Influence du changement climatique sur la production de méthylmercure et la contamination des organismes en Arctique central

Publié le 27.05.2016

Une équipe scientifique internationale s’est intéressée à la formation de méthylmercure survenant au cœur de l’océan Arctique et s’est aperçue que celle-ci avait plutôt tendance à se produire à des niveaux assez superficiels, comparativement aux autres océans, du moins lorsqu’elle intervient au voisinage de la zone marginale de glace. Cette dernière borde la banquise saisonnière et coïncide avec la zone où le développement planctonique est le plus intense, ce qui explique l’importance de la pollution au mercure affectant les espèces situées au sommet de la chaîne alimentaire marine arctique, sachant que le phytoplancton semble incorporer une fraction importante de ce polluant. La contamination serait potentiellement sous l’influence du réchauffement climatique, étant en l’occurrence susceptible de s’accroître d’année en année du fait de l’accélération du retrait de la banquise estivale et de l’amplification de la stratification des eaux océaniques.

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Les différents modes de transport de polluants en direction de l’Arctique
Transport et dépôt par le biais de la circulation et des précipitations atmosphériques, du fluage des glaces marines et continentales, des courants marins et des apports des rivières à l’océan.
Source : Hugo Ahlenius, UNEP/GRID-Arendal

Bien que soient connus en Arctique des sites spécifiques de production de méthylmercure [1] (sédiments côtiers, eaux littorales, neige de surface), l’origine précise des fortes concentrations de ce composé rencontrées notamment chez des espèces prédatrices du sommet de la chaîne trophique [2] reste assez incertaine. Jusqu’à présent, les observations dans la région de la dynamique du mercure en milieu marin étaient principalement cantonnées à la mer de Beaufort et aux eaux de l’archipel arctique canadien, or l’étude entreprise ici concerne pour la première fois l’océan Arctique central et s’attache en particulier à déterminer des profils de concentrations des eaux océaniques en mercure et méthylmercure en fonction de la profondeur. Il en ressort que les teneurs de ce dernier composé sont relativement importantes au niveau de la zone marginale des glaces [3] qui correspond à la zone de bordure de la banquise en cours de démantèlement et qui migre vers le nord au fur et à mesure de l’avancement de la saison, en même temps que migre la faune des prédateurs en parallèle de la production planctonique.

Les concentrations en méthylmercure observées en Arctique, au niveau de la faune en particulier, étaient supposées jusqu’alors provenir amplement de retombées atmosphériques de mercure inorganique (éventuellement sous des formes biodisponibles comme cela a pu être démontré au sein de précipitations neigeuses fraichement tombées). Il est en effet acquis que les apports de mercure par voie aérienne ont augmenté de façon substantielle avec le développement industriel, les émissions qui en découlent faisant l’objet d’un transport par la circulation atmosphérique [4]. Selon les auteurs cependant, une étude récente reposant sur un modèle couplé atmosphère-océan suggère qu’en plus des apports atmosphériques, l’une des sources principales de mercure en Arctique pourrait correspondre aux rejets des rivières durant la fonte des neiges au printemps. L’importance de ces apports fluviaux lors des crues printanières, principalement en provenance des rivières de Sibérie dont on sait qu’elle peuvent traverser des zones très industrialisées (et notablement polluées), est fortement privilégiée bien qu’encore soumise à débat. Pour autant, l’enchaînement des processus conduisant à la transformation du mercure inorganique, d’origine naturelle ou lié aux rejets anthropiques, en ce composé bio-accumulable particulièrement toxique que représente le méthylmercure paraît aujourd’hui encore relativement incompris.

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Débâcle de la banquise saisonnière en Arctique
Source : Pixabay - Domaine public

