Reconstruction of the recent history of a large deep prealpine lake (Lake Bourget, France) using subfossil chironomids, diatoms, and organic matter analysis: towards the definition of a lake-specific reference state

This paper presents the recent history of a large prealpine lake (Lake Bourget) using chironomids, diatoms and organic matter analysis, and deals with the ability of paleolimnological approach to define an ecological reference state for the lake in the sense of the European Framework Directive. The study at low resolution of subfossil chironomids in a 4-m-long core shows the remarkable stability over the last 2.5 kyrs of the profundal community dominated by a Micropsectra-association until the beginning of the twentieth century, when oxyphilous taxa disappeared. Focusing on this key recent period, a high resolution and multiproxy study of two short cores reveals a progressive evolution of the lake's ecological state. Until AD 1880, Lake Bourget showed low organic matter content in the deep sediments (TOC less than 1%) and a well-oxygenated hypolimnion that allowed the development of a profundal oxyphilous chironomid fauna (Micropsectra-association). Diatom communities were characteristic of oligotrophic conditions. Around AD 1880, a slight increase in the TOC was the first sign of changes in lake conditions. This was followed by a first limited decline in oligotrophic diatom taxa and the disappearance of two oxyphilous chironomid taxa at the beginning of the twentieth century. The 1940s were a major turning point in recent lake history. Diatom assemblages and accumulation of well preserved planktonic organic matter in the sediment provide evidence of strong eutrophication. The absence of profundal chironomid communities reveals permanent hypolimnetic anoxia. From AD 1995 to 2006, the diatom assemblages suggest a reduction in nutrients, and a return to mesotrophic conditions, a result of improved wastewater management. However, no change in hypolimnion benthic conditions has been shown by either the organic matter or the subfossil chironomid profundal community. Our results emphasize the relevance of the paleolimnological approach for the assessment of reference conditions for modern lakes. Before AD 1900, the profundal Micropsectra-association and the Cyclotella dominated diatom community can be considered as the Lake Bourget reference community, which reflects the reference ecological state of the lake.

Organic matter processing and soil evolution in a braided river system

Traditionally, braided river research has considered flow, sediment transport processes and, recently, vegetation dynamics in relation to river morphodynamics. However, if considering the development of woody vegetated patches over a time scale of decades, we must consider the extent to which soil forming processes, particularly related to soil organic matter, impact the alluvial geomorphic-vegetation system. Here we quantify the soil organic matter processing (humification) that occurs on young alluvial landforms. We sampled different geomorphic units, ranging from the active river channel to established river terraces in a braided river system. For each geomorphic unit, soil pits were used to sample sediment/soil layers that were analysed in terms of grain size (<2mm) and organic matter quantity and quality (RockEval method). A principal components analysis was used to identify patterns in the dataset. Results suggest that during the succession from bare river gravels to a terrace soil, there is a transition from small amounts of external organic matter supply provided by sedimentation processes (e.g. organic matter transported in suspension and deposited on bars), to large amounts of autogenic in situ organic matter production due to plant colonisation. This appears to change the time scale and pathways of alluvial succession (bio-geomorphic succession). However, this process is complicated by: the ongoing possibility of local sedimentation, which can serve to isolate surface layers via aggradation from the exogenic supply; and erosion which tends to create fresh deposits upon which organic matter processing must re-start. The result is a complex pattern of organic matter states as well as a general lack of any clear chronosequence within the active river corridor. This state reflects the continual battle between deposition events that can isolate organic matter from the surface, erosion events that can destroy accumulating organic matter and the early ecosystem processes necessary to assist the co-evolution of soil and vegetation. A key question emerges over the extent to which the fresh organic matter deposited in the active zone is capable of significantly transforming the local geochemical environment sufficiently to accelerate soil development.

