Isabelle Laurion

Projets de recherche récents

Influence de la physique et de l’écologie microbienne sur les émissions de gaz à effet de serre par les écosystèmes d’eau douce

Le rôle des lacs dans le cycle global du carbone (C) a été clairement mis en évidence dans la dernière décennie. Ces écosystèmes sont des sites importants de transformation du C par l’action de la lumière et des microorganismes et des sites actifs de production de gaz à effet de serre (GES), significatifs à l’échelle de la planète. En régions nordiques, les lacs pourraient agir comme un mécanisme de rétroaction positive sur le climat, dépendant de la biolabilité du vieux C mobilisé par le dégel du pergélisol. D’autre part, le verdissement de l’Arctique, qui implique des changements dans les apports de nouveau C vers les systèmes aquatiques, pourrait augmenter la minéralisation du vieux pool de C par un effet de levier, amplifiant l’impact du dégel sur le climat global, ou représenter un bilan de C neutre si ce nouvel apport alimente de façon prépondérante l’activité microbienne. De plus, des études récentes montrent l’importance de considérer la dégradation photochimique de la matière organique dans les petits systèmes aquatiques de l’Arctique. Le rôle de ces écosystèmes comme mécanisme rétroactif sur le climat fait l’objet d’une controverse, en partie due à une méconnaissance de leur diversité limnologique et à la complexité de leur réponse au climat. La variabilité observée dans les émissions de GES est en partie liée aux diverses méthodes employées pour évaluer les échanges gazeux et à l’évolution dynamique des processus physiques et biologiques de ces systèmes dans l’espace et dans le temps.

Ce programme de recherche a pour objectif de déterminer l’influence des facteurs physiques et de l’activité microbienne sur les émissions de GES par les écosystèmes lacustres, et d’examiner de quelle façon cette influence sera modulée par les changements environnementaux. Ces travaux concernent prioritairement les lacs et mares formés par le dégel du pergélisol en régions nordiques, mais également les systèmes aquatiques eutrophes associés aux activités humaines. Les questions suivantes seront abordées : 1) quelle est l’influence de la turbulence, de la structure thermique, des concentrations en oxygène, en C et en nutriments, et de l’activité des producteurs et consommateurs de GES sur les émissions; 2) de quelle façon les conditions climatiques, le dégel du pergélisol et le régime lumineux affectent-ils les émissions de GES par leur action sur la biolabilité du C, la limnologie et l’activité microbienne; 3) les émissions de GES par ces écosystèmes représentent-elles un mécanisme de rétroaction positive sur le climat? Ces travaux contribueront à mieux estimer le rôle des petits écosystèmes d’eau douce sur le cycle global du C, à développer les connaissances fondamentales pour évaluer la réponse des écosystèmes lacustres aux changements du climat, et à former un ensemble de jeunes chercheurs dans un contexte transdisciplinaire. Ils permettront d’inclure ces systèmes dans les scénarios climatiques futurs du GIEC.

Financement : CRSNG – Subvention à la découverte, Étude du plateau continental polaire
Financement précédent : Réseau ArcticNet,  Ministère des Affaires indiennes et du Nord, Année polaire internationale – CiCAT (Climate Change Impacts on Canadian Arctic Tundra Ecosystems: Interdiciplinary and Multi-scale Assessments)
Collaborateurs : Warwick F. Vincent, Connie Lovejoy, Reinhard Pienitz et Florent Domine (U. Laval); Marc Amyot et Daniel Fortier (U. de Montréal); Milla Rautio (UQAC); Sally MacIntyre (U. California, É-U); Michael Billett (U. Strirling, UK)

Outils de détection et de suivi des cyanobactéries

Lorsque les fleurs d’eau de cyanobactéries deviennent importantes et récurrentes, elles perturbent les écosystèmes, produisent des composés malodorants, dégradent l’aspect esthétique des plans d’eau et produisent des toxines nocives pour la santé. Une gestion efficace des épisodes de fleurs d’eau de cyanobactéries repose sur l’identification rapide des espèces à potentiel toxique, le dosage des cyanotoxines au moment opportun et sur l’étude des facteurs qui gouvernent la dynamique des populations de cyanobactéries afin de mieux prévoir les périodes de risque. Les méthodes conventionnelles pour quantifier les cyanobactéries et leurs toxines dans les écosystèmes aquatiques d’eau douce sont laborieuses et coûteuses. La détection de la fluorescence in vivo (FIV) du pigment phycocyanine peut être utilisée comme un indice de suivi de l’abondance des cyanobactéries afin d’optimiser l’effort d’échantillonnage et réduire les coûts qui y sont associés. Un des objectifs de l’étude est de développer une procédure de calibration des sondes de FIV permettant de maximiser la précision des estimations d’abondance et de mieux connaître les limites liées à l’exploitation de cet outil. L’utilisation des sondes de FIV permet de détecter les cyanobactéries sur l’ensemble de la colonne d’eau in situ, et ce, avant qu’elles ne forment des fleurs d’eau en surface et constituent un risque pour la santé. En étroite collaboration avec Karem Chokmani, le deuxième objectif de l’étude est de développer des algorithmes permettant d’exploiter l’imagerie satellitaire pour détecter les fleurs d’eau dans les lacs du Québec, suivre en temps quasi réel leur dynamique spatiale en surface et identifier les conditions favorisant l’apparition et le développement des fleurs d’eau.

