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Verrecchia, Eric

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Verrecchia, Eric
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Professeur.e associé.e
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https://libra.unine.ch/handle/123456789/143

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    The impact of oxalogenic plants on soil carbon dynamics: formation of a millennium carbon storage as calcium carbonate
    (2012)
    Ferro, Katia Imeria
    ;
    Verrecchia, Eric 
    Au sud du Burkina Faso, des milliers d’années de pédogénèse ont produit des «Plinthic Ferralsols Arenic» (suivant la WRB). Il a toutefois été observé que sous l’influence d’arbres oxalogènes tels que Milicia excelsa, Afzelia africana et Bombax costatum, les sols évoluent vers des «Ferralic Calcisols Arenic» (selon la WRB) en quelques décennies. Il est admis que le moteur de cette accumulation carbonatée est l’oxalotrophie bactérienne, qui crée une pompe à carbone entre l’atmosphère et les sols.
    Les buts de ce travail sont (1) de dresser un bilan de carbone, (2) de modéliser son accumulation et (3) de calculer un temps de résidence du carbone minéral dans le sol sous les arbres. Les échantillons ont été prélevés dans cinq profils à proximité d’arbres oxalogènes et un dans un sol de référence, hors de leur influence. Les teneurs en carbone organique total, en oxalates et en carbonates ont été ensuite mesurées. Les principaux outils utilisés pour quantifier ces trois formes de carbone ont été respectivement la pyrolyse Rock-Eval, la digestion enzymatique (Trinity-Biotech) et la titration en retour après dissolution acide des carbonates.
    L’analyse de la matière organique indique que le carbone organique total évolue de manière quantitative et qualitative depuis les feuilles jusqu’aux horizons minéraux. Le stock de carbone organique est intégré dans les bio-molécules dans les horizons de surface (A) et dans les géo-molécules plus stables dans les horizons minéraux (B et C).
    Cette étude montre que la quantité en oxalates dans les feuilles (considérées comme un premier réservoir d’oxalate) est de 20 x 10-2 mg/g de matière sèche. A cette source peut être ajoutée celle des champignons excréteurs d’acide oxalique. En effet, par la mise en culture d’échantillons de sol, les espèces oxalogènes suivantes ont été identifiées: Aspergillus sp., Fusarium sp. et Mucor sp..
    Malgré ces deux apports d’oxalate (feuilles et champignons), la concentration mesurée dans les sols reste faible, ne dépassant pas 6.5 x 10-3 mg d’oxalate/g de sol à un instant t. Ceci-ci peut être expliqué par l’efficacité de l’oxydation bactérienne des oxalates menant à la précipitation de calcite faiblement magnésienne. En effet cette dernière, non présente dans les feuilles fraîches, a été observée dans la litière et les sols où les concentrations peuvent atteindre 15% de la masse totale.
    Ces résultats ont permis de construire un premier modèle proposant que (1) la teneur en carbonates doublerait chaque 30 ans, (2) entre 70 et 170 ans l’accumulation en carbonates serait telle que le sol pourrait être cimenté, et (3) le temps de résidence du carbone pourrait aisément dépasser 4000 ans., South of Burkina Faso, thousands of years of pedogenesis have resulted in “Plinthic Ferralsols (Arenic)” (according to the WRB). However, it is observed that under the influence of oxalogenic trees, such as Milicia excelsa, Afzelia africana, and Bombax costatum, the soil evolves into a “Ferralic Calcisol (Arenic)” in less a millenium. It has been proposed that the driving force of this carbonate accumulation is the bacterial oxalotrophy, which generates a carbon pump between the atmosphere and the soil.
    The principal goals of this work are (1) to provide a carbon balance, (2) to propose a model of the carbonate accumulation, and (3) to estimate the residence time of the inorganic carbon in the soil under the trees. Samples were taken from five profiles near the considered oxalogenic trees and a reference soil beyond their respective influence. Contents of total organic carbon, oxalate, and carbonate were measured. The main tools used to quantify these three different forms of carbon were the Rock-Eval pyrolysis, enzymatic digestion (Trinity Biotech), and back titration after acid dissolution of carbonate.
