Isabelle Laurion

Expertises

Écologie aquatique et bio-optique

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418 654-2694

Télécopieur
418 654-2600

Courriel
isabelle.laurion@ete.inrs.ca

Centre Eau Terre Environnement

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Intérêts de recherche

La professeure Isabelle Laurion s’intéresse tout particulièrement aux effets des changements climatiques sur la dynamique de mélange et la transparence de l’eau en milieu lacustre, et leur interaction avec le réseau alimentaire microbien.

Ses travaux actuels portent sur les conséquences du dégel du pergélisol sur le cycle du carbone en milieu nordique. Le dégel du pergélisol forme des mares où l’activité biologique et le rayonnement solaire peuvent libérer vers l’atmosphère le carbone stocké depuis des millénaires dans la toundra sous forme de CO2 et de CH4. Ce transfert pourrait représenter un mécanisme de rétroaction positive sur le climat car ces systèmes représentent de véritables réacteurs de carbone.

De plus, la professeure Laurion s’intéresse aux émissions de gaz à effet de serre par les petits lacs qui s’eutrophisent et par les bassins de traitement des eaux usées.

Finalement, elle s’intéresse au développement d’outils optiques pour la détection des fleurs d’eau d’algues et de cyanobactéries dans les lacs québécois, notamment la détection hyperspectrale (visible et proche IR), qui trouvera sous peu des applications en télédétection satellitaire et par drone.

Ce projet avangardiste est effectué en collaboration étroite avec l’équipe de Karem Chokmani.

 

Le rôle de la matière organique dissoute dans les écosystèmes d’eau douce

La matière organique dissoute (MOD) exerce un contrôle notoire sur la transparence de l’eau en milieu lacustre et joue ainsi un rôle fondamental sur la stratification thermique et les processus photochimiques et photobiologiques. Par exemple, la MOD influence la disponibilité en lumière pour la photosynthèse et l’exposition des organismes planctoniques et benthiques au rayonnement ultraviolet. La MOD influence également la dynamique de mélange dans un lac. D’autre part, l’utilisation de la MOD par les bactéries dépend de sa nature chimique et de son âge. Les caractéristiques optiques et chimiques de la MOD sont influencées par sa provenance et par les processus de transformation qu’elle subit. La professeure Laurion s’intéresse aux processus de bio- et de photodégradation de la MOD et comment ces processus affectent la production de gaz à effet de serre et le cycle du carbone.

De gauche à droite : Karita Neghandi, Catherine Girard, Lennie Boutet et la professeure Isabelle Laurion

Sonde à fluorescence sur une bouée sur le lac St-Charles, terrain de (Sarah Goubet doctorante dans l'équipe d'Isabelle Laurion et Karem Chokmani)

Son équipe

Maëva Marie-Josée Marimoutou

Maîtrise en sciences de l’eau

Rabiaa Ben Aïcha

Doctorat en sciences de l’eau (codirection de recherche avec Karem Chokmani)

Sarah Goubet

Doctorat en sciences de l’eau

Flora Mazoyer

Doctorat en sciences de l’eau

Thomas Pacoureau

Doctorat en sciences de l’eau

Vilmantas Preskienis

Doctorat en sciences de l’eau

Aarthi Venkatesan

Doctorat en sciences de l’eau (codirection de recherche avec Karem Chokmani)

Formation universitaire

  • B. Sc., majeure en Physique/mineure en Biologie, Université de Montréal
  • M. Sc. Océanographie, Université du Québec à Rimouski
  • Ph. D. Biologie, Université Laval

 

Biographie

La professeure Isabelle Laurion a effectué des stages postdoctoraux en limnologie à l’Université d’Innsbruck, en Autriche, et en écophysiologie à l’Institut des sciences de la mer de Rimouski.

Elle est devenue professeure à l’INRS en août 2002. Depuis, elle se spécialise en bio-optique et en écologie aquatique.

De manière générale, elle s’intéresse aux effets de la dynamique de mélange et de la transparence de l’eau sur le réseau alimentaire microbien et la biogéochimie des systèmes lacustres. Elle travaille souvent à l’interface des processus physiques et biologiques, notamment sur l’interaction entre la lumière, la matière organique dissoute et le plancton. Ses travaux portent sur les facteurs qui contrôlent la prolifération des cyanobactéries dans les lacs et le développement d’outils pour faire leur suivi, incluant les sondes optiques et la télédétection. Ils portent également sur les émissions de gaz à effet de serre par les milieux aquatiques dans un contexte de changements climatiques, incluant les lacs formés par le dégel du pergélisol dans le grand Nord, les lacs subissant une eutrophisation accélérée en zones urbaines et les bassins de traitement des eaux usées.

