Une terre saine est de toute évidence un préalable à la salubrité de l’eau de tout bassin hydrographique, quoique la valeur particulière de la matière organique terrestre (p. ex., feuilles mortes, carbone dissous) ne soit appréciée que depuis peu. Par exemple, dans quelques petits lacs, jusqu’à 70 % de la productivité des systèmes aquatiques dérivent des environnements terrestres. Notre étude sur les interactions entre la terre et l’eau se concentre sur la compréhension du rôle du carbone terrestre et du cation de base dans le rétablissement d’écosystèmes gravement endommagés par des facteurs de stress comme l’exploitation minière, la fonderie, le feu et l’exploitation forestière. Cette étude industrielle du CRSNG est intitulée TALER (Terrestrial Aquatic Linkages for Ecosystem Recovery) et fait appel à des membres du corps professoral et des étudiants de la Laurentienne (J. Gunn, B. Keller, N. Mykytczuk), de York (N. Yan, M. Celis-Salgado, A Tanentzap), de Trent (S. Watmough), de Wilfrid Laurier (J. McGeer), de Queen’s (S. Arnott) et du laboratoire de Forêts Canada à Sault Ste. Marie (D. Kreutzweiser). Les partenaires industriels sont Vale Ltd et Xstrata Ltd, avec en plus le soutien de la Ville du Grand Sudbury. Des renseignements généraux sur l’étude se trouvent dans Szkokan-Emilson et coll. ( PDF).
L’étude TALER utilise des sites et installations aux endroits suivants :
- Sites d’études à long terme à Sudbury (Ontario)
- Bassins hydrographiques expérimentaux de Forêts Canada, à White River (Ontario)
- Laboratoire de toxicité FLAMES, à Dorset (Ontario)
- Laboratoire d’écologie microbienne FAME, à la Laurentienne
Kelly Livingstone
Superviseur: Jim McGeer (Ph.D), Université Wilfrid Laurier
Titre du mémoire:
Résumé:
Cette étude, entreprise dans le cadre de ma maîtrise (MSc), consiste à analyser l’influence de la qualité des sources de matière organique dissoute (MOD) sur la toxicité aiguë et chronique du cuivre pour les organismes Hyalella azteca. La MOD joue un rôle important dans le rétablissement des écosystèmes aquatiques endommagés, en particulier ceux qui sont touchés par les métaux. L’objectif de ce projet de recherche est d’examiner les MOD qui ont été recueillies (grâce à la concentration par osmose inverse) de sites qui ont été perturbés par l’exploitation forestière, les incendies et les émissions des fonderies à longue durée ou de sites de référence. Une bonne compréhension de la qualité de différents types de DOM expliquera la gravité de la perturbation de l’écosystème, l’atténuation de la toxicité du Cu étant l’un des axes principaux de cette étude. Dans l’ensemble, ce travail vise à mieux appréhender les liens entre les habitats aquatiques et terrestres. Il a été constaté que les sites perturbés offrent, par rapport aux sites de référence non perturbés, moins de protection contre la toxicité du cuivre. Le type de perturbation de l’écosystème aussi bien que la sévérité de celle-ci ont une influence sur la capacité protectrice des MOD. Les tests permettant de comparer la qualité (basée sur l’atténuation de la toxicité) des sources MOD montrent des différences claires qui peuvent être liées à la capacité de former un complexe avec le cuivre (électrode ion sélective) et les caractéristiques optiques (absorbance et spectroscopie matricielle excitation-émission – SMEE). L’absorbance des sources MOD à 340 nm permet une corrélation claire avec la capacité protectrice et peut servir de méthode rapide pour prédire la qualité des MOD. La SMEE, en conjonction avec l’analyse PARAFAC, a été trouvée utile en termes de modélisation en prenant en compte les caractéristiques de la composition relative de chaque source MOD. Une meilleure compréhension de la qualité des MOD peut aider à améliorer les prévisions de toxicité Cu dans les systèmes d’eau douce. Les études sur la chronicité, actuellement en cours, permettront de voir si les variations de sources MOD sont aussi distinctes sous l’effet d’une l’exposition à long terme.