    Analysis of organic matter indicates that the total organic carbon evolves both quantitatively and qualitatively from leaves to mineral horizons. The stock of organic carbon is incorporated in the bio-molecules at the surface horizons (A) and in stable geo-molecules in mineral horizons (B and C).
    This study shows that the amount of oxalates in leaves (considered as a first oxalate reservoir) is of 20 x 10-2 mg / g of dry matter. Oxalogenic fungi may also have to be added to this source. Indeed, by culturing soil samples, the following oxalogenic strains were identified: Aspergillus sp., Fusarium sp. and Mucor sp..
    Despite these contributions (leaves and fungi) of oxalate, the concentration measured in the soil is low, never exceeding 6.5 x 10-3 mg oxalate / g of soil at any time t. This unexpected outcome may be explained by the efficiency of the bacterial oxidation of oxalate, leading to low magnesium calcite precipitation. Indeed, the latter, while not present in fresh leaves, was found in litter and soils, where its concentration can reach values as high as 15% of the soil total mass.
    All these results were finally used to propose a preliminary model suggesting that (1) the carbonate content is doubling every 30 years, (2) between 70 and 170 years the accumulation of carbonate is so significant that the soil may even become cemented, and (3) the residence time of carbon may easily exceed 4000 years.
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    The transfer of Cadmium from rock to soil and the associated vegetation cover under natural conditions at the Swiss Jura Moutains
    (2010)
    Quezada Hinojosa, Raul Percy
    ;
    Föllmi, Karl
    ;
    Matera, Virginie
    ;
    Adatte, Thierry 
    ;
    Verrecchia, Eric 
    ;
    Baize, Denis
    As a result of soil-surveying studies conducted in the Swiss and French Jura Mountains during the early 1990's, anomalous cadmium (Cd) concentrations were identified in soils developed mostly on Bajocian and Oxfordian limestone. Measured Cd concentrations exceed in most of the cases the Swiss official tolerance guideline concentration for non-polluted soils established at 0.8 mg⋅kg-1. Several research works have confirmed the geogenic origin of Cd in soils derived mainly from the weathering of a Cd-rich carbonate substrata. Cd is a highly toxic trace element and the pedogenic / physicochemical conditions leading to its transfer from rocks to soils and its potential bioavailability to plants are in need of a detailed geochemical assessment. The aim of the present work is to complete the geochemical database by studying rock-soil-plant interactions with regard to this element under natural conditions in two specific sites. A first study of rock-soil interaction was carried out determining Cd-bearing phases in a soil developed on top of a road-cut section outcropping at the SW-facing slope of the Schleifenberg hill (canton Basel-Land, Switzerland). This section consisting of an oblique succession of Bajocian oolitic carbonate includes several horizons which are anomalously enriched in Cd (0.03–4.90 mg⋅kg-1). Cd contents in this soil are in the 0.3–2.0 mg⋅kg-1 range. Vertical pedogenetic processes (weathering of underlying bedrock) as well as lateral colluvial limestone (weathering of uphill carbonates) are responsible for the origin of Cd in the soil. Half of the Cd still resides in the carbonate fraction, while the Cd released from the weathered carbonates is associated either with organic matter (over 10%) or with Fe and Mn-oxyhydroxides (approximately 30%). Adsorption of a low percentage of Cd on clays is of less importance since Pb, Zn, Cu and Cr ions will compete with Cd to gain adsorbed sites on clays. 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, which also greatly reduce the amount of bioavailable Cd. Where developed on steep slopes, the soil will hardly accumulate and colluviums will constantly renew it. A second study regarding the transfer and distribution of geogenic Cd in the soil was conducted on six closely spaced soil profiles at the site called Le Gurnigel (canton Neuchâtel, Switzerland). The soils consist mainly of cambisols and cambic-neoluvisols showing an important allochthonous, aeolian fraction. Cd concentrations generally increase down the soil profiles, showing maxima (up to 16.3 mg⋅kg-1) near the soil-bedrock interface. Most Cd resides in the carbonate and organic fractions in topsoils, whereas the amorphous oxyhydroxides fraction becomes the most important Cd-bearing phase in the middle and in subsoils. Cd, Zn and Cr are positively correlated with comparable distributions in the soil profiles suggesting a common bearing phase such as Fe oxyhydroxides for these three elements. A complex transfer pattern of Cd starts with the release of Cd from the underlying bedrock, and then transferred into