Elemental (C/N ratios) and isotopic (δ15N(org), δ13C(org)) compositions of sedimentary organic matter from a high-altitude mountain lake (Meidsee, 2661 m a.s.l., Switzerland): Implications for Lateglacial and Holocene Alpine landscape evolution

The deposition of Late Pleistocene and Holocene sediments in the high-altitude lake Meidsee (located at an altitude of 2661 m a.s.l. in the Southwestern Alps) strikingly coincided with global ice-sheet and mountain-glacier decay in the Alpine forelands and the formation of perialpine lakes. Radiocarbon ages of bottom-core sediments point out (pre-) Holocene ice retreat below 2700 m a.s.l., at about 16, 13, 10, and 9 cal. kyr BP. The Meidsee sedimentary record therefore provides information about the high-altitude Alpine landscape evolution since the Late Pleistocene/Holocene deglaciation in the Swiss Southwestern Alps. Prior to 5 cal. kyr BP, the C/N ratio and the isotopic composition of sedimentary organic matter (delta N-15(org), delta C-13(org)) indicate the deposition of algal-derived organic matter with limited input of terrestrial organic matter. The early Holocene and the Holocene climatic optimum (between 7.0 and 5.5 cal. kyr BP) were characterized by low erosion (decreasing magnetic susceptibility, chi) and high content of organic matter (C-org > 13 wt.%), enriched in C-13(org) (>-18 parts per thousand) with a low C/N (similar to 10) ratio, typical of modern algal matter derived from in situ production. During the late Holocene, there was a long-term increasing contribution of terrestrial organic matter into the lake (C/N > 11), with maxima between 2.4 and 0.9 cal. kyr BP. A major environmental change took place 800 years ago, with an abrupt decrease in the relative contribution of terrestrial organic material into the lake compared with aquatic organic material which subsequently largely dominated (C/N drop from 16 to 10). Nonetheless, this event was marked by a rise in soil erosion (chi), in nutrients input (N and P contents) and in anthropogenic lead deposition, suggesting a human disturbance of Alpine ecosystems 800 years ago. Indeed, this time period coincided with the migration of the Walser Alemannic people in the region, who settled at relatively high altitude in the Southwestern Alps for farming and maintaining Alpine passes.

Evaluation of the interactions between multiwalled carbon nanotubes and caco-2 cells

The aim of this study was to determine whether multiwalled carbon nanotubes (MWNCT) are taken up by and are toxic to human intestinal enterocytes using the Caco-2 cell model. Caco-2 cells were exposed to 50 ?g/ml MWCNT (oxidized or pristine) for 24 h, and experiments were repeated in the presence of 2.5 mg/L natural organic matter. Cells displayed many of the properties that characterize enterocytes, such as apical microvilli, basolateral basement membrane, and glycogen. The cell monolayers also displayed tight junctions and electrical resistance. Exposure to pristine and oxidized MWCNT, with or without natural organic matter, did not markedly affect viability, which was assessed by measuring activity of released lactate dehydrogenase (LDH) and staining with propidium iodide. Ultrastructural analysis revealed some damage to microvilli colocalized with the MWCNT; however, neither type of MWCNT was taken up by Caco-2 cells. In contrast, pristine and oxidized MWCNT were taken up by the macrophage RAW 264.7 line. Our study suggests that intestinal enterocytes cells do not take up MWCNT. [Authors]

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Binding of ²³⁹Pu and ⁹⁰Sr to organic colloids in soil solutions: evidence from a field experiment.

Colloidal transport has been shown to enhance the migration of plutonium in groundwater downstream from contaminated sites, but little is known about the adsorption of ⁹⁰Sr and plutonium onto colloids in the soil solution of natural soils. We sampled soil solutions using suction cups, and separated colloids using ultrafiltration to determine the distribution of ²³⁹Pu and ⁹⁰Sr between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the solutions of three Alpine soils contaminated only by global fallout from the nuclear weapon tests. Plutonium was essentially found in the colloidal fraction (>80%) and probably associated with organic matter. A significant amount of colloidal ⁹⁰Sr was detected in organic-rich soil solutions. Our results suggest that binding to organic colloids in the soil solutions plays a key role with respect to the mobility of plutonium in natural alpine soils and, to a lesser extent, to the mobility of ⁹⁰Sr.