Samantha Luke
Superviseur : Shaun Watmough (Ph.D), Université Trent
Titre du mémoire : Microbial biomass and aerobic respiration along a historic pollution gradient in Sudbury, Canada wetlands
Résumé:Je viens de terminer mon baccalauréat spécialisé (BSc) à l’Université Trent, où mon vif intérêt dans le milieu naturel s’est concrétisé dans une majeure bidisciplinaire en sciences environnementales/des ressources et biologie. Au cours de mon baccalauréat, j’ai eu la merveilleuse possibilité de préparer sous la direction de Shaun Watmough (Ph.D) une thèse de spécialisation comme un volet du projet TALER (liens entre la terre et l’eau pour le rétablissement de l’écosystème). Mon travail a consisté à examiner la biomasse microbienne et la respiration aérobie pour déterminer si les marais « touchés » par la pollution dans la région de Sudbury ont nui aux communautés microbiennes, c’est-à-dire les ont rendues déficientes. Je suis actuellement inscrite au programme d’études supérieures SIG (systèmes d’information géographique) au Collège Sault et travaille aussi à temps partiel au Laboratoire Harkness de recherche halieutique (du ministère des Ressources naturelles de l’Ontario), en tant que technicienne des ressources halieutiques. À l’avenir, j’espère marier mes compétences SIG et mes travaux de recherche dans les communautés halieutiques et les conséquences hydrologiques de perturbation.
La réhabilitation des paysages historiquement dégradés à Sudbury, en Ontario, a été étudiée dans une moindre mesure par rapport aux zones humides et aux communautés microbiennes. En effet, si les zones humides jouent un rôle important dans les transformations biogéochimiques et l’exportation de la matière organique aux systèmes en aval, les communautés microbiennes y jouent aussi un rôle crucial dans la décomposition. L’objectif de cette étude est d’évaluer si les zones humides « touchées » dans la région de Sudbury ont nui aux communautés microbiennes. Huit marais ont été sélectionnés sur un gradient de distance des fonderies dont la tourbe et l’eau interstitielle ont été analysées pour en déterminer différents paramètres physiques et chimiques. La respiration microbienne basale, la réponse relative à l’addition du substrat et la concentration en carbone de la biomasse microbienne ont également été évaluées suivant la méthode de respiration induite par le substrat et de fumigation-incubation. Les marais plus près de la fonderie de Copper Cliff ont des concentrations de Cu et Ni plus élevées ainsi que des tourbes et des MOD plus humifiées. La capacité fonctionnelle microbienne ne diffère pas entre les zones humides. Les taux de respiration basale sont cependant liés à l’humification de la tourbe, qui est potentiellement liée à la dégradation de l’environnement dans les marais ou les systèmes terrestres environnants.
Erik Szkokan-Emilson
Superviseurs: John Gunn (Ph.D), Université Laurentienne et Shaun Watmough (Ph.D), Université Trent
Titre du mémoire: Biogeochemical Processing and Flux of Nutrients and Metals from Lowland Wetlands: Importance to Recolonizing Aquatic Communities in Lakes.
Résumé:Je suis étudiant en doctorat, sous la co-supervision des professeurs Gunn (Université Laurentienne) et Watmough (Université Trent), et m’intéresse à l’influence des processus biogéochimiques dans les bassins versants des lacs. Ma recherche porte sur les cycles et les flux de nutriments et de métaux de basses terres humides aux lacs, sur un gradient de perturbation (mines, forêts, incendies) et lors d’événements extrêmes tels que la sécheresse. Ces perturbations ont le potentiel de modifier les cycles biogéochimiques naturels, entraînant dans la qualité de l’eau des changements qui pourraient avoir des effets dramatiques sur la biologie des écosystèmes lacustres. Je m’intéresse aussi à l’apport trophique des communautés aquatiques par la voie du carbone terrestre et l’influence des perturbations sur cette importante relation. Je crois que la recherche écologique doit avoir des applications directes et veille donc à ce que mon travail participe des efforts de réhabilitation des écosystèmes perturbés.