Les chercheurs ont donc entrepris d’analyser la colonne d’eau par paliers successifs au niveau de plusieurs zones localisées au large des côtes septentrionales de Russie, depuis la mer de Laptev et le bassin de Makarov jusqu’au pôle Nord géographique, et ce, à partir de profondeurs qui pouvaient localement atteindre près de 6 000 mètres (notamment à la verticale de la dorsale de Gakkel). Ces mesures effectuées pour la première fois en Arctique central, selon des latitudes variant entre 79° et 90° de latitude nord, montrent que le méthylmercure serait davantage présent dans une fourchette de profondeurs comprises entre environ -2 000 mètres et -150 mètres, du moins au niveau des profils enregistrés à proximité de la zone marginale de glace. Selon les sondages, les concentrations en méthylmercure atteignent des valeurs maximales aux alentours de -200 mètres ou de -150 mètres, puis elles diminuent ensuite régulièrement en direction de la surface, alors que le mercure total a plutôt tendance à croître dans les dernières dizaines de mètres. Cette seconde observation peut s’expliquer si l’on tient compte des apports des rivières sibériennes se déversant dans les environs, les teneurs en mercure les plus élevées ayant tendance à correspondre aux eaux de surface les plus chaudes et les moins salées du fait des apports en eau douce de température relativement élevée en provenance des rivières en question.

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Un autre exemple de bioaccumulation de polluants (les polychlorobiphényles ou PCB), où l’on remarque que les taux d’accumulation augmentent là aussi en fonction du niveau trophique
Source : World ocean review

L’analyse des prélèvements ayant été effectués à proximité de la bordure de la banquise a permis aux scientifiques de mettre en évidence l’existence d’une zone privilégiée de production de méthylmercure, localisée à une profondeur moindre (vers -200 mètres ou -150 mètres) comparée à celle observée habituellement dans d’autres océans où elle se situerait plutôt entre -1 000 mètres et -400 mètres. Coïncidant avec la zone marginale des glaces qui marque la transition entre la glace de mer et les eaux océaniques de surface, cette zone est aussi le lieu d’une production planctonique importante, de sorte qu’il semble légitime de supposer que puisse intervenir une relation de cause à effet entre la contamination du plancton et celle des poissons qui le consomment, puis des oiseaux et des mammifères marins qui s’en nourrissent à leur tour. Ceci explique les forts taux de mercure pouvant être présents chez les super-prédateurs positionnés à l’extrémité de la chaîne alimentaire, en particulier chez l’ours polaire [5], tout autant que chez les habitants de ces contrées du Grand Nord pour qui généralement la pêche ou encore la chasse, visant principalement les mammifères marins, représentent aujourd’hui encore les principaux modes de subsistance [6].

Néanmoins, l’évolution des concentrations en méthylmercure de l’eau de mer et des organismes ne dépendrait pas uniquement des rejets anthropiques de mercure et de leur transport atmosphérique ou océanique mais serait manifestement aussi sous l’influence du changement climatique. Le réchauffement de l’Arctique, dont il n’est plus à démontrer qu’il affecte intensément la région, entraîne en particulier un recul et un amincissement des glaces de la banquise pérenne au profit d’une extension de la banquise saisonnière qui en fondant à partir du printemps induit des apports en eau douce [7] venant s’ajouter à ceux des rivières et participe ainsi à intensifier la stratification de l’océan, en même temps qu’elle influence l’éco-dynamique du plancton, phénomènes susceptibles d’accentuer la production de méthylmercure au sein des eaux de surface, au voisinage de la zone marginale de glace tout du moins [8].

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Cycle biogéochimique du mercure
Source : Gouvernement du Canada - "Stratégie de gestion du risque relative au mercure"

Il ressort tout particulièrement de cette étude que la compréhension du comportement du mercure et de l’évolution de ses concentrations en Arctique doive probablement faire appel, lors de futures investigations, à des processus relevant davantage de la biologie marine au sein de l’écosystème planctonique et pas seulement de ceux gouvernant les retombées atmosphériques et les apports liés aux rivières ou aux courants marins. Il s’agit notamment d’appréhender au mieux la dynamique verticale du phénomène de méthylation et de tenter d’identifier l’intégralité des facteurs contrôlant la production du composé méthylmercure afin d’anticiper son évolution et ses impacts sur la flore, la faune et les populations. Par analogie avec les observations fondées sur d’autres océans, dont l’océan Austral, les auteurs envisagent qu’une méthylation in situ du mercure, intervenant au sein des eaux oxygénées de surface, pourrait potentiellement constituer la source principale du méthylmercure à l’origine de la contamination de la chaîne alimentaire marine arctique. Il apparaît en effet que les zones montrant des concentrations maximales en méthylmercure sont situées à des profondeurs relativement faibles et qu’elles sont localisées immédiatement au-dessous des zones planctoniques productives de surface, étant ainsi susceptibles d’entraîner une contamination d’autant plus aisée du plancton et de ses prédateurs, puis de l’ensemble de la chaîne trophique, du fait d’un apport en méthylmercure qui dès lors peut être qualifié de "biologique" car porté par le plancton en début de chaîne.