Speciation of naturally-accumulated uranium in an organic-rich soil of an alpine region (Switzerland)

Very high concentrations of uranium (up to 4000 ppm) were found in a natural soil in the Dischma valley, an alpine region in the Grisons canton in Switzerland. The goal of this study was to examine the redox state and the nature of uranium binding in the soil matrix in order to understand the accumulation mechanism. Pore water profiles collected from Dischma soil revealed the establishment of anoxic conditions with increasing soil depth. A combination of chemical extraction methods and spectroscopy was applied to characterize the redox state and binding environment of uranium in the soil. Bicarbonate extraction under anoxic conditions released most of the uranium indicating that uranium occurs predominantly in the hexavalent form. Surprisingly, the uranium redox state did not vary greatly as a function of depth. X-ray absorption near edge spectroscopy (XANES), confirmed that uranium was present as a mixture of U(VI) and U(IV) with U(VI) dominating. Sequential extractions of soil samples showed that the dissolution of solid organic matter resulted in the simultaneous release of the majority of the soil uranium content (>95%). Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy also revealed that soil-associated uranium in the soil matrix was mainly octahedrally coordinated, with an average of 1.7 axial (at about 1.76 Å) and 4.6 to 5.3 equatorial oxygen atoms (at about 2.36 Å) indicating the dominance of a uranyl-like (UO22+) structure presumably mixed with some U(IV). An additional EXAFS signal (at about 3.2 Å) identified in some spectra suggested that uranium was also bound (via an oxygen atom) to a light element such as carbon, phosphorus or silicon. Gamma spectrometric measurements of soil profiles failed to identify uranium long-life daughter products in the soil which is an indication that uranium originates elsewhere and was transported to its current location by water. Finally, it was found that the release of uranium from the soil was significantly promoted at very low pH values (pH 2) and increased with increasing pH values (between pH 5 and 9).

Cadmium distribution in soils covering Jurassic oolitic limestone with high Cd contents in the Swiss Jura

Oolitic carbonates belonging to the Hauptrogenstein Formation of Bajocian (Middle Jurassic) age have been shown to be anomalously enriched in cadmium (Cd) throughout the Jura Mountains. Soils associated with this type of rock substratum may be naturally polluted with regards to Cd. At Schleifenberg (Canton Basel Land, Switzerland) the Hauptrogenstein Formation is almost entirely exposed along a trail on its SW flank. Cadmium concentrations were systematically measured throughout this formation and Cd enrichments in rocks are shown to occur to a maximum content of 4.9 mg kg(-1). We investigated associated soils, which cover the entire outcrop, and show that they have been formed through the weathering of the underlying bedrock and through the uptake of colluvial limestone fragments from the same and older formations. Cadmium contents in the soils reach a maximum value of 2.0 mg kg(-1), thereby exceeding the official Swiss indicative guideline value for soils fixed at 0.8 mg.kg(-1). Mineralogical analyses on the soils and associated bedrock suggest that no allochthonous component related to aeolian transport is present. Sequential extractions applied to selected soil samples show that about half of the Cd resides in the carbonate fraction coming from the fractured parent-rock, while the Cd released from the weathered carbonates is associated either with organic matter (over 10%) or with Fe and Mn-oxihydroxides (approximately 30%). No exchangeable Cd phase was found and this, together with the buffer capacity of this calcareous soil, suggests that the amount of mobile Cd is quite negligible in this soil, which also greatly reduces the amount of bioavailable

Biosphere/lithosphere interface : microbially-mediated CaCO3 precipitation in hypersaline and freshwater environments