oxide, hydroxide, carbonate and organic phases. Additionally, the lateral advection of Cd-rich soils formed on steep slopes acts as a local allochthonous input of Cd to these soils, which in turn is transferred from the topsoil towards the deeper horizons by biological and pedogenic processes. The amount of readily exchangeable and therefore potentially bioavailable Cd is low in these soils (on average 0.2 mg⋅kg-1) provided that the pH remains above 5. Under stronger acidic and oxidizing conditions, Cd bound to organic matter may be mobilised and the bioavailability of Cd would range between 3.3–5.4 mg⋅kg-1 in cambisols and reach up to 1.7 mg⋅kg-1 in deeper cambic-neoluvisols. Soil-plant interactions were studied at the Le Gurnigel analyzing six local plants chosen for their ubiquity in the studied soil profiles. Cadmium accumulation was separately determined in roots and shoots. Three herbs, two graminoids and a tree were used for this purpose. They showed that the accumulation of Cd varies from one species to another and even between plants from the same family. Global levels of Cd in the selected vegetation are in the 2–6 mg·kg-1 range, thus exceeding the official limit value of Cd concentration tolerated in vegetal food for animals established at 1 mg·kg-1. The different behaviours were compared as a function of the variability of Cd in soils. A rise in the concentration of Cd in the soil progressively reduces the transport of Cd toward the shoots reducing also the yield production and increasing the accumulation of Cd in roots. Transfer coefficients from soil / rhizosphere to plant are inversely proportional to the total Cd concentration in soils and do not depend on species identity but instead on soil type. Sequential chemical extractions revealed that variations of Cd distribution between distant soil and rhzosperic soil occur mainly in the first three Cdbearing phases due principally to the incorporation of roots exudates that modify pH and redox conditions of the rizhosphere. High levels of Cd (up to 9 mg·kg-1) were found in shoots of three of the studied plants and may represent a mid-term hazard for animals and human health since these plants are used either for grazing of cattle or for medical purposes. The phenomenon of natural enrichment of soils with geogenic Cd and its progressive accumulation in vegetation covers is suspected to have a widespread occurrence elsewhere, as a function of frequent outcrops of Cd-enriched carbonates of Bajocian and Oxfordian age in western and southern Europe principally in France, Spain and Italy.
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    Dynamique de mise en place des sols en plaine alluviale du Rhône supérieur / Joëlle Farine, Aline Gerber
    (2007)
    Farine, Joëlle
    ;
    Gerber, Aline
    ;
    Gobat, Jean-Michel 
    ;
    Verrecchia, Eric 
    Les zones alluviales sont composées de milieux naturels divers, d’une grande richesse et d’une grande diversité, tant floristique que faunistique. Ces milieux dépendent de l’activité de sédimentation des cours d’eau, qui a pour effet de rajeunir les sols et la végétation. Cette diversité est malheureusement en voie de disparition en Suisse, car 90% des zones alluviales ont déjà disparu, et la dynamique alluviale naturelle a cessé dans 80% des zones restantes. En effet, ces deux cents dernières années ont vu la majorité des rivières être endiguées, et la construction de nombreux ouvrages, comme les barrages hydroélectriques, se faire le long des cours d’eau. Le cours du Rhône supérieur ne fait pas exception. Deux corrections de son cours ont été effectuées depuis 1860. Elles ont eu pour conséquences principales de limiter fortement les crues, et de permettre l’extension des zones agricoles à toute la plaine. Les zones alluviales et les zones de marais ont depuis lors fortement régressé, voire disparu dans la plaine du Rhône. Suite à une rupture des digues en 2000, il a été décidé, au vu de l’état de ces dernières, d’effectuer une troisième correction du fleuve. Elle a pour but, entre autres, de renforcer la sécurité tout en redonnant plus de place au cours d’eau. Cette étude a pour but la description de la mise en place des sols dans la plaine alluviale du Rhône supérieur. Pour ce faire, des sondages à la tarière ont été effectués le long de la plaine sur huit stations, entre Dorénaz (Bas Valais, près de Martigny) et Selkingen (Haut Valais). Leur classification a été effectuée d’après la méthode développée par Bullinger-Weber et Gobat (2006), qui permet de décrire la dynamique de mise en place des sols au niveau d’une station ainsi que la plaine dans son ensemble. Des fosses pédologiques ont ensuite été creusées, afin d’illustrer chaque groupe de sol qui découle de la classification. Des analyses de la matière organique, des analyses granulométriques, ainsi que l’analyse de lames minces ont été