Elle fait partie du nouveau réseau stratégique du CRSNG Lake Pulse, qui a pour objectifs de déterminer le niveau de santé des lacs canadiens à travers un programme d’échantillonnage intégré, et de fournir des outils permettant de prévoir l’état de santé futur en réponse aux changements environnementaux et climatiques.

Projets de recherche en cours

 

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 actuel : 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 actuel : 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 2e 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

 

Projets de recherche terminés

Performance des étangs de stabilisation pour les eaux usées : mécanismes de contrôle, nouveaux indicateurs de performance et évaluation des risques

Les étangs de stabilisation sont des bassins peu profonds dans lesquels on traite les eaux usées à l’aide de bactéries. Il s’agit d’une méthode de traitement très répandue à travers le monde. La performance de ces étangs n’est cependant pas optimale. Ce projet de recherche australien vise à étudier les facteurs qui affectent l’efficacité du traitement dans ces étangs et les risques environnementaux posés par leur faible performance. Ces risques incluent l’éclosion de fleurs d’eau de cyanobactéries et l’émission de gaz à effet de serre. C’est ce dernier aspect qui sera étudié à l’INRS.

Plus spécifiquement, l’objectif du projet est de déterminer les relations entre l’accumulation des boues, la performance hydraulique et celle du traitement en utilisant une combinaison d’expériences novatrices sur le terrain, de modélisation numérique et d’outils diagnostics à la fine pointe. Ces travaux devraient mener à des traitements plus efficaces ayant un plus faible impact environnemental dans ces étangs de stabilisation et plus de possibilités de réutiliser les eaux traitées.

 

Financement : Australian Research Council
Collaborateurs : Anas Ghadouani et Elke Reichwaldt, University of Western Australia

 

 

La diversité microbienne dans les mares subarctiques et arctiques

Les mares thermokarstiques sont un écosystème aquatique fascinant qui prend de l’ampleur dans les milieux polaires alors que le pergélisol se dégrade. Ces mares semblent particulièrement riches en organismes microbiens et pour la plupart, ils sont supersaturés en gaz à effet de serre (CO2 et CH4).

Selon la géomorphologie du sol, lorsque la fonte du pergélisol est prononcée, l’eau peut être drainée et causer la disparition de cet habitat. Dans d’autres cas, c’est la recolonisation naturelle par la végétation qui mène au fil du temps vers la perte de cet habitat. Dans ces conditions, il devient urgent de développer les banques d’organismes microbiens au Canada et d’identifier les indicateurs microbiens permettant d’établir l’état actuel des écosystèmes polaires afin de suivre les changements qu’ils subiront à l’avenir.

Les objectifs généraux de cette étude sont de déterminer la diversité microbienne des mares et leur rôle dans la production de gaz à effet de serre. Cet habitat représente un écosystème unique dont nous ne connaissons que très peu la diversité, les principaux acteurs étant les organismes microbiens. Ce projet fait partie du programme MERGE (Microbiological and Ecological Responses to Global Environmental change in the polar regions) et du projet ECOSENSOR (Remote aquatic ecosystems as sensors of global change.

 

Financement : CRSNG – Année polaire internationale, CRSNG – Subvention à la découverte, CRSNG – Supplément nordique, Réseau ArcticNet, Étude du plateau continental polaire, Ministère des Affaires indiennes et du Nord.

Collaborateurs : Connie Lovejoy et Warwick F. Vincent (Université Laval)

Activités d’enseignement

Limnologie : eaux lacustres et eaux courantes (EAU102)

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.

 

Stage de terrain (EAU104)

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.

 

Échantillonnage et suivi environnemental (EAU302)

Représentativité environnementale d’un échantillon. Mesures in situ des propriétés physicochimiques de l’eau et des sédiments. Échantillonnage qualitatif et quantitatif de la flore et de la faune; le plancton, le benthos et le necton. Mesures de la bioaccumulation des contaminants et de l’état des communautés des cours d’eau du Québec.

Publications