Abstract: Microbial mats very efficiently cycle elements, such as C, 0, N, S and H, which makes them key players of redox processes at the biosphere-lithosphere interface. They are characterized by high metabolic activities and high turnover rates (production and consumption) of biomass, which mainly consists of cell material and of extracellular organic matter (EOM). The EOM forms a matrix, embedding the microbial cells and fulfilling various functions within the microbial mat, including: mat attachment to surfaces; creation of micro-domains within the mat; physical stabilization under hy- drodynamic stress and the protection of the cells in multiple other stress conditions. EOM mainly consists of polysaccharides, amino acids, and a variety of chemical func-tional groups {e.g., -C00H, - SH -OH). These groups strongly bind cations such as Ca2+ and Mg2+ and thus exert a strong control on carbonate mineral formation within the microbial mat. A feedback mechanism between community metabolisms, their prod¬ucts, and the surrounding physicochemical microenvironment thus influences the de¬gree of carbonate saturation favoring either carbonate precipitation or dissolution. We investigated the driving forces and mechanisms of microbialite formation in the Sari ne River, FR, Switzerland, the hypersaline lake, Big Pond, Bahamas and in labo¬ratory experiments. The two fundamentally different natural systems allowed us to compare the geochemical conditions and microbial metabolisms, necessary for car¬bonate formation in microbial mats. Although carbonates are oversaturated in both environments, precipitation does not occur on physicochemical substrates (i.e. out¬side the microbial mats). In the Sarine a high crystal nucleation threshold exceeds the carbonate saturation, despite the high carbonate alkalinity in the water column. Cyanobacterial photosynthesis strongly locally enhances the carbonate alkalinity, whereas the EOM attract and immobilize calcium, which increases the saturation state and finally leads to carbonate precipitation within the EOM (in this case the cyanobacterial sheath) as nucleation template. In Big Pond, the presence of calcium- chelating anions (i.e. sulfate) and EOM, as well as the presence of magnesium, lowers the calcium activity in the water column and mat, and thus inhibits carbonate pre¬cipitation. Coupled with other heterotrophic metabolisms, sulfate reduction uses the EOM as carbon source, degrading it. The resulting EOM consumption creates alkalin¬ity, releases calcium and consumes sulfate in mat-micro domains, which leads to the formation of carbonate layers at the top of the microbial mat. Résumé: Interface biosphère/lithosphère: médiation microbienne de la précipitation de CaC03 dans des environnements en eaux douces et hypersalines Les tapis microbiens engendrent une circulation très efficace des éléments, tels que C, 0, N, S et H, ce qui en fait des acteurs clé pour les processus d'oxydoréduction à l'inter¬face biosphère-lithosphère. Ils sont caractérisés par des taux élevés d'activité méta¬bolique, ainsi que par la production et la consommation de biomasse, principalement constituée de cellules microbiennes et de matière organique extracellulaire (MOE). Dans un tapis microbien, les cellules microbiennes sont enveloppées par une matrice de MOE qui a différentes fonctions dont l'attachement du tapis aux surfaces, la créa¬tion de micro-domaines dans le tapis, la stabilisation physique en situation de stress hydrodynamique, et la protection des cellules dans de multiples autres conditions de stress. La MOE se compose principalement de polysaccharides, d'acides aminés, et d'une variété de groupes fonctionnels chimiques (par exemple, COOH, -SH et -OH). Ces groupes se lient fortement aux cations, tels que Ca2+ et Mg2+, et exercent ainsi un contrôle fort sur la formation de CaC03 dans le tapis microbien. Un mécanisme de rétroaction, entre les métabolismes de la communauté microbienne, leurs produits, et le microenvironnement physico-chimique, influence le degré de saturation de car¬bonate, favorisant soit leur précipitation, soit leur dissolution. Nous avons étudié le moteur et les mécanismes de minéralisation dans des tapis de la Sarine, FR, Suisse et du lac hypersalin, Big Pond, aux Bahamas, ainsi que durant des expériences en laboratoire. Les deux systèmes naturels, fondamentalement dif¬férents, nous ont permis de comparer les conditions géochimiques et les métabolis¬mes nécessaires à la formation des carbonates dans des tapis microbiens. Bien que les carbonates soient sursaturés dans les deux environnements, la précipitation ne se produit pas sur des substrats physico-chimiques (en dehors du tapis microbien). Dans la Sarine, malgré un taux d'alcalinité élevé, les valeurs de seuil pour la nucléa- tion de carbonates sont plus hautes que la saturation du carbonate. La photosynthèse cyanobactérienne augmente localement l'alcalinité, alors que la MOE attire et immo¬bilise le calcium, ce qui augmente l'état de saturation et conduit finalement à la pré¬cipitation des carbonates, en utilisant la MOE comme substrat de nucléation. À Big Pond, la présence de chélateurs de calcium, notamment les anions (p.ex. le sulfate) et la MOE, ainsi que la présence de magnésium, réduit l'activité du calcium et inhibe en conséquence la précipitation des carbonates. Couplée avec d'autres métabolismes hétérotrophes, la réduction des sulfates utilise la MOE comme source de carbone, en la dégradant. Cette consommation de MOE crée l'alcalinité, consomme des sulfates et libère du calcium dans des micro-domaines, conduisant à la formation de couches de carbonates dans le haut du tapis microbien.