effectuées sur les échantillons prélevés dans chaque couche sédimentaire et horizon pédologique des profils. Pour finir, des cartes de la plaine ont été créées à partir d’études cartographiques précédentes (Paulmier, 2004 ; Zanini et al., 2007) ainsi que du plan Napoléon, dessiné en 1802. Les groupes de sols obtenus par classification des sondages y sont représentés. Ces cartes, ainsi que les groupes de sols, permettent de comprendre et de décrire la dynamique de mise en place des sols au niveau des stations, et dans la plaine du Rhône en général. Les résultats des analyses de la matière organique, tout d’abord, ont révélé une grande différence entre les sols des zones où le fleuve est endigué, et les sols des zones alluviales actives encore actuellement ou actives par le passé. Là où le fleuve est endigué, l’activité de la faune du sol est élevée, ce qui se traduit par la maturation, la fragmentation et l’agrégation importante de la matière organique. Elle est clairement encore renforcée lorsque le sol est exploité à des fins agricoles. Ensuite, les résultats de l’analyse granulométrique nous ont permis de décrire la mise en place des sédiments qui forment les sols, et de reconstituer la dynamique alluviale qui est à l’origine de leur dépôt. Il en ressort que la succession des couches sédimentaires, pour certains sols, est le résultat de crues d’intensité moyenne, régulières dans le temps et dans l’espace, et qu’elle est le résultat, pour d’autres sols de la sédimentation forcée effectuée par l’Homme, ou le résultat d’une crue unique de forte intensité. Finalement, l’analyse cartographique ainsi que l’analyse des groupes de sols nous ont permis de proposer une hypothèse de mise en place des sols pour chaque station, ainsi que de vérifier son exactitude. Les zones où le fleuve est endigué, mais dans lesquelles on observe une grande diversité de groupes de sol, s’avèrent être d’anciennes zones alluviales très actives. Il ressort de cette étude que les sols actuels de la plaine du Rhône supérieur sont marqués par les effets de l’endiguement du fleuve et de l’activité agricole encore prépondérante de nos jours. Néanmoins, les sols de la plaine gardent, pour la plupart, la trace de la dynamique alluviale antérieure aux corrections du Rhône.
  • Publication
    Accès libre
    Etude paléopédologique de vertisols dans un système fluviatile (Marnière d'Epéclens, USM du plateau): et Cartographie des formations superficielles du Cirque de St-Sulpice, Jura neuchâtelois, Suisse
    (2005)
    Jeannottat, Simon
    ;
    Verrecchia, Eric 
    Ce travail a pour but de comprendre l’évolution des paléosols récents dans la marnière d’Eclépens et de reconstituer les aléoenvironnements dans lesquels les sédiments s’y sont déposés. Pour ce faire, différentes méthodes sont utilisées. Dans le cadre de cette étude, elles ont consisté en l’analyse des éléments majeurs, de la minéralogie totale de la roche, de la minéralogie de la fraction argileuse, et de la granulométrie. Des lames minces ont également été réalisées. La marnière d’Eclépens se trouve dans l’USM du plateau et a un âge Oligocène supérieur, plus précisément dans le faciès des Marnes bariolées inférieures. Les affleurements de cette marnière sont dominés par la présence de marnes, certaines de couleur rouge lie-de-vin. On y trouve également quelques chenaux de grès ayant une granulométrie relativement fine. Huit profils ont été décrits et échantillonnés pour ce travail, trois dans le bas et cinq dans le haut de la marnière. La granulométrie a montré une domination de la fraction silteuse. Combinée au fait que la plupart des chenaux sont assez larges et peu épais, ce résultat indique que les sédiments ont été déposés dans une zone très distale du bassin versant, dans une région très plate où devait divaguer une rivière à chenaux anastomosés. Les études géochimiques et minéralogiques ont permis de mieux comprendre la dynamique du dépôt. Une cyclicité a en effet été trouvée et montre plusieurs phases de sédimentation, d’altération, d’assèchement, de pédogenèse, et de battements des nappes d’eau au sein d’un même profil. Ces différentes séquences ont en outre pu être confirmées par l’étude des lames minces. Ces dernières, par la présence de figures pédogénétiques, prouvent que la couleur lie-de-vin de certains horizons de la marnière d’Eclépens est due à des phénomènes d’oxydo-réduction et de pédogenèse. La fraction argileuse a quant à elle permis de mieux définir le type d’environnement dominant à cette époque. Outre une grande quantité de micas et de chlorite provenant du démantèlement alpin, de la smectite a également été trouvée. La présence de cette dernière peut être considérée comme caractéristique d’un climat subtropical à tempéré, avec une saisonnalité distincte alternant des périodes humides et sèches, ainsi que d’une région mal drainée avec un relief faible.