Plus précisément et en parallèle du recul de la banquise et de la stratification importante des eaux de surface, s’observe actuellement une tendance à la réduction de taille du phytoplancton. Sachant qu’un phytoplancton de petite dimension est connu pour jouer un rôle dans la dynamique du méthylmercure du fait qu’il occupe préférentiellement des couches plus profondes de la zone euphotique [9], il se retrouve ainsi d’autant plus facilement au contact des niveaux où ont été mesurées les concentrations en méthylmercure les plus élevées, ce qui est censé favoriser la fixation biologique de ce toxique par le plancton lui-même. Sa biodisponibilité à la base de la chaîne alimentaire dépend cependant du bilan qui s’établit entre production de méthylmercure et dégradation de celui-ci, notamment une photodégradation, avec retour éventuel à l’atmosphère d’une partie du mercure libéré (l’océan constituant de fait une source d’émission "naturelle" de mercure, au même titre que le volcanisme). Les auteurs envisagent que ce bilan serait cependant aussi sous le contrôle du changement climatique, le réchauffement en Arctique étant probablement en mesure d’entraîner une augmentation de la production de méthylmercure et en conséquence une exposition accrue des organismes parallèlement à une extension de la zone elle-même de production de ce composé, de concert avec une extension de la zone marginale de glace dont ils considèrent qu’il est sans doute crucial d’en évaluer pleinement l’importance lors des études à venir.

Gilles Banzet, INIST-CNRS

[1] Méthylmercure : nom générique désignant un composé organométallique regroupant un ion mercure (cation Hg2+) et un ou plusieurs groupes méthyle (anion CH3-). Plus exactement, le méthylmercure n’est pas un composé en lui-même mais un cation, CH3Hg+, intégré aux composés de méthylmercure, généralement des sels de mercure. Ce cation méthylmercure se combine le plus souvent avec un simple anion, tel l’ion chlorure, ou une molécule de grande dimension, telle une protéine par exemple. Le méthylmercure représente la forme la plus courante de mercure organique dans l’environnement et il constitue la forme biodisponible la plus toxique du mercure, y compris pour l’homme. Produit essentiellement selon un phénomène naturel de méthylation du mercure inorganique (ce dernier étant en majorité issu d’émissions volcaniques mais aussi de rejets anthropiques liés aux activités industrielles et à la combustion des énergies fossiles, en particulier aux rejets des centrales à charbon), cette forme moléculaire hautement toxique est aisément assimilable par les organismes dans lesquels elle aura tendance à s’accumuler, en particulier chez les grands prédateurs situés en fin de chaîne alimentaire. Chez les humains, enfants comme adultes, une ingestion prolongée peut engendrer des troubles neurologiques sévères et peut aussi freiner le développement du cerveau du fœtus, ce qui, par la suite, se traduit par des troubles du comportement et une réduction des facultés motrices et cognitives. Certains auteurs estiment que d’une manière générale, cette conversion du mercure inorganique en méthylmercure, par le biais de processus physico-chimiques et biologiques, serait quantitativement responsable pour environ moitié de la présence de ce neurotoxique dans les océans et de façon plus significative encore au sein de l’océan Arctique.

[2] Chaîne trophique (ou chaîne alimentaire) : ensemble des relations qui s’établissent entre des organismes en fonction de la façon dont ceux-ci se nourissent. Elle comprend des producteurs (algues, par exemple), des consommateurs primaires (herbivores, phytophages), des consommateurs secondaires (carnivores) et des décomposeurs (ou détritivores). Les polluants qui ne se dégradent pas ou peu, tels les métaux lourds, auront tendance à se concentrer chez les prédateurs du sommet de la chaîne trophique (source : Dictionnaire de l’environnement et du développement durable).