The role of fungi in the precipitation of calcite : relationships between fungal filaments, nanofibres, and needle fibre calcite

RésuméLes champignons sont impliqués dans les cycles biogéochimiques de différentes manières. En particulier, ils sont reconnus en tant qu'acteurs clés dans la dégradation de la matière organique, comme fournisseurs d'éléments nutritifs via l'altération des minéraux mais aussi comme grands producteurs d'acide oxalique et de complexes oxalo-métalliques. Toutefois, peu de choses sont connues quant à leur contribution à la genèse d'autres types de minéraux, tel que le carbonate de calcium (CaCO3). Le CaCO3 est un minéral ubiquiste dans de nombreux écosystèmes et il joue un rôle essentiel dans les cycles biogéochimiques du carbone (C) et du calcium (Ca). Le CaCO3 peut être d'origine physico-chimique ou biogénique et de nombreux organismes sont connus pour contrôler ou induire sa biominéralisation. Les champignons ont souvent été soupçonnés d'être impliqué dans ce processus, cependant il existe très peu d'informations pour étayer cette hypothèse.Cette thèse a eu pour but l'étude de cet aspect négligé de l'impact des champignons dans les cycles biogéochimiques, par l'exploration de leur implication potentielle dans la formation d'un type particulier de CaCO3 secondaires observés dans les sols et dans les grottes des environnements calcaires. Dans les grottes, ces dépôts sont appelés moonmilk, alors que dans les sols on les appelle calcite en aiguilles. Cependant ces deux descriptions correspondent en fait au même assemblage microscopique de deux habitus particulier de la calcite: la calcite en aiguilles (au sens strict du terme cette fois-ci) et les nanofibres. Ces deux éléments sont des habitus aciculaires de la calcite, mais présentent des dimensions différentes. Leur origine, physico-chimique ou biologique, est l'objet de débats intenses depuis plusieurs années déjà.L'observation d'échantillons environnementaux avec des techniques de microscopie (microscopie électronique et micromorphologie), ainsi que de la microanalyse EDX, ont démontré plusieurs relations intéressantes entre la calcite en aiguilles, les nanofibres et des éléments organiques. Premièrement, il est montré que les nanofibres peuvent être organiques ou minérales. Deuxièmement, la calcite en aiguilles et les nanofibres présentent de fortes analogies avec des structures hyphales, ce qui permet de confirmer l'hypothèse de leur origine fongique. En outre, des expériences en laboratoire ont confirmé l'origine fongique des nanofibres, par des digestions enzymatiques d'hyphes fongiques. En effet, des structures à base de nanofibres, similaires à celles observées dans des échantillons naturels, ont pu être produites par cette approche. Finalement, des enrichissements en calcium ont été mesurés dans les parois des hyphes et dans des inclusions intrahyphales provenant d'échantillons naturels de rhizomorphes. Ces résultats suggèrent une implication de la séquestration de calcium dans la formation de la calcite en aiguilles et/ou des nanofibres.Plusieurs aspects restent à élucider, en particulier la compréhension des processus physiologiques impliqués dans la nucléation de calcite dans les hyphes fongiques. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse ont permis de confirmer l'implication des champignons dans la formation de la calcite en aiguilles et des nanofibres. Ces découvertes sont d'une grande importance dans les cycles biogéochimiques puisqu'ils apportent de nouveaux éléments dans le cycle couplé C-Ca. Classiquement, les champignons sont considérés comme étant impliqués principalement dans la minéralisation de la matière organique et dans l'altération minérale. Cette étude démontre que les champignons doivent aussi être pris en compte en tant qu'agents majeurs de la genèse de