Financement : CRSNG – Subvention à la découverte
Financement précédent : FRQNT – Projet de recherche en équipe
Collaborateurs : Karem Chokmani (INRS), Warwick F. Vincent (Université Laval), Simon Bélanger (UQAR)

Réseau canadien Lake Pulse

Le réseau du CRSNG sur l’état des lacs du Canada (Lake Pulse Network) souhaite développer des outils permettant d’évaluer l’état de santé des lacs canadiens afin de mieux protéger cette précieuse ressource des menaces actuelles et futures. Le réseau compte 18 chercheurs (de 14 universités) et neuf ministères fédéraux et provinciaux. L’objectif est d’échantillonner 680 lacs couvrant un gradient de perturbations anthropiques en utilisant diverses approches limnologiques, paléolimnologiques, génomiques et microbiologiques, ainsi que la télédétection et la modélisation spatiale. Les travaux s’organisent autour de quatre axes : 1) Où, à quel point et pourquoi les lacs canadiens ont-ils changé en raison des activités humaines? 2) Comment la télédétection et la modélisation spatiale peuvent-elles être utilisées pour évaluer la santé des lacs? 3) Comment les espèces microscopiques sont-elles affectées par des changements dans les lacs et comment peuvent-elles servir d’indicateurs de la santé des lacs? 4) Comment les écosystèmes lacustres et leurs services répondront-ils aux scénarios de changement environnemental? Le projet dans lequel la professeure Isabelle Laurion est impliquée a pour objectifs de développer des indices novateurs de l’état de santé des lacs en exploitant la télédétection et d’extrapoler l’information récoltée sur l’ensemble des lacs canadiens. Une étudiante au doctorat à l’INRS est également impliquée, Sarah Goubet (codirecteur K. Chokmani). Son projet vise à développer deux outils optiques (fluorescence in vivo et imagerie hyperspectrale) pour la quantification de la biomasse algale, avec une distinction des cyanobactéries (et potentiellement algues vertes et brunes). Elle teste la performance des outils sur des algues maintenues en culture et leurs limitations en présence de facteurs d’interférence. Elle validera ces outils à travers la banque de données générée par le réseau. En plus de permettre une quantification de la biomasse algale, les signatures spectrales recueillies en laboratoire permettront à terme de faire le suivi de la matière organique dissoute colorée (CDOM) et des particules inorganiques en suspension. Les caméras hyperspectrales seront dans un 2^e temps déployées au-dessus des lacs à bord d’un drone (Laboratoire de télédétection environnementale par drone) afin de produire une cartographie des fleurs d’eau. L’information de haute résolution spectrale et spatiale obtenue par drone pourra alors être exploitée en relation avec l’imagerie hyperspectrale satellitaire qui deviendra accessible dans les années à venir.

Financement : CRSNG – Subvention de partenariat stratégique
Collaborateurs : Yannick Huot (Université de Sherbrooke), Simon Bélanger (UQAR), Caren Binding (Environnement Canada)

Bassins de rétention pour capter les pesticides et les nutriments dans les eaux de surface et de drainage agricole

Pour favoriser le développement d’une agriculture durable au Québec, il faut trouver des solutions permettant de réduire les taux d’exportation de contaminants (phosphore, azote, solides en suspension, pesticides) vers les écosystèmes aquatiques et d’atténuer les problématiques d’érosion dans les cours d’eau récepteurs. Les bassins de rétention (BR) permettent le stockage temporaire de l’eau des crues, ce qui réduit leur débit de pointe en aval et augmente le temps de sédimentation des contaminants. Cette pratique de gestion bénéfique est utilisée en milieu urbain depuis plusieurs années, mais son utilisation en milieu agricole demeure exceptionnelle. Au même titre que les marais filtrants artificiels, les BR peuvent réduire significativement les charges en pesticides lorsque le temps de séjour hydraulique est suffisant. Par ailleurs, l’efficacité de traitement des BR serait améliorée par l’utilisation d’écumoires flottantes, causant une évacuation de l’eau la plus propre située à la surface de la colonne d’eau. Un site de démonstration implanté à l’automne 2014 dans le bassin versant du lac St-Pierre par le MAPAQ sera utilisé dans ce projet afin d’évaluer l’efficacité des BR à traiter les nutriments, les solides en suspension et les pesticides. Ce site est le premier BR muni d’une écumoire flottante implanté en milieu agricole au Québec. Les taux d’enlèvement des pesticides seront quantifiés et l’impact sur la vie aquatique sera évalué par des tests standards de toxicité et un suivi des communautés microbiologiques dans l’eau et les sédiments. L’antibiorésistance microbienne et les émissions de CO₂ et CH₄ seront également suivies.