Caroline Sadlier
Superviseurs: Nadia Mykytczuk (Ph.D) et John Gunn (Ph.D), Université Laurentienne
Titre du mémoire:
Résumé: Les communautés microbiennes soutiennent les écosystèmes aquatiques en ce qu’elles recyclent et produisent les éléments et les nutriments essentiels aux organismes vivants. Les perturbations naturelles et industrielles comme les incendies, l’exploitation forestière, les dépôts acides et la contamination par les métaux ont un impact sur les écosystèmes aquatiques. Comme les communautés microbiennes jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques naturels, il faudra, pour mieux comprendre le processus de récupération, comprendre comment les communautés microbiennes répondent à ces perturbations. Mon étude consiste à examiner le rôle de la riche communauté microbienne, de même que sa structure et son activité dans les processus favorisant la récupération de l’écosystème aquatique suite à une perturbation des bassins versants naturels et industriels. L’approche consiste à évaluer l’intégrité écologique et l’état de la récupération, sur un gradient de perturbation (exploitation forestière ancienne/récente, incendie, acidification industrielle et dépôt de métaux), en reliant les caractéristiques des bassins versants aux caractéristiques de l’habitat des cours d’eau et aux mesures biotiques comme la décomposition des feuilles mortes, l’activité enzymatique et la structure de la communauté microbienne. Les premiers résultats montrent que les taux de décomposition microbienne sont semblables dans les sites de référence et les sites qui ont connu des perturbations causées par le feu et l’exploitation forestière, tandis que les taux de décomposition microbienne dans les sites qui ont connu des perturbations industrielles sont nettement plus bas.
Paul Pennington
Superviseur: Shaun Watmough (Ph.D), Université Trent
Titre du mémoire: Spatial and temporal variations in peatland geochemistry in Sudbury Ontario
Résumé: Les dommages du milieu sudburois depuis plus d’un siècle d’activité des fonderies ont été sévères et les impacts sur les écosystèmes aquatiques et terrestres sont bien documentés (Gunn, J., 1995 Szkokan-Emilson et coll. 2011). Cependant, malgré leur abondance dans la région, les zones humides ont reçu beaucoup moins d’attention. Une étude intitulée « Sudbury Soil Risk Assessment » (2001-2008) a montré que les carences nutritives sont autant un problème que la toxicité des métaux et souligné non seulement l’importance des zones humides, mais aussi la nécessité d’études exhaustives du rôle des zones humides dans le rétablissement des lacs. L’objectif du présent travail est d’évaluer la variabilité spatiale et temporelle de la géochimie des 18 zones humides (tourbes pauvres) qui s’étendant sur un gradient de pollution historique de Sudbury (de 5 à 45 km de la fonderie Copper Cliff) en Ontario. La chimie des tourbes et de l’eau interstitielle dans les tourbières à Sudbury présente une énorme variabilité spatiale et temporelle. Le gradient de pollution historique est encore évident dans les concentrations Cu et Ni dans la tourbe, mais la chimie de l’eau interstitielle apparaît également fortement influencée par les facteurs naturels comme l’eau souterraine et la teneur en carbone des tourbières. En outre, les processus d’oxydoréduction contribuent de manière significative aux variations temporelles de la chimie de l’eau interstitielle, malgré la grande variabilité spatiale et temporelle de la chimie de l’eau interstitielle. La répartition sol-solution de certains métaux peut être expliquée par le seul pH. L’analyse continue (multivariée) cherchera encore à caractériser la géochimie des tourbières à Sudbury. Cette recherche contribuera de manière significative aux données historiques concernant une région durement touchée par plus d’un siècle d’émissions industrielles. D’autre part, elles feront comprendre en profondeur la géochimie des zones humides par ses apports précieux quant à la contribution des zones humides à la santé des écosystèmes, de même qu’à leur influence sur celle-ci, et aidera à savoir pourquoi les lacs de Sudbury ne répondent pas, comme ils le devraient, après les réductions draconiennes des émissions au cours des deux dernières décennies.
Myra Juckers
Superviseur: Shaun Watmough (Ph.D), Université Trent
Titre du mémoire: Impacts of simulated drought on pore water chemistry of peatlands in the Greater Sudbury Area, Ontario
Résumé: Les événements météorologiques extrêmes, comme les sécheresses prolongées qui contribuent à l’acidification temporaire des tourbières, devraient augmenter par suite du changement climatique. En effet, lors d’une sécheresse sévère, les tourbières voient réduire la nappe phréatique, ce qui expose le souffre réduit à l’oxygène et le convertit en sulfate (SO4). Au remouillage, le SO4 est converti en acide sulfurique (H2SO4), ce qui réduit le pH et augmente la concentration en métal. Ce risque est particulièrement préoccupant pour les tourbières dans la région du Grand Sudbury vu les antécédents forestiers et miniers de la région. La présente étude a pour objectifs de déterminer les impacts d’une sécheresse de 30 et de 60 jours (sévérité) sur la chimie de l’eau interstitielle des tourbières, échantillonnées sur un gradient de distance dans la région du Grand Sudbury, et d’évaluer la possibilité de chaulage comme une stratégie d’assainissement. Les échantillons de tourbe ont été prélevés de la surface de six tourbières offrant au début de l’été différentes caractéristiques de base sur le plan chimique. Une sécheresse de 30 jours et une sécheresse de 60 jours, aux témoins dans les deux cas, simulés dans des conditions de laboratoire, ont montré que le pH de l’eau interstitielle était plus faible dans les traitements par sécheresse comparativement au témoin dans chacune des tourbières et que la baisse était beaucoup plus prononcée après le traitement par sécheresse de 60 jours. L’acide nitrique a contribué beaucoup plus à l’acidité des tourbières après une sécheresse de 60 jours par rapport à une sécheresse de 30 jours. Les concentrations de plusieurs métaux, comme le nickel, étaient beaucoup plus élevées dans les eaux interstitielles des traitements par sécheresse que dans le témoin et les hausses étaient beaucoup plus importantes par suite d’une sécheresse de 60 jours. Cette étude montre que la sévérité de la sécheresse influe sur celle de l’impulsion acide et de la libération métallique dans les tourbières du Grand Sudbury.