minéraux, en particulier de CaCO3. Ceci représente une toute nouvelle perspective en géomycologie quant à la participation des champignons au cycle biologique du C. En effet, la présence de ces précipitations de CaCO3 secondaires représente un court-circuit dans le cycle biologique du C puisque du C inorganique du sol se retrouve piégé dans de la calcite plutôt que d'être retourné dans l'atmosphère.AbstractFungi are known to be involved in biogeochemical cycles in numerous ways. In particular, they are recognized as key players in organic matter recycling, as nutrient suppliers via mineral weathering, as well as large producers of oxalic acid and metal-oxalate. However, little is known about their contribution to the genesis of other types of minerals such as calcium carbonate (CaCO3). Yet, CaC03 are ubiquitous minerals in many ecosystems and play an essential role in the biogeochemical cycles of both carbon (C) and calcium (Ca). CaC03 may be physicochemical or biogenic in origin and numerous organisms have been recognized to control or induce calcite biomineralization. While fungi have often been suspected to be involved in this process, only scarce information support this hypothesis.This Ph.D. thesis aims at investigating this disregarded aspect of fungal impact on biogeochemical cycles by exploring their possible implication in the formation of a particular type of secondary CaC03 deposit ubiquitously observed in soils and caves from calcareous environments. In caves, these deposits are known as moonmilk, whereas in soils, they are known as Needle Fibre Calcite (NFC - sensu lato). However, they both correspond to the same microscopic assemblage of two distinct and unusual habits of calcite: NFC {sensu stricto) and nanofibres. Both features are acicular habits of calcite displaying different dimensions. Whether these habits are physicochemical or biogenic in origin has been under discussion for a long time.Observations of natural samples using microscopic techniques (electron microscopy and micromorphology) and EDX microanalyses have demonstrated several interesting relationships between NFC, nanofibres, and organic features. First, it has shown that nanofibres can be either organic or minera! in nature. Second, both nanofibres and NFC display strong structural analogies with fungal hyphal features, supporting their fungal origin. Furthermore, laboratory experiments have confirmed the fungal origin of nanofibres through an enzymatic digestion of fungal hyphae. Indeed, structures made of nanofibres with similar features as those observed in natural samples have been produced. Finally, calcium enrichments have been measured in both cell walls and intrahyphal inclusions of hyphae from rhizomorphs sampled in the natural environment. These results point out an involvement of calcium sequestration in nanofibres and/or NFC genesis.Several aspects need further investigation, in particular the understanding of the physiological processes involved in hyphal calcite nucleation. However, the results obtained during this study have allowed the confirmation of the implication of fungi in the formation of both NFC and nanofibres. These findings are of great importance regarding global biogeochemical cycles as they bring new insights into the coupled C and Ca cycles. Conventionally, fungi are considered to be involved in organic matter mineralization and mineral weathering. In this study, we demonstrate that they must also be considered as major agents in mineral genesis, in particular CaC03. This is a completely new perspective in geomycology regarding the role of fungi in the short-term (or biological) C cycle. Indeed, the presence of these secondary CaC03 precipitations represents a bypass in the short- term carbon cycle, as soil inorganic C is not readily returned to the atmosphere.

