Comprendre les nuages et la chimie dont ils sont le siège est un enjeu majeur pour alimenter correctement les modèles globaux de prévision du climat. Depuis plus de trente ans les scientifiques de l’atmosphère n’ont considéré que des réactions purement abiotiques (sans intervention biologique) pour décrire les processus chimiques au sein des gouttes d’eau. Des chercheurs de l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (CNRS / Université Blaise Pascal) en collaboration avec le Laboratoire de Météorologie Physique (CNRS / Université Blaise Pascal) viennent pour la première fois de montrer que la composante biologique devra dorénavant être prise en compte dans les modèles de chimie atmosphérique.

Comprendre la chimie des nuages est un enjeu majeur car, outre un aspect fondamental, la description des processus chimiques et physiques sont à la base de modèles numériques qui permettent d’alimenter des modèles globaux de la prévision du climat. Or actuellement ces prévisions comportent de nombreuses incertitudes, dont la plus grande est liée aux nuages. La chimie des nuages est encore mal connue car elle est multiphasique (phases aqueuse, gazeuse et solide), donc extrêmement complexe.

Si l’on regarde uniquement la phase aqueuse du nuage (gouttelette d’eau), on observe des processus de dissolution des aérosols (composés chimiques solides), des échanges de composés volatiles (VOC) entre l’air et l’eau et une réactivité très intense au sein de la gouttelette. Depuis plus de trente ans, les scientifiques de l’atmosphère n’ont considéré que des réactions purement abiotiques (sans intervention biologique) de type radicalaire qui aboutissent à la dégradation de la matière organique carbonée. Un des radicaux majeurs impliqué dans cette chimie est le radical hydroxyle (°OH, forme neutre du radical hydroxide OH^-). Les radicaux °OH produits à partir d’eau oxygénée (H₂O₂) par voie photochimique ou par réaction avec des métaux comme le Fer oxydent et dégradent la matière organique.

L’histoire remonte aux années 2005 lorsque les chercheurs ont pour la première fois montré que des microorganismes vivants métaboliquement actifs étaient présents dans les nuages et pouvaient potentiellement transformer des composés organiques contenus dans les gouttes d’eau via leur métabolisme. L’accès à l’Observatoire du puy de Dôme (1465m), site exceptionnel et labellisé au niveau Européen pour l’étude des nuages, a permis de prélever des échantillons d’eau nuageuse et d’identifier près de 700 souches microbiennes. Grâce à ces souches, les chercheurs ont pu élaborer des expériences en laboratoire pour tester le rôle des microorganismes dans la chimie atmosphérique.

Site de prélèvement du puy de Dôme. © Anne-Marie Delort

Bactérie du genre Pseudomonas aux propriétés fluorescentes. © Anne-Marie Delort

En réalisant des échantillons d’eau nuageuse contenant l’ensemble de la biodiversité microbienne et des composés chimiques, l’équipe clermontoise a pu montrer que l’activité des microorganismes dans la dégradation de la matière organique était du même ordre de grandeur que les réactions photochimiques et les réactions radicalaires non photochimiques. De plus, les microorganismes métabolisent H₂O₂ (pour la transformer en H₂O et O₂), qui est la source de formation des radicaux °OH. Ils diminuent donc le potentiel de formation des radicaux °OH et de manière indirecte l’efficacité des réactions radicalaires. Les résultats montrent pour la première fois que des bactéries contenues dans les nuages sont capables de dégrader l’eau oxygénée. Les mesures ont enfin montré que la présence de radicaux ne changeait pas l’état énergétique des cellules qui restent pleinement actives.

Ce travail réalisé par les équipes de Clermont-Ferrand ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension de la chimie atmosphérique. La composante biologique qui avait jusqu’ici été totalement ignorée devra dorénavant être prise en compte dans les modèles de chimie atmosphérique et les expériences menées en laboratoire pour alimenter les modèles globaux de prévision du climat.

Référence

M. VAITILINGOM, L. DEGUILLAUME, V. VINATIER, M. SANCELME, P. AMATO, N. CHAUMERLIAC, A.-M. DELORT
Potential impact of microbial activity on the oxidant capacity and organic carbon budget in clouds
Proc. Natl. Acad.Sci. (USA) 2013, 110 (2), 559-564.

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Anne-Marie DELORT / Institut de Chimie de Clermont-Ferrand

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