Financement : Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec (CEAEQ)
Collaborateurs : Nicolas Gruyer (CEAEQ), François Chrétien (Agriculture et Agroalimentaire Canada), Roxane Maranger (Université de Montréal)

Nouvelle approche hydrolimnologique pour quantifier la contamination provenant des eaux usées domestiques au lac Saint-Charles

Le lac Saint-Charles est la source d’eau potable qui alimente plusieurs municipalités sur le territoire métropolitain de Québec, près de 300 000 personnes. La forte urbanisation de son bassin versant a accéléré sa dégradation. Les données scientifiques laissent croire que cette dégradation pourrait être irréversible si les actions requises ne sont pas mises en œuvre rapidement. Ici, nous utiliserons une nouvelle approche hydrolimnologique appliquée mettant en relation le bilan hydrologique et les propriétés limnologiques du lac pour quantifier l’impact des eaux usées domestiques. La méthode hydrologique basée sur les traceurs isotopiques dans l’eau (oxygène et hydrogène) et les propriétés physicochimiques du lac (nutriments, matière organique) seront utilisées pour établir l’apport relatif des eaux usées des installations septiques et des stations de traitement des eaux usées. Les résultats aideront à identifier la source la plus dominante et à prioriser les investissements afin d’améliorer la qualité des eaux de rejets dans le lac.

Financement : MITACS – Accélération
Partenaires : Association pour la protection de l’environnement du lac Saint-Charles et des Marais du Nord
Collaborateur : Brent Wolfe, Université Wilfrid Laurier

Affiliations

• Lake Pulse : réseau stratégique du CRSNG sur l’état des lacs du Canada
• Ecosensor: Remote aquatic ecosystems as sensors of global change and models to establish microbial biodiversity patterns: the role of atmospheric aerosols
• Membre du Centre d’études nordiques (CEN)
• Membre du Groupe de recherche interuniversitaire en limnologie et en environnement aquatique (GRIL)

Diplômé(e)s et anciens stagiaires postdoctoraux

Marimoutou, Maeva Marie-Josée (M. Sc.  2020)
Matveev, Alex  (Université Laval, Ph.D. 2019)
Ratté-Fortin, Claudie  (Ph. D. 2019)
Vallières, Catherine  (M. Sc. 2018)
Bouchard, Frédéric  (Stage postdoctoral, 2017)
Bartosiewicz, Marciej  (Ph. D. 2015)
Gomez, Patricia  (Ph. D. 2015)
El Alem, Anas  (Ph. D. 2014)
Neghandi, Karita  (Ph. D. 2014)
Glaz, Patricia (UQAM, Ph.D. 2013)
Rolland, Delphine  (Ph. D. 2013)
Warren, Annabelle  (M. Sc. 2011)
Dupont, Christiane  (M.Sc. 2009)
Caplanne, Sophie  (Ph. D. 2008)
Breton, Julie  (Ph. D. 2007)
Retamal, Leira  (Ph. D. 2007)
Rossi, Paul-Georges  (Ph. D. 2007)

Enseignement

Stage de terrain (ETE102)

Activité de terrain permettant aux étudiants inscrits à la maîtrise en sciences de l’eau une initiation pratique aux éléments essentiels de l’hydrologie et de la limnologie. Le stage intensif aborde différents aspects physiques, chimiques et biologiques des sciences de l’eau.

Limnologie : eaux lacustres et eaux courantes (ETE402)

Introduction à la limnologie; limnologie physique; limnologie chimique et biologique : contenu dissous et particulaire, cycles de transformation, communautés biotiques et productivité biologique. Étude des lacs, aspects opérationnels. Régulation de la chimie des eaux courantes, paramètres usuels de la qualité de l’eau. Transport fluvial. Productivité biologique des eaux courantes. Influences du bassin versant et des aménagements physiques sur la qualité de l’eau.

Suivi environnemental des écosystèmes d’eau douce (ETE408)

Prélèvement et préservation d’échantillons pour déterminer le statut trophique et la qualité de l’eau d’un lac et d’une rivière en zone urbaine. Exploration de diverses méthodes d’échantillonnage et d’analyses environnementales incluant la chimie de l’eau, l’identification du plancton, des diatomées des sédiments lacustres, du zoobenthos et des diatomées en rivière. Critères pour le choix des protocoles, de la stratégie d’échantillonnage et des méthodes d’analyse. Instrumentation et équipement requis pour le suivi environnemental. Contrôle de qualité, fiabilité et validation des résultats. Représentation graphique, analyse statistique et interprétation des résultats. Règles de sécurité et accréditation des laboratoires. La participation aux sorties terrain, aux présentations orales et aux cours sera évaluée, ainsi qu’une présentation orale des résultats terrain, un examen de mi-parcours et un rapport sur l’ensemble des données effectué en équipe.