[3] Zone marginale de glace (ou des glaces) : zone de l’océan bordant la banquise et constituée d’un faible couvert de glace de mer surmontant une colonne d’eau stabilisée. Elle est considérée comme représentant un sous-système de la zone de glace saisonnière et se comporte comme un front en mouvement. Dans les régions polaires, arctiques tout autant qu’antarctiques, la présence de glace de mer induit une importante activité biologique. La fonte saisonnière de cette couverture de glace produit de l’eau douce qui entraîne une stabilisation de la colonne d’eau sur une certaine profondeur et jusqu’à une certaine distance de la zone marginale de glace, permettant d’intenses floraisons phytoplanctoniques printannières (blooms), contrôlées par la lumière, l’apport de nutriments et la stabilité verticale de la colonne d’eau, et qui ainsi dépendent étroitement de la dynamique des glaces de la banquise saisonnière subissant la débâcle.

[4] Sachant que le mercure est le seul métal présent à l’état liquide dans des conditions de pression et de température ordinaires, tout en étant susceptible de se vaporiser assez aisément et de se retrouver ainsi à l’état gazeux dans ces mêmes conditions.

[5] Voir sur notre site les articles intitulés : "L’ours blanc contaminé par le mercure" et "Du mercure dans le cerveau des ours polaires de l’Arctique canadien".

[6] Voir sur notre site les articles intitulés : "Une concentration en mercure particulièrement élevée chez les Groenlandais" et "Les polluants environnementaux, une menace pour la santé des enfants du Québec arctique".

[7] La couche d’eau superficielle de l’océan Arctique est particulièrement favorable à la congélation dans la mesure où elle est de relativement faible salinité, notamment du fait des apports en eau douce des grands fleuves boréaux. En gelant, l’eau de mer forme une imbrication de cristaux de glace d’eau douce et de gouttelettes de saumure, gouttelettes salées qui finissent par se regrouper, migrer vers le bas et être expulsées pour rejoindre la mer. Ainsi la banquise s’adoucie peu à peu et sa fusion aura tendance à produire de l’eau douce et non de l’eau salée, de sorte que son retrait participe à favoriser la stratification des eaux de surface de l’océan.

[8] A l’aide d’une nouvelle technique d’analyse isotopique pratiquée à l’échelle moléculaire, une équipe de chercheurs français a pu déterminer quelle était la signature en isotopes stables du carbone (rapport entre isotopes 13C et 12C) contenu dans la molécule de méthylmercure, ce qui leur a permis de préciser la nature de la matière organique impliquée dans la formation de ce composé et d’appréhender ainsi ses mécanismes d’apparition dans les eaux océaniques. Ayant plus précisément mis au point une méthode d’extraction et de purification du méthylmercure contenu dans des échantillons biologiques, ils ont analysé la composition isotopique du carbone constitutif de la molécule par chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse et ont pu estimer que la matière organique phytoplanctonique récente jouait visiblement un rôle déterminant dans la production de méthylmercure au sein des écosystèmes pélagiques de l’océan ouvert. Ces travaux constituent une avancée significative dans la compréhension du couplage intervenant entre production de matière organique et cycle biogéochimique du mercure à l’origine de la formation du méthylmercure en milieu marin (source : Masbou J. et al. (2015). Carbon stable isotope analysis of methylmercury toxin in biological materials. Anal. Chem. DOI : 10.1021/acs.analchem.5b02918 ; voir aussi le communiqué paru sur le site de l’INSU-CNRS).

[9] La zone euphotique, nommée aussi zone photique ou zone épipélagique, correspond (pour un lac ou un océan) au niveau aquatique compris entre la surface et une profondeur où la lumière est encore suffisante pour que puisse se produire la photosynthèse. Classiquement, cette zone s’étend jusqu’à une profondeur où l’intensité lumineuse résiduelle correspond à 1 % de l’intensité originelle présente en surface. Cette profondeur euphotique dépend ainsi de l’importance de l’atténuation lumineuse dans la colonne d’eau et varie typiquement de quelques mètres dans des estuaires très turbides jusqu’à environ 200 mètres en haute mer. En milieu marin, l’épaisseur de cette zone euphotique est généralement proportionnelle à l’importance de la productivité primaire, sachant qu’environ 90 % de l’ensemble de la vie marine sont cantonnés dans cette zone à l’échelle de l’océan mondial.

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