Sophie Barrett
Superviseur: Shaun Watmough (Ph.D), Université Trent
Titre du mémoire: Impact of Industrial Pollution on the Community and Biochemistry of Wetland Vegetation
Résumé: Les industries minières et fondrières qui ont dominé jadis la région de Sudbury, en Ontario, ont laissé une empreinte écologique importante sur le paysage comme en témoignent les zones humides qui sont à la fois acides et contaminées par des métaux. Alors que le retard de la récupération biologique suscite beaucoup d’inquiétude, on en sait peu sur la végétation des zones humides et le rôle de celle-ci dans la récupération de ces systèmes ou même s’ils sont touchés par les conditions actuelles dans les zones humides. L’objectif de cette étude d’évaluer les relations entre les communautés végétales des zones humides, ainsi que les principaux marqueurs biochimiques (par exemple, le total des phénols et des anthocyanes) et la chimie des tourbières (tourbe et eau interstitielle). Dix-huit zones humides sur un gradient de pollution historique ont été sélectionnées et les communautés de plantes vasculaires y ont été évaluées (richesse, Index Simpsons, etc.) à l’aide de seize quadrats 1m2 par zone humide, et la teneur en métal et éléments nutritifs de la tourbe et des espèces végétales courantes (par exemple, Kalmia angustifolia, Chamaedaphne calyculata) sera mesurée suivant les techniques standard. Les marqueurs biochimiques, y compris les métabolites secondaires qui, d’après les études, sont des indicateurs de la pollution industrielle, ainsi que la chlorophylle, seront également analysés. L’échantillonnage avec une caractérisation approfondie du contenu phénolique des plantes et de la tourbe, ainsi qu’une évaluation de la communauté non vasculaires, se feront en été 2013.
Katherine Chan
Superviseur: Jim McGeer (Ph.D), Université Wilfred Laurier et Norman Yan (Ph.D), Université York
Titre du mémoire : Factors affecting Ni Toxicity in Hyalella azteca
Résumé: L’objectif de ces études est de déterminer l’influence de Ca2+, de Mg 2 + et des matières organiques naturelles (MON) sur la toxicité aiguë et chronique de Ni pour Hyalella azteca. Des cultures amphipodes (source : lac Hannah) ont été mises en place pendant plus de six mois et acclimatées à de très faibles teneurs en Ca (0,1 mM Ca; 0,025 mM Mg; 0,1 mM Na; 0,1 mM Cl; pH 7; température 20° C) avant le test. Les protocoles de culture et de test suivis sont conformes à aux standards d’Environnement Canada (1997 EPS RM/33). En cas d’exposition aiguë, l’augmentation de Ca (de 0,1 à 2,0 mM) réduit considérablement la toxicité Ni de six fois (les valeurs CL50 ont augmenté passant de 0,56 mg/L à 3,2 mg/L). L’augmentation de Mg d’origine hydrique à 0,5 mm n’a pas fourni des effets protecteurs contre la toxicité Ni aiguë et a peut-être agi comme un facteur de stress à mesure que la survie des témoins de Mg accru se trouvait réduite. Les effets protecteurs des MON ont été évalués sur la base de la quantité et de la qualité du carbone organique dissous (COD). Les MON à des concentrations de 6 mg C/L et plus ont donné contre la toxicité Ni des effets protecteurs significatifs semblables à la série aiguë. Les MON ont été prélevées à différents milieux près de White River (3 sites), de Sudbury (4 sites; une zone humide au-dessus du lac des Laurentides, puis lacs Daisy, Laurentides et Clearwater) et aussi de la région de Muskoka (5 sites; un ruisseau qui se déverse dans le lac Harp (HP3), lac Harp, lac Plastic (PL) et 2 cours d’eau associés au lac Plastic (PC01 — sortie d’une zone humide au-dessus de PL et P108 — entrée dans une zone humide au-dessus PL). Les expositions avec MON à 6 mg C/L ont montré que certaines sources offert plus de protection que d’autres. L’accumulation de Ni à court terme (toute la base du poids sec du corps) ayant permis d’examiner les liens entre la toxicité et la biodisponibilité/l’absorption