurs ont observé d’énormes changements dans les concentrations de nutriments libérés par les eaux de fond avec l’anoxie, notamment une multiplication par six des exportations d’azote. Au fil du temps, le lac est passé d’un puits net de phosphore et de carbone à une source nette de ces deux nutriments pour les masses d’eau en aval.
“Ce que nous avons vu, c’est que le lac n’était pas en mesure de faire son important travail de puits de carbone, d’azote et de phosphore, comme il l’aurait fait s’il y avait de l’oxygène”, a déclaré Carey. “Les changements étaient vraiment remarquables pour les trois éléments pris individuellement, mais nous avons vu qu’au total, la capacité du lac à servir de puits était vraiment en train de changer.”
Tout ce carbone, cet azote et ce phosphore, autrefois enfouis au fond, ont non seulement été libérés dans la colonne d’eau – ce qui peut alimenter la prolifération d’algues toxiques, nuire à la faune d’eau douce et compromettre les réservoirs comme sources d’eau potable – mais les nutriments se sont déplacés en aval, a expliqué Carey. C’est là que se trouve le cercle vicieux de l’anoxie qui engendre l’anoxie : plus les nutriments atteignent d’autres lacs, rivières et ruisseaux, plus les microbes de chaque plan d’eau consomment d’oxygène pour les décomposer.
La connaissance de la gravité de cet impact devrait nous inciter à agir sur l’utilisation des terres, estime Carey. “Notre étude révèle ce mécanisme par lequel les lacs en amont nuisent aux lacs en aval, et si ce phénomène est généralisé, alors nous devons faire tout ce qui est en notre pouvoir pour empêcher les lacs de recevoir encore plus de phosphore, d’engrais et de sédiments”, a-t-elle déclaré. “J’espère que nous pourrons allumer un feu avec les gens. Ces processus se produisent alors que nous n’étions même pas au courant.”
Référence : “Anoxia decreases the magnitude of the carbon, nitrogen, and phosphorus sink in freshwater” par Cayelan C. Carey, Paul C. Hanson, R. Quinn Thomas, Alexandra B. Gerling, Alexandria G. Hounshell, Abigail S. L. Lewis, Mary E. Lofton, Ryan P. McClure, Heather L. Wander, Whitney M. Woelmer, B. R. Niederlehner et Madeline E. Schreiber, 25 mai 202, Biologie du changement global.
DOI : 10.1111/gcb.16228
Les co-auteurs de l’étude comprennent plusieurs étudiants diplômés du Carey Lab, ainsi que Madeline Schreiber, professeur au département des géosciences, et Quinn Thomas, membre du corps professoral conjoint du département des sciences biologiques et des ressources forestières et de la conservation environnementale, cette dernière partie du College of Natrual Resources and Environment. M. Thomas est également membre de la faculté des sciences des données du College of Science.
