Les espèces mercurielles se retrouvent dans la neige par plusieurs processus. Tout d’abord par dépôt humide, via les précipitations neigeuses elles-mêmes. Lors de la formation du flocon dans le nuage, le mercure divalent (forme oxydée du mercure qui a cédé 2 électrons) présent dans le nuage adsorbé aux poussières ou bien même gazeux peut se retrouver intégré au flocon en croissance. Ensuite lors de la chute du flocon, ce dernier peut accrocher à sa surface du mercure divalent présent dans l’atmosphère, par lessivage atmosphérique. Cette voie s’appelle le dépôt humide, par référence à la précipitation d’eau, en l’occurrence solide. Un deuxième type de dépôt, le dépôt sec, consiste lui en une sédimentation des particules atmosphériques contenant le mercure divalent. Les particules sous l’effet de leur propre poids vont en l’absence de vent lentement tomber sur les surfaces de neige. Ce dépôt sec est minoritaire en intensité de mercure déposé comparé au dépôt humide.
Un troisième type de dépôt est celui dit de « dépôt accéléré »,  des événements de pluies de mercure observées pour la première fois en 1995 par William Schroeder d’Environnement Canada (Toronto) et son groupe à Alert dans l’Arctique Canadien. Aux chutes brutales des concentrations de mercure élémentaire gazeux dans l’atmosphère, s’ajoute un dépôt rapide de mercure divalent sur la surface de la neige. Les concentrations de mercure divalent dans la neige de surface peuvent être multipliées par un facteur 100 voire plus, en quelques heures. Ce phénomène rapide dépose dans certaines régions polaires des quantités impressionnantes de mercure sur les surfaces de neige. Certains auteurs avancent les chiffres de plusieurs centaines de tonnes par an pour ces zones retirées. La neige reçoit donc de l’atmosphère une contribution en mercure importante qui pourra ainsi s’accumuler tout au long du printemps. Le mercure ainsi déposé reste-t-il inerte dans la neige en attendant la fonte ? Une réponse positive à cette question aurait pu très vite permettre de comprendre pourquoi ces écosystèmes pourraient être contaminés via la fonte de la neige.

Une fois déposé, le mercure va subir des transformations chimiques initiées par les rayons du soleil. Le printemps polaire voit dans la plupart des régions une exposition permanente à la lumière, nuit et jour. Par des processus dits de photoréduction, le mercure va être transformé en mercure élémentaire gazeux qui va retourner dans l’atmosphère. Les rayons du soleil sont à ce moment de l’année suffisamment puissants pour permettre cette réémission. A l’intérieur du manteau neigeux, dans les espaces d’air entre les grains, les espèces mercurielles peuvent alors être très réactives. Par exemple, il est fréquent de mesurer à 30-40 cm de profondeur dans l’air des concentrations en mercure élémentaire gazeux plus élevées qu’en surface, ce qui prouve que la neige produit du mercure élémentaire gazeux (Figure 1). Le manteau neigeux est ainsi une source d’émission de mercure. Dans certains cas, c’est l’inverse : les teneurs en mercure élémentaire gazeux sont plus faibles dans l’air de la neige qu’à l’extérieur (Figure 1). Dans ce cas le manteaux neigeux est un puits : il stocke le mercure. Au travers de ces deux exemples, rencontrés aussi bien dans les neiges groenlandaises côtières que centrales et au Svalbard en Norvège, on voit que le manteau neigeux se comporte comme un poumon avec sa propre respiration ; il est capable de produire comme de stocker. Tout dépend des conditions environnementales : température de l’air et de la neige, irradiation, composition chimique de la neige.

Figure 1 : Mesures de mercure élémentaire gazeux (Hg°) en surface (courbe bleue) et dans l’air de la neige à Kuujjuarapik (Arctique Canadien) à 35 cm de profondeur (courbe rouge) et à 100 cm (courbe violet). Lorsque la courbe bleue est au dessus de la courbe rouge, le manteau neigeux est un puit, lorsque les courbes sont inversées alors le manteau neigeux est une source de mercure élémentaire gazeux (© LGGE).

La neige, ce n’est pas qu’un réacteur chimique….Bienvenu dans un monde vivant.

La neige polaire n’est pas qu’un réacteur chimique. Elle contient des micro-organismes (bactéries, levures, champignons,…) qui se sont adaptés à ces conditions difficiles tant par la température que par la pauvreté de ce milieu de vie. Ces micro-organismes sont capables de vivre et se développer à des températures situées au-dessous de 0°C. Le nombre de bactéries mesuré dans ces neiges peut atteindre 10 000 par millilitre de neige fondue. Ces micro-organismes peuvent se développer très rapidement lors de la fonte du manteau neigeux et leur nombre peut augmenter rapidement. En 2004 au Spitzberg (Norvège), nous avons collecté et isolé certaines bactéries et levures. En laboratoire, nous les avons fait croîitre dans des milieux de culture adaptés et avons ajouté du mercure à des concentrations proches de celles retrouvées dans les neiges étudiées. Quelle ne fut pas notre surprise de constater que ces micro-organismes interagissent avec le mercure à ces concentrations, soit pour l’éliminer (mécanisme de détoxification), soit pour au contraire le transformer en méthyl-mercure, espèce mercurielle toxique. Ces micro-organismes auraient donc la faculté de produire ce poison et de le libérer dans le milieu. Si cela a été vu en laboratoire, notre campagne de terrain de ce printemps au Spitzberg avait pour objectif d’examiner si à la fonte, l’eau de ruissellement était fortement chargée en méthyl-mercure. Nos résultats seront connus à l’automne.