a montré que le stockage tissulaire lié à la toxicité varie énormément (entre 20 et 500 mg Ni/g pi). De façon inattendue, les effets protecteurs des MON sur la toxicité aiguë Ni n’étaient pas corrélés aux caractéristiques optiques (par exemple, SAC340, FI et le % en acide humique et acide fulvique comme cela est déterminé par la spectroscopie matricielle excitation-émission). En cas d’exposition chronique, l’ajout de facteurs modificateurs de de la toxicité a permis d’améliorer la croissance par rapport aux expositions à Ni seulement. La concentration de Ca, augmentée de 1 mM, a réduit la toxicité Ni par un facteur de 2 mais la survie était faible dans les témoins à teneur élevée de Ca (aucun Ni ajouté). Il est possible que les quantités accrues de Ca aient déclenché une réaction de stress qui neutralise son effet protecteur. Les témoins avec 6 mg/l de COD/L n’ont pas montré cet effet de survie diminuée. Les MON prélevées du lac Daisy ont protégé contre la toxicité chronique de Ni 3 fois mieux environ que celles du lac Plastic. Cet effet protecteur était inattendu, car les résultats des tests de toxicité aiguë ont montré que les MON du lac Daisy sont moins protectrices que celles du lac Plastic. Ces résultats sont considérés dans le contexte du modèle du ligand biotique et de la compréhension de l’importance de la source des MON.
Brian Kielstra
Superviseur: Shelly Arnott (Ph.D), Université Queen’s et John Gunn (Ph.D), Université Laurentienne
Titre du mémoire : Landscape-level effects on a freshwater amphipod at the land-water interface
Résumé: Déterminer comment les populations sensibles aux acides et aux métaux, y compris l’amphipode dulcicole Hyalella azteca, répondent aux caractéristiques du sous-bassin, sur des gradients spatiaux et temporels de récupération, peut apporter des indications utiles à l’orientation des pratiques de restauration. D’après les enquêtes périodiques, cet amphipode a, au cours des 20 dernières années, rétabli des populations dans toute la région. Nous présentons ici les résultats préliminaires d’une étude de six lacs évaluant comment les caractéristiques du sous-bassin (p. ex., la topographie et la végétation) pourraient influer sur la répartition et l’abondance de Hyalella azteca sur des gradients de récupération spatiaux (p. ex., le degré de perturbation du bassin versant historique) et temporels (p. ex., colonisés pour <2 -20+ ans). Les amphipodes ont été prélevés à des sous-bassins au point de confluence et à des sites représentant les substrats littoraux dominants, à l’aide d’un substrat artificiel. D’après les résultats préliminaires, les sous-bassins en moyenne peuvent être considérés comme des points chauds pour la colonisation lorsque la variation entre les lacs est prise en compte. Les prédicteurs au niveau des sous-bassins ont été générés comme des caractéristiques topographiques et végétales à partir de la classification d’images haute résolution, de la modélisation numérique de terrain et des indices obtenus par satellite. Ensuite, partant de modèles linéaires mixtes généralisés, des modèles prédictifs de l’abondance de Hyalella azteca ont été élaborés, compte étant tenu de la variation au niveau du lac. Une moyenne établie pour l’ensemble des modèles candidats préliminaires, l’abondance de Hyalella azteca est positivement influencée par l’étendue des macrophytes, si les proportions sont plus élevées, et une interaction positive entre la taille du sous-bassin et la proportion des valeurs-indices topographiques modérées (pente modérée, potentiel modéré d’accumulation d’eau). Cela montre que plus la zone du sous-bassin s’étend, plus s’accroît l’effet positif des pentes modérées et de l’accumulation d’eau sur l’abondance de Hyalella azteca. Les outils SIG peuvent également servir à d’autres études pour prédire l’influence du milieu sur l’eau ou la récupération des organismes dans la region.