À la chasse aux métaux traces dans un Nord canadien en évolution rapide : approches limnologiques, écologiques et collaborative = Hunting for trace metals in a rapidly changing North : limnological, ecological, and collaborative approaches

Abstract

Actuellement, l’Arctique canadien subit de grands changements, tant climatiques que socio- environnementaux, auxquels s’ajoute une pression croissante d’y exploiter les ressources naturelles. Les écosystèmes arctiques étant d’importants indicateurs des changements globaux futurs, il s’avère essentiel de mieux comprendre l’impact de ces changements sur la santé humaine et celle des écosystèmes. Pourtant, notre compréhension des cycles biogéochimiques des contaminants présente des lacunes importantes, notamment pour le cycle des métaux traces, qui subit d’importants déséquilibres en réponse aux changements climatiques. Dans la présente thèse, j’ai cherché à mieux comprendre les tendances écologiques à grande échelle des métaux traces dans les écosystèmes du Grand Nord canadien. Dans un premier temps, j’ai étudié les effets potentiels d’un climat en changement sur le cycle du mercure dans les lacs et les étangs nordiques. Cette étude pluriannuelle à grande échelle cherchait à déterminer si les mares thermokarstiques à forte activité microbienne pourraient être une source de méthylmercure dans l’est de l’Arctique canadien. Nos résultats démontrent que les mares de fonte de petite taille, omniprésentes dans le Grand Nord, pourraient devenir des sources de méthylmercure pour les écosystèmes aquatiques voisins, en réponse aux changements climatiques. Dans un second temps, cette thèse a examiné l’effet de la productivité aquatique sur la bioaccumulation de méthylmercure dans les organismes aquatiques à la base des réseaux trophiques. J’ai échantillonné des écosystèmes suivant une gamme décroissante de productivité afin d’étudier les implications des changements de productivité sur la bioaccumulation de mercure. Nos résultats suggèrent que dans ces lacs nordiques peu productifs, les indicateurs de la productivité, tels que la biomasse algale et la stoechiométrie des nutriments, ne sont pas les facteurs contrôlant l’accumulation de mercure à la base des réseaux aquatiques. Les troisième et quatrième chapitres de cette thèse se sont concentrées sur le comportement et le destin des éléments de terres rares dans les écosystèmes nordiques. Peu d’études écotoxicologiques ont été menées sur ces métaux et notre objectif principal était d’établir la base de référence avant la prolifération de projets d’exploitation minière aux latitudes nordiques. Nos résultats démontrent que les terres rares suivent des patrons de bioaccumulation spécifiques aux taxons et aux tissus, et que ces contaminants ne sont pas bioamplifiés dans les réseaux trophiques naturels. J’ai également identifié les facteurs environnementaux clés qui influencent la bioaccumulation de terres rares dans le zooplancton d’eau douce, incluant le pH, le carbone organique dissous, et la concentration de terres rares sous forme d’ion libre. Nos études soulignent la pertinence du zooplancton dans le suivi biologique de ces contaminants dans les écosystèmes d’eau douce. Dans un dernier temps, cette thèse met en lumière l’importance de mener de la recherche collaborative avec les communautés autochtones en Arctique, en examinant le succès d’un programme de suivi environnemental communautaire au Nunavik. J'ai contribué à ce projet de surveillance environnementale et à la création d’activités éducatives participatives visant l’intégration du savoir autochtone dans la recherche en écologie. J’ai également examiné comment la mise en place d’ateliers pour chercheurs en début de carrière pouvait jouer un rôle de plateforme-clé pour la réflexion sur les avantages et les défis de la recherche collaborative avec les communautés autochtones. En somme, la présente thèse a grandement amélioré notre compréhension de l’effet des changements socio-environnementaux sur la biodisponibilité et les dynamiques trophiques de mercure et des éléments de terres rares dans les écosystèmes de l’est de l’Arctique canadien. Mieux comprendre les répercussions des changements futurs sur le devenir des métaux traces dans l’environnement est crucial à l’évaluation de l’impact de ces changements sur le Nord et sur les communautés qui y vivent.

Climate change will have wide-ranging effects on Arctic ecosystems and communities. Accelerated warming combined with significant pressure to exploit natural resources has led to Arctic ecosystems vulnerable to both climatic and socio-environmental change. As the Arctic is an important indicator of future global changes, it is important to study the impact of these changes on human and ecosystem health. A key knowledge gap in our understanding is how rapid changes in the North will affect the transport and biogeochemical cycling of key contaminants, including trace metals. In this thesis, I used a large-scale ecological approach to study the environmental fate, bioaccumulation, and trophic transfer of trace metals in Canada’s northern ecosystems. In the first chapter of this thesis, I studied the potential impacts of a changing climate on mercury cycling within Arctic lakes and ponds. This large-scale, multi-year study investigated whether microbially-active permafrost thaw ponds were potential sources of mercury in the eastern Canadian Arctic. Our results showed that thaw ponds are small but abundant sources of methylmercury, with potentially significant downstream effects linked to permafrost thaw. The second chapter of this thesis examined the effects of aquatic productivity on the uptake of methylmercury in biota at the base of freshwater food webs. I sampled a gradient in ecosystem productivity to study the implications of climate-induced changes in productivity on mercury bioaccumulation. Our results suggested that indicators of productivity, such as algal biomass and nutrient stoichiometry, are not the main drivers of methylmercury accumulation within unproductive Arctic lakes. The third and fourth chapters of this thesis focused on the behaviour and environmental fate of rare earth elements in Arctic ecosystems. Few ecotoxicological studies exist for rare earth elements and our goal was to establish baseline data before the proliferation of rare earth mining projects at northern latitudes. Our results found that rare earth element bioaccumulation patterns appear to be species- and tissue-specific and they do not biomagnify in natural food webs. I also identified key environmental drivers of bioaccumulation in zooplankton, including, pH, dissolved organic carbon and the rare earth element free-ion concentrations. These studies highlight the utility of zooplankton as a biomonitor for rare earth elements in freshwater ecosystems. Lastly, my thesis highlights the importance of collaborative research with Indigenous communities by examining a successful community-based environmental monitoring program in Nunavik. I participated in a collaborative and land-based environmental monitoring and science education program with the aim of integrating Indigenous knowledge into ecological research. I also examined the role of peer-led workshops as an effective platform for early-career researchers to reflect on the benefits and challenges of conducting community-collaborative research in Indigenous communities. Overall, my thesis greatly improves our understanding of how rapid socio-environmental change may affect the bioavailability and trophic transfer of mercury and rare earth elements in the eastern Canadian Arctic. Understanding the impact of future changes on the environmental fate of metals is crucial to ensuring the health of Arctic ecosystems and communities.