Recent human-induced trophic change in the large and deep perialpine Lake Lucerne (Switzerland) compared to historical geochemical variations

This study investigates the sedimentological and geochemical changes that occurred during the last 2200 years in the meromictic Lake Lucerne (Switzerland), one of the largest freshwater lakes of Central Europe. The stable isotope composition (delta C-13 and delta O-18 values) of bulk carbonates is compared to changes in grain-size distribution (clay and silt fraction), natural trace element input (titanium and thorium concentrations), and organic material abundance (C-org, nitrogen and phosphorus) and composition (C/N ratios and hydrogen and oxygen indexes). A drop in carbonate accumulation and in the delta O-18 values of sediments between ca. AD 500 and 700 followed a large and consistent rise in chemical weathering, marked by increases in the silicate-clay fraction and in crustal element concentrations. During the following millennium, there was a long-term decreasing trend in the lithogenic trace element input and in the phosphorus loading, suggesting decreasing terrigeneous input from runoff water. The major sedimentological change over the studied period occurred after ca. AD 1800 with a significant increase in the erosion-driven silt-fraction and in the sedimentation rate. During the last century, human-induced increase in nutrient input to the lake highly enhanced the accumulation of organic matter in sediment. Changes in nutrients and oxygen conditions in the hypolimnion of Lake Lucerne during the eutrophication period (i.e., the last 40 years) highly modified the geochemical fluxes compared to the relatively stable oligotrophic conditions that prevailed during the previous 2000 years. Before the 19th century, climate driven meromixis had a limited impact on the organic matter flux to the sediments, but the accumulation of carbonate considerably decreased during periods of lower mechanical erosion rates and high chemical weathering rates. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

An evaluation of the inorganic and organic geochemistry of the San Vicente Mississippi Valley-type zinc-lead district, central Peru: Implications for ore fluid composition, mixing processes, and sulfate reduction

Mississippi Tialley-type zinc-lead deposits and ore occurrences in the San Vicente belt are hosted in dolostones of the eastern Upper Triassic to Lower Jurassic Pucara basin, central Peru. Combined inorganic and organic geochemical data from 22 sites, including the main San Vicente deposit, minor ore occurrences, and barren localities, provide better understanding of fluid pathways and composition, ore precipitation mechanisms, Eh-pH changes during mineralization, and relationships between organic matter and ore formation. Ore-stage dark replacement dolomite and white sparry dolomite are Fe and rare earth element (REE) depleted, and Mn enriched, compared to the host dolomite. In the main deposit, they display significant negative Ce and probably Eu anomalies. Mixing of an incoming hot, slightly oxidizing, acidic brine (H2CO3 being the dominant dissolved carbon species), probably poor in REE and Fe, with local intraformational, alkaline, reducing waters explains the overall carbon and oxygen isotope variation and the distributions of REE and other trace elements in the different hydrothermal carbonate generations. The incoming ore fluid flowed through major aquifers, probably basal basin detrital units, with limited interaction with the carbonate host rocks. The hydrothermal carbonates show a strong regional chemical homogeneity, indicating access of the ore fluids by interconnected channelways near the ore occurrences. Negative Ce anomalies in the main deposit, that are absent at the district scale, indicate local ore-fluid chemical differences. Oxidation of both migrated and indigenous hydrocarbons by the incoming fluid provided the local reducing conditions necessary for sulfate reduction to H2S, pyrobitumen precipitation, and reduction of Eu3+ to Eu2+. Fe-Mn covariations, combined with the REE contents of the hydrothermal carbonates, are consistent with the mineralizing system shifting from reducing/rock-dominated to oxidizing/fluid-dominated conditions following ore deposition. Sulfate and sulfide sulfur isotopes support sulfide origin from evaporite-derived sulfate by thermochemical organic reduction; further evidence includes the presence of C-13-depleted calcite cements (similar to-12 parts per thousand delta(13)C) as sulfate pseudomorphs, elemental sulfur, altered organic matter in the host dolomite, and isotopically heavier, late, solid bitumen. Significant alteration of the indigenous and extrinsic hydrocarbons, with absent bacterial membrane biomarkers (hopanes) is observed. The light delta(34)S of sulfides from small mines and occurrences compared to the main deposit reflect a local contribution of isotopically light sulfur, evidence of local differences in the ore-fluid chemistry.