Ces micro-organismes n’ont pas fini de nous réserver des surprises ! En effet, certains d’entre eux ont la capacité de générer des EPS (Exo-polysaccharides), des longues chaînes de sucres naturels pour se protéger des conditions difficiles. Hors ces sucres sont retrouvés à des fortes concentrations dans les neiges polaires et vont donc, à la fonte, rejoindre les écosystèmes. Nous avons montré en laboratoire que ces sucres sont de vraies éponges à mercure qui jouent le rôle de piège à mercure. Il faut noter que ces sucres, comme les micro-organismes, sont la nourriture des premiers maillons de la chaîne alimentaire, à savoir le phytoplancton. Les micro-organismes et leurs activités à la fonte pourraient donc constituer cette fameuse porte d’entrée tant recherchée… Une fois le méthyl-mercure entré dans le phytoplancton, il va se bio-accumuler dans les différents maillons pour atteindre des niveaux de concentrations très élevés dans les poissons, les phoques et les ours polaires, eux-mêmes consommés par les populations Inuits. Ce cycle ainsi défini est représenté sur la Figure 2.

Une pollution récente ?

Cet état présent des recherches sur le mercure dans les régions polaires nous amène à les replacer dans le temps. Que se passait-il avant ? Et que se passera-t-il demain ? Pour répondre à la première question, il nous faut plonger dans les archives du passé. Il en existe de nombreuses, comme les sédiments et les coraux, mais une d’entre elles nous intéresse tout particulièrement : les calottes glaciaires. Ces dernières ont piégé au cours des centaines de milliers d’années nécessaires à leur lente formation, les gaz contenus dans l’atmosphère au moment de la chute de neige. Si l’on est capable de mesurer le mercure gazeux contenu dans un échantillon de glace ancienne, on sera capable d’estimer la quantité de mercure gazeux présente dans l’air à cette époque là et d’en déduire la pression exercée sur les écosystèmes polaires ou non. Une véritable prouesse technologique : il faut d’abord extraire le mercure contenu dans la glace et ensuite mesurer l’infime quantité présente. C’est là une voie de nos recherches actuelles. Nous avons déjà réussi à remonter en partie dans le passé, grâce à la mesure d’air aspiré à des profondeurs d’une centaine de mètres dans la calotte du Groenland. Les tous premiers résultats nous permettent de retracer l’évolution des concentrations atmosphériques depuis les 50 dernières années. Ainsi les concentrations présentes dans l’air n’ont pas cessé d’augmenter jusqu’aux années 70 où elles ont atteint leur maximum. Dès lors, en raison de nombreux efforts pour limiter les émissions humaines de mercure, elles ont chuté d’un facteur 2. Notre prochain objectif sera d’examiner l’évolution des niveaux atmosphériques bien avant l’ère industrielle afin de quantifier précisément quelle a été l’influence de l’Homme sur les quantités de mercure mobilisées vers l’atmosphère. Quant aux futures concentrations atmosphériques, la question se pose de savoir si elles vont encore décroître. Nous examinons dans un premier temps le passé pour mieux asseoir nos prévisions sur les évolutions futures.

Quoi qu’il en soit, un problème de taille se pose déjà : l’industrialisation rapide de pays comme la Chine et l’Inde qui consomment des quantités importantes de charbon, lequel est capable de dégager lors de sa combustion du mercure. Il y a fort à parier que la décroissance amorcée ne soit donc que de faible durée et que les apports de mercure vers l’atmosphère et les régions polaires regagnent en intensité. Ce grave problème de pollution montre à quel point les écosystèmes polaires sont des écosystèmes fragiles et sont sensibles aux agressions provenant des pays industrialisés. Le rôle des émissions de mercure d’origine humaine semble être de plus en plus claire dans cette contamination et montre si cela était encore nécessaire, qu’il n’existe aucun endroit en lien avec l’atmosphère qui ne subisse l’influence de l’Homme.

Nota-Bene : Nous remercions l’ensemble des étudiants en thèse et post-doc qui ont contribué à ce programme de recherche. Nous pouvons citer Pierre-Alexis Gauchard, Xavier Faïn, Raphaèlle Hennebelle, Catherine Larose, Enno Bahlmann, Sonia Nagorski, Nicolas Marusczak, Julien Courteaud et Marlène Delacour-Larose.

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Christophe Ferrari & Aurélien Dommergue © 2007- Le Cercle Polaire - Tous droits réservés