  • Publication
    Métadonnées seulement
    Carbonatogénèse bactérienne liée au cycle biogéochimique oxalate-carbonate
    (2005)
    Braissant, Olivier
    ;
    Verrecchia, Eric 
    L'influence des micro-organismes sur la précipitation et la dissolution des minéraux est connue depuis longtemps. Dans ce contexte, le cas particulier de l'oxalate de calcium est particulièrement intéressant car l'oxalate est présent dans de nombreux systèmes biologiques tels que chez les plantes et chez les champignons. L'oxalate joue aussi un rôle important dans certains cycles biogéochimiques ainsi que dans certaines pathologies humaines telles que les calculs rénaux. Malgré la faible solubilité des complexes métaux-oxalates et le degré d'oxydation élevé de l'anion oxalate, un nombre limité de bactéries sont capables d'utiliser l'acide oxalique et l'oxalate de calcium comme sources de carbone et d'énergie. La dégradation de l'oxalate par des bactéries aérobies mène à une augmentation du pH qui permet la précipitation de minéraux carbonatés. L'étude de ce processus dans les sols autour de l'iroko (Milicia excelsa), de cactus, et de plants de vigne montre que les pools d'oxalates sont très variables et que leur dégradation dans le sol et la rhizosphère est assurée principalement par les streptomycètes et les protéobacteries, respectivement. Dans tous les cas, on observe une alcalinisation des sols et une précipitation de carbonate de calcium. De plus les carbonates observés dans les différents sols peuvent être reproduits en laboratoire en utilisant les bactéries oxalotrophes isolées. L'étude de la morphologie et de la minéralogie des carbonates produits en laboratoire montre que les exopolysaccharides et les polymères pariétaux ont une grande influence sur la nature des carbonates produits. De même la cristallisation abiotique de différents polymorphes du carbonate de calcium dans un EPS commercial souligne l'importance de celui-ci dans la formation de phases métastables et des morphologies particulières du carbonate de calcium. Considérant ces éléments, cette étude propose le modèle suivant pour résumer le fonctionnement du cycle oxalate-carbonate dans les sols. Les plantes produisent un premier reservoir d'oxalate. Lors de la dégradation des tissus ligneux et de la litière, les champignons saprophytes produisent un second pool d'oxalate. De plus ils favorisent la libération des cristaux d'oxalate de calcium enchâssés dans les tissus végétaux. Ces deux pools d'oxalate sont ensuite consommés par les bactéries oxalotrophes. Il en résulte une augmentation du pH et une précipitation concomitante de carbonate de calcium., The influence of microbes on the precipitation and dissolution of minerals is known for a long time. In this context the case of calcium oxalate is particularly interesting because calcium oxalate is present in many biological systems such as plant and fungi. Oxalate also plays an important role in biogeochemical cycles and human diseases such as kidney stones. Despite the poor solubility of metal oxalate complexes and the high oxidation state of oxalate, a limited number of bacteria are able to use oxalate and calcium oxalate as carbon and energy sources. Bacterial aerobic degradation of oxalates leads to a pH increase that allows the precipitation of carbonate minerals. The investigation of such processes in soils around an African tree (iroko, Milicia excelsa), cacti, and grape plants shows that oxalate pools are highly variable. In the soil and the rhizosphere, oxalic acid and oxalate crystals are mainly degraded by streptomycetes and proteobacteria respectively. In each case, an alcalinization of soil solution is observed and precipitation of calcium carbonate can occur. Moreover, calcium carbonate crystals observed in soils can be reproduced in the laboratory using isolated oxalotrophic bacteria. The study of the different morphologies and mineralogies produced by oxalotrophic bacteria in the laboratory shows that exopolysaccharides (EPS) and parietal polymers have a great influence on the nature of calcium carbonate crystal produced. In addition, abiotic crystallization of different polymorphs of calcium carbonate in an industrial EPS emphasizes EPS role in the formation of metastable phases and specific morphologies of calcium carbonate. Considering these points, this study proposes the following model for the oxalate-carbonate cycle in soils. Plants produce a first pool of oxalate. During wood and litter degradation, saprophytic fungi produces a second pool of oxalate, increasing the release of oxalate crystals encased in plant tissues. These two pools of oxalates are consumed by oxalotrophic bacteria resulting in a pH increase and a concomitant calcium carbonate precipitation
  • Publication
    Métadonnées seulement
    Cycle du carbone et biominéralisation carbonatée en milieu continental: la diagénèse des phases oxalate-carbonate
    (2005)
    Cailleau, Guillaume 
    ;
    Verrecchia, Eric 
    In terrestrial environments, the carbon sequestration pool in the global carbon cycle is almost entirely attributed to soil and plant organic carbon storage while soil mineral carbon is generally neglected. Nevertheless, significant biologically induced accumulations of carbonate have been observed in soils under the tropical tree "iroko" (Milicia excelsa). Without an input of calcium from carbonate sources in the system, these accumulations constitute a carbon sink by definition. Approximately 1.2. 10-4 to 2.3.10-3 PgC are not sequestered each year due to deforestation of irokos. This calculation is based on an average of 5.76 kg/yr of carbon sequestration by one tree and extrapolated for to the iroko population in Africa. This proposed quantification suggests that the iroko carbon sink is about one or two orders of magnitude less than some environments such as coral reefs or continental shelfes. Furthermore, this carbon sink is highly significant because the residence time of mineral carbon in carbonate-enriched soils associated with the irokos is 102 - 106 years, i.e. 100,000 times longer than soil organic matter residence time. These accumulations of carbonate are the result of the oxalate-carbonate transformation by oxalotrophic bacteria. The iroko tree provides a large amount of oxalate (a photosynthetic by-product), which once released in the soil, can be consumed by soil oxalotrophic bacteria. There are two consequences of this consumption: (i) carbonate ions are produced and available in the soil solution, (ii) and soil pH increases leading to favorable conditions for carbonate precipitation (in a primary acid soil with a pH around 5, the induced pH can reach 9). In the iroko ecosystem, biological agents are present and active at various scales. Termites and saprophytic fungi are involved in the release of oxalate crystals in the soil. Soil oxalotrophic bacteria are able to consume oxalate leading to CO32- production. Carbonate ions can be pumped by iroko roots, circulating into wood vessels in which they can form calcium carbonate crystals in the presence of calcium, when conditions are favorable. They can also precipitate as calcium carbonate in soil pores, depending on local conditions. Soil bacteria and fungi obviously influence precipitation of carbonate inside the soil. Moreover, regarding carbon isotopic signatures and crystallographic properties of needle fiber calcite (NFC) observed in surficial environments, including African soils, they result from a direct biogenic influence. The nomenclature of the various types of NFC has been reinterpreted regarding diagenesis and geochemical fingerprints. The possible biogenic origin of nanorods usually found in the presence of NFC is also discussed from new observations and experiments. In conclusion, this study has demonstrated the potential importance of the oxalate-carbonate pathway in the global carbon cycle, emphasizing the crucial interrelations between geological and biological processes.